南極磷蝦蛋白質營養及利用研究進展

姚夢珂，張綿松，趙福江，范寧寧，劉昌衡，賈愛榮*

（1.齊魯工業大學（山東省科學院）生物研究所，山東 濟南 250103；2.山東省海珍品精深加工技術重點實驗室，山東 濟南 250103；3.山東魯華海洋生物科技有限公司，山東 濟南 251400）

南極磷蝦（Euphausia superba），節肢動物門（Arthropoda），磷蝦屬（Euphausia），又名大磷蝦或南極大磷蝦，是一種以群集方式生活在南冰洋的南極洲水域的無脊椎動物，密度可達10 000只/m3～30 000只/m3[1]。中國2010年開始南極磷蝦的捕撈作業，目前捕撈量約占世界總捕撈量的10%[2]。南極磷蝦具有極高的營養價值，整蝦的近似分析顯示，水分、粗蛋白和總脂肪分別為77.9%～83.1%、11.9%～15.4%和0.4%～3.6%，幾丁質約2%。另外，南極磷蝦中含有豐富的酶類、微量元素、活性物質等，在醫藥、食品、化妝品等領域應用廣泛。其產品形式也多種多樣，有磷蝦干等干制品、磷蝦醬等鹽釀食品、冷凍磷蝦肉等冷凍制品、磷蝦油和磷蝦蛋白質粉等精制品還有磷蝦肉腸等糜制品[3]。南極磷蝦蛋白質含量高，被認為是多細胞動物中最大的優質蛋白質來源。但是南極磷蝦體內有豐富的酶系統，極易發生自溶[4]，并且體壁中氟含量很高，自溶后容易滲入蝦肉[5]，因此需要在磷蝦捕撈后迅速進行處理。目前以南極磷蝦蛋白質為基礎的食物種類較少，其開發和利用還有待深入挖掘，即使現在已有許多關于南極磷蝦蛋白質的報道，但對其結構、功效的研究還亟待深入。本文主要綜述了南極磷蝦蛋白質的研究進展，以期對其未來的高值開發利用提供技術參考和理論支持。

1 南極磷蝦蛋白質的營養特性

1.1 蛋白質含量

南極磷蝦中蛋白質含量極其豐富，占其干重的60%至65%，冷凍南極磷蝦蛋白質含量為49%[6]。其中蝦肉中蛋白質含量占整蝦蛋白質的41%，含量最高的是肌原纖維蛋白，占總蛋白質的60%～70%[7]。南極磷蝦蛋白質含量高于海參、鮑魚、雞蛋等常見高蛋白食物，近似于黃花魚、帶魚、豬肉等[3]。其蛋白質含量完全可以滿足人體需要，成為高蛋白質食物。

1.2 蛋白質的氨基酸組成

南極磷蝦蛋白質共含有18種氨基酸，其中8種是必需氨基酸（essential amino acid,EAA），包括7種成人自身不能合成，必須從食物蛋白質中攝取的蘇氨酸（Thr）、色氨酸（Trp）、纈氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）、賴氨酸（Lys）、苯丙氨酸（Phe），和 1種嬰幼兒合成不能滿足需要的組氨酸（His），此8種必需氨基酸含量均符合聯合國糧食及農業組織（Food and Agriculture Organization，FAO）、世界衛生組織（World Health Organization，WHO）、聯合國大學（United Nations University,UNU）的推薦攝入量[8]。10種非必需氨基酸（nonessential amino acid,NEAA）分別是丙氨酸（Ala）、甘氨酸（Gly）、天冬氨酸（Asp）、脯氨酸（Pro）、酪氨酸（Tyr）、胱氨酸（Cys）、蛋氨酸（Met）、精氨酸（Arg）、絲氨酸（Ser）、谷氨酸（Glu）。其中含量最高的是 Glu（14.6 g/100 g干重），其次是 Asp（12.2 g/100 g干重），再次是Lys（8.58 g/100 g干重）[7]。但南極磷蝦中 Val和 Thr含量較低，分別是第一限制氨基酸和第二限制氨基酸。

1.3 蛋白質評價

南極磷蝦蛋白質組成均衡且具有較高的品質。研究表明，南極磷蝦蛋白質的生物價值高于其它肉類蛋白質和牛奶蛋白質（如酪蛋白），但低于蛋類蛋白質[8]。南極磷蝦肉的必需氨基酸指數（essential amino acid index,EAAI）為 43.0，略低于南美白對蝦（EAAI=52.3）[9]；南極磷蝦肌肉EAAI為54.94，高于中國明對蝦和刀額新對蝦[10]，且兩者都高于FAO/WHO推薦的理想蛋白質模式中營養價值較高的蛋白質EAAI（40.0）。呈味強度值（taste activity value,TAV）可作為南極磷蝦滋味貢獻的評價指標，TAV值大于1時，表明該氨基酸對某種味道有影響，且影響程度與數值成正比[11]。南極磷蝦中最主要的鮮味劑是 Glu（TAV＞1），其次是 Asp（TAV＜1）；主要甜味劑是 Ala（TAV 在 2.92～3.13）；南極磷蝦中共有 9 種苦味氨基酸，分別是 Leu、Ile、Met、Arg、Lys、His、Val、Phe、Tyr，它們的 TAV 均大于 1，因此南極磷蝦酶解液不可避免會有苦味，這也是研究人員亟需解決的問題，脫苦對南極磷蝦制品的口感及風味研究具有重要意義[12]。

通過對南極磷蝦蛋白質的營養特性分析，可知南極磷蝦蛋白質營養價值極高，是人體補充營養的優質蛋白質來源，但是其多肽存在苦味等風味問題，因而，研究專屬性高的多肽精制技術是提升南極磷蝦蛋白質高附加值的關鍵。

2 南極磷蝦蛋白質制備方法

目前，對于南極磷蝦蛋白質的制備工藝要求越來越高，不僅要提取高質量、高生物活性的蛋白質，更要注重提取效率和產業化發展。目前應用較廣泛的南極磷蝦蛋白質制備方法有酶解法、等電促溶促沉（isoelectric solubilization/precipitation，ISP）技術、堿溶酸沉技術及多種技術聯用，均取得了很好的效果。

2.1 酶解法

2.1.1 體外酶解

酶解法安全無毒、簡單便捷，在食品行業應用較多，通過添加某些外源酶的方法可以獲得一些在生物體內含量很低的生物活性肽，實現加工需求。目前用于制備南極磷蝦蛋白質的酶有木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、酸性蛋白酶等，其中木瓜蛋白酶應用最為廣泛。王凌云等[13]利用木瓜蛋白酶對南極磷蝦肉糜進行酶解，確定最優酶解條件的同時測定了該水解產物的相對分子質量為3 000Da～5000Da，再通過噴霧干燥成功制得南極磷蝦蛋白質粉。崔亞菲[14]也篩選出木瓜蛋白酶為最適合南極磷蝦酶解的蛋白酶，并優化了酶解工藝參數，得到了高質量南極磷蝦蛋白質：水解度為41.2%，必需氨基酸（EAA）/總氨基酸（totalaminoacid，EAA）為39.49%，EAA/NEAA為65.26%，EAAI為56.31，均高于南極磷蝦原蝦。

2.1.2 自溶法

南極磷蝦體內含有磷脂酶、核酸酶、蛋白酶、羧肽酶等豐富的高活性降解酶，待其死后，這些酶便會被釋放進組織，并迅速使磷蝦自溶。根據此特性，許多研究者利用控制自溶的方式，從南極磷蝦中提取蛋白質，使南極磷蝦的加工過程更加經濟高效。尹利昂等[15]以冷凍南極磷蝦為原料，分別采用控制自溶的方式和ISP技術制備南極磷蝦富脂蛋白質，發現控制自溶法制備的富脂蛋白質較ISP技術含有更多的必需氨基酸和ω-3多不飽和脂肪酸，因此控制南極磷蝦自溶，以及優化其自溶條件能夠高效制備南極磷蝦蛋白質。

2.2 ISP技術

ISP技術是通過鹽酸和氫氧化鈉使pH值變化，發生等電行為，從而誘導蛋白質溶解或沉淀的過程[16]。GB 2760—2014《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》中明確指出，鹽酸和氫氧化鈉可作為加工助劑且不需限定殘留量，應用于各類食品的生產加工中，因此該技術不僅能夠保證蛋白質的營養特性，并且安全可靠。CHEN等[8]研究表明，利用ISP技術提取的南極磷蝦蛋白質中所含的必需氨基酸和非必需氨基酸均高于整蝦中的含量，且發現極端pH值條件（pH 3和12）下的提取物的氨基酸含量最高。但ISP技術也存在障礙，ISP技術提取的南極磷蝦蛋白質不易形成凝膠，因此不能滿足某些特殊食品的質構要求。針對此問題，ZHENG等[17]研究發現通過添加k-卡拉膠能顯著改善ISP-南極磷蝦蛋白質的凝膠特性，隨著k-卡拉膠的添加，南極磷蝦蛋白質凝膠網絡的微觀結構逐漸由以磷蝦蛋白質為主的網絡結構向以k-卡拉膠為主的網絡結構轉變，凝膠特性增強。

2.3 堿溶酸沉法

堿溶酸沉技術主要是通過調整溶液pH值創造酸性或堿性環境，改變南極磷蝦蛋白質分子的電荷，使蛋白質分子之間相互作用，從而加快與其它物質的分離。堿溶酸沉法在南極磷蝦蛋白質的提取中不僅可以提高最終上清液中蛋白質得率，還可以提高沉淀中蛋白質的回收率，適合工業化生產。高飛等[18]利用響應面分析法優化了堿溶酸沉法提取南極磷蝦蛋白質的條件，堿溶階段pH值優化為11.5，酸沉階段pH值優化為5.5，過濾掉沉淀物后，南極磷蝦上清液中蛋白質得率為10.81%。朱俊向等[19]利用堿溶酸沉法制備的南極磷蝦沉淀中蛋白質回收率高達63.21%，且在最佳工藝條件下的南極磷蝦蛋白質溶解性、持水性、持油性、乳化穩定性和起泡性均良好。

2.4 多種技術聯用

南極磷蝦蛋白質提取技術的聯合應用有利于彌補單一技術的不足，使蛋白質生產加工過程更加高效。QI等[20]在ISP技術的蛋白質堿提取過程中，采用多級逆流系統，在很大程度上提高了低氟磷蝦蛋白質的回收率。在磷蝦與水比為1∶10（g/mL）的條件下，采用三級逆流提取法，上清液中蛋白質提取率為（95.1±0.6）%，沉淀總回收率達（67.9±1.6）%。朱俊向等[19]利用等電點沉淀法制備了南極磷蝦蝦糜，并優化了蝦糜的制備工藝：液料比為 3.2 ∶1（mL/g）、酸沉階段 pH 4.4、靜置1 h，此條件下沉淀中蛋白質回收率高達70.05%。南極磷蝦在加工過程中被丟棄的蝦殼、蝦頭等下腳料中也含有蛋白質，一些技術的聯用可實現這些下腳料的有效利用，降低環境污染并提高經濟價值。徐洋等[21]研究發現，超聲輔助酶解法能夠提高南極磷蝦下腳料中蛋白質的回收率，并確定了酶解最優條件：固液比為1∶10（g/mL），超聲輔助功率為150 W等，此時蛋白質回收率為87.42%。

3 南極磷蝦蛋白質改性工藝

當前，蛋白質在食品生產中的應用逐漸增多，用于加工的蛋白質不再僅要求具有優良的營養特性，還需要具備一定的功能特性，即蛋白質在加工、貯藏和消費過程中的物理化學性質。天然蛋白質的功能特性往往具有很大局限性，因此，許多研究人員為了擴大蛋白質應用范圍，開始對蛋白質的改性展開研究。蛋白質的改性方法一般可以分為化學法、生物法和物理法。

3.1 化學改性法

蛋白質的化學改性是指利用化學方法，把某些功能基團引入蛋白質，通過改變蛋白質的結構、靜電荷和疏水基團等來改善蛋白質的性質。南極磷蝦的化學改性主要有磷酸化改性和糖基化改性。

3.1.1 磷酸化改性法

磷酸化改性是指用磷酸根基團取代蛋白質側鏈活性基團，此過程可以增加蛋白質電負性，增強蛋白質分子間靜電斥力，從而改善其功能。常用的磷酸改性試劑有三聚磷酸鈉（sodiumtripolyphosphate，STP）、三偏磷酸鈉（sodium trimetaphosphate，STMP）、三氯氧磷（phosphorus oxychloride）等。戚亭等[22-23]研究小組以STP對南極磷蝦蛋白質的磷酸化改性進行了系統的研究，確定的最佳磷酸化條件為：pH 9.04、蛋白質質量濃度22g/L、反應時間1.55h、溫度39.9℃、STP添加量6.55 g/100 g蛋白，優化后磷酸化水平較高（41.91 mg/g）。改性后的南極磷蝦蛋白質較未改性南極磷蝦蛋白質的溶解性、吸水性、乳化性、起泡性等有所改善。

3.1.2 糖基化改性法

糖基化改性即在蛋白質-糖接枝反應過程中，氨基酸側鏈的氨基利用共價鍵與糖分子還原末端的羰基連接，發生羰氨反應，使得蛋白質的功能特性發生變化[24]。馮實[25]研究表明，不同種類的糖對南極磷蝦蛋白質的糖基化改性效果不同，且糖與蛋白質的比例為1∶1（g/g）時效果最佳。使用葡萄糖或葡聚糖進行改性的南極磷蝦蛋白質吸水性和溶解性最好，且葡萄糖改性蛋白質乳化性和乳化穩定性也很好；使用木糖改性的蛋白質具有良好的吸油性和吸水性。因此，在進行蛋白質的糖基化改性時需要根據預期目標對糖的種類、反應條件進行篩選，從而獲得效果最好的改性蛋白。另外，因為糖基化過程是自發、自然的反應，不需要外加化學試劑，有利于其在食品工業中的利用。

3.2 生物改性法

目前，南極磷蝦蛋白質采用的生物改性法主要是酶解改性法。酶解可以使蛋白質生成大量具有生物活性的小分子多肽或氨基酸，從而改善蛋白質的功能特性。蛋白質的酶解改性具有很多優點，如專一性強、作用條件溫和、安全環保等，被認為是最有效的蛋白質改性途徑之一。史洲銘等[26]研究發現，利用木瓜蛋白酶酶解后的南極磷蝦蛋白質較未酶解的蛋白質吸水性、泡沫穩定性和乳化性有明顯增強，吸油性和起泡性下降。

3.3 物理改性法

物理改性方法通常作用時間短、安全性高，在特定條件下可以改變蛋白質的構象和性質。南極磷蝦蛋白質常用的物理改性方法是超聲波輔助改性法，適當的超聲波處理能夠改善南極磷蝦蛋白質的功能特性。馮實[25]研究發現，南極磷蝦蛋白質的起泡性、泡沫穩定性、溶解性、乳化性、持水性等功能特性與超聲時間、超聲強度、超聲溫度有關。通過響應面優化試驗可知，南極磷蝦蛋白質在70℃、250 W下超聲處理12.5 min時可獲得最高溶解性的超聲改性蛋白質，達51.90%。

4 南極磷蝦蛋白質的生物活性

南極磷蝦蛋白質及其改性產物具有抗氧化、預防骨質疏松、調節心血管、預防腫瘤和艾滋病、免疫調節、抑制真菌、抗病毒等生理活性。

4.1 抗氧化活性

與酪蛋白相比，南極磷蝦蛋白質具有較高的谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）和總超氧化物歧化酶（totalsuperoxidedismutase，T-SOD）活性，具有促進生長和提高機體抗氧化能力的作用[27]。CHEN等[28]研究發現，從南極磷蝦中制備的高F值寡肽（high fischer ratio oligopeptides，HFP）能通過提供電子或氫自由基來抑制DPPH自由基反應，可以作為一種羥自由基清除劑，減少或消除生物系統中羥自由基的損傷。HFP在4.0 mg/mL時對超氧陰離子自由基的最大清除率達91.37%，對ABTS+自由基的最大清除率達（89.32±3.89）%。此外，HFP還具有還原能力和脂質過氧化抑制能力。

4.2 調節心血管功能

血管緊張素轉換酶（angiotensin converting enzyme，ACE）是調節血壓的關鍵酶，據研究，ACE抑制肽的活性與其分子量和氨基酸序列有關[29]。ZHAO等[30]從南極磷蝦蛋白質水解液中分離出8種降壓肽，其中Trp-Phe（0.32±0.05）mg/mL 和 Phe-Ala-Ser（0.15±0.02）mg/mL對ACE抑制活性較強。心血管疾病除了高血壓外還有一個主要前兆——動脈粥樣硬化，內皮素-1（endothelin-1，ET-1）在動脈粥樣硬化斑塊上的表達增加以及內皮源性一氧化氮（NO）的減少在動脈粥樣硬化過程中均起重要作用。南極磷蝦蛋白質水解液中分離出的 Trp-Phe、Tyr-Arg-Lys、Phe-Gln-Lys和Phe-Ala-Ser這4種肽可以增加人臍靜脈內皮細胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVEC） 培養液中NO的濃度，降低ET-1的含量，同時顯著逆轉了0.5 μmol/L甲腎上腺素對NO以及ET-1產生的影響，這說明分離的降高血壓肽能糾正去甲腎上腺素誘導的內皮細胞功能障礙，從而抑制動脈粥樣硬化的發生。二肽基肽酶IV（dipeptidyl peptidase-IV，DPP-IV）是調節血糖的關鍵酶，它能切割和滅活95%以上的抑胃肽（gastric inhibitory polypeptide，GIP）和胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1），從而提高血糖[31]。JI等[32]首次報道了南極磷蝦蛋白質雙生物活性肽的序列：Lys-Val-Glu-Pro-Leu-Pro和Pro-Ala-Leu，對調節血壓和血糖的關鍵酶ACE和DPP-IV同時具有抑制活性。

4.3 抗骨質疏松活性

鈣對于骨骼生長具有重要作用，缺鈣可能會導致骨質疏松癥，可以利用鈣結合肽來提高鈣的吸收和生物利用率[33]。HU等[34]從南極磷蝦蛋白質水解液中純化出了一種鈣螯合肽：Val-Leu-Gly-Tyr-Ile-Gln-Ile-Arg，通過反相高效液相色譜法分析可知，該多肽表現出較高的鈣結合能力（0.134 mmol/g），且鈣離子的螯合位點可能在Gln、Ile和Arg殘基的羰基或氨基上。另外，骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和Wnt信號在骨細胞分化過程中起重要作用[35]，靶向激活BMP和Wnt分子通路可能成為治療老年性骨質疏松癥的潛在治療途徑。南極磷蝦肽可以通過激活BMP2/Smads和Wnt/b-連環蛋白分子途徑改善老年性骨質疏松癥，從而促進骨形成[36]。

5 總結

南極磷蝦蛋白質中氨基酸種類豐富、含量極高，且具有優良的生物活性，是不可多得的天然保健物質。因此對于南極磷蝦蛋白質的組分特征、營養功能、提取制備、改性等方面的研究極為重要。關于南極磷蝦的研究，目前亟待解決的問題有：一是南極磷蝦含有大量氟元素，對于其死亡后氟元素的遷移過程研究尚不明確，在制備相關制品時需要考慮氟脫除；二是南極磷蝦在捕撈死亡后迅速自溶，其蛋白質極易發生變性，從而損失大部分營養成分，因此需要優化捕撈處理設備；三是酶解后的南極磷蝦中含有大量的苦味肽，會影響其食用風味與口感，酶解后要考慮苦味脫除等精制技術。針對上述問題，雖然研究人員已開展多方面研究，但還未在生產加工中得以系統性解決。因此，創立一套完整的分離效能高、專屬性高、速度快、選擇性高、靈敏度高的南極磷蝦蛋白質及多肽提取分離技術，是未來發展的方向，也是提升南極磷蝦資源的高附加值利用、促進產業快速發展的有效途徑。