胶原

胶原对于人体具有不可或缺的生理学功能。

从表皮层面来看，胶原的弹性网络结构与亲水性对于肌肤的保湿、滋养、紧致和防皱起着决定性的作用，此外胶原还能储存角蛋白所需的营养，对于毛发的生长于保养十分重要。

从内脏层面来看，在肝脏中，胶原纤维网络作为肝小叶的支撑载体，维持肝脏体积形态的正常水平，发挥着支撑骨架及运输管道的作用。在人体肺部，胶原作为间质同样起到支撑作用。在心血管系统中，胶原大量存在与心瓣膜中，部分存在于心内膜和心基膜中，维持着心脏的功能水平。

从骨骼层面来看，骨组织的有机物含量约占33%，胶原约占有机成分的80%~90%，它对维持骨结构的完整及骨生物的力学特性非常重要^[9]。

从细胞层面来看，胶原是细胞外基质的主要结构蛋白，负责调控细胞发育、粘附和迁移等细胞行为。此外胶原在细胞层面还有多种功能：包括稳定细胞部位、细胞间的桥接、提供细胞生长分化及功能发挥的空间、对细胞进行机械保护、构成生物滤膜和减缓细胞基质降解等^[10]。

目前，脊椎动物体内已证实存在的胶原共有29种，按照顺序依次用大写罗马数字进行编号。

根据胶原的成纤维能力可分为两大类：成纤维胶原（fibril-forming collagen）和非成纤维胶原（non-fibril-forming collagen）。其中，非成纤维胶原又可以分为纤维相关胶原、网状结构胶原、珠状细丝胶原、锚定胶原、跨膜胶原和内皮抑素相关胶原。

有关胶原的名称、类别和组织分布可参考下表^[11]。

胶原分子的结构单位是原胶原（tropocollagen）。原胶原为细长的棒状分子，相对分子质量约300 kDa，由三条肽链相互缠绕而成，即胶原的三股螺旋结构。

3.1 一级结构

单条肽链中氨基酸的数目及排列顺序，包括二硫键的位置，称为胶原的一级结构^[12]。在胶原肽链中，主区段约含1014~1023个氨基酸并呈现出（-Gly-X-Y-）周期性排列，其中约1/3的X和Y为脯氨酸（Pro）和羟脯氨酸（Hyp）。在螺旋区的两端均存在非螺旋端肽，分别是由25个氨基酸组成的C-端肽（C-telopeptide）和由16个氨基酸组成的N-端肽（N-telopeptide）^[13]。

3.2 二级结构

α链是胶原特有的二级结构，即单条肽链形成的较伸展的左手螺旋构象，螺距为0.858 nm，每圈含3.33个氨基酸，每一氨基酸在螺旋轴线上的投影为0.286 nm。在这一构象中，所有肽键的羰基C=O均垂直于螺旋轴向外伸展，故不能在链内形成氢键，而是依靠肽链之间的氢键维持构象稳定，这一点与β-折叠相似^[14]。

3.3 三级结构

胶原的三级结构是由3条α链相互缠绕形成的右手复合螺旋，称为三股螺旋（triple helix）。其长度约为300 nm，直径约为1.6 nm，螺距为2.86 nm，每圈含10个氨基酸残基。

3.4 从原胶原到原纤维

“Smith Model”指出，平行排列的原胶原不是齐头齐尾，而是错开一定距离；处于同一轴线上的前后两条胶原分子首尾并不相接，而是空出一段间隙。该模型被称为原胶原的“1/4错列”排列模型。

原胶原按照“1/4错列”轴向排列方式形成的长链称初原纤维（protofibril），再由五股初原纤维形成右手螺旋微原纤维（microfibril），后者按多层同心圆排列构成原纤维（fibril）^[15]。

4.1 胶原的热稳定性

胶原的分子空间结构与环境温度密切相关。当环境温度较高时，胶原三股螺旋结构间的氢键发生断裂，形成不规则的线性单链，进而出现胶原水溶液粘度下降、沉降速度增加等理化性质的变化，此时的环境温度称为胶原的热变性温度（T_d）^[16]，通常为38~40℃。

4.2 胶原的凝胶性

凝胶化作用是胶原的重要性质，其形成的凝胶具有易溶性、热可逆性、表面特性（包括乳化性和起泡性）等多功能特性。

4.3 胶原的聚集性

溶液中的胶原在中性、室温条件下能够发生聚集形成纤维，聚集状态主要与胶原肽链侧基间的疏水作用和肽链间的氢键作用有关。通常胶原的聚集过程分为起始阶段和生长阶段：在起始阶段，溶液未出现浊度现象，胶原仅出现少部分聚集；在生长阶段，溶液浊度呈S形增加，溶液中的胶原聚集体逐渐出现。

4.4 胶原与电离试剂的作用

绝干状态下的胶原质地硬而发脆，相对密度为1.4，略显碱性，常规状态下不溶于冷水或稀释的酸碱溶液。

由于胶原肽链兼具多种酸性或碱性的侧基，这些侧基都具有给质子或接受质子的能力，在一定的pH条件下能解离产生正、负两种电荷，因而胶原是一种两性电解质，其等电点（分子不带电荷时的pH值）为7.5~7.8。在部分化学试剂的刺激下，胶原的结构性能和空间构象会产生相应的化学或物理变化，根据化学试剂电离性质的差异可做如下划分：

酸、碱对胶原的作用

酸或碱与胶原肽链上的反应性基团结合后，胶原分子间及肽链间的部分氢键和共价交联键将断开，引起胶原纤维的膨胀。强酸、强碱长时间处理胶原会使其因分子间交联键破坏、肽键水解而溶解，这种变化称为胶解^[8]。据统计，一般每克干胶原的酸容量为0.82~0.9 mmol，碱容量为0.4~0.5 mmol。

盐对胶原的作用

按照盐对胶原的不同作用，可以把盐分为三类：

（1）使胶原极度膨胀的盐类，如碘化物、钙盐、锂盐和镁盐等，膨胀作用使纤维缩短、变粗并引起胶原的变性；

（2）低浓度时有轻微的膨胀作用，高浓度时引起脱水的盐类，如氯化钠；

（3）使胶原脱水的盐，如硫酸盐、碳酸盐等。

4.5 胶原的生物医学性质

胶原是一种生物大分子，种类繁多、含量丰富且可再生，其独特的结构与化学组成使它具有众多独特的生物医学性质和功能^[17]：

（1）生物可降解性：不同于其他蛋白质，胶原的三股螺旋结构十分紧密，不与一般的蛋白酶直接发生特异性反应，而是先被特有的胶原水解酶（Collagenase）在生理pH和温度条件下水解为三股螺旋，再经普通蛋白酶作用后断裂为可以被机体吸收的小分子以及短肽^[18]，这些小分子物质可以通过血液循环系统重新被机体利用或者通过代谢系统被排出体外。

（2）生物相容性：外植入胶原与宿主细胞及其他组织间能够进行良好的相互作用，其三股螺旋结构及交联后形成的互穿网络能够对细胞骨架进行支撑，可以有效地模拟细胞外基质，对于细胞的生长分化也有着很好的促进作用^[19]。

（3）组织修复性：胶原可以通过与血小板粘合、聚集形成血栓从而实现止血的功能^[20]。当血管内壁受损时，血小板会与裸露在血液中的胶原纤维发生吸附作用并凝聚成纤维蛋白和血栓，使血浆结块并止血。此外，胶原还作为一种结构蛋白参与伤口的愈合过程。胶原对纤维细胞有趋化反应，在伤口愈合过程中可以促进肉芽组织的形成，使创口愈合速度加快。

5.1 胶原的提取

由于在提供胶原的原料中通常含有杂蛋白、脂肪等杂质，因此需要在使用前对胶原进行提取并分离纯化。

通常胶原的提取方法有酸法、碱法、盐法和酶法四种。

酸法

酸法提取的原理是利用酸性环境破坏胶原结构间的离子键来扩展其纤维编织，使纤维充水膨胀，进而将胶原溶解在溶剂中，提取过程可以保留胶原特有的三股螺旋结构，并最大程度地将胶原溶解出来。常用的酸性溶剂主要有乙酸、乳酸和柠檬酸等。此法的优点是操作简便、所提取胶原性质稳定；缺点是提取时间长、提取效率低、对环境温度要求严格且产物酸味严重，因而一般与酶法配合使用^[21]。

碱法

碱法提取是利用碱性溶剂处理样品，再经过离心后获得碱溶性胶原，常用碱性试剂为氢氧化钠。碱法的胶原提取时间较短，但会破坏氨基酸中的巯基和羟基，并导致部分氨基酸体外消旋，产量较低且污染风险较大，因而通常不采用此法^[22]。

盐法

盐法提取胶原时，随着溶液中盐含量增加，盐溶性胶原会逐渐析出。常用的盐处理剂为氯化钠和氯化钾。由于胶原受盐效应的影响，会破坏其构象稳定性，因而盐法提取逐渐被淘汰^[23]。

酶法

酶法提取是利用胃蛋白酶处理胶原纤维。在酸性条件下胶原纤维会发生溶胀，胃蛋白酶能够破坏胶原端肽上的共价交联，并溶解不溶性的胶原，所得提取液内多数为胶原单体，只有少部分为蛋白低聚物。蛋白酶可以有效限制胶原的酶促降解，其作用位点位于胶原分子的末端，即使在切断端肽后三股螺旋主结构仍然能连接在一起^[24]。因此，利用酶法提取可以获得螺旋结构完整的胶原，产物的生物活性和提取率较高，是当前胶原提取的主流方法。

胶原不溶于冷水，但是在热水中胶原的溶解度明显提高。热水抽提法是指在一定条件下，通过热水抽提处理原料从而得到水溶性胶原的方法，用该法提取的胶原一般称为明胶（gelatin）。

5.2 胶原的分离纯化

胶原在粗提过程中，部分三股螺旋结构遭到被坏，产物中可能混有与胶原有特异亲和性的酸性糖蛋白和蛋白聚糖等杂质，因此需要对提取后的胶原进行精细的分离纯化。

目前胶原的纯化方法主要包含区域析出色谱、生物亲和色谱、凝胶过滤色谱、离子交换色谱和高效液相色谱。

近年来，随着胶原提取技术的不断发展以及人们对其性质、结构等方面的深入研究，胶原的应用研究成为了一个热点。目前，有关胶原的应用遍及各个领域，包括皮革、医学、食品、化妆品、饲料和造纸等。

6.1 皮革领域

人类应用胶原的最早实例是对皮革的加工和使用。实质上，皮革可看作胶原通过层层自组装而形成的多层级纤维编织网络。制革的第一步就是去除动物皮上对制革无用之物（如毛、表皮、脂肪、非胶原蛋白质等），而仅保留胶原的加工过程。

6.2 医学领域

胶原是肌体自然蛋白，具有粘弹性，独特的结构能够保护和支撑人体组织与骨骼张力强度，因此可作为医用材料应用于骨科、整形外科、皮肤科、心血管外科、神经外科、牙科及眼科等医学科室中^[25]。

由于胶原是机体内多种组织的主要组成成分，可为表皮细胞的迁移与增殖铺垫支架，同时保证营养的供给。因其具有独特的皮肤修复功能，治疗烧伤或创伤时，胶原的使用有利于表皮细胞的增殖修复，从而促进创面的愈合。

胶原含有极为丰富的羟脯氨酸和羟赖氨酸，与人体内的钙含量有紧密联系，包括两个方面^[26]：

（1）胶原的羟脯氨酸是将血浆中的钙运送到骨细胞的运载工具；

（2）骨组织中的胶原是羟基磷酸钙的粘合剂，羟基磷酸钙与骨胶原构成了骨骼的主体。

6.3 食品领域

食用级胶原具有口感柔和，亲水性强，易消化等优点，诸多名贵食材如鱼翅、燕窝和阿胶等的主要成分均为胶原。但需注意的是，胶原中不含必需氨基酸中的色氨酸，从营养学角度来说是不完全蛋白质，其生理活性及保健功能存在争议，有待进一步研究。胶原具有较高的粘度和乳化性，除了直接作为食品外，还可作为食品添加剂、食品加工辅助剂或作为开发新型食品的原料，例如作为乳化剂、稳定剂和胶冻剂等用于改善乳品、果酒和饮料等食品的品质和口感^[27]。

6.4 化妆品领域

胶原的化学组成、结构使其美容作用是大部分胶原类化妆品的主要功效，具体表现为保湿、防皱和修复等作用。胶原分子的氨基酸残基含有氨基、羧基和羟基等亲水基团，具有一定的吸湿和保湿性，以及与肌肤良好的相容性，将其作为活性物质用于化妆品时，胶原有助于角质层保持水分，促进皮肤组织的新陈代谢，对皮肤具有良好的滋润保湿和消皱美容作用^[1][28][29]。

胶原基材料通常需要根据产品性能需求选择合适的方法进行改性，其改性方法主要分为化学改性和共混改性。

7.1 化学改性

胶原的化学改性主要分为交联法和接枝共聚法。

交联法

交联^[30]是指胶原分子内或分子间通过共价键结合实现提高张力和稳定性的改性方法，主要涉及赖氨酸、羟赖氨酸和组氨酸等残基。其中分子内交联是指在同一个胶原螺旋内肽链之间形成的交联键，主要影响胶原的变性温度和机械性能；分子间交联则是在相邻胶原螺旋间的肽链中形成的交联键，主要影响胶原的溶胀性和延伸性。

胶原的交联法可分为物理交联法和化学交联法。物理交联法主要采用紫外线照射或热传递的方式，能够避免引入外源性物质，产物无细胞毒性，但其交联度较低，且通常伴随材料的变性和其他不明确的反应。化学交联法则能够使胶原的耐热性能、机械强度、变性温度和耐水解性得到提高，同时降低胶原的自然降解速率和遇水膨胀度。目前主要的胶原交联剂有醛类、异氰酸盐类、环氧化合物和金属络合物。

接枝共聚法

接枝共聚法^[31]的特点在于将两种不相容的大分子通过化学键相连，使其兼具两种物质的综合性能。目前，根据胶原接枝共聚所用单体的种类，主要有乙烯基聚合物改性和聚氨酯改性。

乙烯基化合物既能发生均聚反应，又能与胶原发生共聚反应，主要反应原理为：引发剂形成初级自由基，引发乙烯基类形成均聚物自由基，胶原肽链也可被由初级自由基引发形成胶原肽链自由基，两者结合形成接枝共聚物。可用于胶原接枝共聚改性的乙烯基单体有丙烯酸、丙烯腈、丙烯酸甲酯和丙烯酰胺等。

聚氨酯改性是利用胶原肽链上的胺基、羧基和亚胺基等与聚氨酯的异氰酸酯基反应，所得产物柔软有弹性，对水分有一定的吸收能力，并且可以克服胶原成膜时的硬脆特点。

7.2 共混改性

在不与胶原发生反应的前提下，部分化合物能与胶原混合组成多元体系，改变胶原体系原有的化学组成和结构，以达到共混改性的目的。目前，胶原共混改性所用到的化合物主要有乙二醇、尿素、和甘油等低分子化合物，以及聚乙烯醇、纤维素和多糖类高分子化合物^[32]。

随着对胶原的深入研究和深层认识，使追求生活质量、追求美与健康的现代人对胶原食品青睐有加，胶原将成为一种多功能、低热量的健康食品逐渐被人们普遍接受，成为人们饮食结构中的重要成分。不同类型胶原的不同功效将被更为广泛地应用于减肥和美容、外部皮肤溃疡、关节炎、骨质疏松症甚至预防和治疗癌症等方面，其保健与治疗的双重功效使其具有光明的发展前途。