鈣鹽對南極磷蝦肉中各形態(tài)氟的脫除作用

方兵，汪之和，施文正，王林林，陳璇怡

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306）

南極磷蝦，又名大磷蝦或南極大磷蝦，其資源量巨大，估計在3.79×108t左右[1]。南極磷蝦營養(yǎng)價值高，具有典型的高蛋白、低脂肪的特點，含量分別為16.31%和1.3%[2]，其蛋白水解產(chǎn)物中包含人體所必需的全部氨基酸。富含亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸及鈣、鉀、鎂和鍶等多種礦物質(zhì)元素，具有較好的開發(fā)利用價值。然而南極磷蝦的富氟特性限制了南極磷蝦的開發(fā)利用。國標中規(guī)定的食品中氟允許量應(yīng)小于2.0 mg/kg[3]，然而不同站位的南極磷蝦氟（整蝦）含量變化區(qū)間為 703.2～1825 mg/kg[4]，遠遠高于安全食用標準。目前對于南極磷蝦的脫氟研究主要集中在對南極磷蝦酶解液的脫氟上，其中鈣鹽沉淀法效果比較理想，反應(yīng)原理是Ca2+可以和F-發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)CaF2沉淀。李紅艷等[5]利用氯化鈣對南極磷蝦酶解液進行脫氟，脫氟率達到97.89%，張迪等[6]以醋酸鈣為脫氟劑，利用響應(yīng)面法優(yōu)化對南極磷蝦進行脫氟，脫氟率達到(84.15±1.37)%，郭帆等[7]以乳酸鈣為脫氟劑，結(jié)合活性氧化鋁吸附脫氟法和鈣離子沉淀脫氟法，使脫氟率達到93.98%。這些研究都是以總氟的脫除率為標準，然而隨著對氟元素形態(tài)的深入研究，人們已經(jīng)逐漸了解，不同形態(tài)的氟被生物體吸收的情況不一樣。對生物的毒性也不同[8]。僅分析南極磷蝦中氟的總含量不足以說明其是否對生物體有害，也不能正確合理評價南極磷蝦的安全性[8]。因此研究各種脫氟方法對南極磷蝦中不同形態(tài)氟的脫除情況，評價每種脫氟劑對不同形態(tài)氟的脫除效果，具有十分重要的意義。

本文以趙曉君[9]建立的南極磷蝦氟形態(tài)分析方法為基礎(chǔ)，檢測了南極磷蝦肉中的水溶態(tài)、可交換態(tài)、氧化態(tài)、有機束縛態(tài)和殘渣態(tài)氟，選擇六種不同鈣鹽對南極磷蝦肉進行脫氟處理，然后采用逐級化學(xué)-超聲波浸提技術(shù)對脫氟后的南極磷蝦肉浸提，測定各形態(tài)氟含量，研究分析不同鈣鹽對不同形態(tài)氟的脫除效果，旨在為找到更好的脫氟方法提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設(shè)備

實驗所用南極磷蝦由遼寧省大連海洋漁業(yè)集團公司捕撈于南極海域FAO48.1區(qū)，捕撈后于-20 ℃條件下運回、保存。

主要實驗試劑：氟化鈉、三水合乙酸鈉、二水合檸檬酸鈉、濃鹽酸、氫氧化鈉、無水氯化鈣、氧化鈣、四水合檸檬酸鈣、五水合乳酸鈣、丙酸鈣、一水合乙酸鈣、乙酸銨、鹽酸羥胺、30%過氧化氫、硝酸鎂等均為分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；實驗所用水為去離子水。

主要實驗設(shè)備：JYL-C020型組織攪碎機，九陽料理機；BSA型分析天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；SB-400DTY超聲波多頻清洗機，寧波新芝生物科技有限公司；JB-1A型磁力攪拌器，上海精密科學(xué)儀器有限公司；HWS-24型水浴鍋購于上海慧泰儀器制造有限公司；PF-1型氟離子選擇電極，上海雷磁精密儀器有限公司；232單鹽橋型甘汞參比電極，上海雷磁精密儀器有限公司；CR-21G型高速冷凍離心機，日本HITACHI公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 南極磷蝦中各形態(tài)氟含量的測定

參考趙曉君的逐級化學(xué)-超聲波浸提方法[9]，略有改動。南極磷蝦解凍后，去殼取蝦肉，經(jīng)組織攪碎機攪碎均勻，稱取3 g蝦肉于燒杯中，加入對應(yīng)浸提液，料液比均為1:10，按表1方法逐級浸提。浸提完畢后，8000 r/min，4 ℃條件下離心10 min，取上清液，殘渣用去離子水洗滌兩次，離心合并上清液，用氟離子電極法測定氟含量。

表1 不同形態(tài)氟的連續(xù)分級提取方法Table 1 The sequential extraction procedure for fractionate of fluoride forms

表2 反應(yīng)條件Table 2 Reaction conditions

1.2.2 不同鈣鹽及超聲處理對南極磷蝦脫氟情況研究

稱取攪碎蝦肉5 g于燒杯中，加入15 mL去離子水，依次加入對應(yīng)鈣鹽。分為兩組：鈣鹽組、超聲+鈣鹽組，按表2中條件進行反應(yīng)。

反應(yīng)吸附1 h后，8000 r/min，4 ℃條件下離心10 min，棄上清液，測定蝦肉中總氟含量以及各形態(tài)氟含量。總氟含量測定選用GB/T 5009.18-2003食品中氟的測定方法，各形態(tài)氟的測定同1.2.1中的方法。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)均由Excel、SPSS17.0等軟件進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 南極磷蝦中各形態(tài)氟含量

國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會對化學(xué)形態(tài)分析做了定義，化學(xué)形態(tài)分析是指確定特定物質(zhì)的原子和分子組成形式的過程，即指特定樣品中元素的各種存在形式，包括游離態(tài)、共價結(jié)合態(tài)、絡(luò)合配位態(tài)、超分子結(jié)合態(tài)等定性和定量的分析方法[10]。目前國內(nèi)關(guān)于氟的賦存形態(tài)研究，主要集中在土壤中，對食品中氟的賦存形態(tài)研究較少。本文參考趙曉君[9]等建立的南極磷蝦氟形態(tài)分析方法，將南極磷蝦肉中的氟分為水溶態(tài)氟、可交換態(tài)氟、氧化態(tài)氟、有機束縛態(tài)氟和殘渣態(tài)氟，采用逐級化學(xué)-超聲波浸提方法提取測定，結(jié)果如表3所示。南極磷蝦肉中：可交換態(tài)氟>水溶態(tài)氟>氧化態(tài)氟>殘渣態(tài)氟>有機束縛態(tài)氟。五種形態(tài)氟的總含量為507.34±7.01 mg/kg，其中水溶態(tài)氟和可交換態(tài)氟含量總和為291.58 mg/kg，占總氟含量58.50%，含量明顯占優(yōu)。水溶態(tài)氟主要指以離子或絡(luò)合物形式存在于生物體中，包括 F-、HF2-、H2F3-、H3F4-、AlF63-、FeF63-等。交換態(tài)氟是指通過靜電吸引力吸附于粘粒、有機質(zhì)顆粒和水合氧化物的可交換正電荷上的氟陰離子[11]。水溶態(tài)氟和可交換態(tài)氟對植物、動物、微生物及人類有較高的有效性[11]。

表3 南極磷蝦肉中各形態(tài)氟含量及其百分比Table 3 Antarctic krill morphology fluorine content and its percentage

其余三種形態(tài)氟的總含量為210.48 mg/kg，占總氟含量41.50%。氧化態(tài)氟可與鐵、錳及鋁的氧化物、氫氧化物和水合氧化物進行吸附作用或共沉淀，是生物非有效態(tài)氟；有機束縛態(tài)氟可與有機酸起絡(luò)合作用，形成螯合態(tài)氟或有機束縛態(tài)氟，從而使其生物有效性降低；殘渣態(tài)氟存在于礦質(zhì)顆粒晶格內(nèi)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，很難被生物體所吸收利用[11]。因此，對于南極磷蝦中氟形態(tài)，我們更應(yīng)該關(guān)注水溶態(tài)氟和可交換態(tài)氟，兩者的含量高，對人體危害較大。

2.2 不同鈣鹽及超聲處理對南極磷蝦脫氟情況的影響

圖1 脫氟處理后各組總氟含量情況Fig.1 Fluorine content of each group after defluorination

本實驗選擇六種不同鈣鹽對南極磷蝦進行脫氟，分別為氯化鈣、氧化鈣、檸檬酸鈣、乳酸鈣、丙酸鈣和乙酸鈣。實驗分為兩組：鈣鹽組和“超聲+鈣鹽”組。實驗結(jié)果如圖1和2所示。

圖2 脫氟處理后各組氟的脫除率情況Fig.2 Fluoride removal rate of each group after defluorination

由圖1和2可知，在鈣鹽組中，經(jīng)檸檬酸鈣、乙酸鈣和氯化鈣脫氟處理后的蝦肉中氟含量最低，脫氟效果最好，脫氟率分別為（33.86±3.71）%、（28.88±3.89）%和（27.65±2.23）%，三組之間無顯著性差異（p>0.05），明顯高于乳酸鈣（21.39±1.69）%、氧化鈣（16.84±0.64）%、和丙酸鈣（16.68±0.11）%。這可能和鈣鹽的溶解度有關(guān)，鈣鹽的溶解度越大，越容易和南極磷蝦中的氟接觸，從而發(fā)生沉淀反應(yīng)。

在“超聲+鈣鹽”組中，檸檬酸鈣、氯化鈣、和乳酸鈣的脫氟效果最好，脫氟率分別達到了（40.81±3.29）%、（40.15±0.06）%和（40.06±1.42）%，三組之間無顯著性差異（p>0.05）。經(jīng)超聲處理后，脫氟效果明顯高于單一鈣鹽組，其中乳酸鈣和氯化鈣兩組脫氟效果提高最為明顯，分別提高了 18.67%和18.08%，乙酸鈣脫氟效果變化最小，僅提高了2.57%，說明超聲處理可以提高鈣鹽的脫氟效果。超聲波是頻率高于20 kHz以上的聲波，聲波在媒質(zhì)中傳播時，使媒質(zhì)中的粒子產(chǎn)生振動，并通過介質(zhì)在傳播方向傳遞能量[12]。因此超聲處理不僅可以增加鈣鹽在水中的溶解度，還可以一定程度上破壞肌肉組織，使氟脫離出來，增加鈣鹽和氟的接觸，從而更容易發(fā)生沉淀反應(yīng)。值得注意的是，雖然經(jīng)超聲處理后，鈣鹽的脫氟效果有一定的提高，但從實驗結(jié)果來看，六種鈣鹽的脫氟率范圍僅為31.30%～40.81%，脫氟效果最好的“超聲+檸檬酸鈣”組中，南極磷蝦肉中殘余的氟含量仍高達（304.12±16.87）mg/kg，因此有必要進一步研究脫氟方法對不同形態(tài)氟的脫除效果。

2.3 超聲輔助鈣鹽對南極磷蝦各形態(tài)氟的脫除效果

圖3 超聲脫氟處理后各組各形態(tài)氟的脫除率情況Fig.3 Various forms of fluorine removal rate of each group after ultrasonic defluorination treatment

選擇“超聲+鈣鹽”組中脫氟后的蝦肉，采用逐級化學(xué)-超聲波浸提方法浸提各形態(tài)氟，并測定含量，分析結(jié)果如表4和圖3所示。由表4和圖3可知，對于水溶態(tài)氟的脫除，乳酸鈣（56.55%）、氯化鈣（55.65%）和乙酸鈣（52.29%）的效果較好；對于可交換態(tài)氟的脫除，乳酸鈣（77.70%）、檸檬酸鈣（73.37%）和氯化鈣（73.35%）的效果比較理想；氧化態(tài)氟僅能被部分脫除，脫氟效果較好的有檸檬酸鈣（27.50%）、氯化鈣（24.45%）和乳酸鈣（23.14%）。

可見，乳酸鈣、氯化鈣和檸檬酸鈣對可交換態(tài)氟、水溶態(tài)氟的脫除效果較好，對氧化態(tài)氟的脫除也有一定效果。結(jié)果和前面分析的這三種鈣鹽對總氟的脫除效果一致。六種鈣鹽對有機束縛態(tài)氟和殘渣態(tài)的脫除效果較差，在各組中，丙酸鈣對有機束縛態(tài)氟的脫除率最高，為11.45%；氯化鈣對殘渣態(tài)氟的脫除率最高，為 6.82%，此時蝦肉中殘渣態(tài)氟含量仍高達（71.50±1.67）mg/kg。

研究顯示，南極磷蝦中并不是所有的氟都能被生物體有效利用，其中水溶態(tài)氟和可交換態(tài)氟是生物有效性氟，比較容易被鈣鹽脫除；氧化態(tài)氟、有機束縛態(tài)氟和殘渣態(tài)氟是非有效性氟，只能部分被鈣鹽脫除。因此，我們進一步分析這六種鈣鹽對生物有效性氟和非有效性氟的脫除情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 超聲處理后各鈣鹽對有效性氟和非有效性氟的脫除情況Fig.4 Removal of available fluoride and ineffective fluoride by each calcium salt after sonication

由圖4可知，不同鈣鹽對于生物有效性氟的脫除率由大到小依次為：乳酸鈣>氯化鈣>檸檬酸鈣>乙酸鈣>丙酸鈣>氧化鈣，脫除率分別為：68.66%、65.78%、62.69%、58.03%、55.83%和 52.49%，各組之間均有顯著性差異（p<0.05）。

表4 超聲-鈣鹽脫氟處理后各組各形態(tài)氟含量（mg/kg）Table 4 Various forms of fluorine content of each group after ultrasonic defluorination treatment

對于非有效性氟的脫除率由高至低依次為：檸檬酸鈣>氯化鈣>乳酸鈣>丙酸鈣>乙酸鈣>氧化鈣，脫除率分別為 15.21%、13.83%、12.29%、8.06%、6.67%和6.62%。綜上所述，乳酸鈣、氯化鈣和檸檬酸鈣是比較理想的脫氟劑。在食品工業(yè)，乳酸鈣是一種安全的食品添加劑、穩(wěn)定劑和增稠劑[13]，檸檬酸鈣可開發(fā)成組織凝固劑、鈣強化劑和乳化鹽等[14]，兩者作為有機鈣，更易被人體吸收，有補充鈣質(zhì)的作用。

3 結(jié)論

3.1 通過對南極磷蝦肉中各形態(tài)氟進行提取測定，分析結(jié)果可知南極磷蝦肉中各形態(tài)氟含量次序為：可交換態(tài)氟>水溶態(tài)氟>氧化態(tài)氟>殘渣態(tài)氟>有機束縛態(tài)氟，其含量占總氟含量百分比依次為：32.91%、25.59%、17.02%、9.35%、15.13%。其中可交換態(tài)氟和水溶態(tài)氟為生物有效性氟，總量占比為58.50%，更加值得關(guān)注；氧化態(tài)、有機束縛態(tài)和殘渣態(tài)為非有效性氟，總量占比為41.50%。

3.2 通過“超聲+鈣鹽”組和鈣鹽組對南極磷蝦肉進行脫氟處理，結(jié)果顯示：超聲有利于鈣鹽的脫氟，其中氯化鈣、檸檬酸鈣和乳酸鈣三種鈣鹽結(jié)合超聲處理的脫氟效果最好，但其脫氟率也僅有40%左右，低于對南極磷蝦酶解液的脫氟率，這可能是因為一方面南極磷蝦酶解液的制備過程中，伴隨著部分不同形態(tài)氟之間的轉(zhuǎn)化，且易于被鈣鹽脫除的水溶態(tài)氟和可交換態(tài)氟被釋放，游離在酶解液中，而不易被脫除的的氧化態(tài)氟、有機束縛態(tài)氟和殘渣態(tài)氟仍留在蝦肉殘渣中，被丟棄；另一方面酶解液比蝦肉更容易和鈣鹽接觸，發(fā)生沉淀反應(yīng)。

3.3 通過對“超聲+鈣鹽”組處理后的南極磷蝦肉中各形態(tài)氟含量的測定，結(jié)果表明：南極磷蝦肉中水溶態(tài)氟和可交換態(tài)氟容易被脫除，氧化態(tài)氟可以部分被脫除，有機束縛態(tài)氟和殘渣態(tài)氟很難被脫除。其中，乳酸鈣、氯化鈣和檸檬酸鈣對水溶態(tài)氟和可交換態(tài)氟脫除效果較為理想。分析鈣鹽脫除生物有效性氟和非有效性氟的結(jié)果說明，鈣鹽可以脫除大部分有效性氟，降低其對人體的危害，但很難脫除非有效性氟，不過這部分氟對人體危害不大。