膠原蛋白的結構和消化吸收特性及營養價值評價進展

余小月，趙 鈺，李金玲，吳 丹，熊善柏，王希搏，胡 楊,

（1.華中農業大學食品科學技術學院，湖北武漢 430070；2.國家大宗淡水魚加工技術研發分中心，湖北武漢 430070；3.湖北瑞邦生物科技有限公司，湖北荊州 434000）

膠原是蛋白質中的一種，是哺乳動物體內含量最多的蛋白質，占人體蛋白質的25%～30%，相當于人體重的6%。膠原具有獨特的組織分布和功能，在人體內，膠原廣泛分布于皮膚、骨骼、肌腱、角膜、軟骨等組織中，對機體或臟器起著支撐和保護等作用[1]。人體的衰老過程其實就是伴隨膠原的流失過程，隨著年紀的增長，人體內的膠原合成速度遠跟不上代謝速度。有報道顯示，人體從25 歲起，膠原每年以1.5%的速率開始流失，45 歲時流失膠原量約為30%[2]。當體內膠原的生物合成發生反常或因其他原因引起變異時，膠原的流失速度更為驚人；且當膠原不足時，人體的結締組織和內臟器官均將受到不利影響[3]。因而，很有必要及時補充外源性膠原來對抗機體膠原的自然流失。

目前人體補充膠原主要有幾種方式，其一，食用豬蹄、肉皮等富含膠原的食物；其二，皮下注射膠原美容針；其三，口服膠原蛋白。由于直接食用富含膠原的食物生物利用度低，注射美容膠原的成本又較高，口服膠原蛋白作為目前補充人體膠原最成熟和有效的手段，近年來十分流行?？诜z原蛋白一般來源于動物的皮膚和骨骼，其中深海魚是主要來源，通過酸、堿、酶或熱等作用制備得到，分子量一般小于5 kDa，富含除色氨酸和胱氨酸外的18 種氨基酸[4]。

膠原及其降解產物對人體的作用，三個關鍵問題引人關注：口服膠原蛋白能否被人體吸收？相比其他蛋白質來源有何優勢？消化吸收后能否起到一定的作用？本文首先對膠原系列產物的稱謂進行了界定，然后從結構、組成、相對分子質量和性能等方面，對膠原與膠原蛋白進行了差異性分析，對現階段已在食品和醫療保健品領域得到應用的膠原系列產品進行了綜述，同時對膠原蛋白肽的消化吸收途徑和特點進行了討論，對膠原蛋白的營養價值和生理調節功能進行了闡述，為有關膠原系列產品的生產和應用提供參考。

1 膠原與膠原蛋白

1.1 膠原的層級結構

膠原是具有獨特四級結構的蛋白質。如圖1 所示，一級結構代表多肽鏈的氨基酸序列，遵循(Gly-X-Y)n原則，其中X常代表脯氨酸；二級結構代表多肽鏈的α螺旋，即單條α鏈空間上呈左手螺旋結構；三級結構即三股螺旋結構，是在二級結構的基礎上，三條呈左手α螺旋結構的多肽鏈相互纏繞形成右手復合螺旋結構，也稱為原膠原或膠原分子；四級結構是指原膠原首尾相接，按規則平行排列成束，首尾錯位1/4，通過共價鍵搭接交聯，形成穩定的膠原微纖維，并進一步聚集成束，形成膠原纖維[5]。

圖1 膠原的層級結構示意圖Fig.1 Schematic drawing of the hierarchical structure of collagen

1.2 膠原與膠原蛋白的差異

膠原是構成動物機體的重要功能物質，是遍布動物組織器官中的一類重要蛋白質[6]，而膠原蛋白則是膠原的降解產物。通過調整原材料在提取、分離時的方法和條件，可以產生膠原、明膠和膠原蛋白，三者間存在較大區別。能被稱為膠原的，必須是其三股螺旋結構沒有改變的那類蛋白質，膠原蛋白是膠原變性成明膠后繼續降解的產物，從膠原到膠原蛋白，膠原的三股螺旋結構徹底松開，成為三條自由的肽鏈，且多降解成多分散的肽段，其中還可能包括低聚肽[7]。因此，膠原蛋白包含多肽混合物，其中多肽的相對分子質量從幾千到幾萬道爾頓，分子量分布很寬，也有稱之為膠原蛋白肽、水解膠原蛋白、膠原蛋白水解產物、膠原肽、膠原多肽、活性膠原蛋白等。表1 簡要概述了膠原、明膠和膠原蛋白之間的區別，可以看到，無論在結構、組成、相對分子質量還是性能方面，膠原和膠原蛋白之間均存在較大區別，在具體應用方面兩者也有很大的不同。具體到食品和醫療保健品領域，由于膠原的分子量巨大及其特有的三股螺旋結構使得膠原性質十分穩定，不易被人體消化吸收，很難被人體充分利用，因此膠原不常用，多使用膠原蛋白。

表1 膠原與膠原蛋白[7-8]Table 1 Collagen and collagen peptide[7-8]

2 膠原蛋白在食品、醫療保健品領域中的應用

膠原蛋白作為一種已經被世界各國認可的天然產品，具有豐富的營養性、功能性和良好的安全性，在食品、醫療保健品領域得到了大量應用[9?11]。有關膠原蛋白的安全性，美國食品藥品管理局在對其進行研究后，將其納入最高安全等級的目錄內，確認其可作為直接使用的食品添加成分，其最大的特點就是具有良好的耐受性和低過敏性，且與其他食物成分之間有著良好的兼容性，因此可單獨或與其他食品、食品添加成分、藥品等混合用于飲料、乳制品、功能食品和保健藥品等中，也有研究將膠原蛋白用于制作人工腸衣、新型調味品和膠原蛋白小食品，還可制成可食性包裝紙，用于火腿、冰凍肉食等的包裝及食用標簽[12]。近年來，膠原蛋白的國內市場發展很快，短時間內在國內出現了多家研發生產單位，美國、日本和我國臺灣都已先后踏入了國內市場。表2 為目前市面上較常見的幾種膠原蛋白產品，如膠原蛋白粉、膠原蛋白口服液、膠原蛋白膠囊、膠原蛋白片劑，其它還包括膠原蛋白糖果，膠原蛋白果凍等，粉劑因含有較少的食品添加成分，有效膠原蛋白成分高，因此以粉劑形式出現的終端產品種類較多。膠原蛋白的生產主要集中在美、日、歐和我國的臺灣，最具代表性的是法國羅賽洛（Rousselot）和日本新田（Nitta）。此外，從表2 還可以看到，各種膠原蛋白的分子量均在3 kDa以下，且主要從深海魚皮、魚鱗中提取得到，少部分從牛皮、牛骨中提取。不同來源膠原蛋白存在細微區別，主要體現在氨基酸組成和結構方面。具體到氨基酸組成，報道顯示陸生動物膠原蛋白與水生動物膠原蛋白兩者的氨基酸組成基本一致，但水生動物膠原蛋白的亞氨基酸（脯氨酸和羥脯氨酸）含量略低于陸生動物膠原蛋白，這可能與物種的生活環境有關[13]。膠原蛋白在食品和醫療保健品中的應用還剛剛起步，隨著對膠原蛋白營養價值和生理調節功能的不斷深入，它在食品和醫療保健品中的應用必將越來越廣。

表2 市面上較常見的幾種膠原蛋白產品Table 2 Some of the more common collagen hydrolysates on the market

3 膠原蛋白的消化吸收途徑和特點

3.1 膠原蛋白的消化吸收過程

膠原蛋白在人體中的消化吸收機理，至今尚未完全清楚。膠原蛋白的消化吸收主要經歷胃和小腸部分。由于人體口腔中主要以淀粉酶、溶菌酶為主，缺乏特異性的膠原酶，因此膠原蛋白將完整地從口腔進入到胃部和小腸。膠原蛋白在胃蛋白酶（胃部）、胰蛋白酶和糜蛋白酶（腸道）等非特異性蛋白酶的作用下，斷裂分解成一些分子量更小的多肽，后進一步水解成寡肽和游離氨基酸[14]，被機體吸收利用進入血液循環，再運送到身體其他部位被利用，繼而發揮相應的生物學效應。張寧等[15]對不同分子量的膠原蛋白肽進行了體內消化研究，發現長鏈多肽（3 kDa）在體內的消化吸收首先是在胃液和腸道酶的作用下被降解成短鏈的小肽；然后短鏈小肽通過轉運載體進入循環系統，因此相比于短鏈多肽（1 kDa），長鏈多肽在體內的停滯時間更長，衰減速率更低。林嵐[16]通過SDS-PAGE電泳分析，發現膠原蛋白制品在模擬胃液和模擬腸液中消化后，其分子量均能發生不同程度的下降，其中胰蛋白酶對膠原蛋白的降解程度更高。

經胃腸道消化分解后，膠原蛋白碎裂成小肽（或寡肽）與游離氨基酸，二者的體內吸收分屬于兩種相互獨立的轉運機制。游離氨基酸由腸細胞逆濃度梯度主動轉運，通過不同的繼發性主動重吸收系統進行。小肽可能的轉運機制有三種，分別是依賴H+濃度或Ca2+濃度的主動轉運過程；具有pH依賴性的非耗能性Na+/H+交換轉運系統以及谷胱甘肽轉運系統[15]。小肽與游離氨基酸相互獨立的吸收機制，有助于減輕由于游離氨基酸相互競爭共同吸收位點而產生的吸收抑制[17]。

3.2 膠原蛋白的消化吸收特性

實驗證實，口服膠原蛋白一定時間后，血漿中不僅出現了羥脯氨酸（Hyp）等游離氨基酸，還出現了膠原蛋白特征性的脯氨酸-羥脯氨酸（Pro-Hyp）、羥脯氨酸-甘氨酸（Hyp-Gly）、甘氨酸-脯氨酸-羥脯氨酸（Gly-Pro-Hyp）肽段，證實膠原蛋白在人體內是能被吸收的[18?20]。動物試驗和人體研究均證明，口服膠原蛋白12 h后，95%以上的膠原蛋白已被吸收利用[21]。Watanabe等[18]給小鼠喂食膠原蛋白，在3 h后小鼠體內血漿中的膠原蛋白濃度達到峰值，表明膠原蛋白具有較好的消化吸收特性。Iwai等[20]研究了人體對膠原蛋白的消化吸收，結果表明，在1～2 h后人體內的膠原蛋白濃度達到峰值，4 h后人體內的膠原蛋白濃度僅為峰值的一半，表明膠原蛋白的消化吸收速度十分快速，同時還證實了有相當一部分的膠原蛋白是以寡肽的形式吸收的，而不是單純的游離氨基酸。此外，有研究顯示，膠原蛋白的吸收利用率甚至比植物性蛋白質更高。吳冬梅等[22]以大鼠離體小腸為標本比較了膠原蛋白、膠原和氨基酸（谷氨酸、丙氨酸）的吸收率，結果表明小腸各段對膠原蛋白的吸收率明顯高于游離氨基酸和膠原的吸收率，且對相對分子質量<1 kDa的膠原蛋白的吸收率最高。小腸轉運肽類物質的系統具有轉運速度快、不易飽和的特點，而游離氨基酸吸收慢、載體易飽和，這對研究肽類物質的價值有重要的臨床意義。

膠原蛋白的消化吸收受很多因素影響，而相對分子質量是其中最重要的一個影響因素。資料顯示，相對分子質量<1 kDa的膠原蛋白無需分解可被人體直接吸收[23]。張寧等[15]研究了不同相對分子質量范圍膠原蛋白的吸收速率，結果表明平均相對分子質量1 kDa和3 kDa的膠原蛋白的吸收速率高于平均相對分子質量20 kDa的膠原蛋白。Biocyte實驗室研究得出，人體易吸收的膠原蛋白相對分子質量為1800～2200 Da。表2 已經提到，目前市面上的膠原蛋白產品，其相對分子質量均在3 kDa以下，部分產品的相對分子質量甚至低于1 kDa（如FANCL公司研究的高含量三肽的膠原蛋白產品：Gly-Pro-Hyp[24]）。因此，在生理條件下，這些膠原蛋白產品均可在胃腸道中被胃腸道中的非特異性蛋白酶分解，最終以相對分子質量更小的短肽（二肽、三肽等）和游離氨基酸形式吸收，而相對分子質量更小的膠原蛋白產品則可不經消化直接被人體吸收。

4 膠原蛋白的營養價值和功能特性

膠原蛋白在食品和醫療保健品中的應用，有兩方面的作用：一是營養；二是功能，在這里主要強調其生理調節功能。

4.1 膠原蛋白的營養價值

膠原蛋白含有18 種氨基酸，但由于缺乏色氨酸，其營養價值低于完全蛋白質。蛋白質作為人體中唯一氮的來源，其生物效價是其他碳水化合物和脂肪不能代替的，表3 列舉了不同年齡段人體對蛋白質和必須氨基酸的日需求量，無論對于嬰幼兒、兒童或成人，對必需氨基酸的需要量均較大[25]。食用膠原蛋白的化學成分分析結果如表4 所示，其中蛋白質含量最高，占干重的97%以上，剩余部分以無機鹽，如鈉、鈣、鎂等為主[26]。

表3 人體每日對蛋白質和必需氨基酸的需要量[25]Table 3 The daily requirement of human body for protein and essential amino acids[25]

表4 食用膠原蛋白的化學組成[26]Table 4 Chemical composition of edible collagen hydrolysates[26]

根據是否能由人體自身合成或合成速度是否滿足人體所需，將常見的20 余種氨基酸分為必需氨基酸（亮氨酸、以亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸、纈氨酸、組氨酸（嬰兒所必需））、條件必需氨基酸（在體內可由蛋氨酸和苯丙氨酸轉化）（半胱氨酸、酪氨酸）以及非必需氨基酸[27]。

膠原蛋白的氨基酸組成分析結果如表5 所示，膠原蛋白富含除色氨酸和胱氨酸外的18 種氨基酸，其中人體必需氨基酸7 種，能促進兒童生長的半必需氨基酸2 種[28]。傳統理論認為，膠原蛋白中缺乏人體代謝必需的色氨酸，在營養價值上屬于不完全蛋白質，所以其營養價值不高。從表5 可以看到，膠原蛋白含18 種氨基酸，氨基酸組成比較豐富，不含色氨酸，且存在高含量的、其它蛋白質中少見的特征氨基酸（羥脯氨酸和羥賴氨酸）。此外，從消化吸收的角度看，當人體因為某些原因導致氨基酸運輸系統功能出現障礙時，人體對寡肽吸收效果更好，所以從營養學的角度看，在供給人體必需氨基酸的同時，適當補充一些多肽效果更佳。因此，將膠原蛋白作為輔助膳食的功能性營養補充劑是更佳的選擇。

表5 食用膠原蛋白的氨基酸組成（g/100 g）Table 5 Amino acid composition of edible collagen hydrolysates（g/100 g）

此外，有報道顯示，膠原蛋白中還含有若干微量元素，包含常量元素鉀、鈉、鎂、鈣等，必需微量元素銅、鋅、錳、鐵、硒、鍶等，尤其是必需微量元素，特別是其他食物中很少含有的硒和鍶，因此膠原蛋白還具有一定的無機營養[25]。綜上所述，膠原蛋白含有高于淀粉類的普通鹽類（鉀、鈉、鈣、鎂等），另外還含有較豐富的硒、鍶等微量元素，同時食用膠原蛋白的氨基酸又能營養人體，因此它是一種兼具治療和營養的雙重效能的新型產品。

4.2 膠原蛋白的生理功能

膠原蛋白具有許多方面的生理調節功能，如防治骨關節炎和骨質疏松癥，改善皮膚水分、膚質和抗老化，抗過敏、免疫作用，保護胃粘膜以及抗潰瘍作用，抑制血壓上升作用，膠原蛋白中一些特殊氨基酸還具有防癌等功效。

4.2.1 有助于骨骼及關節健康 研究證明，低分子量的（<10 kD）膠原蛋白對骨和骨關節的健康有顯著地促進作用。盧玉坤等[29]證明了鱈魚皮膠原蛋白多肽能顯著提高大鼠的骨鈣含量，且低中分子量（<6 kDa）的膠原多肽能顯著提高鈣儲留率。體內實驗表明，相比于牛血清蛋白和富含酪氨酸的蛋白，骨質疏松模型的小鼠在攝入膠原蛋白后骨丟失現象明顯減少，說明膠原蛋白作為預防骨質疏松的作用超出了普通蛋白質[30]。另外，研究發現牛骨膠原蛋白肽可上調成骨細胞中堿性磷酸酶活力，來促進成骨細胞的生長，且分子量低者（<1 kDa）效果更佳[31]。周建烈等[32]臨床研究證實，膠原蛋白作為藥理營養素，連續6 月每日口服8 g Peptan（2～5 kDa）膠原蛋白肽可以顯著減少關節疼痛，改善關節功能；減少絕經后骨質疏松癥婦女的骨質流失。Zdzieblik等[33]研究了膠原蛋白對運動性關節炎和老年性關節炎的治療效果，結果表明，每日口服5 g的膠原蛋白（<10 kDa）無論對于緩解運動性關節炎和老年性關節炎的疼痛均是十分有效的。膠原蛋白對促進成骨細胞的增殖和分化具有正面效應，因此在骨再建方面扮演著重要的角色[34]。此外，有報道顯示，膠原蛋白能夠促進微量元素的吸收，少量對人體有益的微量元素（鈣等）可以吸附或螯合在膠原蛋白中進入人體，繼而有效改善骨骼缺鈣現象，增強骨骼的韌性、硬度[35]。

4.2.2 具有抗氧化、抗衰老作用和美容護膚的功效 Watanabe等[18]給小鼠喂食被C14標記的膠原蛋白，2 h后被標記的甘氨酸-脯氨酸-羥脯氨酸（Gly-Pro-Hyp）三肽就分布至全身各主要器官，14 d后在皮膚中還保持著較高的放射水平，將小鼠皮膚進行水解分析，證實其皮膚中的Gly-Pro-Hyp三肽就是來自被標記的膠原蛋白，表明口服膠原蛋白能夠被消化吸收，且能靶向性被皮膚利用。另外，膠原蛋白還顯示出一定的抗氧化活性。Sung等[36]通過靜態熱水解法和超濾純化技術制備了金槍魚皮膠原水解物（相對分子質量<10 kDa），發現相對分子質量在5～10 kDa的膠原蛋白具有很強的抗氧化活性，相對分子質量在1 kDa以下的膠原蛋白具有優異的抗衰老活性。Arely等[11]通過調控膠原的水解時間，制備出一系列分子量梯度的膠原蛋白，考察其提供電子或氫來穩定自由基的能力，結果顯示相對分子質量在25 kDa以下的膠原蛋白其穩定能力顯著優于高分子量的膠原蛋白。膠原蛋白通過抑制皮膚衰老和黑色素的形成，具有美白和護膚的功效[37]。近年研究表明，膠原蛋白具有明顯改善與老化相關的膠原合成低下作用。經老鼠投食試驗表明其具有促進膠原合成效果，可促進皮膚膠原代謝作用。膠原蛋白還能促進皮膚透明質酸的生成，一定程度上減少皮膚水分的流失，從而減緩因皮膚干燥引發的皮膚瘙癢等不適癥狀[38]。Liu等[39]從口服含抗氧化膠原肽的血清代謝物中分離出SCP膠原肽，發現SCP可促進前膠原合成，抑制膠原降解來發揮抗衰老的修復作用；同時對活性氧（ROS）的清除活性以及修復內源性抗氧化防御系統的作用。另外，證實了SCP存在兩種寡肽Ile-Hyp和Ala-Hyp-Gly，它們是激活TGF-β/Smad3途徑以促進前膠原合成的活性肽。

4.2.3 具有抗過敏、提升免疫的作用 方磊等[40]通過透明質酸酶抑制法檢測了三文魚皮膠原肽的抗過敏性，發現在1000 Da以下的肽段中膠原肽的抗過敏活性與寡肽的分子質量呈負相關性，且與肽鏈中疏水性氨基酸有一定的相關性。司少艷等[41]針對失重環境下航天員免疫功能下降的問題，模擬失重小鼠模型向其注射膠原蛋白肽，發現小鼠體內除NK細胞以外的淋巴細胞亞群和中性粒細胞的數量，以及T淋巴細胞增殖能力均有所提高，具體的免疫改善機制有待進一步研究。王鳳林等[42]發現暹羅鱷魚鱗膠原蛋白肽對免疫功能低下小鼠的免疫功能具有正向調節能力，具體表現為小鼠T淋巴細胞增殖功能和NK細胞的殺傷活性均有所改善。

4.2.4 具有保護胃黏膜、抗潰瘍的功效 王志聰等[43]發現鱈魚皮膠原蛋白肽可通過增強胃黏膜屏障及機體抗自由基氧化水平，保護大鼠急性胃黏膜損傷，主要體現在降低胃組織中丙二醛含量、提高糖蛋白含量、超氧化物歧化酶活力及血清中谷胱甘肽含量。劉晨晨等[44]通過四氯化碳誘導小鼠慢性肝損傷模型，證實服用膠原蛋白肽后小鼠轉氨酶活性降低、超氧化物歧化酶活性增強；且細胞促凋亡基因Bax蛋白表達量減弱，Cleavage Caspase-3 執行細胞凋亡受阻等，說明膠原蛋白肽護肝機制為增強抗氧化活性，同時抑制肝臟組織的氧化應激。豐秋婧等[45]推廣了膠原蛋白治療復發性口腔潰瘍的臨床方法，膠原蛋白能增強細胞膜內外物質傳遞，有利于細胞貼壁生長和細胞增長，可顯著縮短潰瘍愈合時間。呂玲玲[46]研究發現蛙皮膠原蛋白對無水乙醇誘導的胃潰瘍具有一定的保護作用，其機制是增加NO的含量。蔣升等[47]考察了膠原蛋白復合凝膠對大鼠口腔潰瘍的療效，發現膠原蛋白復合凝膠制劑能有效縮小潰瘍面積，形成假膜覆蓋創口并促進其愈合，且給藥部位上皮細胞排列緊密無炎性細胞，且受損組織可見比較明顯的肉芽組織和纖維化形成。

4.2.5 具有抑制血壓上升的作用 目前有效的降血壓方式是抑制血管緊張素I轉化酶，膠原蛋白可通過定向酶解技術制備出含有血管緊張素抑制成分的降血壓肽，有研究發現抑制活性最強的肽組分分子量在2000 或1000 Da以下，且主要功能氨基酸包括甘氨酸（Gly）、脯氨酸（Pro）、纈氨酸（Val）、丙氨酸（Ala）等[48-49]。

膠原蛋白具有豐富的生物活性，對人類疾病可起到改善的作用，因此以膠原蛋白為基質開發各類功能食品具有廣闊的前景。隨著對膠原蛋白生理調節功能研究的不斷深入，發現不同來源和不同相對分子質量的膠原蛋白對人體的作用效果不同，如膠原蛋白的相對分子質量與其抗氧化、美白、保濕等有一定的相關性，因此采用嚴格的工藝和技術精確制備具有特定相對分子質量的膠原蛋白意義重大。表6 為已報道的膠原蛋白的主要功效。有理由相信，隨著科學技術的發展和進步，通過對膠原蛋白的研究和改性可使其功效和應用進一步的擴大，更加滿足市場或臨床治療等的需求。

表6 已報道的食用膠原蛋白的功能特性Table 6 Reported biological function of collagen hydrolysates

5 結語

我國是世界上畜牧業和漁業發展較早的國家之一，改革開放以后，我國畜牧業和漁業發展迅速，已經成為世界畜牧業和漁業大國。我國每年的豬、牛、羊以及魚類產量均居世界前列，無疑為膠原蛋白的生產制備提供了豐富的原材料。膠原蛋白產業在我國起步較晚，存在知識普及不足、市場不規范，產品質量參差不齊，產品生產方式落后等諸多問題。然而，近年來，我國的膠原蛋白產業得到了跨越式發展，就目前的消費趨勢來看，膠原蛋白的國內市場發展很快，短時間內不僅膠原蛋白的需求量增大，同時在國內已涌現出大批有關膠原蛋白的研發生產單位，可以預見膠原蛋白的市場前景非常廣闊。

本文圍繞近年來，口服膠原蛋白是否有用引起的巨大爭議作了詳細闡述，膠原蛋白能夠以寡肽和游離氨基酸形式被良好吸收，相較植物蛋白，其吸收利用程度更高，消化吸收后的膠原蛋白可以分布至全身各器官，并特異性地被組織利用發揮其獨特的生理調節功能。然而，針對膠原蛋白市場的諸多問題，政府和有關科研工作者應加以重視，正確引導民眾認識膠原蛋白產品，規范膠原蛋白市場，同時要加強對膠原蛋白的研究積累，以解決實現膠原蛋白的可控制備和產品多樣化。