微波辅助制备金枪鱼骨钙粉及其生物活性

阳丽红，王宏海，周小敏，马永钧，王 杰，沈 清,,*

（1.浙江工商大学海洋食品研究院，浙江 杭州 310012；2.浙江省水产品加工技术研究联合重点实验室，浙江 杭州 310012；3.浙江兴业集团有限公司，浙江 舟山 316101）

金枪鱼（Thunnus albacares），又称吞拿鱼，是一种重要的世界经济鱼类，具有高蛋白和低脂肪的特点。金枪鱼营养丰富，氨基酸组成接近人体氨基酸需要量模式，且富含n-3多不饱和脂肪酸、矿物质元素和多种维生素等营养成分[1-2]。金枪鱼骨作为金枪鱼生鱼片和鱼罐头加工业的主要副产物之一，通常与内脏等其他下脚料一起被废弃，经济效益低下[3-4]。鱼骨中钙含量十分丰富，高达20%～30%，可以作为一种天然的优质钙源[5]。鱼骨中钙磷比例符合人体需求，对鱼骨中钙的加工利用，不仅可以满足人们的生理需要，还体现了对食品多样化的需求。鱼骨回收后可简单制成鱼骨粉饲料[6]，或作为添加辅料加入到鱼糜制品改善凝胶特性[7]，作为钙强化剂加入鸡精和玉米粥等[8]强化蛋白质吸收，也可经深加工制成补钙制剂，如活性钙[9-10]、多肽螯合钙[11-12]、柠檬酸-苹果酸活性钙等[13]，可大大提高利用价值，创造可观的经济效益。

骨钙粉粒径越小，其孔隙率和比表面积就越大，表面吸附力、溶解性和分散性等性质就越好[14-15]。常规制备微型骨粉的方法主要为机械粉碎法，其具有环境友好、效率高、成本低、操作简便等优点，具体包括高能球磨、高速气流粉碎等技术手段。范露等[16]以鲢鱼骨头为原料，利用干法球磨法制得了平均粒径为9.3 μm的超微鱼骨粉，李少博等[17]利用响应面法优化了干法球磨法工艺，并制备得到平均粒径为502 nm的纳米级兔骨粉。

微波作为一种电磁辐射能，其热效应在工业上的应用也得到了迅速的发展[18]。通过向物质内部辐射微波电磁场，推动其偶极子运动，使之相互碰撞、摩擦而生热，使物质在热应力作用下产生裂纹，可以改善物质的易磨性，起到辅助粉碎效果。微波在食品科学与工程领域显示出较大的发展潜力，刘扬帆[19]利用微波热解制备出颗粒尺寸约为50 nm的纳米ZrO2粉体，其比传统方法制备的粉体粒径更小，耗时更短，分散性更好且无明显团聚现象。王晓双等[20]利用微波法制备紫薯生全粉并对其加工特性进行了研究，结果表明微波辅助可提高紫薯生全粉的持水性、持油性及凝胶特性。然而，目前采用微波加热辅助制备鱼骨粉微粒的相关研究鲜见报道。本实验以金枪鱼加工副产物鱼骨为原料，采用响应面分析法对微波条件进行优化，探讨不同样品质量、微波功率、微波时间对鱼骨粉的影响，结合表征方法和动物实验进行分析，对最佳微波条件下金枪鱼骨粉进行生物利用度评价，旨在阐明微波对鱼骨粉制备的影响及其生物功能性，为金枪鱼加工副产物的资源化利用提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金枪鱼骨 浙江兴业集团有限公司；C57BL/6小鼠48 只 浙江省医学科学研究院；胰蛋白酶（250 U/mg）、中性蛋白酶（200 U/mg） 国药集团化学试剂有限公司；超纯水（电阻率18.2 MΩgcm）由Milli-Q纯水系统制得；其他化学试剂均购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

微波炉 广东美的微波电器制造有限公司；粉碎机天津市泰斯特仪器有限公司；PHSJ-4a型pH计 上海雷磁仪器厂；SUPRA 55 Sapphire场发射扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM） 德国卡尔蔡司公司；Mastersizer 3600激光粒度仪 英国马尔文公司。

1.3 方法

1.3.1 基本营养成分

水分参照GB 5009.3ü2016《食品中水分的测定》中的直接干燥法进行测定；粗蛋白质参照GB 5009.5ü2016《食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮法测定；脂肪参照GB 5009.6ü2016《食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法测定；灰分参照GB 5009.4ü2016《食品中灰分的测定》中的灼烧称重法进行测定。

1.3.2 矿物质元素分析

鱼骨粉中的钙、铜、镁和锌含量参照GB/T 13885ü 2017《饲料中钙、铜、铁、镁、锰、钾、钠和锌含量的测定》用原子吸收光谱法测定；磷含量参照GB 5009.87ü2016《食品中磷的测定》中的分光光度法进行测定；镉含量参照GB/T 13082ü1991《饲料中镉的测定方法》中的原子吸收光谱法测定；铅含量参照GB/T 13080ü2018《饲料中铅的测定》中的原子吸收光谱法测定。

1.3.3 微波条件单因素试验

采用单因素轮换法，依次考察鱼骨样品质量（60、80、100、120、140 g）、微波功率（400、600 、800、1 000、1 200 W）、微波时间（30、60、90、120、150 min）3因素对金枪鱼骨粉粒径的影响。鱼骨粉的粒度采用激光粒度分布仪测定，鱼骨粉的平均粒径采用中位粒径（D50）表示，平行实验3 次，确定最佳微波条件。

1.3.4 响应面优化试验

在单因素试验分析的基础上，采用3因素3水平Box-Behnken响应面试验设计法，以样品质量（A）、微波功率（B）和微波时间（C）为考察因素，并以鱼骨粉的粒径为评价指标，优化微波加热的工艺条件。

1.3.5 金枪鱼骨粉的制备

称取定量的金枪鱼骨沸水浴烫漂3 min后用自来水冲洗去除表面杂质，高压120 ℃蒸煮鱼骨20 min。按料液比1∶1（g/mL）将鱼骨与蒸馏水混合，将pH值调至7.5，加质量分数0.5%胰蛋白酶与0.5%中性蛋白酶（以鱼骨质量计）在55 ℃酶解1 h，得到洁净鳕鱼骨后煮沸10 min灭酶。灭酶后的鱼骨进行直接干燥处理或进行微波加热处理，再用粉碎机粉碎。

1.3.6 金枪鱼骨钙粉特性检测

1.3.6.1 粒径分析

采用激光粒度分布仪测定，结果采用Mastersizer 3000软件分析。鱼骨粉的平均粒径采用中位粒径（D50）表示。

1.3.6.2 SEM表征

鱼骨粉均匀地铺撒到固定在铝制样品台的绝缘胶上，在真空状态下用离子溅射仪喷金，使其表面带电，用SEM在加速电压为10 kV的条件下观察鱼骨粉的表面形貌。

1.3.7 生物利用度

1.3.7.1 动物实验

依据GB 14924ü2001《实验动物大鼠小鼠配合饲料》，配制不同含钙源饲料喂养小鼠。48 只健康小鼠随机分成4 组，每组8 只，雌雄各半。单只饲养在聚乙烯塑料盒内，每日投放饲料6.5 g，自由进食，饮用去离子水。实验期28 d，逐日记录进食量，实验期后3 d进行代谢实验，收集粪尿，测定饲料钙、粪钙和尿钙，计算钙的表观吸收率及储留率。剥离小鼠股骨，剔除肌肉和筋膜后称质量，游标卡尺测其长度和宽度，同时测定骨钙含量。

1.3.7.2 饲料配方

A组饲料为基础饲料配方，具体如下：玉米淀粉50%、酪蛋白18%、麦麸10%、蔗糖8%、大豆油4%、纤维素1%、矿物元素混合物0.4%、赖氨酸0.3%、酒石酸氢胆碱0.2%、维生素混合物0.1%，水分适量。GB 14924ü 2001标准中规定小鼠饲料中钙含量为1.0%～1.8%，故设定标准对照组饲料钙含量为1.6%，低剂量对照组为0.3%。B组饲料为基础饲料配方+1.6%普通金枪鱼骨钙粉。C组饲料为基础饲料配方+1.6%微波金枪鱼骨钙粉。D组饲料为基础饲料配方+1.6%碳酸钙。

1.3.7.3 钙含量和吸收率、储留率的测定

饲料、粪便、尿液和股骨中钙含量的测定均采用GB/T 5009.92ü2016《食品中钙的测定》方法。计算钙的表观吸收率及储留率如式（1）、（2）所示：

式中：X1为代谢期间小鼠钙摄入量；X2为粪便中钙含量；X3为尿液中钙含量。

1.4 数据分析

每个样品平行测定3 次，统计值以fs形式表示，采用SPSS V17.0进行差异显著性分析，使用Design-Expert 8.05进行响应面试验设计与分析，并用Microsoft Word、Origin 7.5及Excel进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 基本成分

金枪鱼骨中基本成分见表1。金枪鱼骨中水分质量分数最高，达到了61.3%。粗蛋白质含量丰富，占总质量的16.1%，显著高于鲢鱼（8.9%）等其他鱼类骨质[21]；脂质含量较低，仅为1.12%。此外，金枪鱼骨中灰分含量也较高，表明钙、磷等矿物质元素较多。因此，利用金枪鱼的鱼骨资源开发骨钙粉具备较好的原料基础。

表1 金枪鱼骨基本成分的质量分数Table 1 Nutrient composition of tuna bone%

2.2 微波加热工艺优化单因素试验结果

2.2.1 样品质量对金枪鱼骨粉粒径的影响

图1 样品质量对金枪鱼骨粉粒径的影响Fig. 1 Effect of sample amount on the particle size of fi shbone powder

由图1可见，样品质量在60～140 g范围内，金枪鱼骨粉粒径随着样品质量的增加先降低后升高，在样品质量为120 g时，鱼骨粉粒径值最低。当样品质量较小时，粉碎机刀片对金枪鱼骨样品击打不均匀。相反，在保持微波场强一定下，过量鱼骨样品导致平均微波辐照量稀释，进而影响鱼骨粉粒径。

2.2.2 微波功率对金枪鱼骨粉粒径的影响

由图2可见，微波功率在400～1 200 W范围内，金枪鱼骨粉粒径呈现先减小后增大的趋势，在微波功率为800 W时，鱼骨粉粒径最低。根据微波干燥原理，鱼骨中的水分子吸收微波能量，分子间的碰撞和摩擦产生了大量热量，使鱼骨粉内部水分迅速蒸发[22]。同时微波向金枪鱼骨粉内部辐射电磁场，使鱼骨粉在热应力作用下产生裂纹，改善了鱼骨粉的易磨性，起到了辅助粉碎的效果。随着微波功率的增加，鱼骨粉纤维结构明显，鱼骨粉的分散性得到了提高，有利于形成小尺寸的微米颗粒。功率超过800 W时，可能是因为功率过高发生了焦糊现象，鱼骨粉的易磨性降低，不利于形成粒径小的颗粒。

图2 微波功率对金枪鱼骨粉粒径的影响Fig. 2 Effect of microwave power on the particle size of fi shbone powder

2.2.3 微波时间对金枪鱼骨粉粒径的影响

图3 微波时间对金枪鱼骨粉粒径的影响Fig. 3 Effect of microwave irradiation time on the particle size of fi shbone powder

由图3可知，微波时间在30～150 min范围内，金枪鱼骨粉粒径随着微波时间的延长先减小后增大，在微波时间为90 min时，鱼骨粉粒径达到最低。随着微波辐射时间的增加，鱼骨的分解率增加，鱼骨粉的粒径逐渐减小，大小均匀。微波热处理时间大于90 min时，鱼骨粉的粒径增大。微波时间对鱼骨粉粒径的影响机理可能与高强混凝土高温爆裂机理类似，即由于加热时间过长，鱼骨粉颗粒升温趋于一致，热应力被分散释放，有利于裂纹扩展的水分被蒸发导致鱼骨粉的易磨性降低[23]。

2.3 矿物元素分析

金枪鱼骨富含多种矿物元素，将普通鱼骨粉和微波鱼骨粉进行原子吸收光谱检测，结果见表2。经过微波处理后，金枪鱼骨粉中的钙、磷含量有所提高，钙元素从183.5 mg/g增加到192.3 mg/g，磷的含量从144.1 mg/g增加到149.8 mg/g，镁、锌和铜的含量也有所增加。由此推测，微波处理通过降低鱼骨粉的粒径促进其与生物酶之间的水解反应，进而减少蛋白质、骨胶原等杂质，提高矿物元素的相对含量。

表2 微波处理金枪鱼骨粉与普通金枪鱼骨粉矿物质成分对比Table 2 Comparison of mineral components between microwave processed tuna bone fl our and common tuna bone fl our mg/g

2.4 响应面优化微波条件2.4.1 响应面试验设计

在单因素试验结果的基础上，选取样品质量、微波功率、微波时间为变量因素，采用Design-Expert 8.0.6软件中的Box-Behnken试验设计原理进行优化设计[24]。每个变量因子均设有3 个水平，每个水平间设置为等距。响应面试验设置为允许条件下最少的组合，即17 个试验；响应值即鱼骨粉粒径。试验因素水平设计及结果见表3。

表3 响应面试验设计与结果Table 3 Box-Behnken design with experimental results for response surface analysis

2.4.2 回归方程和显著性

利用Design-Expert 8.06软件对试验结果进行多元回归拟合，得到二次多项回归模型方程y=16.61-1.25A+1.17B+0.24C-55.03AB-27.35AC-27.61BC+46.39A2+48.45B2+62.52C2。对该模型进行方差分析，结果如表4所示，回归方程模型P值为0.000 1，表明该方程拟合度较好。失拟项P值为0.081 6，表明失拟项不显著，方程与实际拟合中非正常误差所占比例小，模型不失拟，选择合理。该模型的相关系数R2为0.999 7，表明鱼骨粉粒径的实验值与预测值间有很好的一致性。综上该模型拟合程度较好，误差较小，因此可用此模型对微波处理制备金枪鱼骨粉的工艺条件进行分析和预测。根据回归方程一次项系数绝对值的大小，可知影响金枪鱼骨粉粒径效果的主次因素为A（样品质量）＞B（微波功率）＞C（微波时间）[25]。模型的一次项A、B、C对结果影响均不显著（P＞0.05）；二次项A2、B2、C2对结果影响均极显著（P＜0.01）；交叉项AB、AC、BC对结果影响均极显著（P＜0.01）。

表4 回归方程参数方差分析Table 4 Analysis of variance of quadratic polynomial regression equation

2.4.3 微波加热工艺优化响应面分析

为了进一步研究3 个因素之间的交互作用以及确定最优点，通过Design-Expert软件绘制响应面图。由图4可见，微波功率、样品质量和微波时间的交互作用对金枪鱼骨粉微波加热效果的影响均出现抛物面型关系，且所得到的响应面图都开口向上，即都存在一个极小值点，其中微波功率和样品质量、微波时间和样品质量、微波时间和微波功率的交互作用等高线均呈椭圆形，对结果影响显著（P＜0.05）。

图4a响应面坡度较陡，等高线成椭圆形，说明样品质量和微波功率均对金枪鱼骨粉粒径影响显著，两因素交互作用显著（P＜0.05）。固定微波时间为90 min，随着样品质量和微波功率的增加，鱼骨粉粒径呈现先减少后增大的趋势，样品质量轴向等高线更为密集，说明样品质量对鱼骨粉粒径的影响比较显著，响应面图开口向上，表明在实验所选范围内存在极小值，在微波功率800 W、样品质量120 g附近值时为最佳水平范围。由图4b可知，在微波时间60～120 min、样品质量100～140 g范围内，鱼骨粉粒径先减少后增大，在微波时间90 min、样品质量120 g附近值为对金枪鱼骨粉粒径有重要影响，且等高线呈椭圆形，说明两因素之间交互作用显著（P＜0.05）。如图4c所示，响应面坡度较陡，等高线成椭圆形，说明微波时间和微波功率均对金枪鱼骨粉粒径影响显著，两因素交互作用显著。固定样品质量为120 g，随着微波时间和微波功率的增加，鱼骨粉粒径呈现先减少后增大的趋势，微波功率轴向等高线更为密集，说明微波功率对鱼骨粉粒径的影响比较显著，结合表3，得出结论：金枪鱼骨粉粒径对微波功率的变化比时间的变化敏感，两因素具有一定的交互作用，且交互作用显著（P＜0.05）。响应面图开口向上，表明在实验所选范围内存在极小值，在微波功率800 W、时间90 min附近值为最佳水平。

经过响应面优化，根据所建立的数学模型进行参数最优分析，得到预测最佳工艺条件为样品质量120.15 g、微波功率798.37 W、微波时间89.94 min，此时鱼骨粉粒径可达到16.602 μm。考虑到实际操作条件，将工艺条件修正为样品质量120 g、微波功率800 W、微波时间90 min，此条件下鱼骨粉粒径为16.627 μm，与预测值接近。

图4 样品质量、微波功率和微波时间的交互作用对金枪鱼骨粉粒径影响的响应面图和等高线图Fig. 4 Response surface and contour plots showing the interactive effects of sample amount, microwave powder and irradiation time on the particle size of fi shbone fl our

2.5 粒径分析

图5 微波金枪鱼骨粉和普通鱼骨粉的粒径分布图Fig. 5 Particle size distribution of microwave processed and common fi shbone powder

鱼骨粉的粒径是决定其特性的关键因素，降低粒径可显著提高鱼骨粉的生物利用率[26-27]。如图5所示，直接干燥处理的粗鱼骨粉的平均粒径为285.169 μm，其粒度分布范围较广，分散性差，颗粒团聚严重，与SEM的观察结果一致，最佳微波条件处理后的鱼骨粉平均粒径为16.627 μm，分散性较好。微波加热降低了鱼骨粉的颗粒大小，且粒度分布范围变窄，更加均匀，体现了微波在材料领域辅助粉碎的作用。

2.6 SEM表征

从图6可以看出，微波处理后的鱼骨粉的表面结构与原鱼骨粉呈现明显不同。其中粗鱼骨粉（图6A）表面和整体形态比较完整，仅有部分表面发生破裂，经微波加热处理后鱼骨粉（图6B）整体形态不再保持完整性，成为疏松的海绵状结构，并且在鱼骨粉疏松的表面出现微孔。这与Boutinguiza等[28]报道的采用600 ℃高温预处理和干法球磨方法制备的纳米鱼骨粉的平均粒径和外观形貌相似。这说明在微波加热过程中，骨粉颗粒在热应力的作用下产生了缝隙，起到了促进粉碎效果。

图6 普通鱼骨粉（A）和微波金枪鱼骨粉（B）的SEM图Fig. 6 SEM micrographs of common (A) and microwave processed (B)fi shbone fl our

2.7 微波鱼骨钙粉的生物利用度

采用相同成分和含量、仅钙剂来源不同的人工合成饲料饲喂小鼠，喂养28 d，不同来源的钙剂对小鼠钙代谢的结果见表5。钙制剂在小肠和肾中的吸收机制包括主动和被动两种运输方式，钙元素在进入小肠中一部分被吸收利用[29]。因此，钙吸收率、钙储留率能反映钙在小鼠体内表观的情况。由表5可看出，低钙对照A组的钙吸收率、储留率均显著高于其他组（P＜0.05），但实际吸收量较其他组低，说明吸收率与小鼠所需要的钙量有关，由于缺钙小鼠对钙的吸收效果增加，这与张文静等[30]的研究结果一致。喂养普通金枪鱼骨粉的B组和微波鱼骨粉的C组在吸收率、储留率上显著高于喂养碳酸钙的D组（P＜0.05），这表明鱼骨粉中的有机钙比以碳酸钙为代表的无机钙吸收率高，同时微波鱼骨粉C组中的钙吸收率和钙储留率又显著高于普通鱼骨粉B组（P＜0.05），这表明微波金枪鱼骨钙粉生物效价高于碳酸钙和普通鱼骨粉。

表5 小鼠钙代谢测定结果Table 5 Calcium metabolism profiles of mice after consuming fi shbone fl ours

钙离子经小肠吸收后，主要在骨组织中形成羟基磷灰石晶体，构成骨骼的基本结构[31]。骨骼生长的重要指标是股骨的长势，可通过股重、股长、股钙等看出。由表6可看出，喂养微波鱼骨粉的C组无论是左侧股骨长度、质量、钙含量或者股骨指数和强度上其平均值均高于喂养普通鱼骨粉的B组和喂养碳酸钙的D组，以及低钙对照组A组的股骨数据。通过显著性分析，摄入鱼骨粉的小鼠其钙含量高于碳酸钙D组和低钙对照A组（P＜0.05），表明鱼骨粉中的钙具有良好的沉积作用，有利于骨密度的增加，缺钙可导致小鼠骨钙化不良，3 种钙源都可以预防这些缺陷。喂食微波鱼骨粉C组的小鼠的钙含量和股骨强度的平均值高于普通鱼骨粉B组，但统计学差异并不显著（P＞0.05），可能由于在钙缺乏时身体的生长受到限制；而在充足钙源下这一限制被消除，所以在实验组中骨钙增长的差异不大[32]。

表6 小鼠摄入不同钙制剂对股骨的影响Table 6 Effects of different calcium preparations on femur parameters in mice

3 结 论

金枪鱼骨作为金枪鱼生鱼片和鱼罐头加工业的主要副产物之一，通常与内脏等其他下脚料一起被废弃。本研究利用微波辅助法优化样品质量、微波功率和时间等鱼骨粉制备条件，通过单因素和响应面试验得到的最优条件下鱼骨粉的平均粒度为16.627 μm。经表征观察到经微波处理后鱼骨粉的表面形成的微孔和疏松结构。实验表明，摄食微波鱼骨粉组小鼠钙吸收率和钙储留率高于其他组，生物利用率优于相同钙含量的普通鱼骨粉以及碳酸钙。综上所述，金枪鱼骨是一种优良的天然钙源，通过微波技术制备的鱼骨钙粉可作为良好的膳食钙补充剂添加到食品中，本研究可为鱼骨类废弃物的综合利用提供理论依据和参考。