南極磷蝦中氟的研究進展

劉云姣，張海燕，沈曉盛

（1.中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090；2.上海海洋大學食品學院，上海 201306）

南極磷蝦Euphausia superba，又名南極大磷蝦或大磷蝦，節(jié)肢動物門，磷蝦屬，是一種似蝦的無脊椎動物，廣泛分布在南大洋環(huán)南極區(qū)域。南極磷蝦蘊藏量大，數量可達數億至數十億噸，且其蛋白質、脂肪、維生素以及礦物質含量豐富，被認為是世界上最大的海洋生物蛋白質資源庫，這對日漸衰退的世界漁業(yè)資源來說，加快對南極磷蝦資源的開發(fā)無疑是緩解人類動物性蛋白需求的一種必然趨勢。早在20世紀70年代，以蘇聯、日本為首的一些國家率先開始對南極磷蝦進行規(guī)模化的商業(yè)化捕撈。隨后西德、韓國、挪威等相繼加入捕撈行列[1]。我國對南極磷蝦的捕撈相對較晚，2009、2010年相繼進行商業(yè)性試捕和正式捕獲，之后并以每年上千噸的捕獲量每年進入我國市場，并圍繞南極磷蝦的功能活性成分[2-4]、加工等展開研究[5-7]，通過南極磷蝦快速分離與深加工關鍵技術，研制出了南極磷蝦食品、調味品、保健品等一系列高附加值產品，其中南極磷蝦蝦粉和磷蝦蝦油是較為普遍的產品。然而，南極磷蝦具有富集氟的特性，其氟的含量極高，高氟成了南極磷蝦食品開發(fā)利用的瓶頸，一旦突破這一瓶頸，每年可從南極磷蝦中獲得數百萬噸優(yōu)質動物蛋白，可大大緩解人類動物性蛋白需求的壓力。本文就南極磷蝦中氟的來源、含量與分布情況、富集機理、賦存形態(tài)、遷移變化、脫氟工藝以及食用安全性進行綜述，目的是為南極磷蝦資源的進一步開發(fā)利用提供參考依據。

1 氟的來源與化學特性

氟廣泛分布在自然環(huán)境如海水、地殼、土壤中，它也是人和動物機體中的一種必需微量元素，其氧化性很強，可以同大部分金屬及非金屬反應生成氟化物，進而通過食物鏈吸收進入人體[8]，主要蓄積在骨骼與牙齒中[9]。氟對人體健康有重要的作用，適量的氟進入人體，可以預防齲齒，促進骨骼發(fā)育，對預防骨質增生癥也有很大的幫助，但過量的氟進入人體，則會引起骨骼密度過高，導致骨質變脆，出現易骨折現象，嚴重者會引起脊椎彎曲導致癱瘓甚至死亡。

研究發(fā)現，在南大洋環(huán)境條件（氟含量）基本相同的情況下，南極磷蝦體內含氟量遠高于其它大多數海產品，其值可達到其他海產品的1 000倍以上，說明南極磷蝦具有富集氟的特性。

由于南極磷蝦在脫殼前后氟含量差異非常大，脫殼時86%氟可隨舊殼拋入大海，新生甲殼氟含量非常低，但在脫殼36 h后南極磷蝦體內氟化物可達到最大值，且此時南極磷蝦口器與捕捉器尚未成熟，故排除通過食物鏈蓄積的可能性[10]。NICOL，et al[11]和潘建明等[12]的研究表明，南極磷蝦甲殼內的氟主要來自于海水并非食物，并通過對生活在不同氟濃度的海水中的南極磷蝦中氟含量的測定認為，南極磷蝦甲殼中氟濃度主要受海水中氟濃度的影響。另外有研究發(fā)現，脫殼后的殘殼放置于海水中，至少是12 h內，含氟量又會顯著升高，結合新殼快速吸氟與舊殼的二次吸氟現象，更證實了南極磷蝦中的氟主要來自于海水而非食物，也說明了甲殼對氟的富集作用可以不涉及生命活動，大磷蝦蝦殼對氟存在某種特殊的吸附作用，這是否與甲殼自身的結構與組分有關，還需要進一步探究。

2 南極磷蝦中氟的含量及其分布規(guī)律

1979-2017年間各國對南極磷蝦不同組織（干重）中氟含量的測定結果顯示[12-15]：南極磷蝦整蝦中氟含量極高，其值在1 142～2 400 mg/kg，甲殼氟含量2 566～4 028 mg/kg，肌肉氟含量約250 mg/kg，按照美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）規(guī)定，以氟化鈉（NaF）計，人體攝入氟含量不能超過100 mg/kg的標準[16]，顯然南極磷蝦是不能作為食品被直接食用的。從氟在南極磷蝦各組織中的含量分布來看，南極磷蝦不同組織的氟含量分布存在差異，氟主要集中在南極磷蝦蝦殼內，蝦頭中氟含量也很高，有研究發(fā)現甚至可能高于甲殼中氟含量[16]，肌肉中氟的含量明顯較低，尤其是鮮活的南極磷蝦，其肌肉中氟的含量可低于100 mg/kg（濕重）。從時空的分布來看，不同時期、不同國家測得的氟含量存在較大的差異，1979年挪威的SOEVIK，et al[13]測得整蝦氟含量2 400 mg/kg，而1994年張海生等[14]測得整蝦氟含量1 232 mg/kg，且不同站位也存在一定的差異性。這可能跟南極磷蝦的生長在不同的海洋環(huán)境和其本身大小存在一定的關系，但整體含量仍然很高。由此看來，若將南極磷蝦加工成食品以及保健品等，必須考慮高氟問題，去氟成了南極磷蝦加工的一個重要步驟。

3 南極磷蝦中氟的賦存形態(tài)、作用機理及遷移變化規(guī)律

3.1 南極磷蝦中氟的賦存形態(tài)

通過對土壤、地殼等環(huán)境中不同氟化物的形態(tài)研究，人們逐漸認識到人體對不同形態(tài)氟的吸收利用存在差異性[17]。水溶態(tài)和離子態(tài)氟易被人體吸收，參與機體的新陳代謝[18-19]，而有機氟則不易被人體所吸收利用[20]。故對南極磷蝦氟的賦存形態(tài)分析是評價其安全性的關鍵。潘建明等[12]通過氯仿萃取法得到氟的有機態(tài)和無機態(tài)的兩種賦存形態(tài)，且這兩種形態(tài)氟在各個部位中含量相當。進一步的研究發(fā)現，南極磷蝦以有機態(tài)的形式吸收氟，并以弱結合方式賦存，在脫殼時，在體內酶或激素的作用下，又逐步轉化為無機氟釋放到環(huán)境中，南極磷蝦對氟的富集實質是有機氟與無機氟相互轉化的過程。趙曉軍等[21]采用逐級化學—超聲波浸提技術對南極磷蝦粉中氟的賦存形態(tài)進行定量分析研究，得到水溶態(tài)氟（15.7%）、氧化態(tài)氟（31.7%）、可交換態(tài)氟（17.1%）、殘渣態(tài)氟（14.0%）和有機束縛態(tài)氟（21.5%）5種形態(tài)氟，并且水溶態(tài)氟與可交換態(tài)氟這2種生物有效氟占總氟的32.8%，然而這種對氟的形態(tài)含量進行定量分析的方法，是依據巖石、煤、土壤中氟的形態(tài)分析方法得到的，得到的幾種形態(tài)氟可能會存在交叉重疊現象，使得結果不一定準確，對南極磷蝦氟的賦存形態(tài)還需要進一步探究。

3.2 南極磷蝦富氟的機理

南極磷蝦相比較南大洋其他海洋生物含氟量異常高，可高達其他海洋生物的上千倍，在如此高濃度的氟含量下，還能正常生長，使得人們對其富氟機理產生了極大的興趣。南極磷蝦中的氟主要集中在甲殼中，而甲殼是以幾丁質有機相為模板，在磷、鈣等無機組分的生物礦化中形成。然而，相比較氟在外殼含量4 078 mg/kg，構成甲殼框架的幾丁質組分中含量并不高，僅為200 mg/kg，只占總量的4.9%[22]，這表明，氟不是以幾丁質結構組分的形式存在于甲殼中，可能是以其他有機態(tài)或無機態(tài)結合形式存在于甲殼中。由于南極磷蝦中氟在脫殼前后處于動態(tài)變化中，脫殼前新形成的甲殼氟含量非常低，隨著脫殼進行，舊殼中的氟開始顯著下降，甲殼處于軟化狀態(tài)，易于脫落，而新殼中氟含量迅速蓄積，達到一個較高水平，維持穩(wěn)定狀態(tài)，甲殼逐漸硬化。根據這種現象，一度有學者認為南極磷蝦對氟的富集是通過主動吸收進行的，是涉及生命活動的一種生理現象。然而張海生等[14]通過元素分析結果表明，氟與海水中的鉀、鈉、鎂等主要元素結合并不密切，而與南極磷蝦甲殼角質層的鈣、磷元素聯系尤為密切，并且在磷蝦脫殼后的生長過程中，甲殼中的鈣隨時間的增加基本與氟同步增加。鈣、磷作為生命體的主要元素，多以無機鹽的形式集中于甲殼、骨骼、牙齒等組織中，參與組織的硬化及維持機體鈣磷的平衡，氟與鈣、磷的反應可能是通過氟與磷灰石的反應而實現：Ca5（PO4）3OH+F-=Ca5（PO4）3F+OH-，這種結合方式是氟與鈣、磷最穩(wěn)定的結合方式，是形成甲殼組織的主要方式之一，可促進甲殼的硬化。此外，脫殼后的蝦殼的二次吸氟現象也證明了，南極磷蝦對氟的富集也不一定是生命活動所必需，故目前認為離子交換吸附可能是大磷蝦富氟的主要方式之一[23]。

3.3 氟在南極磷蝦中的遷移變化規(guī)律

潘建明等[11]在研究氟在南極磷蝦生長中的遷移變化規(guī)律中發(fā)現，氟在南極磷蝦脫殼過程中有內循環(huán)規(guī)律，蝦肉中氟含量的變化與甲殼中氟含量的變化呈周期性變化特征。南極磷蝦在脫殼過程中，舊殼氟含量約會降低90%[17]，而新形成的蝦殼與肌肉氟含量仍維持較低水平，說明舊殼中的氟不向新殼與蝦肉中轉移，而是釋放到海水中，隨著脫殼的進行，新殼從海水中不斷吸氟，使得氟含量會迅速升高，肌肉中氟含量也會小幅度升高，在脫殼末期，肌肉中的氟又會降低到較低水平，新殼中的氟會稍微有所下降之后升高維持較高水平穩(wěn)定，說明南極磷蝦中的氟來源于海水，脫殼過程中通過某種方式又回歸到自然環(huán)境中，蝦肉中的氟可能在即將脫殼短時間內轉移至新生蝦殼，蝦殼具有富集氟的作用。。

由于活南極磷蝦肌肉中氟含量很低，肌肉中僅為64 mg/kg[24]，甲殼中的氟含量高但極不穩(wěn)定，南極磷蝦死后，在內源酶的作用下，機體會產生“自溶”現象，蝦殼內的氟會不可逆的滲入肌肉中，導致蝦肉中氟含量升高[20,25-28]，因此南極磷蝦捕獲后，必須進行脫殼處理。研究發(fā)現，南極磷蝦經冷凍保存后，肌肉中氟含量可達到新鮮磷蝦6倍以上，故在凍藏過程中氟也可產生遷移變化。朱蘭蘭等[25]與曹明秀等[26]研究發(fā)現，凍藏時間和凍藏溫度對南極磷蝦體內遷移的氟賦存形態(tài)與含量有非常重要的影響，隨著凍藏時間的增長，蝦殼中的氟有轉移到肌肉中的趨勢，并且轉化速率與凍藏溫度有關，溫度越低轉化速率越慢。這種現象可能與死后南極磷蝦體內內源酶或激素的作用有關，南極磷蝦死后，在體內內源酶的作用下會出現自溶現象，磷蝦各組織會發(fā)生生理學變化，經過長期冷凍保存，體內內源酶或激素可能會使磷蝦氟的賦存狀態(tài)發(fā)生變化，使有機氟轉變成易于被肌肉吸收的可溶態(tài)氟或離子交換態(tài)氟，從而使得蝦肉中氟含量升高。而內源酶或激素的作用又受到溫度與時間的控制，故儲存溫度與儲存時間會對氟的賦存形態(tài)與含量產生影響。

4 南極磷蝦中氟的毒性研究與食用安全性評價

4.1 南極磷蝦中氟的毒性研究

南極磷蝦中氟的含量很高，，一直以來人們都對南極磷蝦中氟的毒性大小存在一些爭議，人類對氟的蓄積一般是通過食物攝食進行的，若食用含有如此高含量氟的南極磷蝦，會對人體造成的危害尚未清晰，故近年來，以南極磷蝦為主要食物的動物健康狀況成為了其毒性研究的熱點。研究發(fā)現，以南極磷蝦為主要食物的南極企鵝骨骼含氟量高達6 448～7 187 mg/kg、海鳥可達832～5 012 mg/kg，已遠超過正常鳥類氟化物濃度，然而它們并沒有出現骨骼氟中毒現象，這說明南極磷蝦中的氟化物在企鵝與海鳥中以低毒形式存在。張玲等[27]應用動物實驗模型，分別用摻雜南極磷蝦粉與氟化鈉的相同氟濃度（150 mg/kg）的飼料喂養(yǎng)Wistar大鼠，同時設置對照組，來評估南極磷蝦中氟的毒性。結果顯示，喂食3個月后，實驗組與對照組大鼠的體重與臟器系數沒有明顯差異，但是磷蝦粉組肝臟、腎臟、脾臟、腦組織出現少量病變，氟化鈉組這四種組織病變非常顯著，對照組大鼠沒有出現病變。葛魯娜等[28]通過南極磷蝦氟在大鼠24 h血液吸收代謝實驗觀察中得到，氟化鈉組30 min后即可達到最高值，而相同氟濃度的南極磷蝦粉與蝦糜組，吸收量很少并且最高值都是出現在1 h后，吸收很慢，當24 h再次測量時，各組氟含量均下降到較低水平，但仍比灌胃前高。以上實驗均說明南極磷蝦中氟的毒性相比較氟化鈉的毒性低，南極大磷蝦中的氟以低毒形式存在，機體吸收的少且慢。這可能與磷蝦中的氟有很大部分是有機氟有關，但盡管如此，磷蝦飼料中的氟仍會在體內有殘留，會對大鼠臟器產生了損傷，若長期服用，毒性仍不可忽視。

就目前研究方法而言，對南極磷蝦中氟的毒性主要還是采用總量標準評價法，缺少對氟的賦存形態(tài)及其毒性等方面系統的研究，在涉及氟及其化合物的生殖毒性、發(fā)育毒性等研究中，也主要集中在動物實驗及雄性生殖毒性中，人群研究尚不充分，存在一定的局限性。另外目前關于南極磷蝦氟的毒性研究沒有考慮到種族差異及不同種族生理學方面的差異，企鵝、海鳥等屬于鳥類，大鼠屬于哺乳類，物種的差異及不同種族體內激素、酶、微量元素差異使得對氟的耐受量存在差異，這可能就是根本原因。

4.2 南極磷蝦的食用安全性評價

受高氟含量的限制，南極磷蝦目前主要用于提取磷蝦油與生產水產飼料。南極磷蝦油含有豐富的不飽和脂肪酸，對于輔助治療心腦血管疾病、控制血糖、改善記憶力等都有良好的療效，并且吸收性好，無毒副作用。MOREN，et al[20]、OLSEN，et al[29]及 JULSHAMN，et al[30]用南極磷蝦粉代替魚粉作為蛋白源，喂養(yǎng)水產養(yǎng)殖魚類，發(fā)現不同魚類對磷蝦粉的反應不同，有的魚類對磷蝦粉沒有明顯作用，有的魚類氟含量會隨著攝食量的增加而增加，除了影響生長，整體上不會產生器質上的損害，并且攝入的氟大多被排出體外，故可用磷蝦粉作為蛋白源喂食魚類。王璐[31]在模擬南極磷蝦氟的風險商中顯示，若食用整蝦，中等暴露地區(qū)與高暴露地區(qū)風險商均大于1，表明存在顯著風險，若使用蝦肉部分，南極磷蝦中氟的風險商均小于1，表明不存在風險，故捕獲后采用快速脫殼冷凍技術可大大降低安全風險，檢測蝦肉氟含量能達到20 mg/kg水平，這也符合美國FDA對食品含氟量的要求。但是此方式對技術、時間等要求較嚴格，目前研究熱點主要集中在南極磷蝦脫氟工藝的優(yōu)化上。

5 南極磷蝦脫氟工藝的研究

高氟含量是影響南極磷蝦食用價值的關鍵，上世紀80年代，大多建議將捕獲后的南極磷蝦迅速脫殼處理，以減少蝦肉氟含量，但此方式對技術要求高，并且脫殼后的蝦肉仍不能作為安全食品直接食用。近年來，以氯化鈣、生石灰、醋酸鈣等鈣制劑作為鈣源，利用鈣鹽沉淀法Ca++2F-=CaF2脫氟成為新的研究熱點。通過在酶解液中加生石灰（呂傳萍等[32]）、氯化鈣（李紅艷等[33]）可有效脫氟，但是加生石灰反應放熱會使蛋白質變性，而且酶解液中殘存的Ca+會造成產品含有苦澀味，影響口感，不適用于食品。而后張迪等[34]選擇常用于食品添加劑的醋酸鈣作為鈣源，得到脫氟率為（84.15±1.37）%的酶解液，此法能最大限度的保留營養(yǎng)成分與原始風味，應用于食品工業(yè)可行性較強。郭帆等[35]選取2種有機鈣（醋酸鈣與乳酸鈣）和2種無機鈣（氯化鈣與生石灰）作為鈣源脫氟實驗中，發(fā)現有機鈣源脫氟效果與氨基酸等營養(yǎng)成分的保留優(yōu)于無機鈣源，并且乳酸鈣的效果最好，并且在此基礎上按比例添加活性氧化鋁吸附脫氟，脫氟率可達93.98%，對氨基酸成分影響也較小，故也可作為未來有前景的脫氟方法。此外也有通過加入鹽酸、檸檬酸等化學試劑進行化學處理以及利用改性后果皮的吸附作用的生物學法對南極磷蝦進行脫氟方法。總的來說，以鈣制劑作為脫氟鈣源可以有效去氟，但是殘留Ca+會產生的苦澀味，化學處理會對粗蛋白與水解氨基酸造成一定的破壞作用，影響食品風味和營養(yǎng)價值，生物法對南極磷蝦營養(yǎng)損害較小且原料來源廣，但是脫氟率底，僅能達到66%。

由于目前南極磷蝦脫氟方法主要是依據水的脫氟方式，存在很多不適應性，各個方法各有利弊，還需要繼續(xù)探索，例如若能將脫氟率高的鈣鹽沉淀法與營養(yǎng)損害小的生物法相結合，同時利用果皮自帶的香味作為遮蔽劑作為一種新的方法或許更加有前景。

6 展望

南極磷蝦作為21世紀最有潛力的蛋白資源庫，其開發(fā)受到全世界的廣泛關注，但其在捕撈后必須在數小時內進行脫殼處理才能被加工食用，隨著時間的延長體內的自溶酶會將南極磷蝦溶解，會對其品質產生影響，甲殼中的氟也會滲透到肌肉中，因此對捕撈技術及加工技術要求較高，就我國目前而言，在南極磷蝦產業(yè)開發(fā)中，改進捕撈技術，加大對加工工藝的研發(fā)力量以及改進脫氟技術是重中之重。在工藝創(chuàng)新方面，可采用分級提取加工的方式，比如提取肌肉組織中的蛋白質與油脂，生產高蛋白食品與磷蝦油，提取甲殼中的甲殼素與殼聚糖，制取醫(yī)藥用品與化妝品，此外南極磷蝦體內有豐富的內源酶，可提取內源酶，用于生物或醫(yī)療；在脫氟方面，應探索健康高效的脫氟技術，最后在開發(fā)南極磷蝦策略中，產品的經濟技術分析，產品的市場需求和調查等應該放在比較重要的位置，經濟成本和市場需求分析，是整個南極磷蝦商業(yè)開發(fā)計劃的基礎。