南极磷虾生物活性物质的研究进展

刘志东，曲映红，王 媛，李灵智，黄洪亮*

1中国水产科学研究院东海水产研究所，上海200090;2上海海洋大学食品学院，上海201306

南极磷虾生物活性物质的研究进展

刘志东，曲映红2，王 媛1，李灵智1，黄洪亮1*

1中国水产科学研究院东海水产研究所，上海200090;2上海海洋大学食品学院，上海201306

南极磷虾因其生活环境和方式的特殊性而具有产生新型生物活性物质的巨大潜力，也因其巨大的生物资源量和潜在的渔业价值而日益受到人们的重视。南极磷虾生物活性物质包括酶、脂质、甲壳素、生物活性肽和紫外吸收物质等。本文综述了南极磷虾生物活性物质的研究进展，并展望了南极磷虾生物资源开发利用的前景。

南极磷虾;生物活性物质;进展

磷虾属于节肢动物门，甲壳纲，磷虾目。全世界共有85种磷虾，其中生活在南极海域的磷虾仅有7～8种;一般将生活在南纬50°以南环南极海域的磷虾通称为南极磷虾，但通常所讲的南极磷虾指的是南极大磷虾(Euphausia Superba Dana)。南极磷虾是地球上多细胞生物中生物量最大、繁衍最成功的单种生物之一，是整个南大洋生态系统能量和物质流动的关键环节［1，2］。根据最新估计，南极磷虾的生物量为6.5～10.0亿吨。2007年10月，我国成为“国际南极海洋生物资源养护委员会”正式成员，取得了开发利用南极海洋生物资源的资格;2009年12月我国首次派出两艘渔船赴南极海域开展南极磷虾资源探捕，这标志着我国科学开发利用包括南极磷虾在内的南极海洋生物资源迈出了第一步［3］。

南极磷虾由于处于低温、严酷的生活环境和独特的生活方式而使其具有产生新型生物活性物质的巨大潜力。因此，南极磷虾已经成为近年来食品科学、医学、营养学和药学等学科的研究热点之一［4］。本文综述了南极磷虾生物活性物质的研究进展，以期对我国南极磷虾生物资源的开发利用提供依据。

1 蛋白酶系

南极磷虾体内的蛋白酶系具有耐低温和活性高的特性，研究人员对此开展了广泛的研究。南极磷虾基于抑制剂所控制的酶系组合而具有高效的消化系统，这些酶系的高效性已经在南极磷虾死亡后抑制系统失效后发生的自溶现象得到印证。Miroslaw Fik(1984)提出了南极磷虾酶的制备方法，包括南极磷虾丙酮粉末的制备，水提取，硫酸铵分离和Sephadex G-75柱层析;酶的纯化达到106倍，回收率为76%;聚丙烯酰胺凝胶电泳显示纯化的酶为同一种物质。K.K.Osnes等(1985)研究发现以酪蛋白为底物时，南极磷虾蛋白酶的粗提物活性在中性pH时最高;0℃时对南极磷虾整体的降解同35℃时的降解情况类似;此外，类胰凝乳蛋白酶约占南极磷虾自溶酶活性的40%。Hellgren等(1986)在南极磷虾体内发现一个可以清除坏死组织、溃疡、纤维和血痂等的酶系，该酶系同时具有外切酶和内切酶的活性。Turkiewicz等(1986)从南极磷虾的消化系统中分离获得一种巯基依赖性丝氨酸蛋白酶—酸性糖蛋白酶，糖类物质含量为5%，分子量为31000 Da，C-端序列为Phe，Tyr，Lys，Gly和Leu。Anheller等(1989)研究发现南极磷虾体内含有胰蛋白酶，3种以上的丝氨酸蛋白酶和2种以上的羧肽酶，其对复杂蛋白质的降解活性比目前所有的商品蛋白酶都高。进一步研究发现以纤维状蛋白和酪蛋白为底物时，南极磷虾酶比胰蛋白酶具有更高的活性。Turkiewicz等(1991)研究发现南极磷虾丝氨酸蛋白酶对胶原蛋白具有降解作用;该酶具有较高的糜蛋白酶活性，其活性不受金属螯合剂的影响。Anders Bucht和 Björn Karlstam(1991)采用亲和色谱和离子交换色谱相结合从南极磷虾中分离得到三个丝氨酸蛋白酶，每一种酶在SDS-PAGE上都有单一的蛋白质条带(300000 Da)，这表明他们的纯度和分子量是相同的。Rubén O.Bustos等(1999)采用亲和色谱和p-对氨基苯甲脒4B从南极磷虾加工废水中纯化类胰蛋白酶，分子量范围为32000到33000 Da［5］。Salamanca等(2001)从南极磷虾蛋白酶中分离出一种类胰蛋白酶，20℃时具有很高的活性，分子量为30 kDa，等电点为4.1［6］。Ewald B.M. Denner等(2001)从南极磷虾共附微生物分离得到的菌株胞外产物中获得适冷性的金属蛋白酶［7］。J. Sjodahl等(2002)采用毛细管电泳法证实了南极磷虾中的酶主要是酸性蛋白酶，包括3种丝氨酸类胰蛋白酶，1种丝氨酸类胰凝乳蛋白酶以及2种羧肽酶A和2种羧肽酶B。采用毛细血管电泳和基质辅助激光解析电离飞行时间质谱测定了这些酶的分子量。进一步研究发现，在37℃和1～3℃，该类胰蛋白酶的活性分别是牛胰蛋白酶的12倍和60倍［8］。

由于南极磷虾酶系的特殊性，因此，可以广泛应用于医药、食品加工和洗涤行业［9，10］。南极磷虾酶在清除创伤特性方面已经采用免疫技术，LC-MS，SDS-PAGE电泳和毛细管电泳技术进行了研究，获得了南极磷虾酶主要成分的分子量，电荷和免疫特征的信息。与南极磷虾酶的临床研究相关的另一个特征是南极磷虾酶精制分析方法的研究。Westerhof等(1990)发现南极磷虾酶制剂清除腿坏死组织的效果明显。Melrose(1995)发现南极磷虾酶制剂能够显著加快人工控制溃疡模型伤口的愈合。J.R. Mekkes等(1996)采用动物模型比较了南极磷虾酶与纤维蛋白酶、DNA酶、木瓜蛋白酶对坏死组织的清创效果，结果表明南极磷虾酶对伤口的清创效果最好且呈剂量依赖性。Sangwan等(1999)研究了南极磷虾酶对角膜碱烧伤的效果，结果表明南极磷虾酶可以有效降低角膜碱烧伤后其上皮细胞的再生和溃疡面基质的生成。此外，南极磷虾酶作为消化促进剂和血栓溶解剂的专利已经公开。瑞典的费迪尔等根据南极磷虾酶具有非免疫原性的特点，用于制备治疗感染药物，炎症药物以及疼痛药物等并申请了专利［11，12］。

2 几丁质酶系

南极磷虾体内含有丰富的几丁质酶N-acetyl-β-D-glucosaminidase(NAGase，EC 3.2.1.52)，其参与了南极磷虾的消化和蜕皮过程。Marianna Turkiewicz等(1985)采用聚丙烯酰胺凝胶电泳分离纯化得到(1→3)-［3-葡聚糖酶［(l→3)-［3-D-葡聚糖水解酶，EC 3.2.1.6］，研究发现该酶只能通过内切断裂机制断裂(l→3)-β-D连接健。南极磷虾内切(l→3)-β糖苷酶的活性主要取决于酶分子的游离巯基基团［13］。Rehbein等(1986)研究发现南极磷虾的胃部和消化道部位具有很高的几丁质降解酶活性。G Peters等(1998，1999)采用色谱法从南极磷虾分离获得两种亚型的几丁质酶NAGase:NAGase B和NAGase C，单克隆抗体技术证明这两种酶不是严格意义上的同功酶，但可能在南极磷虾代谢的过程中发挥了不同的作用。Marianna Turkiewicz等(2000)从南极磷虾分离纯化得到两个内切-1，4-β-木聚酶(EC 3.2.1.8)［14］。

3 紫外吸收物质

紫外辐射(UVR，280-400 nm)是对水生生物反应最强的波长，能够影响整个生态系统［15，16］。UVR通常被认为是一种应激因子，可以引起浮游植物的副反应，如降低生长和光合的速率［17］以及损伤遗传物质［18］。此外，UV-B区间(290-320 nm)的辐射可以直接造成DNA的损伤，危害更大。

MAAs(Mycosporine-like amino acids)在不同地区和种类的海洋生物中广泛分布，尤其是在许多种类的海藻中更常见，其最大吸收波长正好处于UV-B区域［19］。MAAs来自于一种在动物中不常见的生化途径─莽草酸途径。研究表明海洋脊椎动物和无脊椎动物的MAAs来自于食物累积或者借助于藻类共生生物的转运而使其免受紫外辐射［20］。在南极磷虾中也发现了MAAs的存在。南极磷虾含有的MAAs的多样性与捕获地收集的天然浮游植物中的MAAs非常接近，这可能与南极磷虾营养来源中的MAAs有关。随着臭氧层空洞的不断扩大，紫外吸收物质作为防晒保护物质应用于防晒化妆品具有广阔的市场前景。

4 脂质

南极磷虾的脂质含量约为2.11%，主要是不饱和脂肪酸;其中含有约4.02%的亚油酸，Omega-3和卵磷脂等脂质。Saether等(1986)和 Kolakowska (1991)研究发现南极磷虾的脂质组成和含量随季节、种类、年龄、捕获和冷冻的时间的变化而变化［21］。Kolakowska等(1994)发现南极磷虾中n-3 PUFA，EPA和DHA的含量很丰富，这主要是由于南极磷虾摄食了单细胞的海洋微藻。Itonori等(1991)采用DEAE-and QAE-Sephadex和硅胶色谱，从南极磷虾组织中分离纯化得到一个具有新型结构的鞘磷脂(phosphonglycosphingo lipid)，其脂肪酸链为单不饱和的C22-和C24-脂肪酸。南极磷虾中的胆固醇含量比鱼中高，但比虾中低［22］。此外，南极磷虾油具有比鱼油更高的氧化稳定性。这是因为南极磷虾油中含有高含量的虾青素。南极磷虾的眼球中还含有丰富的胡萝卜素［4］。Bunea等(2004)发现南极磷虾中n-3 PUFA对健康的促进作用可能主要与磷脂(PL)有关;这可能与鱼油中的n-3 PUFA和甘油三酯相关不同［23］。

目前南极磷虾油的实验室提取方法主要是两步溶剂法［24］。然而，这种提取方法需要2个单独的步骤，费时较长。此外，两步法没有涉及在南极磷虾油提取前从南极磷虾中去除水。水对溶剂提取的干扰以及在南极磷虾油提取前去除水极大的提高了提取率和减少了提取油中的水。另一种提取磷虾油的方法是利用超临界-CO2夹带20%的乙醇［25］。然而，这一过程需要在油提取前在超过50℃时热灭活脂肪酶。尽管热灭活脂肪酶很可能导致酯健水解的减少和随后更少的游离脂肪酸。胶囊化的南极磷虾油被用作膳食补充剂具有多种潜在的健康功效［26］。

目前，越来越多的国外公司看到南极磷虾油这一潜在的巨大市场，纷纷加入到生产南极磷虾油的行列中。以色列的Enzymotec公司宣布南极磷虾油系列产品获得欧洲新型食品称号，包括其主打产品Krill Oil+及优质南极磷虾油。美国Azantis和瑞士Ceutical公司宣布开发出富含omega-3脂肪酸的水溶性南极磷虾油。2008年，海王星公司的南极磷虾油通过美国FDA审批，获得安全成分认证并获得美国专利(Neptune OceanExtractTMU.S.Patent No.:6，800，299 B1)后，其在24个国家的专利也将通过欧洲专利局的审批，从而进一步保持了其在全球范围内领先的磷虾油供应商地位。

5 甲壳素

甲壳素(甲壳质、几丁质)，即(1，4)-2-乙酰胺-2-脱氧-D葡聚糖大量存在于节肢动物的甲壳和低等植物的细胞壁中。甲壳素是一种多糖类聚合体(polysacchridepolyer)，在结构上与纤维素相似，很容易转化成脱乙酰甲壳素。壳聚糖即(1，4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖是甲壳素的脱乙酰产物［27］。目前，甲壳素/壳聚糖大多数以虾、蟹壳为原料进行制备。南极磷虾壳中甲壳素的含量约占整条磷虾干重的4%，因其个体小处理方便，因此，南极磷虾壳内的甲壳素较易获得［28］。

6 生物活性肽

海洋生物蛋白质资源的开发与利用是近年来的研究热点之一。美国、加拿大和澳大利亚等国在利用蛋白质改性技术开发功能性蛋白质和生物活性肽等方面取得了突破性的进展。南极磷虾蛋白质的湿重含量达17.56%、干重达70%(以干物质计)以上。目前，关于南极磷虾生物活性肽的研究还较少，只有日本学者对南极磷虾尾部肉进行酶解获得南极磷虾肽(AKPP)，AKPP单剂量口服给药能够显著降低自发性高血压小鼠的的心脏收缩压。AKPP进一步分离纯化获得2个小分子肽，分别为Val-Trp和Leu-Lys-Tyr氨基酸序列，两者均具有抑制血管紧张素转化酶(ACE)的作用，IC50值分别为12.9 μM和10.1 μM，具有潜在的降血压活性［29］。

7 特征性风味物质

南极磷虾由于其独特的生存环境和成分组成，因而含有丰富的氨基酸和脂质等呈味物质，尤其是富含对人体健康有益的生物活性物质(如牛磺酸、生物活性肽、核苷酸等)及微量元素，因而形成了独特的风味特征。因此，以南极磷虾酶解物为基料，通过添加不同比例的氨基酸、还原糖、酵母精等风味物质，通过控制Maillard反应条件来制备南极磷虾海鲜调味品［30］。

8 虾青素

虾青素(Astaxanthin)即3，3-2二羟基-4，4-2二酮基-B，B-2胡萝卜素，分子式为C40H52O4，是类胡萝卜素家族的一员。日本研究人员发现，虾青素具有较高的抗氧化活性，其抗氧化能力是叶黄素的4倍、β-胡萝卜素的10倍，维生素E的550倍［31］。Takaichi等(2003)从南极磷虾(Euphausia superba.)中分离得到虾青素单酯和二酯。RP-HPLC分离虾青素酯主要取决于酯化脂肪酸的碳原子数和双键数，通过场解析质谱鉴定。虾青素是一种在功能性食品、医药、饲料和化妆品等诸多领域和行业具有重要应用价值的天然活性物质，许多甲壳动物由于体内积累虾青素而变成了红色。因此，探索从提取南极磷虾甲壳素的下脚料中提取开发虾青素，不仅有利于推动南极磷虾产业的可持续发展，提高南极磷虾产品的附加值，而且具有显著的社会效益和经济效益。

9 微量元素

南极磷虾全虾的灰分含量为3.37%，虾肉的灰分含量为2.36%。南极磷虾中含人体所需的钙、磷、钾、钠和硒等微量元素［32，33］。鲜活情况下，南极磷虾肉氟的含量很低，在人类允许食用范围内;但南极磷虾死后，虾壳中的氟会很快渗透到虾肉中，使得南极磷虾肉因含有过高量的氟而失去食用价值［34，35］。因此，南极磷虾捕获后必须尽快进行脱壳处理。基于南极磷虾氟含量高的特点，可以研究开发氟材料及相关产品。

10 南极磷虾共附微生物，功能性基因以及其他未知功能性物质

由于南极特殊的自然地理条件和南极磷虾独特的生活方式，使得南极磷虾为了适应其生存环境而产生或具有某些人类未知或未深入开发利用的生物活性物质，如共附微生物，抗冻蛋白以及褪黑素等未知功能性物质。对于南极磷虾生物活性物质进行深入研究，不仅有助于了解南极磷虾的生存基础，而且也有可能获得有益于人类生产和生活的资源［36］。

11 结束语

充分开发利用南极磷虾巨大的生物资源，为我国16亿人口的生存与发展进行基础性、战略性和前瞻性的探索和研究，是摆在我国科学家面前的一项艰巨而迫切的任务。南极磷虾产业的发展趋势是对捕获的南极磷虾进行全面综合利用，特别是生物活性物质的提取，分离和高值化产品的开发。随着生物活性高效筛选技术和生物活性物质解析技术的发展和联用，南极磷虾中的未知生物活性物质还有待发现。目前，我国对南极磷虾及其产品综合开发利用技术的研究工作已经启动，中国水产科学研究院东海水产研究所等单位已经开展了相关工作，已经就南极磷虾蛋白质、生物活性肽，脂质和酶等方面开展了相关研究工作并取得了初步成果。因此，有关南极磷虾生物活性物质的研究和产业具有广阔的发展和应用前景。

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The development of the bioactive substances of the Antarctic krill

LIU Zhi-dong1，QU Ying-hong2，WANG Yuan1，LI Ling-zhi1，HUANG Hong-ling1*1East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200090，China;2College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China

Antarctic krill(Euphausia superb)lives in the special environment in its particularly active way of life，which has powerfully potential in producing novel bioactive substances.It is also the subject of a large fishery now.While a few produce bioactive substances have been described and researched.The bioactive substances derived from Antarctic krill are diverse，including enzymes，lipids，chitin，bioactive peptides and the substances of UV-absorbing，and so on.The bioactive substances derived from Antarctic krill are reviewed in order to fully developing and utilizing this resource.

Antarctic krill;bioactive substances;development

1001-6880(2012)10-1491-05

2011-04-13 接受日期:2011-06-30

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(中国水产科学研究院东海水产研究所，2009M07);国家“863”计划(2012AA092304);南北极环境综合考察专项(JDZX20110020);南极海洋生物资源开发利用专项

*通讯作者 E-mail:ecshhl@163.com

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