南極磷蝦油提取工藝的研究進(jìn)展

徐曉斌,范寧寧,宗 俊

(山東魯華海洋生物科技有限公司,山東濟(jì)南 251400)

磷蝦(Euphausiaspp)是一類海洋浮游甲殼動(dòng)物,屬節(jié)肢動(dòng)物門、甲殼綱、磷蝦目[1]。在地球上,磷蝦共有85種,生活在南大洋的磷蝦統(tǒng)稱為南極磷蝦,約有7～8種,但通常人們所講的南極磷蝦一般指的是南極大磷蝦(Euphausiasuperba)[2]。南極磷蝦資源豐富,是地球上生物量最大的單種生物之一[3],據(jù)估算,其生物量約為10億噸[4]。

南極磷蝦油是南極磷蝦相關(guān)產(chǎn)品中營(yíng)養(yǎng)功效和附加值都很高的產(chǎn)品。南極磷蝦油的主要活性成分是磷脂、蝦青素、DHA和EPA等。研究表明,南極磷蝦油在預(yù)防心腦血管疾病[5-7],促進(jìn)大腦發(fā)育[8]、抗氧化、緩解痛風(fēng)和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[9-11]等方面都有一定功效。因此南極磷蝦油可廣泛應(yīng)用于食品、保健食品、生物醫(yī)藥等行業(yè),具有較高的深度開發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。

目前南極磷蝦油的提取工藝在國(guó)內(nèi)外已有較多研究,其原料主要有磷蝦粉和鮮蝦兩種,兩者應(yīng)用的提取方法有所不同。本文將對(duì)以磷蝦粉和鮮蝦為原料的南極磷蝦油的提取工藝作一綜述。

1 以磷蝦粉為原料的提取方法

南極磷蝦粉是由南極磷蝦經(jīng)粉碎、干燥而成,一般在捕撈船上加工完成,運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本較低[12]。南極磷蝦的捕撈區(qū)域、季節(jié)及加工工藝等因素會(huì)影響磷蝦粉的品質(zhì),如蝦青素含量、脂肪含量及氧化程度等[13-14]。因此由磷蝦粉提取的南極磷蝦油的品質(zhì)因磷蝦粉來(lái)源不同可能會(huì)有所差異[15]。南極磷蝦油提取方法主要是有機(jī)溶劑提取法、超臨界-CO2萃取法和亞臨界萃取法等。

1.1 有機(jī)溶劑提取法

南極磷蝦油的提取方法中有機(jī)溶劑提取法研究最多,該法可用單一溶劑或混合溶劑進(jìn)行一步提取或連續(xù)逆流提取,或者用多種溶劑進(jìn)行多步提取。

1.1.1 一步提取法 一步提取法是將南極磷蝦粉用有機(jī)溶劑浸提,提取液脫除溶劑即可獲得南極磷蝦油。南極磷蝦油提取常用的提取溶劑有乙醇、正己烷、石油醚、乙酸乙酯等[16-18]。

南極磷蝦油成分復(fù)雜,既含有屬于中性脂的甘油三脂,又含有屬于極性脂的磷脂。用單一溶劑很難將南極磷蝦油的活性成分全部提取出來(lái),不同研究表明以正己烷、石油醚等非極性溶劑提取的南極磷蝦油蝦青素含量較高,磷脂含量較低[19-20];以異丙醇，乙醇等極性溶劑提取的南極磷蝦油磷脂含量較高,蝦青素含量較低[17，21]。

相比單一溶劑,采用非極性溶劑和極性溶劑的混合溶劑進(jìn)行提取,南極磷蝦油得率(得率(%)=所得南極磷蝦油質(zhì)量/所用南極磷蝦粉質(zhì)量×100)更高,而且磷脂和蝦青素含量也較高[22]。孫甜甜[20]比較了用氯仿-甲醇、95%乙醇和正己烷三種溶劑分別提取南極磷蝦油時(shí),在南極磷蝦油得率及其活性成分含量等方面的差異,相關(guān)結(jié)果見表1。結(jié)果顯示氯仿-甲醇所提取的南極磷蝦油得率最高,磷脂含量高于正己烷提取的,蝦青素含量高于95%乙醇提取的,不過(guò)氯仿-甲醇毒性較大,一般只作為實(shí)驗(yàn)室提取脂質(zhì)的基礎(chǔ)方法。另外正己烷∶乙酸乙酯(7∶3)[23-24]、丙酮∶乙醇(1∶1)[25]、正己烷∶乙醇(9∶1)[26]等混合溶劑提取的南極磷蝦油得率也比相應(yīng)的單一溶劑更高。

表1 不同溶劑對(duì)南極磷蝦油得率及活性成分含量的影響Table 1 Effects of different solvents on yieldand active components content of Antarctic krill oil

一步提取法操作簡(jiǎn)單,目前研究也較多。采用混合溶劑提取彌補(bǔ)了單一溶劑的不足,但是生產(chǎn)中混合溶劑的回收較單一溶劑復(fù)雜。

1.1.2 多步提取法 除用非極性溶劑和極性溶劑的混合溶劑進(jìn)行一步提取外,也可分別用兩者對(duì)南極磷蝦油進(jìn)行多步提取。

多步提取的方法為先用非極性溶劑或極性溶劑進(jìn)行提取,提取后殘?jiān)儆昧硪环N溶劑進(jìn)行提取,提取液分別脫除溶劑,合并產(chǎn)物即獲得南極磷蝦油[27]。任憲君等[28]用石油醚和乙醇進(jìn)行多步提取,得到含磷脂38%～45%、蝦青素240～350 mg/kg的南極磷蝦油。

如果先用非極性溶劑進(jìn)行提取,所得磷蝦油再用強(qiáng)極性溶劑富集磷脂可以得到高磷脂含量磷蝦油。曹榮軍等[29]先用正己烷進(jìn)行提取,脫除溶劑后的產(chǎn)物加入一倍重量的95%乙醇和1～2倍重量的0.01%～0.5%氯化鈉溶液,4 ℃靜置分層后,取下層減壓蒸發(fā),得到磷脂含量為50%～60%的南極磷蝦油。

不同溶劑多步提取的方法,解決了混合溶劑的回收問(wèn)題,但同時(shí)也使得操作流程更為復(fù)雜。

1.1.3 連續(xù)逆流提取法 連續(xù)逆流提取法是指提取的過(guò)程中,物料和溶劑以相反的方向連續(xù)運(yùn)動(dòng)。南極磷蝦油的提取過(guò)程是固相原料向低濃度液相浸出的傳質(zhì)過(guò)程,此過(guò)程中磷蝦粉和溶劑中磷蝦油的濃度差越大,傳質(zhì)的推動(dòng)力和速度就越大,蝦油的浸出率越大[30]。在逆流提取過(guò)程中,連續(xù)進(jìn)液和連續(xù)出液使溶劑中存在連續(xù)的濃度梯度,從而使溶質(zhì)獲得比較快的浸出速度,也可以獲得比較高的提取液濃度。圖1為多級(jí)逆流提取的示意圖[31]。

圖1 多級(jí)逆流提取示意圖Fig.1 A schematic view of themulti-stage countercurrent extraction

Ronen L等[26]以正己烷∶乙醇(9∶1)進(jìn)行逆流提取,提取溫度40 ℃,所得南極磷蝦油中各成分含量為磷脂36.4 g/100 g,EPA 11.2 g/100 g,DHA 6.5 g/100 g。劉少芳等[32]以95%乙醇為提取劑,料液比1∶7,進(jìn)行逆流提取,所得磷蝦油磷脂含量為38.8%,EPA 18.1%,DHA 12.2%,得率為16.4%。

采用連續(xù)逆流提取法提取南極磷蝦油,在提取率(提取率(%)=所得磷蝦油質(zhì)量/所用磷蝦粉中含有的總脂肪質(zhì)量×100)和提取效率方面有很大優(yōu)勢(shì),而且自動(dòng)化程度高,所以該法是南極磷蝦油工業(yè)化生產(chǎn)中比較實(shí)用的方法。

1.2 超臨界-CO2萃取法

超臨界流體萃取技術(shù)是一項(xiàng)比較先進(jìn)的利用超臨界流體分離天然有效成分的技術(shù),超臨界流體(Supercritical fluid,SCF)是指物質(zhì)處于臨界溫度和臨界壓力以上狀態(tài)時(shí),向該狀態(tài)氣體加壓,但氣體不會(huì)液化而仍保留氣體狀態(tài),只是密度增大并具有類似液體的性質(zhì),而且還保留氣體的性能。超臨界流體既具有氣體易于擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),又具有液體對(duì)溶質(zhì)有較大溶解度的特點(diǎn)[33-34]。

用超臨界流體萃取法提取天然產(chǎn)物時(shí),一般用CO2作萃取劑。但是磷脂在超臨界-CO2中溶解度很小,CO2流體可以將甘油三脂溶解出來(lái)但不會(huì)將磷脂溶出,不過(guò)萃取過(guò)程若以極性溶劑(如乙醇)為夾帶劑,即在超臨界-CO2萃取過(guò)程中添加乙醇,提取物中可含有一定量的磷脂[35-36]。孫甜甜[20]采用極性?shī)A帶劑,進(jìn)行超臨界-CO2萃取,獲得磷脂含量為34.9%±1.84%的磷蝦油,得率為16.66%。趙福江等[37]先用乙醇噴灑磷蝦粉,再進(jìn)行超臨界-CO2萃取,獲得磷脂含量為(37%～42%)的磷蝦油,得率為(12%～18%)。

另外,利用超臨界-CO2萃取可以分別獲得中性脂和磷脂。Bruheim I等[38]先用超臨界-CO2或CO2加5%的夾帶劑進(jìn)行萃取,獲得中性脂,然后用超臨界-CO2加20%的夾帶劑進(jìn)行萃取,獲得極性脂。如在500 bar、75 ℃條件下,首先用超臨界-CO2萃取獲得14.20%的產(chǎn)物,其中含甘油三酯84 g/100 g;然后再用超臨界-CO2加20%的乙醇進(jìn)行萃取,獲得13.19%的產(chǎn)物,其中含磷脂酰膽堿67 g/100 g、磷脂酰乙醇胺1.6 g/100 g、溶血磷脂酰膽堿4.4 g/100 g。周大勇等[39]在15～30 MPa、30～50 ℃條件下用超臨界-CO2萃取,得到甘油三酯型磷蝦油;然后再注入夾帶劑90%～100%乙醇,繼續(xù)萃取;經(jīng)超臨界-CO2萃取后的南極磷蝦粉再用90%～100%乙醇進(jìn)行萃取,獲得南極磷蝦磷脂。Ali Nehari A等[40]也選擇了先用超臨界-CO2萃取,萃取后的殘?jiān)?5%乙醇提取,提取物用正己烷和丙酮進(jìn)行純化,所得磷脂純度為93%～97%。

與有機(jī)溶劑提取法相比,超臨界-CO2萃取法(使用夾帶劑)對(duì)南極磷蝦油的提取率更高[41],溶劑的使用量更少,產(chǎn)品的類型更為豐富。但是超臨界-CO2萃取設(shè)備較為昂貴,投入成本高,以此法實(shí)現(xiàn)南極磷蝦油的工業(yè)化生產(chǎn)存在一定的困難。

1.3 亞臨界萃取法

亞臨界萃取技術(shù)是利用亞臨界流體為萃取劑,提取天然產(chǎn)物的一種技術(shù)。亞臨界流體是指某些化合物在溫度高于其沸點(diǎn)但低于臨界溫度,且壓力低于其臨界壓力的條件下,以流體形式存在的該物質(zhì)。當(dāng)丙烷、丁烷、高純度異丁烷等以亞臨界流體狀態(tài)存在時(shí),分子的擴(kuò)散性能增強(qiáng),傳質(zhì)速度加快,對(duì)天然產(chǎn)物中弱極性以及非極性物質(zhì)的滲透性和溶解能力顯著提高[42]。

許洋等[43]以丙烷或丁烷作為萃取劑,在壓力0.3～0.8 MPa,溫度30～50 ℃條件下進(jìn)行萃取,得到磷脂含量為(37.7%～39.8%),蝦青素含量為(0.089%～0.121%)的南極磷蝦油。

與超臨界-CO2萃取相比,亞臨界萃取技術(shù)設(shè)備投入相對(duì)較低。但以此法提取南極磷蝦油的研究目前仍較少,工藝條件需進(jìn)一步完善。

2 以鮮蝦為原料的提取方法

由于魚和蝦等水生動(dòng)物的脂質(zhì)大多集中在內(nèi)臟和結(jié)締組織中,大部分的脂質(zhì)與蛋白質(zhì)相結(jié)合,如果在提取磷蝦油前先將南極磷蝦用加熱、酶解等方式處理,可以使脂質(zhì)與蛋白質(zhì)分離,從而提高南極磷蝦油的提取率。因此,以鮮蝦為原料的南極磷蝦油提取工藝宜先將南極磷蝦進(jìn)行加熱[44]、酶解等處理。

南極磷蝦原料經(jīng)處理后,再結(jié)合有機(jī)溶劑提取或壓榨、離心等方式提取南極磷蝦油。

2.1 酶解法結(jié)合有機(jī)溶劑提取

酶解法原理為利用蛋白酶使蛋白質(zhì)水解,從而釋放磷蝦油。南極磷蝦因其蛋白酶活性極強(qiáng),有自溶的特點(diǎn),所以可以利用南極磷蝦自溶酶再結(jié)合外源酶對(duì)其酶解,這樣可以減少外源酶的用量。這種利用南極磷蝦自溶酶進(jìn)行酶解的方法,特別適合在捕撈船上捕撈鮮活南極磷蝦后及時(shí)操作。朱蓓薇等[45]利用自溶酶和堿性蛋白酶分三步進(jìn)行酶解,酶解液再用1～3倍正己烷進(jìn)行提取,得到南極磷蝦油。董寰[46]在船上將捕撈的南極磷蝦粉碎后,直接加入中性蛋白酶或堿性蛋白酶進(jìn)行酶解,酶解液加熱至70～90 ℃后分層,沉淀物經(jīng)離心后獲得富含磷脂層,磷脂層經(jīng)低溫干燥或冷凍干燥后,再用乙醇提取,得到磷脂含量大于40%的南極磷蝦油。

在陸地上冷凍南極磷蝦解凍后的酶解過(guò)程,更依賴于外源性蛋白酶。周長(zhǎng)平等[47]將解凍、粉碎后南極磷蝦先后加入堿性蛋白酶和中性蛋白酶進(jìn)行酶解,酶解液加入石油醚萃取,獲得南極磷蝦油;并研究了酶解時(shí)pH、溫度、時(shí)間等條件對(duì)南極磷蝦油提取率的影響,在最佳條件下其最大提取率為64.52%。徐曉斌等[48-49]采用復(fù)合蛋白酶進(jìn)行酶解,并認(rèn)為在用石油醚萃取前在酶解液中加入乙醇可以提高南極磷蝦油的提取率,在最佳提取條件下其提取率為96.02%,磷脂含量為28.7%,蝦青素含量為152 mg/kg,磷脂經(jīng)富集后含量可達(dá)51.02%。

酶解法結(jié)合有機(jī)溶劑提取南極磷蝦油,其提取率較高,但南極磷蝦油中蝦青素含量較低,需進(jìn)一步改進(jìn)方法。

2.2 壓榨法

壓榨法是利用機(jī)械壓力將南極磷蝦油從原料中分離出來(lái)。Oeistein H[50]將南極磷蝦加熱至60～70 ℃后過(guò)濾,分離為水相和固相;水相加熱至95～100 ℃或通過(guò)膜過(guò)濾分離蛋白和磷脂;固相進(jìn)行擠壓,擠壓出的液體通過(guò)離心分離蝦青素和中性油脂。Sclabos K D[51]將南極磷蝦切碎,然后用蒸汽預(yù)熱至55～60 ℃并保持9 min,然后用蒸汽加熱至93～96 ℃后進(jìn)行壓榨,壓榨液用10000 r/min的速度離心,獲得磷脂含量17.8%、水分含量55.3%的乳液,將乳液薄膜蒸發(fā)使水分含量降至1%獲得南極磷蝦油。

與酶解法相比,壓榨法不需要添加有機(jī)溶劑,避免了溶劑殘留問(wèn)題,但一般需要離心,對(duì)設(shè)備要求較高。

以鮮蝦為原料的南極磷蝦油提取工藝,不需要將南極磷蝦進(jìn)行干燥,條件溫和,降低了脂質(zhì)氧化的可能性。另外所提取的磷蝦油不溶性雜質(zhì)含量低[52],感官品質(zhì)好。但是與南極磷蝦粉相比,冷凍南極磷蝦的儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本較高。

3 前景與展望

南極磷蝦資源豐富,且富含蛋白質(zhì)、脂類、多糖等營(yíng)養(yǎng)成分,及生物活性肽、甲殼素、蝦青素等活性物質(zhì),具有很高的綜合開發(fā)利用價(jià)值。南極磷蝦油是南極磷蝦綜合利用的重要產(chǎn)品,因其對(duì)人體具有多種生理功能,擁有廣闊的應(yīng)用前景,越來(lái)越多地受到市場(chǎng)關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)南極磷蝦油的提取,主要還是以南極磷蝦粉為原料,且多以有機(jī)溶劑法為主。以乙醇為提取劑的一步法或連續(xù)逆流提取南極磷蝦油工藝在國(guó)內(nèi)已有所應(yīng)用。但是乙醇能與水互溶,磷蝦粉中仍含有約10%的水分,用乙醇作提取劑時(shí)會(huì)溶解一部分水溶性的雜質(zhì)如蛋白、無(wú)機(jī)鹽等,使得磷蝦油含有較多雜質(zhì),且較為粘稠,所以用乙醇提取的南極磷蝦油需要進(jìn)一步精制。普通油脂的精煉工藝會(huì)破壞南極磷蝦油中的磷脂、蝦青素等功能性物質(zhì),并不適用于南極磷蝦油的精制。適用于南極磷蝦油的精制工藝目前研究較少,主要以去除不溶性雜質(zhì)、游離脂肪酸和其他不利物質(zhì)為目的。南極磷蝦油的精制工藝是南極磷蝦油制備工藝的重要一環(huán),未來(lái)將是本領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。另外,亞臨界萃取法和超臨界-CO2萃取法,擁有有機(jī)溶劑用量少、產(chǎn)品多元化等優(yōu)勢(shì),相信在今后會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。