畜禽副產物明膠的研究進展

潘佳昕 楊恒 時海波

摘要：近年來，對傳統畜源明膠的開發與應用已較為全面，畜禽類副產物因具有豐富蛋白質且量大廉價，成為制備明膠的一種潛在優質來源。本文通過對國內外最新的畜禽明膠制備工藝及其應用展開綜述，對未來畜禽副產物明膠尤其是禽類副產物明膠的開發和應用前景進行展望。經調查，有關禽源明膠的制備已取得初步研究進展，同時聯合現代化提膠技術可有效改善傳統制膠工藝的局限性。本文可為尋找和開拓新型明膠的高效綠色制備工藝提供參考，通過對畜禽源明膠進行修飾和改性，使其在食品、醫藥等各個領域充分發揮作用，對明膠產業的發展具有重要意義。

關鍵詞：畜禽副產物;明膠;制備工藝;應用;研究進展

中圖分類號： TS209? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）20-0037-06

明膠是一種從動物性食品中提取的天然高分子化合物，是膠原在酸、堿、酶或高溫下變性的水解產物[1]，來源廣泛。膠原蛋白屬于糖蛋白，存在于機體的結締組織和間質組織中，是構成細胞骨架的重要組分。組成膠原蛋白的原膠原分子由3條呈螺旋狀的肽鏈以平行、右手螺旋的纏繞方式形成三螺旋構象。膠原明膠化的過程涉及膠原三螺旋結構中共價交聯的維系和穩定以及非共價鍵的破壞，三螺旋結構的展開使得非螺旋結晶區被破壞，從而釋放膠原亞基分子[2]。

明膠及其改性產物具有多種營養特性和功能特性，被廣泛應用至食品工業中，另外根據其特殊的構造和生物性被應用至醫藥領域。商業明膠基本源于豬、牛的皮和骨，魚源明膠的凝膠性、成膜性、乳化及發泡能力低于傳統的哺乳動物明膠。受宗教（如猶太教和伊斯蘭教）信仰和畜類病毒（如朊病毒和口蹄疫病毒）等的影響，豬、牛明膠不被一部分消費者所接受。因此，開發禽源明膠作為豬、牛明膠的取代品具有現實意義。

本文以畜禽副產物明膠為綜述對象，介紹明膠的原料來源、制備方法及原理、研究現狀及應用前景，以期為畜禽來源明膠的開發與利用提供理論指導，同時為哺乳動物明膠替代品的尋找提供參考。

1 畜禽副產物明膠的來源與制備

1.1 畜禽副產物明膠的來源

1.1.1 畜類來源 來源于哺乳動物的明膠產量占明膠總產量的98%以上[分別來自豬皮（46%）、牛皮（294%）和牛骨（23.1%）]。羊骨占羊胴體質量的24%，蛋白質含量高達18.6%，其中膠原蛋白含量占骨蛋白總量的90%左右。于瑋等利用酸法從兔皮中制得了明膠[3-4]。曾愛國總結了沙特阿拉伯羊皮、天津羊皮、青海羊皮的制膠情況，認為可利用羊皮資源制備高級明膠[5]。驢皮膠（阿膠）作為我國傳統中藥，由馬科動物驢的皮經熬制、濃縮干燥而成，與豬、牛皮明膠同源性較高。鹿皮中膠原蛋白占鹿皮總量的18%，以梅花鹿及馬鹿的皮為原料，經高溫高壓反復蒸煮熬制而成的鹿皮膠屬于膠原蛋白粗提共混物。

1.1.2 禽類來源 家禽加工業是世界上發展最快的農業食品部門之一。雞皮和雞骨中膠原成分含量豐富，可為人們提取明膠提供良好的膠原蛋白及明膠原料。英國薩里大學的研究人員首次提取了雞皮明膠并分析其結構和理化性質，提出雞皮明膠有望成為商業明膠的替代品[6]。鄭巧東等利用酸法提取出鴨掌明膠[7]。另外也有從雞肉殘渣中提取明膠的試驗。

1.2 明膠的制備方法

明膠的制備涉及膠原明膠化和熱力提膠這2個過程。預處理會對膠原微觀結構產生影響，使膠原中的亞基組分在熱力提膠階段中游離出來。膠原分子受熱變性，水解為明膠，該過程隨溫度變化可分為熱致變性階段、熱分解階段、復雜反應階段（主要為水解反應與非酶褐變反應）。在62～63 ℃條件下，膠原鏈間氫鍵斷裂，分子的空間結構部分解旋，生成的產品色澤較淺，冷卻后形成凝膠;當溫度達到80 ℃ 時，分子的一級結構出現熱降解，生成明膠水溶液。根據誘導膠原明膠化介質的不同，預處理工藝可分為酸法（A型明膠）、堿法（B型明膠）及酶法（E型明膠）。皮明膠通常采用酸法提取，骨明膠利用堿法提取，而酶法應用面更廣。利用超聲波、微波、超高壓輔助提取的現代加工技術也被應用到明膠的提取工藝中。

1.2.1 酸法和堿法 酸法和堿法利用酸或堿（石灰或氫氧化鈉）結合膠原分子的堿性或酸性基團，使得分子內或分子間的離子鍵和氫鍵斷裂，釋放原膠原分子，誘導膠原明膠化以便于后期熱力提膠。國產明膠約有80%為堿法明膠，堿法工藝能生產出得率、純度較高的優質明膠。

1.2.2 酶法 伴隨常規酸堿法產率低、周期長、廢液污染等問題，酶法制膠工藝被開發，使用胃蛋白酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶等酶預處理方法取代酸堿法，制備出的明膠具有高凝膠強度、高等電點和低黏度等特點。其中木瓜蛋白酶的水解能力相對較弱，而胃蛋白酶作用于骨蛋白時盡管不夠溫和，但水解度較高。目前對于畜禽明膠酶法工藝的相關理論研究較少，對酶解機制仍未有深入了解。

1.2.3 其他方法 超聲波可產生能量與波動的空化效應、機械效應等多重效應，不但能加快化學反應，促進蛋白質溶出，還能打開膠原的纖維，改變明膠的二級結構[8]。微波依靠穿透力強的短波作用至膠原內部，使原料內外均勻受熱，釋放出原膠原分子[9]。超高壓會影響維系蛋白質空間結構的氫鍵、疏水作用、靜電作用、范德華力等非共價作用，破壞非共價鍵的平衡，致使蛋白變性[10]。此外，一些改良的酸堿法也被應用至畜禽明膠的提取中。

1.3 畜禽副產物明膠的制備工藝

傳統的畜禽明膠預處理通常采用酸法、堿法及其結合法，目前酶法主要應用于骨明膠的生產中，傾向于降解獲取某些特殊分子量組分，酶解機制仍有待研究，未得到大規模應用，但因其具有高效、低污染、產品安全性高等潛在優勢，頗具發展前景，正逐步取代傳統酸法、堿法。近年來新型的高效綠色現代加工技術包括超聲波、微波和超高壓輔助提取技術被證實在畜禽明膠的生產中具有可行性，它們對明膠制備工藝的改良產生了顯著影響，改善了傳統酸法、堿法在生產周期、效率、廢液等方面存在的問題。

1.3.1 畜類皮膚組織

1.3.1.1 兔皮 楊暉在于瑋等優化的兔皮明膠酸法提取工藝（1%鹽酸處理10 min、提膠溫度65 ℃、提膠pH值為4）[3]的基礎上，在料液中按硅藻土溶液 ∶ 提膠液=1 ∶ 50加入6%質量濃度的硅藻土溶液，以提高明膠純度[4]。

1.3.1.2 豬、牛皮 豬、牛皮明膠提取一般采用堿法，具體操作為先用1%石灰水浸泡碎皮24 h，浸堿pH值為12.0～12.5，洗滌數次后用酸調節pH值為2.5～35，60 ℃熱水提膠45 h。國外有酸法提取豬皮明膠的試驗，以4%乙酸預處理24 h后，在55 ℃下提膠3 h。張鋒等利用中性蛋白酶酶解豬皮，反應溫度由40 ℃逐步提高至80 ℃，明膠產率達23.05%[11]。陳麗清等以250 MPa的超高壓壓力改良酸法從豬皮中提取明膠[10]。Ahmad等利用菠蘿蛋白酶結合功率500 W的超聲波改進酸法制備牛皮明膠[12]。

1.3.2 禽類皮膚組織

1.3.2.1 雞爪 禽類皮原料通常采用低濃度（含量<5%）的酸在60～85 ℃的條件下熱水提膠。Choe等利用酸法從生雞爪中提取明膠[13-14]。Almeida等利用酸法從雞腳的皮和肌腱中提取明膠，具體操作為首先以4%乙酸處理16 h，洗至中性后按1 g ∶ 2 mL加蒸餾水，于55 ℃下提取6 h[15]。陳龍等采用酸堿結合法制備雞爪明膠[16-17]。

1.3.2.2 鴨掌 鄭巧東等利用酸法提取鴨掌明膠，具體操作為用2%的鹽酸處理新鮮鴨掌后，用去離子水分別于65 ℃和85 ℃下進行2次抽提，明膠的平均得率為9.0%[7]。

1.3.2.3 禽肉 堿預處理法被應用至機械去骨雞肉殘渣中明膠的提取，優化后的最佳工藝條件為氫氧化鈉濃度29～3.4 g/100 mL，溫度76～82 ℃，提取時間105～183 min[18]。

1.3.2.4 雞皮 柴夢陽等以提取率為響應值對雞皮明膠提取的純堿法工藝進行單因素試驗優化，通過Box-Behnken中心組合試驗得出最佳工藝條件為NaOH濃度0.07 mol/L，浸堿時間30 h，提取溫度65 ℃，提取時間2 h，該條件下提取率為1203%[19]。Tümerkan等從2月齡的肉雞背皮中利用酸預處理法提取明膠[20]。Sarbon等也分別利用酸、堿預處理的方法提取雞皮明膠[21-22]。陳海華等在浸酸20 h的雞皮混合液中加入01%亞硫酸氫鈉，處理1 h后采用微波技術加熱提膠并以超聲波處理膠液，通過正交試驗得到，560 W微波處理 11 min，超聲波處理8 min是從雞皮中提取明膠工藝改進的最優組合[9]。

1.3.3 畜禽骨

1.3.3.1 豬骨 傳統的骨明膠提取工藝耗時較長，具體操作為以4%～5%鹽酸、0.1%氫氧化鈣、02%過氧化氫分別浸泡豬骨10、20、7、1 d后，在 70 ℃、pH值50條件下提取3 h。劉安軍等考察得出，酸堿預處理后的豬骨明膠最佳提取條件為pH值10.5，提取溫度70 ℃，提取時間5 h[23]。許立新等以1 000 W的超聲波輔助酸堿法制備豬骨明膠大大縮短了預處理時間（約9 d）[24]。

1.3.3.2 雞骨 劉小玲等根據溶液中酸對鈣的置換濃度，采用優化酸法提取雞骨明膠，2 h更換1次酸液，總浸酸時長僅為12 h，縮短為傳統提取方式的 1/20[25]。Rafieian等以1種優化酸法從雞去骨殘渣中提取明膠，具體為將雞去骨殘渣在 68.3 g/L 鹽酸中浸泡后于86.8 ℃下水提195 h[26]。劉小玲等改進了傳統明膠的提取工藝，以雞腿骨為原料，經鹽酸脫礦后以石灰浸泡制得浸灰骨素[27]。

1.3.3.3 牛羊骨 孫衛青等研究得出，中性蛋白酶對鮮羊骨的酶解效果較理想[28]。張兵等用蛋白酶降解脫脂牛骨粉，并經粗濾、精濾及離子交換樹脂除鹽制備純化明膠[29]。張海林等使用外切型蛋白酶（風味蛋白酶）與內切型2709蛋白酶以8 ∶ 2的組合酶解浸酸后的骨粉20 h制得高檔醫用明膠，改善了內切型蛋白酶制備明膠過程中黏度不高等方面的缺陷，浸酸終點pH值控制在2.0，得率為15.3%[30]。

1.3.3.4 新技術在骨膠工藝中的應用 曾小芳等以豬骨粒為原料，以超聲波輔助胃蛋白酶提取明膠，經250 W超聲波前處理10或20 min，在料液比為1 g ∶ 10 mL，pH值為1.5條件下，加60 U/g胃蛋白酶恒溫提膠的得率提高至80%以上[31]。Yue等研究發現，熱壓抽提時間對雞骨凝膠有顯著影響，利用高溫高壓法在骨水比1 g ∶ 1.5 mL、130 ℃和0.175 MPa下提取40 min和60 min，制得雞骨明膠[32]。

2 畜禽副產物明膠的改性及應用

明膠被廣泛應用于食品工業不同領域，蛋白質改性一直是食品及醫藥滿足社會、經濟或健康需求的重要方式。明膠的物理修飾程度較低，應用受到限制，主要通過化學修飾如醛類、酯類、糖類和生物提取物等以及共混修飾、明膠交聯或形成多元體系來提升相應性能。

2.1 食品領域

2.1.1 食品和保健品

2.1.1.1 阿膠與鹿皮膠 驢皮膠即阿膠具有調節機體能量代謝的獨特聚負離子基結構，含有豐富的藥效氨基酸，如甘氨酸（Gly）、谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp）、精氨酸（Arg）等活性成分，被現代藥理學證實為療效明確的藥食同源產品。中國農業科學院特產研究所采用酶工程和現代生物技術加工制成的鹿皮軟膠囊具有良好的營養保健功效，張寶香等發現它具有免疫調節的作用[33]。鹿皮膠對環磷酰胺所致造血功能低下有顯著的促進恢復作用，另外還具有抗疲勞作用，并對生殖系統的功能特性產生影響。在鹿皮膠基礎上制成的鹿皮膏便于消費者食用。張磊等研究發現，鹿皮膠與驢皮膠具備利用氨基酸開發營養調節劑的可能，有用于開發治療心血管、氣管、癌癥腫瘤等疾病新藥的前景，并具備較好的防治高膽固醇血癥的作用[34]。驢皮膠與鹿皮膠中的脂肪酸接近于中國營養學會推薦的健康比例。張磊等在研究中檢測到驢皮膠及鹿皮膠中水分、重金屬、水不溶物及氨基酸含量均達到《藥典》規定水平[34]。

2.1.1.2 補鈣劑 皮明膠以其含量豐富的羥脯氨酸被用作補鈣劑。許先猛等利用小分子豬皮明膠水解多肽與葡萄糖酸鈣制得的高螯合率鈣補充劑，具有預防骨質疏松癥和增加骨密度的功效[35]。

2.1.1.3 其他保健品 目前，已有關于豬皮明膠抗氧化和抗疲勞肽機制、功效等方面的研究[36-37]。牦牛皮明膠能在一定程度上改善人體營養性貧血，且未出現不良反應[38]。明膠作為保健食品能保護胃黏膜，清除體內金屬鋁，促進指甲和頭發生長，緩解皮膚由紫外線照射引發的炎癥。

2.1.2 食品添加劑

2.1.2.1 普通食品添加劑 明膠作為穩定劑、澄清劑、絮凝劑和乳化劑被應用至冰淇淋、酸乳酪、糖衣、酒、黑苦蕎飲料、面包、糖果、果醬、果凍及低脂產品的制作過程中，另外可充當食品的包裝材料如腸衣和保鮮涂層如果蔬皮膜以及棉花糖、面包、蛋糕、預混咖啡飲料等的發泡劑。明膠作為膠凍劑和增稠劑被應用至肉制品、餡餅、人造魚子醬、保護性涂層、點心、糧食膠凍、肉凍、烘干食品、透明包衣、水晶皮蛋、水晶火腿中。

2.1.2.2 抗氧化劑 蛋白質的酶促水解是制備生物活性肽的有效方法，明膠衍生肽由于含有疏水性氨基酸，被認為具有高抗氧化效果。Sarbon等依次利用與底物比為1 ∶ 50、1 ∶ 33和1 ∶ 100的堿性蛋白酶、鏈霉蛋白酶和膠原酶有效地水解雞皮明膠制得的抗氧化肽，與商用抗氧化劑BHT和抗壞血酸在相同濃度下相比，具有更高的自由基清除和金屬螯合活性，為制備生物活性肽提供了所需抗氧化肽和氨基酸[21]。

2.1.2.3 抗菌劑 利用硝酸銀和豬皮明膠聚合物基體通過熱液高壓滅菌技術合成的銀納米粒子[39]具有良好的細胞毒活性和抗氧化性，并對革蘭氏陽性菌有顯著的優先抗菌性，可用作治療和預防性保健品中的抗菌劑。

2.1.3 可食性膜

2.1.3.1 單一明膠膜 添加量為4 g/100 mL的兔皮明膠膜的電泳譜帶反映出膠膜體系內的低分子量蛋白產生了更多交聯，表現出良好的抗拉強度。對雞皮明膠的機械和物理性能進行表征，與商業明膠（牛、豬）相比，顯示出良好的特性，具有作為哺乳動物明膠膜優選替代品的非凡潛力[40]。

2.1.3.2 酚類化合物交聯明膠膜 明膠是綜合性能僅次于殼聚糖的可食性成膜基材，可通過與生物活性因子如酚類化合物進行化學交聯來改善其機械性能，經改性的禽源明膠在各類奶酪的應用中獲得理想的保鮮效果。0.08%迷迭香酸-明膠膜結合聚乙烯（PE）外包裝可將冷藏豬肉貨架期延長至10 d。劉英健等以具有體外抗菌性和抗氧化性的牛蒡提取物作為改性材料進行研究發現，在添加濃度為5%時與雞皮明膠制成的復合膜綜合性能最佳[41]。分別添加波爾多葉提取物[42]、丁香花蕾油[43]和肉桂皮油[44]的豬皮明膠、雞爪明膠和雞皮明膠被用作普拉托干酪、切達干酪和馬蘇里拉奶酪的新型抗菌抗氧化包裝。添加1.0%肉桂油的鴨掌明膠薄膜[45]延緩了櫻桃番茄在儲存期間的成熟過程，并減少了顏色的變化，顯示出理想的拉伸強度和斷裂伸長率，能有效抑制鼠傷寒沙門氏菌的生長。

2.1.3.3 單寧酸交聯明膠膜 單寧酸是一種來源于植物的低酸多酚化合物，可通過氫鍵和疏水作用與蛋白質分子進行誘導交聯，在其表面形成足量涂層，增強凝膠網絡[46]，具有抗氧化和清除自由基活性的功能。Cao等在12%的B型牛骨明膠成膜液中分別添加30 mg單寧酸/g 明膠和20 mg阿魏酸/g 明膠），制成的明膠薄膜在成膜溶液pH值為9和7時機械強度最大，其中單寧酸改性薄膜在特定溶液環境下儲存90 d后性能得到改善[47]。

2.1.3.3 其他改性膜 甘油作為增塑劑與雞腿皮明膠可制成可食性薄膜[48]。含有月桂酰精氨酸乙酯（LAE）的抗菌淀粉的牛B型明膠改性薄膜可延長雞胸肉片的保質期[49]。添加20%米粉的雞皮明膠薄膜表現出良好的功能特性[50]。

2.2 醫藥領域

明膠因其良好的生物相容性、生物降解性和生物吸附性被廣泛應用于醫藥學領域[51]。

2.2.1 明膠納米纖維電紡膜 利用靜電紡絲技術制備的明膠納米纖維膜具有高度仿生天然細胞外基質膠原蛋白結構的特征，在組織工程支架材料、藥物緩釋材料、創口包覆材料、止血敷料、牙周牙齒修復材料等生物醫用材料領域具有廣泛應用。可降解的明膠與人體細胞的相容性好，不易引起炎癥和免疫排斥反應。明膠/聚己內酯納米纖維電紡膜[52]彌補了單一明膠組分存在的應用缺陷，被應用于修復和構建組織工程器官。通過靜電紡絲制備的含有百里香精油/β-環糊精ε-聚賴氨酸納米顆粒的明膠納米纖維[53]對雞的空腸彎曲桿菌表現出優異的抗菌活性。

2.2.2 止血材料 明膠分子的Arg-Gly-Asp序列與組織附著和細胞生長有關，被用作創口的止血敷料。增凝明膠海綿和明膠海綿作為膠原蛋白類止血材料未能達到理想效果，極易出現破裂現象。轉谷氨酰胺酶修飾的明膠/納米銀復合生物材料對金黃色葡萄球菌的抑制率比純明膠材料提高了6015%，可用作皮膚敷料和人工皮膚，起抑菌抗炎的效果[54]。利用轉谷氨酰胺酶和酪氨酸酶催化來自于豬的A型明膠溶液或明膠-殼聚糖復合物可生成水凝膠[55]。

2.2.3 控緩釋材料 明膠被廣泛應用于藥物載體、賦型劑和緩釋殼層等，其中實現控緩釋、靶向定位的明膠微球被用作給藥制劑。復合后的海藻酸鹽水凝膠支架減少了支架的孔隙度，可顯著抑制藥物的突釋行為，21 d累積釋藥量僅為46.4%[56]。顧夢潔等改進的乳化交聯明膠微球在外觀、分散性等方面均得到了改善[57]。美國食品藥品管理局（FDA）已批準了8種可注射的微球制劑，目前我國尚無國產微球制劑產品正式上市，開發起長效緩控釋作用的明膠微球具有廣闊市場。

2.3 護膚領域

2.3.1 保濕霜 明膠以其吸濕保濕性能被用作護膚品中，國外早有關于膠原作為護膚品成分地報道，20世紀后期生物改性明膠成為新的護膚品主題，具有膠體保護作用和酸堿緩沖性的明膠成為勞動保護霜[58]的主材料。國產護膚品中主要添加膠原的變性或水解產物，張忠楷等申請了1種純天然膠原護膚品的專利，在相關試驗中發現，明膠能停留在皮膚表面，甚至滲透進毛囊中，但對角質形成細胞生長繁殖的促進作用遠不如膠原，其保濕抗衰效果不夠理想[59]。

2.3.2 面膜 范金石等以殼聚糖為主要原料，通過與共混組分聚乙烯醇和醫藥級明膠的協同增效作用，成功制得了具有良好成膜性和脫膜性的護膚用殼聚糖基凝膠面膜[60]，符合QB/T2872—2017《面膜》的要求，適用于皮膚護理。

2.3.3 防曬霜 將負載蘆丁的明膠納米顆粒應用到防曬霜[61]中，可提高防曬霜的防曬指數 （SPF），與紫外線 （UV）過濾劑結合，可增強防曬劑的防曬效果。

2.4 其他領域

明膠在照相和印刷工業中可用作涂布紙和照相紙的施膠劑、油墨輥筒材料以及制造膠卷;明膠是糖錠、火柴、墨汁、砂布、家具以及航空行業中飛機鋁板的理想黏合劑;明膠可用于生產抗生素藥物的發酵培養基、固定化酶、無炭復寫紙、煤磚、滅火器的熱破裂膠囊以及洗衣工業中;改性后的交聯明膠可用作皮革的涂飾材料和填充劑以及超聲診斷儀質檢用仿真模塊;骨膠在紡織業、編織業中可用于上漿、上光;康海彥等發明了1種涉及海藻酸鈉/明膠固化納米Fe0的去除水中偶氮染料及重金屬等污染物的方法[62];廢雞爪作為天然誘導物明膠酶的來源，可從中分離出一種具有明膠分解活性的泡囊短波單胞菌MF276770[63]。

3 總結和展望

傳統制膠工藝隨著明膠應用結構的調整與深入細化，面臨新的挑戰，協同提取法的開發與新技術的應用在明膠的制備和性能改善方面取得顯著效果。一種以超聲波、超高壓和微波為輔助提取明膠的技術有望在明膠的清潔生產中被廣泛應用。豬源動物明膠替代品的開發已成為近年來研究的熱點。目前對禽類副產物明膠的開發仍處于起步階段，相關研究主要集中在雞的皮、爪、骨這些原料上，禽源性明膠的開發與應用有著廣闊的發展空間。

明膠改性已成為現今的研究熱點之一，國內外已開展關于明膠在食品、包裝材料和醫藥等領域的多項研究并獲得理想效果，但有關新型改性明膠在產品中的應用研究仍鮮見報道。明膠這種材料以后會在分子/納米水平上被更多地應用到生物材料中，推動我國醫療水平的發展。

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