牛磺酸的加工与检测技术及其应用研究进展

张鸣镝，詹 妮，李圣桡，周亚军

（吉林大学食品科学与工程学院，吉林长春 130062）

牛磺酸（Taurine） 又称牛胆素、牛胆碱等，学名为β-氨基乙磺酸，得名于首次从牛胆汁中分离[1]，直至1975年，Hayes K C等人[2]首次报道用缺乏牛磺酸的饲料喂猫，会使猫的视觉功能减退，若长时间缺乏可致失明，从而引起了人们对牛磺酸营养作用的极大关注。牛磺酸纯品为无色或白色斜状晶体，无臭，其化学性质稳定，不溶于乙醚等有机溶剂。牛磺酸是一种含硫氨基酸，以游离氨基酸的形式普遍存在于动物各组织中，并调节其正常的生理机能[3-4]。现已确认，牛磺酸在体内具有生理活性和多种营养功能，包括增强细胞的抗氧化能力、参与三大有机质代谢、调节免疫反应和机体内分泌、保证动物神经系统的正常发育等[5]。

现阶段，国内外学者对于牛磺酸的研究主要从提取分离、测定含量、生理功能和应用等方面来探究。国内主要侧重于牛磺酸的提取分离、纯化和工艺的优化等，而国外则偏向于探究牛磺酸的生理功能及在医学方面的应用。围绕牛磺酸的提取、分离纯化、测定和应用等方面来论述国内外研究进展，对牛磺酸加工与应用提供重要的参考价值。

1 牛磺酸的研究进展

1.1 牛磺酸的提取

由众多学者研究得知，牛磺酸的生产方法主要有2种：化学合成法和天然提取法。目前，应用比较广泛的是化学合成法，但是由于有剧毒的物质会存在于化学合成法的原料和生产过程中，随着对安全的追求和绿色化学的发展，人们越来越提倡使用由天然提取得到的牛磺酸。在众多能够提取出牛磺酸的动植物组织中，海洋生物体内具有的牛磺酸含量更高，因此从海洋生物中提取纯化牛磺酸的得率会更高。

1989年，我国的巫建国[6]、颜贻谦等人[7]首次提出从鱼贝类和牛初乳中提取牛磺酸，虽然只是定性确定了牛磺酸的存在，但开创了研究牛磺酸的提取方法和优化工艺探究之路。而之后，钱俊青等人[8]以珍珠贝母为原料，通过细胞自溶破壁的方式使牛磺酸溶出，又以离子交换树脂法分离纯化了其中的牛磺酸。陈体强等人[9]在原木灵芝浸膏粉和孢子粉中采用热水提取-磺基水杨酸沉淀法对样品进行前处理，提取并测定了其中牛磺酸的含量。

牛磺酸提取的早期研究中，大多采用水煮法提取牛磺酸。黄志勇等人[10]就采用了水煮的方法得到粗提液，再通过阳离子交换树脂分离出牛磺酸的粗品，最后经过重结晶得到纯品。这种从下脚料中提取牛磺酸的工艺流程设计合理、操作方便，为后来从其他水产品中提取牛磺酸提供了有效的思路及方法。杨广会等人[11]以鱿鱼为原料，采用水煮提取法对牛磺酸的提取工艺进行了优化探索，在确定了提取时间、提取温度、提取次数、料液比等因素影响的基础上，采用正交试验确定了从鱿鱼中提取牛磺酸的最佳工艺，其提取量高达7.26 mg/g。

由于加工设备和方法技术的发展，提取牛磺酸的方法也逐渐多样化。栾合密等人[12]研究了以得率为考查指标，比较破壁自溶法、水提法和超声法提取四角蛤蜊中牛磺酸的效果，发现最佳提取方法为超声法；并且经过对不同超声次数、超声时间进行比较试验，得出超声2次，每次提取30 min为最佳提取工艺。郑清等人[13]以超声波辅助作用结合醇溶提取泥螺中牛磺酸，并通过单因素试验及正交设计对提取工艺进行优化，得到提取的优选工艺条件，并在此条件下牛磺酸得率为6.79 mg/g。钱清华[14]结合近年来从海洋生物中提取功能性成分的研究成果和进展，分析了牛磺酸提取和分离的技术方法及应用，包括水煮提取、酶解、离子交换和膜过滤等。章骞等人[15]采用水煮、乙醇抽提、蒸发浓缩、沉淀、活性炭吸附、结晶等一系列工艺操作，从鲍鱼内脏中获取了高纯度天然牛磺酸，得率为3.07 g/kg，且重复性好。

近年来，研究者侧重于探索工艺的优化，以得到更高纯度的牛磺酸。万鹏等人[16]通过单因素试验和正交试验，研究了蛋白酶酶解法和超声法提取香港巨牡蛎中牛磺酸的最佳工艺条件，并在最优条件下进行超声波辅助酶解提取，最终牛磺酸的得率与单独的碱性蛋白酶酶解法、超声波法相比都更高。某公司[17]是将清洗过的鱿鱼内脏进行匀浆，匀浆后水提取到牛磺酸提取液；再对提取液进行2次超滤、离子交换层析纯化、反渗透浓缩、醇沉、蒸馏、喷雾干燥等工艺操作，最终得到牛磺酸结晶纯品。龚正斯[18]以牛磺酸提取率为指标，采用水煮法从章鱼肝脏中提取牛磺酸，研究了料液比、自溶时间、提取温度和提取时间4个因素对牛磺酸提取得率的影响，并通过正交试验得到最佳提取工艺。

随着更多高新设备和技术的出现，也有研究者将这些设备和技术应用到提取纯化牛磺酸这一领域中。徐成等人[19]研究了超高压技术提取牡蛎中牛磺酸的工艺过程，并采用高效液相色谱法（HPLC）测定牛磺酸的含量。又通过单因素试验和正交试验获得最佳提取工艺，为发展高新技术应用于牡蛎中牛磺酸的提取提供了理论依据。同年，崔璨等人[20]以鲍鱼内脏为原料，采用单因素试验及响应面分析法（RSM）研究料液比、提取温度、提取时间、提取次数4个因素及其交互作用对牛磺酸提取量的影响，并利用高效液相色谱法和扫描电子显微镜（SEM） 对纯化的牛磺酸进行分析，建立各因素与牛磺酸提取量之间关系的数学回归模型，确定了最佳水提条件。

由牛磺酸提取的研究历史可知，主要的提取方法有水煮法、超声法、结合醇溶的超声波作用、蛋白酶酶解法、超声波辅助酶解法和超高压技术提取等，在这接近30年的研究中，学者不断对提取条件进行改良和优化，创造性地将多种方法组合使用，并结合更新的设备技术，得到了更高提取率的牛磺酸。

1.2 牛磺酸的分离

牛磺酸的分离主要有如下几种方法：离子柱洗脱法、沉淀法、膜分离法、离子交换色谱分离法、电渗析法和结晶-重结晶法等。并且通过对试验过程中工艺条件的优化和分离膜的进化、离子交换树脂的选择等操作分离出更高纯度的牛磺酸。张俊彬[21]首次以褶纹冠蚌为原料，对牛磺酸的分离工艺进行了研究，采用离子柱和聚酰胺柱协同分离，并探讨了洗脱剂种类和洗脱速度对分离效果的影响，最终获得了纯度89.66%的牛磺酸，回收率高达73%。

大量的牛磺酸主要通过化学合成法生产用于药用和化学，而国内主要采用磺化、乙醇胺脂化路线。最终反应产物为硫酸钠和牛磺酸的混合物，二者的分离方法是牛磺酸纯度和得率的关键。早期国内主要采用沉淀法来进行分离。其方法是，向混合液中加入氯化钙溶液，再趁热滤去产生的硫酸钙沉淀，经60℃减压浓缩后滤除氯化钠，在5℃下冷却析出牛磺酸，最后经过重结晶精制得到产品牛磺酸，该工艺存在的主要问题是回收率较低。而在同时期的日本，田代智康[22]采用离子交换分离法，在最佳试验条件下回收率高达98.4%，而且产物的红外光谱图与标准品一致。

离子交换法是分离纯化牛磺酸的基础方法，早期的学者大多采用此法纯化牛磺酸提取液。刘连庆等人[23]探讨了不同的操作条件和离子交换树脂对牛磺酸分离的影响，采用离子交换法分离牛磺酸和硫酸钠，最后得出回收率97.0%，纯度99.5%的牛磺酸。随后，伍丽娜[24]拟选用国产吸附树脂来观察牛磺酸在多种吸附剂上的吸附-解析行为，并进行吸附树脂在牛磺酸工业提纯上的初步可行性研究。

近年来，超滤和电渗析等新技术陆续被应用到提取牛磺酸的研究中。张凌晶等人[25]为了研究膜分离法纯化天然牛磺酸的工艺条件，利用超滤和反渗透浓缩技术，考查了Ultra-flo和卷式膜超滤系统对水提液中的蛋白质和固体悬浮物等杂质的清除效果，结果表明，牛磺酸收集液经反渗透可浓缩35倍左右。金照[26]采用结晶-重结晶法分离提纯牛磺酸，考查了浓度、pH值、结晶时间对结晶过程的影响，并得到了最佳结晶条件。邵文尧等人[27]研究了在章鱼下脚料中使用4种不同规格超滤膜分离天然牛磺酸的应用，从蛋白去除率、牛磺酸收率、膜污染、膜通量和膜清洗等方面考查了不同切割分子量、不同材质的平板超滤膜分离性能，获得了从章鱼下脚料中分离牛磺酸的较佳分离膜。

任举等人[28]通过对牛磺酸粗品母液进行预处理，然后利用自制电渗析器分离母液中牛磺酸与无机盐，并尝试经过多次试验来验证工业化的可行性。胡凯伦等人[29]研究了酶解菲律宾蛤仔水煮液提取牛磺酸的工艺条件和提高牛磺酸纯度的途径，结果表明，碱性蛋白酶为最适提取酶，并获得了最优酶解条件，此时牛磺酸纯度为8.67%，回收率为95.80%。但酶解产物经阳离子树脂交换、电渗析除盐和乙醇重结晶提纯后，纯度有较大提高，为97.28%。

1.3 牛磺酸的检测

目前，用于测定牛磺酸含量的方法主要有以下几种：高效液相色谱法[30]、分光光度法[31]、高效液相色谱-示差折光检测器法[32]、近红外光谱法[33]、柱后衍生-高效液相色谱法[34]和瑞利散射法[35]等。

HPLC具有选择性好、灵敏度高等显著优点，使其成为食品和药品分析领域中使用最便捷的分析技术[36]，在牛磺酸的检测研究中也占据了重要地位。随着科技的发展和设备的进步，牛磺酸的检测技术也在不断发展，HPLC联用质谱、示差折光检测器等都得到了广泛应用。而分光光度法和瑞利散射法等也在众多研究者的攻克下进行了无数次条件优化，获得了更精确的含量测定范围。桑晓等人[37]采用水提法提取野生全蝎与养殖全蝎中的游离牛磺酸，PITC柱前衍生化后进行反相高效液相色谱分析，用高效液相外标一点法测牛磺酸含量。试验证明该方法灵敏度高、重复性好、回收率高，可用于全蝎的质量检测与控制。

国外的研究者也多是采用分光光度法、高效液相色谱、高效液相色谱-荧光检测、高效液相色谱-质谱联用等方法测定牛磺酸的含量。

Portnaya E P等人[38]开发并验证了一种新的分光光度法测定剂型中牛磺酸的方法。该方法基于测量波长470 nm处的牛磺酸水溶液吸收。该方法满足乌克兰药典对药物定量分析方法的要求，可推荐用于制药企业质量控制部门和国家药品质量控制检验实验室。Mehdinia A等人[39]建立了一种简单的柱前衍生方法，结合高效液相色谱-荧光检测法同时测定海洋藻类中的高牛磺酸和牛磺酸，液相色谱-质谱法也用于确认藻类样品中分析物的检测。数据表明该方法成功应用于藻类样品中高牛磺酸和牛磺酸的同时测定。

1.4 牛磺酸的应用研究进展

1.4.1 牛磺酸在食品领域的应用

国内外学者研究发现，牛磺酸能够维持视觉、免疫、血液、生殖的正常功能，是动物机体内必不可少的一种生物活性物质。目前，全球牛磺酸的消耗量已超过2×104t，其中作为食品添加剂应用的占80%。欧盟、美国和日本等国家已明文规定，婴幼儿和儿童食品中必须添加牛磺酸。

瞿东杨等人[40]试验结果表明，在延长小鼠的负重游泳时间方面，单独或与咖啡因同时添加牛磺酸作用效果显著，而单独添加咖啡因对延长小鼠游泳时间没有作用效果，表明牛磺酸和咖啡因同时作用可以达到降低小鼠运动后血乳酸水平的最好效果。宋亮[41]以牛磺酸和多糖肽为原料，对牛磺酸多糖肽复合固体运动饮料的研制工艺进行研究，结果获得了牛磺酸多糖肽复合固体运动饮料的最佳研制条件。

高血压是引发心脑血管疾病死亡的重要危险因子，世界各国的患病率为10%～20%。因此，研发具有降血压作用的生物活性物质具有重要意义。牛磺酸具有分布广、分子小、无毒、好吸收等多重优点，并且可添加到食品中，多项in vivo，in vitro试验都证明牛磺酸有降压功效[42]。最新的离体试验显示[43]，牛磺酸能够舒张置于5-HT和KCl中预收缩的人乳内动脉，但这一舒张效果被大电导Ca2+激活性K+通道的阻断剂所抑制，提示牛磺酸的舒血管作用可能与激活大电导Ca2+激活性K+通道有关。

1.4.2 牛磺酸在医学领域的应用

牛磺酸是一种特殊的高渗透性氨基酸类物质，对细胞凋亡和视网膜损伤有明显的保护作用[44-46]。

由东等人[47]试验证明，复方牛磺酸滴眼液能显著防护兔眼睑结膜、角膜和球结膜的炎性损伤，拮抗紫外线辐射导致的眼分泌物增多作用较强，具有明显的降低兔眼睫状肌张力作用。因此，复方牛磺酸滴眼液具有明显的抗眼疲劳作用，为治疗眼疲劳的适应症提供了实验室依据。刘锡军等人[48]研究结果显示，复方牛磺酸滴眼液可明显改善小鼠肠系膜微循环作用，对大鼠具有明显的抗眼过敏作用，表明复方牛磺酸滴眼液具有改善局部微循环和抗眼过敏作用。

近年来，牛磺酸在医学领域的应用主要是由于其特殊的生理功能和能够调节机体代谢的特点。Zvyagina T S等人[49]研究了牛磺酸对高果糖饮食诱导的代谢综合征大鼠心脏线粒体功能活动的影响，并且已经确定牛磺酸能够抑制碳水化合物不耐受胰岛素抵抗。Seo Jung M等人[50]研究了牛磺酸和芦荟提取物在体内和体外的抗刺激作用，发现牛磺酸和芦荟提取物的混合物在体内和体外均显示出对AlCl3刺激皮肤增强的抗刺激作用。结果表明，抗刺激活性物质的组合可能有效地减轻由含有刺激性物质的其他皮肤病学载体引起的刺激性接触性皮炎。

1.4.3 牛磺酸在生产养殖中的应用

牛磺酸应用于食品动物中，可改善动物性食品的品质及生产性能，而且还可以提高我国动物性食品的竞争力。开发富含牛磺酸的动物性食品对增强体质、改善人体健康、提高产品的质量具有重要的经济效益和社会价值。因此，牛磺酸作为一种保健型饲料添加剂应用于食品动物具有良好的应用前景，值得大力开发和应用。

王福强[51]研究出牛磺酸可作为一种较为安全的饲料添加剂，它的效用主要体现在利于加速动物的生长、抗病毒、抗应激及抗氧化、抗自由基损伤等。海洋动物的渗透压也主要靠牛磺酸来维持和调节。向枭等人[52]研究表明，添加一定量的牛磺酸可显著提高幼鲤对饲料中脂肪的利用率，并且可以减少体内的脂肪沉积、改善肌肉品质、促进其生长、提高机体的抗氧化能力。

牛磺酸具有提高饲粮的利用率和促进肠道吸收的功能。张建斌等人[53]在28日龄断奶仔猪饲粮中添加0.1%牛磺酸，发现在断奶后11 d时极显著提高了粗蛋白质（CP）的消化率，也极显著提高了仔猪对D-木糖、钙、磷的消化率，并且提高了有机物（OM）、干物质（DM） 的消化率。

牛磺酸在肝脏中与胆酸结合生成牛磺胆酸，具有提升脂肪酶活性、促进脂肪乳化和协助脂溶性物质、中性脂肪、胆固醇消化吸收的作用[53]。黄仁术等人[54]研究了全植物蛋白质饲粮对断奶仔猪生长性能的影响，饲粮中添加3%牛磺酸能明显提高仔猪的平均日采食量（ADFI），且料质量比（F/G）降低了7.26%，表明全植物蛋白质饲粮中添加牛磺酸是合理的。

2 牛磺酸研究中存在的主要问题

在食品领域，牛磺酸的多种营养保健功能已被应用于食品营养强化剂和保健食品领域。目前，用于牛磺酸提取和分离纯化的方法技术都比较基础，也处于工艺优化阶段，有些技术还不够成熟，需要进一步探索发展。而且随着更多高新技术的出现，应探索出更好的设备和技术用于牛磺酸的研究中。而随着生活水平和健康知识的提高，牛磺酸作为营养保健品和强化食品添加剂将逐步被食品生产企业和消费者认识和接受。对牛磺酸的生理作用及其特性研究的深入探讨，目前较多的仍是关于医学的基础试验研究，所以应加强其关于食品方面的研究，开辟其广泛的应用前景。

3 结语

牛磺酸具有多种营养生理功能和作用，在食品领域、养殖业和医学研究中应用前景广阔，有待于学者进一步深入研究牛磺酸在医学中对人类疾病的研究治疗和饲料中的适宜添加水平和添加形式，以及在功能性食品中更大范围的应用，以促进其在更多领域的推广和发展。而从天然产物中提取分离牛磺酸是一种较为高效、安全的途径，因此还需要开发从更多种类的天然产物中提取纯化牛磺酸的途径，并对其工艺进行优化探索。牛磺酸具有参与三大有机质代谢、调节机体内分泌和免疫反应，以及保证动物神经系统的正常发育等生理功能，促使人们去发现它更多的应用途径和更广阔的发展前景，使牛磺酸这一个功效成分得到充分利用。