水產源膠原蛋白對光老化皮膚的改善作用

鄭雨婷，王睿，張寧寧

（福建農林大學食品科學學院，福建福州350002）

膠原蛋白是動物結締組織中的主要成分，含量約占動物總蛋白的25%～30%[1]。膠原蛋白種類十分豐富，目前研究發現有至少29種膠原蛋白，主要的膠原蛋白類型為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅺ型，其中Ⅰ型膠原蛋白最為常見[2]，主要來源于水產品，約占所有膠原蛋白的90%[3]。膠原蛋白分子量約為300 kDa，由3條肽鏈相互纏繞形成三螺旋結構[4]，每條鏈由1 000個氨基酸殘基組成，鏈的長度為300nm。膠原蛋白含有18種氨基酸，氨基酸序列的基本單位為Gly-X-Y，它也是膠原蛋白中重復最多的氨基酸序列，其中X、Y多為脯氨酸（proline，Pro）和羥脯氨酸（hydroxyproline，Hyp）[5]。且羥脯氨酸為膠原蛋白的特征氨基酸[6]。

除上述膠原蛋白共同的結構以及主要的氨基酸組成，水產源膠原蛋白還具有它自身的特點。水產動物來源的膠原蛋白主要類型為I型（魚類和軟體動物）和V型（蝦、蟹和海蜇等）[7]。在具體的氨基酸含量分布上，水產源膠原蛋白的羥脯氨酸含量低于陸生動物來源的膠原蛋白，但蛋氨酸含量高于陸生動物膠原蛋白。較低的羥脯氨酸含量也使水產源膠原蛋白的熱變性溫度低于一般的哺乳動物膠原蛋白，熱穩定性較差。Wang等[8]分別從西班牙鯖魚的皮膚和骨骼中提取得到酸溶性膠原蛋白和胃蛋白酶溶性膠原蛋白并對其進行變性溫度的研究，結果4種膠原蛋白的變性溫度均遠低于哺乳動物和熱帶魚類膠原蛋白。Kimura等[9]則認為水產動物膠原蛋白的熱變性溫度與動物間的種屬差異無關，與水產動物棲息環境的最高溫度大致相同。Zhuang等[10]對海參斑魚皮膚膠原蛋白熱變性溫度的研究結果進一步證明了膠原蛋白的熱穩定性與魚類生長的環境溫度和體溫有關。另外水產膠原蛋白在中性鹽以及酸溶液中的溶解性較好，這一性質有利于制備可溶性膠原蛋白溶液[11]。

1 水產膠原蛋白提取方法

傳統提取膠原蛋白的主要原料為豬、牛等畜禽的皮、骨等加工廢棄物。近年來由于禽流感等畜類疾病以及某些宗教信仰的限制[12-13]，陸生動物來源的膠原蛋白提取受到影響，而水產生物則不存在上述因素限制，且各功能特性均優于陸生動物。因此人們開始關注用水產生物作為提取膠原蛋白的原料[14]。

1.1 酸法

酸法提取膠原蛋白的基本原理為利用一定濃度的酸溶液在一定條件下改變蛋白質所處的外在環境，使得分子間鹽鍵被破壞，纖維膨脹及溶解，從而將膠原蛋白與其他成分分離。常用處理劑為乳酸、鹽酸、檸檬酸、乙酸、醋酸等[15]，提取出的膠原蛋白常為酸溶性膠原蛋白（acid soluble collagen，ASC）。Minh等[16]成功地利用醋酸從日本和越南的蜥魚、竹莢魚，以及來自日本的鯔魚、飛魚和黃背海鯛中提取出酸溶性膠原蛋白，并鑒定其為I型膠原蛋白。Hamda等[17]利用酸法和酶法在流蘇沙丁魚廢料中提取得到酸溶性膠原蛋白和胃蛋白酶溶性膠原蛋白，二者均表現出與商業膠原蛋白相似的性質，可作為良好的膠原蛋白產品應用于各行業。

1.2 酶法

酶法提取是指利用蛋白酶對原料進一步水解，所得產物為酶溶性膠原蛋白（pepsin soluble collagen，PSC）。酶處理可通過水解膠原纖維蛋白的末端肽，提高膠原蛋白的產率，且在水解過程中不破壞膠原蛋白的三股螺旋結構，從而較好的保持其特性。常用的蛋白酶主要有動物蛋白酶，如胰蛋白酶和胃蛋白酶；植物蛋白酶，如木瓜蛋白酶和菠蘿蛋白酶；以及微生物蛋白酶，如堿性蛋白酶和中性蛋白酶等。其中應用最廣泛的是胃蛋白酶[18-19]。Iswariya等[20]利用胃蛋白酶從海洋河豚魚皮中提取出了性質穩定且具有生物活性的胃蛋白酶溶性膠原蛋白，提取率達到了56.6%（干重）。

1.3 堿法

堿法提取即利用一定濃度的堿在一定的外界條件下提取膠原蛋白，常用的處理劑為石灰、氫氧化鈉、碳酸鈉等。溫慧芳等[21]利用堿法從鮰魚皮中提取得到典型的Ⅰ型膠原蛋白多肽。但由于堿法提取膠原蛋白得率較低，且出于安全性考慮，一般情況下不單獨使用堿法提取膠原蛋白，而是利用堿法配合酸法對膠原蛋白進行提取。

1.4 熱水法

熱水法是將原料經過除雜蛋白等前處理后，在一定條件下用熱水直接浸提已變性的膠原蛋白或膠原蛋白水解物，常用的溫度有100℃沸水浴、60℃～70℃、40℃～45℃[22]。黃雯[23]通過響應面法對熱水抽提斑點叉尾魚皮膠原蛋白的工藝進行了優化，最終將膠原蛋白得率提高到16.98%。

1.5 鹽法

鹽法提取是利用各種不同的鹽在不同的濃度條件下提取鹽溶性膠原蛋白的方法，常用的處理劑有酸-三羥甲基胺基甲烷（Tris-HCl）、氯化鈉、檸檬酸鹽等[24]，提取后得到的膠原蛋白為鹽溶性膠原蛋白。溫慧芳等[25]分別利用鹽法、酸法、酶法、堿法、熱水法提取鮰魚皮膠原蛋白，并對不同方法所得膠原蛋白的理化性質進行比較，其中鹽法提取得到的膠原蛋白產物為膠原蛋白多肽。

1.6 其他用于輔助/優化膠原蛋白提取的方法

單一的提取方法難以滿足工業生產的需要，因此更多的采用多種方法復合或利用超聲波等技術對膠原蛋白的提取方法進行優化。陳麗麗等[26]利用乙酸和胃蛋白酶對鰻魚骨膠原蛋白進行酸法加酶法復合提取，對鰻魚骨膠原蛋白提取工藝進行了優化，最終膠原蛋白提取率達到80.80%。另有研究者利用超聲波的手段來輔助提取膠原蛋白，從而實現膠原蛋白提取工藝的優化[27-28]。膠原蛋白提取方法及其優缺點見表1。

表1 膠原蛋白提取方法及其優缺點Table 1 The extraction methods of collagen and its advantages and disadvantages

續表1 膠原蛋白提取方法及其優缺點Contimue table 1 The extraction methods of collagen and its advantages and disadvantages

2 水產膠原蛋白與光老化

2.1 皮膚老化與光老化

皮膚老化是由基因和環境因素共同造成，其中由基因引起的老化稱為內源性老化，環境因素所造成的老化稱為外源性老化。外源性老化中最主要的一種為光老化，是由于紫外線反復照射所引起的一系列功能退化性變化[30]。造成皮膚老化和光老化的分子機制主要包括氧化、DNA損傷、炎癥反應、抗氧化劑產生減少以及基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）的生成。光老化對皮膚的影響主要表現在皮膚松弛、暗黃、皺紋、色素沉著等，嚴重者甚至可導致皮膚的惡性腫瘤[31]。

2.2 膠原蛋白與皮膚光老化

膠原蛋白是一種生物活性大分子，除一般蛋白質的營養作用外，還具有一些特殊的生理功能，如抗氧化活性、血管緊張素轉化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）抑制活性、抗癌活性、抑菌活性[32]、皮膚抗皺紋、金屬離子螯合活性、免疫調節活性、增加骨密度[33]等。膠原蛋白在動物體的各組織和器官中起著功能性作用，如組織形成、成熟、細胞間信息的傳遞等，另外與關節潤滑、傷口愈合、鈣化作用和衰老等也有密切的關系。這些特殊的生理功能以及良好的生物相容性、可生物降解性、低抗原性等使得膠原蛋白在食品、醫療、美容等行業應用廣泛。近幾年來，膠原蛋白對皮膚的改善作用，尤其是對光老化皮膚的改善作用引起了廣泛關注。以下簡要介紹幾種水產來源的膠原蛋白對光老化皮膚起改善作用的途徑。

2.2.1 抗氧化活性

皮膚暴露于紫外線中，導致真皮纖維原細胞的氧化壓力增強，產生活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）等自由基，影響膠原蛋白等皮膚中主要蛋白質的合成，從而使皮膚產生皺紋等一系列衰老的現象。膠原蛋白具有良好的抗氧化活性，可通過清除自由基改善受損皮膚[34]，對光老化皮膚也有一定的保護作用。Zhang等[35]通過研究證明攝入抗氧化膠原蛋白肽能夠減輕紫外線照射引起的皮膚成分異常改變。另外，膠原蛋白的抗氧化特性能夠有效減緩由紫外線引起的體內抗氧化指標的異常變化[36]。Hou等[37]對鱈魚皮膠原蛋白的研究表明，膠原蛋白肽可通過增強超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px），過氧化氫酶（catalase，CAT） 的活性以及增加谷胱甘肽（glutathione，GSH）和羥脯氨酸（hydroxyproline，HYP）含量、降低丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量，達到減少皮膚光損傷的目的，且鱈魚皮膠原蛋白多肽可以保護皮膚中的肌原纖維。

2.2.2 抑制黑色素合成

皮膚光老化的表征之一即為黑色素沉著，酪氨酸酶是機體內合成黑色素的關鍵因素[38]。研究表明膠原蛋白可通過抑制酪氨酸酶活力來減少黑色素合成。肖楓對不同相對分子質量組分的黃河鯉魚鱗明膠消化產物進行研究，證明了魚鱗明膠肽能夠抑制酪氨酸酶的二酚酶活性[39]；王靜鳳等[40]通過小鼠B16黑素瘤細胞實驗，證明不同分子量的魷魚皮膠原蛋白肽都具有降低小鼠B16黑素瘤細胞黑素含量、酪氨酸酶活性及抑制酪氨酸酶基因表達的作用。

2.2.3 保持皮膚水分

長期的紫外線照射引起皮膚保水能力下降，水分急劇流失，進而導致皮膚干燥，甚至因皮膚老化而產生皺紋。膠原蛋白可抑制皮膚水分散失，甚至增加皮膚水分含量，從而改善皮膚受損。孔惠等[41]通過體外實驗以及皮膚測試結果表明，鮭魚皮膠原蛋白肽可以提高皮膚水分含量和降低經表皮失水率。初鑫等[42]通過動物實驗結果表明，喂食中、高劑量的膠原蛋白肽飲料可顯著抑制由光老化引起的皮膚水分散失。Song等[43]研究了源于鰱魚皮的膠原蛋白水解物（collagen hydrolysates，CHs）對小鼠光老化的影響，其中證明了每千克體重攝入50、100、200 mg的CHs可使皮膚水分含量呈劑量依賴性增加。

2.2.4 促進膠原蛋白合成

紫外線輻射會導致皮膚膠原蛋白含量下降，使得皮膚失去彈性和光澤。有研究表明，可以通過外界攝取膠原蛋白肽促進皮膚的膠原蛋白合成。韓鳳杰等[44]通過對小鼠投喂和涂抹膠原蛋白肽的動物實驗證明比目魚皮膚膠原蛋白寡肽能都促進皮膚膠原合成。Jian等[45]通過組織學分析表明，水母膠原蛋白和水母膠原蛋白水解物可修復內源性膠原蛋白和彈性蛋白纖維，并可維持I型與III型膠原的天然比例，而這可能是保護皮膚免受紫外線損傷的關鍵機制之一。

2.2.5 抑制炎癥反應

長期的紫外線照射會導致皮膚產生炎癥反應，引起皮膚紅斑、水腫和增生反應等炎癥癥狀。有報道說明由紫外線輻射引起的皮膚炎癥是光老化或腫瘤的前期征兆[46]。有研究證明羥脯氨酸對于炎癥反應有一定的抵抗效果[47]，羥脯氨酸則主要存在于膠原蛋白中。Chen等[48]研究發現，口服膠原蛋白水解物可通過抑制內源性抗氧化酶活性的消耗，抑制核因子-κB（nuclear factor-κb，NF-κB）的表達以及 NF-κB 介導的促炎細胞因子的表達來抑制紫外線照射對皮膚的損傷。

3 展望

隨著現代食品工業的不斷進步，膠原蛋白的提取、分離和純化技術的不斷研究，以及其功能機理的深入研究，膠原蛋白將會被越來越多的應用到各種保健食品的開發中，作為人們抵抗皮膚衰老的選擇之一。因此，如何從原材料中獲得高得率、高純度并且在人體內能夠發揮相應生理功能的膠原蛋白具有重要的現實意義。