Коллагены : источники, свойства, применение

Л. В. Антипова, С. А. Сторублевцев, С. С. Антипов

КОЛЛАГЕНЫ: 
ИСТОЧНИКИ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

Монография

Санкт-Петербург
ГИОРД
2019

УДК 547.96; 664.932;4; 664.959
ББК Л80-13
 
А72

Научный редактор: 
профессор Л. В. Антипова

Исследования С. С. Антипова поддержаны из средств субсидии, выделенной  
на реализацию Программы повышения конкурентоспособности БФУ им. И. Канта

Рецензенты:  
академик РАН, заведующий кафедрой технологии и биотехнологии  
продуктов питания животного происхождения  
ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств»  
(Институт биотехнологии и высокотехнологичных пищевых производств),  
д-р техн. наук, проф. Е. И. Титов;
профессор кафедры технологии продуктов питания животного происхождения 
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»  
(Институт пищевой и перерабатывающей промышленности),  
д-р техн. наук А. А. Запорожский 

Антипова, Людмила Васильевна
А72  
Коллагены : источники, свойства, применение : монография / Л. В. Антипова, 
С. А. Сторублевцев, С. С. Антипов. — Санкт-Петербург : ГИОРД, 2019. — 408 с.

 
ISBN 978-5-98879-101-0

В книге обобщены и систематизированы современные знания о структуре, физико-химических, биохимических свойствах и особенностях коллагена в составе основного и вторичного сырья перерабатывающих отраслей АПК; приведены новые сведения 
о свойствах коллагеновых субстанций применительно к производству пищевых и кормовых продуктов, косметологии, медицине. 
Монография рекомендуется специалистам перерабатывающих отраслей АПК, научным работникам, аспирантам, студентам профильных высших и средних специальных 
учреждений.

УДК 547.96; 664.932;4; 664.959
ББК Л80-13

ISBN 978-5-98879-101-0
 
© ООО «Издательство „ГИОРД“», 2019

Оглавление

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ .............................................................................. 7

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 8

Глава 1 КОЛЛАГЕН: СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  
О СТРУКТУРЕ И СВОЙСТВАХ ................................................. 11

Глава 2 КОЛЛАГЕНСОДЕРЖАЩЕЕ СЫРЬЕ  
ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ОТРАСЛЕЙ  
АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ............................. 46
 
2.1. Поверхностные покровы животных .................................... 47
 
2.2. Кишечное сырье ........................................................................ 71
 
2.3. Малоценные субпродукты и отходы  
переработки мяса ............................................................................. 80
 
2.4. Малоценные вторичные продукты и отходы  
переработки птицы .......................................................................... 87
 
2.5. Малоценные вторичные продукты и отходы  
переработки рыбы............................................................................ 96

Глава 3 СОВРЕМЕННЫЙ ОПЫТ В ПЕРЕРАБОТКЕ  
КОЛЛАГЕНСОДЕРЖАЩИХ РЕСУРСОВ .............................. 105
 
3.1. Краткая характеристика коллагенсодержащего  
сырья ................................................................................................. 105
 
3.2. Производство пищевых и кормовых продуктов ............. 117
 
3.3. Производство натуральных колбасных оболочек .......... 137
 
3.4. Производство кож .................................................................. 141
 
3.5. Производство искусственных колбасных оболочек  
типа «Белкозин» .............................................................................. 159
 
3.6. Производство желатина и клея ........................................... 170

Глава 4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ  
НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ  
КОЛЛАГЕНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ  
С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЕРМЕНТОВ .......................................... 185
 
4.1. Ферменты и основы катализа в обработке  
коллагенсодержащего сырья ....................................................... 187
 
4.2. Ферментная модификация коллагенсодержащего  
сырья ................................................................................................. 220
 
4.3. Получение биомодифицированных коллагеновых  
ингредиентов ................................................................................... 249

Глава 5 ИННОВАЦИИ В РАЗВИТИИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ  
КОЛЛАГЕНОВЫХ СУБСТАНЦИЙ НА ОСНОВЕ  
БИОКАТАЛИЗА ............................................................................. 255
 
5.1. Получение пленок и пленочных покрытий ...................... 256
 
5.2. Производство колбас, полуфабрикатов  
и других продуктов ........................................................................ 274
 
5.3. Применение очищенных и биомодифицированных  
коллагеновых субстанций в составе функциональных  
и специализированных продуктов пищевого  
и кормового назначения ............................................................... 303
 
5.4. Обработка шкуросырья при производстве кож ............. 320
 
5.5. Новые подходы к получению функциональных  
пищевых ингредиентов на основе коллагеновых  
белков ................................................................................................ 332
 
5.6. Коллагеновые субстанции для косметологии  
и медицины ...................................................................................... 352

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................... 367

Оглавление

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АДВ — антимикробные действующие вещества 
АСМ — атомно-силовая микроскопия 
БАВ — биологически активные вещества 
БЦ — биологическая ценность
ВГУИТ — Воронежский государственный университет инженерных 
технологий
ВНИИМП — ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский  
институт мясной промышленности им. В. М. Горбатова
ВУС — водоудерживающая способность
ДГК — дегидрацетовая кислота 
ДДСе — диметилдипиразолилселенид 
ДФФ — диизопропилфторфосфат 
ж. к. — жидкостной коэффициент
ЖУС — жироудерживающая способность 
ИКМ — искусственные коллагеновые материалы 
ИЭТ — изоэлектрическая точка 
КРАС — коэффициент различия аминокислотного скора 
КРС — крупный рогатый скот
КТИПП — Кемеровский технологический институт пищевой  
промышленности
МНЖК — мононенасыщенные жирные кислоты
МПК — минимальная подавляющая концентрация
МРС — мелкий рогатый скот
н. п. — нуклеотидные пары 
НЖК — насыщенные жирные кислоты
п. о. — пары оснований
ПААГ — полиакриламидный гель
ПВ — пищевые волокна 
ПДК — предельно допустимая концентрация
ПНЖК — полиненасыщенные жирные кислоты
СЭ — стабильность эмульсии 
ФРК — ферментно-растворимый коллаген 
ФТС — функционально-технологические свойства 
ЦНИИКП — Центральный научно-исследовательский институт  
кожевенно-обувной промышленности
ЭПЖ — экстракт поджелудочной железы
ЭС — эмульгирующая способность
NPV — Net Protein Value (чистая ценность белка)

ВВЕДЕНИЕ

Белок — форма биологического существования жизни. Специфически сконструированные протеины, играют решающую роль в выполнении ими своего биологического предназначения. Вне зависимости 
от уровня эволюции организмов (позвоночные, беспозвоночные, млекопитающие, приматы и люди) самым важным белком — primus inter 
pares (первый среди равных) — является коллаген, который создает 
основу межклеточного матрикса соединительной ткани и наиболее 
распространен. Входя в состав соединительных тканей организмов, 
он составляет около ⅓ массы всех белков. В коллаген буквально погружен весь организм, так как соединительные ткани создают основу 
и фундамент организмов и тканей; вместе с кровью и лимфой он формирует внутреннюю их среду. Медицина констатирует: подлинный 
биологический возраст человеческого организма определяется состоянием белков, где коллаген представляет самое точное зеркальное отражение его биологического потенциала.
Накопленные на протяжении последних десятилетий в отечественной и зарубежной литературе сведения о строении, структуре, функциях и свойствах коллагена свидетельствуют об уникальности этого 
белка и, в связи с этим, универсальности интереса к нему.
Будучи основным белком опорно-двигательной системы в теле 
позвоночных, коллаген обладает специфическими особенностями, 
обусловливающими его роль как структурного материала. В этом 
качестве коллагеновые волокна присутствуют во всех видах соединительной ткани, обеспечивая образование и поддержание общей 
структурной и физической целостности организма, принимая участие в барьерной, репаративной, метаболической, терморегуляторной 
и ряде других функций различных органов. К основным видам тканей, содержащих значительные количества коллагена, относят дерму, 
сухожилия, хрящи, фасции, долгое время считавшиеся малоценными 
и ограниченно использовавшимися в производстве каких-либо продуктов.
Целенаправленное применение белков соединительных тканей 
имеет свою историю, основанную прежде всего на структурно-механических и физико-химических свойствах коллагена.
Однако коллагены тканей животных, в том числе наземных, птиц 
и рыб, продолжают побуждать огромный интерес ученых и специалистов к расширению производства ряда полезных продуктов, пре

паратов, средств. Уникальные свойства коллагена, используемые 
при разработке перспективных и инновационных технологий, позволяют заменить часть основного сырья при производстве мясных 
и рыбных продуктов питания, получать: добавки — обогатители пищевых систем — при производстве продуктов питания функционального и специального назначения, пищевые пленки и покрытия, съедобные колбасные оболочки и упаковочные материалы, улучшители 
вкуса (например, коллагеновые белки с сорбированными на них ароматическими компонентами). Чрезвычайно актуальны биологически 
активные вещества коллагеновой природы для медицины и косметологии. В настоящее время широко распространены кремы, мази, шампуни, лосьоны и т. д. с использованием коллагенов. Особый интерес 
и популярность коллагеновые белки представляют в биомедицинских 
технологиях, при получении хирургических шовных материалов, ранозаживляющих средств, пролонгаторов лекарственных препаратов, 
искусственных органов и тканей, имплатантов.
Новые сведения по использованию коллагенсодержащих источников непосредственно связаны с расширением сырьевой базы перерабатывающих отраслей АПК на основе глубокой переработки 
биологических ресурсов и их максимального вовлечения в основное 
и специальное производство при значительном росте выхода полезных продуктов с единицы сырья. Такой подход создает условия для реализации безотходных экологически чистых технологий, разработки 
продуктов высокой биологической ценности и эстетического (товарного) вида. Обобщение сведений в данном направлении позволяет 
внедрять принципиально новые технологии и продукты (профилактические, специальные, лечебные), удовлетворяющие режимам экологии 
и отвечающие физиологическим нормам питания, требованиям к биомедицинским, биосовместным и биодеградируемым материалам.
Особую значимость приобретают исследования по изучению 
свойств коллагенов как носителей асептических и лекарственных веществ, дефицитных микронутриентов для коррекции алиментарных 
расстройств здоровья человека и животных, прижизненной детоксикации организма. Заслуживают внимания исследования, связанные 
с производством строительных и упаковочных материалов. Источники 
коллагеновых белков сосредоточены в основном в побочных и бросовых продуктах перерабатывающих производств, в связи с чем они недороги и доступны при реализации различных технических решений.
Мировой рынок коллагена, по прогнозам специалистов, достигнет 
119 млрд руб., при среднегодовом темпе роста 11,5 %.
Авторы монографии предлагают обобщенные информационные 
сведения и результаты собственных исследований в области структу
Введение

Введение

ры, свойств и возможного развития отечественных технологий на основе белков соединительных тканей наземных животных и рыб.
Вполне очевидно, что биополимерные системы, выделяемые из сырья животного и рыбного происхождения, актуальны в интересах развития науки, технологии, экологии, здравоохранения, косметологии 
и могут составить мощную ветвь в становлении инновационных 
отечественных производств в рамках Доктрины продовольственной 
безопасности России, в которой развиваются положения Стратегии 
национальной безопасности РФ, утвержденной Указом Президента 
Российской Федерации от 31.12.2015 № 683, касающиеся продовольственной безопасности РФ, учтены нормы Стратегии экономической 
безопасности РФ на период до 2030 года, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 13.05.2017 № 208, Стратегии развития 
пищевой и перерабатывающей промышленности РФ на период до 2020 
года, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 17.04.2012 
№ 559-р и других документов стратегического планирования.

Глава 1 
Коллаген:  
 
 
современные представления  
 
 
о структуре и свойствах

Уникальный белок коллаген обнаруживается практически во всех 
тканях и существует в многообразных формах и разновидностях. Особенно богаты коллагеном соединительные ткани.
Соединительная ткань распределена по всему организму и входит 
в состав хрящей, сухожилий, связок, матрикса костей, почечной лоханки, мочеточников, «подстилает» кожу, служит для фиксации кровеносных сосудов, составляет основу межклеточного вещества в печени 
и мышцах. Она участвует в образовании каркаса и покрова всех органов, а также в их восстановлении после повреждений или травм. Таким образом, понятно, что соединительная ткань выполняет ряд жизненно важных функций, к которым относится опорная, питательная 
и защитная, помимо этого соединительная ткань обеспечивает интеграцию органов и клеток. Ее массовый выход составляет 16 % мясной 
туши промышленных животных, в связи с чем соединительная ткань 
является важнейшим компонентом мяса и мясопродуктов.
Существующие на сегодня сведения о коллагенсодержащем сырье 
[25, 64, 74] вызвали большой научный и практический интерес к нему 
в рыбоперерабатывающей отрасли в связи с выявленными свойствами рыбного коллагена [413, 414, 415]. Общих статистических данных 
по количественному содержанию коллагена в пресно-водных и морских рыбах пока недостаточно, однако показано [25, 28, 51], что шкура 
рыб как один из главных источников коллагенов составляет 4,0…4,5 % 
массы тел прудовых особей. 
Таким образом, такое коллагенсодержащее сырье для мясной и рыбной промышленности является огромным источником природного 
коллагена.
Соединительная ткань пронизана сетью кровеносных капилляров; 
она состоит из специальных клеток и сильно развитого межклеточного вещества, которое включает тончайшие нити фибриллярных белков 
и аморфное основное вещество (рис. 1.1).
Существенной особенностью соединительной ткани, в основном 
присущей всем ее разновидностям, является сравнительно небольшое 
количество клеточных элементов. Среди них выделяют три основных 
типа: фибробласты и их разновидности, макрофаги и тучные клетки. 

Остальные клетки (гранулоциты, лимфоциты и плазмоциты) имеют 
гематогенное происхождение.

Рис. 1.1. Морфология соединительной ткани (схема по А. И. Слуцкому): 
I — тучные клетки; II — ретикулиновые волокна; III — эластическое волокно;  
IV — коллагеновые волокна; V — фибробласт

Межклеточные фибриллярные структуры находятся в окружении основного вещества, бесструктурного при набухании. Они представлены коллагеном и эластином, при этом первый образует нити 
различной толщины. Их расположение определяет функцию, которая главным образом состоит в придании тканям прочности на разрыв; они не растягиваются. На долю коллагена приходится около ⅓ 
всей массы белков позвоночных. Он преобладает над всеми другими белками, составляя 25—33 % их общего количества, и варьирует 
в зависимости от вида соединительной ткани (например, в сухожилиях — 25…35 % массы сырой ткани, в костях — 10,0…20,0, в хрящах — 
10,0…15,0, в коже — 15,0…25,0, в стенках сосудов — 5,0…12,0, в скелетных мышцах — 1,0…2,0, в почках — 0,4…1,0, в печени — 0,1…1,0, 
в мозге — 0,2…0,4 и т. д.)
В соединительных тканях коллаген находится в сочетании с другими химическими веществами, массовая доля которых зависит от строения, функциональных особенностей и колеблется в пределах (в %): 
воды — 57,0…63,0; органических веществ — 36,0…42,0, в том числе 
липидов — 1,0…1,1, альбуминов и глобулинов — 0,2…0,6, эластина — 
1,6…32,0, коллагена — 7,5…32,0; других белков — 0,5…1,3; экстрактивных веществ — 0,8…0,9; неорганических веществ — 0,5.

Глава 1. Коллаген: современные представления о структуре и свойствах

Глава 1. Коллаген: современные представления о структуре и свойствах

В зависимости от соотношения основного вещества и разнообразных белковых волоконец, а также химических особенностей составных частей, собственно соединительную ткань разделяют на рыхлую 
(подкожная клетчатка), плотную (сухожилия), эластическую (шейная 
связка), слизистую (слюна, желудочный сок, суставная жидкость).
В качестве основного структурного компонента соединительной ткани коллаген играет главную роль в осуществлении ее разнообразных 
биологических функций: опорной, трофической, защитной, морфогенетической или структурообразовательной. Например, влияет на пролиферацию и дифференциацию хондробластов и остеобластов, эпителия 
различных желез, легких, почек, роговицы, мышечной ткани при культивировании in vitro; in vivo — влияет на трансформацию мышечной 
ткани в хрящевую и костную [190]. Структурообразовательная функция 
реализуется благодаря активному взаимодействию паренхимы с эпителиальными и мышечными клетками во время эмбриогенеза и регенерации, что обеспечивает правильное развитие органов и тканей. При 
осуществлении регенеративной функции коллаген не только выступает 
основным пластическим материалом новообразованной соединительной ткани, восстанавливающей все дефекты в организме, но и активно 
взаимодействует с клетками, ответственными за организацию регенеративного процесса, в частности, является важнейшим фактором агрегации тромбоцитов [190]. Адгезия тромбоцитов к элементам сосудистой 
стенки служит важнейшим информативным показателем при лабораторной диагностике и оценке эффективности лекарственной терапии 
широкого перечня гематологических и сердечно-сосудистых заболеваний, включая артериальные тромбозы и атеросклероз [18].
Коллаген обеспечивает структурную и физическую целостность 
организма, участвует, как указано выше, в барьерной, регенеративной, 
метаболической, терморегуляторной и ряде других функций различных органов [282, 283].
Значительный вклад в развитие знаний о структуре, свойствах 
и прикладных возможностях коллагена связан с именами как отечественных (В. Н. Орехович, В. И. Мазуров, Л. В. Антипова, Л. И. Слуцкий, 
А. А. Зайдес, А. Н. Михайлов, И. А. Рогов, Н. Н. Липатов, А. И. Мглинец и др.), так и зарубежных (С. Г. Сотело, К. Кюн, А. Вейс, М. Танзер, 
С. А. Батечко, А. М. Ледзевиров и др.) ученых.
Основу структурной организации коллагенового волокна составляют 
ориентированные в продольном и поперечном направлении, сдвинутые 
на четверть ступенчато расположенные параллельные ряды тропоколлагеновых молекул (рис. 1.2), что обусловливает поперечную исчерченность фибрилл с периодом от 60 до 70 нм. Варьирование периода обусловлено тем, что коллаген — не индивидуальный белок, а семейство