Study on extraction, identification and stability of UV resistant MAAs from Porphyra haitanensis in cosmetics system
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摘要: 以坛紫菜 (Porphyra haitanensis)为原料，提取抗紫外辐射物质类菌胞素氨基酸 (Mycosporine-like amino acids, MAAs)，通过紫外可见光谱、液质联用对其进行表征，研究了化妆品体系中的各因素 (pH、光照、温度、防腐剂、抗氧化剂、功能性添加剂) 对MAAs化合物稳定性的影响。结果表明，坛紫菜中MAAs类化合物的种类为Shionrine和Porphyra-334；MAAs在pH 6的微酸环境中稳定性最高；紫外照射10 h能使溶液的吸光度下降94.4%；48 ℃高温放置56 d后吸光度下降了28.3%；48 ℃下添加小分子肽溶液的吸光度提高了82%，添加透明质酸溶液的吸光度提高了18.6%，能显著增强MAAs化合物的稳定性；其他常用防腐剂、抗氧化剂和功能性添加剂对MAAs的稳定性无明显影响。Abstract: Taking Porphyra haitanensis as raw material, we extracted the mycosporine-like amino acids (MAAs) and charaterized them by UV Vis spectroscopy and Liquid Chromatograph-Mass Spectrometer (LC-MS), so as to study the effects of various factors in the cosmetic system (pH, light, temperature, preservatives, antioxidants and functional additives) on the stability of MAAs. The results show that Shionrine and Porphyra-334 were the main MAAs in P. haitanensis. MAAs had the highest stability in the weak acid environment with pH=6. UV irradiation for 10 h could decrease the absorbance value by 94.4%. After having been placed at 48 ℃ for 56 d, its absorbance value decreased by 28.3%. At 48 ℃, the addition of small peptide and hyaluronic acid increased the absorbance value of the solution by 82% and 18.6%, respectively, which could improve the stability of MAAs compounds significantly. Other commonly used preservatives, antioxidants and functional additives had no significant effects on the stability of the MAAs.
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Keywords:
- Porphyra haitanensis /
- MAAs compounds /
- Anti-UV /
- Cosmetics /
- Stability
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网囊作为拖网渔具系统的重要组成部分，其主要功能是聚集、储存和选择渔获物[1]。而网囊水动力特性是评价渔具动稳特性及渔获性能的重要指标，其受网目尺寸、网目使用方向、渔获物量、网线直径等特征参数的影响。为了改善网囊水动力并提高选择性，一些学者对网囊网目结构进行了大量试验[2-4]。其中，改变网目使用方向是提高网囊选择性的一种较为简便、高效的方法。Priour[5]对T0 (传统菱形网目)和T90 (网目旋转90°)网囊开展研究，发现T90网囊未发生明显的形变，且有利于幼鱼逃逸。Herrmann等[6]研究指出T90网囊有较好的选择性。Madsen等[7]比较了标准网目与T90网目网囊在拖曳过程中的选择性，发现T90网目张开角度较大，选择性更好。Hansen[8]探究了T90和T0网囊与渔获物的关系，发现随着渔获物的堆积，T90网囊隆起较大，水阻力更大。Madsen等[9]记录了T0、T90和Bacoma (菱形网目在下、方形网目在上组合) 网囊在水槽中的阻力和动态变化，发现T90网囊的阻力最大。Cheng等[10]对T0和T90网囊流体动力性能进行研究，发现T90比T0网囊的阻力大。除了网目使用方向，渔获物也是影响网囊水动力特性的重要因素。随着渔获物在网囊内不断堆积，不仅造成网囊阻力增加，也易导致网囊产生振荡。在实际作业中，要求拖网网体在作业过程中尽量保持相对稳定状态，以减小其网囊随着渔获物逐渐堆积而产生振荡，导致渔获物表皮破损，从而影响品质[11-12]。Madsen等[13]认为网囊振荡是由于渔获物集中于网囊末端导致形状变化所引起。Bouhoubeiny等[14]研究了刚性网囊的尾流效应，指出网囊尾部振荡可能是由于涡旋脱落产生垂直水流方向的压力所致。Thierry等[15]利用电磁流速计测定模型底拖网的周围流场分布后认为，网囊产生振荡是其周围流场发生改变所致。Jones等[16]则认为网囊振荡是因为渔获物阻碍了水流直接通过网囊。
为了探索网目使用方向对包含不同渔获量的网囊水动力和稳定性的影响效果，本研究选取模型网囊，在其内部设置4种不同质量的模拟渔获物 (0、1.35、2.70和4.05 kg)，分别在4种流速 (0.4、0.5、0.6和0.7 m·s−1) 条件下进行模型试验，比较分析了T0和T90两种网目使用方向对网囊网目开口程度、振荡特性和水阻力的影响，为优化网囊结构，提高选择性，实现高效、稳定的作业提供基础科学数据。
1. 材料与方法
1.1 试验网囊
模型网囊的原型为中国水产有限公司大型冷冻加工拖网船“龙发”轮使用的4片式小网目磷虾拖网，作业拖速为2.3~4.0 kn，网囊长度为30 m，网目尺寸为144 mm。根据修正田内准则进行制作模型网囊[17-18]，大尺度比λ = 20，小尺度比λ' = 3.6，换算后的具体结构参数见表1。试验网囊模型为4片式结构，每顶网囊由Part 1和Part 2缝合而成 (缝合方式见图1)，每片Part 1为18目×12目、斜边斜率为4∶1的等腰梯形网片，Part 2为矩形网片。
表 1 网囊规格及参数Table 1 Specifications and parameters of codend网线材料
Twine material网线直径
Twine diameter/mm网目尺寸
Mesh size/mm拉直长度
Length/cm剪裁斜率
Cutting ratio网囊 Codend
(Part 2)T0 PE 1.11 40 150 T90 PE 0.96 40 150 T90 PE 1.04 40 150 T90 PE 1.11 40 150 延伸区 Extension
(Part 1)T0 PE 1.11 40 48 4∶1 T0 PE 1.11 40 48 4∶1 T0 PE 1.11 40 48 4∶1 T0 PE 1.11 40 48 4∶1 注：PE表示聚乙烯材料。 Note: PE represents polyethylene material. 1.2 流速设定
采用修正田内准则进行换算[19]，得实际速度与模型速度比值约为2.95，计算出模型网测试速度范围介于0.4~0.7 m·s−1。综合考虑试验水槽设备条件及六分力仪量程，本研究设置0.4、0.5、0.6和0.7 m·s−1 4种试验流速。
1.3 动水槽试验流程
模型试验在上海海洋大学循环动水槽中开展，水槽总长约27.68 m，最大宽度4.35 m，总高7.22 m；动水槽内部总水容积380 m3，总质量 (含水、工作平台、移动小车等) 约530 t。试验段尺度：15 m (长) ×3.5 m (宽) ×2.3 m (高)，最高水位水深2.0 m，流速0~1.5 m·s−1连续可调。为了有效记录网囊在水中的动态变化情况，在玻璃观测窗前方配备规格为1920像素×1080像素、59 帧·s−1的摄像机，如图2所示。
首先，将六分力仪器与刚性框架组合，并垂直于水流方向安装。最先分别测量在4种流速条件下刚性框架的阻力；然后将不同网囊绕缝在圆形刚性框架上，以相同方法测量模型网囊与框架组合的整体阻力，并拍摄30 s网囊动态视频；再分别加入3种不同质量的模拟渔获物，以相同方法测量模型网囊+框架+模拟渔获物组合的整体阻力。
1.4 数据提取与分析
1.4.1 网囊形态数据处理
为方便制图和结果展示的有效性，视频图片的截取频率参考李俊伟[20]的方法。首先使用DaumPotPlayer软件以0.25 s的频率对录制的30 s网囊动态视频进行图片截取 (图3)；然后建立合适的坐标系，得到网囊末端动态变化的坐标值，并绘制网囊形态侧视图。
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图 3 网囊侧视图 (左：T0 网囊；右：T90 网囊)Fig. 3 Side view of codend (Left: T0 codend; Right: T90 codend)1.4.2 数据处理
FFT (Fast Fourier Transform) 分析是常用于提取波动信号特征的数学工具，可以得到信号在时域、频域或幅值的特征。本研究中，利用FFT对网囊阻力和位移随时间变化的波动频谱进行评估，并基于Welch方法和Hann窗口将时间序列参数的时域转换为频域。在傅里叶谱分析过程中，为了提高统计收敛性，采用Welch方法计算谱。表示有限函数
$\Psi$ (t) 的离散时间序列的FFT允许研究全局谱行为，并能够提取频域内随机现象的波动输入信号的特征，可以用一个序列表示，定义为：$$ \widehat{{\Psi}\left(f\right)}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }}\sum {{\Psi} }\left(t\right){\mathrm{e}}^{-ift} $$ (1) 因此，信号在整个时间区间频域能量分布的傅里叶功率谱可以定义为：
$$ {P}_{\mathrm{x}\mathrm{x}}\left(f\right)={\left|\widehat{{\Psi}\left(f\right)}\right|}^{2} $$ (2) 式中：
$\Psi$ (t) 为时域的泛函数；$ \Psi $ (f) 为傅里叶域中的泛函数，i 为虚数，f为频率，t 为时间，可以定义为周期的倒数；Pxx (f)为傅里叶频谱。2. 结果
2.1 网囊网目开口程度
为了量化分析网囊不同部位网衣的网目开口角度差异，本研究分别获取了各网囊结构水平方向0~30 cm、30~60 cm、60~90 cm、90~120 cm和120~150 cm部位的网目平均开口角度。图4为流速0.6 m·s−1时 (对应海上实际拖速2.1 kn )，不同渔获物量和网线直径的T0和T90网囊各部位的网目开口角度情况。结果表明，当流速相同时，存在渔获物的网囊网目开口角度呈先减小后增大的趋势，网囊中部网目拉紧开口变小，而网囊尾端前部网目开口变大。表2为网囊60~90 cm部位的网目平均张开角度，结果显示，随着流速的增大，网目张开角度减小；在相同流速条件下，各网囊网目张开角度随渔获量的增加而减小。T90网囊中间部位网目张开平均角度约为T0网囊的1.2倍。随网线直径的增加，T90网囊网目张开角度增大。
表 2 60~90 cm 之间网目张开角度Table 2 Opening angle of mesh of 60–90 cm模拟渔获物质量
Simulated catch mass/kg网目使用方向
Mesh orientation网线直径
Twine diameter/mm不同流速下的网目张开角度
Mesh opening angle at different flow velocity/(°)0.4 m·s−1 0.5 m·s−1 0.6 m·s−1 0.7 m·s−1 0 T90 0.96 37 35 36 33 T90 1.04 44 41 41 38 T90 1.11 50 46 44 42 T0 1.11 42 37 36 35 1.35 T90 0.96 35 33 33 35 T90 1.04 40 39 39 37 T90 1.11 47 44 42 40 T0 1.11 40 38 33 34 2.70 T90 0.96 35 35 37 33 T90 1.04 37 36 36 34 T90 1.11 42 40 42 39 T0 1.11 39 34 36 31 4.05 T90 0.96 33 35 33 32 T90 1.04 35 34 34 34 T90 1.11 40 36 39 35 T0 1.11 36 34 31 28 2.2 网囊水阻力
图5为去除刚性框架阻力后，各网囊阻力与流速、网线直径和渔获物量之间的关系。结果显示，各空网网囊阻力随流速的增大而增加。另外，T901.11 mm网囊阻力大于T01.11 mm，且网囊阻力随网线直径的增加而增大，其中T901.04 mm和T901.11 mm网囊阻力相差较小。当网囊内存在渔获物时，各网囊阻力随渔获量的增加而增大。网囊水阻力的增幅随着模拟渔获物量的增加而增大。其中，模拟渔获物每增加1.35 kg，T901.11 mm网囊阻力的增加值约为T01.11 mm的1.09倍。
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图 5 渔获物在各流速下网囊水阻力的关系Fig. 5 Relationship between drag of codend with catches and current2.3 阻力振荡
网囊阻力存在振荡现象，通过FFT方法处理获得各网囊阻力振幅与渔获量和流速之间的变化关系 (图6、表3)。结果显示，在空网条件下，T01.11 mm网囊阻力振幅较T901.11 mm大，且网囊阻力振幅随流速的增加而增大；此外，T90网囊阻力振幅随网线直径的增加而减小。当网囊存在渔获物时，在相同条件下，T901.11 mm网囊阻力振幅较T01.11 mm大，采用T90网目的网囊会增加网囊阻力振幅。网囊阻力振幅随流速和渔获量的增加而增大；T90网囊阻力振幅随网线直径的增加呈先上升后下降的趋势。其中，T901.04 mm网囊阻力振幅最大。
表 3 T0 和 T90 网囊在不同渔获量和流速下的阻力振幅Table 3 Drag amplitude of T0 and T90 codend with different catches and flow velocities模拟渔获物质量
Simulated catch mass/kg网目使用方向
Mesh orientation网线直径
Twine diameter/mm阻力振幅 Resistance amplitude/N 0.4 m·s−1 0.5 m·s−1 0.6 m·s−1 0.7 m·s−1 0 T90 0.96 0.036 0.021 0.057 0.096 T90 1.04 0.012 0.027 0.043 0.084 T90 1.11 0.011 0.023 0.035 0.071 T0 1.11 0.012 0.025 0.045 0.097 1.35 T90 0.96 0.027 0.054 0.123 0.198 T90 1.04 0.044 0.075 0.133 0.215 T90 1.11 0.031 0.061 0.097 0.191 T0 1.11 0.015 0.031 0.051 0.091 2.70 T90 0.96 0.045 0.137 0.160 0.199 T90 1.04 0.059 0.144 0.277 0.332 T90 1.11 0.037 0.079 0.145 0.187 T0 1.11 0.027 0.09 0.106 0.123 4.05 T90 0.96 0.092 0.147 0.222 0.365 T90 1.04 0.197 0.267 0.307 0.337 T90 1.11 0.081 0.165 0.264 0.327 T0 1.11 0.199 0.232 0.226 0.295 2.4 纵向位移振荡
在网囊存在渔获物的情况下，其尾部在纵向 (垂直流速方向) 会发生明显振荡，通过FFT方法处理获得各囊纵向位移振幅与渔获量和流速之间的变化关系 (图7、表4)。结果显示，T0和T90空网网囊纵向位移振幅和流速不存在显著关系；T90网囊纵向位移振幅随网线直径的增大而减小。当网囊存在渔获物时，网囊尾部的纵向位移振幅明显增大，T01.11 mm网囊的纵向位移振幅较T901.11 mm大；在相同条件下，纵向位移振幅随流速和渔获量的增加而增大。另外，当渔获量增加至3倍 (4.05 kg) 时，T01.11 mm网囊纵向位移振幅为T901.11 mm的6.4倍。
表 4 T0 和 T90 网囊在不同渔获量和流速下纵向的位移振幅Table 4 Longitudinal displacement amplitude of T0 and T90 codends with different catches and flow velocities模拟渔获物质量
Simulated catch mass/kg网目使用方向
Mesh orientation网线直径
Twine diameter/mm位移振幅 Displacement amplitude/cm 0.4 m·s−1 0.5 m·s−1 0.6 m·s−1 0.7 m·s−1 0 T90 0.96 0.121 0.151 0.153 0.209 T90 1.04 0.101 0.133 0.111 0.225 T90 1.11 0.114 0.121 0.108 0.141 T0 1.11 0.144 0.151 0.231 0.373 1.35 T90 0.96 0.210 0.267 0.303 0.321 T90 1.04 0.155 0.173 0.279 0.304 T90 1.11 0.124 0.146 0.228 0.281 T0 1.11 0.261 0.242 0.324 0.353 2.70 T90 0.96 0.337 0.371 0.394 0.396 T90 1.04 0.227 0.288 0.293 0.348 T90 1.11 0.101 0.142 0.253 0.359 T0 1.11 0.419 0.462 0.475 0.514 4.05 T90 0.96 0.245 0.378 0.541 0.601 T90 1.04 0.286 0.297 0.469 0.585 T90 1.11 0.238 0.281 0.357 0.448 T0 1.11 1.654 1.809 2.432 2.591 3. 讨论
3.1 网囊网目形状变化规律
拖网网囊属柔性体，在流速和渔获物的作用下其形态及拖网整体形状易发生变化[19]。为了探究网目开口程度，部分学者采用了网目开口角参数[21-22]。本试验中，采用网目开口角参数来探究各顶网囊的形变情况。结果表明各顶网囊网目开口角度随流速的增加而减小。藏迎亮和虞聪达[2]研究了过滤性网渔具网囊网目扩张性能，结果显示网囊网线直径越大，网目形变越困难，且水阻力随着拖速的增加而增大。本试验结果表明，网囊网目张开角度随网线直径的增加而增大，其原因可能有两点：一是网线材料为聚乙烯，其直径越大硬度越高，随水流的形变就越小；二是网线直径越大网目两端结节越大，网目张开角度就越大。
渔获物作为影响网囊形变的关键因素之一，随着渔获量的不断堆积，易造成网囊末端隆起，影响网囊形态。杨吝[23]研究指出当各种渔获物进入网囊后，网囊结构充盈，并造成导鱼区收紧，但并未涉及对渔获物量的影响。本研究显示，在同一流速条件下，各网囊中部网目张开角度随渔获量的增加而减小，网囊结构水平方向上的不同部位网目开口呈先减后增的趋势，主要原因可能在于随着渔获量逐渐增加，网囊后端隆起，产生了形状阻力，当水流冲击网囊底端时，网囊底端的受力最大，从而使网囊产生水平方向的拉力，驱使网囊两侧收缩、中间网目趋于闭合。Priour[5]研究了T0和T90网囊，认为T90网囊形变不明显。本研究显示，在相同条件下，T90网囊网目张开角度约为T0的1.2倍，且网囊中段无明显的收缩，T90网囊中段宽度明显大于T0网囊，这与Priour[5]的结果一致。
网目开口角度不仅改变了网囊的形态，还对网囊滤水性和选择性产生了重要影响。Herrmann等[24]比较了T0和T90网囊在拖曳过程中的选择性，结果发现T90网目开口程度较大，网囊选择性更高。本研究发现存在渔获物时，T90网囊中部网目张开角度较T0大。这主要由于T0网目在受力后会趋于闭合，而T90网目则会阻碍这一机制，使网囊网目开口角度较大。
3.2 网囊水阻力性能变化
网囊受船速、风浪及渔获物等多种因素的影响，在水下曳行时所受水阻力并非一成不变。为了降低拖网能耗，有学者指出减少网线面积可以降低拖网阻力[25-26]。Kim等[27]开展了网线直径对拖网燃料消耗影响的试验，结果表明减小网线直径可使阻力减小，燃料消耗明显降低。唐浩等[28]开展了拖网网囊水阻力试验，发现网囊阻力随网线直径的增加而增大，本研究结果证实了上述结论。Cheng等[10]研究了T0和T90网囊流体动力性能，发现T90网囊的阻力更大。本研究发现，在相同条件下，T90网囊阻力始终大于T0，原因可能是网囊受流面积不同，T90网囊受流面积较T0大，因此在相同条件下T90网囊阻力较T0大。Hansen[8]研究指出，随着渔获物的堆积，T90网囊隆起大，水阻力更大，但该研究并未展示渔获量对T0和T90水阻力的影响。本研究显示，各网囊阻力随渔获量的增加而增大，模拟渔获物每增加1.35 kg，T90网囊阻力增幅约为T0的1.09倍，这印证了Cheng等[10]、Hansen[8]的研究结果，并在其基础上量化了渔获物质量增加与阻力变化的关系。
3.3 网囊振荡特性变化
多数学者研究指出，网囊振荡可能是由于网囊的流动通道被渔获物堵塞，网囊末端形成的涡旋脱落导致的，涡旋脱落会产生垂直水流方向的压力，从而导致网囊尾部振荡。本研究发现，随着渔获物的增加，网囊结构在三维空间上均出现位移振荡，这是由于网囊属于柔性体，渔获物的存在导致网囊周围的流场发生变化，易产生空间位置振荡。Bearman[29]研究指出，水流经过空网时，网囊位置并未随水流变化而发生明显改变。本研究显示，空网网囊纵向位移振幅和流速间不存在明显关系，这与Bearman[29]的研究结果一致。本研究中，T90网囊纵向位移振幅随网线直径的增大而减小。其原因可能有两点：一是随着网线直径的增加网囊重量增加；二是网线直径越大网目张开角度越大，滤水性增强，位移振幅减小。当网囊存在渔获物时，网囊尾部纵向位移振幅明显增大，且T0网囊纵向位移振幅较T90大，可能原因是T0网囊受力后网目开口角度较T90网目小，滤水性变差，导致垂直水流方向的压力差增大、振幅增加。
网囊在水中除明显的纵向位移振荡外，其阻力也存在波动现象。Druault和Germain[30]发现网囊阻力因湍流会发生振荡，从而降低了网具的稳定性；Liu等[31]研究发现，网囊水阻力值会发生振荡，其振荡周期随流速的增加而减小，而振幅随流速的增加而增大。本研究还发现，网囊阻力振幅随渔获物量的增加而增大，这对Liu等[31]的结果进行了补充。本研究中，T90网囊阻力振幅较T0大，原因可能是不同使用方向的网目在水中的受流面积和冲角不同，在相同条件下T90网囊对阻力的影响较大，网囊阻力振幅也随之增加。随着渔获物量的增加，网囊末端的形状发生了变化，并产生了空间振荡。而在实际捕捞场景下，真实渔获物较少时，其贴于网囊内壁近似于凹槽型，而随着渔获物的不断累积，网囊形成半球型或球型。因此，开展不同模拟渔获物形状对网囊水动力及振荡特性的研究是今后关注的重点内容。
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图 1 坛紫菜 MAAs提取液的紫外扫描图谱
Figure 1. UV scanning spectrum of MAAs extracted from P. haitanensis
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图 2 坛紫菜 MAAs提取液的总离子流图
Figure 2. Total ion current (TIC) spectrum of MAAs extracted from P. haitanensis
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图 3 化合物质谱图
注：a. 化合物 A 一级质谱图；b. 化合物 A 二级质谱图；c. 化合物 B 一级质谱图；d. 化合物B 二级质谱图。
Figure 3. Mass spectrum of compound
Note: a. Primary mass spectrum of Compound A; b. Secondary mass spectrum of Compound A; c. Primary mass spectrum of Compound B; d. Secondary mass spectrum of Compound B.
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图 4 pH (a)、光照 (b) 和温度 (c) 对MAAs化合物稳定性的影响
Figure 4. Effects of pH (a), light (b) and temperature (c) on stability of MAAs
表 1 总离子流图的具体峰参数
Table 1 Specific peak parameters of total ion chromatogram
峰
Peak出峰时间
peak time峰类型
Peak type峰高
Peak height修正面积
Corrected area修正面积占总比数
Percentage/%1 4.326 47 rVB 4 503 618 7 485 541 19.529 2 6.059 186 rVV 3 124 289 7 248 372 19.911 3 8.296 360 rBV 2 802 473 7 692 893 20.070 4 9.146 440 rBV2 677 378 7 131 761 18.606 5 9.971 503 rBV3 392 427 3 211 642 8.379 
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