刘云姣，张海燕，沈晓盛

（1.中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090；2.上海海洋大学食品学院，上海 201306）

南极磷虾Euphausia superba，又名南极大磷虾或大磷虾，节肢动物门，磷虾属，是一种似虾的无脊椎动物，广泛分布在南大洋环南极区域。南极磷虾蕴藏量大，数量可达数亿至数十亿吨，且其蛋白质、脂肪、维生素以及矿物质含量丰富，被认为是世界上最大的海洋生物蛋白质资源库，这对日渐衰退的世界渔业资源来说，加快对南极磷虾资源的开发无疑是缓解人类动物性蛋白需求的一种必然趋势。早在20世纪70年代，以苏联、日本为首的一些国家率先开始对南极磷虾进行规模化的商业化捕捞。随后西德、韩国、挪威等相继加入捕捞行列[1]。我国对南极磷虾的捕捞相对较晚，2009、2010年相继进行商业性试捕和正式捕获，之后并以每年上千吨的捕获量每年进入我国市场，并围绕南极磷虾的功能活性成分[2-4]、加工等展开研究[5-7]，通过南极磷虾快速分离与深加工关键技术，研制出了南极磷虾食品、调味品、保健品等一系列高附加值产品，其中南极磷虾虾粉和磷虾虾油是较为普遍的产品。然而，南极磷虾具有富集氟的特性，其氟的含量极高，高氟成了南极磷虾食品开发利用的瓶颈，一旦突破这一瓶颈，每年可从南极磷虾中获得数百万吨优质动物蛋白，可大大缓解人类动物性蛋白需求的压力。本文就南极磷虾中氟的来源、含量与分布情况、富集机理、赋存形态、迁移变化、脱氟工艺以及食用安全性进行综述，目的是为南极磷虾资源的进一步开发利用提供参考依据。

1 氟的来源与化学特性

氟广泛分布在自然环境如海水、地壳、土壤中，它也是人和动物机体中的一种必需微量元素，其氧化性很强，可以同大部分金属及非金属反应生成氟化物，进而通过食物链吸收进入人体[8]，主要蓄积在骨骼与牙齿中[9]。氟对人体健康有重要的作用，适量的氟进入人体，可以预防龋齿，促进骨骼发育，对预防骨质增生症也有很大的帮助，但过量的氟进入人体，则会引起骨骼密度过高，导致骨质变脆，出现易骨折现象，严重者会引起脊椎弯曲导致瘫痪甚至死亡。

研究发现，在南大洋环境条件（氟含量）基本相同的情况下，南极磷虾体内含氟量远高于其它大多数海产品，其值可达到其他海产品的1 000倍以上，说明南极磷虾具有富集氟的特性。

由于南极磷虾在脱壳前后氟含量差异非常大，脱壳时86%氟可随旧壳抛入大海，新生甲壳氟含量非常低，但在脱壳36 h后南极磷虾体内氟化物可达到最大值，且此时南极磷虾口器与捕捉器尚未成熟，故排除通过食物链蓄积的可能性[10]。NICOL，et al[11]和潘建明等[12]的研究表明，南极磷虾甲壳内的氟主要来自于海水并非食物，并通过对生活在不同氟浓度的海水中的南极磷虾中氟含量的测定认为，南极磷虾甲壳中氟浓度主要受海水中氟浓度的影响。另外有研究发现，脱壳后的残壳放置于海水中，至少是12 h内，含氟量又会显著升高，结合新壳快速吸氟与旧壳的二次吸氟现象，更证实了南极磷虾中的氟主要来自于海水而非食物，也说明了甲壳对氟的富集作用可以不涉及生命活动，大磷虾虾壳对氟存在某种特殊的吸附作用，这是否与甲壳自身的结构与组分有关，还需要进一步探究。

2 南极磷虾中氟的含量及其分布规律

1979-2017年间各国对南极磷虾不同组织（干重）中氟含量的测定结果显示[12-15]：南极磷虾整虾中氟含量极高，其值在1 142～2 400 mg/kg，甲壳氟含量2 566～4 028 mg/kg，肌肉氟含量约250 mg/kg，按照美国食品药品监督管理局（FDA）规定，以氟化钠（NaF）计，人体摄入氟含量不能超过100 mg/kg的标准[16]，显然南极磷虾是不能作为食品被直接食用的。从氟在南极磷虾各组织中的含量分布来看，南极磷虾不同组织的氟含量分布存在差异，氟主要集中在南极磷虾虾壳内，虾头中氟含量也很高，有研究发现甚至可能高于甲壳中氟含量[16]，肌肉中氟的含量明显较低，尤其是鲜活的南极磷虾，其肌肉中氟的含量可低于100 mg/kg（湿重）。从时空的分布来看，不同时期、不同国家测得的氟含量存在较大的差异，1979年挪威的SOEVIK，et al[13]测得整虾氟含量2 400 mg/kg，而1994年张海生等[14]测得整虾氟含量1 232 mg/kg，且不同站位也存在一定的差异性。这可能跟南极磷虾的生长在不同的海洋环境和其本身大小存在一定的关系，但整体含量仍然很高。由此看来，若将南极磷虾加工成食品以及保健品等，必须考虑高氟问题，去氟成了南极磷虾加工的一个重要步骤。

3 南极磷虾中氟的赋存形态、作用机理及迁移变化规律

3.1 南极磷虾中氟的赋存形态

通过对土壤、地壳等环境中不同氟化物的形态研究，人们逐渐认识到人体对不同形态氟的吸收利用存在差异性[17]。水溶态和离子态氟易被人体吸收，参与机体的新陈代谢[18-19]，而有机氟则不易被人体所吸收利用[20]。故对南极磷虾氟的赋存形态分析是评价其安全性的关键。潘建明等[12]通过氯仿萃取法得到氟的有机态和无机态的两种赋存形态，且这两种形态氟在各个部位中含量相当。进一步的研究发现，南极磷虾以有机态的形式吸收氟，并以弱结合方式赋存，在脱壳时，在体内酶或激素的作用下，又逐步转化为无机氟释放到环境中，南极磷虾对氟的富集实质是有机氟与无机氟相互转化的过程。赵晓军等[21]采用逐级化学—超声波浸提技术对南极磷虾粉中氟的赋存形态进行定量分析研究，得到水溶态氟（15.7%）、氧化态氟（31.7%）、可交换态氟（17.1%）、残渣态氟（14.0%）和有机束缚态氟（21.5%）5种形态氟，并且水溶态氟与可交换态氟这2种生物有效氟占总氟的32.8%，然而这种对氟的形态含量进行定量分析的方法，是依据岩石、煤、土壤中氟的形态分析方法得到的，得到的几种形态氟可能会存在交叉重叠现象，使得结果不一定准确，对南极磷虾氟的赋存形态还需要进一步探究。

3.2 南极磷虾富氟的机理

南极磷虾相比较南大洋其他海洋生物含氟量异常高，可高达其他海洋生物的上千倍，在如此高浓度的氟含量下，还能正常生长，使得人们对其富氟机理产生了极大的兴趣。南极磷虾中的氟主要集中在甲壳中，而甲壳是以几丁质有机相为模板，在磷、钙等无机组分的生物矿化中形成。然而，相比较氟在外壳含量4 078 mg/kg，构成甲壳框架的几丁质组分中含量并不高，仅为200 mg/kg，只占总量的4.9%[22]，这表明，氟不是以几丁质结构组分的形式存在于甲壳中，可能是以其他有机态或无机态结合形式存在于甲壳中。由于南极磷虾中氟在脱壳前后处于动态变化中，脱壳前新形成的甲壳氟含量非常低，随着脱壳进行，旧壳中的氟开始显著下降，甲壳处于软化状态，易于脱落，而新壳中氟含量迅速蓄积，达到一个较高水平，维持稳定状态，甲壳逐渐硬化。根据这种现象，一度有学者认为南极磷虾对氟的富集是通过主动吸收进行的，是涉及生命活动的一种生理现象。然而张海生等[14]通过元素分析结果表明，氟与海水中的钾、钠、镁等主要元素结合并不密切，而与南极磷虾甲壳角质层的钙、磷元素联系尤为密切，并且在磷虾脱壳后的生长过程中，甲壳中的钙随时间的增加基本与氟同步增加。钙、磷作为生命体的主要元素，多以无机盐的形式集中于甲壳、骨骼、牙齿等组织中，参与组织的硬化及维持机体钙磷的平衡，氟与钙、磷的反应可能是通过氟与磷灰石的反应而实现：Ca5（PO4）3OH+F-=Ca5（PO4）3F+OH-，这种结合方式是氟与钙、磷最稳定的结合方式，是形成甲壳组织的主要方式之一，可促进甲壳的硬化。此外，脱壳后的虾壳的二次吸氟现象也证明了，南极磷虾对氟的富集也不一定是生命活动所必需，故目前认为离子交换吸附可能是大磷虾富氟的主要方式之一[23]。

3.3 氟在南极磷虾中的迁移变化规律

潘建明等[11]在研究氟在南极磷虾生长中的迁移变化规律中发现，氟在南极磷虾脱壳过程中有内循环规律，虾肉中氟含量的变化与甲壳中氟含量的变化呈周期性变化特征。南极磷虾在脱壳过程中，旧壳氟含量约会降低90%[17]，而新形成的虾壳与肌肉氟含量仍维持较低水平，说明旧壳中的氟不向新壳与虾肉中转移，而是释放到海水中，随着脱壳的进行，新壳从海水中不断吸氟，使得氟含量会迅速升高，肌肉中氟含量也会小幅度升高，在脱壳末期，肌肉中的氟又会降低到较低水平，新壳中的氟会稍微有所下降之后升高维持较高水平稳定，说明南极磷虾中的氟来源于海水，脱壳过程中通过某种方式又回归到自然环境中，虾肉中的氟可能在即将脱壳短时间内转移至新生虾壳，虾壳具有富集氟的作用。。

由于活南极磷虾肌肉中氟含量很低，肌肉中仅为64 mg/kg[24]，甲壳中的氟含量高但极不稳定，南极磷虾死后，在内源酶的作用下，机体会产生“自溶”现象，虾壳内的氟会不可逆的渗入肌肉中，导致虾肉中氟含量升高[20,25-28]，因此南极磷虾捕获后，必须进行脱壳处理。研究发现，南极磷虾经冷冻保存后，肌肉中氟含量可达到新鲜磷虾6倍以上，故在冻藏过程中氟也可产生迁移变化。朱兰兰等[25]与曹明秀等[26]研究发现，冻藏时间和冻藏温度对南极磷虾体内迁移的氟赋存形态与含量有非常重要的影响，随着冻藏时间的增长，虾壳中的氟有转移到肌肉中的趋势，并且转化速率与冻藏温度有关，温度越低转化速率越慢。这种现象可能与死后南极磷虾体内内源酶或激素的作用有关，南极磷虾死后，在体内内源酶的作用下会出现自溶现象，磷虾各组织会发生生理学变化，经过长期冷冻保存，体内内源酶或激素可能会使磷虾氟的赋存状态发生变化，使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，从而使得虾肉中氟含量升高。而内源酶或激素的作用又受到温度与时间的控制，故储存温度与储存时间会对氟的赋存形态与含量产生影响。

4 南极磷虾中氟的毒性研究与食用安全性评价

4.1 南极磷虾中氟的毒性研究

南极磷虾中氟的含量很高，，一直以来人们都对南极磷虾中氟的毒性大小存在一些争议，人类对氟的蓄积一般是通过食物摄食进行的，若食用含有如此高含量氟的南极磷虾，会对人体造成的危害尚未清晰，故近年来，以南极磷虾为主要食物的动物健康状况成为了其毒性研究的热点。研究发现，以南极磷虾为主要食物的南极企鹅骨骼含氟量高达6 448～7 187 mg/kg、海鸟可达832～5 012 mg/kg，已远超过正常鸟类氟化物浓度，然而它们并没有出现骨骼氟中毒现象，这说明南极磷虾中的氟化物在企鹅与海鸟中以低毒形式存在。张玲等[27]应用动物实验模型，分别用掺杂南极磷虾粉与氟化钠的相同氟浓度（150 mg/kg）的饲料喂养Wistar大鼠，同时设置对照组，来评估南极磷虾中氟的毒性。结果显示，喂食3个月后，实验组与对照组大鼠的体重与脏器系数没有明显差异，但是磷虾粉组肝脏、肾脏、脾脏、脑组织出现少量病变，氟化钠组这四种组织病变非常显著，对照组大鼠没有出现病变。葛鲁娜等[28]通过南极磷虾氟在大鼠24 h血液吸收代谢实验观察中得到，氟化钠组30 min后即可达到最高值，而相同氟浓度的南极磷虾粉与虾糜组，吸收量很少并且最高值都是出现在1 h后，吸收很慢，当24 h再次测量时，各组氟含量均下降到较低水平，但仍比灌胃前高。以上实验均说明南极磷虾中氟的毒性相比较氟化钠的毒性低，南极大磷虾中的氟以低毒形式存在，机体吸收的少且慢。这可能与磷虾中的氟有很大部分是有机氟有关，但尽管如此，磷虾饲料中的氟仍会在体内有残留，会对大鼠脏器产生了损伤，若长期服用，毒性仍不可忽视。

就目前研究方法而言，对南极磷虾中氟的毒性主要还是采用总量标准评价法，缺少对氟的赋存形态及其毒性等方面系统的研究，在涉及氟及其化合物的生殖毒性、发育毒性等研究中，也主要集中在动物实验及雄性生殖毒性中，人群研究尚不充分，存在一定的局限性。另外目前关于南极磷虾氟的毒性研究没有考虑到种族差异及不同种族生理学方面的差异，企鹅、海鸟等属于鸟类，大鼠属于哺乳类，物种的差异及不同种族体内激素、酶、微量元素差异使得对氟的耐受量存在差异，这可能就是根本原因。

4.2 南极磷虾的食用安全性评价

受高氟含量的限制，南极磷虾目前主要用于提取磷虾油与生产水产饲料。南极磷虾油含有丰富的不饱和脂肪酸，对于辅助治疗心脑血管疾病、控制血糖、改善记忆力等都有良好的疗效，并且吸收性好，无毒副作用。MOREN，et al[20]、OLSEN，et al[29]及 JULSHAMN，et al[30]用南极磷虾粉代替鱼粉作为蛋白源，喂养水产养殖鱼类，发现不同鱼类对磷虾粉的反应不同，有的鱼类对磷虾粉没有明显作用，有的鱼类氟含量会随着摄食量的增加而增加，除了影响生长，整体上不会产生器质上的损害，并且摄入的氟大多被排出体外，故可用磷虾粉作为蛋白源喂食鱼类。王璐[31]在模拟南极磷虾氟的风险商中显示，若食用整虾，中等暴露地区与高暴露地区风险商均大于1，表明存在显著风险，若使用虾肉部分，南极磷虾中氟的风险商均小于1，表明不存在风险，故捕获后采用快速脱壳冷冻技术可大大降低安全风险，检测虾肉氟含量能达到20 mg/kg水平，这也符合美国FDA对食品含氟量的要求。但是此方式对技术、时间等要求较严格，目前研究热点主要集中在南极磷虾脱氟工艺的优化上。

5 南极磷虾脱氟工艺的研究

高氟含量是影响南极磷虾食用价值的关键，上世纪80年代，大多建议将捕获后的南极磷虾迅速脱壳处理，以减少虾肉氟含量，但此方式对技术要求高，并且脱壳后的虾肉仍不能作为安全食品直接食用。近年来，以氯化钙、生石灰、醋酸钙等钙制剂作为钙源，利用钙盐沉淀法Ca++2F-=CaF2脱氟成为新的研究热点。通过在酶解液中加生石灰（吕传萍等[32]）、氯化钙（李红艳等[33]）可有效脱氟，但是加生石灰反应放热会使蛋白质变性，而且酶解液中残存的Ca+会造成产品含有苦涩味，影响口感，不适用于食品。而后张迪等[34]选择常用于食品添加剂的醋酸钙作为钙源，得到脱氟率为（84.15±1.37）%的酶解液，此法能最大限度的保留营养成分与原始风味，应用于食品工业可行性较强。郭帆等[35]选取2种有机钙（醋酸钙与乳酸钙）和2种无机钙（氯化钙与生石灰）作为钙源脱氟实验中，发现有机钙源脱氟效果与氨基酸等营养成分的保留优于无机钙源，并且乳酸钙的效果最好，并且在此基础上按比例添加活性氧化铝吸附脱氟，脱氟率可达93.98%，对氨基酸成分影响也较小，故也可作为未来有前景的脱氟方法。此外也有通过加入盐酸、柠檬酸等化学试剂进行化学处理以及利用改性后果皮的吸附作用的生物学法对南极磷虾进行脱氟方法。总的来说，以钙制剂作为脱氟钙源可以有效去氟，但是残留Ca+会产生的苦涩味，化学处理会对粗蛋白与水解氨基酸造成一定的破坏作用，影响食品风味和营养价值，生物法对南极磷虾营养损害较小且原料来源广，但是脱氟率底，仅能达到66%。

由于目前南极磷虾脱氟方法主要是依据水的脱氟方式，存在很多不适应性，各个方法各有利弊，还需要继续探索，例如若能将脱氟率高的钙盐沉淀法与营养损害小的生物法相结合，同时利用果皮自带的香味作为遮蔽剂作为一种新的方法或许更加有前景。

6 展望

南极磷虾作为21世纪最有潜力的蛋白资源库，其开发受到全世界的广泛关注，但其在捕捞后必须在数小时内进行脱壳处理才能被加工食用，随着时间的延长体内的自溶酶会将南极磷虾溶解，会对其品质产生影响，甲壳中的氟也会渗透到肌肉中，因此对捕捞技术及加工技术要求较高，就我国目前而言，在南极磷虾产业开发中，改进捕捞技术，加大对加工工艺的研发力量以及改进脱氟技术是重中之重。在工艺创新方面，可采用分级提取加工的方式，比如提取肌肉组织中的蛋白质与油脂，生产高蛋白食品与磷虾油，提取甲壳中的甲壳素与壳聚糖，制取医药用品与化妆品，此外南极磷虾体内有丰富的内源酶，可提取内源酶，用于生物或医疗；在脱氟方面，应探索健康高效的脱氟技术，最后在开发南极磷虾策略中，产品的经济技术分析，产品的市场需求和调查等应该放在比较重要的位置，经济成本和市场需求分析，是整个南极磷虾商业开发计划的基础。