南极磷虾蛋白质营养及利用研究进展

姚梦珂，张绵松，赵福江，范宁宁，刘昌衡，贾爱荣*

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）生物研究所，山东 济南 250103；2.山东省海珍品精深加工技术重点实验室，山东 济南 250103；3.山东鲁华海洋生物科技有限公司，山东 济南 251400）

南极磷虾（Euphausia superba），节肢动物门（Arthropoda），磷虾属（Euphausia），又名大磷虾或南极大磷虾，是一种以群集方式生活在南冰洋的南极洲水域的无脊椎动物，密度可达10 000只/m3～30 000只/m3[1]。中国2010年开始南极磷虾的捕捞作业，目前捕捞量约占世界总捕捞量的10%[2]。南极磷虾具有极高的营养价值，整虾的近似分析显示，水分、粗蛋白和总脂肪分别为77.9%～83.1%、11.9%～15.4%和0.4%～3.6%，几丁质约2%。另外，南极磷虾中含有丰富的酶类、微量元素、活性物质等，在医药、食品、化妆品等领域应用广泛。其产品形式也多种多样，有磷虾干等干制品、磷虾酱等盐酿食品、冷冻磷虾肉等冷冻制品、磷虾油和磷虾蛋白质粉等精制品还有磷虾肉肠等糜制品[3]。南极磷虾蛋白质含量高，被认为是多细胞动物中最大的优质蛋白质来源。但是南极磷虾体内有丰富的酶系统，极易发生自溶[4]，并且体壁中氟含量很高，自溶后容易渗入虾肉[5]，因此需要在磷虾捕捞后迅速进行处理。目前以南极磷虾蛋白质为基础的食物种类较少，其开发和利用还有待深入挖掘，即使现在已有许多关于南极磷虾蛋白质的报道，但对其结构、功效的研究还亟待深入。本文主要综述了南极磷虾蛋白质的研究进展，以期对其未来的高值开发利用提供技术参考和理论支持。

1 南极磷虾蛋白质的营养特性

1.1 蛋白质含量

南极磷虾中蛋白质含量极其丰富，占其干重的60%至65%，冷冻南极磷虾蛋白质含量为49%[6]。其中虾肉中蛋白质含量占整虾蛋白质的41%，含量最高的是肌原纤维蛋白，占总蛋白质的60%～70%[7]。南极磷虾蛋白质含量高于海参、鲍鱼、鸡蛋等常见高蛋白食物，近似于黄花鱼、带鱼、猪肉等[3]。其蛋白质含量完全可以满足人体需要，成为高蛋白质食物。

1.2 蛋白质的氨基酸组成

南极磷虾蛋白质共含有18种氨基酸，其中8种是必需氨基酸（essential amino acid,EAA），包括7种成人自身不能合成，必须从食物蛋白质中摄取的苏氨酸（Thr）、色氨酸（Trp）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、赖氨酸（Lys）、苯丙氨酸（Phe），和 1种婴幼儿合成不能满足需要的组氨酸（His），此8种必需氨基酸含量均符合联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization，FAO）、世界卫生组织（World Health Organization，WHO）、联合国大学（United Nations University,UNU）的推荐摄入量[8]。10种非必需氨基酸（nonessential amino acid,NEAA）分别是丙氨酸（Ala）、甘氨酸（Gly）、天冬氨酸（Asp）、脯氨酸（Pro）、酪氨酸（Tyr）、胱氨酸（Cys）、蛋氨酸（Met）、精氨酸（Arg）、丝氨酸（Ser）、谷氨酸（Glu）。其中含量最高的是 Glu（14.6 g/100 g干重），其次是 Asp（12.2 g/100 g干重），再次是Lys（8.58 g/100 g干重）[7]。但南极磷虾中 Val和 Thr含量较低，分别是第一限制氨基酸和第二限制氨基酸。

1.3 蛋白质评价

南极磷虾蛋白质组成均衡且具有较高的品质。研究表明，南极磷虾蛋白质的生物价值高于其它肉类蛋白质和牛奶蛋白质（如酪蛋白），但低于蛋类蛋白质[8]。南极磷虾肉的必需氨基酸指数（essential amino acid index,EAAI）为 43.0，略低于南美白对虾（EAAI=52.3）[9]；南极磷虾肌肉EAAI为54.94，高于中国明对虾和刀额新对虾[10]，且两者都高于FAO/WHO推荐的理想蛋白质模式中营养价值较高的蛋白质EAAI（40.0）。呈味强度值（taste activity value,TAV）可作为南极磷虾滋味贡献的评价指标，TAV值大于1时，表明该氨基酸对某种味道有影响，且影响程度与数值成正比[11]。南极磷虾中最主要的鲜味剂是 Glu（TAV＞1），其次是 Asp（TAV＜1）；主要甜味剂是 Ala（TAV 在 2.92～3.13）；南极磷虾中共有 9 种苦味氨基酸，分别是 Leu、Ile、Met、Arg、Lys、His、Val、Phe、Tyr，它们的 TAV 均大于 1，因此南极磷虾酶解液不可避免会有苦味，这也是研究人员亟需解决的问题，脱苦对南极磷虾制品的口感及风味研究具有重要意义[12]。

通过对南极磷虾蛋白质的营养特性分析，可知南极磷虾蛋白质营养价值极高，是人体补充营养的优质蛋白质来源，但是其多肽存在苦味等风味问题，因而，研究专属性高的多肽精制技术是提升南极磷虾蛋白质高附加值的关键。

2 南极磷虾蛋白质制备方法

目前，对于南极磷虾蛋白质的制备工艺要求越来越高，不仅要提取高质量、高生物活性的蛋白质，更要注重提取效率和产业化发展。目前应用较广泛的南极磷虾蛋白质制备方法有酶解法、等电促溶促沉（isoelectric solubilization/precipitation，ISP）技术、碱溶酸沉技术及多种技术联用，均取得了很好的效果。

2.1 酶解法

2.1.1 体外酶解

酶解法安全无毒、简单便捷，在食品行业应用较多，通过添加某些外源酶的方法可以获得一些在生物体内含量很低的生物活性肽，实现加工需求。目前用于制备南极磷虾蛋白质的酶有木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶、酸性蛋白酶等，其中木瓜蛋白酶应用最为广泛。王凌云等[13]利用木瓜蛋白酶对南极磷虾肉糜进行酶解，确定最优酶解条件的同时测定了该水解产物的相对分子质量为3 000Da～5000Da，再通过喷雾干燥成功制得南极磷虾蛋白质粉。崔亚菲[14]也筛选出木瓜蛋白酶为最适合南极磷虾酶解的蛋白酶，并优化了酶解工艺参数，得到了高质量南极磷虾蛋白质：水解度为41.2%，必需氨基酸（EAA）/总氨基酸（totalaminoacid，EAA）为39.49%，EAA/NEAA为65.26%，EAAI为56.31，均高于南极磷虾原虾。

2.1.2 自溶法

南极磷虾体内含有磷脂酶、核酸酶、蛋白酶、羧肽酶等丰富的高活性降解酶，待其死后，这些酶便会被释放进组织，并迅速使磷虾自溶。根据此特性，许多研究者利用控制自溶的方式，从南极磷虾中提取蛋白质，使南极磷虾的加工过程更加经济高效。尹利昂等[15]以冷冻南极磷虾为原料，分别采用控制自溶的方式和ISP技术制备南极磷虾富脂蛋白质，发现控制自溶法制备的富脂蛋白质较ISP技术含有更多的必需氨基酸和ω-3多不饱和脂肪酸，因此控制南极磷虾自溶，以及优化其自溶条件能够高效制备南极磷虾蛋白质。

2.2 ISP技术

ISP技术是通过盐酸和氢氧化钠使pH值变化，发生等电行为，从而诱导蛋白质溶解或沉淀的过程[16]。GB 2760—2014《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》中明确指出，盐酸和氢氧化钠可作为加工助剂且不需限定残留量，应用于各类食品的生产加工中，因此该技术不仅能够保证蛋白质的营养特性，并且安全可靠。CHEN等[8]研究表明，利用ISP技术提取的南极磷虾蛋白质中所含的必需氨基酸和非必需氨基酸均高于整虾中的含量，且发现极端pH值条件（pH 3和12）下的提取物的氨基酸含量最高。但ISP技术也存在障碍，ISP技术提取的南极磷虾蛋白质不易形成凝胶，因此不能满足某些特殊食品的质构要求。针对此问题，ZHENG等[17]研究发现通过添加k-卡拉胶能显著改善ISP-南极磷虾蛋白质的凝胶特性，随着k-卡拉胶的添加，南极磷虾蛋白质凝胶网络的微观结构逐渐由以磷虾蛋白质为主的网络结构向以k-卡拉胶为主的网络结构转变，凝胶特性增强。

2.3 碱溶酸沉法

碱溶酸沉技术主要是通过调整溶液pH值创造酸性或碱性环境，改变南极磷虾蛋白质分子的电荷，使蛋白质分子之间相互作用，从而加快与其它物质的分离。碱溶酸沉法在南极磷虾蛋白质的提取中不仅可以提高最终上清液中蛋白质得率，还可以提高沉淀中蛋白质的回收率，适合工业化生产。高飞等[18]利用响应面分析法优化了碱溶酸沉法提取南极磷虾蛋白质的条件，碱溶阶段pH值优化为11.5，酸沉阶段pH值优化为5.5，过滤掉沉淀物后，南极磷虾上清液中蛋白质得率为10.81%。朱俊向等[19]利用碱溶酸沉法制备的南极磷虾沉淀中蛋白质回收率高达63.21%，且在最佳工艺条件下的南极磷虾蛋白质溶解性、持水性、持油性、乳化稳定性和起泡性均良好。

2.4 多种技术联用

南极磷虾蛋白质提取技术的联合应用有利于弥补单一技术的不足，使蛋白质生产加工过程更加高效。QI等[20]在ISP技术的蛋白质碱提取过程中，采用多级逆流系统，在很大程度上提高了低氟磷虾蛋白质的回收率。在磷虾与水比为1∶10（g/mL）的条件下，采用三级逆流提取法，上清液中蛋白质提取率为（95.1±0.6）%，沉淀总回收率达（67.9±1.6）%。朱俊向等[19]利用等电点沉淀法制备了南极磷虾虾糜，并优化了虾糜的制备工艺：液料比为 3.2 ∶1（mL/g）、酸沉阶段 pH 4.4、静置1 h，此条件下沉淀中蛋白质回收率高达70.05%。南极磷虾在加工过程中被丢弃的虾壳、虾头等下脚料中也含有蛋白质，一些技术的联用可实现这些下脚料的有效利用，降低环境污染并提高经济价值。徐洋等[21]研究发现，超声辅助酶解法能够提高南极磷虾下脚料中蛋白质的回收率，并确定了酶解最优条件：固液比为1∶10（g/mL），超声辅助功率为150 W等，此时蛋白质回收率为87.42%。

3 南极磷虾蛋白质改性工艺

当前，蛋白质在食品生产中的应用逐渐增多，用于加工的蛋白质不再仅要求具有优良的营养特性，还需要具备一定的功能特性，即蛋白质在加工、贮藏和消费过程中的物理化学性质。天然蛋白质的功能特性往往具有很大局限性，因此，许多研究人员为了扩大蛋白质应用范围，开始对蛋白质的改性展开研究。蛋白质的改性方法一般可以分为化学法、生物法和物理法。

3.1 化学改性法

蛋白质的化学改性是指利用化学方法，把某些功能基团引入蛋白质，通过改变蛋白质的结构、静电荷和疏水基团等来改善蛋白质的性质。南极磷虾的化学改性主要有磷酸化改性和糖基化改性。

3.1.1 磷酸化改性法

磷酸化改性是指用磷酸根基团取代蛋白质侧链活性基团，此过程可以增加蛋白质电负性，增强蛋白质分子间静电斥力，从而改善其功能。常用的磷酸改性试剂有三聚磷酸钠（sodiumtripolyphosphate，STP）、三偏磷酸钠（sodium trimetaphosphate，STMP）、三氯氧磷（phosphorus oxychloride）等。戚亭等[22-23]研究小组以STP对南极磷虾蛋白质的磷酸化改性进行了系统的研究，确定的最佳磷酸化条件为：pH 9.04、蛋白质质量浓度22g/L、反应时间1.55h、温度39.9℃、STP添加量6.55 g/100 g蛋白，优化后磷酸化水平较高（41.91 mg/g）。改性后的南极磷虾蛋白质较未改性南极磷虾蛋白质的溶解性、吸水性、乳化性、起泡性等有所改善。

3.1.2 糖基化改性法

糖基化改性即在蛋白质-糖接枝反应过程中，氨基酸侧链的氨基利用共价键与糖分子还原末端的羰基连接，发生羰氨反应，使得蛋白质的功能特性发生变化[24]。冯实[25]研究表明，不同种类的糖对南极磷虾蛋白质的糖基化改性效果不同，且糖与蛋白质的比例为1∶1（g/g）时效果最佳。使用葡萄糖或葡聚糖进行改性的南极磷虾蛋白质吸水性和溶解性最好，且葡萄糖改性蛋白质乳化性和乳化稳定性也很好；使用木糖改性的蛋白质具有良好的吸油性和吸水性。因此，在进行蛋白质的糖基化改性时需要根据预期目标对糖的种类、反应条件进行筛选，从而获得效果最好的改性蛋白。另外，因为糖基化过程是自发、自然的反应，不需要外加化学试剂，有利于其在食品工业中的利用。

3.2 生物改性法

目前，南极磷虾蛋白质采用的生物改性法主要是酶解改性法。酶解可以使蛋白质生成大量具有生物活性的小分子多肽或氨基酸，从而改善蛋白质的功能特性。蛋白质的酶解改性具有很多优点，如专一性强、作用条件温和、安全环保等，被认为是最有效的蛋白质改性途径之一。史洲铭等[26]研究发现，利用木瓜蛋白酶酶解后的南极磷虾蛋白质较未酶解的蛋白质吸水性、泡沫稳定性和乳化性有明显增强，吸油性和起泡性下降。

3.3 物理改性法

物理改性方法通常作用时间短、安全性高，在特定条件下可以改变蛋白质的构象和性质。南极磷虾蛋白质常用的物理改性方法是超声波辅助改性法，适当的超声波处理能够改善南极磷虾蛋白质的功能特性。冯实[25]研究发现，南极磷虾蛋白质的起泡性、泡沫稳定性、溶解性、乳化性、持水性等功能特性与超声时间、超声强度、超声温度有关。通过响应面优化试验可知，南极磷虾蛋白质在70℃、250 W下超声处理12.5 min时可获得最高溶解性的超声改性蛋白质，达51.90%。

4 南极磷虾蛋白质的生物活性

南极磷虾蛋白质及其改性产物具有抗氧化、预防骨质疏松、调节心血管、预防肿瘤和艾滋病、免疫调节、抑制真菌、抗病毒等生理活性。

4.1 抗氧化活性

与酪蛋白相比，南极磷虾蛋白质具有较高的谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）和总超氧化物歧化酶（totalsuperoxidedismutase，T-SOD）活性，具有促进生长和提高机体抗氧化能力的作用[27]。CHEN等[28]研究发现，从南极磷虾中制备的高F值寡肽（high fischer ratio oligopeptides，HFP）能通过提供电子或氢自由基来抑制DPPH自由基反应，可以作为一种羟自由基清除剂，减少或消除生物系统中羟自由基的损伤。HFP在4.0 mg/mL时对超氧阴离子自由基的最大清除率达91.37%，对ABTS+自由基的最大清除率达（89.32±3.89）%。此外，HFP还具有还原能力和脂质过氧化抑制能力。

4.2 调节心血管功能

血管紧张素转换酶（angiotensin converting enzyme，ACE）是调节血压的关键酶，据研究，ACE抑制肽的活性与其分子量和氨基酸序列有关[29]。ZHAO等[30]从南极磷虾蛋白质水解液中分离出8种降压肽，其中Trp-Phe（0.32±0.05）mg/mL 和 Phe-Ala-Ser（0.15±0.02）mg/mL对ACE抑制活性较强。心血管疾病除了高血压外还有一个主要前兆——动脉粥样硬化，内皮素-1（endothelin-1，ET-1）在动脉粥样硬化斑块上的表达增加以及内皮源性一氧化氮（NO）的减少在动脉粥样硬化过程中均起重要作用。南极磷虾蛋白质水解液中分离出的 Trp-Phe、Tyr-Arg-Lys、Phe-Gln-Lys和Phe-Ala-Ser这4种肽可以增加人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVEC） 培养液中NO的浓度，降低ET-1的含量，同时显著逆转了0.5 μmol/L甲肾上腺素对NO以及ET-1产生的影响，这说明分离的降高血压肽能纠正去甲肾上腺素诱导的内皮细胞功能障碍，从而抑制动脉粥样硬化的发生。二肽基肽酶IV（dipeptidyl peptidase-IV，DPP-IV）是调节血糖的关键酶，它能切割和灭活95%以上的抑胃肽（gastric inhibitory polypeptide，GIP）和胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1），从而提高血糖[31]。JI等[32]首次报道了南极磷虾蛋白质双生物活性肽的序列：Lys-Val-Glu-Pro-Leu-Pro和Pro-Ala-Leu，对调节血压和血糖的关键酶ACE和DPP-IV同时具有抑制活性。

4.3 抗骨质疏松活性

钙对于骨骼生长具有重要作用，缺钙可能会导致骨质疏松症，可以利用钙结合肽来提高钙的吸收和生物利用率[33]。HU等[34]从南极磷虾蛋白质水解液中纯化出了一种钙螯合肽：Val-Leu-Gly-Tyr-Ile-Gln-Ile-Arg，通过反相高效液相色谱法分析可知，该多肽表现出较高的钙结合能力（0.134 mmol/g），且钙离子的螯合位点可能在Gln、Ile和Arg残基的羰基或氨基上。另外，骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和Wnt信号在骨细胞分化过程中起重要作用[35]，靶向激活BMP和Wnt分子通路可能成为治疗老年性骨质疏松症的潜在治疗途径。南极磷虾肽可以通过激活BMP2/Smads和Wnt/b-连环蛋白分子途径改善老年性骨质疏松症，从而促进骨形成[36]。

5 总结

南极磷虾蛋白质中氨基酸种类丰富、含量极高，且具有优良的生物活性，是不可多得的天然保健物质。因此对于南极磷虾蛋白质的组分特征、营养功能、提取制备、改性等方面的研究极为重要。关于南极磷虾的研究，目前亟待解决的问题有：一是南极磷虾含有大量氟元素，对于其死亡后氟元素的迁移过程研究尚不明确，在制备相关制品时需要考虑氟脱除；二是南极磷虾在捕捞死亡后迅速自溶，其蛋白质极易发生变性，从而损失大部分营养成分，因此需要优化捕捞处理设备；三是酶解后的南极磷虾中含有大量的苦味肽，会影响其食用风味与口感，酶解后要考虑苦味脱除等精制技术。针对上述问题，虽然研究人员已开展多方面研究，但还未在生产加工中得以系统性解决。因此，创立一套完整的分离效能高、专属性高、速度快、选择性高、灵敏度高的南极磷虾蛋白质及多肽提取分离技术，是未来发展的方向，也是提升南极磷虾资源的高附加值利用、促进产业快速发展的有效途径。