牛磺酸的加工與檢測技術及其應用研究進展

張鳴鏑，詹 妮，李圣橈，周亞軍

（吉林大學食品科學與工程學院，吉林長春 130062）

牛磺酸（Taurine） 又稱牛膽素、牛膽堿等，學名為β-氨基乙磺酸，得名于首次從牛膽汁中分離[1]，直至1975年，Hayes K C等人[2]首次報道用缺乏牛磺酸的飼料喂貓，會使貓的視覺功能減退，若長時間缺乏可致失明，從而引起了人們對牛磺酸營養作用的極大關注。牛磺酸純品為無色或白色斜狀晶體，無臭，其化學性質穩定，不溶于乙醚等有機溶劑。牛磺酸是一種含硫氨基酸，以游離氨基酸的形式普遍存在于動物各組織中，并調節其正常的生理機能[3-4]。現已確認，牛磺酸在體內具有生理活性和多種營養功能，包括增強細胞的抗氧化能力、參與三大有機質代謝、調節免疫反應和機體內分泌、保證動物神經系統的正常發育等[5]。

現階段，國內外學者對于牛磺酸的研究主要從提取分離、測定含量、生理功能和應用等方面來探究。國內主要側重于牛磺酸的提取分離、純化和工藝的優化等，而國外則偏向于探究牛磺酸的生理功能及在醫學方面的應用。圍繞牛磺酸的提取、分離純化、測定和應用等方面來論述國內外研究進展，對牛磺酸加工與應用提供重要的參考價值。

1 牛磺酸的研究進展

1.1 牛磺酸的提取

由眾多學者研究得知，牛磺酸的生產方法主要有2種：化學合成法和天然提取法。目前，應用比較廣泛的是化學合成法，但是由于有劇毒的物質會存在于化學合成法的原料和生產過程中，隨著對安全的追求和綠色化學的發展，人們越來越提倡使用由天然提取得到的牛磺酸。在眾多能夠提取出牛磺酸的動植物組織中，海洋生物體內具有的牛磺酸含量更高，因此從海洋生物中提取純化牛磺酸的得率會更高。

1989年，我國的巫建國[6]、顏貽謙等人[7]首次提出從魚貝類和牛初乳中提取牛磺酸，雖然只是定性確定了牛磺酸的存在，但開創了研究牛磺酸的提取方法和優化工藝探究之路。而之后，錢俊青等人[8]以珍珠貝母為原料，通過細胞自溶破壁的方式使牛磺酸溶出，又以離子交換樹脂法分離純化了其中的牛磺酸。陳體強等人[9]在原木靈芝浸膏粉和孢子粉中采用熱水提取-磺基水楊酸沉淀法對樣品進行前處理，提取并測定了其中牛磺酸的含量。

牛磺酸提取的早期研究中，大多采用水煮法提取牛磺酸。黃志勇等人[10]就采用了水煮的方法得到粗提液，再通過陽離子交換樹脂分離出牛磺酸的粗品，最后經過重結晶得到純品。這種從下腳料中提取牛磺酸的工藝流程設計合理、操作方便，為后來從其他水產品中提取牛磺酸提供了有效的思路及方法。楊廣會等人[11]以魷魚為原料，采用水煮提取法對牛磺酸的提取工藝進行了優化探索，在確定了提取時間、提取溫度、提取次數、料液比等因素影響的基礎上，采用正交試驗確定了從魷魚中提取牛磺酸的最佳工藝，其提取量高達7.26 mg/g。

由于加工設備和方法技術的發展，提取牛磺酸的方法也逐漸多樣化。欒合密等人[12]研究了以得率為考查指標，比較破壁自溶法、水提法和超聲法提取四角蛤蜊中牛磺酸的效果，發現最佳提取方法為超聲法；并且經過對不同超聲次數、超聲時間進行比較試驗，得出超聲2次，每次提取30 min為最佳提取工藝。鄭清等人[13]以超聲波輔助作用結合醇溶提取泥螺中牛磺酸，并通過單因素試驗及正交設計對提取工藝進行優化，得到提取的優選工藝條件，并在此條件下牛磺酸得率為6.79 mg/g。錢清華[14]結合近年來從海洋生物中提取功能性成分的研究成果和進展，分析了牛磺酸提取和分離的技術方法及應用，包括水煮提取、酶解、離子交換和膜過濾等。章騫等人[15]采用水煮、乙醇抽提、蒸發濃縮、沉淀、活性炭吸附、結晶等一系列工藝操作，從鮑魚內臟中獲取了高純度天然牛磺酸，得率為3.07 g/kg，且重復性好。

近年來，研究者側重于探索工藝的優化，以得到更高純度的牛磺酸。萬鵬等人[16]通過單因素試驗和正交試驗，研究了蛋白酶酶解法和超聲法提取香港巨牡蠣中牛磺酸的最佳工藝條件，并在最優條件下進行超聲波輔助酶解提取，最終牛磺酸的得率與單獨的堿性蛋白酶酶解法、超聲波法相比都更高。某公司[17]是將清洗過的魷魚內臟進行勻漿，勻漿后水提取到牛磺酸提取液；再對提取液進行2次超濾、離子交換層析純化、反滲透濃縮、醇沉、蒸餾、噴霧干燥等工藝操作，最終得到牛磺酸結晶純品。龔正斯[18]以牛磺酸提取率為指標，采用水煮法從章魚肝臟中提取牛磺酸，研究了料液比、自溶時間、提取溫度和提取時間4個因素對牛磺酸提取得率的影響，并通過正交試驗得到最佳提取工藝。

隨著更多高新設備和技術的出現，也有研究者將這些設備和技術應用到提取純化牛磺酸這一領域中。徐成等人[19]研究了超高壓技術提取牡蠣中牛磺酸的工藝過程，并采用高效液相色譜法（HPLC）測定牛磺酸的含量。又通過單因素試驗和正交試驗獲得最佳提取工藝，為發展高新技術應用于牡蠣中牛磺酸的提取提供了理論依據。同年，崔璨等人[20]以鮑魚內臟為原料，采用單因素試驗及響應面分析法（RSM）研究料液比、提取溫度、提取時間、提取次數4個因素及其交互作用對牛磺酸提取量的影響，并利用高效液相色譜法和掃描電子顯微鏡（SEM） 對純化的牛磺酸進行分析，建立各因素與牛磺酸提取量之間關系的數學回歸模型，確定了最佳水提條件。

由牛磺酸提取的研究歷史可知，主要的提取方法有水煮法、超聲法、結合醇溶的超聲波作用、蛋白酶酶解法、超聲波輔助酶解法和超高壓技術提取等，在這接近30年的研究中，學者不斷對提取條件進行改良和優化，創造性地將多種方法組合使用，并結合更新的設備技術，得到了更高提取率的牛磺酸。

1.2 牛磺酸的分離

牛磺酸的分離主要有如下幾種方法：離子柱洗脫法、沉淀法、膜分離法、離子交換色譜分離法、電滲析法和結晶-重結晶法等。并且通過對試驗過程中工藝條件的優化和分離膜的進化、離子交換樹脂的選擇等操作分離出更高純度的牛磺酸。張俊彬[21]首次以褶紋冠蚌為原料，對牛磺酸的分離工藝進行了研究，采用離子柱和聚酰胺柱協同分離，并探討了洗脫劑種類和洗脫速度對分離效果的影響，最終獲得了純度89.66%的牛磺酸，回收率高達73%。

大量的牛磺酸主要通過化學合成法生產用于藥用和化學，而國內主要采用磺化、乙醇胺脂化路線。最終反應產物為硫酸鈉和牛磺酸的混合物，二者的分離方法是牛磺酸純度和得率的關鍵。早期國內主要采用沉淀法來進行分離。其方法是，向混合液中加入氯化鈣溶液，再趁熱濾去產生的硫酸鈣沉淀，經60℃減壓濃縮后濾除氯化鈉，在5℃下冷卻析出牛磺酸，最后經過重結晶精制得到產品牛磺酸，該工藝存在的主要問題是回收率較低。而在同時期的日本，田代智康[22]采用離子交換分離法，在最佳試驗條件下回收率高達98.4%，而且產物的紅外光譜圖與標準品一致。

離子交換法是分離純化牛磺酸的基礎方法，早期的學者大多采用此法純化牛磺酸提取液。劉連慶等人[23]探討了不同的操作條件和離子交換樹脂對牛磺酸分離的影響，采用離子交換法分離牛磺酸和硫酸鈉，最后得出回收率97.0%，純度99.5%的牛磺酸。隨后，伍麗娜[24]擬選用國產吸附樹脂來觀察牛磺酸在多種吸附劑上的吸附-解析行為，并進行吸附樹脂在牛磺酸工業提純上的初步可行性研究。

近年來，超濾和電滲析等新技術陸續被應用到提取牛磺酸的研究中。張凌晶等人[25]為了研究膜分離法純化天然牛磺酸的工藝條件，利用超濾和反滲透濃縮技術，考查了Ultra-flo和卷式膜超濾系統對水提液中的蛋白質和固體懸浮物等雜質的清除效果，結果表明，牛磺酸收集液經反滲透可濃縮35倍左右。金照[26]采用結晶-重結晶法分離提純牛磺酸，考查了濃度、pH值、結晶時間對結晶過程的影響，并得到了最佳結晶條件。邵文堯等人[27]研究了在章魚下腳料中使用4種不同規格超濾膜分離天然牛磺酸的應用，從蛋白去除率、牛磺酸收率、膜污染、膜通量和膜清洗等方面考查了不同切割分子量、不同材質的平板超濾膜分離性能，獲得了從章魚下腳料中分離牛磺酸的較佳分離膜。

任舉等人[28]通過對牛磺酸粗品母液進行預處理，然后利用自制電滲析器分離母液中牛磺酸與無機鹽，并嘗試經過多次試驗來驗證工業化的可行性。胡凱倫等人[29]研究了酶解菲律賓蛤仔水煮液提取牛磺酸的工藝條件和提高牛磺酸純度的途徑，結果表明，堿性蛋白酶為最適提取酶，并獲得了最優酶解條件，此時牛磺酸純度為8.67%，回收率為95.80%。但酶解產物經陽離子樹脂交換、電滲析除鹽和乙醇重結晶提純后，純度有較大提高，為97.28%。

1.3 牛磺酸的檢測

目前，用于測定牛磺酸含量的方法主要有以下幾種：高效液相色譜法[30]、分光光度法[31]、高效液相色譜-示差折光檢測器法[32]、近紅外光譜法[33]、柱后衍生-高效液相色譜法[34]和瑞利散射法[35]等。

HPLC具有選擇性好、靈敏度高等顯著優點，使其成為食品和藥品分析領域中使用最便捷的分析技術[36]，在牛磺酸的檢測研究中也占據了重要地位。隨著科技的發展和設備的進步，牛磺酸的檢測技術也在不斷發展，HPLC聯用質譜、示差折光檢測器等都得到了廣泛應用。而分光光度法和瑞利散射法等也在眾多研究者的攻克下進行了無數次條件優化，獲得了更精確的含量測定范圍。桑曉等人[37]采用水提法提取野生全蝎與養殖全蝎中的游離牛磺酸，PITC柱前衍生化后進行反相高效液相色譜分析，用高效液相外標一點法測牛磺酸含量。試驗證明該方法靈敏度高、重復性好、回收率高，可用于全蝎的質量檢測與控制。

國外的研究者也多是采用分光光度法、高效液相色譜、高效液相色譜-熒光檢測、高效液相色譜-質譜聯用等方法測定牛磺酸的含量。

Portnaya E P等人[38]開發并驗證了一種新的分光光度法測定劑型中牛磺酸的方法。該方法基于測量波長470 nm處的牛磺酸水溶液吸收。該方法滿足烏克蘭藥典對藥物定量分析方法的要求，可推薦用于制藥企業質量控制部門和國家藥品質量控制檢驗實驗室。Mehdinia A等人[39]建立了一種簡單的柱前衍生方法，結合高效液相色譜-熒光檢測法同時測定海洋藻類中的高牛磺酸和牛磺酸，液相色譜-質譜法也用于確認藻類樣品中分析物的檢測。數據表明該方法成功應用于藻類樣品中高牛磺酸和牛磺酸的同時測定。

1.4 牛磺酸的應用研究進展

1.4.1 牛磺酸在食品領域的應用

國內外學者研究發現，牛磺酸能夠維持視覺、免疫、血液、生殖的正常功能，是動物機體內必不可少的一種生物活性物質。目前，全球牛磺酸的消耗量已超過2×104t，其中作為食品添加劑應用的占80%。歐盟、美國和日本等國家已明文規定，嬰幼兒和兒童食品中必須添加牛磺酸。

瞿東楊等人[40]試驗結果表明，在延長小鼠的負重游泳時間方面，單獨或與咖啡因同時添加牛磺酸作用效果顯著，而單獨添加咖啡因對延長小鼠游泳時間沒有作用效果，表明牛磺酸和咖啡因同時作用可以達到降低小鼠運動后血乳酸水平的最好效果。宋亮[41]以牛磺酸和多糖肽為原料，對牛磺酸多糖肽復合固體運動飲料的研制工藝進行研究，結果獲得了牛磺酸多糖肽復合固體運動飲料的最佳研制條件。

高血壓是引發心腦血管疾病死亡的重要危險因子，世界各國的患病率為10%～20%。因此，研發具有降血壓作用的生物活性物質具有重要意義。牛磺酸具有分布廣、分子小、無毒、好吸收等多重優點，并且可添加到食品中，多項in vivo，in vitro試驗都證明牛磺酸有降壓功效[42]。最新的離體試驗顯示[43]，牛磺酸能夠舒張置于5-HT和KCl中預收縮的人乳內動脈，但這一舒張效果被大電導Ca2+激活性K+通道的阻斷劑所抑制，提示牛磺酸的舒血管作用可能與激活大電導Ca2+激活性K+通道有關。

1.4.2 牛磺酸在醫學領域的應用

牛磺酸是一種特殊的高滲透性氨基酸類物質，對細胞凋亡和視網膜損傷有明顯的保護作用[44-46]。

由東等人[47]試驗證明，復方牛磺酸滴眼液能顯著防護兔眼瞼結膜、角膜和球結膜的炎性損傷，拮抗紫外線輻射導致的眼分泌物增多作用較強，具有明顯的降低兔眼睫狀肌張力作用。因此，復方牛磺酸滴眼液具有明顯的抗眼疲勞作用，為治療眼疲勞的適應癥提供了實驗室依據。劉錫軍等人[48]研究結果顯示，復方牛磺酸滴眼液可明顯改善小鼠腸系膜微循環作用，對大鼠具有明顯的抗眼過敏作用，表明復方牛磺酸滴眼液具有改善局部微循環和抗眼過敏作用。

近年來，牛磺酸在醫學領域的應用主要是由于其特殊的生理功能和能夠調節機體代謝的特點。Zvyagina T S等人[49]研究了牛磺酸對高果糖飲食誘導的代謝綜合征大鼠心臟線粒體功能活動的影響，并且已經確定牛磺酸能夠抑制碳水化合物不耐受胰島素抵抗。Seo Jung M等人[50]研究了牛磺酸和蘆薈提取物在體內和體外的抗刺激作用，發現牛磺酸和蘆薈提取物的混合物在體內和體外均顯示出對AlCl3刺激皮膚增強的抗刺激作用。結果表明，抗刺激活性物質的組合可能有效地減輕由含有刺激性物質的其他皮膚病學載體引起的刺激性接觸性皮炎。

1.4.3 牛磺酸在生產養殖中的應用

牛磺酸應用于食品動物中，可改善動物性食品的品質及生產性能，而且還可以提高我國動物性食品的競爭力。開發富含牛磺酸的動物性食品對增強體質、改善人體健康、提高產品的質量具有重要的經濟效益和社會價值。因此，牛磺酸作為一種保健型飼料添加劑應用于食品動物具有良好的應用前景，值得大力開發和應用。

王福強[51]研究出牛磺酸可作為一種較為安全的飼料添加劑，它的效用主要體現在利于加速動物的生長、抗病毒、抗應激及抗氧化、抗自由基損傷等。海洋動物的滲透壓也主要靠牛磺酸來維持和調節。向梟等人[52]研究表明，添加一定量的牛磺酸可顯著提高幼鯉對飼料中脂肪的利用率，并且可以減少體內的脂肪沉積、改善肌肉品質、促進其生長、提高機體的抗氧化能力。

牛磺酸具有提高飼糧的利用率和促進腸道吸收的功能。張建斌等人[53]在28日齡斷奶仔豬飼糧中添加0.1%牛磺酸，發現在斷奶后11 d時極顯著提高了粗蛋白質（CP）的消化率，也極顯著提高了仔豬對D-木糖、鈣、磷的消化率，并且提高了有機物（OM）、干物質（DM） 的消化率。

牛磺酸在肝臟中與膽酸結合生成牛磺膽酸，具有提升脂肪酶活性、促進脂肪乳化和協助脂溶性物質、中性脂肪、膽固醇消化吸收的作用[53]。黃仁術等人[54]研究了全植物蛋白質飼糧對斷奶仔豬生長性能的影響，飼糧中添加3%牛磺酸能明顯提高仔豬的平均日采食量（ADFI），且料質量比（F/G）降低了7.26%，表明全植物蛋白質飼糧中添加牛磺酸是合理的。

2 牛磺酸研究中存在的主要問題

在食品領域，牛磺酸的多種營養保健功能已被應用于食品營養強化劑和保健食品領域。目前，用于牛磺酸提取和分離純化的方法技術都比較基礎，也處于工藝優化階段，有些技術還不夠成熟，需要進一步探索發展。而且隨著更多高新技術的出現，應探索出更好的設備和技術用于牛磺酸的研究中。而隨著生活水平和健康知識的提高，牛磺酸作為營養保健品和強化食品添加劑將逐步被食品生產企業和消費者認識和接受。對牛磺酸的生理作用及其特性研究的深入探討，目前較多的仍是關于醫學的基礎試驗研究，所以應加強其關于食品方面的研究，開辟其廣泛的應用前景。

3 結語

牛磺酸具有多種營養生理功能和作用，在食品領域、養殖業和醫學研究中應用前景廣闊，有待于學者進一步深入研究牛磺酸在醫學中對人類疾病的研究治療和飼料中的適宜添加水平和添加形式，以及在功能性食品中更大范圍的應用，以促進其在更多領域的推廣和發展。而從天然產物中提取分離牛磺酸是一種較為高效、安全的途徑，因此還需要開發從更多種類的天然產物中提取純化牛磺酸的途徑，并對其工藝進行優化探索。牛磺酸具有參與三大有機質代謝、調節機體內分泌和免疫反應，以及保證動物神經系統的正常發育等生理功能，促使人們去發現它更多的應用途徑和更廣闊的發展前景，使牛磺酸這一個功效成分得到充分利用。