南极磷虾中砷的研究进展

张海燕，刘云姣,2，王 媛，孔 聪，汤云瑜，沈晓盛

（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Euphausia superba是一种南极地区资源非常丰富的小型海洋浮游甲壳类动物，其蛋白质、脂肪、维生素以及矿物质含量非常丰富，数量可达数亿至数十亿吨，被认为是世界上最大的海洋生物蛋白质资源库。开发利用南极磷虾无疑是缓解人口增加与优质动物油脂和蛋白资源短缺这一矛盾的有效途径，因而美国、加拿大、挪威、日本等国家将其列为重要的经济战略资源进行开发[1-3]。南极磷虾开发在我国也受到极大重视，2009年和2010年相继进行商业性试捕和正式捕获，并以每年上千吨的捕获量进入我国市场，因其具有调节血脂、降低血糖、消除慢性炎症、改善大脑健康等特殊功效[4-6]，部分被深加工成南极磷虾食品、保健品等高附加值产品，其中南极磷虾虾粉和液态虾油是较为普遍的产品形式。然而,人们在研究南极磷虾及其制品的同时也发现砷的含量较高[7-11]，这在很大程度上限制了其食用价值的开发，因此如何科学地评价高砷毒性给食用安全带来的局限性，是南极磷虾产业发展亟需解决的关键科学问题。本文就南极磷虾中砷的含量、赋存形态及其毒性研究进行综述，目的是为南极磷虾产业发展提供参考依据。

1 南极磷虾及其制品中砷的含量

海水、沉积物、海洋生物等自然海洋生态体系中普遍存在着砷。海洋生物比陆生生物对砷具有更强的富集能力，自20世纪70年代以来，人们不断发现一些海生生物中砷的含量明显高于陆生生物，如杨钊等[12]，朱亚尔等[13]调查的藻类中，除石花菜总砷含量小于10 mg/kg外，其他分别为13.52～95.12 mg/kg和19.90～64.89 mg/kg之间，无机砷含量为0.42～3.72 mg/kg，6.223～45.53 mg/kg，后者无机砷占总砷的比例较高；WHALEY-MARTIN，et al[14]在4个封闭的港口中发现海洋玉黍螺Littorina littorea中总砷和无机砷含量分别达到400～840 mg/kg，290～588 mg/kg（均以干重计）。随着人们对南极资源开发的重视，南极磷虾新兴产业发展的同时，人们也发现南极地区的海生生物中也含有较高浓度的砷，如RODOLFO，et al[15]发现南极藻类中的总砷含量达到了8.4～29.3 mg/kg（干重），SALLY，et al[7]，朱元元等[8]调查的南极磷虾中总砷含量范围分别为0.95～2.79 mg/kg和0.68～1.22 mg/kg（均以湿重计）；孙来娣等[9]通过对南极磷虾油中重金属含量的测定得出发现，由于南极磷虾生长于污染极低的南极海域，其油制品中金属含量较一般海产品中低，但总砷含量与其它金属相比则偏高，含量为 2.2～5.3 mg/kg，无机砷含量为0.25～0.42 mg/kg，董丽臻等[10]测得南极磷虾虾油中的总砷含量为8.55 mg/kg；王松等[11]测得南极磷虾整虾样品的总砷含量（以干重计）为2.031±0.021 mg/kg，虾油中总砷浓度达到8.334±0.019 mg/kg。目前国家标准《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762-2012）仅对水产动物及其制品，鱼类及其制品中的无机砷有限量标准，然而随着研究手段的改进和对食品安全的更高要求，单独的采用总砷或者无机砷含量作为评价依据都不能够科学评价南极磷虾及其制品的砷的食用安全性。一些研究开始关注南极磷虾中有机砷的形态分析，如王松[11]等的研究中发现尽管南极磷虾油中总砷含量较高，但是以AsB，DMA和MMA等3种有机砷为主，无机砷仅占0.27%；但是也有学者[16]认为MMA（Ⅲ）和DMA（Ⅲ）这两种有机砷具有比无机砷更强的毒性，有机砷的形式和价态，以及其在体内的转化后的存在形式都有待进一步研究。因此，如何科学地评价高砷给南极磷虾产品食用安全性带来的局限性，对南极磷虾产业发展至关重要。

2 南极磷虾中砷的来源与形态组成

1981年，IARC（国际癌症研究委员会）将砷列为人类致癌物[17]，其毒性效应与其赋存形态密切相关，砷以不同的化学形式存在，包括无机砷和有机砷。

2.1 无机砷

砷普遍存在于海洋环境中，其质量分数在1～2 μg/L之间，主要以无机态的亚砷酸盐As（III）和砷酸盐As（V）的形式存在。海洋动植物体内砷的来源是不同的，南极磷虾不能直接利用海水中的无机砷，其体内的砷主要来自于食物——南极藻类[18-19]；无机砷被藻类摄取后可以通过一系列复杂的代谢过程转化为砷糖，二甲基砷（DMA）以及其它的甲基化砷[20-22]。环境中的砷的富集和形态转化主要通过食物链的形式进行。藻类可以摄取海水中的无机砷从而使砷含量达到海水中砷含量的1 000～10 000倍[23-25]，藻类能够将海水中的无机砷由As（III）氧化为As（V）[26]使得细胞质中的As（V）占无机砷总量的99%[27]，南极磷虾通过摄食藻类而摄入As（V）。由此可见，南极磷虾中砷的富集主要是通过食物链从低级向高级传递所致。

2.2 有机砷

环境中的有机砷主要包括一甲基（MMA）、二甲基胂酸（DMA）、三甲基胂酸（TMAD）、砷胆碱（AsC）、砷甜菜碱（AsB）、砷糖及砷脂等[28]，海洋生物中的砷以砷甜菜碱（AsB）和砷胆碱（AsC）为主[29]。研究发现，南极磷虾中砷的赋存形态和价态是多样的，GROTTI，et al[30]在采用HPLC/ICPMS量化南极磷虾砷化合物实验中，发现AsB是南极磷虾中的主要存在形式，南极磷虾干虾粉中含有13种砷化合物，总含量为3.34 mg/kg，其中有机砷含量超过98%，碱和砷糖低毒性有机化合物形式存在，整体毒性相对较低。王松等[11]也认为尽管南极磷虾油中总砷含量较高，但是检测到的AsB，DMA和MMA等3种有机砷含量占南极磷虾油总砷含量的95.58%，而无机砷（三价砷和五价砷之和）含量仅占总砷含量约0.27%，整体毒性相对较低。然而，南极磷虾中砷的赋存形态是多样的，且在一定的条件下会互相转化，其毒性效应也会随之改变，尽管目前一些资料显示其毒性较低，但新的一些研究表明个别有机砷化合物如MMA（Ⅲ）和DMA（Ⅲ）具有比无机砷更强的毒性。因此，深入研究南极磷虾中砷的赋存形态及其含量分布对其产业开发利用更具有实际指导意义。

3 南极磷虾中砷的毒性

尽管砷的毒性对生物的危害已经成为共识而备受关注，但长期以来，这种共识还多数停留在单一的考察总砷或者无机砷危害的层面，比如目前国家标准中也仅对水产动物及其制品中的无机砷设定了限量。事实上，不同形态和价态的砷的毒性也不同。无机砷被公认毒性很大，其中As（III）剧毒，As（V）的毒性低于As（III）。砷元素的致癌性和致癌作用主要取决于无机砷的含量[31]。As（V）对氧化磷酸化过程的解偶联作用，诱使DNA互换或断裂，导致基因变异，抑制三磷酸腺苷（ATP）的生成，干扰能量代谢；三价砷可与多种重要巯基酶结合，破坏酶系统，阻碍细胞代谢[32-33]。

与无机砷相比，有机砷被认为毒性较小。无机砷是公认的强致癌物质[31]，而MMA（V）和DMA（V）仅被定义为潜在致癌物[34]。当外源砷通过消化道或呼吸道进入机体后，在特定条件及特定的酶辅助作用下，产生MMA（V）和DMA（V），由于这两种有机砷的毒性较无机砷毒性大大降低，因此人们认为砷的甲基化是无机砷在生物体内进行生物转化和解毒的一个过程[35-36]。然而近几年随着对砷生物代谢的研究发现，进入生物体内的无机砷经过氧化，并在谷胱甘肽和S-腺苷蛋氨酸的作用下进行代谢转化，过程为As（V）—As（III）— MMA（V）— MMA（III）— DMA（V）—DMA（III）—TMAO（V）[37]，此甲基化代谢过程中的中间代谢产物MMA（Ⅲ）和DMA（Ⅲ）不仅会抑制和破坏生物体内的酶，使细胞损伤甚至DNA改变，还具有极强细胞毒性和生殖毒性，甚至超过了三价无机砷的毒性[38-39]。与三价甲基砷代谢产物相比，五价甲基砷代谢产物毒性相比较三价甲基砷代谢产物毒性相对较低，但仍有一定的生物毒性，可产生大量的活性氧自由基（ROS）损害生物体DNA[40-41]，导致砷中毒。以砷化合物的半致死量 LD50计，其毒性DMA（Ⅲ）最大，MMA（Ⅲ）次之，AS（Ⅲ）、AS（V）、DMA（V）、MMA（V）、ASB、ASC 毒性依次减小[16，42]，砷与有机基团结合越多，其毒性越小[40，43]，AsB和AsC被认为是无毒的。这样看来，无机砷的生物转化和甲基化作用可能正是其发挥毒性的关键过程。然而体内代谢的中间产物MMA（III）和DMA（III），离开体内环境后极易氧化为五价的甲基砷化物[44]，给分离和准确测定带来了一定的难度，还有待分析技术的进一步突破。

目前有关南极磷虾中砷化合物的形态分析报道中[45-46]，也大多仅停留在有机砷和无机砷大类的分析层面上，缺乏对南极磷虾中不同砷化合物存在形态进一步的细分。南极磷虾中砷毒性大小取决于砷化合物的不同形态分布及含量，尽管有研究表明南极磷虾中砷化合物主要以砷糖和毒性较低的化合物形式存在，整体毒性相对较低[30-31]，但其潜在的毒性作用有待进一步研究。因此，进一步开展南极磷虾及其产品中砷化合物的形态组成研究，可为南极磷虾中砷的毒性研究提供理论依据。

4 展望

南极磷虾资源开发与利用已成为我国海洋战略性新兴产业发展的重要载体。2009年，南极磷虾被列为“国家经济战略资源”，并实施了探捕令。为了充分挖掘南极磷虾资源的利用价值，2010年和2012年，南极磷虾资源开发利用又先后两次列入国家“863计划”。由于南极磷虾油中富含磷脂质ω-3多不饱和脂肪酸等营养物质，2013年国家卫生计划生育委员会以2013年第16号文批准南极磷虾油为国家新食品原料，即可作为普通食品原料，这对南极磷虾的综合开发利用创造了有利的条件。然而，南极磷虾产品如南极磷虾油中高砷异常成了其食用价值开发的瓶颈，砷的安全性成了广大消费者关注的焦点。因此，深入开展南极磷虾及其产品中砷的赋存形态与安全性评价对指导产业发展具有重要的意义。