李旭| 爱德华| 李向普| 赵然| 元润泽| 孙翠霞| 赵一国| 方亚鹏
上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程系，中国上海200240
摘要
鱼胶原蛋白主要来源于鱼类加工的副产品，如鱼皮、鱼骨和鱼鳔，具有显著的经济价值。然而，其较差的凝胶稳定性严重限制了其在食品工业中的应用。本文综述了鱼胶原蛋白的自组装和凝胶化机制，探讨了来源和组织对凝胶形成的影响，并提出了提高凝胶稳定性的策略。在鱼体内的自然条件下，鱼胶原蛋白自组装结构的强度受物种差异、组织来源、氨基酸组成和代谢合成的影响。当在体外提取和加工时，通过调节温度、水分和pH值等因子也可以形成凝胶。内源性调节方法包括减少游离水的比例和通过离子屏蔽平衡电荷。外源性方法可以采用交联技术来增强共价键（主要是Schiff碱键）和非共价键（主要是氢键）。此外，将传统的物理场辅助技术与数字智能技术（如机器学习用于筛选高效的交联剂和分子模拟以揭示氢键和静电力等关键相互作用）相结合，可以更全面地分析蛋白质结构和功能机制。未来的研究应优先考虑扩展胶原蛋白来源并开发绿色、成本效益高的调控技术以提高其可用性。这包括使用人工智能进行数据筛选和优化，以及应用物理辅助技术进行协调调控，从而促进鱼胶原蛋白凝胶的高价值利用。
引言
胶原蛋白是多种组织中的主要结构蛋白，主要分布在结缔组织中，包括皮肤、骨骼和软骨，对人体皮肤的弹性和骨骼强度起着重要作用。这种三螺旋纤维蛋白由三条左旋α-肽链组成，形成右旋螺旋结构（Bielajew等人，2020年）。迄今为止，自然界中已鉴定出29种类型的胶原蛋白，表现出不同的结构形式，如纤维状、网状和膜状。其中，纤维状胶原蛋白（特别是I型、II型和III型）最为常见（Chen等人，2023年）。随着年龄的增长，胶原蛋白会自然减少，因此需要通过富含胶原蛋白的食物进行补充。虽然通常使用哺乳动物来源（牛、猪、羊等家畜）的胶原蛋白，但鱼胶原蛋白具有明显的优势：它避免了宗教和文化饮食限制，降低人畜共患疾病的风险，并具有更高的生物安全性（Geng等人，2025年）。由于可以从副产品中经济地提取鱼胶原蛋白，且具有较低的抗原性和过敏性，鱼胶原蛋白已成为哺乳动物胶原蛋白的可持续替代品（Salvatore等人，2020年）。
鱼胶原蛋白主要来源于鱼的各种组织，包括鱼皮、鱼鳞、鱼骨、鱼鳔和肌肉（I型），以及软骨和脊索（II型和XI型）。肌肉中也含有V型胶原蛋白（Mizuta等人，2012年，见图1）。I型胶原蛋白在这些组织中特别丰富，并以天然胶原蛋白的形式存在。然而，目前渔业中大约75%的鱼副产品被作为废物丢弃，尽管其中30%含有胶原蛋白（Subhan等人，2021年）。值得注意的是，鱼胶原蛋白含有丰富的甘氨酸，在氨基酸序列和三螺旋构象上与人类胶原蛋白高度相似，从而易于消化和吸收（Dondero等人，2025年）。因此，在食品工业中，鱼鳔和鱼皮可以加工成可食用产品，并用作基于胶原蛋白的营养补充剂（Noreen等人，2025年；Wei等人，2025年）。在适当的体外环境中，胶原蛋白纤维通过分子间交联和有序排列形成具有特定保水能力和机械稳定性的凝胶，使其在保湿、保鲜和组织修复等领域具有广泛的应用前景（Ezati等人，2025年；Geng等人，2025年）。与体外自组装形成的胶原蛋白凝胶相比，天然胶原蛋白具有更强的共价交联，从而具有更高的拉伸强度和抗水解性（Griffanti & Nazhat，2020年）。有必要系统地了解天然组织中的胶原蛋白与体外凝胶之间的差异，以便更好地优化分离胶原蛋白的凝胶化过程。
值得注意的是，与鱼明胶凝胶不同，鱼胶原蛋白在提取和高温水解过程中不会发生变性，由于其较温和的加工条件，鱼胶原蛋白凝胶能够保留更多的天然分子结构，从而保持其生物活性（Wierzbicka等人，2024年）。图2展示了鱼胶原蛋白凝胶和鱼明胶凝胶在提取、凝胶化和结构方面的差异，包括一些常见条件。本质上，胶原蛋白凝胶的形成主要涉及从溶液状态转变为凝胶状态，而相关性质在很大程度上得以保留。胶原蛋白凝胶在生理环境中表现出更高的稳定性（He等人，2024年）。与胶原蛋白提取相比，明胶提取需要较高的温度。明胶是胶原蛋白的变性形式，生物活性降低，在水中降解更快（Wierzbicka等人，2024年）。然而，当鱼胶原蛋白凝胶受到极端条件（如高温和水解的共同作用）的影响时，肽键和三螺旋结构会被破坏，可能会进一步转化为鱼明胶凝胶（Alipal等人，2021年）。这种转变主要是由于胶原蛋白三螺旋结构的不可逆变性。此外，所得明胶的稳定性主要取决于后续加工过程中其凝胶网络的解聚程度（Tang等人，2023年）。
尽管鱼胶原蛋白具有一些优势，但其主要挑战在于稳定性较差（Bai等人，2025年）。在涉及高温和离子环境等可变条件的加工过程中，凝胶容易发生过度蛋白质变性，导致质地等品质恶化。这影响了其结构完整性和营养生物利用度，使得它难以满足产品开发的要求，特别是即食食品（Xu等人，2025年），并限制了其在某些极端环境中的应用作为生物材料的使用。这主要是由于其结构中咪唑酸（脯氨酸和羟脯氨酸）的含量相对较低，从而导致相变温度较低（Li等人，2022年；Sun等人，2024年）。阐明控制凝胶稳定性的机制对于优化基于胶原蛋白产品的整体质量至关重要，并有助于将鱼副产品转化为高价值商品。提高鱼胶原蛋白凝胶稳定性的策略主要包括来源组织筛选（Shalaby等人，2020年）、修饰和交联（Sun等人，2024年）。这些措施有助于稳定其螺旋结构并有效增强基于胶原蛋白材料的性能。
目前，关于鱼胶原蛋白的综述主要集中在提取、表征、交联策略和应用方面。然而，关于鱼胶原蛋白在复杂条件下的稳定性缺乏足够的总结信息。这些条件包括高温、水相和多离子环境，无论是天然组织还是体外凝胶。此外，尚未充分探索利用机器学习等新兴技术来帮助提高稳定性的方法。本文系统总结了鱼胶原蛋白的结构特征、自组装和凝胶化过程、其在不同环境中的稳定性以及潜在的影响因素。关于提高凝胶稳定性的方法，主要包括调节内源性物质、添加外源性物质以及传统和新兴辅助技术。这些努力为鱼胶原蛋白凝胶的增值利用提供了新的视角和理论参考。
自然和体外分离鱼胶原蛋白的自组装和凝胶化机制
鱼胶原蛋白是一种聚合物，在自然条件下以天然结构蛋白的形式存在于多种生物组织中。当这种胶原蛋白在体外分离时，可以进一步控制环境条件以诱导自组装并形成胶原蛋白凝胶（图3）。这两种形式都包含由微纤维和纳米纤维组成的三维网络结构。现有的物理交联（如氢键和疏水相互作用）和化学交联
不同来源和组织的天然鱼胶原蛋白的固有分子特性对凝胶形成的影响
无论是在天然组织还是体外凝胶中，胶原蛋白的稳定性都受到其固有结构的显著影响，在一定程度上，天然组织中的胶原蛋白结构决定了体外分离凝胶的稳定性。了解鱼胶原蛋白的固有分子特性，包括其来自不同地区和物种的来源及其在各种组织中的具体分布，有助于选择具有优异凝胶性能的原材料
调节鱼胶原蛋白凝胶稳定性的策略
鱼的来源和组织为筛选稳定的胶原蛋白凝胶提供了方向。如果需要进一步调整稳定性，仍需改变某些条件。鉴于多样化的应用场景，已经提出了多种策略来提高鱼胶原蛋白凝胶的稳定性，包括调节内源性物质的结构、添加外源性物质以及采用机械技术辅助措施（图4）
结论与展望
与来自家畜的胶原蛋白相比，鱼胶原蛋白具有更高的生物利用度，并且可以避免人畜共患疾病和过敏反应等问题。然而，其较低的相变温度和较差的凝胶稳定性限制了其应用。当前的研究已经探讨了影响胶原蛋白凝胶化的因素、多层次结构的自组装机制以及各种条件对交联稳定性的影响
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李旭：撰写——初稿、可视化、软件处理、数据管理、概念化。
爱德华：撰写——审阅与编辑、数据管理。
李向普：资源获取、数据管理。
赵然：撰写——审阅与编辑、可视化。
元润泽：撰写——审阅与编辑、可视化。
孙翠霞：撰写——审阅与编辑、概念化。
赵一国：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。
方亚鹏：撰写——审阅与编辑、监督、资金支持。
<未引用的参考文献>
[Menezes, Ribeiro, Abreu, Feitosa and Filho, 2020]
[Minh Thuy, Okazaki and Osako, 2014]
[Zhou, Sui, Mo and Sun, 2017]
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<致谢>
< />国家自然科学基金（编号22261142665）和上海小天尧供应链有限公司（编号25H010101541）的财政支持。
