1、知 识 介 绍皮 革 固 体 废 弃 物 的 高 值 转 化穆 畅 道 1 林 炜 2 ,3 王 坤 余 3 潘 志 成 3 张 铭 让 3 3(1 四 川 大 学 基 础 医 学 院 成 都 610065)(2 中 国 科 学 技 术 大 学 化 学 物 理 系 选 键 化 学 开 放 研 究 实 验 室 合 肥 230026)(3 四 川 大 学 皮 革 化 学 与 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 成 都 610065)穆 畅 道 男 ,31 岁 ,博 士 ,现 从 事 生 物 医 学 材 料 研 究 。 3 联 系 人国 家 自 然 科 学 基 金 (29877017)和 科 技
2、 部 攀 登 计 划 特 别 支 持 费 (国 科 基 字 1999 045 号 )资 助 项 目2000209204 收 稿 ,2001204225 修 回摘 要 传 统 的 制 革 工 业 在 生 产 过 程 中 要 产 生 原 皮 重 60 %以 上 的 固 体 废 弃 物 。 由 于 没 有 充 分 利用 ,成 为 造 成 制 革 工 业 污 染 严 重 的 重 要 原 因 之 一 。 随 着 资 源 、 环 境 等 全 球 性 生 态 问 题 的 日 益 严 峻 ,制 革废 弃 物 的 资 源 化 ,特 别 是 高 值 转 化 ,已 成 为 国 内 外 关 注 的 重 要 课 题 。
3、 本 文 对 作 为 天 然 的 生 物 质 资 源 的 胶原 适 用 于 食 品 、 医 药 和 化 妆 品 的 属 性 及 其 应 用 以 及 从 制 革 皮 边 角 废 弃 物 中 提 取 胶 原 的 方 法 作 了 简 要 论 述 。关 键 词 皮 革 固 体 废 弃 物 胶 原 食 品 医 药 化 妆 品 高 值 转 化Abstract Over 60 % of raw hides are generated in the form of solid waste during traditional leather processing ,which consists largely
4、 of collagen protein. However ,due to insufficient utilization ,it becomes one of the main factorsresulting in leather2making pollution. With the global ecological problems ,such as resource and environment ,becomingincreasingly serious ,the conversion of solid leather waste to reusable ,especially
5、high additional2value products , hasbeen an attractive subject of home and abroad nowadays. As a kind of natural biomass ,collagen plays more and moreimportant roles in the food ,medicine and cosmetics industry.The main properties of collagen are not only a nutrient protein ,but also having activati
6、on of the coagulation ofblood , role in cellular growth , and its biocompatibility and biodegradability. Some methods of extracting collagenproducts from leather offal and its application in food ,medical and cosmetic industry were reviewed briefly in thispaper.Key words Leather solid waste , Collag
7、en , Food , Medicine , Cosmetic , High2value transformation制 革 工 业 是 以 动 物 质 资 源 的 高 投 入 、 低 产 出 为 特 征 的 传 统 工 业 。 据 统 计 ,1t 盐 湿 皮 仅 制 造 出200kg 的 成 品 革 (约 占 原 料 皮 重 的 20 %) ,却 要 产 生 600kg 以 上 的 固 体 废 物 (超 过 原 皮 重 的 60 %) 1 。这 些 固 体 废 物 中 除 了 有 少 量 的 毛 发 、 肉 渣 等 非 胶 原 蛋 白 以 外 ,大 部 分 是 原 皮 修 边 角 料 、 灰
8、 皮 片 削 皮屑 等 不 含 铬 胶 原 和 兰 皮 削 匀 、 修 边 等 产 生 的 含 铬 胶 原 废 弃 物 。 据 报 道 ,印 度 每 年 产 生 15 万 吨 的 固体 废 物 2 ;美 国 每 年 仅 产 生 的 含 铬 废 弃 物 就 达 6 万 吨 3 ;我 国 每 年 约 产 生 140 多 万 吨 的 皮 革 边 角 废弃 物 (包 括 含 铬 皮 革 废 弃 物 ) 。 这 些 固 体 废 弃 物 是 造 成 皮 革 工 业 污 染 严 重 的 重 要 因 素 之 一 。 80 年代 以 来 ,由 于 发 达 国 家 日 益 严 格 的 环 保 法 规 的 限 制
9、和 可 用 于 填 埋 固 体 废 弃 物 的 地 点 的 减 少 ,以 及 污染 治 理 费 用 昂 贵 等 原 因 ,一 方 面 ,发 达 国 家 将 其 污 染 性 工 业 向 发 展 中 国 家 转 移 4 ;另 一 方 面 ,也 积 极开 展 制 革 固 体 废 弃 物 回 收 利 用 的 研 究 和 应 用 。 特 别 是 90 年 代 以 来 ,随 着 资 源 、 环 境 等 全 球 性 生 态问 题 的 日 益 严 峻 ,皮 革 工 业 的 发 展 正 面 临 着 “ 可 持 续 发 展 ” 战 略 的 挑 战 5 。 因 此 ,制 革 废 弃 物 资 源 化92http :P
10、Pchina. chemistrymag. org 化 学 通 报 2002 年 第 1 期现 已 成 为 国 内 外 关 注 的 重 要 课 题 。关 于 制 革 废 弃 物 的 回 收 利 用 已 有 相 当 久 的 历 史 ,但 在 过 去 它 并 没 有 引 起 业 内 外 人 士 的 普 遍 重视 。 近 20 年 来 ,随 着 分 子 生 物 学 的 发 展 ,人 们 对 胶 原 性 质 的 认 识 更 加 深 入 ,其 应 用 领 域 也 更 为 广泛 ;因 此 ,制 革 固 体 废 弃 物 的 资 源 化 也 不 再 仅 仅 是 利 用 废 弃 皮 屑 生 产 再 生 革 等
11、低 附 加 值 的 产 品 ,而是 被 赋 予 了 新 的 内 容 ,即 力 求 高 值 转 化 。 由 于 胶 原 是 构 成 动 物 机 体 的 重 要 功 能 物 质 及 它 具 有 其 它合 成 高 分 子 材 料 无 可 比 拟 的 生 物 相 容 性 和 生 物 降 解 性 6 ,因 此 ,胶 原 作 为 天 然 的 生 物 质 资 源 ,在 食品 、 医 药 、 化 妆 品 、 饲 料 、 肥 料 等 工 业 中 应 用 的 重 要 性 和 经 济 地 位 正 日 益 突 出 。 我 国 是 制 革 大 国 ,特别 是 由 于 我 国 具 有 丰 富 的 原 料 皮 资 源 、
12、廉 价 的 劳 动 力 和 先 进 的 制 革 技 术 等 优 势 ,现 在 已 经 发 展 成 为世 界 皮 革 的 加 工 中 心 和 商 贸 中 心 。 这 虽 然 为 我 国 出 口 创 汇 提 供 了 机 遇 (1996 1998 年 出 口 创 汇 均为 100 亿 美 元 左 右 ) ,但 同 时 也 带 来 了 严 重 的 制 革 污 染 。 据 不 完 全 统 计 ,我 国 每 年 加 工 猪 、 牛 、 羊 等皮 革 约 110 亿 张 (折 合 成 标 准 张 ) ,产 生 的 皮 革 边 角 皮 屑 废 物 量 巨 大 。 因 此 ,充 分 利 用 皮 革 资 源 ,使
13、制 革 固 体 废 弃 物 资 源 化 ,而 不 以 牺 牲 环 境 为 代 价 换 取 暂 时 的 经 济 发 展 ,成 为 我 国 皮 革 产 业 发 展 面 临的 严 峻 挑 战 和 必 然 选 择 。1 胶 原 在 食 品 工 业 中 的 应 用111 食 用 胶 原 的 来 源胶 原 是 构 成 动 物 机 体 ,如 皮 、 骨 、 腱 及 其 它 结 缔 组 织 的 重 要 功 能 蛋 白 质 。 据 估 计 ,自 然 界 从 低 等的 无 脊 椎 动 物 到 高 等 的 哺 乳 动 物 ,总 共 大 约 有 500 亿 吨 以 上 的 胶 原 7 。 在 已 经 证 实 的 12
14、 种 胶 原 8 中 , 型 胶 原 是 最 丰 富 的 胶 原 ,因 此 ,也 是 研 究 与 应 用 开 发 中 最 感 兴 趣 的 胶 原 。 由 于 胶 原 作 为 自 然界 可 再 生 的 资 源 ,来 源 丰 富 ,加 上 人 们 对 绿 色 食 品 、 回 归 自 然 的 向 往 ,所 以 ,胶 原 在 食 品 中 的 应 用 越来 越 广 泛 。食 用 胶 原 一 般 来 源 于 动 物 皮 的 真 皮 层 、 肌 腱 和 骨 胶 原 。 可 见 ,皮 胶 原 是 主 要 的 食 用 胶 原 。 值 得注 意 的 是 ,制 革 业 本 来 是 肉 食 工 业 的 副 产 业 ,
15、它 是 把 动 物 皮 加 工 成 具 有 实 用 价 值 的 革 的 工 业 ,在 生产 过 程 中 不 可 避 免 地 产 生 大 量 的 修 边 、 削 匀 皮 屑 和 残 次 二 层 皮 料 。 在 美 国 ,牛 皮 灰 皮 碎 料 已 经 成 为食 用 级 胶 原 的 主 要 来 源 ,大 约 牛 皮 产 量 的 10 % (二 层 灰 皮 或 皮 屑 ) 用 于 该 产 品 的 生 产 。 而 且 现 在AES ,ERRC(美 国 东 部 农 业 研 究 中 心 ) 又 在 进 行 从 含 铬 废 弃 物 中 提 取 工 业 用 胶 原 的 研 究 9 ,10 。 我 国目 前 仅
16、 利 用 了 部 分 灰 皮 下 脚 料 用 于 提 取 明 胶 ,由 于 传 统 工 艺 的 生 产 周 期 长 ,得 率 较 低 ,附 加 值 不 高 。而 且 受 胶 原 在 食 品 中 应 用 的 基 础 研 究 的 限 制 和 公 众 消 费 习 惯 的 影 响 ,还 没 有 开 发 在 食 品 中 的 应 用 。只 有 少 量 明 胶 厂 利 用 废 弃 物 提 取 食 用 明 胶 。112 胶 原 适 用 于 食 品 的 一 些 属 性食 用 级 胶 原 通 常 外 观 为 白 色 ,口 感 柔 和 、 味 道 清 淡 ,易 消 化 。 此 外 ,胶 原 的 一 些 独 特 的
17、品 质 ,使得 它 在 许 多 食 品 中 用 作 功 能 物 质 和 营 养 成 分 ,具 有 其 它 替 代 材 料 不 可 比 拟 的 优 越 性 :(1)胶 原 大 分 子 的 螺 旋 结 构 和 存 在 结 晶 区 ,使 其 具 有 一 定 的 热 稳 定 性 ;(2)胶 原 天 然 的 紧 密 的 纤 维 结 构 ,使 胶 原 材 料 显 示 出 很 强 的 韧 性 和 强 度 ,适 用 于 薄 膜 材 料 的 制 备 ;(3)胶 原 大 量 用 作 制 造 肠 衣 等 可 食 用 包 装 材 料 的 独 特 之 处 是 :在 热 处 理 过 程 中 ,随 着 水 分 和 油脂 的
18、 蒸 发 和 熔 化 ,胶 原 几 乎 与 肉 食 的 收 缩 率 一 致 。 而 其 它 的 可 食 用 包 装 材 料 还 没 被 发 现 具 有 这 些品 质 ;(4)由 于 胶 原 分 子 链 上 含 有 大 量 的 亲 水 基 团 ,所 以 与 水 结 合 的 能 力 很 强 ,这 一 性 质 使 胶 原 在 食品 中 可 以 用 作 填 充 剂 和 凝 胶 ;(5)胶 原 在 酸 性 和 碱 性 介 质 中 膨 胀 ,这 一 性 质 也 应 用 于 制 备 胶 原 基 材 料 的 处 理 工 艺 中 。03 化 学 通 报 2002 年 第 1 期 http :PPwww. che
19、mistrymag. org另 外 一 些 来 自 于 食 品 科 学 的 研 究 11 表 明 :用 胶 原 膜 包 装 肉 食 具 有 抗 氧 化 作 用 ;在 保 鲜 冷 藏 和冰 冻 保 存 的 解 冻 过 程 能 减 少 汁 液 的 流 出 。113 皮 胶 原 的 提 取 及 其 在 食 品 中 的 应 用利 用 制 革 废 弃 物 制 备 食 用 明 胶 多 以 未 鞣 制 的 灰 皮 下 脚 料 为 原 料 。 目 前 技 术 成 熟 ,已 经 实 际 应用 的 主 要 是 制 造 可 食 用 的 胶 原 包 装 材 料 ,如 胶 原 肠 衣 、 火 腿 和 冻 肉 的 包 装
20、 膜 ,另 外 也 有 作 快 餐 的 猪皮 爆 花 食 品 12 、 宠 物 的 咀 嚼 物 13 、 液 体 营 养 蛋 白 14 等 的 报 道 。 此 外 ,胶 原 在 食 品 工 业 的 其 它 领 域还 有 潜 在 的 应 用 可 能 。11311 用 灰 皮 下 脚 料 制 造 肠 衣 国 内 熟 肉 行 业 使 用 的 肠 衣 ,一 部 分 是 天 然 肠 衣 ,而 大 部 分 是 塑 料薄 膜 等 代 用 品 。 这 些 代 用 品 都 不 能 食 用 ;而 且 塑 料 肠 衣 不 耐 水 煮 、 油 炸 和 熏 烤 。 以 皮 胶 原 为 主 要 成分 的 胶 原 膜 肠
21、衣 恰 好 可 以 弥 补 塑 料 肠 衣 的 缺 点 ,而 且 胶 原 本 身 是 营 养 丰 富 的 高 蛋 白 食 品 ,所 以 用 胶原 膜 包 装 肉 食 品 在 美 国 、 日 本 等 发 达 国 家 已 经 普 遍 使 用 。Covington15 介 绍 了 一 种 利 用 制 革 浸 灰 皮 屑 制 造 胶 原 肠 衣 的 方 法 ,工 艺 流 程 如 下 :灰 皮 碎 料 水洗 硫 酸 铵 脱 钙 浸 酸 (柠 檬 酸 钠 P柠 檬 酸 缓 冲 液 ) 粉 碎 成 稀 浆 与 盐 酸 和 醋 酸 纤 维 混 合 胶 原凝 胶 膨 胀 过 滤 在 氨 气 中 挤 压 成 型
22、胶 原 肠 衣 水 洗 去 除 铵 盐 干 燥 喷 植 物 油 热 处 理 回湿 产 品 包 装 。 这 里 使 用 的 化 学 品 均 为 食 品 级 。Stahlberger 等 16 申 请 了 利 用 含 氨 基 ( NH2 )和 亚 氨 基 ( NH) 的 化 合 物 ,如 废 弃 皮 屑 ,与 乙 二 醛反 应 制 备 胶 原 膜 材 料 的 专 利 ,这 种 膜 材 料 可 以 用 作 肠 衣 。国 内 也 有 用 制 革 厂 下 脚 料 制 造 胶 原 肠 衣 的 介 绍 。 寇 柏 权 17 研 究 了 用 灰 皮 皮 屑 为 原 料 ,经 水洗 、 脱 灰 、 切 碎 、
23、然 后 研 磨 成 胶 原 浆 ,再 加 入 稀 乳 酸 酸 解 (pH 215 217) 得 到 胶 原 浆 液 ,滤 除 杂 质 后 ,用 挤 压 模 具 制 成 胶 原 肠 衣 ,最 后 将 此 肠 衣 固 定 (用 铝 与 柠 檬 酸 形 成 的 络 合 物 ) 、 增 塑 、 中 和 、 干 燥 为 成品 的 方 法 。 但 是 如 果 用 作 可 食 用 的 肠 衣 ,就 要 考 虑 铝 盐 的 含 量 和 增 塑 剂 的 种 类 ,它 们 必 须 符 合 食 品标 准 ,不 能 对 人 体 有 害 。 高 世 理 18 介 绍 了 未 鞣 制 皮 屑 用 石 灰 乳 浸 泡 30
24、 40 天 ,然 后 水 洗 、 用 乳 酸 浸酸 (pH 210 215) ,将 此 酸 性 胶 原 用 绞 肉 机 绞 成 浆 状 ,再 通 过 成 型 装 置 成 型 ,最 后 在 固 定 液 中 固 定 ,干 燥 得 成 品 。 这 种 方 法 从 工 艺 上 看 ,生 产 周 期 过 长 。11312 胶 原 包 装 材 料 Gray19 申 请 了 使 用 食 用 胶 原 膜 包 装 肉 食 品 的 方 法 和 设 备 ;Boni 等 20 申 请 了制 备 用 胶 原 包 裹 的 香 肠 的 方 法 。 Farouk 等 21 的 研 究 认 为 ,使 用 食 用 明 胶 膜 包
25、 装 的 牛 排 ,比 未 包 装 或真 空 包 装 的 牛 排 ,汁 液 的 流 出 量 减 少 ,而 且 牛 排 的 颜 色 保 持 鲜 亮 。11313 胶 原 作 为 食 品 添 加 剂 Meullenet 等 22 研 究 了 在 鸡 肉 膜 肠 中 添 加 胶 原 对 其 质 地 (如 强 度 、 弹性 和 汁 液 量 等 )和 口 感 的 影 响 ,结 果 认 为 ,胶 原 的 添 加 量 为 2 %、 水 的 添 加 量 为 20 %左 右 时 ,腊 肠 的感 观 、 质 地 和 口 感 最 好 。 Graves 等 23 的 研 究 认 为 ,牛 肉 馅 饼 中 添 加 2
26、%的 胶 原 和 8 %的 水 得 到 的 低脂 馅 饼 (9 %的 脂 肪 )与 含 脂 18 %的 馅 饼 一 样 可 口 ,而 且 质 地 更 好 。 这 可 能 为 低 脂 产 品 的 生 产 提 供了 一 种 方 法 。 此 外 ,胶 原 可 以 添 加 于 饮 料 24 中 作 为 营 养 强 化 剂 ,还 可 用 于 烘 烤 食 品 25 等 。11314 用 含 铬 下 脚 料 制 造 食 用 胶 原 Cot 等 26 基 于 在 碱 性 介 质 中 Cr ( )被 H2O2 氧 化 为 Cr ( ) 的原 理 ,采 用 酸 2碱 2氧 化 交 替 的 方 法 ,从 含 铬 废
27、 弃 物 中 脱 去 铬 ,分 离 出 铬 含 量 为 115 10- 7 ppb 的 白 色胶 原 ,而 且 保 持 了 胶 原 分 子 的 结 构 ,从 而 使 得 它 能 用 于 制 备 重 组 胶 原 、 明 胶 和 凝 胶 等 产 品 。 胶 原 蛋白 中 残 留 的 铬 含 量 是 决 定 其 最 终 用 途 的 关 键 ,用 于 食 品 工 业 的 胶 原 ,其 铬 含 量 必 须 低 于 10- 5 。Taylor 等 研 究 了 用 碱 性 蛋 白 酶 水 解 牛 皮 含 铬 废 弃 物 ,得 到 明 胶 、 胶 原 水 解 产 物 和 铬 的 一 步 法 和两 步 法 工
28、艺 9 ,10 ;最 近 ,又 有 利 用 绵 羊 皮 含 铬 废 弃 物 分 离 明 胶 、 胶 原 水 解 物 和 铬 的 报 道 27 。11315 胶 原 潜 在 的 新 应 用 28 胶 原 的 分 散 性 使 它 可 以 代 替 传 统 的 鱼 胶 作 为 啤 酒 和 白 酒 的 澄 清 剂 ;利 用 胶 原 的 成 膜 性 可 将 其 用 作 固 化 酶 的 膜 材 料 和 肉 食 品 标 签 ,其 中 后 者 已 经 在 欧 洲 实 际 应 用 。13http :PPchina. chemistrymag. org 化 学 通 报 2002 年 第 1 期114 胶 原 在 我
29、 国 食 品 工 业 中 应 用 的 前 景国 外 关 于 胶 原 在 食 品 工 业 中 应 用 的 研 究 较 多 ,有 些 已 经 得 到 实 际 应 用 ,如 肠 衣 等 胶 原 膜 包 装 材料 。 在 日 本 ,胶 原 食 品 被 作 为 “ 健 康 食 品 ” 受 到 消 费 者 欢 迎 。 而 我 国 虽 有 这 方 面 的 研 究 报 道 ,但 还 没有 产 业 化 。 其 原 因 ,一 方 面 是 受 消 费 习 惯 的 影 响 ,例 如 肠 衣 ,我 国 大 部 分 地 区 是 以 猪 肉 食 品 为 主 ,所以 天 然 肠 衣 较 多 ,胶 原 肠 衣 的 需 求 量
30、相 对 国 外 较 少 ;更 重 要 的 是 ,我 国 在 胶 原 利 用 方 面 的 基 础 研 究和 应 用 研 究 进 行 得 还 不 够 细 致 深 入 ,胶 原 食 品 的 优 越 性 还 没 有 得 到 消 费 者 的 充 分 认 识 ,从 而 限 制 了胶 原 食 品 的 深 度 加 工 和 市 场 对 这 类 产 品 的 需 求 。 但 是 ,随 着 人 们 生 活 水 平 的 提 高 ,以 及 国 内 在 这 一领 域 科 研 的 深 入 和 食 品 加 工 技 术 的 发 展 ,低 脂 高 蛋 白 的 胶 原 食 品 会 越 来 越 得 到 消 费 者 的 青 睐 。作 者
31、 经 深 入 研 究 ,已 经 开 发 出 符 合 国 家 食 品 卫 生 标 准 的 胶 原 蛋 白 产 品 ,并 在 此 基 础 上 建 立 了 中试 基 地 ;现 正 着 手 研 究 和 开 发 胶 原 在 食 品 中 的 新 用 途 。2 胶 原 在 医 药 和 化 妆 品 工 业 中 的 应 用211 胶 原 适 用 于 生 物 材 料 的 性 质胶 原 是 一 种 具 有 生 物 功 能 的 蛋 白 质 ,占 人 体 蛋 白 质 总 量 的 1P3 ,是 构 成 皮 肤 、 骨 、 腱 等 结 缔 组 织的 主 要 成 分 。 胶 原 具 有 的 重 要 生 物 学 性 质 力 学
32、 性 能 高 、 促 进 细 胞 生 长 、 止 血 、 生 物 相 容 性 和 生物 降 解 性 ,多 年 来 一 直 促 使 许 多 研 究 者 设 想 制 备 胶 原 基 生 物 材 料 。 然 而 直 到 近 20 年 ,随 着 胶 原 化学 的 发 展 ,人 们 对 胶 原 的 结 构 和 性 质 有 了 更 为 清 楚 的 认 识 ,这 种 设 想 才 得 以 变 为 现 实 。 现 在 ,胶 原在 医 学 材 料 中 的 应 用 展 示 出 令 人 鼓 舞 的 发 展 前 景 。图 1 胶 原 促 进 血 液 凝 聚 的 原 理Fig. 1 Mechanism of the ac
33、tivation of thecoagulation of blood by collagen21111 胶 原 的 力 学 性 能 胶 原 的 力 学 性 能 主 要 由 它 的 化 学 组 成 、 交 联 和 螺 旋 结 构 所 决 定 。 胶 原 的肽 键 非 常 牢 固 ,要 想 得 到 所 有 游 离 的 氨 基 酸 ,必 须 使 胶 原 在 105 、 6molPL HCl 中 水 解 24h。 胶 原 的交 联 键 是 由 赖 氨 酸 或 羟 赖 氨 酸 的 氨 基 和 醛 基 ,在 赖 氨 酰 氧 化 酶 的 作 用 下 ,进 行 氧 化 脱 氨 反 应 形 成的 ,所 得 联
34、 赖 氨 酸 式 的 共 价 键 非 常 稳 定 。 天 然 胶 原 的 螺 旋 结 构 对 胶 原 高 强 度 的 力 学 性 能 起 重 要 作用 。 应 力 2应 变 实 验 表 明 ,天 然 胶 原 表 现 出 弹 性 态和 粘 弹 态 两 个 阶 段 的 力 学 行 为 ;而 变 性 胶 原 (没 有螺 旋 结 构 ) 仅 表 现 出 少 许 弹 性 态 性 质 ,其 断 裂 拉 力仅 为 天 然 胶 原 的 一 半 。 由 此 可 见 ,胶 原 的 天 然 结 构是 维 持 胶 原 力 学 性 能 的 关 键 。21112 止 血 性 能 胶 原 的 止 血 功 能 通 过 两 方
35、 面 发挥 作 用 :促 进 血 小 板 凝 聚 和 血 浆 结 块 。 胶 原 与 血 小板 之 间 的 作 用 机 理 还 未 完 全 清 楚 ,但 是 有 关 其 相 互作 用 的 许 多 现 象 已 经 得 到 证 实 。 胶 原 促 进 血 液 凝聚 的 过 程 见 图 11 。胶 原 使 血 小 板 凝 聚 的 能 力 似 乎 来 源 于 游 离 的氨 基 ,尤 其 是 赖 氨 酸 侧 链 氨 基 。 封 闭 胶 原 侧 链 羧基 ,不 会 造 成 凝 聚 能 力 的 明 显 下 降 ,不 过 却 减 弱 了胶 原 促 使 血 浆 结 块 的 作 用 。 所 以 ,胶 原 的 天
36、然 结 构尤 其 是 足 够 发 达 的 四 级 结 构 ,是 胶 原 具 有 凝 聚 能 力的 基 础 。 现 在 利 用 胶 原 的 这 一 性 质 ,已 经 有 了 商 品化 的 止 血 胶 原 海 绵 。21113 促 进 细 胞 生 长 胶 原 不 仅 对 细 胞 起 锚 定 和23 化 学 通 报 2002 年 第 1 期 http :PPwww. chemistrymag. org支 持 作 用 ,还 为 细 胞 的 生 长 提 供 适 宜 的 微 环 境 ,参 与 细 胞 的 迁 移 、 分 化 与 增 殖 等 行 为 。 实 验 表 明 ,细胞 在 胶 原 基 质 中 能 存
37、 活 得 更 久 。 另 外 ,成 纤 维 细 胞 (合 成 胶 原 的 细 胞 )依 赖 胶 原 基 质 来 迁 移 ,这 是 因为 胶 原 的 链 和 一 些 胶 原 水 解 多 肽 具 有 对 成 纤 维 细 胞 的 向 化 性 能 ,也 即 它 们 能 吸 引 成 纤 维 细 胞 ,分泌 促 进 伤 口 愈 合 的 物 质 。 这 种 现 象 可 以 从 一 个 侧 面 解 释 胶 原 在 伤 口 愈 合 中 的 作 用 。 抗 坏 血 酸 似 乎能 促 进 细 胞 生 长 ,其 实 质 是 抗 坏 血 酸 能 刺 激 胶 原 的 合 成 ,而 胶 原 在 细 胞 生 长 中 起 重
38、要 作 用 。 此 外 ,胶 原 促 进 伤 口 愈 合 的 原 因 还 有 29 : (1) 引 导 功 能 ,胶 原 纤 维 与 血 纤 蛋 白 功 能 一 样 ,能 引 导 成 纤 维 细胞 并 生 成 血 管 ; (2)成 核 作 用 ,胶 原 可 能 作 为 成 核 点 形 成 新 的 胶 原 纤 维 。21114 抗 原 性 胶 原 的 抗 原 性 相 当 低 ,在 1954 年 以 前 甚 至 认 为 胶 原 不 具 有 抗 原 性 。 最 近 的 研 究表 明 ,胶 原 有 三 种 类 型 的 抗 原 因 子 30 :第 一 类 是 由 胶 原 肽 链 非 螺 旋 的 端 肽
39、引 起 的 ;第 二 类 是 由 胶 原三 股 螺 旋 的 构 象 引 起 的 ;第 三 类 是 由 链 螺 旋 区 的 氨 基 酸 顺 序 引 起 的 。 第 二 类 抗 原 因 子 仅 存 在 于天 然 胶 原 分 子 中 ;第 三 类 只 出 现 在 变 性 胶 原 中 ;而 第 一 类 抗 原 因 子 在 天 然 和 变 性 胶 原 蛋 白 中 均 存 在 。但 是 ,胶 原 的 抗 原 性 非 常 低 ,Takeda 等 31 的 研 究 表 明 ,天 然 胶 原 即 使 作 注 射 试 剂 用 也 是 无 毒的 ,只 有 在 剂 量 过 大 时 才 会 产 生 免 疫 反 应 。
40、胶 原 的 抗 原 性 可 以 通 过 去 除 端 肽 或 使 胶 原 蛋 白 链 结 成网 状 结 构 来 抑 制 。 利 用 这 一 原 理 ,Luck 等 32 申 请 了 非 抗 原 胶 原 的 制 备 专 利 ,他 们 是 用 蛋 白 酶 处 理饲 养 动 物 的 胶 原 组 织 ,得 到 能 溶 于 稀 酸 的 胶 原 ;然 后 去 除 尾 肽 (telopeptide) ,得 到 不 具 有 免 疫 性 或 免疫 性 很 低 的 改 性 胶 原 (atelopeptide collagen) 。 进 一 步 处 理 ,将 这 种 胶 原 溶 液 在 轻 微 的 剪 切 力 的 作
41、 用下 ,从 溶 液 中 分 离 出 来 ,就 会 得 到 纤 维 状 的 沉 淀 (事 实 上 ,它 是 由 规 则 排 列 的 绳 状 胶 原 纤 维 构 成 ) 。形 成 的 聚 集 体 称 为 天 然 纤 维 的 微 聚 物 ,经 脱 盐 后 ,还 可 以 进 一 步 修 饰 ,如 引 入 交 联 使 纤 维 稳 定 。 这种 产 品 具 有 多 种 用 途 ,尤 其 适 合 应 用 于 生 物 移 植 等 医 用 材 料 。 另 外 ,用 糖 胺 聚 糖 处 理 也 起 到 这 样 的作 用 。值 得 强 调 的 是 使 用 非 变 性 胶 原 的 重 要 性 ,因 为 这 样 可
42、以 避 免 链 抗 原 因 子 造 成 的 胶 原 生 物 材料 的 抗 原 性 。21115 可 生 物 降 解 性 天 然 胶 原 紧 密 的 螺 旋 结 构 使 得 大 多 数 蛋 白 酶 只 能 打 断 胶 原 侧 链 ,削 弱 胶 原分 子 的 交 联 。 而 胶 原 肽 键 只 有 在 胶 原 酶 的 水 解 作 用 下 ,才 会 被 打 断 。 胶 原 肽 链 的 断 裂 随 即 造 成 螺旋 结 构 的 破 坏 ,这 样 胶 原 就 可 以 被 蛋 白 酶 彻 底 水 解 。胶 原 的 生 物 降 解 性 可 以 通 过 在 胶 原 分 子 侧 链 之 间 产 生 交 联 来
43、减 小 或 抑 制 。 鞣 制 就 是 起 到 这 样的 作 用 。 生 物 材 料 最 常 使 用 的 鞣 剂 是 戊 二 醛 ,其 优 点 是 无 毒 、 鞣 性 持 久 。 但 是 ,戊 二 醛 也 带 来 两 大缺 点 :它 是 细 胞 毒 素 ,并 对 生 物 材 料 产 生 钙 化 作 用 。 Coulet 等 33 研 究 了 胶 原 中 引 入 叠 氮 基 的 方 法 以弥 补 上 述 方 法 的 不 足 。 差 热 分 析 表 明 ,以 这 种 方 式 处 理 的 胶 原 ,其 变 性 温 度 比 天 然 胶 原 和 重 组 胶 原的 变 性 温 度 至 少 高 10 ,并
44、保 持 了 天 然 胶 原 的 结 构 。 因 此 胶 原 的 大 部 分 性 能 ,尤 其 是 力 学 性 能 保存 了 下 来 ,而 且 增 强 了 抵 抗 蛋 白 酶 作 用 的 能 力 。212 胶 原 的 应 用21211 胶 原 在 医 药 中 的 应 用 胶 原 在 医 药 工 业 中 有 多 种 应 用 形 式 ,根 据 临 床 要 求 的 不 同 ,对 胶 原进 行 相 应 的 加 工 处 理 ,制 备 成 胶 原 注 射 液 、 胶 原 止 血 粉 剂 、 以 及 纤 维 形 式 的 缝 合 材 料 和 心 脏 瓣 膜 修补 材 料 、 膜 形 式 的 外 科 敷 料 、
45、海 绵 形 式 的 皮 肤 移 植 材 料 、 以 管 状 形 式 的 血 管 、 食 管 和 气 管 等 的 替 代 材料 等 。 这 些 材 料 被 广 泛 应 用 于 创 伤 和 烧 伤 的 修 复 、 整 形 和 美 容 、 皮 肤 和 神 经 生 长 以 及 血 管 瓣 膜 手 术等 34 。 基 于 胶 原 很 高 的 抗 张 强 度 、 低 抗 原 性 、 止 血 作 用 、 与 其 它 介 质 融 合 而 能 被 机 体 自 身 的 酶 分 解的 特 点 ,胶 原 在 大 量 的 聚 合 物 中 被 选 用 作 移 植 材 料 ,如 人 造 皮 肤 。Yannas 等 35 报
46、 道 了 在 气 相 醛 介 质 中 胶 原 与 糖 胺 聚 糖 交 联 制 备 分 子 量 Mc 为 800 60000 的 胶 原2糖 胺 聚 糖 材 料 的 方 法 。 由 这 种 材 料 制 造 的 人 造 皮 肤 ,比 其 它 方 法 制 备 的 同 类 材 料 长 期 贮 存 更 稳 定 。33http :PPchina. chemistrymag. org 化 学 通 报 2002 年 第 1 期Davison36 申 请 了 一 种 使 用 二 胺 或 氨 基 乙 醇 盐 从 动 物 胶 原 组 织 中 提 取 胶 原 方 法 的 专 利 ,得 到 的胶 原 产 品 可 以 作
47、 为 细 胞 生 长 的 培 养 基 、 敷 伤 材 料 、 合 成 皮 肤 。 Kemp 等 37 申 请 了 应 用 胶 原 凝 胶 制 备组 织 替 代 物 的 专 利 。 把 人 的 表 皮 细 胞 放 置 在 收 缩 处 理 过 的 胶 原 凝 胶 上 ,供 应 营 养 成 分 使 之 生 长 ,可以 制 备 皮 肤 组 织 的 替 代 物 。 法 国 的 Alain Huc 及 其 研 究 中 心 的 工 作 者 1 ,在 胶 原 生 物 材 料 领 域 进 行了 10 余 年 的 研 究 ,申 请 了 几 项 专 利 ,开 发 了 一 些 产 品 ,如 :化 妆 品 工 业 和
48、人 造 皮 肤 用 的 胶 原 溶 液 、 胶原 膜 、 胶 原 管 、 止 血 海 绵 和 止 血 粉 剂 ,手 术 缝 合 线 、 细 胞 培 养 基 、 酶 或 其 它 大 分 子 的 支 持 物 等 。 其 中有 的 产 品 已 经 产 业 化 ,其 它 的 还 处 于 试 验 研 究 阶 段 。 日 本 的 冈 村 浩 等 38 也 提 出 了 从 制 革 灰 皮 边 角料 中 提 取 胶 原 蛋 白 ,用 于 制 备 医 药 品 (手 术 线 、 人 造 皮 肤 等 )和 化 妆 品 。此 外 ,胶 原 在 医 药 工 业 中 的 另 一 重 要 用 途 是 基 于 胶 原 微 囊
49、 包 封 的 药 物 输 送 系 统 。 微 囊 包 封 就是 把 细 小 颗 粒 独 立 包 裹 上 保 护 性 的 涂 层 。 涂 层 起 到 分 离 、 贮 存 和 运 输 的 作 用 ,以 使 被 包 裹 物 在 预 定的 条 件 下 释 放 出 来 ,从 而 起 到 控 制 或 缓 释 的 效 果 。 释 放 的 条 件 取 决 于 湿 度 、 pH、 化 学 结 合 作 用 ,释放 的 机 理 与 保 护 层 的 构 造 有 关 ,如 膜 的 滤 过 性 、 腐 蚀 、 破 裂 等 。 微 胶 囊 的 直 径 一 般 在 3 800 m 之间 ,核 的 重 量 占 10 % 90 %。 被 包 裹 的 核 材 料 种 类 很
