李芹，劉歡

(1．中國水產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100141； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100141；3.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院， 上海 201306)

南極磷蝦又名大磷蝦或南極大磷蝦(Euphausiasuperba)，屬于節(jié)肢動物門磷蝦屬，是一種在南極洲水域生活的磷蝦。南極磷蝦屬于無脊椎動物，并以集群方式生活，有時密度達(dá)到每立方米1萬～3萬只。成蝦長45～60 mm，重約2 g，壽命大約為6年。南極磷蝦是南極生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵物種，也是地球上資源量最大的單種生物之一[1]，據(jù)估算，其生物量約為6.5億至10億t，每年的可捕量約為6 000萬至1億t，相當(dāng)于全球海洋生物的年總捕撈量[2]。若以生物質(zhì)能分析，其可能是地球上最成功的動物物種[3]。南極磷蝦富含蛋白質(zhì)及多種生物活性成分，營養(yǎng)價值極高[4]。據(jù)估計，一只南極磷蝦蛋白質(zhì)含量約與5 g牛肉相當(dāng)，一年捕撈7 000萬t南極磷蝦，即可為世界四分之一人口每天提供20 g高質(zhì)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為1.3 mg/kg[5]。氟作為為數(shù)不多的具有雙閾值的微量生命元素，在適當(dāng)?shù)拈撝捣秶鷥?nèi)，氟元素對生物的硬組織的建造及促進(jìn)生物機(jī)體生長、發(fā)育等方面起著其他元素不可替代的作用。1970年，世界衛(wèi)生組織(WHO)表示，氟有利于人體骨骼和牙齒的形成并對維持人體正常生理功能具有重要作用，而機(jī)體中氟含量若超過一定閾值就會造成機(jī)體的損傷[6]。據(jù)報道，當(dāng)水中氟含量高于4.0 mg/L時，就會引起骨膜增生、骨刺形成和骨節(jié)硬化等疾病，并損害肝、腎、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)及感官系統(tǒng)等非骨組織[7]。成人每天攝入的氟超過6 mg就會引起氟中毒，主要表現(xiàn)為食欲不振、智力低下，甚至可能造成癱瘓等嚴(yán)重的疾病[8]。

南極磷蝦具有富集氟的特性。作為一種高營養(yǎng)、高蛋白的海產(chǎn)品，南極磷蝦體內(nèi)的氟含量極高，約為其他海產(chǎn)品的1 000倍[9]。1978—2017年，各國對南極磷蝦不同部位的氟含量測定結(jié)果表明[10-12]，南極磷蝦整蝦中氟含量極高，因此不能直接食用。氟在南極磷蝦各部位的含量分布由高到低分別為甲殼、頭胸部和肌肉。有報道稱新鮮南極磷蝦肌肉中的氟含量低于100 mg/kg(濕重)，甲殼中的氟含量低于頭胸部中的氟含量[12]。從各組織重量與氟含量分布關(guān)系上看，各組織的重量與其氟含量的分布特征呈負(fù)相關(guān)，即各部位的重量分布由高至低為肌肉、頭胸部和甲殼[13]。不同地點(diǎn)和不同時間磷蝦體內(nèi)氟含量也存在較大差異，但整體水平依然較高。磷蝦死后其體內(nèi)的氟元素會向肌肉中遷移，含量最高可達(dá)570 mg/kg[14]，嚴(yán)重影響磷蝦的食用價值。目前，高氟含量已成為影響南極磷蝦產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要因素，將南極磷蝦加工成食品及保健品時,必須考慮蝦體內(nèi)高氟問題以及加工過程中氟元素的遷移。由于南極磷蝦的基因組至今尚未測序，所以尚無法從更深層次對南極磷蝦富集氟的機(jī)理進(jìn)行闡述[15]，本研究對南極磷蝦體內(nèi)氟元素遷移影響因素進(jìn)行了梳理和總結(jié)，以期為南極磷蝦產(chǎn)業(yè)的快速和深入發(fā)展提供參考。

1 貯藏條件對氟遷移的影響

南極磷蝦的品質(zhì)隨放置時間的延長而不斷下降，蝦體松軟，汁液流失嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)黑變，蝦品質(zhì)的變化對蝦肉中的氟含量也有一定的影響，因此人們一般通過低溫凍藏延長蝦體的保藏時間，同時控制蝦肉中的氟含量的增長。

鮮活南極磷蝦甲殼中的氟含量最高可達(dá)4 304 mg/kg，而新鮮脫殼的肌肉中氟含量僅為60 mg/kg，但經(jīng)冷凍保存后，南極磷蝦肌肉中的氟含量最低為370 mg/kg，是冷凍前肌肉中氟含量的6倍以上[16]，表明冷凍處理對蝦肉中的氟含量有著顯著的影響，這可能與蝦體中的酶在低溫下仍然具有較高的活性有關(guān)。據(jù)報道，南極磷蝦體內(nèi)含有多種酶，如羧肽酶A、胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶等，這些和南極磷蝦體內(nèi)氟含量存在關(guān)聯(lián)性的酶即使在-40 ℃凍藏條件下仍然具有一定的活性[13]。冷凍處理對蝦肉氟含量的影響與冷凍溫度、冷凍時間直接相關(guān)。不同的凍藏溫度對南極磷蝦品質(zhì)的影響存在一定差異，溫度越低，對其品質(zhì)變化的影響越小[17-19]。朱蘭蘭等[9]的研究表明，凍藏能夠有效控制蝦肉中氟含量的上升，且凍藏溫度越低，蝦肉品質(zhì)變化越小，對其氟含量影響越小。施文正等[20]考察在4 ℃條件下不同冷藏時間對南極磷蝦各組織氟含量的影響，結(jié)果表明蝦肉中的氟含量先升高后降低，而全蝦、蝦頭和蝦殼中的氟含量隨著放置時間的延長逐漸降低。郭彤等[21]探究了4、16及25 ℃解凍溫度對南極磷蝦體內(nèi)氟含量的影響，發(fā)現(xiàn)南極磷蝦蝦殼及蝦肉中的氟含量隨著解凍溫度的升高而升高。進(jìn)一步的研究表明，在-80 ℃環(huán)境中貯藏6個月，蝦殼與蝦肉中的氟含量無顯著性差異[22]，表明合適的凍藏時間及足夠低的凍藏溫度能夠抑制蝦殼中氟向蝦肉中遷移，且該遷移速率隨著凍藏溫度的下降越來越慢。然而，凍藏時間并非越長越好，隨著時間的延長，蝦殼與蝦肉中氟的組成會發(fā)生變化，在3～10個月內(nèi)，蝦殼、蝦肉中的可溶態(tài)氟及可交換態(tài)氟含量相對穩(wěn)定，但在10～15個月內(nèi)，蝦肉中的可溶態(tài)氟及可交換態(tài)氟的含量顯著增加，而蝦殼中兩種形態(tài)的氟含量反而有所降低[22]，說明了冷藏時間過長反而會造成蝦殼中的氟向蝦肉中遷移。目前的研究表明，足夠低的凍藏溫度能夠控制蝦肉中的氟含量，但過低的凍藏溫度顯然給南極磷蝦的貯藏帶來一定的成本壓力。比較理想的方式是直接將捕撈后的新鮮南極磷蝦做快速脫殼處理，然后進(jìn)行低溫冷凍保存。目前中國磷蝦產(chǎn)業(yè)剛剛起步，對南極磷蝦的脫殼、貯存技術(shù)研究還不夠深入，因此需開展對其凍藏溫度、凍藏時間及相關(guān)凍藏手段的深入探究，并從溫度、時間對整蝦中氟的賦存形態(tài)的影響角度出發(fā)探索出一套合適的南極磷蝦凍藏方法。

2 加工方式對氟遷移的影響

目前，南極磷蝦都是在船上經(jīng)過冷凍后運(yùn)到陸地上進(jìn)行加工，對鮮活南極磷蝦在冷凍前氟含量變化及船上控制氟遷移的方法等研究相對缺乏。部分學(xué)者嘗試在南極磷蝦冷凍前對其進(jìn)行不同的加熱處理，研究該方式對磷蝦氟遷移的影響。

南極磷蝦體內(nèi)的氟和磷酸鈣直接以形成氟磷灰石的形式富集[23]，高溫可以增強(qiáng)氟離子的活性，促進(jìn)氟的逸出，因而對磷蝦的氟含量分布影響顯著。施文正等[20]研究發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦經(jīng)水煮后，部分組織中的氟含量比新鮮時稍低，其中蝦殼中氟含量較水煮前顯著降低，但處理后蝦肉中氟含量顯著高于新鮮蝦肉中的氟含量。徐正等[24]研究了鮮蝦經(jīng)水洗、水煮、油炸和烘烤后蝦中氟含量的變化，結(jié)果表明水洗和水煮后的蝦肉氟含量增加，特別是煮熟后的蝦肉氟含量較之前明顯升高，而經(jīng)油炸和烘烤后的蝦肉中氟含量反而有所降低。王璐[25]及柳先娜[26]將頭胸部、肌肉進(jìn)行水煮、清蒸和油炸處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后的這兩部分組織中的氟含量并未產(chǎn)生明顯變化，但南極磷蝦甲殼經(jīng)水煮、清蒸、油炸之后，氟含量比處理前均有不同程度的降低。以上研究說明水煮或油炸過程中南極磷蝦蝦頭、蝦殼中的氟擴(kuò)散到蒸煮的水和油中，進(jìn)而向蝦肉中遷移，造成南極磷蝦蝦肉中氟含量升高。將經(jīng)水煮后的南極磷蝦放置一段時間后，各組織的氟含量并未產(chǎn)生顯著變化，分析認(rèn)為該現(xiàn)象是由于高溫降低了南極磷蝦體內(nèi)酶的活性甚至使其失活，從而避免了對南極磷蝦品質(zhì)及肌肉中氟含量的影響[20]。

南極磷蝦經(jīng)高溫蒸煮后，各組織中的氟含量隨存放時間的延長不會產(chǎn)生顯著變化，無介質(zhì)的加熱處理可以抑制氟從蝦殼向蝦肉中遷移，從而能夠有效控制蝦肉中的氟含量。南極磷蝦經(jīng)水煮、油炸等工藝加工后會導(dǎo)致蝦肉中氟含量升高，但一部分氟進(jìn)入人體后會被消化溶出。體外模擬實(shí)驗表明人體腸道對水煮肌肉、油炸肌肉、水煮整蝦和油炸整蝦的氟溶出率分別為76.12%、82.82%、80.27%和84.22%[27]。王璐[25]以南極磷蝦中氟的模擬膳食暴露量(CDI)為基礎(chǔ)，對南極磷蝦中氟的風(fēng)險商進(jìn)行模擬，僅食用蝦肉，其風(fēng)險商小于1，而食用整蝦的風(fēng)險商則大于1，有顯著風(fēng)險。因此，對磷蝦去殼加熱能夠有效抑制磷蝦中氟的遷移并降低食用風(fēng)險。

就目前的研究而言，加工方式對氟遷移的影響主要停留在定性分析層面，缺乏在蛋白質(zhì)深加工過程中氟脫除及氟賦存形態(tài)層面的分析研究。未來可從這兩方面入手，開展氟在加工過程中的賦存形態(tài)變化及遷移機(jī)制的系統(tǒng)性研究，這對南極磷蝦食用安全性評價工作具有重要意義，同時也是今后南極磷蝦資源開發(fā)利用的研究重點(diǎn)之一。

3 pH值對氟遷移的影響

近年來，隨著全球二氧化碳含量增加，溶解水中二氧化碳逐漸增多，造成海水酸化，進(jìn)而對南極磷蝦的個體行為產(chǎn)生一定的影響[28]。磷蝦的適宜pH為7.3左右，極限耐受pH為6.7左右[29]。

一方面，海水的酸堿度可通過影響氟的酸堿反應(yīng)及程度而影響南極磷蝦各組織中氟含量。氟元素在酸性環(huán)境中通過與陽離子形成絡(luò)合物進(jìn)行遷移；在堿性環(huán)境中主要以游離態(tài)離子形式遷移。郭彤等[30]發(fā)現(xiàn)在酸性和堿性條件下，南極磷蝦蝦殼中的氟都發(fā)生溶出；在pH為11.0條件下，對蝦肉中氟含量影響較為顯著，其他pH值對蝦肉中氟含量影響較小。柳先娜[26]利用鹽酸、檸檬酸、乙酸和甜菜堿溶液處理蝦肉，測量4種不同溶液對蝦肉中氟含量的影響。結(jié)果表明，較檸檬酸、乙酸和鹽酸，甜菜堿溶液能夠顯著降低蝦肉中的氟含量。李紅艷等[31]向南極磷蝦酶解液中添加1.38%的氯化鈣，調(diào)節(jié)初始pH為9.0，反應(yīng)溫度為20 ℃，發(fā)現(xiàn)酶解液中氟含量減少近90%。

另一方面，一些高活性的酶系在南極磷蝦死后能快速分解機(jī)體內(nèi)的組織器官，造成蝦殼中的氟不可逆地向肌肉中轉(zhuǎn)移[32]。pH值直接影響南極磷蝦體內(nèi)酶系的活性，從而間接影響蝦體各部位的氟含量。據(jù)報道，每一種酶都具有最適pH值。南極磷蝦中胰蛋白酶最適pH為8.0[33-34]；羧肽酶A的最適pH范圍分布在7.0～8.0之間[35]；胃蛋白酶最適pH大部分集中在2.0～3.5之間[36-38]。通過調(diào)節(jié)外界環(huán)境pH值使之呈堿性有利于降低酶活性，對于控制蝦體組織的降解速率及蝦體中氟的遷移具有積極作用。

4 酶對氟遷移的影響

南極磷蝦體內(nèi)酶系復(fù)雜，種類繁多且其在低溫條件下仍然具有較高的活性。由于鮮蝦體內(nèi)的抑制因子在南極磷蝦死亡后失去了抑制作用，導(dǎo)致體內(nèi)的內(nèi)源酶開始大量溶出，迅速降解機(jī)體內(nèi)部器官組織，從而降低南極磷蝦品質(zhì)[39]。同時磷蝦體內(nèi)氟的賦存狀態(tài)在內(nèi)源酶或激素的作用下可能會發(fā)生變化，有機(jī)氟轉(zhuǎn)變成易于被肌肉吸收的可溶態(tài)氟或離子交換態(tài)氟，最終影響蝦肉中的氟含量[40]。

水解酶、氧化還原酶及轉(zhuǎn)移酶類是南極磷蝦體內(nèi)酶系的主要組成部分，三者對南極磷蝦各個組織氟含量的影響存在一定差異。吳晶[41]通過添加抑制劑篩選出影響南極磷蝦氟含量的關(guān)鍵酶為水解酶，其對蝦殼中的氟遷移的影響比氧化還原酶及轉(zhuǎn)移酶更加顯著。在水解酶類中，除羧酸酯酶外，其余6種酶(羧肽酶A、胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶、膽堿酯酶、胰蛋白酶和堿性磷酸酶)對蝦殼中氟的遷移影響較為顯著，這其中又以羧肽酶A、胰凝乳蛋白酶和胃蛋白酶影響作用最大，氟的遷移量均在200 mg/kg以上。通過調(diào)節(jié)溫度和pH值控制這3種關(guān)鍵酶的活性，可能成為抑制蝦體各部位氟遷移的重要舉措。據(jù)報道，南極磷蝦中的羧肽酶A在4～60 ℃條件下均具有活性，且其在低溫條件下仍具有較好的穩(wěn)定性；在溫度4～20 ℃、pH值為7.0～8.0范圍內(nèi)，其活性能夠保持在90%以上[35]。此外，Sj?dahl等[42]研究表明南極磷蝦的類胰蛋白酶在37 ℃和1～3 ℃時，其降解效率分別約是牛胰蛋白酶降解效率的12和60倍，再次證明了南極磷蝦蛋白酶的高活性與適冷性。

目前的研究主要集中在環(huán)境對南極磷蝦行為的影響及蛋白質(zhì)的分布對其脂質(zhì)的作用[43]，然而針對南極磷蝦體內(nèi)的酶對南極磷蝦氟遷移影響的研究相對較少，且主要集中在胃蛋白酶及胰蛋白酶對蝦殼中的氟遷移的影響。對于南極磷蝦酶系組成、內(nèi)源酶作用下對氟的遷移影響機(jī)制研究的并不深入，因此亟需開展相關(guān)酶學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和組成分析等工作，進(jìn)一步在蛋白、細(xì)胞、分子作用層面上研究酶對南極磷蝦氟含量遷移影響機(jī)制，進(jìn)而將酶解技術(shù)和現(xiàn)代加工技術(shù)相結(jié)合[44]，這對南極磷蝦的貯藏、運(yùn)輸及氟遷移控制技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

5 結(jié)語

南極磷蝦作為目前人類最具營養(yǎng)價值的蛋白庫受到全世界的熱切關(guān)注，然而其富集氟的特性在一定程度上制約了南極磷蝦的大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展[45]。南極磷蝦中氟的遷移主要受貯藏時間、貯藏溫度、加工方法、pH值以及酶系的影響。關(guān)于貯藏時間、貯藏溫度、加工過程對南極磷蝦氟遷移的研究還停留在定性定量分析階段，而從幾種因素對南極磷蝦體內(nèi)氟的賦存形態(tài)的影響層面系統(tǒng)分析氟遷移、分布規(guī)律與機(jī)制的研究還十分缺乏，若在該方向取得突破，將會為優(yōu)化現(xiàn)有的加工技術(shù)和貯藏手段，并形成一整套可應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供有效支撐。此外，受生長環(huán)境的影響，南極磷蝦中含有的多種低溫酶在自溶的同時，促使磷蝦機(jī)體組織結(jié)構(gòu)受到影響，這可能是影響氟遷移的重要因素。未來，探討低溫酶系作用下氟遷移路徑，有望成為進(jìn)一步闡明南極磷蝦中氟遷移機(jī)制的重要研究方向和內(nèi)容。這將對中國南極磷蝦產(chǎn)業(yè)加工能力的提升、南極磷蝦產(chǎn)品的開發(fā)與市場開拓及后勤保障體系的建立具有重要意義，也是保障中國南極磷蝦產(chǎn)業(yè)鏈健康穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵所在。