亞臨界萃取技術在水產品營養組分提取領域研究進展

王文潔 陳修彪 陳云云 周緒霞 丁玉庭

(1. 浙江工業大學食品科學與工程學院，浙江 杭州 310014；2. 浙江省深藍漁業資源高效開發利用重點實驗室，浙江 杭州 310014；3. 國家遠洋水產品加工技術研發分中心〔杭州〕，浙江 杭州 310014；4. 中國水產舟山海洋漁業有限公司，浙江 舟山 316101)

中國是世界上最大的水產品生產大國，2019年全國水產品總產量高達6 500萬t[1]，但水產品的精深加工率僅占30%，且原料易腐，魚副產物浪費嚴重，未能實現水產品原料的高值化加工及綜合利用。現有提取水產品營養物質的主要方法包括物理法(機械力、熱壓、電磁波、膜分離等)、生物法(酶、菌種發酵等)及化學法(使用酸、堿及有機溶劑)的單獨或聯合使用。有機溶劑萃取作為傳統的水產品脂溶性營養組分提取技術，提取率較高，但溶劑殘留大、高溫長時間萃取過程導致產物中營養組分純度及功能活性偏低，阻礙了生產高值化產品的可能。

近年來，超臨界萃取(Super-critical extraction，SCE)與亞臨界流體萃取(Sub-critical fluid extraction，SFE)在油料萃取加工領域的優勢獲得了較大關注，兩者皆通過調控反應釜中萃取劑的壓力—溫度條件，加強萃取劑的溶解性、極性、密度等物化特性，大幅度提升對目標營養物質的萃取效率。由于使用的萃取劑大多為低沸點壓縮氣體，因此萃取劑宜在加工后立即恢復常壓，實現物料、萃取劑與產物的高效分離。超臨界CO2法要求較高壓力、成本大、對設備要求高，難以真正實現規模化生產[2]。亞臨界萃取技術使用壓力<10 MPa，萃取溫度30～70 ℃，被廣泛應用于農產植物原料的高品質油脂萃取，包括棉籽油、菜籽油等。

研究擬介紹運用于水產品領域的亞臨界流體(包括水)的萃取原理、工藝及設備，從水產品脂質產品(n-3 PUFAs和脂溶性維生素)、蛋白肽產品與功能多糖產品出發，整理近10年來國內外使用SFE技術萃取水產品營養組分的最新研究進展，明確該技術應用于水產品加工的主要優勢，并歸納總結影響營養組分萃取效率和產物功能活性、化學穩定性的幾大關鍵因素，以期為亞臨界流體萃取技術在水產品精深加工的規模化應用提供依據。

1 亞臨界萃取水產品營養組分的優勢

1.1 水產品原料中的營養組分、功能特征與萃取現狀

水產品包括魚類、貝類、甲殼類和藻類等原料，富含多種活性營養物質，對促進人體健康、減少疾病風險[3]有重要意義(圖1)。以魚類、藻類原料為主的水產品原料油脂中富含n-3 PUFAs、類胡蘿卜素等脂溶性功能物質，主要通過有機溶劑萃取并精煉油脂獲取，是水產品油脂產品的重要功能評價組分。水產品蛋白質經水解、濃縮純化后可制得高營養活性的魚肉蛋白水解物、功能多肽產品，該蛋白水解物可以作為食品保水劑、乳化劑；而生產的功能多肽，由于肽鏈中多含賴氨酸、精氨酸等帶正電的氨基酸結構，具有強抗氧化、抗炎癥及免疫強化作用，可作為高值營養強化劑生產。甲殼類為主的水產品原料富含殼聚糖、殼寡糖和氨基葡萄糖等水溶性功能多糖，可通過對原料外殼、骨架中的幾丁質進行化學處理后獲得，具有抗炎癥、抑制肥胖等生理調節功能；藻類其水提物中富含多種活性多酚、多糖物質，具有強氧化活性、調節心血管作用，主要由酸堿處理后經醇溶沉降烘干制得。實現水產品的高值化加工及綜合利用，要求新型溶劑萃取法盡可能提高水產品油脂的萃取效率、保證功能營養物質如二十二碳六烯酸(DHA)、二十碳五烯酸(EPA)及脂溶性維生素在油脂中的含量與活性；同時，萃取中伴有的熱水解效應也可促使物料中的功能多肽、多糖及多酚破乳釋放、溶解于水相產物中，便于后續功能成分的純化再處理。

圖1 水產品原料中的活性營養物質及其主要功能作用Figure 1 Bioactive nutritional components in raw aquatic foods materials with their main functions

1.2 亞臨界流體特征及萃取水產品營養物質的主要優勢

亞臨界萃取技術由于可調控的萃取劑介質多為低沸點壓縮氣體(如丁烷)，施加較小壓力，溫度處于臨界溫度(TC)之下、沸點之上的區間內(TB在0 ℃左右)，介質即可轉化為亞臨界流體，溶劑具備高擴散性、低黏度等流體特點[4]，顯著提升了目標物質的萃取效率。多數萃取劑亞臨界流體狀態維持溫度范圍較廣，其加工溫度可調節至較低水平，盡可能幫助萃取并穩定熱敏性營養物質。在密閉、加壓的SFE萃取罐內，萃取劑以亞臨界流體狀態反復沖刷原料，實現原料和萃取劑的充分接觸混合；萃取劑分子擴散速率顯著提升，營養物質的釋出傳遞速度加快，尤其是非極性、弱極性物質的溶解性和滲透性得到增強，有效提升了目標營養組分的萃取效率。對比傳統常壓狀態的溶劑萃取技術，亞臨界萃取技術加工水產品類原料在無氧加工狀態下有效避免了原料及萃取物的氧化，快速萃取分離水產品原料中的熱敏感營養組分，生產魚油、藻油產品并富集DHA、EPA及生育酚等脂溶性功能物質，比如亞臨界萃取魚內臟[5]、磷蝦[6]中的磷脂，海參、魚類的DHA、EPA及β-胡蘿卜素等[7]。此外，鑒于SFE技術也伴隨一定料液混勻與熱效應，部分研究也探索了其生產功能蛋白質與多肽的可能，如水溶性藻藍蛋白色素等。值得注意的是，亞臨界萃取還可使用更為低碳綠色的溶劑——水，亞臨界水萃取技術(Subcritical Water Extraction，SWE)在100～374 ℃狀態下水的理化性質更接近有機溶劑，介電常數和表面張力下降，擴散系數升高，對物料中的水溶性與水不溶性物質實現了高效萃取[8]。有報道[9]指出SWE更適合藻類原料中功能多糖如卡拉膠的萃取。SWE對萃取用水要求更嚴格，需提前進行脫氣、脫氧處理，以防止目標組分氧化而喪失活性。

2 亞臨界萃取技術在水產品營養組分提取領域的新進展

2.1 脂質類營養組分

魚類及藻類中富含磷脂、EPA、DHA等營養物質具有較強生物活性，可提升人體免疫力，預防慢性疾病[10-11]。傳統的水產品油脂提取方法為溶劑萃取法[12-13]、酶法萃取[14-15]以及超臨界流體萃取法[16-17]，但高溫或較長加工時間可致使脂質組分因加熱及含氧環境而發生嚴重的熱促氧化，從而導致魚油提取率和品質較低。近年來，已有多項研究使用SFE對水產品脂類營養組分進行萃取分離(見表1)，在完全隔氧的工作環境中利用相似相容原理，通過調控萃取溫度及壓力，實現了水產原料脂質類成分的萃取分離，主要產物以魚油、藻油為主，萃取過程有效避免了魚油及其營養物質的氧化及生物活性的熱損失。提取魚油、藻油的常見亞臨界試劑主要包括正丁烷[12,18]、二甲醚(DME)[19]、R134a[20]等低沸點萃取劑，其中亞臨界丁烷顯示可作為傳統工業有機萃取劑(正己烷、異己烷等)的優質替代物；而亞臨界二甲醚(SDME)在處理水產原料時雖然展現了獨特的油脂萃取和額外極佳的脫水能力，但萃取率受到原料組分特性(水、蛋白質、油脂)影響較大[21]。此外，使用SFE萃取高DHA+EPA魚油、藻油也展現了較好的進展，針對海洋微藻中具有高抗氧化活性的PUFAs，Feller等[16]比較了亞臨界正丁烷與超臨界CO2法萃取微藻油品質，發現兩種方法均可生產高提取率藻油，但若目標物為n-3、n-6長鏈多不飽和脂肪酸含量與活性，則亞臨界正丁烷萃取效果更佳。SFE還可從魚卵磷脂中脫除膽固醇[22]、提取磷脂酰絲氨酸[23]或加強生產加工廢水中魚油的回收利用[24]。目前研究尚缺少對多種溶劑特性及亞臨界萃取效果相關性研究，需要進一步摸索出兩者的相關規律。

表1 亞臨界萃取技術對水產品原料中脂質類組分提取的研究進展

2.2 蛋白類營養組分

蛋白質的傳統提取方法通常經過酸堿水解沉淀、調節pH至蛋白質的等電點實現沉淀、使用酶處理或其他新型物理法(超聲波法、亞臨界法)實現蛋白質組分自原料中分離[27]。傳統方法雖然提取液中蛋白質含量高，但仍存在較大弊端，如酸堿水解與等電點沉淀法，對pH進行調節改變了蛋白質分子間與分子內相互作用力，改變了蛋白質三級、四級空間結構，并促使蛋白質分子鏈重組或交聯，產生了非提取目標的蛋白質復合物，導致萃出蛋白質純度下降，甚至產生有毒有害物質。近年來SFE技術被嘗試應用于魚及其副產物、藻類的蛋白質提取上，獲得了高質量的魚蛋白粉、氨基酸、活性肽類物質等(見表2)。其中，以亞臨界二甲醚從金槍魚肝臟中萃取的蛋白粉，不僅得率高，原料還無需凍干處理，成品順利脫除了原料中的脂質與大量水分，獲得的最終魚肝蛋白質含量高達88%，相比傳統酸堿法萃取魚蛋白，利用SDME提取的蛋白粉有效保留了其營養成分且降低了產品的魚腥味[28]；其他研究人員[29-31]則集中研究了SWE對魚鰓、魚內臟、魚皮等加工副產物提取蛋白質的可行性，SWE技術將水調控在近臨界狀態，使水介電常數和密度降低，擴散系數和溶解度增加，對水產原料蛋白質、氨基酸、多肽類物質萃取效果佳。此外，SWE處理后萃取液中不僅有濃縮蛋白質，同時還解離出了多種功能活性物質，包括氨基酸與還原糖。除了海洋動物來源，從海洋藻類中萃取蛋白質成為研究新熱點，萃取的藻類蛋白質主要以水溶性蛋白短肽和游離氨基酸的形式存在[32]。過高的SWE溫度會導致蛋白質或肽類的過度熱水解，游離氨基酸的解離一般與蛋白質組分的變化趨勢相一致[33]。未來的研究方向應多推廣使用液化氣類萃取劑對魚類蛋白肽及氨基酸進行解離萃取，溫和的加熱條件可有效避免SWE高萃取溫度導致的過度熱解和變性情況，極大程度保留生物活性。

表2 亞臨界萃取技術對水產品蛋白類組分提取的研究進展

2.3 多糖類營養物質

部分貝類及藻類含有活性多糖，具有包括抗腫瘤[43]、抗糖尿病[44]、抗氧化[45]、抗菌[46]等功能活性。傳統提取活性多糖的方法有微波輔助法、酶輔助法、過氧化氫輔助法、水溶性雙向萃取系統萃取法等，但以上方法存在溶劑殘留量大、產出率低、安全隱患大等諸多問題。水產品活性多糖萃取的相關研究主要以SWE萃取為主，高溫條件下多糖與固體基質間氫鍵斷裂，活性多糖可在較短時間內溶出，海藻類原料中的生物活性多糖如卡拉膠、褐藻糖膠等都已被研究報道使用特定亞臨界溶劑及萃取條件實現了較好的分離(表3)。例如，Getachew等[47]以牡蠣為原料探究了SWE萃取牡蠣多糖的最佳工藝參數，得率約18.7%，且萃取的多糖富含α-(1,4)型葡聚糖，作為功能性成分，可用于制備抗糖尿病、抗高血壓的食品。Park等[48]在利用亞臨界水提取海帶中還原糖時，發現其萃取率受到時間和溫度的影響，添加1%醋酸作為共溶劑可提高萃取液中還原糖的含量。總體來說，多糖類營養組分更適合使用SWE而非液化氣作為萃取劑，原因在于水在亞臨界狀態下介電常數降低，萃取劑極性及溶解度更接近溶解中、低極性的化合物——多糖，該技術為海洋多糖的開發與利用提供了一種綠色、經濟、實用的解決方案。

表3 亞臨界萃取技術在水產品多糖類及其他類物質提取領域的研究進展

2.4 其他生物活性物質

除上述3種主要目標水產品營養物質，SFE技術還可以應用于萃取其他功能活性組分方面，如天然抗氧化劑(多酚等)、香精香料、色素、調味料等(表3)。例如，Goto等[49]指出DME可以促進物質周圍形成氫鍵，隨二甲醚用量增加，巖藻黃素得率相應提升。Lu等[50]利用乙醇聯合亞臨界R134a萃取海帶中的類胡蘿卜素，證明亞臨界R134a有效實現藻類色素的提取，一定程度有替代高壓超臨界CO2萃取技術的可能。其他研究還報道使用亞臨界丁烷[51]、二氯甲烷[52]從蝦殼中萃取了高濃度類胡蘿卜素，拓寬了類胡蘿卜素的來源，提升了水產品加工副產物的綜合利用率。SFE萃取物還被建議用于制備香精香料。Tamiya等[53]研究了蝦味液體和固體調味品的亞臨界水制備方法，風味萃取液具有天然蝦味且理化指標顯示具有更強抗氧化特性，可以增長消費者對此類天然調味劑的接受度。可見，應用SFE及SWE對水產品中各種新型功能活性組分進行萃取也是未來科研人員探索的一個重要發展方向。

3 影響亞臨界萃取水產品營養組分的主要因素

3.1 萃取劑與夾帶劑

各類SFE溶劑(包括水)的主要理化特點見表4，丁烷、丙烷等適用水產品脂溶性活性組分的萃取，如魚肝油、卵磷脂等，提取率高且萃取物溶劑殘留量較低；二甲醚適于萃取極性與非極性功能性物質，在處理水產原料時可脫除部分水分，降低魚腥味，多被應用于海洋蛋白粉分離純化，但因其有微毒性，目前國內尚限制其在食品領域的產業化運用。單一亞臨界萃取劑的產出效果并不理想，在其中加入一定比例的夾帶劑改善溶劑特性(極性與分子間作用力)，可以增加目標萃取組分在溶劑中的萃取溶解度，以此顯著提升萃取率，常見夾帶劑有乙醇[50]、石油醚[60]等，夾帶劑的過量加入則可能會降低萃取率及產物品質。

表4 常見亞臨界流體萃取劑的理化性質

3.2 壓力

亞臨界萃取技術使用的壓力相對較小，設定壓力主要目的是將萃取劑穩定在亞臨界流體態，在該范圍內，較高壓力會增加萃取劑密度，從而提升其溶質的溶解能力；由于亞臨界狀態下溶劑呈液態與氣態之間的一種特殊流體狀態，溶質溶劑分子間相互作用被強化，萃取率大大提升。亞臨界萃取劑的溫度與壓力存在線性關系，溫度越高、壓力越大，高溫時壓力的增加可以適當降低溶劑的表面張力，增加其與溶質的接觸面積，從而提升萃取效率[21]，但過高溫度、壓力條件的亞臨界萃取條件也可能會對萃取熱敏性營養物質的產率有相應負面影響。

3.3 溫度

生物活性極易受溫度影響，加工過程中高溫使萃取物在萃取過程中發生不必要的化學反應(美拉德反應、脂肪、蛋白氧化等)，導致萃取結果變差。Melgosa等[2]探究了溫度對魚肉蛋白水解物活性的影響，發現蛋白水解物溶解度的提升與溫度成正比，持續升溫會引發美拉德反應，蛋白質降解后轉化為堿性物質，引起pH的上升。相似的是，Garcia-Moscoso等[32]利用亞臨界水為介質下的閃蒸水解研究發現280 ℃與305 ℃時水解藻類蛋白的萃取率達到最大值，但325 ℃時萃取的蛋白水解液中總氮含量下降。高溫下分子擴散速率加快，傳質能力提升，目標物質的溶解度相應增加，萃取率提升，同時提升溫度有利于降低萃取劑黏度，進而提升萃取效率。但過高的溫度可以加大萃取劑的汽化，傳質推動力下降，萃取效率降低，高溫還會導致熱敏物質被破壞，萃取物的功能活性喪失。

3.4 時間

與傳統萃取技術相比，高水分結構松散的水產品原料一般僅需要萃取5～60 min，即可實現營養物質從原料組織中完全解離釋出，但時間對萃取率和品質的影響需結合其他加工因素一同考慮。Xie等[12]發現，對比不同溶劑萃取法提取南極磷蝦油時，亞臨界萃取法得油率未位列最高，但其萃取時間遠短于其他方法，亞臨界丁烷萃取磷蝦油萃取因而被判定為最經濟的生產加工方法。與溫度或壓力相比，時間是更為顯著影響萃取率的因素，時間過分延長萃取率反而會下降。除此之外，其他研究表明對目標營養物質萃取時若采用靜態、動態混合模式，可極大程度提升萃取率，促使目標萃取物的溶出[22]，因此試驗設計過程中，選擇合適的萃取模式與時間至關重要。

3.5 其他

除上述影響因素外，要優化水產品原料中營養組分的萃取效果，原料的粒度[61]、萃取過程中的固液比[34,59]、萃取液流速[33]、萃取次數[26]、攪拌速度[19,21]等也均有作用。高水分含量的水產原料萃取前應進行干制粉碎處理，若粒度過大，萃取劑與溶質接觸不完全，萃取率較低；粒度過小，高水分溶質間容易黏連，萃取劑提取過程中通透性變差，萃取率也會下降。根據水產物料特性與對目標產物得率品質的要求，選擇合適的固液比、流速、萃取次數與攪拌速度，或聯用新型預處理方式都可潛在高效地提升萃取效率與萃取物的活性。

4 展望

亞臨界流體萃取技術作為新型綠色的萃取分離技術對海洋資源的開發不斷在進行，已發現初步運用于水產原料中高活性油脂、蛋白、多糖等營養組分的萃取，克服了傳統萃取技術溶劑殘留大的主要弊端，適合未來推進開發大規模、連續性的亞臨界流體萃取分離設備。但單一的亞臨界萃取技術并不能滿足某些水產品活性營養組分的產量和功能性維持的需求，需要結合新技術(如酶法、超聲波、微波等)優化萃取工藝，保證產物品質，這也將是未來亞臨界流體萃取技術研究的新方向；此外水產原料富含水分，亞臨界流體萃取水產品營養組分時應注意乳化作用和氧化反應，針對不同水產原材料中營養組分的萃取應研究相關溶劑萃取模型，極大程度開發利用海洋資源。目前，水產品的亞臨界萃取技術的探索大部分還處于實驗室階段，未來應規模化放大批量，攻克規模化生產中萃取物易高溫分解、易發生品質劣變等技術難點，研究大規模連續化生產設備。