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膠原蛋白，是生物高分子，動物結締組織中的主要成分，也是哺乳動物體內含量最多、分布最廣的功能性蛋白，占蛋白質總量的25%～30%，某些生物體甚至高達80%以上。
由於氨基酸組成和交聯度等方面的差異，使得水產動物尤其是其加工廢棄物—皮、骨、鱗中所含有的豐富的膠原蛋白具有很多牲畜膠原蛋白所沒有的優點，另外來源于海洋動物的膠原蛋白在一些方面明顯優於陸生動物的膠原蛋白，比如具有低抗原性、低過敏性等特性。因此水產膠原蛋白可能逐步替代陸生動物膠原蛋白。
中文名: 膠原蛋白
外文名: collagen
簡稱 :膠原
一級學科: 材料學科
類型
Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅺ型。
分類
纖維膠原
基膜膠原
微纖維膠原
錨定膠原
六邊網狀膠原
非纖維膠原
跨膜膠原
理化性質
化學
一般是白色、透明的粉狀物，分子呈細長的棒狀，相對分子質量從約2kD至300kD不等。膠原蛋白具有很強的延伸力，不溶於冷水、稀酸、稀鹼溶液，具有良好的保水性和乳化性。膠原蛋白不易被一般的蛋白酶水解，但能被動物膠原酶斷裂，斷裂的碎片自動變性，可被普通蛋白酶水解。當環境pH低於中性時，膠原的變性溫度為40~41℃，當環境pH為酸性時，膠原的變性溫度為38~39℃。
膠原蛋白的熱變性溫度可以通過測定膠原蛋白溶液增比黏度的變化來確定。其方法是將膠原蛋白樣品溶於一定量的緩衝溶液中，並配製成一定濃度的溶液，然後用烏式黏度計測量溶液在一定溫度區間內保持一定時間後的增比黏度，以增比黏度對溫度作圖，當增比黏度變化50%時所對應的溫度即為熱變性溫度。熱變性溫度還可通過拉曼光譜和差示掃描量熱法等進行測定。有人測得鱸魚、鯽魚和鱅魚魚皮膠原蛋白的熱變性溫度分別為 25、27和30℃，它們的棲息水溫分別為 26～27、29 和32℃，亞氨基酸含量分別為17.2%、18.1%和 18.6%，與 3 種魚皮膠原的熱變性溫度相吻合Ⅱ型膠原和Ⅺ型膠原Ⅱ型膠原由三條α1肽鏈組成，即[α1(Ⅱ) ]3，富含羥賴氨酸，並且糖化率高，含糖量可達 4%，是軟骨中的主要膠原。另外，即使同一生物，皮和骨膠原蛋白的熱變形溫度也可能不一，像來自日本海鱸、鮐魚、大頭鯊和眼斑魨的皮膠原蛋白的變性溫度為25.0~26.5℃，而骨膠原蛋白的變性溫度則為29.5~30.0℃。附帶結論是骨膠原蛋白的變性溫度範圍整體上比皮膠原蛋白的變性溫度範圍要高。而且骨膠原蛋白和皮膠原蛋白在不同pH時的溶解度不同。這表明皮和骨膠原蛋白的分子特性和構型存在差異。
結構
一級結構是蛋白質分子中氨基酸以肽鍵連接的順序，每一種蛋白質分子，都有其特定的氨基酸組成和排列方式，由此就決定了不同的空間結構和功能。蛋白質分子中一級結構關鍵部位氨基酸的改變，會直接影響其功能，這個關鍵部位就是蛋白質分子的活性中心。已發現並確認了不下30種類型的膠原蛋白。
膠原蛋白中甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、脯氨酸（Pro）和穀氨酸（Glu）含量較高，特別是甘氨酸，約占總氨基酸的27%，也有報道說占1/3，即每隔兩個其它氨基酸殘基（X，Y）即有一個甘氨酸，故其肽鏈可用（Gly-X-Y）n 來表示。每個原膠原分子由三條α-肽鏈組成，α-肽鏈自身為α螺旋結構，肽鏈中每三個氨基酸殘基中就有一個要經過此三股螺旋中央區，而此處空間十分狹窄，只有甘氨酸適合於此位置，由此可解釋其氨基酸組成中每隔兩個氨基酸殘基出現一個甘氨酸的特點。特別注意，X、Y均表示任意的氨基酸，只不過X通常是脯氨酸，Y通常指羥脯氨酸。同時還含有少量3-羥脯氨酸（3-hydroxyproline）和5-羥賴氨酸（5-hydroxylysine，Hyl）。羥脯氨酸殘基可通過形成分子內氫鍵穩定膠原蛋白分子。三條α-肽鏈借范德化力、氫鍵及共價交聯則以平行、右手螺旋形式纏繞成「草繩狀」三股螺旋結構，使膠原具有很高的拉伸強度。[1]
提取分離
水法
熱水提取法是將原料經過除雜蛋白等前處理之後，在一定條件下直接用熱水浸提已經變性了的膠原蛋白或膠原蛋白水解物，使用的溫度有100℃沸水浴、60-70℃、40-45℃。
預處理
膠原蛋白的提取一般有三種方法：一是高壓輔助的物理方法；二是用溶劑預處理結合低溫或熱水抽提的化學方法，根據溶劑的不同，可分為熱水浸提法、酸法、鹼法、鹽法；三是用酶的生物化學法。一般來說，高壓輔助和熱水抽提針對明膠的提取，而低溫抽提和酶法針對膠原的提取，但其基本原理都是根據膠原蛋白的特性改變蛋白質所在的外界環境，把膠原蛋白從其他蛋白質中分離出來。
酸法
酸法提取是利用一定濃度的酸溶液在一定的條件下提取膠原蛋白，主要採用低離子濃度酸性條件破壞分子間鹽鍵和希夫鹼，而引起纖維膨脹、溶解，採用酸法提取的膠原蛋白通常成為酸溶性膠原蛋白。酸溶解法可將沒有交聯的膠原分子溶解出來，也可溶解含有醛胺類交聯鍵的膠原纖維，然後釋放到溶劑中。酸法是提取膠原蛋白比較常用和有效的方法，用低溫酸法提取的膠原最大程度的保持了其三螺旋結構，適用於醫用生物材料及原料的製備。
鹼法
鹼法提取即利用一定濃度的鹼在一定的外界條件下提取膠原蛋白，鹼處理法中常用的處理劑為石灰、氫氧化鈉、碳酸鈉等，用氫氧化鈉浸提時效果較好。
鹽法：
鹽法提取是利用各種不同的鹽在不同的濃度條件下提取鹽溶性膠原蛋白的方法。常用來提取膠原的鹽有鹽酸-三羥甲基胺基甲烷（Tris-HCl）、氯化鈉、檸檬酸鹽等。
酶法
酶法提取是指可溶性膠原和酸溶性膠原被提取後，需用一些蛋白酶，如膠原酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等水解，得到不同的酶促溶性膠原蛋白。所使用的蛋白酶主要分3種：動物蛋白酶（如胰蛋白酶，胃蛋白酶），植物蛋白酶（如木瓜蛋白酶，菠蘿蛋白酶），微生物蛋白酶（如鹼性蛋白酶，中性蛋白酶）。在對酶法水解膠原蛋白的研究中，以鹼性蛋白酶應用最多。
純化
可用於膠原蛋白的純化方法包括鹽析法、透析法、離心法、電泳法和色譜法，其中鹽析法、離心法和電泳法最為常用。
應用
生物醫學材料
臨床應用形式有水溶液、凝膠、顆粒劑、海綿和薄膜等。同樣這些形狀都可用於藥物緩釋，已獲准上市和正在研發的膠原蛋白藥物緩釋應用大都集中在眼科中抗感染和青光眼治療，創傷中的局部治療及傷口修復的控制感染，婦科的宮頸發育異常和外科的局部麻醉等。
組織工程
以膠原蛋白為基質作真皮輔以上皮成分構成的組織工程人工皮膚藥物緩釋膠以膠原蛋白為主要成分的給藥系統應用非常廣泛，可以把膠原蛋白水溶液塑造成各種形式的給藥系統，如眼科方面的膠原蛋白保護物、燒傷或創傷使用的膠原海綿、蛋白質傳輸的微粒、膠原蛋白的凝膠形式、透過皮膚給藥的調控材料以及基因傳輸的納米微粒等。此外，還可作為組織工程包括細胞培養系統的基質、人工血管和瓣膜的支架材料等。
燒傷
自體皮膚移植一直是治療二度和三度燒傷的全球標準方法，然而對於嚴重燒傷的病人，缺少合適的可移植的皮膚成了最嚴峻的問題，有人利用生物工程技術通過嬰兒皮膚細胞培育出嬰兒皮膚組織，這種膠原蛋白組織在沒有自體移植的情況下，在3周到18個月不等的時間裡可治癒不同程度的燒傷，而且新長出的皮膚也很少表現出肥大增生和抗性。
美容
膠原蛋白由動物皮提取，皮中除膠原蛋白外還含有透明質酸、硫酸軟骨素等蛋白多糖，它們含有大量極性基團，是保濕因子，且有阻止皮膚中的酪氨酸轉化為黑色素的作用，故膠原蛋白有純天然保濕、美白、防皺、祛斑等作用，可廣泛應用於美容用品中。膠原蛋白的化學組成、結構賦予了它是美容的基礎。膠原蛋白與人體皮膚膠原的結構相似，為非水溶性纖維狀含糖蛋白質，分子中富含大量氨基酸和親水基，具有一定的表面活性和很好的相容性，同時由於其分子中含有大量的羥基，因此它有着相當好的保濕作用。在相對濕度70%時，仍可保持其自身重量45%的水分。試驗證明：0.01%的膠原蛋白純溶液就能形成很好的保水層，供給皮膚所需要的全部水分。[2]