钙盐对南极磷虾肉中各形态氟的脱除作用

方兵，汪之和，施文正，王林林，陈璇怡

（上海海洋大学食品学院，上海 201306）

南极磷虾，又名大磷虾或南极大磷虾，其资源量巨大，估计在3.79×108t左右[1]。南极磷虾营养价值高，具有典型的高蛋白、低脂肪的特点，含量分别为16.31%和1.3%[2]，其蛋白水解产物中包含人体所必需的全部氨基酸。富含亚油酸、亚麻酸等不饱和脂肪酸及钙、钾、镁和锶等多种矿物质元素，具有较好的开发利用价值。然而南极磷虾的富氟特性限制了南极磷虾的开发利用。国标中规定的食品中氟允许量应小于2.0 mg/kg[3]，然而不同站位的南极磷虾氟（整虾）含量变化区间为 703.2～1825 mg/kg[4]，远远高于安全食用标准。目前对于南极磷虾的脱氟研究主要集中在对南极磷虾酶解液的脱氟上，其中钙盐沉淀法效果比较理想，反应原理是Ca2+可以和F-发生反应，生产CaF2沉淀。李红艳等[5]利用氯化钙对南极磷虾酶解液进行脱氟，脱氟率达到97.89%，张迪等[6]以醋酸钙为脱氟剂，利用响应面法优化对南极磷虾进行脱氟，脱氟率达到(84.15±1.37)%，郭帆等[7]以乳酸钙为脱氟剂，结合活性氧化铝吸附脱氟法和钙离子沉淀脱氟法，使脱氟率达到93.98%。这些研究都是以总氟的脱除率为标准，然而随着对氟元素形态的深入研究，人们已经逐渐了解，不同形态的氟被生物体吸收的情况不一样。对生物的毒性也不同[8]。仅分析南极磷虾中氟的总含量不足以说明其是否对生物体有害，也不能正确合理评价南极磷虾的安全性[8]。因此研究各种脱氟方法对南极磷虾中不同形态氟的脱除情况，评价每种脱氟剂对不同形态氟的脱除效果，具有十分重要的意义。

本文以赵晓君[9]建立的南极磷虾氟形态分析方法为基础，检测了南极磷虾肉中的水溶态、可交换态、氧化态、有机束缚态和残渣态氟，选择六种不同钙盐对南极磷虾肉进行脱氟处理，然后采用逐级化学-超声波浸提技术对脱氟后的南极磷虾肉浸提，测定各形态氟含量，研究分析不同钙盐对不同形态氟的脱除效果，旨在为找到更好的脱氟方法提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

实验所用南极磷虾由辽宁省大连海洋渔业集团公司捕捞于南极海域FAO48.1区，捕捞后于-20 ℃条件下运回、保存。

主要实验试剂：氟化钠、三水合乙酸钠、二水合柠檬酸钠、浓盐酸、氢氧化钠、无水氯化钙、氧化钙、四水合柠檬酸钙、五水合乳酸钙、丙酸钙、一水合乙酸钙、乙酸铵、盐酸羟胺、30%过氧化氢、硝酸镁等均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；实验所用水为去离子水。

主要实验设备：JYL-C020型组织搅碎机，九阳料理机；BSA型分析天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；SB-400DTY超声波多频清洗机，宁波新芝生物科技有限公司；JB-1A型磁力搅拌器，上海精密科学仪器有限公司；HWS-24型水浴锅购于上海慧泰仪器制造有限公司；PF-1型氟离子选择电极，上海雷磁精密仪器有限公司；232单盐桥型甘汞参比电极，上海雷磁精密仪器有限公司；CR-21G型高速冷冻离心机，日本HITACHI公司。

1.2 实验方法

1.2.1 南极磷虾中各形态氟含量的测定

参考赵晓君的逐级化学-超声波浸提方法[9]，略有改动。南极磷虾解冻后，去壳取虾肉，经组织搅碎机搅碎均匀，称取3 g虾肉于烧杯中，加入对应浸提液，料液比均为1:10，按表1方法逐级浸提。浸提完毕后，8000 r/min，4 ℃条件下离心10 min，取上清液，残渣用去离子水洗涤两次，离心合并上清液，用氟离子电极法测定氟含量。

表1 不同形态氟的连续分级提取方法Table 1 The sequential extraction procedure for fractionate of fluoride forms

表2 反应条件Table 2 Reaction conditions

1.2.2 不同钙盐及超声处理对南极磷虾脱氟情况研究

称取搅碎虾肉5 g于烧杯中，加入15 mL去离子水，依次加入对应钙盐。分为两组：钙盐组、超声+钙盐组，按表2中条件进行反应。

反应吸附1 h后，8000 r/min，4 ℃条件下离心10 min，弃上清液，测定虾肉中总氟含量以及各形态氟含量。总氟含量测定选用GB/T 5009.18-2003食品中氟的测定方法，各形态氟的测定同1.2.1中的方法。

1.2.3 数据处理

实验数据均由Excel、SPSS17.0等软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 南极磷虾中各形态氟含量

国际纯粹与应用化学联合会对化学形态分析做了定义，化学形态分析是指确定特定物质的原子和分子组成形式的过程，即指特定样品中元素的各种存在形式，包括游离态、共价结合态、络合配位态、超分子结合态等定性和定量的分析方法[10]。目前国内关于氟的赋存形态研究，主要集中在土壤中，对食品中氟的赋存形态研究较少。本文参考赵晓君[9]等建立的南极磷虾氟形态分析方法，将南极磷虾肉中的氟分为水溶态氟、可交换态氟、氧化态氟、有机束缚态氟和残渣态氟，采用逐级化学-超声波浸提方法提取测定，结果如表3所示。南极磷虾肉中：可交换态氟>水溶态氟>氧化态氟>残渣态氟>有机束缚态氟。五种形态氟的总含量为507.34±7.01 mg/kg，其中水溶态氟和可交换态氟含量总和为291.58 mg/kg，占总氟含量58.50%，含量明显占优。水溶态氟主要指以离子或络合物形式存在于生物体中，包括 F-、HF2-、H2F3-、H3F4-、AlF63-、FeF63-等。交换态氟是指通过静电吸引力吸附于粘粒、有机质颗粒和水合氧化物的可交换正电荷上的氟阴离子[11]。水溶态氟和可交换态氟对植物、动物、微生物及人类有较高的有效性[11]。

表3 南极磷虾肉中各形态氟含量及其百分比Table 3 Antarctic krill morphology fluorine content and its percentage

其余三种形态氟的总含量为210.48 mg/kg，占总氟含量41.50%。氧化态氟可与铁、锰及铝的氧化物、氢氧化物和水合氧化物进行吸附作用或共沉淀，是生物非有效态氟；有机束缚态氟可与有机酸起络合作用，形成螯合态氟或有机束缚态氟，从而使其生物有效性降低；残渣态氟存在于矿质颗粒晶格内，化学性质稳定，很难被生物体所吸收利用[11]。因此，对于南极磷虾中氟形态，我们更应该关注水溶态氟和可交换态氟，两者的含量高，对人体危害较大。

2.2 不同钙盐及超声处理对南极磷虾脱氟情况的影响

图1 脱氟处理后各组总氟含量情况Fig.1 Fluorine content of each group after defluorination

本实验选择六种不同钙盐对南极磷虾进行脱氟，分别为氯化钙、氧化钙、柠檬酸钙、乳酸钙、丙酸钙和乙酸钙。实验分为两组：钙盐组和“超声+钙盐”组。实验结果如图1和2所示。

图2 脱氟处理后各组氟的脱除率情况Fig.2 Fluoride removal rate of each group after defluorination

由图1和2可知，在钙盐组中，经柠檬酸钙、乙酸钙和氯化钙脱氟处理后的虾肉中氟含量最低，脱氟效果最好，脱氟率分别为（33.86±3.71）%、（28.88±3.89）%和（27.65±2.23）%，三组之间无显著性差异（p>0.05），明显高于乳酸钙（21.39±1.69）%、氧化钙（16.84±0.64）%、和丙酸钙（16.68±0.11）%。这可能和钙盐的溶解度有关，钙盐的溶解度越大，越容易和南极磷虾中的氟接触，从而发生沉淀反应。

在“超声+钙盐”组中，柠檬酸钙、氯化钙、和乳酸钙的脱氟效果最好，脱氟率分别达到了（40.81±3.29）%、（40.15±0.06）%和（40.06±1.42）%，三组之间无显著性差异（p>0.05）。经超声处理后，脱氟效果明显高于单一钙盐组，其中乳酸钙和氯化钙两组脱氟效果提高最为明显，分别提高了 18.67%和18.08%，乙酸钙脱氟效果变化最小，仅提高了2.57%，说明超声处理可以提高钙盐的脱氟效果。超声波是频率高于20 kHz以上的声波，声波在媒质中传播时，使媒质中的粒子产生振动，并通过介质在传播方向传递能量[12]。因此超声处理不仅可以增加钙盐在水中的溶解度，还可以一定程度上破坏肌肉组织，使氟脱离出来，增加钙盐和氟的接触，从而更容易发生沉淀反应。值得注意的是，虽然经超声处理后，钙盐的脱氟效果有一定的提高，但从实验结果来看，六种钙盐的脱氟率范围仅为31.30%～40.81%，脱氟效果最好的“超声+柠檬酸钙”组中，南极磷虾肉中残余的氟含量仍高达（304.12±16.87）mg/kg，因此有必要进一步研究脱氟方法对不同形态氟的脱除效果。

2.3 超声辅助钙盐对南极磷虾各形态氟的脱除效果

图3 超声脱氟处理后各组各形态氟的脱除率情况Fig.3 Various forms of fluorine removal rate of each group after ultrasonic defluorination treatment

选择“超声+钙盐”组中脱氟后的虾肉，采用逐级化学-超声波浸提方法浸提各形态氟，并测定含量，分析结果如表4和图3所示。由表4和图3可知，对于水溶态氟的脱除，乳酸钙（56.55%）、氯化钙（55.65%）和乙酸钙（52.29%）的效果较好；对于可交换态氟的脱除，乳酸钙（77.70%）、柠檬酸钙（73.37%）和氯化钙（73.35%）的效果比较理想；氧化态氟仅能被部分脱除，脱氟效果较好的有柠檬酸钙（27.50%）、氯化钙（24.45%）和乳酸钙（23.14%）。

可见，乳酸钙、氯化钙和柠檬酸钙对可交换态氟、水溶态氟的脱除效果较好，对氧化态氟的脱除也有一定效果。结果和前面分析的这三种钙盐对总氟的脱除效果一致。六种钙盐对有机束缚态氟和残渣态的脱除效果较差，在各组中，丙酸钙对有机束缚态氟的脱除率最高，为11.45%；氯化钙对残渣态氟的脱除率最高，为 6.82%，此时虾肉中残渣态氟含量仍高达（71.50±1.67）mg/kg。

研究显示，南极磷虾中并不是所有的氟都能被生物体有效利用，其中水溶态氟和可交换态氟是生物有效性氟，比较容易被钙盐脱除；氧化态氟、有机束缚态氟和残渣态氟是非有效性氟，只能部分被钙盐脱除。因此，我们进一步分析这六种钙盐对生物有效性氟和非有效性氟的脱除情况，结果如图4所示。

图4 超声处理后各钙盐对有效性氟和非有效性氟的脱除情况Fig.4 Removal of available fluoride and ineffective fluoride by each calcium salt after sonication

由图4可知，不同钙盐对于生物有效性氟的脱除率由大到小依次为：乳酸钙>氯化钙>柠檬酸钙>乙酸钙>丙酸钙>氧化钙，脱除率分别为：68.66%、65.78%、62.69%、58.03%、55.83%和 52.49%，各组之间均有显著性差异（p<0.05）。

表4 超声-钙盐脱氟处理后各组各形态氟含量（mg/kg）Table 4 Various forms of fluorine content of each group after ultrasonic defluorination treatment

对于非有效性氟的脱除率由高至低依次为：柠檬酸钙>氯化钙>乳酸钙>丙酸钙>乙酸钙>氧化钙，脱除率分别为 15.21%、13.83%、12.29%、8.06%、6.67%和6.62%。综上所述，乳酸钙、氯化钙和柠檬酸钙是比较理想的脱氟剂。在食品工业，乳酸钙是一种安全的食品添加剂、稳定剂和增稠剂[13]，柠檬酸钙可开发成组织凝固剂、钙强化剂和乳化盐等[14]，两者作为有机钙，更易被人体吸收，有补充钙质的作用。

3 结论

3.1 通过对南极磷虾肉中各形态氟进行提取测定，分析结果可知南极磷虾肉中各形态氟含量次序为：可交换态氟>水溶态氟>氧化态氟>残渣态氟>有机束缚态氟，其含量占总氟含量百分比依次为：32.91%、25.59%、17.02%、9.35%、15.13%。其中可交换态氟和水溶态氟为生物有效性氟，总量占比为58.50%，更加值得关注；氧化态、有机束缚态和残渣态为非有效性氟，总量占比为41.50%。

3.2 通过“超声+钙盐”组和钙盐组对南极磷虾肉进行脱氟处理，结果显示：超声有利于钙盐的脱氟，其中氯化钙、柠檬酸钙和乳酸钙三种钙盐结合超声处理的脱氟效果最好，但其脱氟率也仅有40%左右，低于对南极磷虾酶解液的脱氟率，这可能是因为一方面南极磷虾酶解液的制备过程中，伴随着部分不同形态氟之间的转化，且易于被钙盐脱除的水溶态氟和可交换态氟被释放，游离在酶解液中，而不易被脱除的的氧化态氟、有机束缚态氟和残渣态氟仍留在虾肉残渣中，被丢弃；另一方面酶解液比虾肉更容易和钙盐接触，发生沉淀反应。

3.3 通过对“超声+钙盐”组处理后的南极磷虾肉中各形态氟含量的测定，结果表明：南极磷虾肉中水溶态氟和可交换态氟容易被脱除，氧化态氟可以部分被脱除，有机束缚态氟和残渣态氟很难被脱除。其中，乳酸钙、氯化钙和柠檬酸钙对水溶态氟和可交换态氟脱除效果较为理想。分析钙盐脱除生物有效性氟和非有效性氟的结果说明，钙盐可以脱除大部分有效性氟，降低其对人体的危害，但很难脱除非有效性氟，不过这部分氟对人体危害不大。