明胶是胶原不可逆降解的产物,是目前应用最广泛的天然生物高分子之一,传统的明胶主要以牛、猪等牲畜的皮骨为原料进行生产,近年来因疾病和宗教等问题限制了其使用范围,故探究新的明胶生产原料成为研究的热点。在探索的过程中发现兔皮和其他哺乳动物皮相比不仅能够快速明胶化,而且用它生产的明胶品质优良,可作为明胶原料的新来源,但其快速明胶化的机理尚未明确,不利于产业化生产中工艺参数的合理控制。明胶生产工艺主要包括胶原明胶化和热水提取两个过程,前期研究初步证明,除三螺旋外,明胶制备过程中胶原二级结构的存在状态与明胶得率和凝胶特性也具有一定相关性,但在胶原结构变化对其亚基组分释放的影响机制方面报道较少,尚未见系统性研究。因此,本研究主要对兔皮胶原快速明胶化的分子机制,以及明胶制备过程中胶原结构变化规律进行研究,旨在进一步明确胶原明胶化机理,为新型明胶原料的开发以及提取工艺的确定提供理论基础,具体研究结果如下:(1)对兔皮胶原快速明胶化分子机制进行研究。首先从兔皮中提取明胶以模拟工业化生产过程,发现1%(w/v)HCl处理5 min即可导致兔皮胶原明胶化并获得较高凝胶强度和得率的明胶。之后为解析其明胶化机理,将兔皮胶原蛋白提纯,并以此为原料进行明胶化,进而提取明胶。综合分析明胶的得率、凝胶强度和明胶化胶原的SDS-PAGE、FTIR、SEM结果得出,兔皮胶原蛋白的共价键对酸非常敏感,短时酸处理可导致明显的清洗损失;酸处理最初破坏的是胶原分子间的共价交联和非螺旋区共价键,促进亚基释放,随后当胶原分子空间结构发生变化,亚基组分暴露时,肽键也会被破坏;大部分易于明胶化的胶原在酸处理5 min时,其三螺旋结构已经被破坏,原有氢键平衡被打破,胶原蛋白的表观形态由平整向波浪型转变;随酸处理时间增加,胶原表面波浪形褶皱逐渐变小,再次趋于平整,说明难以明胶化的胶原开始暴露。(2)采用兔皮和鱼皮两种原料对明胶化过程中胶原二级结构存在状态与明胶得率和凝胶强度的关系进行研究。结果表明,明胶化胶原中α-螺旋与β-折叠含量之和与明胶得率呈现高度正相关,说明较高的α-螺旋与β折叠有利于后期提胶过程中亚基的释放;而明胶化胶原中α-螺旋含量与明胶凝胶强度成较强的负相关,表明较高的α-螺旋含量不利于高凝胶强度明胶的提取。(3)基于以上明胶化过程的研究,以兔皮胶原为研究对象,采用分子模拟技术,进一步在微观层面解析该过程中的胶原二级结构变化影响亚基组分释放的分子机制。RMSD结果表明,酸处理使得多个胶原蛋白分子的非螺旋区分离,但对其中单个非螺旋区构象影响较小,此外对三螺旋区构象影响较大。氢键数量变化的结果表明,酸处理导致三螺旋氢键在短时间内迅速减少,模拟50 ns后,氢键数量保持相对稳定,处于平衡状态,与酸处理1 h的明胶化胶原红外光谱的结果一致,说明对于兔皮胶原,酸处理<1 h为最有效的明胶化时间。二级结构变化结果表明,随模拟时间增加,非螺旋区二级结构变化不明显,而三螺旋结构一经酸处理,空间结构立即被打破,肽链松散成无序状态,二级结构逐渐暴露;随模拟时间增加,三螺旋含量逐渐减少,无规则卷曲含量增加,α-螺旋与β-折叠含量之和呈先增加后减少趋势,与实际酸处理1 h的明胶化胶原的变化趋于一致。(4)以兔皮和鱼皮两种原料的明胶化胶原为原料,研究热提取过程稀溶液中明胶的二级结构存在状态与明胶得率和凝胶强度的关系。结果表明明胶溶液稀溶液中类三螺旋结构的形成能力影响最终明胶的凝胶强度,兔皮类三螺旋形成能力较鱼皮强;随着提胶时间的增加,明胶得率均逐渐增加,导致无规则卷曲含量增加,不利于形成良好的凝胶强度,因此在提胶过程中要控制无规则卷曲的生成。