南极磷虾中氟含量迁移影响因素研究进展

李芹，刘欢

(1．中国水产科学研究院，北京 100141； 2.农业农村部水产品质量安全控制重点实验室，北京 100141；3.上海海洋大学水产与生命学院， 上海 201306)

南极磷虾又名大磷虾或南极大磷虾(Euphausiasuperba)，属于节肢动物门磷虾属，是一种在南极洲水域生活的磷虾。南极磷虾属于无脊椎动物，并以集群方式生活，有时密度达到每立方米1万～3万只。成虾长45～60 mm，重约2 g，寿命大约为6年。南极磷虾是南极生态系统的关键物种，也是地球上资源量最大的单种生物之一[1]，据估算，其生物量约为6.5亿至10亿t，每年的可捕量约为6 000万至1亿t，相当于全球海洋生物的年总捕捞量[2]。若以生物质能分析，其可能是地球上最成功的动物物种[3]。南极磷虾富含蛋白质及多种生物活性成分，营养价值极高[4]。据估计，一只南极磷虾蛋白质含量约与5 g牛肉相当，一年捕捞7 000万t南极磷虾，即可为世界四分之一人口每天提供20 g高质量蛋白[3]。

氟是海水中的保守性元素之一，在世界各大洋中的平均含量为1.3 mg/kg[5]。氟作为为数不多的具有双阈值的微量生命元素，在适当的阈值范围内，氟元素对生物的硬组织的建造及促进生物机体生长、发育等方面起着其他元素不可替代的作用。1970年，世界卫生组织(WHO)表示，氟有利于人体骨骼和牙齿的形成并对维持人体正常生理功能具有重要作用，而机体中氟含量若超过一定阈值就会造成机体的损伤[6]。据报道，当水中氟含量高于4.0 mg/L时，就会引起骨膜增生、骨刺形成和骨节硬化等疾病，并损害肝、肾、心血管系统、免疫系统、生殖系统及感官系统等非骨组织[7]。成人每天摄入的氟超过6 mg就会引起氟中毒，主要表现为食欲不振、智力低下，甚至可能造成瘫痪等严重的疾病[8]。

南极磷虾具有富集氟的特性。作为一种高营养、高蛋白的海产品，南极磷虾体内的氟含量极高，约为其他海产品的1 000倍[9]。1978—2017年，各国对南极磷虾不同部位的氟含量测定结果表明[10-12]，南极磷虾整虾中氟含量极高，因此不能直接食用。氟在南极磷虾各部位的含量分布由高到低分别为甲壳、头胸部和肌肉。有报道称新鲜南极磷虾肌肉中的氟含量低于100 mg/kg(湿重)，甲壳中的氟含量低于头胸部中的氟含量[12]。从各组织重量与氟含量分布关系上看，各组织的重量与其氟含量的分布特征呈负相关，即各部位的重量分布由高至低为肌肉、头胸部和甲壳[13]。不同地点和不同时间磷虾体内氟含量也存在较大差异，但整体水平依然较高。磷虾死后其体内的氟元素会向肌肉中迁移，含量最高可达570 mg/kg[14]，严重影响磷虾的食用价值。目前，高氟含量已成为影响南极磷虾产业快速发展的重要因素，将南极磷虾加工成食品及保健品时,必须考虑虾体内高氟问题以及加工过程中氟元素的迁移。由于南极磷虾的基因组至今尚未测序，所以尚无法从更深层次对南极磷虾富集氟的机理进行阐述[15]，本研究对南极磷虾体内氟元素迁移影响因素进行了梳理和总结，以期为南极磷虾产业的快速和深入发展提供参考。

1 贮藏条件对氟迁移的影响

南极磷虾的品质随放置时间的延长而不断下降，虾体松软，汁液流失严重，甚至出现黑变，虾品质的变化对虾肉中的氟含量也有一定的影响，因此人们一般通过低温冻藏延长虾体的保藏时间，同时控制虾肉中的氟含量的增长。

鲜活南极磷虾甲壳中的氟含量最高可达4 304 mg/kg，而新鲜脱壳的肌肉中氟含量仅为60 mg/kg，但经冷冻保存后，南极磷虾肌肉中的氟含量最低为370 mg/kg，是冷冻前肌肉中氟含量的6倍以上[16]，表明冷冻处理对虾肉中的氟含量有着显著的影响，这可能与虾体中的酶在低温下仍然具有较高的活性有关。据报道，南极磷虾体内含有多种酶，如羧肽酶A、胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶等，这些和南极磷虾体内氟含量存在关联性的酶即使在-40 ℃冻藏条件下仍然具有一定的活性[13]。冷冻处理对虾肉氟含量的影响与冷冻温度、冷冻时间直接相关。不同的冻藏温度对南极磷虾品质的影响存在一定差异，温度越低，对其品质变化的影响越小[17-19]。朱兰兰等[9]的研究表明，冻藏能够有效控制虾肉中氟含量的上升，且冻藏温度越低，虾肉品质变化越小，对其氟含量影响越小。施文正等[20]考察在4 ℃条件下不同冷藏时间对南极磷虾各组织氟含量的影响，结果表明虾肉中的氟含量先升高后降低，而全虾、虾头和虾壳中的氟含量随着放置时间的延长逐渐降低。郭彤等[21]探究了4、16及25 ℃解冻温度对南极磷虾体内氟含量的影响，发现南极磷虾虾壳及虾肉中的氟含量随着解冻温度的升高而升高。进一步的研究表明，在-80 ℃环境中贮藏6个月，虾壳与虾肉中的氟含量无显著性差异[22]，表明合适的冻藏时间及足够低的冻藏温度能够抑制虾壳中氟向虾肉中迁移，且该迁移速率随着冻藏温度的下降越来越慢。然而，冻藏时间并非越长越好，随着时间的延长，虾壳与虾肉中氟的组成会发生变化，在3～10个月内，虾壳、虾肉中的可溶态氟及可交换态氟含量相对稳定，但在10～15个月内，虾肉中的可溶态氟及可交换态氟的含量显著增加，而虾壳中两种形态的氟含量反而有所降低[22]，说明了冷藏时间过长反而会造成虾壳中的氟向虾肉中迁移。目前的研究表明，足够低的冻藏温度能够控制虾肉中的氟含量，但过低的冻藏温度显然给南极磷虾的贮藏带来一定的成本压力。比较理想的方式是直接将捕捞后的新鲜南极磷虾做快速脱壳处理，然后进行低温冷冻保存。目前中国磷虾产业刚刚起步，对南极磷虾的脱壳、贮存技术研究还不够深入，因此需开展对其冻藏温度、冻藏时间及相关冻藏手段的深入探究，并从温度、时间对整虾中氟的赋存形态的影响角度出发探索出一套合适的南极磷虾冻藏方法。

2 加工方式对氟迁移的影响

目前，南极磷虾都是在船上经过冷冻后运到陆地上进行加工，对鲜活南极磷虾在冷冻前氟含量变化及船上控制氟迁移的方法等研究相对缺乏。部分学者尝试在南极磷虾冷冻前对其进行不同的加热处理，研究该方式对磷虾氟迁移的影响。

南极磷虾体内的氟和磷酸钙直接以形成氟磷灰石的形式富集[23]，高温可以增强氟离子的活性，促进氟的逸出，因而对磷虾的氟含量分布影响显著。施文正等[20]研究发现，南极磷虾经水煮后，部分组织中的氟含量比新鲜时稍低，其中虾壳中氟含量较水煮前显著降低，但处理后虾肉中氟含量显著高于新鲜虾肉中的氟含量。徐正等[24]研究了鲜虾经水洗、水煮、油炸和烘烤后虾中氟含量的变化，结果表明水洗和水煮后的虾肉氟含量增加，特别是煮熟后的虾肉氟含量较之前明显升高，而经油炸和烘烤后的虾肉中氟含量反而有所降低。王璐[25]及柳先娜[26]将头胸部、肌肉进行水煮、清蒸和油炸处理，发现经处理后的这两部分组织中的氟含量并未产生明显变化，但南极磷虾甲壳经水煮、清蒸、油炸之后，氟含量比处理前均有不同程度的降低。以上研究说明水煮或油炸过程中南极磷虾虾头、虾壳中的氟扩散到蒸煮的水和油中，进而向虾肉中迁移，造成南极磷虾虾肉中氟含量升高。将经水煮后的南极磷虾放置一段时间后，各组织的氟含量并未产生显著变化，分析认为该现象是由于高温降低了南极磷虾体内酶的活性甚至使其失活，从而避免了对南极磷虾品质及肌肉中氟含量的影响[20]。

南极磷虾经高温蒸煮后，各组织中的氟含量随存放时间的延长不会产生显著变化，无介质的加热处理可以抑制氟从虾壳向虾肉中迁移，从而能够有效控制虾肉中的氟含量。南极磷虾经水煮、油炸等工艺加工后会导致虾肉中氟含量升高，但一部分氟进入人体后会被消化溶出。体外模拟实验表明人体肠道对水煮肌肉、油炸肌肉、水煮整虾和油炸整虾的氟溶出率分别为76.12%、82.82%、80.27%和84.22%[27]。王璐[25]以南极磷虾中氟的模拟膳食暴露量(CDI)为基础，对南极磷虾中氟的风险商进行模拟，仅食用虾肉，其风险商小于1，而食用整虾的风险商则大于1，有显著风险。因此，对磷虾去壳加热能够有效抑制磷虾中氟的迁移并降低食用风险。

就目前的研究而言，加工方式对氟迁移的影响主要停留在定性分析层面，缺乏在蛋白质深加工过程中氟脱除及氟赋存形态层面的分析研究。未来可从这两方面入手，开展氟在加工过程中的赋存形态变化及迁移机制的系统性研究，这对南极磷虾食用安全性评价工作具有重要意义，同时也是今后南极磷虾资源开发利用的研究重点之一。

3 pH值对氟迁移的影响

近年来，随着全球二氧化碳含量增加，溶解水中二氧化碳逐渐增多，造成海水酸化，进而对南极磷虾的个体行为产生一定的影响[28]。磷虾的适宜pH为7.3左右，极限耐受pH为6.7左右[29]。

一方面，海水的酸碱度可通过影响氟的酸碱反应及程度而影响南极磷虾各组织中氟含量。氟元素在酸性环境中通过与阳离子形成络合物进行迁移；在碱性环境中主要以游离态离子形式迁移。郭彤等[30]发现在酸性和碱性条件下，南极磷虾虾壳中的氟都发生溶出；在pH为11.0条件下，对虾肉中氟含量影响较为显著，其他pH值对虾肉中氟含量影响较小。柳先娜[26]利用盐酸、柠檬酸、乙酸和甜菜碱溶液处理虾肉，测量4种不同溶液对虾肉中氟含量的影响。结果表明，较柠檬酸、乙酸和盐酸，甜菜碱溶液能够显著降低虾肉中的氟含量。李红艳等[31]向南极磷虾酶解液中添加1.38%的氯化钙，调节初始pH为9.0，反应温度为20 ℃，发现酶解液中氟含量减少近90%。

另一方面，一些高活性的酶系在南极磷虾死后能快速分解机体内的组织器官，造成虾壳中的氟不可逆地向肌肉中转移[32]。pH值直接影响南极磷虾体内酶系的活性，从而间接影响虾体各部位的氟含量。据报道，每一种酶都具有最适pH值。南极磷虾中胰蛋白酶最适pH为8.0[33-34]；羧肽酶A的最适pH范围分布在7.0～8.0之间[35]；胃蛋白酶最适pH大部分集中在2.0～3.5之间[36-38]。通过调节外界环境pH值使之呈碱性有利于降低酶活性，对于控制虾体组织的降解速率及虾体中氟的迁移具有积极作用。

4 酶对氟迁移的影响

南极磷虾体内酶系复杂，种类繁多且其在低温条件下仍然具有较高的活性。由于鲜虾体内的抑制因子在南极磷虾死亡后失去了抑制作用，导致体内的内源酶开始大量溶出，迅速降解机体内部器官组织，从而降低南极磷虾品质[39]。同时磷虾体内氟的赋存状态在内源酶或激素的作用下可能会发生变化，有机氟转变成易于被肌肉吸收的可溶态氟或离子交换态氟，最终影响虾肉中的氟含量[40]。

水解酶、氧化还原酶及转移酶类是南极磷虾体内酶系的主要组成部分，三者对南极磷虾各个组织氟含量的影响存在一定差异。吴晶[41]通过添加抑制剂筛选出影响南极磷虾氟含量的关键酶为水解酶，其对虾壳中的氟迁移的影响比氧化还原酶及转移酶更加显著。在水解酶类中，除羧酸酯酶外，其余6种酶(羧肽酶A、胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶、胆碱酯酶、胰蛋白酶和碱性磷酸酶)对虾壳中氟的迁移影响较为显著，这其中又以羧肽酶A、胰凝乳蛋白酶和胃蛋白酶影响作用最大，氟的迁移量均在200 mg/kg以上。通过调节温度和pH值控制这3种关键酶的活性，可能成为抑制虾体各部位氟迁移的重要举措。据报道，南极磷虾中的羧肽酶A在4～60 ℃条件下均具有活性，且其在低温条件下仍具有较好的稳定性；在温度4～20 ℃、pH值为7.0～8.0范围内，其活性能够保持在90%以上[35]。此外，Sjödahl等[42]研究表明南极磷虾的类胰蛋白酶在37 ℃和1～3 ℃时，其降解效率分别约是牛胰蛋白酶降解效率的12和60倍，再次证明了南极磷虾蛋白酶的高活性与适冷性。

目前的研究主要集中在环境对南极磷虾行为的影响及蛋白质的分布对其脂质的作用[43]，然而针对南极磷虾体内的酶对南极磷虾氟迁移影响的研究相对较少，且主要集中在胃蛋白酶及胰蛋白酶对虾壳中的氟迁移的影响。对于南极磷虾酶系组成、内源酶作用下对氟的迁移影响机制研究的并不深入，因此亟需开展相关酶学性质、结构和组成分析等工作，进一步在蛋白、细胞、分子作用层面上研究酶对南极磷虾氟含量迁移影响机制，进而将酶解技术和现代加工技术相结合[44]，这对南极磷虾的贮藏、运输及氟迁移控制技术的发展具有重要意义。

5 结语

南极磷虾作为目前人类最具营养价值的蛋白库受到全世界的热切关注，然而其富集氟的特性在一定程度上制约了南极磷虾的大规模商业化发展[45]。南极磷虾中氟的迁移主要受贮藏时间、贮藏温度、加工方法、pH值以及酶系的影响。关于贮藏时间、贮藏温度、加工过程对南极磷虾氟迁移的研究还停留在定性定量分析阶段，而从几种因素对南极磷虾体内氟的赋存形态的影响层面系统分析氟迁移、分布规律与机制的研究还十分缺乏，若在该方向取得突破，将会为优化现有的加工技术和贮藏手段，并形成一整套可应用的技术标准提供有效支撑。此外，受生长环境的影响，南极磷虾中含有的多种低温酶在自溶的同时，促使磷虾机体组织结构受到影响，这可能是影响氟迁移的重要因素。未来，探讨低温酶系作用下氟迁移路径，有望成为进一步阐明南极磷虾中氟迁移机制的重要研究方向和内容。这将对中国南极磷虾产业加工能力的提升、南极磷虾产品的开发与市场开拓及后勤保障体系的建立具有重要意义，也是保障中国南极磷虾产业链健康稳定发展的关键所在。