海胆营养成分及活性物质研究进展

刘鹏，王文配，王皓，张劲远

（大连海洋大学，辽宁 大连 116000）

海胆是隶属于棘皮动物门、海胆纲的海洋无脊椎动物[1]。全球范围内已发现海胆种类达约850 种，被开发形成经济规模的种类不足30 种，其中光棘球海胆和虾夷马粪海胆等少数几种为养殖常见的可食用海胆品种[2]。海胆黄即海胆性腺，占海胆总质量的8%~15%，是其主要的可食用部分[1]。海胆富含多种营养物质包括氨基酸、蛋白质、不饱和脂肪酸和微量元素等，且具有多糖、色素等生物活性物质，其中多不饱和脂肪酸在试验中表现出抗炎、抗肿瘤功能，硫酸岩藻聚糖具备抗凝血、调节糖脂代谢功能。现简述海胆营养成分及活性物质研究进展，以期对海胆营养成分的发掘及生理功效应用的开发提供参考。

1 海胆营养成分

1.1 氨基酸与蛋白质

海胆性腺氨基酸含量丰富，种类达17 种，包括9 种必需氨基酸和8 种非必需氨基酸[3]。徐华等[1]测得所采集光棘球海胆与中间球海胆性腺必需氨基酸含量，分别占其总氨基酸含量的38.80%和39.61%，符合联合国粮食及农业组织（FAO/WHO）标准，属于优质蛋白质。光棘球海胆中甘氨酸含量[（7.01±0.19）%]最高；马粪海胆谷氨酸含量[（6.36±0.16）%]最高[1]；紫海胆黄粉必需氨基酸中赖氨酸含量[（3.94±0.09）%]最高，非必需氨基酸中谷氨酸含量[（5.57±0.11）%]最高[4]。研究表明[4]，赖氨酸有助于改善消化吸收；谷氨酸具有生成红细胞和传导兴奋的作用，有益于维持脑功能；海胆性腺氨基酸为人体提供了营养支持。

海胆的鲜美，主要与海胆性腺中的鲜味氨基酸的含量及组成有关，海胆性腺中常见的鲜味氨基酸有甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸和谷氨酸，甘氨酸和丙氨酸呈甜味，缬氨酸呈苦味，谷氨酸呈鲜味[5]。徐华等[1]检测了光棘球海胆和马粪海胆性腺中鲜味氨基酸含量，其分别占总氨基酸含量的40.51%和36.21%，中间球海胆则达到43%以上，性腺鲜美程度更高。

1.2 脂肪及脂肪酸

海胆脂质集中在性腺，鲜海胆性腺中总脂占14%~21%，海胆黄粉脂质占22.70%~37.65%，远高于大多数海水鱼虾。海胆性腺脂质由磷脂、甘油酯、胆固醇组成，包含18 种脂肪酸，其中34.47%~46.56%为多不饱和脂肪酸（PUFAs）[6]。海胆脂质在抗炎、抗肿瘤、抗氧化等方面有重要作用。

1.2.1 磷脂

中间球海胆性腺脂质主要为磷脂、胆固醇、游离脂肪酸和甘油三酯，光棘球海胆和马粪海胆性腺总脂以甘油三酯（TAG）和磷脂（PL）为主[6]，磷脂占总脂的40%~50%。王琦等[7]利用高效液相色谱-蒸发光散射法（HPLC-ELSD），测定马粪海胆性腺磷脂含量为总脂的42.9%。Kalogeropoulos 等[8]利用凝胶成像法，检测拟球海胆磷脂中磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE），其分别占极性脂含量的83.7%和4.9%。PC 使血浆胆固醇水平降低，可有效预防心脑血管疾病；PE 是神经细胞膜重要组成部分，对增强脑功能、减缓肝硬化有显著作用，是重要的功能性脂质[9-10]。

海胆中的醚磷脂（醚-PLs）是磷脂的一个特殊亚类，在脂质代谢调节方面具有潜在作用。Wang等[11]在投喂仓鼠的饲料中添加海胆醚磷脂，结果显示，仓鼠血清特征脂质含量显著下降。证明了海胆醚磷脂通过改善脂肪生成和血脂异常，对动脉粥样硬化途径产生有益影响。这些发现，为开发缓解动脉粥样硬化性血脂异常的功能性膳食补充剂（海胆醚-PLs），提供理论基础。

1.2.2 PUFAs

磷脂是海胆性腺的主要脂质，而PUFAs 在海胆磷脂中占据高比例。研究表明[12]，从海胆精子中分离出的磷脂中，PUFAs 占海胆总脂肪酸的33.2%~67.6%；在中间球海胆性腺中表达的甘油磷酸胆碱和甘油磷酸乙醇胺中，PUFAs 占主导。

拟球海胆合成PUFAs 流程如下：拟球海胆含有FadsA、FadsC1 和FadsC23 种去饱和酶，通过去饱和反应“Δ8 途径”，将α-亚麻酸（ALA）和亚油酸（LA）转化为二十碳五烯酸（EPA）和花生四烯酸（ARA），故而拟球海胆具有丰富的长链不饱和脂肪酸（LCPUFA）、EPA、ARA[13]。该研究有利于进一步了解海胆PUFAs 合成代谢机制。

常见食用海胆性腺富含多不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸占总脂肪酸41%~56%，种类达30 余种[14]，以ARA 和EPA 为主，其中ARA 含量占总脂的16.97%[1]，ARA 是生物体内分布最广泛且具有重要生物活性的一种ω-6 多不饱和脂肪酸[15]，在维持细胞膜结构和功能方面具有重要作用，并且是人体必需脂肪酸。ARA 代谢网络是产生炎症介质并达到抗炎作用的主要网络。蔡亚玮等[16]研究发现，当致炎物入侵时，激活了磷脂酶A2 作用于细胞膜表面的ARA，使其游离并产生一系列代谢物，促进抗炎。Liao 等[17]研究索拉菲尼衍生物（t－CUPM）在患胰腺炎小鼠中的抗炎作用，通过ARA 靶向代谢组学，分析检测小鼠血浆CYP450 途径代谢物环氧二十碳三烯酸（EETs）变化，发现t-CUPM 抑制EETs失活水解，使其血浆EETs 浓度提高，进而增加EETs 抗炎活性，验证了ARA 显著的抗炎作用。

除了抗炎作用外，ARA 对人体也有诸多益处。ARA 也是人体大脑中含量最丰富的多不饱和脂肪酸之一，是构成大脑皮质区磷脂质的重要组成成分。婴儿大脑固体物质约四分之一是由磷脂质所形成，因此补充必需的ARA，对婴儿智力发育具有重要作用。高含量的ARA，通过形成膜磷脂来接收视网膜感光体传递的信号，因此在视网膜形成中，ARA 也具有十分重要的作用[18]。在神经调节方面，ARA 主要帮助神经系统信息传递，作为突触长时程增强效应表达的信使，对突触效能的长时程增强（LTP）的表达起着重要的作用，因此ARA 的缺乏，将导致青少年智力低下、中老年人神经系统过早退化。在提高高密度脂蛋白（HDLC）、降低血液中极低密度脂蛋白（VLDL-C）和低密度脂蛋白（LDL-C）方面，ARA 的作用效果显著，有利于人类心血管健康，并且在一些动物肿瘤试验中，证实ARA 在体外对肿瘤细胞有明显的致死作用。因此，膳食中补充ARA，可有效降低肿瘤及癌症的发生率[19]。

海胆性腺中多不饱和脂肪酸，以长链ω-3 多不饱和脂肪酸为主，EPA 和二十二碳六烯酸（DHA）尤为重要[5]。检测发现[1]，海胆EPA 含量占总脂肪酸的13.33%，DHA 含量占总脂肪酸的2.13%。EPA、DHA在许多炎症疾病治疗上都表现出抗炎作用，与ARA不同的是，EPA、DHA 进一步代谢产物消退素与其抗炎作用有很大关联，一方面，消退素与其相应受体（ChemR23, GPR32）结合，以达到抑制炎症信号通路、减弱炎症因子表达的目的[18]；另一方面，其代谢产物也通过减少白细胞的游走与渗出，减少炎症递质的生成，有利于炎症的消退[20]。EPA 还具有显著的抗氧化作用。肖宝平[21]用EPA 处理人体肝癌细胞（HepG2）48 h，细胞内活性氧水平降低60%，抗氧化能力提高约70%，主要抗氧化酶的活性及基因表达水平均显著上升，证明了EPA 提高了HepG2 细胞抗氧化能力；同时发现，线粒体膜电位显著提高了约3.5 倍，线粒体拷贝数、线粒体编码基因、转录因子、裂变融合因子的表达量均显著提高，这说明EPA 提高了HepG2 细胞线粒体功能并促进线粒体生物合成，推测EPA 可能通过增强线粒体的生物合成并调控微核糖核酸（miRNA）的表达来响应氧化应激，证实了EPA 的抗氧化活性。除此之外，EPA 和DHA 还是细胞膜磷脂的重要组分，其通过降低膜的相变温度，赋予细胞膜流动性和压缩性，使神经传输和视觉感受所需的生物膜相变迅速进行，因此，DHA、EPA 在维持生物膜正常生理功能和大脑发育方面有重要作用。

海胆中高含量的ARA、EPA 和DHA，有利于人类补充必需的多不饱和脂肪酸，可广泛应用于食品、医药领域，在制造抗炎药物方面提供了广阔的应用前景。

1.3 微量元素

微量元素可维持生物体生命活动和神经系统运作，提高免疫功能和促进骨骼健康等。海胆性腺中含有种类丰富的微量元素，不同种类不同地区略有差异，因海胆中的微量元素来源于海洋食物链，所以海胆性腺中微量元素含量，很大程度上也与其所摄食的大型藻类的微量元素含量相对应。以光棘球海胆为例，微量元素含量包括锌（Zn）、镍（Ni）、硒（Se）、铁（Fe）、钒（V）、锰（Mn）、钴（Co）、铬（Cr）等。经光谱测定，微量元素含量从大到小分别为：钙（Ca）、钠（Na）、Fe、Zn、铜（Cu）、Mn、镁（Mg），其中Ca、Zn、Na 和Fe 含量较高[22]。除Fe 外，其他元素含量均高于海参。丁海燕等[23]对山东、辽宁的黄海胆性腺微量元素进行测定，发现Zn、Ni 和锶（Sr）含量占前3，其中Zn 含量最高，为278~865 mg/kg，占所测微量元素总量的28.3%~60.4%。此外，Se 含量为55.8 mg/kg，是优质的微量元素补充膳食食品。Zn 可增强记忆力，延缓脑衰老，提高免疫力，Fe 是血液中运输、交换氧的必要组分，Ni 协助胰岛素发挥作用。Branca 等[24]研究发现，Zn 和Se 增强了超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化酶活性，减轻镉（Cd）造成的神经元损伤，因此，食用富含Zn 和Se 等微量元素的海胆性腺，有助于消解体内重金属累积。此外，Se还可减轻炎症、产生甲状腺激素和显著的抗氧化作用[25]。研究表明[26]，海胆某些微量元素的含量，被用作环境污染指数以及对人类健康风险的评估。

2 海胆活性物质

2.1 海胆多糖

2.1.1 3 种海胆提取的粗多糖

王清池[27]采用葡聚糖凝胶G-75（Sephadex G）系列凝胶过滤柱，分离纯化黄海胆、虾夷马粪海胆、大连紫海胆性腺多糖，得到ZS-1B、MS-1B、HS-1B、MSGA 和HJ2A 5 种多糖（大连紫海胆热水提多糖简称为ZS；虾夷马粪海胆热水提多糖简称为MS，硫酸铵沉淀得到的多糖简称为MSG；黄海胆热水提多糖简称为HS，碱提多糖简称为HJ），其中MSGA和HJ2A 在经过以RAW264.7 巨噬细胞为体外模型的免疫调节活性测试后发现，海胆多糖MSGA 和HJ2A 通过促进NF-KB 及MAPKs 信号通路中特定蛋白磷酸化，而上调炎症相关基因表达，具有炎症刺激作用。

海胆多糖（ZS-1B、MS-1B、HS-1B、MSGA 和HJ2A）还表现出抗2019 冠状病毒病（SARS-CoV-2）活性。表面等离子体共振（SPR）技术结果表明[27]，5 种海胆多糖均对病毒S-蛋白具强亲和力，能竞争性抑制S-蛋白与其功能宿主受体血管紧张素转化酶2（ACE2）结合，从而阻止病毒进入细胞。

2.1.2 硫酸岩藻聚糖

海胆多糖存在于海胆壳棘及其卵中。Vasseur[28]最早从3 种海胆卵胶膜中提取到胶状物，含20%~25%蛋白质、70%~80%多糖，后被Segall 等[29]利用凝胶过滤和离子交换层析技术分离得到硫酸岩藻聚糖。硫酸岩藻聚糖具有独特的L-岩藻糖、硫酸根和岩藻糖支链等结构，使其能与各种蛋白质受体特异性结合，因而具有增强免疫、抗肿瘤、抗凝血、抗血栓以及调节糖脂代谢等多种生物学活性。

2.1.3 中性葡聚糖（SEP）

刘纯慧等[30]将光棘球海胆性腺用丙酮脱脂处理，后热水提取、去蛋白、超滤、DEAE 琼脂糖凝胶（DEAE Sepharose Fast Flow）及快速凝胶过滤层析基质S-400（SephacrylS-400）柱层析纯化，得到1 种多糖组分SEP。SEP 是一种中性葡聚糖，无硫酸化。SEP 对小鼠肉瘤（S180）生长影响试验结果表明[30]，SEP 导致小鼠脾淋巴细胞增殖能力下降，有效抑制了S180 实体瘤生长；同时，与化疗药物环磷酰胺组对比，化疗药物不仅抑制免疫功能，而且会使小鼠脾淋巴细胞增殖能力下降，这充分体现出了提取天然海胆多糖作为抗肿瘤药物的优势。

2.2 海胆多肽及蛋白质

2.2.1 海胆多肽

王婷等[31]采用木瓜蛋白酶，对大连紫海胆性腺水解，得到分子质量为1~10 ku 的5 种多肽。其对人类宫颈癌海拉细胞生长影响试验结果表明[31]，分子质量为1~10 ku 的海胆多肽，均稳定抑制海拉细胞生长，作用机制尚不明确，推测与诱导凋亡有关。在后续对小鼠脾淋巴细胞的影响和对腹腔巨噬细胞吞噬能力的影响试验结果表明[31]，海胆多肽促进体外脾淋巴细胞增殖、促进巨噬细胞吞噬功能，进一步说明了海胆多肽对特异性免疫和非特异性免疫均具调节功能。

2.2.2 海胆抗菌肽

Li 等[32]最早从绿海胆中提取出抗菌肽Strongylocins 以及Centrocins，并且发现其对革兰阴性菌、革兰阳性菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等均具有明显抗菌作用。周淑红[33]对虾夷马粪海胆抗菌肽经研究发现，Strongylocin1 和Strongylocin2 分别在肠道和体腔液表达量最高，用96 孔板微量二倍稀释法，测定海胆抗菌肽对大肠杆菌和强壮弧菌的体外抑菌效果，结果表明，不同浓度的抗菌肽，对2 种菌均具有一定的抑菌效果。表明海胆抗菌肽在食品保鲜、医药以及农业饲料领域具有一定的应用前景。

2.2.3 海胆抗氧化肽

海胆卵黄蛋白是海胆抗氧化肽的良好来源。商文慧[34]利用in silico 方法，筛选大连紫海胆卵黄蛋白，得到8 条抗氧化肽：二肽（LW、TW、AW、RW、LY）和三肽（SDF、LWK、ADF）。抗氧化肽的抗氧化活性，一般认为来源于能够提供质子的氨基酸，包括色氨酸（Trp）、酪氨酸（Tyr）、甲硫氨酸（Met）、半胱氨酸（Cys）和组氨酸（His），由于芳香族氨基酸Trp 吲哚基团中的-NH 和Tyr 中酚羟基的-OH 均是良好的供氢体，因此其具有良好的清除自由基活性，其中LW 和AW 对-OH 表现出高清除活性。因此抗氧化肽是合成抗氧化剂的潜在替代品，可控制预防食品氧化变质，也可应用于保健品、功能性食品、化妆品以及药品等功能性领域[35]。

2.2.4 海胆管足黏性蛋白

海胆管足是位于其棘刺及周围的细小黏性器官，海胆能依靠其移动、附着，是因为其管足中含有具吸附作用的蛋白质。Pjeta 等[36]对其进行转录组差异分析，确定了16 种与生物黏附相关的蛋白质，其中包括：含有GlcNAc 和GalNAc 残基的各5 种糖蛋白、Nectin 变体，Α-tectorin 样蛋白，髓过氧化物酶，α-2-巨球蛋白样蛋白和2 种未表征的蛋白质。具有2 种残基的糖蛋白参与副中心肌黏附，同时，在黏附表皮和足迹种也发现此种糖蛋白，推测管组分泌黏附性蛋白质颗粒。Α-tectorin 样蛋白促进蛋白质多聚化形成纤维网用于黏结，α-2-巨球蛋白样蛋白是一种蛋白酶抑制剂，其通过抑制水解作用，保护管足分泌的黏合性蛋白质颗粒，正是这种特性使其具有耐水性，有助于解决潮湿环境下生物医用胶黏剂失效的难题。海胆管足蛋白的耐水性、无毒性、生物降解性，为未来生物医用黏合剂的开发，提供了新的材料。

2.3 海胆色素

海胆壳棘色素种类包含萘醌类色素、类胡萝卜素等，萘醌类色素又分为Echinochrome 和Spinochrome 2系，Echinochrome 多发现于海胆壳棘与内腔器官，仅于海胆棘刺发现Spinochrome，壳棘类胡萝卜素分为不含氧原子的胡萝卜素与包含氧原子的叶黄素类2 系[37]。

2.3.1 萘醌类色素

Munn[38]从海胆内腔油脂细胞中，分离得到醌类色素“Echinochrome”，后被证实此色素也存在于海胆壳棘中。“Spinochrome”也是海胆棘刺中发现的一种醌类色素[39]。海胆萘醌类色素“Echinochrome”通过上调转录调控基因（PCG-1α、NRF 等）表达促进了线粒体内生物合成与氧化磷酸化反应，在心肌缺血再灌注时，对氧、钙离子水平起到调控作用，以保障器官正常工作。因此，医疗上用Echinochrome 的二钠或三钠盐溶液，治疗急性心肌梗死和缺血性心律失常等心脏疾病。

2.3.2 类胡萝卜素

已知的海胆壳棘类胡萝卜素共24 种，包括海胆烯酮、β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、叶黄素、虾青素、玉米黄质素、硅藻黄素、岩藻黄质、异隐黄质等。研究发现[37]，多数类胡萝卜素含典型共轭双键长碳链发光基团，因此其在400~500 nm 处有紫外线吸收特性。Kawakami 等[40]研究发现，对海胆喂食不含类胡萝卜素的饲料，易导致海胆出现棘刺掉落的特征疾病，经体液免疫试验推测，类胡萝卜素在海胆自身防御体系中，通过消灭活性氧和增强巨噬细胞吞噬能力，起到重要的保护机体健康作用。

丁君等[14]对我国北方海区4 种经济海胆性腺β-胡萝卜含量进行测定，发现雄性虾夷马粪海胆和马粪海胆性腺中β-胡萝卜素含量明显高于雌性,而雄性光棘球海胆和海刺猬性腺中β-胡萝卜素含量低于雌性。β-胡萝卜素可提供人体所需维生素A，是潜在的细胞质抗氧化剂，具有提高免疫力、着色以及抗癌作用。

2.3.3 酮式类胡萝卜素

从海胆中提取的海胆酮，是一种酮式类胡萝卜素。张涛等[41]采用硫醇滴定法（Ellman 法），研究海胆酮对乙酰胆碱酯酶（Acetylcholinesterase, AChE）的抑制作用，结果表明，海胆酮对AChE 表现出竞争性抑制，可诱导AChE 二级结构改变，更容易与AChE 活性中心氨基酸结合，阻碍底物碘代硫代乙酰胆碱与酶结合，从而引起酶活性降低，具有潜在的预防和辅助治疗阿尔兹海默症的健康功效。

在黑海胆（Arbacia lixula）性腺中检测到虾青素，研究结果表明[42]，黑海胆利用从食物中获得的前体合成虾青素，并且通过改变食物成分的比例，调节海胆性腺中虾青素的积累量。虾青素具有很强的抗氧化特性，具有清除自由基和其他促氧化剂分子的活性，保护脂质双层免受过氧化，可改善各种退行性疾病。虾青素的显著效果，是由于其独特的分子结构（以极性离子环和非极性共轭碳-碳键为特征），赋予虾青素比其他类胡萝卜素高10 倍的抗氧化特性。虾青素由于其具有广泛认可的抗氧化活性，在保健品、化妆品、食品和水产养殖业都有巨大的开发价值[43]。

2.3.4 多羟基萘醌色素

从越南海胆中提取的多羟基萘醌（PHNQ）色素粗提取物，可清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基、抑制酪氨酸酶，并具有抗菌活性。PHNQ 色素包含多个羟基的酚类化合物，具有较强的抗氧化活性，不仅如此，PHNQ 粗提取物对被试细菌，均表现出一定的抗菌活性。越南海胆PHNQ 色素对酪氨酸酶也具有抑制活性，其含有酚类化合物在很大程度上抑制酪氨酸酶的生长[44]。

当人体皮肤暴露于紫外线辐射下时，酪氨酸酶控制黑色素细胞产生黑色素，阻挡紫外线，多余的黑色素会导致色素沉着过度、晒黑、老年斑和雀斑等负面症状，PHNQ 色素可抑制（87.9±4.1）%的酪氨酸酶，因此可作为天然抗菌、抗氧化剂用于化妆品中，在特定类型的药妆产品上具有广阔的应用前景[45]。

3 结语

海胆作为药食同源的优质海产品，富含种类丰富的蛋白质、氨基酸、脂质和微量元素，具有很高的膳食营养价值，不仅如此，其富含的多不饱和脂肪酸ARA、EPA、DHA，具有抗炎、抗肿瘤等作用，海胆抗菌肽、抗氧化肽和管足黏性蛋白在生物医学方面有深远的应用前景。对海胆营养物质和活性物质及其功效的研究，可为海胆经济性状的筛选、海胆新品种的培育以及海胆营养物质和特殊活性物质提取与应用提供参考，将推动海胆逐渐成为高端膳食营养海产品和医药领域重要原材料。