楊慧娟，趙巧靈，王萍亞，黃朱梁，王海蜂，沈 清*

（1 中國計量大學標準化學院 杭州 310018 2 舟山市食品藥品檢驗檢測研究院 浙江舟山 316012 3 海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心 浙江省水產(chǎn)品加工技術聯(lián)合重點實驗室浙江工商大學海洋食品研究院 杭州 310012）

明膠是動物膠原在酸、堿、酶條件下的局部水解產(chǎn)物[1]，具有膠凝性和成膜性好，生物降解性和相容性佳等優(yōu)點，其化學式為C102H151O39N31[2]，分子質量范圍大約3～200 ku[3-4]。膠原是一種生物性高分子物質，是動物體內含量最多、分布最廣的功能性蛋白。目前膠原有28 種，按照發(fā)現(xiàn)的先、后順序分別稱為Ⅰ型膠原、Ⅱ型膠原、Ⅲ型膠原等，按照膠原的功能可分為兩組，一組是成纖維膠原，如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅺ、Ⅻ，其另一是組為非成纖維膠原[5]。魚類和哺乳動物類中均含有豐富的膠原，見表1。

表1 魚類與哺乳動物類的膠原類型及分布Table 1 Collagen types and distribution in fishes and mammals

通常明膠是以陸上哺乳動物的皮、骨，如豬皮、牛皮、牛骨等為原料制備的[6]。因動物源性病毒及致病菌存在健康、宗教文化、風俗習慣等問題，故水生源魚明膠近年來備受關注。魚明膠與哺乳動物明膠相比，在品質、性能上有一定的差異，導致其在各行業(yè)的使用受到限制[7]。本文就魚明膠與哺乳動物明膠的性質差異，綜述魚明膠酶改性、物化改性、復合改性方面的研究進展，為魚明膠性質的改進提供參考。

1 明膠來源與差異

據(jù)報道，世界上46%的明膠來源于豬皮，29.4%來源于牛皮，23.1%來源于豬和牛的骨骼，僅有1.5%的明膠來源于魚類[8]。由于素食主義、宗教信仰和瘋牛病、豬口蹄疫等疾病的困擾，市場上有關豬源和牛源的明膠銷量有所降低。隨著食品、醫(yī)藥等行業(yè)的迅速發(fā)展，對明膠的需求急速增長，尋找哺乳動物明膠替代品成為一個研究熱點。其中，以水生動物即魚類為來源的明膠被視為最有可能代替哺乳動物的明膠類型。魚明膠相較哺乳動物明膠的優(yōu)點是：魚源明膠與瘋牛病和手足口病無關；魚明膠不受素食主義約束，且在伊斯蘭教中是可以接受的；魚類是豐富的明膠來源，魚類加工產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生的大量魚類廢物達生物總量的60%以上，從這些魚類加工副產(chǎn)物中提取明膠，既實現(xiàn)了變廢為寶，又解決了明膠的需求問題。

作為膠原的變性產(chǎn)物，明膠品質受膠原的來源和類型的影響[9]。與市場上傳統(tǒng)的商業(yè)豬源與牛源明膠相比，魚源明膠的起泡性能或許優(yōu)于豬明膠，如魚鱗明膠的起泡性能優(yōu)于豬骨明膠，而魚源明膠的凝膠強度、成膜性、乳化等功能特性相對較差。凝膠強度、膠熔溫度和黏度是評價明膠品質的3 個重要指標。如表2所示，大多數(shù)魚明膠的凝膠強度值在100～300 g 之間，普遍低于哺乳動物明膠，然而，一些魚明膠表現(xiàn)出較高的值，如銀魚魚皮明膠高達660 g[10]。某些魚明膠的黏度比哺乳動物明膠高，如巨鯰魚皮明膠，可達112.5 Pa·s[11]，比哺乳動物明膠的黏度高出數(shù)倍。另外，研究發(fā)現(xiàn)，魚類的生存環(huán)境對其明膠的影響也較大，如溫水魚類如單魚、羅非魚、草魚等的魚明膠與冷水魚類如鱈魚、鮭魚、鯡魚、比目魚的明膠相比，溫水魚類的熱穩(wěn)定性和流變性都高，且溫水性魚皮明膠的理化性質相似于哺乳動物明膠，在部分領域可將其替之[12]。

表2 魚皮明膠與豬皮明膠的性質差異Table 2 The difference of properties between fish skin gelatin and pig skin gelatin

氨基酸組成是影響明膠理化性質的重要因素。研究表明，魚明膠與哺乳動物明膠的差異可能主要歸因于原料的亞氨基酸含量不同。許多研究者測試了不同魚類與哺乳動物明膠的氨基酸組成情況，見表3。魚明膠中的脯氨酸和羥脯氨酸含量約占總含量的17%～25%，而哺乳動物明膠中的脯氨酸和羥脯氨酸含量可達30%。脯氨酸和羥脯氨酸均屬亞氨基酸，是一種含有吡咯烷環(huán)的剛性基團，與明膠的凝膠強度有緊密聯(lián)系：脯氨酸和羥脯氨酸的羥基可以和水分子形成氫鍵，當明膠形成凝膠網(wǎng)絡時，脯氨酸和羥脯氨酸具有有序且穩(wěn)定的構象[21]。當脯氨酸和羥脯氨酸的含量較低時，明膠的凝膠模量、成膠溫度和膠熔溫度也會變低。許多研究者也認為，與哺乳動物相比，魚明膠較差的凝膠強度和表面活性可能是疏水性氨基酸（脯氨酸和亮氨酸）和大部分親水性氨基酸（賴氨酸、絲氨酸、精氨酸、羥脯氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）的含量較低所致[22]。

表3 某些魚明膠中的氨基酸含量與哺乳動物明膠的比較（殘基/1 000 個氨基酸殘基）Table 3 The amino acid content in some fish gelatins compared to mammalian gelatin（residues/ 1 000 total amino acid residues）

2 魚明膠改性

由于魚明膠的凝膠性和流變性質都弱于哺乳動物明膠，許多研究者提出諸多改性方法（表4），使魚明膠可以替代哺乳動明膠（圖1）。

圖1 改性后的魚明膠與哺乳動物明膠的對比Table 1 Comparison of modified fish gelatin with mammalian gelatin

表4 魚明膠改性方法Table 4 Modification of fish gelatin

2.1 酶改性

用于改善魚明膠性能的酶大致分為兩類：外源性蛋白酶和內源性蛋白酶。其中，內源性蛋白酶轉谷氨酰胺酶（Microbial transglutaminase，MTGase），被成功運用到魚明膠改性的技術中[46]。MTGase 濃度增加可以改變魚明膠的結構，促進高分子質量聚合物的形成，生成致密且均勻的蛋白質網(wǎng)絡結構，可用于提高魚明膠的熔點和凝膠強度。高濃度的MTGase 會發(fā)生過度交聯(lián)，使均勻蛋白質網(wǎng)絡結構的形成受到抑制，導致魚明膠強度降低，剛性結構減弱[47]。如Wangtueai 等[48]發(fā)現(xiàn)加入0.5%MTGase 時，狗母魚鱗明膠的凝膠強度最大，當MTGase 濃度繼續(xù)增大時，凝膠強度逐漸降低。此外，高濃度的MTGase 可增大黏度，降低水的流動性，提供更大的流動阻力，使產(chǎn)品黏度增大。如Gómez-Guillén 等[29]和Ko?odziejska 等[30]的試驗結果都表明增大MTGase 的濃度可以增強魚明膠的黏度。

2.2 化學改性

化學交聯(lián)劑也能有效改善魚明膠的功能性能。其中磷酸化、醛類化合物改性及酚類化合物改性是幾類比較重要的化學改性方法。

2.2.1 磷酸化改性 磷酸化被證明是一種改善食品蛋白、凝膠和多糖功能特性的有效方法[38，49-50]。常用的磷酸化試劑有三氯氧磷（POCl3）、三偏磷酸鈉（Sodium trimetaphosphate，STMP）、三聚磷酸鈉（Sodium tripolyphosphate，STP）等。磷酸試劑可通過修飾明膠的活性側鏈基團，達到改性目的。如：STP 通過反應進入明膠分子中，可以增強明膠鏈中的磷酸基團與氨基酸-NH3+之間的離子相互作用，繼而可使魚明膠的凝膠強度得到提高[38]。然而，過量的游離磷酸鹽很有可能增加蛋白質分子間的靜電排斥力，降低凝膠強度，長時間的磷酸化也可能會使明膠鏈發(fā)生聚合，形成更大的聚集體，從而干擾凝膠網(wǎng)絡的形成[28]。如黃濤[28]在試驗中發(fā)現(xiàn)，3 h 磷酸化后魚明膠分子的凝膠網(wǎng)絡結構變得松弛。

2.2.2 醛改性 化學交聯(lián)劑中，醛類交聯(lián)劑通過在明膠鏈之間引入穩(wěn)定共價鍵（酰胺鍵），提高明膠的耐熱性、機械性能和耐濕性。根據(jù)醛類試劑的反應過程可分為兩類：修飾過程中成為明膠分子一部分的醛類交聯(lián)劑，如甲醛、戊二醛、對苯甲醛等，與不成為明膠分子一部分的醛類交聯(lián)劑，如水溶性碳二亞胺 【（3-dimethylaminopropyl）carbodiimide，EDC】。甲醛分子為低分子質量分子，很容易在明膠鏈間遷移，并與明膠分子形成新的共價鍵[51]。戊二醛可與氨基酸側殘基反應形成化學鍵，增強明膠結構的強度和耐水性[52]。EDC 可以激活明膠鏈上谷氨酸和天冬氨酸的羧酸殘基，活化后的基團可與（其它）明膠分子上的賴氨酸和羥賴氨酸的游離胺基發(fā)生反應形成酰胺鍵，從而改善魚明膠性質[51]。

2.2.3 酚改性 酚類化合物的羥基可與明膠的羧基發(fā)生氫鍵相互作用，其芳香環(huán)可與明膠的疏水側鏈間發(fā)生疏水相互作用，從而增強明膠凝膠的功能特性[53]，如：沒食子酸和蘆丁能提高魚明膠的彈性模量、凝膠強度和熱性能[54]。然而，過量酚類化合物的加入會導致凝膠無序結構的生成，影響明膠的膠凝性。氧化后的酚類與明膠中的氨基酸或巰基側鏈也會發(fā)生反應，形成交聯(lián)網(wǎng)絡。例如：劉洋[40]發(fā)現(xiàn)質量分數(shù)2%，氧化單寧酸、4%氧化綠原酸和6%氧化咖啡酸對改善馬哈魚魚皮明膠凝膠能力和性能的效果顯著[40]。酚類化合物還可用于提高魚明膠的抗氧化活性和乳化性能，其原因可能是被氧化的單寧酸與魚明膠反應生成的魚明膠-單寧酸復合物在油-水界面上能迅速定位吸附，進而形成穩(wěn)定的乳液薄膜[55]。

2.3 物理改性

2.3.1 添加電解質或非電解質物質 添加電解質或非電解質是魚明膠改性中最為常見的方式[56]。鹽是最常見的電解質。Sow 等[57]提出通過添加鹽改變靜電力和鹽橋的形成來影響明膠的凝膠特性。魚明膠具有球形聚集物、環(huán)狀結構、長短桿結構和連續(xù)的纖維網(wǎng)絡等非均質納米結構，向其中摻入NaCl 使球形團聚體的直徑增大2 倍以上，降低其凝膠強度[57]。Yang 等[56]研究表明，添加NaH2PO4的量越高，明膠產(chǎn)品的凝膠性能越好。另外，添加海藻酸鈉修飾魚明膠，也是一種很好的選擇[58-61]。例如，Sow 等[34]發(fā)現(xiàn)魚明膠質量分數(shù)為6%時，添加0.05%～0.4%的海藻酸鈉（Sodium alginate，SA），凝膠強度和硬度隨SA 添加量的增加而增加；而添加0.60%SA 時，魚明膠的凝膠強度和硬度下降。

多糖屬于非電解質，其與明膠分子間的靜電作用和氫鍵相互作用有助于改善多糖-明膠體系的凝膠性和流變性[62]。研究表明，魚明膠和卡拉膠可形成大型復合凝聚體，提高魚明膠的凝膠強度[35]。其中，魚明膠與卡拉膠間的締合作用是改性的關鍵，當魚明膠和卡拉膠混合比為4∶96 時，締合作用最大，其流變性能與豬明膠的相當[63]。果膠也是良好的多糖修飾物，然而高含量的果膠會出現(xiàn)“凝膠弱化”現(xiàn)象。黃濤[28]在修飾魚明膠時發(fā)現(xiàn)，用1%，3%的果膠修飾，可改善魚明膠的膠凝性、黏度，而用5%的果膠修飾時，魚明膠的凝膠網(wǎng)絡結構弱化，硬度也隨之降低[28]。另外，低含量的蔗糖、木糖醇和甜葉菊等也可以通過形成配位鍵的方式來提高魚明膠的凝膠性能[37，64]。

2.3.2 機械處理 與其它修飾方法相比，機械處理魚明膠的方法既經(jīng)濟又實用，且無需添加任何外源物質。高壓提取魚明膠使穩(wěn)定膠原的非共價鍵紊亂，從而提高明膠的產(chǎn)量，且作用壓力和時間對明膠結構也有影響。在適當?shù)膲毫蜁r間條件下，高壓作用誘導蛋白質聚集，提高明膠中高分子肽的含量，從而提高明膠的品質[65]。Gómez-Guillén等[33]將魚明膠在400 MPa 條件下加壓處理10 min，發(fā)現(xiàn)顯著改善了魚明膠的黏度、膠凝和膠熔溫度。超聲波處理使明膠結構中疏水殘基的微環(huán)境發(fā)生變化，改變明膠的二級結構，從而影響明膠的品質[65]。Yu 等[66]和Tu 等[31]的試驗結果顯示：在提取魚明膠時，超聲波處理有助于提高產(chǎn)量，其原因是提取過程中超聲波的機械和空化效應使水分更多地滲透到原料基質中，并提供更多的攪動來破壞基質，導致更多的膠原轉化成可溶性明膠。輻照是一種低成本的、物理的、非熱能的處理技術，其中的紫外UV 輻射和γ 輻射處理均影響魚明膠的性能[67]。另外，耿勝榮等[32]發(fā)現(xiàn)60Coγ 射線也影響魚明膠的凝膠強度、膠凝溫度、分子質量、大分子蛋白組分含量，且呈負相關。

2.4 復合改性

物理和化學改性雖可改善魚明膠的某些性質，但存在修飾效率不高的問題，而酶法改性雖然專一性強，無副作用，但是易使明膠形成熱不可逆凝膠[47]。針對以上改性方法存在的問題，復合修飾在魚明膠改性的應用中使用更多。

復合修飾采用兩種或兩種以上的方法修飾魚明膠。有關魚明膠的復合修飾大多基于魚明膠-多糖復合體系。其原因是：該復合體系高度不穩(wěn)定，需借力來穩(wěn)定它們，如使用酶法、多酚法、輻射處理等輔助交聯(lián)[62]。黃壁成等[68]用蔗糖與MTGase 混合制作添加劑，以提高魚明膠的凝膠強度；Chen等[69]用MTGase 和酪氨酸酶共同修飾，以增加明膠-殼聚糖溶液的黏度。Anvari 等[70]比較了氧化和非氧化單寧酸（分別為Oxidized tannic，OX-TA和Non-oxidized tannic acid，NO-TA） 處理的魚明膠-阿拉伯膠體系，結果表明：兩種形式的單寧酸均能提高復合體系的膠凝能力和凝膠強度。鮑士寶[41]發(fā)現(xiàn)添加茶多酚/殼聚糖納米獲得的鮰魚明膠復合膜的抗氧化能力顯著。輻射處理的輔助交聯(lián)中，Aliste 等[71]嘗試將γ 射線應用于水凝膠-卡拉膠（97.5∶1.0∶1.5）體系，結果表明，當劑量增到5 kGy 時，混合體系的黏度下降，劑量進一步增加，黏度呈上升趨勢。復合修飾制得的魚明膠特性與哺乳動物明膠相似。Sow 等[36]采用0.1 g/100 mL 的結冷膠、20 mmol/L 的CaCl2、6.67 g/100 mL 的復合魚明膠體系制得的產(chǎn)物的強度、硬度、粘結性、咀嚼性、膠凝溫度和融化溫度均與商品牛明膠相當。MTGase 和果膠的復合修飾體系可以克服明膠中高含量的添加物導致的“凝膠弱化”現(xiàn)象[44]。黃濤[28]采用0.06%MTGase 和0.8%果膠共同修飾魚明膠后，其凝膠強度、膠熔溫度和凝膠溫度也與哺乳動物明膠的相近。

3 結語

明膠以其獨特的膠凝性和流變性，被廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化妝品等領域。為了滿足需求，研究人員探索用魚明膠代替哺乳動物明膠。魚的加工副產(chǎn)品，如魚皮、魚骨、魚鱗和魚鰭均是制備明膠的優(yōu)良原料。然而，與哺乳動物明膠相比，魚明膠的不良理化性質，如熔點低、凝膠強度低、成本高等，嚴重限制了大規(guī)模生產(chǎn)和使用。近年來，研究人員在改善魚明膠的功能特性方面取得了重要進展。通過如酶法、物理化學法、復合修飾法改性使其部分替代動物源明膠產(chǎn)品。