蔡路昀,年琳玉,吕艳芳,李秀霞,励建荣,*,赵 崴,劳敏军,马永钧,沈 琳,陈小娥,牟伟丽

(1.渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁省食品安全重点实验室,辽宁锦州 121013;2.大连天宝绿色食品有限公司,辽宁大连 116001;3.浙江兴业集团有限公司,浙江舟山 316101;4.大连东霖食品股份有限公司,辽宁大连 116007;5.浙江海洋大学,浙江舟山 316022;6.蓬莱京鲁渔业有限公司,山东烟台 265600)

海洋生物活性物质主要功能特性的研究进展

蔡路昀1,年琳玉1,吕艳芳1,李秀霞1,励建荣1,*,赵 崴2,劳敏军3,马永钧3,沈 琳4,陈小娥5,牟伟丽6

(1.渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁省食品安全重点实验室,辽宁锦州 121013;2.大连天宝绿色食品有限公司,辽宁大连 116001;3.浙江兴业集团有限公司,浙江舟山 316101;4.大连东霖食品股份有限公司,辽宁大连 116007;5.浙江海洋大学,浙江舟山 316022;6.蓬莱京鲁渔业有限公司,山东烟台 265600)

海洋中蕴藏着丰富的生物资源,海洋生物作为独特生物活性物质的重要来源,其主要功能特性逐渐受到研究学者的关注。本文主要介绍了海洋生物活性物质在抗菌、抗氧化、抗心血管疾病、抗癌、神经保护、抗炎、抑制肥胖与益生元活性等方面的功能特性,并对其未来的开发前景进行展望。

海洋生物,生物活性物质,功能特性,研究进展

海洋面积约占地球表面积的71%,含水量约占地球总含水量的97%,生物量约占地球总生物量的87%,生活着20多万种海洋生物。海洋因其显著的生物多样性和极端复杂的生活环境,产生了其特有的有效活性物质。从海洋细菌、真菌、微藻与软体动物中分离提取出的海洋生物活性肽具有重要的应用价值,目前研究的海洋生物源蛋白多肽多集中在芋螺、海绵、海葵、海兔、海蛇、海星、海藻、海鞘、鱼、虾与贝类、头足类等海洋生物[1]。活性脂质类主要包括脂肪酸、甾醇、磷脂和甘油酯等,是海洋生物活性物质的重要来源之一。碳水化合物,又称糖类化合物,是自然界分布最广泛的一类有机化合物,从海洋生物中提取的碳水化合物种类丰富,主要包括单糖、低聚糖和多聚糖。海洋生物抗氧化剂的种类和数量都远大于陆地资源,包括海洋多糖及其衍生物,超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD),不饱和脂肪酸,如二十碳五烯酸(Eicosapentaenoic acid,EPA)和二十二碳六烯酸(Dehydroacetic acid,DHA)等,多酚类和光合色素等。经研究这些海洋生物活性物质具有抗氧化、抗衰老、抗菌、抗癌、抗凝血、抗过敏、抗炎症和预防骨质疏松、预防心血管疾病(降血压、降血糖、降胆固醇)、抑制肥胖、促进细胞的修复和生长以及增强免疫等多种生理活性[2]。本文主要介绍了海洋生物活性物质在抗菌、抗氧化、抗心血管疾病、抗癌、神经保护、抗炎、抑制肥胖和益生元活性等方面的主要功能特性,并对海洋源生物活性物质的研究方向及开发前景进行了展望。

1 海洋生物活性物质的主要功能特性介绍

1.1 抗菌活性

现有研究表明,人类可从海洋微生物、海鞘、海绵、海藻和鱼、虾、蟹等海洋生物中提取出具有抗菌活性的大分子活性物质[3]。相关研究报道显示,利用高效液相色谱和电泳等技术可从被囊动物海鞘的血细胞中提取出α-螺旋结构的系列肽Clavanins A、B、C、D,此系列肽含有23个氨基酸,通过抗菌实验可证明其具有抗菌活性[4]。此外,还从海绵中分离出具有显著抗菌活性的曲霉素[5]。海藻类生物是一类具有广谱抗菌活性的海洋生物之一。实验证明,从小球藻中分离出的小球藻素具有抗细菌和自身毒性的功能,从海洋蓝藻中提取出的亲脂性环肽具有明显抗革兰氏阳性菌的活性[6]。目前已知的鱼类抗菌肽种类已达70多种,其氨基酸组成、两亲性、阳离子电荷和大小使它们能够粘附或插入到细胞膜中形成孔洞,其形成的抑菌机制主要有“木桶式”、“地毯式”和“环孔式”等模式[7]。经大量研究表明,从鱼类中提取的抗菌肽,可以有效抑制革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、酵母菌和抗生素抗性病原菌等[8]。应用分子克隆技术,从凡纳滨对虾血细胞和血浆的活性部位分离出了具有抗菌活性的大分子活性物质,能杀灭一些耐药性的病原菌,但由于其不易被酶解,因此被广泛应用于饲料添加剂和发酵生产中,推动了绿色养殖业的发展[9]。腐败希瓦氏菌是冷藏海产鱼类的主要腐败菌之一,来源于虾、蟹等海洋甲壳类生物的壳聚糖,可单独或与茶多酚和溶菌酶等复配成复合生物保鲜剂使用,研究证明,壳聚糖具有抑制希瓦氏菌的效果。其最小抑菌浓度为1.6 mg/mL,最小杀菌浓度为3.3 mg/mL[10]。

1.2 抗氧化活性

人体衰弱或机体衰老时,不能完全清除体内的自由基,过多的氧自由基堆积在细胞内会与大分子物质,如蛋白质、核酸、脂质等发生反应,产生大量的氧化物或过氧化物,对人体细胞组织产生破坏,而抗氧化酶和抗氧化物质可保护生物分子免受自由基的侵害[11]。研究发现,鱼鳞、鱼皮、鱼骨、鱼肉和鱼等其它组织的鱼源抗氧化肽可有效清除体内多余的自由基和活性氧(Reactive oxygen species,ROS),对预防癌症、冠心病、对抗炎症、神经退化和延缓人体衰老有明显作用[12-13]。海洋生物除鱼源蛋白具有抗氧化活性外,从藻类和贝类中提取的活性物质经研究也能抑制ROS,具有抗氧化活性。如从海藻中提取的β-胡萝卜素通过消除活化氧,降低过氧化脂质产物(Malonydialdehyde,MDA)的产生达到抗氧化作用。藻类和贝类抗氧化剂不仅应用于食品和制药行业,还在化妆品行业得到广泛应用,如藻蓝蛋白能清除ROS,具有抗氧化,防衰老的作用[14]。从栉孔扇贝中提取出的扇贝多肽和紫贻贝中提取出的贻贝多活素,可提高机体清除羟自由基的能力,抑制脂质过氧化和氧自由基的生成,有效抑制人体衰老,是海洋抗氧化剂的重要组成部分[15]。虾青素来源于大多数海产甲壳类和鱼类,是一种红色的天然类胡萝卜素,具有升高高密度脂蛋白、降低低密度脂蛋白并且减轻载脂蛋白氧化的功效,其抗氧化活性是β-胡萝卜素的10倍,被誉为“超级抗氧化剂”[16]。目前,就海洋生物中抗氧化活性物质的挖掘和研究仍有很大发展空间,开发海洋生物源抗氧化剂已成为热门研究趋势。

1.3 抗心血管疾病活性

心血管疾病是全球范围内致残率、致死率位列首位的主要疾病,严重威胁着人类的生命与健康[17]。其中,高血压为常见的心血管疾病,因此,寻求有效预防与抑制高血压的方法一直颇受国内外学者关注。鱼蛋白水解物富含的生物活性肽可有效抑制心血管疾病及相关并发症,一些流行病学研究表明鱼肉的摄入量与心脏病死亡率间具有相关性,每周摄入300 g鱼肉的人明显降低了冠心病的死亡率[18]。大量酶解实验证明,血管紧张素转化酶(Angiotensin-converting enzyme,ACE)抑制肽可从不同鱼类蛋白中分离,如鳕鱼鱼皮和鱼骨、鳞鲷鱼鱼鳞、三文鱼和金枪鱼鱼骨[19],而ACE抑制肽不仅可有效抑制高血压,还是预防心血管疾病的有效制剂。海藻中富含有益于人体健康的活性物质,其中从海藻中提取的药用氨基酸已达100多种;从海藻中分离得到的牛磺酸和褐藻氨酸具有降血压、降胆固醇、调节血脂平衡、抗心律失衡及防治动脉粥样硬化等功能[20]。除蛋白多肽类大分子活性成分可有效预防心血管疾病以外,海洋活性脂质类如ω-3系多不饱和脂肪酸和甾醇类也可降低心血管疾病的死亡率,尤其EPA和DHA可降低血液中胆固醇、低密度脂蛋白和甘油三酯含量,有益于心血管健康,还可通过抑制血小板聚集,调节血脂,延长凝血时间,降低血液粘滞等途径防治心脑血管疾病[21]。从褐藻中提取的岩藻甾醇及其同系物异岩藻甾醇、马尾藻甾醇均具有降低胆固醇,预防心血管疾病的作用[22]。随着海洋生物技术的不断发展,会有更多影响心血管系统机能的海洋生物活性物质被发掘,为治疗心血管疾病提供可靠的药物来源。

1.4 抗癌活性

癌症被定义为控制细胞生长增殖机制失常而引起的疾病。癌症现已成为当代威胁人类健康的重大安全隐患之一[23]。有研究发现,贝类提取物具有显著的抗癌活性,如牡蛎提取物能使细胞内抗癌与抗老化的谷胱甘肽增殖1倍,使细胞抗癌能力明显增强[24];从扇贝、蓝贻贝和地中海贻贝体内分离纯化的多种活性肽,对肿瘤细胞均有明显的抑制作用[25]。鱼类中富含抗癌和抗肿瘤的有效成分,如从软骨鱼的软骨中分离出了多糖、低分子量蛋白和糖蛋白三种主要的抗肿瘤活性成分[26]。另外,从鱼油中提取的多不饱和脂肪酸(EPA和DHA)是脂质过氧化的天然底物,脂质过氧化产生的自由基和脂质过氧化物可缩短染色体的端粒,促进肿瘤细胞凋亡。同时,DHA还能促进T淋巴细胞增殖,提高免疫系统对肿瘤细胞的杀伤力,有效预防癌症[27]。海洋脂类除多不饱和脂肪酸具有抗癌作用外,从海洋生物中提取的单羟基甾醇和多羟基甾醇也具有抗肿瘤活性。如从柳珊瑚和海鞘中分离出的5,8-环二氧甾醇,经过细胞毒性实验表明其对乳腺癌细胞(MCF-7)的增殖有抑制作用;从三亚软珊瑚中分离出的3-酮基甾醇,经过体外试管实验证明可有效抑制肝癌(BEL-7402)肿瘤细胞的生长;从台湾软珊瑚中提取出的氧化甾醇,对白血病(P-388)和结肠癌(HT-29)肿瘤细胞有明显抑制作用[28]。从海洋藻类中提取出的藻蓝蛋白,能显著增强淋巴细胞活性,加快动物血细胞的再生,从而起到抗癌作用[29]。海洋多糖类可通过抑制与肿瘤细胞相关蛋白质的合成来抑制肿瘤细胞的表达,还可通过抗细胞氧化、抗突变、抗遗传损失和清除自由基等方式促进肿瘤细胞凋亡[30]。可见,充分利用好海洋生物,研究其高效生物活性物质对抑制肿瘤细胞生长和治疗癌症有重要意义。

1.5 神经保护活性

神经退行性疾病是一类严重影响人类健康的常见病,这类疾病的共同点是出现神经细胞退行性病变,神经保护的概念由此产生[31]。积极研发具有神经保护作用的新天然活性物将成为神经性疾病领域的一大创新,而从海洋生物活性物质中寻找具有神经元保护的天然活性物质更是主要研究热点[32]。相关研究表明,海洋蛋白多肽通过与酶或离子通道相互作用,能有效抑制神经退行性疾病的发展[33]。此外,芋螺毒素在神经保护方面也有显著作用,其中α-芋螺毒素在治疗忧郁症、帕金森氏病、神经性疼痛与神经分裂症等神经退行性疾病方面具有很大潜力[34];ω-芋螺毒素可抑制兴奋毒性神经递质释放,修复年老组织细胞,对脑缺血和机械创伤起保护作用,还可阻断痛觉传递,具有镇痛效应[35];μ-芋螺毒素对治疗神经性肌肉紊乱有一定潜力,利用这一特征,其有望发展成无致瘾、低副作用的镇痛药[36]。ω-3脂肪酸在大脑和中枢神经系统的发育中起着关键作用,尤其DHA是神经元细胞膜的组成成分,对神经传递有重要作用[37]。藻类是另一种具有潜在神经保护功能的海洋生物,利用海藻提取物对谷氨酸诱导小鼠神经毒性释放量进行测试,结果显示小鼠神经毒性释放量被大大降低[38]。因此,需要大量开发并充分利用广阔的海洋资源,获取更多具有神经保护作用的海洋生物活性物质。

1.6 抗炎症活性

现有研究表明,海洋生物中的多不饱和脂肪酸与人类炎症的发生具有相关性[39]。ω-6多不饱和脂肪酸,如具有促炎症和免疫功能的花生四烯酸(Arachidonic acid,AA)能通过环氧酶(Cyclooxygenase,COX)产生前列腺素(Prostaglandins,PGs),特别是炎症发生介质,前列腺素E2(PGE2)。而EPA和DHA等ω-3多不饱和脂肪酸可通过竞争性抑制作用使AA合成PGE2减少,因而具有抗炎作用[40]。在饮食中增加ω-3脂肪酸与ω-6脂肪酸的比值可有效减少炎症的发生。另外,已有研究表明,姜黄素与EPA、DHA具有明显的协同抗炎效应[41]。细胞炎症实验证明,甾醇类化合物可通过抑制炎性细胞因子如前列腺素F1a的产生和COX-2诱导作用的表达,阻碍脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)诱导小鼠巨噬细胞和早幼巨噬细胞产生炎症介质前体,从而达到显著的抗炎效果[42]。从海洋藻类中也提取出具有抗炎活性的化合物,如从褐藻中分离的岩藻黄质(Fucoxanthin,Fx),能使PGE2含量降低并抑制COX-2蛋白的表达,达到消炎的目的[43]。藻蓝蛋白可明显抑制一些由葡萄糖氧化酶所引起的炎症,并通过对羟基等活性氧物质的清除,有效抑制由急性和慢性疾病所诱导的炎症[44]。从海洋生物中提取的活性物质在抗炎方面的积极作用,也为我们寻找新型抗炎药物提供了更多的途径。

1.7 抑制肥胖活性

肥胖是一种由能量摄入和支出不平衡引起的慢性代谢疾病,过多的脂肪积累会导致Ⅱ型糖尿病、高血压、冠心病和血脂异常等健康与亚健康问题,其并发症不仅使人类遭受病痛,且带来了巨大的经济成本[45]。近年来,相关学者从虾头水解产物中得到一系列小分子肽,摄入后可促进交感神经的活化,诱导褐色脂肪组织的激活,增强基础代谢的活性,消耗脂肪,并可有效刺激小肠内分泌细胞(Small intestinal endocrine cells,STC-1)释放缩胆囊素,通过调节缩胆囊素的释放量而达到减肥目的,因而有望成为未来的减肥功能食品[46]。海藻中提取的岩藻黄质(Fx)不仅具有抗肿瘤、抗炎症、抗糖尿病、清除自由基等生物学效应,还具有减肥功能。研究表明,Fx通过抑制脂肪酶的活性来减少脂肪细胞的分化增殖,从而达到减肥的目的[47]。在动物学和人类学的研究中,ω-3多不饱和脂肪酸可有效预防和治疗肥胖。深海鱼油中富含的EPA和DHA作用于人类内源性大麻素信号通路,具有调节脂肪沉积、降低食欲、减少食物摄入量,并减轻体重的作用。其中DHA通过降低肝脏脂肪酸合成酶的速率与提高肝脏脂肪酸β氧化的活性,使血浆中甘油三酯、总胆固醇含量和低密度脂蛋白水平均降低,高密度脂蛋白水平升高,使血液中脂肪的代谢速率加快,能够抑制肥胖[48]。有学者从头足类鱿鱼的内脏中提取油脂,发现其中的油酸、EPA、DHA等不饱和脂肪酸成分可以降低肥胖小鼠体重和脏器指数、抑制脂肪堆积,具有明显的减肥作用[49]。积极研发抑制肥胖的新型海洋活性物质,尤其是要明确其抑制机理,并实现规模化生产是目前海洋生物活性物质在抑制肥胖领域的重点研究方向。

1.8 益生元活性

作为膳食补充剂的益生元,能有效促进肠道内有益菌群的活性与生长繁殖,改善肠道的微生态与平衡宿主健康。研究证明,海洋生物也具有增殖肠道益生菌、减少有害菌生长的益生元活性[50]。一些功能性低聚糖和微藻类是目前研究较广的海洋益生元。其中,海洋功能性低聚糖包括甲壳低聚糖、褐藻低聚糖、琼胶寡糖和几丁寡糖等[51]。甲壳低聚糖作为无任何毒副作用的益生菌调节剂,能减少肠道内腐败细菌和有害物质的生长,净化肠道;褐藻低聚糖益生元可减少有害发酵产物及有害菌的产生,改善人体环境,增强机体免疫;琼胶寡糖是一种新型的益生元,它不被宿主胃肠道消化,可抑制有害菌的生长,改善肠道的生态环境。螺旋藻、小球藻和节旋藻等微藻类具有益生元活性[52]。其中,螺旋藻在调整肠道菌群,改善肠道内环境方面,充当着益生元的角色,能有效促进益生菌的生长;小球藻发挥海洋益生元作用的关键功能成分是小球藻活性生长因子,它通过促进人体肠道中双歧杆菌和乳酸菌迅速繁殖,调节肠道内菌群,净化肠道内环境。另外,益生元还具有增加Ca2+、Mg2+吸收,降低血糖和改善血脂的作用[53]。

2 前景与展望

海洋现已成为21世纪的聚宝盆与人类资源的宝库,海洋生物活性物质由于其独特的化学结构和较高的生物活性在食品、医药、保健和化妆品领域倍受青睐,海洋生物活性物质对人体健康更有益处。如海洋生物源蛋白多肽在抗心血管疾病、抗菌、抗癌与抗炎症等方面受到国内外学者的关注。海洋活性脂质,尤其EPA、DHA等多不饱和脂肪酸,在维持人体健康中发挥重要角色。而利用水产品及其下脚料加工生产EPA和DHA是目前研究的热点,其不仅可以解决水产下脚料环境污染问题,而且还能提高水产品的附加值。从海洋藻类中分离提取的色素和凝集素等活性成分可有效改善人体的健康水平。对海洋资源认识的提高、研究工作的深入与现代生物技术在海洋开发中的应用,将为人们开展海洋生物活性物质的研究提供更大便利。相信不久的将来,会有更多的海洋生物活性物质被人类发现,其应用领域也将不断扩大。

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Research progress on the main functional characteristics of marine bioactive substances

CAI Lu-yun1,NIAN Lin-yu1,LV Yan-fang1,LI Xiu-xia1,LI Jian-rong1,*,ZHAO Wei2, LAO Min-jun3,MA Yong-jun3,SHEN Lin4,CHEN Xiao-e5,MOU Wei-li6

(1.College of Food Science and Engineering of Bohai University,National & Local Joint Engineering Research Center of Storage,Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products, Food Safety Key Lab of Liaoning Province,Jinzhou 121013,China; 2.Dalian Tianbao Green Foods Co.,Ltd.,Dalian 116001,China; 3.Zhejiang Xinye Group,Zhoushan 316101,China; 4.Dalian Donglin Food Co.,Ltd.,Dalian 116007,China; 5.Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China; 6.PenglaiJinlu Fish Co.,Ltd.,Yantai 265600,China)

There are abundant of biological resources in the sea. As one of the bioactive substances resource,the functional characteristics of marine creatures were gradually emphasized by researchers. In this paper,the main functional characteristics of marine bioactive substances,such as antibacterial,antioxidant,anticardiovascular disease,cancer-prevention,neuroprotection,anti-inflammatory,obesity-prevention and prebiotic activity,etc,were introduced respectively. Moreover,the future development of marine bioactive substances was also prospected.

marine creature;marine bioactive substances;functional characteristics;research progress

2016-10-08

蔡路昀(1981-)，男，博士，副教授，主要从事水产品加工方面的研究，E-mail：clyun2007@163.com。

*通讯作者:励建荣(1964-)，男，博士，教授，主要从事水产品和果蔬贮藏加工、食品安全方面的研究，E-mail：li34008@126.com。

国家自然科学基金(31401478)；中国博士后基金面上项目(2015M570760)；辽宁省科技攻关项目(2015103020)；重庆市博士后特别资助项目(Xm2015021)。

TS254.1

A

1002-0306(2017)07-0376-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.064