南極磷蝦油醇提工藝優化及其蝦青素熱穩定性研究

周慶新，谷彩霞，陳芳甜，李玉環

（日照職業技術學院海洋技術系，山東省海洋甲殼類資源綜合利用工程技術研究中心，山東省海洋食品資源高效利用技術工程實驗室，日照市海洋食品資源高效利用重點實驗室，山東日照 276826）

南極磷蝦是一種主要分布于南冰洋的浮游甲殼動物，其巨大的生物量和潛在的開發價值日益受到人們的關注[1]。在以南極磷蝦為原料開發的產品中，以南極磷蝦油最具代表性[2]，其中富含磷脂、n-3多不飽和脂肪酸、蝦青素等多種功能伴隨物[3]。諸多研究表明，南極磷蝦油具有抗氧化[4]、改善脂代謝[5]、抗腫瘤[6]、保護神經和改善認知功能[7-8]、防治人類腸道疾病[9]、抗疲勞[10]等多種功效，開發潛力非常大。

傳統南極磷蝦油的提取主要采用機械壓榨法和有機溶劑萃取法兩種[3,11]。近年來，隨著高新技術快速發展，超臨界流體CO2萃取技術和亞臨界流體萃取技術因綠色無污染、選擇性高等優勢，逐漸被應用于南極磷蝦油的提取研究，但因設備投入昂貴、運行維護成本高、提取條件苛刻等缺陷，難以實現大規模產業化應用[12-13]。同時，酶解法作為新興的油脂提取工藝也被用于南極磷蝦油的制備，而專用酶制劑的價格高、體系專一性要求嚴格，使其在磷蝦油生產中的應用亦受到限制[14-16]。而傳統機械壓榨法雖然設備簡單且無溶劑殘留問題，但是存在得率低、精制純化難度大等問題[17]。與上述方法相比，有機溶劑萃取法因得率高、操作簡單、成本低等優勢，而被廣泛用于南極磷蝦油的規模化生產[18-19]。目前南極磷蝦油生產中常選用乙醇、乙酸乙酯、正己烷等作為萃取劑，其中，乙酸乙酯和正己烷因溶劑殘留和安全性等問題而受到一定限制，因此生產中大多選用乙醇作為溶劑。然而現有的南極磷蝦油乙醇提取工藝條件粗放，評價指標單一，有待進一步優化完善。

同時，作為南極磷蝦油中主要抗氧化成分的蝦青素性質極不穩定，在高溫加工和貯藏中易遭到破壞，導致產品感官質量和功能活性下降[20]，故研究南極磷蝦油中蝦青素的穩定性及其改善方法顯得尤為重要。鑒于上述，本實驗以南極磷蝦粉為原料，以乙醇-水體系為提取劑，研究不同乙醇水比例、液料比、提取時間對磷蝦油得率、磷脂和總蝦青素含量的綜合影響，在單因素實驗的基礎上，通過構建提取效果量化評價方法，采用響應面對南極磷蝦油的提取條件進行優化，以克服傳統采用單一指標進行響應面優化的片面性。另外，通過在南極磷蝦油中添加不同抗氧化劑，并結合動力學模型，評價南極磷蝦油中蝦青素在連續高溫條件下的耐熱穩定性，以期為南極磷蝦油的工業化生產和穩態化貯藏提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南極磷蝦粉 山東辰亞生物科技有限公司提供；無水乙醇、抗壞血酸、鉬酸銨等 分析純，國藥集團；TBHQ、迷迭香提取物、生育酚 上海瑞祥生物科技有限公司；白油 食品級，上海毅資潤滑技術有限公司；總膽固醇檢測試劑盒 中生北控公司。

UV-2550紫外分光光度計 日本島津公司；Heidolph Laborota 4000型旋轉蒸發儀 德國Heidolph公司；1260型液相色譜儀（配置二極管陣列檢測器）、6890N型氣相色譜（配備火焰離子化檢測器（FID）） 美國Agilent公司；CP214型精密電子天平 奧豪斯儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 南極磷蝦油醇提工藝及其提取效果指標的檢測方法

1.2.1.1 南極磷蝦油的醇提工藝 通過前期預實驗，確定南極磷蝦油的提取方法如下：準確稱取100.000 g（精確至0.001 g）南極磷蝦干粉于三角瓶中，分別用一定體積分數的乙醇-水溶液作為提取溶劑，按照一定的液料比，在室溫條件下（25 ℃）攪拌提取一定時間，攪拌速度為400 r/min。提取結束后抽濾，收集提取液，經真空旋轉蒸發濃縮至無溶劑流出，得到南極磷蝦油。冷卻至室溫后稱重，計算得率，并測定所得南極磷蝦油中的磷脂和總蝦青素含量。

1.2.1.2 南極磷蝦油提取得率計算 南極磷蝦油得率按式（1）計算。

式中：M1為磷蝦油質量（g）；M2為干燥蝦粉質量（g）。

1.2.1.3 磷脂含量測定方法 采用抗壞血酸-鉬藍比色法。參照孫甜甜[21]的測定方法，準確稱取2 g（精確至0.0001 g）樣品，加25 mL的濃硝酸與高氯酸混合溶液（濃硝酸:高氯酸=4:1，V/V）浸泡，冷消化2 h，再進行灰化，在抗壞血酸存在的條件下與鉬酸銨反應生成鉬藍，測定其在650 nm下的吸光度，通過標準曲線法來測算磷蝦油中磷脂的含量。磷脂的標準曲線方程為：Y=3.707X-0.026，R2=0.9999。

1.2.1.4 蝦青素含量測定方法 根據Zhou等[22]的方法，稱取南極磷蝦油15 mg（精確至0.0001 g），置于帶有刻度的具塞玻璃離心管中，再向離心管中加入二甲基亞砜和醋酸的混合溶液（配制方法：量取2.5 mL醋酸溶液，將其添加到100 mL二甲亞砜溶液中即得）2 mL，搖勻后，于70 ℃水浴條件下振蕩保溫5 min，然后將溶液轉移至100 mL容量瓶中，用二甲亞砜和醋酸混合溶液定容至刻度，測定其在489 nm波長下吸光度值，記為A。以二甲基亞砜和醋酸的混合溶液作為空白對照。按式（2）計算總蝦青素含量。

式中：X為蝦青素的總含量（mg/kg）；A489為樣品在489 nm下的吸光度；V為提取樣品的體積（mL）；A為稀釋倍數；1908為消光系數；m為樣品質量（g）。

1.2.2 單因素實驗 準確稱取100.000 g（精確至0.001 g）南極磷蝦干粉，固定攪拌速度為400 r/min，提取溫度為室溫，按液料比為10 mL/g，分別用體積分數為80%、85%、90%、95%和100%的乙醇作為溶劑攪拌提取120 min，考察溶劑對南極磷蝦油得率、磷脂和總蝦青素含量的影響。分別按液料比4、6、8、10、12、15 mL/g，用體積分數為95%的乙醇攪拌提取120 min，考察液料比對南極磷蝦油得率、磷脂和總蝦青素含量的影響。按液料比為10 mL/g，分別用體積分數為95%的乙醇-水溶液攪拌提取30、60、90、120、150和180 min，考察提取時間對南極磷蝦油得率、磷脂和總蝦青素含量的影響。

1.2.3 響應面設計試驗

1.2.3.1 南極磷蝦油提取效果量化評價指標計算為克服采用單項指標對南極磷蝦油提取效果進行評價的局限性，本試驗嘗試通過對磷蝦油得率、磷脂和總蝦青素含量三個指標進行分類量化，系統評價不同提取工藝對南極磷蝦油提取效果的影響。根據目前市場對南極磷蝦油提取效果指標的綜合考量，設置各項量化指標的賦分說明及相應權重見表1，按照式（3）計算南極磷蝦油的提取效果。

式中：t為南極磷蝦油得率的賦分值；p為磷脂含量的賦分值；x為總蝦青素含量的賦分值。

1.2.3.2 試驗設計 依據Box-Behnken試驗設計原則，以綜合量化提取效果為響應值，試驗設計中的水平及編碼見表2。運用Design expert 10.0軟件進行數據分析，以優化得到最佳南極磷蝦油醇提工藝條件。

表 1 南極磷蝦油提取指標賦分說明及相應權重Table 1 Scoring description and corresponding weight of extraction index of Antarctic krill oil

表 2 Box-Behnken設計因素及水平Table 2 Box-Behnken design factors and levels

1.2.4 主要活性成分測定

1.2.4.1 膽固醇測定方法 總膽固醇的含量采用中生北控公司的總膽固醇檢測試劑盒進行測定。準備稱取1.0000 g（精確至0.0001 g）最佳工藝條件制備的南極磷蝦油，加入9 mL無水乙醇，冰浴條件下充分勻漿提取，然后經2500 r/min離心10 min，取上清液測定其總膽固醇含量。

1.2.4.2 維生素A和維生素D測定方法 南極磷蝦油中維生素A、維生素D的測定方法按照GB 5009.82-2016中的反相液相色譜法[23]。

1.2.4.3 脂肪酸的氣相色譜法測定 參照孫甜甜[21]的測定方法，稱取制得的南極磷蝦油50～100 mg，加入1.5 mL 10%硫酸-甲醇溶液，于60 ℃下充氮保護反應30～40 min，冷卻，用1.5 mL石油醚振蕩提取，靜置10 min。取上層石油醚溶液，用0.22 μm有機膜過濾后，經氣相色譜分析。

氣相色譜條件：色譜柱為INNO Wax石英毛細管柱（0.32 mm×30 m×0.25 μm，J ＆W）；升溫程序：起始溫度為170 ℃，以3 ℃/min的速度升溫到210 ℃，210 ℃保持30 min；檢測器溫度為250 ℃；氫氣流速40 mL/min，空氣流速450 mL/min，尾吹氣（氮氣）流速40 mL/min；進樣口溫度為240 ℃；載氣為高純氮氣，流速為1 mL/min；分流比20：1；進樣量為1 μL；單個樣品分析過程為43.3 min。

1.2.5 南極磷蝦油的穩定性實驗 本實驗選用TBHQ、迷迭香提取物、生育酚作為抗氧化劑，并依據GB 2760-2014確定三種抗氧化劑使用量[24]。具體試驗方法如下：分別將添加0.02%（w/v）TBHQ、0.02%（w/v）迷迭香提取物、0.02%（w/v）生育酚、0.02%（w/v）迷迭香提取物+0.02%（w/v）生育酚的南極磷蝦油樣品溶于白油中，于80 ℃水浴中加熱，以10 min為時間間隔進行取樣，測定其在457 nm下的吸光度值，按式（4）計算各樣品中總蝦青素保留率。

式中：At為t時刻樣品在457 nm下的吸光度值；A0為起始時間樣品在457 nm下的吸光度值。

1.3 數據處理

實驗過程中，每個實驗組均設三個平行，實驗數據以平均值±標準差表示，選用SPSS 19.0軟件進行統計學分析，以P＜0.05為顯著水平。

2 結果與分析

2.1 南極磷蝦油提取工藝的單因素實驗

2.1.1 乙醇體積百分數對磷蝦油提取效果的影響圖1結果表明，體積分數為85%的乙醇作為提取溶劑時，磷蝦油得率最高，而磷脂和蝦青素含量較低，可能是因為一定比例水分的存在，將南極磷蝦粉中的部分蛋白質、礦物質等水溶性組分提取出來所致[25-26]，從而使得到的磷蝦油綜合品質較低，但由于生產成本相對較低，該條件下生產的磷蝦油可作為飼料級產品；體積分數為100%的乙醇溶液作為提取劑時，磷脂和總蝦青素含量高，而蝦油得率較低，而且無水乙醇提取成本較高，該提取物可作為高端保健功能輔料進行生產。因此，從生產成本和主成分含量的角度綜合考慮，選用體積分數為95%的乙醇-水溶液作為提取劑較合理。

2.1.2 不同液料比對磷蝦油提取效果的影響 由圖2可知，隨著提取劑的體積增大，磷蝦油得率、磷脂含量和總蝦青素含量均呈逐漸升高的趨勢。但當液料比達到10 mL/g以后，繼續增大提取劑體積，磷蝦油得率和蝦青素含量變化不顯著（P＞0.05）。說明在液料比為10 mL/g的條件下，南極磷蝦粉中脂溶性成分接近提取完全。故綜合考慮成本與含量，液料比為10 mL/g時提取效果相對較佳。

圖 1 不同濃度乙醇對磷蝦油提取效果的影響Fig.1 Effect of different concentrations of ethanol on the extraction of Antarctic krill oil

圖 2 不同液料比對磷蝦油提取效果的影響Fig.2 Effect of different liquid-solid ratios on the extraction of Antarctic krill oil

2.1.3 不同提取時間對磷蝦油提取效果的影響 由圖3可知，隨著提取時間的延長，磷蝦油得率、磷脂、總蝦青素含量均呈逐漸增大的趨勢。當提取時間達120 min時，磷蝦油得率、磷脂含量和總蝦青素含量均顯著高于30、60和90 min（P＜0.05）。而后隨著時間的繼續延長，三者數值變化不顯著（P＞0.05）。故優化提取時間為120 min。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 Box-Behnken 試驗設計結果 根據單因素實驗結果，選取對南極磷蝦油提取效果影響較大的3個因素：乙醇濃度、液料比和提取時間，各取3個水平分別記為水平-1、0、1，進行因素水平共17個試驗點的響應面分析試驗，響應曲面法的試驗設計及結果見表3。

運用Design expert 10.0數據分析軟件對試驗數據進行多元回歸擬合，設乙醇濃度、液料比和提取時間分別為A、B、C，以南極磷蝦油提取效果為響應值進行多元回歸擬合，回歸模型系數及顯著性檢驗結果見表4，得到二次多項回歸模型：

表 3 響應面試驗設計及結果Table 3 Design and results of response surface test

表 4 擬合二次多項式模型的方差分析Table 4 Analysis of variance of the fitted quadratic polynomial model

進一步對該模型及回歸系數進行回歸分析，結果見表4，從表4可以看出該回歸模型P＜0.01（極顯著），其失擬項P=0.1317＞0.05（不顯著），說明模型擬合程度良好，可以對回歸方程相應回歸值進行預測，同時模型回歸系數R2=0.9700，調整后的R2=0.9314（大于0.8000），表明93.14%的數據可用該模型解釋，說明方程可靠性較高。

通過分析相關數據可以看出，一次項乙醇濃度和提取時間對南極磷蝦油提取效果具有極顯著影響（P＜0.01），液料比對南極磷蝦油提取效果具有顯著影響（P＜0.05），分析各因素的主效應關系為：A＞C＞B，即乙醇濃度＞提取時間＞液料比。其二次項交互作用BC對南極磷蝦油提取效果具有顯著影響（P＜0.05），AB、AC對南極磷蝦油提取效果的影響不顯著（P＞0.05），且二次項交互作用對南極磷蝦油提取效果影響程度為BC＞AC＞AB。

2.2.2 響應面曲線交互作用分析 根據回歸方程，考察響應面曲面圖及等高線圖的形狀，分析乙醇濃度、液料比和提取時間對南極磷蝦油提取效果的影響。響應面曲面圖和等高線可以很好地反映自變量之間的相互作用。通過觀察響應曲面圖的坡度陡峭程度，確定兩者對響應值的影響程度，響應面曲面圖越陡峭說明兩者的交互作用越明顯。乙醇濃度、液料比、提取時間對南極磷蝦油提取效果的影響見圖4。

由圖4a可知，南極磷蝦油提取效果的變化坡度隨液料比的增加呈緩慢增加的趨勢，隨乙醇濃度的增加呈逐漸增加的趨勢，且磷蝦油提取效果隨乙醇濃度的變化陡峭程度大于液料比，說明乙醇濃度對磷蝦油提取效果的影響大于液料比的影響；由圖4b可知，磷蝦油提取效果的變化坡度隨乙醇濃度的增加呈逐漸增加的趨勢，其磷蝦油提取效果隨著提取時間的增加呈逐漸增加的趨勢，且磷蝦油提取效果隨乙醇濃度的變化陡峭程度大于提取時間，說明乙醇濃度對磷蝦油提取效果的影響大于提取時間的影響；由圖4c可知，磷蝦油提取效果的變化坡度隨提取時間的增加呈逐漸增加的趨勢，當提取時間較短時，隨著液料比的增加，磷蝦油提取效果逐漸增加，當提取時間較大時，隨著液料比的增加，磷蝦油提取效果先逐漸降低后緩慢增加，說明液料比和提取時間具有較強的交互作用，且磷蝦油提取效果隨提取時間的變化陡峭程度大于液料比，說明提取時間對磷蝦油提取效果的影響大于液料比的影響。上述分析結果與表4方差分析結果相符合。

圖 4 乙醇濃度和液料比（a）、乙醇濃度和提取時間（b）、液料比和提取時間（c）三因素交互作用響應曲面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the interactive effects of ethanol concentration and liquid-solid ratio (a), ethanol concentration and extraction time (b), liquid-solid ratio and extraction time (c) on the extraction of Antarctic krill oil

2.2.3 驗證實驗結果 根據回歸方程模型，得到預測的最優條件為：乙醇濃度為94.996%、液料比為9.995 mL/g、提取時間為137.285 min，根據實驗實際條件，將條件修正為乙醇濃度為95%、液料比為10 mL/g、提取時間為137.3 min，在此最優條件下經3次平行實驗，得到實際南極磷蝦油得率、磷脂和總蝦青素含量分別為13.6%±1.2%、33.62%±2.48%、210.46±5.95 mg/kg，提取效果量化值為4.12，與預測值4.108差異較小，證明用響應面法優化南極磷蝦油提取效果回歸模型可靠。

2.3 南極磷蝦油組成分析

2.3.1 主要功效成分分析 以優化工藝提取所得的磷蝦油為對象，經分析測得其中的主成分含量如表5所示。

表 5 南極磷蝦油中主要功效成分分析Table 5 Analysis of main bioactive components of Antarctic krill oil

由表5可以看出，所得南極磷蝦油中富含磷脂、蝦青素和脂溶性維生素等多種營養成分，可作為功能保健輔料和營養強化劑應用于食品和保健品領域。另外，測得蝦油中總膽固醇的含量約為20.53 mg/g。假設按照每人每天最高推薦攝入南極磷蝦油3 g計算[27]，其中共含總膽固醇約77 mg。

2.3.2 主要脂肪酸組成分析 為了進一步考察優化工藝條件下提取所得南極磷蝦油中脂肪酸的組成情況，本實驗采用氣相色譜法對南極磷蝦油中的脂肪酸進行定性定量表征，經峰面積歸一化處理，得到南極磷蝦油中脂肪酸組成及相對含量如表6所示。

表 6 南極磷蝦油的脂肪酸組成分析Table 6 Analysis of fatty acid composition of Antarctic krill oil

從表6中可以看出，優化工藝條件下制備的南極磷蝦油中飽和脂肪酸的相對含量約為40.24%，其中棕櫚酸（C16:0）含量最高；單不飽和脂肪酸相對含量約為18.05%，其中油酸（C18:1）含量最高；多不飽和脂肪酸相對含量約為41.58%，其中EPA（C20:5）和DHA（C22:6）總量之和約為37.42%。體積分數為95%的乙醇-水溶液對極性脂的提取效果良好，而磷蝦油中的EPA和DHA大多與和磷脂結合在一起[21,28]，故EPA和DHA可隨著磷脂等極性脂被較好地提取出來。

2.4 南極磷蝦油中蝦青素穩定性分析

2.4.1 不同抗氧化劑對南極磷蝦油中蝦青素保留率的影響 蝦青素作為南極磷蝦油中重要的功能伴隨物，極易發生氧化降解，因此，可將其作為評價南極磷蝦油貯藏穩定性的重要指標[29]。根據孫甜甜[21]的研究發現，添加一定量抗氧化劑可有效增加南極磷蝦油抗氧化性，延長其貨架期。綜合考慮有效性和安全性，本試驗選用TBHQ、迷迭香提取物和生育酚作為抗氧化劑，通過單獨和復合添加到南極磷蝦油中，采用高溫（80 ℃）加速實驗的方法，考察其對南極磷蝦油耐熱穩定性的影響，實驗結果如圖5所示。

圖 5 不同抗氧化劑對南極磷蝦油中蝦青素保留率的影響Fig.5 Effects of different antioxidants on astaxanthin retention in Antarctic krill oil

由圖5可以看出，隨著加熱時間的延長，未添加抗氧化劑的磷蝦油中蝦青素保留率顯著降低，當加熱到80 min時，總蝦青素的保留率已不足50%。而添加抗氧化劑后，磷蝦油中的總蝦青素保留率顯著高于空白組（P＜0.05），且以添加迷迭香提取物（0.02%，w/v）+生育酚（0.02%，w/v）的復合抗氧化劑實驗組效果最佳，當連續加熱至80 min時，總蝦青素保留率仍維持在95%以上，說明通過添加復配抗氧化劑可以顯著提高磷蝦油的耐熱穩定性。

2.4.2 不同溫度條件下南極磷蝦油中總蝦青素的加工和貯藏半衰期預測分析 為進一步考證不同抗氧化劑對南極磷蝦油穩定性的影響，本部分對不同加工和貯藏溫度下南極磷油的耐熱穩定性進行了預測。Niamnuy等[30]研究表明，蝦青素的降解遵循一級動力學反應模型。因此，該實驗以南極磷蝦油中總蝦青素半衰期為評價指標，結合不同處理溫度條件下南極磷蝦油中總蝦青素含量變化數據，經降解動力學分析，計算得到總蝦青素的半衰期如表7所示。

表 7 不同溫度條件下南極磷蝦油中總蝦青素的加工和貯藏半衰期預測Table 7 Analysis of processing and storage half-value of total astaxanthin in Antarctic krill oil at different temperature conditions

由表7可以看出，在不同的溫度條件下，抗氧化劑組總蝦青素的半衰期均顯著高于空白組，其中以復配抗氧化劑（迷迭香提取物+生育酚）實驗組的南極磷蝦油蝦青素半衰期最長，比空白組延長了9倍以上，兩者表現出協同增效作用。McClements等[31]報道，復配抗氧化劑通常比單一抗氧化劑在抑制氧化降解方面更為有效，本實驗結果與之相符。

3 結論

本研究確定南極磷蝦油的優化提取工藝條件為：乙醇濃度為95%、液料比為10 mL/g、提取時間為137.3 min，該工藝條件下南極磷蝦油的提取得率為13.6%，且富含磷脂、蝦青素、維生素E和維生素A等功效成分，其中多不飽和脂肪酸含量約占總脂肪酸的41.58%，營養價值優良。蝦青素穩定性實驗結果表明，添加抗氧化劑可顯著提高南極磷蝦油的耐熱穩定性，且以迷迭香提取物和生育酚復配效果最佳。動力學模型預測顯示，在相同加工和貯藏溫度下，添加復配抗氧化劑的南極磷蝦油中蝦青素半衰期比未添加抗氧化劑組明顯延長。綜上所述，本實驗為南極磷蝦油的工業化生產、應用及其長期穩定保存提供了切實可行的技術支持，具有重要應用價值。