鲫鱼鱼鳞结构与有效成分的研究进展.pdf

鲫鱼鱼鳞结构与有效成分的研究进展武 陶,高天天,李 俊,张志豪,丛欣然(天津商业大学生物技术与食品科学学院天津市食品生物技术重点实验室,天津 300314)摘要 鲫鱼是一类重要的经济型食用鱼,不仅肉质鲜美,鱼鳞也有极高的利用价值。从鲫鱼鱼鳞的结构以及鲫鱼鱼鳞胶原蛋白等有效成分的提取方法、鲫鱼鱼鳞抗菌活性肽的制备方法以及鱼鳞的应用等方面总结了鲫鱼鱼鳞结构与有效成分的研究进展,旨在为鲫鱼鱼鳞的深加工与进一步优化利用提供参考。关键词 鲫鱼;鱼鳞;结构;功能成分;应用研究中图分类号 TS201.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2023)11-0004-04doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.002 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Research Progress on the Structure and Effective Components of Carassius auratus Fish ScalesWU Tao,GAO Tian-tian,LI Jun et al(College of Biotechnology and Food Science,Tianjin University of Commerce,Tianjin Key Laborato-ry of Food Biotechnology,Tianjin 300134)Abstract Crucian 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 meth-ods 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 words Carassius auratus;Fish scale;Structure;Functional components;Applied research基金项目 天津市大学生创新训练计划(202010069069)。作者简介 武陶(1988),女,山西晋中人,讲师,博士,从事代谢工程研究。收稿日期 2022-06-01 水产动物是指生活在水生生态系统中,具有一定应用价值的动物及其初级加工产品。随着我国水资源的不断开发,中国的水产养殖业已经走在了世界的前列1。水生动物是一种相对安全的原料来源,可作为加工各种产品的原料2。鱼鳞作为鱼类的副产品,经常被作为废弃物丢弃,易造成环境污染与资源浪费。相关研究表明,鱼鳞中的胶原蛋白含量丰富,胶原蛋白分解后的产物肽类可以被人体肠道直接吸收,长期食用胶原蛋白肽具有提高皮肤弹性、修复表皮受损细胞、延缓衰老等益处3。因此,在保护环境与节约资源以及关注大健康的背景下,提高鱼鳞的综合利用率也变得日趋重要4-5。鲫鱼是中国最重要的淡水鱼类之一,分布广泛,生活在除青藏高原以外的几乎所有主要水系6。鲫鱼的体色以灰色为主,包括灰黑色的背部、银灰色的腹面和灰白色的鳍7。鲫鱼是一种杂食性鱼类,适应性强,繁殖力强,抗病力强,生长快,易繁殖8,鲫鱼也是评估水生生态系统和各种毒理学研究的良好模型9。该研究以鲫鱼为主要研究对象,总结了近年来鲫鱼鱼鳞结构及其有效成分的研究进展,以期为鲫鱼鱼鳞资源的开发利用提供参考。1 鱼鳞的结构与有效成分研究进展鱼鳞覆盖在鱼体表面,属于鱼类皮肤的衍生物,具有保护鱼体的作用。鱼鳞按照其质地与形态,分为盾鳞、齿鳞、圆鳞和硬鳞 4 种类型。盾鳞一般在软骨鱼上发现较多,比如鲨鱼的鱼鳞就属于盾鳞10-11。鱼鳞中的主要成分为粗蛋白和灰分,另外含有少量的脂肪和糖类。根据文献报道,鲫鱼鱼鳞含有约 44.90%的粗蛋白,27.43%灰分以及 18.29%的水分12。1.1 鱼鳞结构与鲫鱼鱼鳞结构 1982 年,Zylberberg 等13通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等手段首次对鱼鳞的精细结构进行了分析,发现鱼鳞具有纵向的3 层结构。1990 年,周伟等14采用扫描电子显微镜技术观察与分析了杞麓湖鲤鱼鳞片表面结构,发现其表面的齿状粒突渐变结构可能作为鱼类分类的一种依据;另外,通过对鱼鳞辐射沟的分析,发现鱼鳞辐射沟对于热胀冷缩起着缓冲作用,同时也可以增强鳞片的柔韧性。随后,丁瑞华等15观察分析了虎嘉鱼鳞片的表面结构。另外还有众多研究采用透射显微镜技术先后对蓝罗非鱼鱼鳞、寿南小沙丁鱼鳞、鲤鱼的鱼鳞片的断面结构进行了分析16。上述研究均集中于对鱼鳞表面结构的研究。王玉坤17利用热重、XRD 和扫描电子显微镜(含能谱),对鲫鱼鱼鳞分级结构的成分组成和构成模式进行了更加全面的观察与研究。其研究结果表明,鲫鱼鱼鳞在基本组成上,主要由羟基磷灰石和 I 型胶原构成。其中,有机质(包括但不限于 I 型胶原)的质量含量约 58.2%,无机物(包括但不限于羟基磷灰石)的质量含量约 29.5%,另外含有约12.3%的水分。从结构组成来看,可将鲫鱼鱼鳞看作羟基磷灰石/胶原复合材料,其分级结构主要包括羟基磷灰石颗粒、羟基磷灰石颗粒与细胶原纤维相互间隔形成的板条状复合物等5 级结构。段婷婷等18采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X 射线能谱与衍射、傅里叶红外光谱和热分析等方法与手段对鲫鱼鱼鳞跨尺度结构与成分进行了表征与研究,结果表明,鲫鱼鱼鳞片表面含有鳞脊和鳞槽,是一种跨尺度结构复合材料,由有机成分和无机成分组成。有机成分为片状或层状的蛋白质纤维,无机成分为羟基磷灰石颗粒。另外,在 安徽农业科学,J.Anhui Agric.Sci.2023,51(11):4-7液氮冷冻条件下,橡胶会变脆而鱼鳞不会变脆与断裂,因此认为鱼鳞的韧性高于橡胶。鲫鱼鱼鳞的良好韧性可以使其防止内部组织受到侵害。至此,人们对于包括鲫鱼在内的各种鱼鳞的结构有了比较清晰的认识,也有了比较完善的分析与观察手段。1.2 鲫鱼鱼鳞的有效成分 鱼鳞中的有效成分主要包括鱼鳞胶原、鱼鳞明胶、鱼鳞胶原肽、羟基磷灰石、卵磷脂等,其中的主要成分为鱼鳞胶原和羟基磷灰石19。鲫鱼鱼鳞中的有效成分同样主要包括前述主要物质。其中,鱼鳞胶原即胶原蛋白,是由动物细胞合成的一种高分子化合物,具有生物活性,同时也是结缔组织中极其重要的成分。与陆生动物相比,虽然鱼类明胶中脯氨酸和羟脯氨酸的含量低于动物明胶中的含量,但鱼鳞明胶中的蛋氨酸含量明显高于动物明胶中的含量。因而可以利用这些特性开发相应的高附加值产品17。鲫鱼鱼鳞中主要的无机成分为羟基磷灰石,属于磷灰石的一种,该类物质具有生物兼容性、骨传导性、无生物毒性、不引起炎症、不引起机体免疫等特性,目前广泛应用于医疗行业20。2 鲫鱼鱼鳞胶原蛋白提取工艺研究2.1 胶原蛋白的结构 胶原蛋白普遍存在于动物的皮肤、软骨等结缔组织中,占总生物蛋白的 25%30%21。根据结构特征分类,胶原蛋白可分为纤维状(条纹状)、非纤维状(网状)、微纤维状(丝状)和纤维状相关的胶原蛋白。根据现有的研究,已经确定了 29 种类型,常见的类型有 I 型、II 型、III型、V 型和 D 型,其中 I 型胶原是最常见的,几乎存在于所有结缔组织中22。从胶原蛋白组成的结构单元来看,胶原蛋白是由 3 条肽链(2 条 1 和 1 条 2)组成的三螺旋结构,由重复的氨基酸单元组装而成,通过分子内氢键和相互右旋形成,这样的结构保证了胶原蛋白的稳定性。2.2 胶原蛋白的提取方法 如表 1 所示,从水产动物中提取胶原蛋白通常使用 5 种提取方法。每种方法都有其优点和缺点。选择酸类作为提取液用于鱼鳞胶原蛋白的提取,可使胶原蛋白水解较彻底,但存在色氨酸等氨基酸被破坏、胶原蛋白粗提物含量降低、后续纯化工作烦琐、提取设备易被酸液腐蚀等问题,不利于工业化大规模生产,因此在实际提取过程中可以考虑酸酶结合、超声波提取或微波辅助提取等方法进行优化。采用酶法提取鱼鳞胶原蛋白时,只需展开胶原蛋白的肽链,不改变胶原蛋白的 3 股螺旋结构。酶法提取鱼鳞胶原蛋白所需要的反应条件温和,提取速率高,提取时间短,提取过程无消解24。Ikoma 等20提取鱼鳞胶原蛋白时,采用 EDTA 对鱼鳞进行脱钙预处理,然后用胃蛋白酶水解鱼鳞,胶原蛋白的提取率超过 33.6%。为了提高鱼鳞胶原蛋白的提取率,胡建平等25用多种酶分别水解鲢鱼的鱼鳞,鱼鳞胶原蛋白提取率的大小依次为胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶。胡方园26利用 Alcalase 酶解鳙鱼鱼鳞,并且在鱼鳞预处理阶段辅以超声波、微波、微细粉碎等辅助手段。结果表明,经过微细粉碎处理的样品,其酶解效果最好,水解度为 24.22%、蛋白回收率为 95.76%。表 1 水产动物胶原蛋白提取方法Table 1 Extraction methods of collagen from aquatic animals序号No.方法Method原理Principle1酸法盐键和席夫碱键断裂,醛胺类交联键的胶原纤维与未交联的胶原分子水解2酶法水解胶原蛋白末端肽链间的赖氨酸或羟赖氨酸相互作用而形成的共价键,使肽链展开3碱法通过 NaOH、Na2CO3 等碱性化合物的作用,使胶原蛋白中含有羟基、疏基的氨基酸不稳定,成为游离氨基酸234盐法利用盐溶液加速胶原蛋白的溶解5热水浸提法利用蛋白质的水溶性,浸提温度不断升高,胶原蛋白提取的含量也不断增加2.3 鲫鱼鱼鳞胶原蛋白提取工艺 在鲫鱼鱼鳞胶原蛋白提取方面,朱秀灵等27采用响应面法对影响鲫鱼鱼鳞酸溶性胶原蛋白提取效果的醋酸浓度、料液比、提取时间 3 个因素进行了优化,建立了各因素与酸溶性胶原蛋白提取率的关系数学模型并进行了分析。陈军等28对鲫鱼鳞蛋白酶解工艺进行了优化。结果表明,采用胃蛋白酶进行水解,最佳提取条件为酶添加量 5%,酶解 7 h,60 条件下酶解,酶解环境的 pH=3。此条件下得到最佳水解度 14.58%。在鲫鱼鱼鳞胶原蛋白的提取过程中,脱钙是鱼鳞胶原蛋白提取过程中一个非常重要的步骤。陈健萍等29采用单因素和正交试验优化了鲫鱼鱼鳞胶原蛋白的提取工艺,在最佳提取条件下,胶原蛋白的提取率为 0.773%。聂小宝等30采用不同浓度的盐酸作为脱钙液,以 0.5 mol/L 的醋酸-醋酸钠缓冲液为原料,提取鲫鱼鱼鳞中的胶原蛋白。结果表明,提取温度 12,固液比 1 25,提取时间 2 d,脱钙酸浓度0.4 mol/L,脱钙时间 3 h 的提取条件下,胶原蛋白提取率为1.142%。李文凤等31为探索大黄鱼鱼鳞的脱钙工艺条件,以柠檬酸为脱钙剂,在超声波辅助处理下对大黄鱼鱼鳞的脱钙条件进行了优化。以脱钙率为评价指标,考察了料液比、柠檬酸浓度和超声时间 3 个因素对大黄鱼鱼鳞脱钙的影响。通过优化分析,得到了大黄鱼鱼鳞脱钙的最佳工艺条件。响应面优化试验表明,超声波辅助脱钙可以有效提高柠檬酸对大黄鱼鱼鳞的脱钙效果,并且在此条件下