鯽魚魚鱗結構與有效成分的研究進展

武陶　高天天　李俊　張志豪　叢欣然

摘要鯽魚是一類重要的經濟型食用魚，不僅肉質鮮美，魚鱗也有極高的利用價值。從鯽魚魚鱗的結構以及鯽魚魚鱗膠原蛋白等有效成分的提取方法、鯽魚魚鱗抗菌活性肽的制備方法以及魚鱗的應用等方面總結了鯽魚魚鱗結構與有效成分的研究進展，旨在為鯽魚魚鱗的深加工與進一步優化利用提供參考。

關鍵詞鯽魚；魚鱗；結構；功能成分；應用研究

中圖分類號TS201.2文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）11-0004-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.002開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress on the Structure and Effective Components of Carassius auratus Fish Scales

WU Tao，GAO Tian-tian，LI Jun et al（College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，Tianjin 300134）

AbstractCrucian carp is an important economic food fish，not only its meat is delicious，but also its scales have high utilization value.This paper summarizes the research progress on the structure and effective components of Carassius auratus fish scales from the aspects of the structure of fish scale and the extraction methods of effective components such as collagen of Carassius auratus fish scales，the preparation methods of antibacterial active peptides of Carassius auratus fish scales and the applications of fish scales，aiming to provide reference for the deep processing and further optimization of the utilization of Carassius auratus fish scales.

Key wordsCarassius auratus;Fish scale;Structure；Functional components;Applied research

水產動物是指生活在水生生態系統中，具有一定應用價值的動物及其初級加工產品。隨著我國水資源的不斷開發，中國的水產養殖業已經走在了世界的前列［1］。水生動物是一種相對安全的原料來源，可作為加工各種產品的原料［2］。魚鱗作為魚類的副產品，經常被作為廢棄物丟棄，易造成環境污染與資源浪費。相關研究表明，魚鱗中的膠原蛋白含量豐富，膠原蛋白分解后的產物肽類可以被人體腸道直接吸收，長期食用膠原蛋白肽具有提高皮膚彈性、修復表皮受損細胞、延緩衰老等益處［3］。因此，在保護環境與節約資源以及關注大健康的背景下，提高魚鱗的綜合利用率也變得日趨重要［4-5］。

鯽魚是中國最重要的淡水魚類之一，分布廣泛，生活在除青藏高原以外的幾乎所有主要水系［6］。鯽魚的體色以灰色為主，包括灰黑色的背部、銀灰色的腹面和灰白色的鰭［7］。鯽魚是一種雜食性魚類，適應性強，繁殖力強，抗病力強，生長快，易繁殖［8］，鯽魚也是評估水生生態系統和各種毒理學研究的良好模型［9］。

該研究以鯽魚為主要研究對象，總結了近年來鯽魚魚鱗結構及其有效成分的研究進展，以期為鯽魚魚鱗資源的開發利用提供參考。

1魚鱗的結構與有效成分研究進展

魚鱗覆蓋在魚體表面，屬于魚類皮膚的衍生物，具有保護魚體的作用。魚鱗按照其質地與形態，分為盾鱗、齒鱗、圓鱗和硬鱗4種類型。盾鱗一般在軟骨魚上發現較多，比如鯊魚的魚鱗就屬于盾鱗［10-11］。魚鱗中的主要成分為粗蛋白和灰分，另外含有少量的脂肪和糖類。根據文獻報道，鯽魚魚鱗含有約44.90%的粗蛋白，27.43%灰分以及18.29%的水分［12］ 。

1.1魚鱗結構與鯽魚魚鱗結構1982年，Zylberberg等［13］通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等手段首次對魚鱗的精細結構進行了分析，發現魚鱗具有縱向的3層結構。1990年，周偉等［14］采用掃描電子顯微鏡技術觀察與分析了杞麓湖鯉魚鱗片表面結構，發現其表面的齒狀粒突漸變結構可能作為魚類分類的一種依據；另外，通過對魚鱗輻射溝的分析，發現魚鱗輻射溝對于熱脹冷縮起著緩沖作用，同時也可以增強鱗片的柔韌性。隨后，丁瑞華等［15］觀察分析了虎嘉魚鱗片的表面結構。另外還有眾多研究采用透射顯微鏡技術先后對藍羅非魚魚鱗、壽南小沙丁魚鱗、鯉魚的魚鱗片的斷面結構進行了分析［16］。上述研究均集中于對魚鱗表面結構的研究。

王玉坤［17］利用熱重、XRD 和掃描電子顯微鏡（含能譜），對鯽魚魚鱗分級結構的成分組成和構成模式進行了更加全面的觀察與研究。其研究結果表明，鯽魚魚鱗在基本組成上，主要由羥基磷灰石和I型膠原構成。其中，有機質（包括但不限于I型膠原）的質量含量約58.2%，無機物（包括但不限于羥基磷灰石）的質量含量約29.5%，另外含有約123%的水分。從結構組成來看，可將鯽魚魚鱗看作羥基磷灰石/膠原復合材料，其分級結構主要包括羥基磷灰石顆粒、羥基磷灰石顆粒與細膠原纖維相互間隔形成的板條狀復合物等5級結構。段婷婷等［18］采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線能譜與衍射、傅里葉紅外光譜和熱分析等方法與手段對鯽魚魚鱗跨尺度結構與成分進行了表征與研究，結果表明，鯽魚魚鱗片表面含有鱗脊和鱗槽，是一種跨尺度結構復合材料，由有機成分和無機成分組成。有機成分為片狀或層狀的蛋白質纖維，無機成分為羥基磷灰石顆粒。另外，在液氮冷凍條件下，橡膠會變脆而魚鱗不會變脆與斷裂，因此認為魚鱗的韌性高于橡膠。鯽魚魚鱗的良好韌性可以使其防止內部組織受到侵害。

至此，人們對于包括鯽魚在內的各種魚鱗的結構有了比較清晰的認識，也有了比較完善的分析與觀察手段。

1.2鯽魚魚鱗的有效成分魚鱗中的有效成分主要包括魚鱗膠原、魚鱗明膠、魚鱗膠原肽、羥基磷灰石、卵磷脂等，其中的主要成分為魚鱗膠原和羥基磷灰石［19］。鯽魚魚鱗中的有效成分同樣主要包括前述主要物質。其中，魚鱗膠原即膠原蛋白，是由動物細胞合成的一種高分子化合物，具有生物活性，同時也是結締組織中極其重要的成分。與陸生動物相比，雖然魚類明膠中脯氨酸和羥脯氨酸的含量低于動物明膠中的含量，但魚鱗明膠中的蛋氨酸含量明顯高于動物明膠中的含量。因而可以利用這些特性開發相應的高附加值產品［17］。

鯽魚魚鱗中主要的無機成分為羥基磷灰石，屬于磷灰石的一種，該類物質具有生物兼容性、骨傳導性、無生物毒性、不引起炎癥、不引起機體免疫等特性，目前廣泛應用于醫療行業［20］ 。

2鯽魚魚鱗膠原蛋白提取工藝研究

2.1膠原蛋白的結構膠原蛋白普遍存在于動物的皮膚、軟骨等結締組織中，占總生物蛋白的25%～30%［21］。根據結構特征分類，膠原蛋白可分為纖維狀（條紋狀）、非纖維狀（網狀）、微纖維狀（絲狀）和纖維狀相關的膠原蛋白。根據現有的研究，已經確定了29種類型，常見的類型有I型、II型、III型、V型和D型，其中I型膠原是最常見的，幾乎存在于所有結締組織中［22］。從膠原蛋白組成的結構單元來看，膠原蛋白是由3條肽鏈（2條α1和1條α2）組成的三螺旋結構，由重復的氨基酸單元組裝而成，通過分子內氫鍵和相互右旋形成，這樣的結構保證了膠原蛋白的穩定性。

2.2膠原蛋白的提取方法如表1所示，從水產動物中提取膠原蛋白通常使用5種提取方法。每種方法都有其優點和缺點。選擇酸類作為提取液用于魚鱗膠原蛋白的提取，可使膠原蛋白水解較徹底，但存在色氨酸等氨基酸被破壞、膠原蛋白粗提物含量降低、后續純化工作煩瑣、提取設備易被酸液腐蝕等問題，不利于工業化大規模生產，因此在實際提取過程中可以考慮酸酶結合、超聲波提取或微波輔助提取等方法進行優化。采用酶法提取魚鱗膠原蛋白時，只需展開膠原蛋白的肽鏈，不改變膠原蛋白的3股螺旋結構。酶法提取魚鱗膠原蛋白所需要的反應條件溫和，提取速率高，提取時間短，提取過程無消解［24］。Ikoma等［20］提取魚鱗膠原蛋白時，采用EDTA對魚鱗進行脫鈣預處理，然后用胃蛋白酶水解魚鱗，膠原蛋白的提取率超過33.6%。為了提高魚鱗膠原蛋白的提取率，胡建平等［25］用多種酶分別水解鰱魚的魚鱗，魚鱗膠原蛋白提取率的大小依次為胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶。胡方園［26］利用Alcalase 酶解鳙魚魚鱗，并且在魚鱗預處理階段輔以超聲波、微波、微細粉碎等輔助手段。結果表明，經過微細粉碎處理的樣品，其酶解效果最好，水解度為24.22%、蛋白回收率為95.76%。

2.3鯽魚魚鱗膠原蛋白提取工藝在鯽魚魚鱗膠原蛋白提取方面，朱秀靈等［27］采用響應面法對影響鯽魚魚鱗酸溶性膠原蛋白提取效果的醋酸濃度、料液比、提取時間3個因素進行了優化，建立了各因素與酸溶性膠原蛋白提取率的關系數學模型并進行了分析。

陳軍等［28］對鯽魚鱗蛋白酶解工藝進行了優化。結果表明，采用胃蛋白酶進行水解，最佳提取條件為酶添加量5%，酶解7 h， 60 ℃條件下酶解，酶解環境的pH =3。此條件下得到最佳水解度14.58%。

在鯽魚魚鱗膠原蛋白的提取過程中，脫鈣是魚鱗膠原蛋白提取過程中一個非常重要的步驟。陳健萍等［29］采用單因素和正交試驗優化了鯽魚魚鱗膠原蛋白的提取工藝，在最佳提取條件下，膠原蛋白的提取率為0.773%。聶小寶等［30］采用不同濃度的鹽酸作為脫鈣液，以0.5 mol /L的醋酸-醋酸鈉緩沖液為原料，提取鯽魚魚鱗中的膠原蛋白。結果表明，提取溫度12 ℃，固液比1∶25，提取時間2 d，脫鈣酸濃度0.4 mol/L，脫鈣時間3 h的提取條件下，膠原蛋白提取率為1.142%。李文鳳等［31］為探索大黃魚魚鱗的脫鈣工藝條件，以檸檬酸為脫鈣劑，在超聲波輔助處理下對大黃魚魚鱗的脫鈣條件進行了優化。以脫鈣率為評價指標，考察了料液比、檸檬酸濃度和超聲時間3個因素對大黃魚魚鱗脫鈣的影響。通過優化分析，得到了大黃魚魚鱗脫鈣的最佳工藝條件。響應面優化試驗表明，超聲波輔助脫鈣可以有效提高檸檬酸對大黃魚魚鱗的脫鈣效果，并且在此條件下，造成的魚鱗膠原蛋白的損失較小。超聲波輔助脫鈣也是鯽魚魚鱗脫鈣可參考的方法。

另外，紀書煥［32］采用離子液體法來提取鯽魚魚鱗中的膠原蛋白。選擇了氯化膽堿/1，4-丁二醇提取鯽魚魚鱗中的膠原蛋白。在溫度70 ℃、提取時間2.5 h、固液比1∶15的最優提取條件下，膠原蛋白的得率為4.14%，而且提取的膠原蛋白具有良好的三螺旋結構。

3鯽魚魚鱗抗菌肽的制備工藝研究

魚鱗膠原蛋白活性肽是魚鱗膠原蛋白或魚鱗明膠水解的產物，具有較強的抗氧化活性，可減緩脂質過氧化、清除自由基，也具有一定的調節機體新陳代謝的功效，因此在食品保鮮與營養保健方面有較多的應用［33］。

近年來，對鯽魚魚鱗膠原蛋白肽的研究呈現出多元化、多角度的特點。施永清等［34］采用雙酶消化法制備鯽魚魚鱗的抗菌肽，并通過響應面方法確定最佳的酶解條件；采用G-25分離純化酶解物，同時考察了有效抑制部分對不同細菌的最小抑制濃度（MIC）。結果顯示，酸性蛋白酶是二次酶解的最佳蛋白酶。在最佳酶解條件下，G2餾分對假單胞菌和志賀氏菌的MIC為1.56 μg/mL，對金黃色葡萄球菌、枯草桿菌、大腸桿菌、沙門氏菌和副溶血性弧菌經層析后的MIC為6.25 μg/mL。

顧晨濤等［35］研究了鯽魚鱗片抗菌多肽的制備、純化過程及其抗菌性能。對鯽魚魚鱗進行預處理后，采用檸檬酸提取和酶解得到魚鱗的粗酶解物，然后采用透析、凝膠過濾色譜和陰離子交換色譜對粗酶解物進行純化，獲得鯽魚魚鱗的抗菌多肽，該多肽具有較強的抗菌活性。然后通過SDS-PAGE分析了抗菌多肽的分子量和純度。結果表明，魚鱗抗菌肽的分子質量約為20.1 kDa，對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、白葡萄球菌、副溶血性弧菌、假單胞菌和施瓦那菌的最小抑制活性為16 μg/mL，對大腸桿菌和沙門氏菌的最小抑制活性為32 μg/mL。

董倍余等［36］優化了鯽魚多肽的提取工藝，并對其抗氧化能力進行了研究。得到了鯽魚多肽的最優提取條件，并通過DPPH自由基清除試驗以及與抗壞血酸抗氧化能力的對比，證明鯽魚多肽具有較強的抗氧化能力。

賀江等［37］研究了制備草魚抗氧化活性肽的最優工藝，在草魚膠原蛋白粗提液中加入木瓜蛋白酶進行酶解得到酶解液，酶解液對ABTS+自由基的抑制率達45.7%；制備的ACEI 活性肽的酶解液對血管緊張素轉換酶（ACE）的活性抑制率可達98.8%。

4魚鱗有效成分的應用研究

4.1魚鱗膠原膜的制備與應用基于魚鱗膠原蛋白具有的生物相容性和可降解性，符合食用膜的要求，因此可以利用魚鱗來制備魚鱗膠原蛋白膜［38］。濕法和干法是目前制備魚鱗膠原蛋白膜較常用的方法［39］。濕法的主要原理是將所有成分溶解或分散，然后干燥成膜，包括將成膜溶液直接涂在食品表面形成涂層，利用成膜溶液的液-液分離或液-固分離固化成膜以及通過熱誘導相分離成膜等成膜方式。干法成膜則不使用溶劑，主要是利用成膜成分的熱塑性，選擇高于材料熔點的溫度加熱成膜成分，使其流動成形［40］。此外，近年來，納米技術的興起也為食用膜的制備提供了新思路［41］。魚鱗膠原蛋白膜的性能評價主要包括3個方面：機械、熱和阻隔性能。范德華力、氫鍵和二硫鍵等分子間作用力是維持膠原蛋白分子結構穩定性的主要作用力，同時也影響膠原蛋白膜的性能。

涂宗財等［42］比較了鳙魚、草魚和鯽魚3種淡水魚類明膠膜與豬皮和牛皮明膠膜的性能，結果表明，與哺乳動物制備的明膠膜相比，魚鱗明膠膜的水蒸氣滲透率（WVP）較低，而且鯽魚魚鱗明膠膜的WVP最低。但是，魚鱗明膠膜的溶解度、透光率和透油率指標均高于哺乳動物明膠膜。高透光率的魚鱗明膠膜具有較高的防止食品脂質氧化的能力。因此，魚鱗明膠膜可以作為哺乳動物明膠膜的替代品用于膠囊制備與冷鏈食品的包裝，上述研究結果表明，鯽魚魚鱗明膠膜在膠囊和冷藏或冷凍食品的包裝中具有很大的應用潛力。

良好的水分和氣體阻隔性能、合適的機械性能、感官特性和安全性是對食品包裝材料的基本要求［43］。魚鱗膠原膜具有阻隔氧氣和濕氣滲透的作用［40］，因此，在食品領域可以選擇其作為食品包裝材料。例如，于林等［44］研究發現，鰱魚鱗膠原蛋白與茶多酚和殼聚糖形成的交聯膜可以有效抑制石斑魚中微生物的生長，延長其保質期。甘釗生等［45］采用魚鱗膠原蛋白與綠茶提取物制備得到的復合涂膜，可有效降低圣女果的損耗率和腐爛率，延長圣女果的貨架期。在生物醫藥領域，由于膠原蛋白具有良好的生物相容性、高生物降解性和低免疫原性，可應用于組織工程再生、藥物輸送和疾病治療［46］。陳亮等［47］研究了草魚魚鱗膠原膜對大鼠骨髓間質干細胞的黏附增殖和成骨分化的影響，發現魚鱗膠原膜的表面細胞黏附良好，可以促進骨髓間質干細胞的增殖和成骨分化，具有良好的生物相容性和骨組織再生潛力。

4.2魚鱗膠原蛋白在處理廢水方面的應用魚鱗除了用于制備膠原膜、明膠膜外，還可作為吸附劑，應用于廢水處理中。梁志等［48］研究了羅非魚魚鱗對于染料廢水中正甲基藍的吸附作用。結果表明，當溶液pH為7、溫度為30 ℃，吸附劑用量為3 g/L、吸附時間為30 min，亞甲基藍初始濃度為40 mg/L時，吸附效果最好；另外，傅里葉紅外光譜分析表明羅非魚魚鱗中的膠原蛋白和羥基鱗灰石均參與了亞甲基藍染料的吸附。此外，該團隊還研究了羅非魚魚鱗對廢水中剛果紅的吸附作用［49］。主要考察了魚鱗用量、剛果紅初始濃度和溶液pH等因素對羅非魚魚鱗吸附水中剛果紅的性能影響，并通過紅外光譜、吸附動力學和吸附等溫線分析了吸附機理。研究人員還研究了魚鱗生物活性炭對含甲醛的廢水的吸附作用。張凈凈等［50］ 在550 ℃條件下，將經過干燥的魚鱗與85％磷酸進行活化，制備了魚鱗活性生物炭，并研究了魚鱗活性生物炭對甲醛的吸附性能。發現魚鱗活性生物炭對甲醛的吸附隨著溫度的增加而增加，并且其吸附過程可以用準二級動力學方程進行描述。

5總結與展望

鯽魚在眾多水產品中雖然價格低廉，但其營養豐富，具有較高的營養價值。在文獻調研過程中發現，不同種類魚鱗的結構以及鯽魚魚鱗的結構研究已比較明晰，針對魚鱗膠原蛋白以及魚鱗明膠等魚鱗有效成分的提取，研究雖不如羅非魚、草魚等類群多，但類似的方法也可借鑒于鯽魚魚鱗的有效成分提取中。在今后的研究中，可在已有的鯽魚魚鱗有效成分提取工藝的基礎上，綜合其他魚類魚鱗有效成分的提取工藝，嘗試對鯽魚魚鱗有效成分的提取工藝繼續進行優化或開發新型提取方式，以期提高魚鱗的利用率以及活性成分的提取率。而目前針對鯽魚魚鱗再利用的研究較少，這是今后鯽魚魚鱗的進一步開發利用可參考的方向。

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