水解膠原蛋白發酵酸牛乳的研究進展

程顯陽 張俊杰 許瑾

摘要 綜述了水解膠原蛋白的相關知識和水解膠原蛋白產品的生理作用，介紹了在生牛乳中添加水產品下腳料提取的水解膠原蛋白，經發酵制成水解膠原蛋白發酵酸牛乳的益處，并對水解膠原蛋白在發酵乳行業中的應用前景進行了展望。

關鍵詞 發酵酸牛乳;水解膠原蛋白;保健

中圖分類號 TS201.2+1 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）19-0023-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.006

Abstract This paper reviewed the relevant knowledge of hydrolyzed collagen and the physiological functions of hydrolyzed collagen products，the benefits of hydrolyzed collagen extracted from the leftovers of aquatic products in raw cows milk were introduced，and the benefits of hydrolyzed collagen fermented sour milk were obtained through fermentation，and the prospect of the application of hydrolyzed collagen in fermented milk industry was forecasted.

Key words Fermented sour milk;Hydrolyzed collagen;Health care

作者簡介 程顯陽（1990—），男，吉林洮南人，碩士研究生，研究方向：食品加工與安全。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事膠原蛋白及水產品加工與綜合利用方面的教學與研究。

收稿日期 2020-03-13;修回日期 2020-04-14

將水解膠原蛋白應用在發酵乳中能夠有效提高發酵乳的品質、防止乳清析出、減輕乳蛋白熱變性、提高人體對膠原蛋白的吸收利用率、有效減輕高血壓、高血脂等患者的困擾、預防中老年人患心血管疾病等作用。它還可以作為腸道營養劑供給骨質疏松、機體免疫能力低下、消化能力不健全等患者，特別是對經過消化道手術后的康復者有很好的作用[1]。在人體真皮組織中80%左右的成分都是膠原蛋白。膠原蛋白相對分子量在300 kD以上，進入人體后不易被吸收利用。膠原蛋白是由3個α-肽鏈以氫鍵的形式緊密結合成右旋三重螺旋結構，每一條肽鏈上有1 200個氨基酸[2]。水解膠原蛋白能促進指甲和頭發的健康生長，具有提高免疫、促進皮膚代謝、改善心肌功能、抗衰老、調節血膽固醇和甘油三酯含量、排除體內有害金屬、促進兒童生長發育、使成人強筋健骨等功能。嬰兒或營養不良的兒童、肺病或糖尿病人及發高燒者食用膠原蛋白都有很好的效果，所以水解膠原蛋白在國內具有廣闊的市場，醫藥、食品、保健品、化妝品等行業中應用非常廣泛。

1 水解膠原蛋白的概述

水解膠原蛋白是膠原蛋白經水解之后得到的產物，是一種白色、不透明、無支鏈的纖維蛋白質。水解膠原蛋白平均分子量一般在2 000 Da左右，易于被人體消化吸收。溶解度遠超過膠原蛋白，即使在等電點時其溶解度也超過了91%。溫度對水解膠原蛋白的溶解性也有很大的影響，0～60 ℃時溶解度與溫度成正比，當溫度超過60 ℃，其溶解性會降低。在10 ℃時溶解度達95%，這表明水解膠原蛋白的使用溫度范圍很廣。在發酵乳制作過程中乳酸菌發酵的最適溫度為42 ℃，這一溫度完全符合水解膠原蛋白的最適溶解溫度范圍，這為水解膠原蛋白發酵乳的研制提供了有利條件。

1.1 水解膠原蛋白的來源

膠原蛋白在動物的骨、腱、軟骨、皮膚、鱗片及其他結締組織中含量豐富，水解膠原蛋白是膠原蛋白的水解產物，也稱膠原蛋白肽或膠原肽。水解膠原蛋白的制備方法主要有酸解法、堿解法和酶解法，酶解法因其安全性和專一性較高、反應條件容易達到等特點，被廣泛使用。很多國內外研究者對水解膠原蛋白的來源以及安全性進行了大量研究，目前大部分膠原蛋白來源于豬、牛、羊等動物的皮以及骨等組織，但由于豬、牛、羊患有瘟疫和口蹄疫以及宗教信仰等問題導致這類水解膠原蛋白的應用受到了限制。然而利用水產品下腳料提取水解膠原蛋白這一方式有效地避免了這些問題，因此利用水產下腳料通過酶解法制備的水解膠原蛋白不但安全可靠而且價格低廉，使水產品加工剩下的下腳料得到充分利用，變廢為寶[3]。

1.2 水解膠原蛋白生理作用

水解膠原蛋白具有膠體保護性、表面活性、保濕性、黏結性、乳化性等特性，它本身就是人體內含量最多的一種多糖蛋白，其含量是人體總蛋白的30%[4]，是細胞外基質的主要成分，對人體細胞和組織具有支撐和保護作用[5]，賦予肌肉擴張功能，保持適當張力，可以促進傷口愈合與組織修復，調節細胞與組織的生物功能等[6]。

1.2.1 對皮膚的作用。

人處于幼年時，皮膚中膠原含量高，隨著年齡的增長，其含量開始逐漸下降，導致皮膚漸漸喪失保濕功能，人體只有不斷合成新膠原才能保持皮膚健康且具有彈性。膠原蛋白的合成和分解是周而復始的動態平衡。但隨著年齡的增加會降低膠原蛋白的合成，從而破壞了這種平衡，因此會導致皮膚出現皺紋、干燥、粗糙。

目前市場上富含水解膠原蛋白的護膚產品非常多，常見的有口服液、面膜等。水解膠原蛋白能使皮膚水分提高、皮脂下降，柔韌性、彈性、光澤度和堅實度都有明顯改善，因而得到了很多人的追捧。國外學者研究表明，服用水解膠原蛋白對皮膚的改善程度能達60%～100%[7-8]?？诜饽z原蛋白能夠抑制UV-B導致的皮膚中水分含量下降、表皮細胞增生，水解膠原蛋白可以作為膳食補充劑改善由UV-B導致的受損皮膚和光老化皮膚[9]。這種內服加外用雙重的皮膚護理方式對皮膚的保養有非常好的效果，所以市場上富含水解膠原蛋白的面膜和口服液產品受到廣大消費者的喜愛。

1.2.2 對骨骼和關節的作用。

水解膠原蛋白可刺激成骨細胞數量增加和破骨細胞活性減少，從而調整骨骼構成和骨礦分布，維持骨密度;通過擴大骨皮質面積，增加骨骼的堅固性;改善骨關節炎患者或高危人群關節疼痛和關節功能。所以推薦骨質疏松高危人群和骨關節炎及其高危人群服用水解膠原蛋白可以增進骨骼和關節健康[10]。研究者將水解膠原蛋白喂給去卵巢的小白鼠，發現股骨骨垢的骨密度明顯高于假手術組，因此水解膠原蛋白能夠提高骨基質中新的膠原蛋白的合成，可以作為治療骨質疏松的膳食補充劑[11]。Clark等[12]對147名運動員采用隨機雙盲法試驗，發現口服水解膠原蛋白是一種營養補充劑，可以減輕運動員的關節疼痛，有利于關節健康，降低了運動員這一關節病高風險人群發病的概率。通過日常食物攝取的方式來補充水解膠原蛋白，不但可以有效提高人體骨密度，避免一些骨病的困擾，而且不用刻意地去補充，方便簡單且效果明顯。

1.2.3 治療心腦血管、降血壓的作用。

心腦血管及高血壓疾病一直以來都是危害中老年人的頑疾，其潛伏期長，沒有明顯的癥狀，因此被稱為突發性疾病。自19世紀80年代水解膠原蛋白的降壓功能被發現以來，由于水解蛋白安全性高、沒有毒副作用等優點被廣大學者關注[13]。Fahmi等[14]通過對原發性高血壓大鼠進行試驗，發現水解膠原蛋白具有ACE抑制活性，其IC50為0.75 mg/mL，原發性高血壓大鼠每天口服300 mg/kg，使大鼠的血壓顯著降低。丁進鋒等[15]通過小鼠試驗證實海蜇水解膠原蛋白具有輔助降低血脂水平和增強抗氧化功能的作用。

1.2.4 食品加工中的作用。

水解膠原蛋白在食品加工行業中有著廣泛的應用，將魚皮水解膠原蛋白添加到面粉中，會對面包的比容、質構和感官有很大的影響。研究表明，面包的硬度隨水解膠原蛋白添加量的增加而減小，而其對面包的比容、彈性、黏聚性、回復性和感官的影響具有雙重效應，當水解膠原蛋白的添加量為1.0%時，面包比容和黏聚性達到峰值，而當水解膠原蛋白的添加量為0.5%時面包的彈性、回復性和感官評價結果達到最優，顯示魚皮水解膠原蛋白在面包中的最佳添加質量分數為0.5%～1.0%[16]。宋永等[17]通過蛋糕焙烤和灌腸加工試驗，對魚鱗水解膠原蛋白在蛋糕和灌腸中的應用效果進行研究。結果表明，適量添加魚鱗水解膠原蛋白可以提高蛋糕的成品率和比容，增加灌腸制品的成品率，提高灌腸的持水力，并能獲得感官品質良好的蛋糕和灌腸制品。在該試驗條件下，魚鱗水解膠原蛋白在蛋糕和灌腸中的最佳添加質量分數分別為3%和2%。

1.2.5 造紙行業中的作用。

在造紙中添加水解膠原蛋白能夠影響紙張的力學性能，水解膠原蛋白絡合無機金屬鹽制備絮凝劑在造紙廢水處理方面的應用，以及乙烯基單體改性水解膠原蛋白得到的施膠劑用于紙張的表面施膠。結果表明，水解膠原蛋白添加量為2%時，紙張的抗張指數和撕裂指數分別提高了19.72%和14.29%;膠原蛋白與無機金屬鹽按一定比例絡合制備的絮凝劑，對造紙廢水的CODCr的單獨去除率最高可達22%，色度的去除率最高可達76%[18]。

1.2.6 其他作用。

水解膠原蛋白的作用不僅局限于上述這幾點，研究者員經動物試驗表明，水解膠原蛋白具有一定的調節血糖、增強免疫力等活性作用[19]。水解膠原蛋白在人體內參與某些蛋白的合成，對中樞神經產生鎮靜作用，對焦慮癥、神經衰弱等有良好的治療作用;膠原蛋白在胃里可以抑制食物中蛋白質因胃酸引起的凝聚作用。補充水解膠原蛋白可以抑制胃酸和胃原酶分泌的作用，可減輕胃潰瘍患者的疼痛感，促進胃潰瘍愈合。同時水解膠原蛋白有加速血紅蛋白和紅細胞生成的功效，能夠改善血循環，對冠心病、缺血性腦病有利。補充水解膠原蛋白會包住癌細胞，抑制其增殖或轉移。水解膠原蛋白是適于糖尿病、腎臟病等重癥患者攝取的優質高蛋白。此外，水解膠原蛋白可協助機體排出鋁元素，減少鋁在體內聚積，可預防老年癡呆癥[20]。

2 水解膠原蛋白在發酵乳中的應用

發酵乳含有豐富的易吸收性鈣，而且蛋白質含量也極其豐富，礦物質元素和維他命等物質對人體的機體健康有很大的改善作用同時還可以降低患病風險。水解膠原蛋白作為結構蛋白存在于人體組織中，含有大量的氨基酸，如脯氨酸（Pro）、谷氨酸（Glu）、羥脯氨酸（Hyp）、丙氨酸（Ala）和甘氨酸（Gly）等，其中甘氨酸的含量最多，在30%左右，而羥脯氨酸則是膠原蛋白的特征氨基酸。膠原蛋白被水解后分子量低，無脂、無糖、無添加，易溶解，耐高溫，適用pH范圍廣，再加上獨特的生物功能和較高的消化性、吸收性，可廣泛用于鮮奶、酸奶、乳飲料、奶粉等乳制品中[21]，添加水解膠原蛋白的乳制品在歐美和日本等發達國家已成為一個必備的系列產品。

在發酵乳中添加魚皮、魚骨水解膠原蛋白，不僅能夠有效防止乳清析出、促進人體對鈣的吸收、提高人體對傳統膠原蛋白的吸收利用，還保證了乳制品的營養，又發揮了膠原蛋白肽的功能性。獨特的低脂、低膽固醇、高蛋白的保健功能減少高血脂、高血壓、心血管疾病慢性疾病的發生。在充分利用水產品加工產業中魚的下腳料的同時增加了企業對水產品的利用率和經濟效益，相對低廉的價格等特點適合更廣泛的消費人群食用[22]。

2.1 溶解性

水解膠原蛋白在酸性條件下有很好的溶解性，與酸奶具有很多類似的性質，兩者具有很強的營養互補和功能協調作用[23-24];王碧等[25]研究發現水解膠原蛋白的溶解度隨pH與等電點的差值的絕對值增加而增加 ，但即使等電點時 ，也高達91.4%;其溶解度隨溫度的升高而增大，在20～60 ℃，其溶解度高達100%，故水解膠原蛋白水溶性好 ，使用酸度和溫度范圍寬。

2.2 促進消化吸收

水解膠原蛋白進入人體后能夠被有效的吸收利用，吸收率可達90%甚至以上，相對于膠原蛋白，具有更高的功效。發酵乳中補充水解膠原蛋白，除了增加皮膚組織細胞的儲水能力，增強和維持肌膚良好的彈性等功能，添加膠原蛋白可以促進乳品中鈣的進一步吸收。研究表明多肽被機體吸收利用的機制與其他營養物質不同，多肽的吸收機制優先于一切物質。人類食用的膠原蛋白經消化吸收后大多數是以2～7個氨基酸組成的寡肽形式被吸收，而以游離的氨基酸形式吸收的比例很小[26]。因此在酶法提取水解膠原蛋白時應科學合理地選擇酶的種類來控制水解膠原蛋白的分子量。所以水解膠原蛋白使用在發酵乳中，提高了其營養價值和人體對膠原蛋白資源的利用效率。

膠原蛋白中L-羥脯氨酸的含量為20.8%，安曉歡等[27]研究表明發酵乳前后L-羥脯氨酸含量沒有變化，所以膠原蛋白在酸奶發酵過程中不能被分解，L-羥脯氨酸是運輸鈣到骨細胞中的載體。膠原蛋白這一大分子物質進入人體后不易被消化吸收，將其加入發酵乳中促進鈣吸收的效果也是有限的。如果將水解膠原蛋白加入發酵乳中，促進鈣吸收的效果必定會有很大的提升。

2.3 穩定作用

發酵乳中使用水解膠原蛋白后其乳化和穩定作用得到充分利用，在發酵乳中能提高水包油體系的乳化能力，因此能很好地保持乳自身的膠體結構。在乳的殺菌階段和產品的儲存過程中，水解膠原蛋白可以通過氫鍵的形成防止乳清析出，從而防止蛋白從液相中分離出來。水解膠原蛋白最突出的作用是作為穩定劑使用，并具有在低脂肪下可達到高奶油口感的效果，提高消費者的接受性[28]。因此，水解膠原蛋白作為穩定劑也可用于冰淇淋、雪糕等的生產，作用是防止形成粗粒的冰晶，保持組織細膩和降低溶化速度[29]。水解膠原蛋白的乳化及穩定性可以作增稠劑在發酵乳中使用，有效地避免了工業增稠劑對人體的危害。

2.4 改善風味作用

水解膠原蛋白中含有大量的呈味氨基酸、羥脯氨酸、甘氨酸等。甘氨酸含量占整個膠原蛋白含量的30%左右。氨基酸具有特殊的風味，因此水解膠原蛋白添加在發酵乳中，厚重感會增加并予發酵乳良好的口感和風味。水解膠原蛋白特有的乳化性、親水性與發酵乳相結合，能夠有效防止乳清析出，使發酵乳具有良好的穩定性，口感細膩、爽口。

2.5 保健作用

發酵乳中加入水解膠原蛋白，使發酵乳變成具有美容和延緩衰老的功能性產品。皮膚作為人體第一道防線，膠原蛋白是主要組成部分。膠原蛋白組成獨特的纖維網狀結構，使皮膚具有一定的機械強度和彈性，且皮膚水嫩光滑，從而達到改善皮膚水分狀況、延緩皮膚衰老的作用[30]。

據報道，成人每天需要補充3～6 g膠原蛋白[31]，而水解膠原蛋白本身良好的溶解性和易吸收性能有效地補充人體隨年齡增長所流失的膠原蛋白，使皮膚更細膩光滑有彈性。發酵乳中添加水解膠原蛋白后鈣離子更容易被吸收，吸收率可達90%以上，水解膠原蛋白還能使骨細胞與鈣離子緊密結合，使骨密度增加，骨骼更強壯，有效地防止骨質疏松。

3 展望

我國雖然具有豐富的水域資源，但水產品加工行業非常落后，特別在水產加工廢棄物的綜合利用方面。水產水解膠原蛋白發酵乳在功能以及來源等方面都具有明顯優勢，如相對分子量小、易于吸收、溶解性好、來源廣泛、安全可靠、與牛乳混合發酵后不僅提高了營養價值，還能促進人體對鈣的吸收，具有極好的美白護膚等保健作用，在市場上受到廣大消費者尤其是年輕女性消費者的青睞。因此，開發海洋產品的同時充分利用廢棄物提取水解膠原蛋白，提取具有各種生理功能的低分子肽，開發各種功能的膠原多肽等，利用水解膠原蛋白和生牛乳經乳酸菌發酵，生產具有預防心腦血管疾病等保健作用的產品，滿足人們在生物醫學及功能食品領域的需求，這必將是今后乳品以及水產廢棄物利用行業發展的必然趨勢。隨著科學技術的不斷發展，這個產業將帶來更好的經濟、社會和生態效益[32]。

水解膠原蛋白發酵乳這類產品以及工藝生產模式在日本以及歐美等國家已經開始進入市場并獲得成功。然而目前在我國此類產品的相關研究還不夠成熟而未見銷售，以膠原蛋白肽為原料的產品具有廣泛的需求，由于目前我國尚未形成具有自主知識產權的膠原蛋白肽系列產品，適合我國消費習慣的產品更少，迫切需要在此類產品方面取得突破，因而該產品將具有強大生命力和巨大的市場潛力。

參考文獻

[1] 郭文宇，劉曉燕，涂朝勇.膠原蛋白的生理作用與應用[J].北京皮革，2006（9）：98-101.

[2] 董翠霞，盧陽，陳歷俊.膠原蛋白及其在乳制品中的應用[C]//中國奶業協會年會論文集2008（下冊）.北京：《中國乳業》編輯部，2008.

[3] 趙利，蘇偉，胡火根，等.膠原蛋白生物活性肽的研究進展[J].食品科學，2005，26（9）：578-582.

[4] 曹榮安，李浩，李良玉，等.膠原蛋白的生理功能特性及其應用[J].肉類工業，2010（1）：7-9.

[5] 梁飛，左紅梅.膠原和水解膠原蛋白的結構、性能和功效研究及應用前景[J].明膠科學與技術，2013（3）：115-123.

[6] 董翠霞，盧陽，陳歷俊.膠原蛋白及其在乳制品中的應用[C]// 中國奶業協會年會論文集2008（下冊）.北京：《中國乳業》編輯部，2008.

[7] 崔海輝.保健型酸奶的制作工藝及功能性研究[J].食品研究與開發，2004，25（6）：96-100.

[8] MATSUMOTO H，OHARA H，ITOH K，et al.Clinical effects of fish type I collagen hydrolysate on skin properties[J].ITE Letters on Batteries，New Technologies and Medicine，2006，7（4）：386-390.

[9] TANAKA M，KOYAMA Y，NOMURA Y.Effects of collagen peptide ingestion on UVBinduced skin damage[J].Bioscience，biotechnology & biochemistry，2009，73（4）：930-932.

[10] 周建烈，陳悅.水解膠原蛋白的骨骼和關節效應研究進展[J].中國骨質疏松雜志，2010，16（10）：798-801.

[11] NOMURA Y，OOHASHI K，WATANABE M，et al.Increase in bone mineral density through oral administration of shark gelatin to ovariectomized rats[J].Nutrition，2005，21（11/12）：1120-1126.

[12] CLARK K L，SEBASTIANELLI W，FLECHSENHAR K R，et al.24Week study on the use of collagen hydrolysate as a dietary supplement in athletes with activityrelated joint pain[J].Current medical research and opinion，2008，24（5）：1485-1496.

[13] 莊永亮，侯亮，林琳.魚皮魚骨膠原肽制備及生物活性研究[M].北京：科學出版社，2015.

[14] FAHMI A，MORIMURA S，GUO H C，et al.Production of angiotensin I converting enzyme inhibitory peptides from sea bream scales[J].Process biochemistry，2004，39（10）：1195-1200.

[15] 丁進鋒，蘇秀榕，李妍妍，等.海蜇膠原蛋白肽的降血脂及抗氧化作用的研究[J].天然產物研究與開發，2012，24（3）：362-365.

[16] 閆征，劉卉，李雙石，等.魚皮水解膠原蛋白在面包中的應用研究[J].中國食品添加劑，2017（3）：127-132.

[17] 宋永，王海燕，李秀涼，等.魚鱗水解膠原蛋白在蛋糕和灌腸中的應用[J].食品科學，2010，31（12）：293-296.

[18] 王群，張素風，豆莞莞，等.水解膠原蛋白在造紙工業中的應用研究[J].中國皮革，2015（5）：25-28.

[19] 宋曉燕，高彥祥，袁芳.水解膠原蛋白的研究進展[J].中國食物與營養，2008（2）：32-34.

[20]廖艷陽. 膠原蛋白在食品中的應用[J].黃岡師范學院學報，2009，29（3）：53-56.

[21] 劉愛青，王海燕，丁鳳娟.水解膠原蛋白在乳制品中的應用[J].農業工程，2012（9）：38-40.

[22] 武建新，蘇東海，劉成玉，等.膠原蛋白酸奶的研制[J].中國乳品工業，2011，39（12）：41-43.

[23] ISRAELOWITZ M，RIZVI S W H，KRAMER J M，et al.Computational modeling of type I collagen fibers to determine the extracellular matrix structure of connective tissues[J]. Protein engineering，design & selection，2005，18（7）：329-335.

[24] FUJIWARA S.Collagen metabolism and disease[M].Hiroshi NAGAI，2008：112.

[25] 王碧，王坤余，葉勇，等.水解膠原蛋白的溶解性和乳化性研究[J].皮革化工，2003，20（1）：5-8.

[26] 莊永亮，侯亮，林琳.魚皮魚骨膠原肽制備及生物活性研究[M].北京：科學出版社，2015.

[27] 安曉歡，阮美娟.膠原蛋白對發酵乳品質的影響[J].天津科技大學學報，2012，27（6）：11-14.

[28] 倪海平，王君，趙亞萍，等.魚膠原蛋白在羊乳中的應用[J].中國食品添加劑，2008（S1）：276-277.

[29] 陳秀金，曹健，湯克勇.膠原蛋白和明膠在食品中的應用[J].鄭州工程學院學報，2002，23（1）：66-69.

[30] 李國芝，武建新，蘇東海，等.膠原蛋白的功能及其在乳制品中的應用[J].中國乳品工業，2011，39（11）：41-44.

[31] 楊攀，李玲，黃麗，等.含膠原蛋白水牛乳酸奶的工藝優化[J].中國乳品工業，2017，45（1）：50-53.

[32] 焦道龍，陸劍鋒，張偉偉，等.水產動物膠原蛋白的研究現狀及發展趨勢[J].食品科學，2009，30（17）：334-338.