海洋生物活性物质和其研究进展

海洋生物活性物质及其研究进展

[摘要]广阔的海洋蕴含着丰富的生物资源，特别是高活性的生物活性物质如高不饱和脂肪酸、类胡萝卜素、维生素等，对人类健康和长寿有着重要的作用，它们在未来的医药、食品、保健、畜禽及水产养殖等各个方面必将占据显著地位[1、2]。鉴于此，本文就主要海洋生物活性物质的分类及特性、当前的研究现状及进展进行了综述，并展望了该领域的发展前景。

[关键词]海洋生物活性物质高不饱和脂肪酸 EPA DHA 类胡萝卜素维生素

引言地球约有71％的表面是水，而海水总体积占地球总水量97％的海洋，生物资源丰富、种类繁多。据统计，大约有着4O多万种动、植物和上亿种微生物生存在其中。如此众多的海洋资源是我们开发医药、食品、化工产品的巨大宝库。海洋中的生物为了生存繁衍，在竞争中取胜并使自己适应海洋的独特环境，如高压、低营养、低温(特别是深海)、无光照、以及局部的高温、高盐等所谓生命极限环境，在漫长的进化中各自形成了特殊的结掏和奇妙的生理功能．为人类提供了众多结构新颖、功能独特和生理活性很强的活性物质，包括萜类、甾醇类、生物碱、甙类、多糖、肽类、核酸、蛋白质、酶等，这些生物活性物质的主要药理作用包括抗细菌、抗病毒、抗肿瘤、防治心血管疾病、延缓衰老及免疫调节等作用[1、2]。

所谓生物活性物质，是指来自生物体内的对生命现象具有影响的微量或少量物质。海洋生物活性物质，则是指海洋生物体内所含有的对生命现象具有影响的微量或少量物质、主要包括海洋药用物质、生物信息物质、海洋生物毒素产生物功能材料等海洋生物体内的天然产物[3]。

随着环境污染的加剧和人类寿命的延长，心脑血管疾病、恶性肿瘤、糖尿病、老年性痴呆症等疾病日益严重地威胁着人类健康，艾滋病、玛尔堡病毒病、伊博拉出血热等新的疾病又不断出现，仅病毒病世界上平均每年就新增2－3种。人类迫切需要寻找新的、特效的药物来治疗这些疾病。人们纷纷将目光投向海洋。此外，人们还希望利用海洋生物活性物质开发出增进健康、预防疾病的营养食品、保健食品，有些海洋生物活性物质还可用于化妆品中，有的可制成特殊的生物功能材料，使得海洋生物活性物质成了研究热点[3、4]。

1.海洋生物活性物质主要类别代表及性质、功用

1.1 高不饱和脂肪酸及多不饱和脂肪酸

海洋生物，尤其海藻，含有大量的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs），其中包括链长C16(有两到四个双键)，C18(有两到五个双键)，C20(有两到五个双键)，C22(有两到六个双键)。尽管存在n-6系列和在C16中的n-1系列，但是多不饱和脂肪酸一般主要为n-3系列。而在鱼类中主要多不饱和脂肪酸为20:4n-6(花生四烯酸arachidonic acid;AA)与其代谢前体18:2n-6(亚油酸linoleic acid;LA)和20:5n-3(二十碳五烯酸eicosapentaenoic acid;EPA)与22:6n-3(二十二碳六烯酸docosahexaenoic acid;DHA)以及它们的代谢前体18:3n-3(亚麻酸linolenic acid;LNA)。在水产养殖的通常使用HUFA这一命名，其为高不饱和脂肪酸（highly unsaturated fatty acids，HUFAs）的简写。两者虽然没有明显定义来区分使用，但是一般把碳链长≥C20，带三个或更多双键的不饱和脂肪酸定义为PUFA[5]。

DHA具有抗衰老、提高大脑记忆、防止大脑衰退、降血脂、降血压、抗栓、降血黏度、抗癌等多种作用。EPA则用于治疗动脉硬化和脑血栓还有增强免疫力的功能。此外，从鲨鱼、海兔、鲸、海马、海龙等体内也获得多种不饱和脂肪酸，实验表明，它们均具有一定的药理活性。

DHA和EPA是人体不能自行合成、只能从食物中摄取的必需高度不饱和脂肪酸(HUFAs) 。自Dyerberg等指出EPA有益于人类健康以来, EPA 和DHA受到广泛的关注,成为研究热点。对EPA和DHA的功能进行的许多研究表明,适宜的EPA、DHA绝对量和比例在人、动物的正常繁殖、生长、发育中发挥着非常重要的生理作用：(1)降低血脂、胆固醇和血压，预防心血管疾病；(2)抑制血小板凝集，防止血栓形成与中风，预防老年痴呆症；(3)改善视网膜的反射能力，预防视力退化；(4)增强记忆力，提高学习效果；(5)抑制促癌物质一前列腺素的形成，故能防癌(特别是乳腺癌和直肠癌)；(6)预防炎症和哮喘；(7)降低血糖，抗糖尿病；(8)抗过敏[6~12]。

脂肪酸在所有生物中一个主要功能就是通过线粒体β-氧化形成ATP 来提供新陈代谢能。在鱼类中，脂肪酸不单是为鱼类从卵到成体的生长提供主要代谢能，而且为其繁殖提供主要能量。EPA和别的低饱和脂肪酸一样，在鼠线粒体中能够进行β-氧化，而且还能诱导鼠线粒体的形成。但是DHA在鼠线粒体中是一个惰性的β-氧化底物，它的催化分解就需要过氧化酶体的β-氧化[26]。这是因为在DHA中插入△4双键需要一个特殊

的机制，同样△4双键的移去也是的。所以DHA必须先经NADPH依赖性的2,4 -二烯酰-CoA还原酶的还原以及3-顺-2-反-异构酶的异构化之后，才能够进行所有脂肪酸β-氧化的第一步2,3-(α,β)-脱氢，然后进行彻底氧化。鱼类的肝脏组织中有过氧化酶体，而且普遍认为鱼和鼠在氧化22:6n-3的机制上没什么差别。

此外，在脂肪酸的氧化上存在着选择性的差异。一般来说，鱼油中EPA的含量要高于DHA，比如，在沙丁鱼、凤尾鱼、鲱鱼的鱼油中EPA:DHA为18:12，这是人类健康所需要的比例。可以说没有鱼油其DHA 含量明显高于EPA除了金枪鱼的脑鱼油。这是由于有活动脑和眼睛加温系统的温血鱼类，如金枪鱼和鲭亚目鱼类，更倾向选择氧化饱和以及单不饱和脂肪酸[28]；还有鲑鱼在高速游泳的肌肉中也是选择性地氧化低不饱和的脂肪酸[29]。而鱼类在性腺形成过程中也会选择性地利用EPA，从而也会在鱼卵中造成DHA与EPA比值较身体里的偏高[11]。

1.2 类胡萝卜素

一般来说，类胡萝卜素（carotenoid）化合物在生物界分布很广，现在从海洋生物中已发现了数百种结构新颖的类胡萝卜素。β-胡萝卜素(β-carotene，β-C)是自然界一系列类胡萝卜素中最为人类需要的一种，它是含有11个共轭双键的多烯烃化合物，是维生素A的前体，可对孕妇及儿童起到补充人体维生素A的作用，并不致造成维生素A过量而中毒。β-C

有抗氧化作用，可以用来预防肿瘤、心血管疾病，尤其对防治癌的恶化是有效的。它还能阻止或延缓因紫外线照射引起的皮肤癌，对慢性萎缩性胃炎和胃溃疡亦有疗效。Β-C主要从养殖盐生杜氏藻（Dunaliellasalina）中生产，因盐藻所含的β-C要比胡萝卜所含的β-C高出上千倍[13、14]。

鱼类，尤其是鲑科鱼类的存活和质量，如色、味、营养价值等均取决于类胡萝卜素。由于鱼类不能合成类胡萝卜素，只能从饲料中摄取，因此，鲑科鱼肉的颜色依赖其对摄取类胡萝卜素的吸收和沉积。类胡萝卜素被消化吸收后主要存积于鲑科鱼肉、卵和皮肤中。鲑(Salmon)和虹鳟(Oncorhynchus mykiss)鱼肉的明显粉红色是其质量的即时标志，也是其销售的重要影响因素。因此，类胡萝卜素是鲑科鱼类的一种最重要的微量成分[15]。

而在水产动物中类胡萝卜素的生理功能主要包括：着色功能；增强对高氨和低氧的耐受性的作用；增强免疫力的作用；促进生长和成熟，改善卵质，提高繁殖力的功能；抗氧化剂，脂质过氧化的抑制剂和抗紫

外辐射的光保护作用等[16]。

虾青素是类胡萝卜素中的典型代表，其化学名称是3 , 3’-二羟基-4 , 4′-二酮基-β,β′-胡萝卜素，常为某些海洋微生物和少量酵母菌作为次生代谢物在体内合成。在虾青素分子中, 不仅同其他类胡萝卜素一样具有很长的共轭双键, 而且在共轭双键链的末端还有不饱和酮基和羟基, 羟基和酮基又构成α-羟基酮。这些结构都具有较活泼的电子效应, 能向自由基提供电子或吸引自由基的电子, 使其极易与自由基发生反应而清除自由基。超强的抗氧化活性赋予了虾青素比其他类胡萝卜素更为突出的生理功能, 主要表现在提高动物免疫力、抑制肿瘤、清除自由基和活性氧等方面[17]。

1.3 维生素

维生素(vitamin)又名维他命，是维持人体生命活动必需的一类有机物质，也是保持人体健康的重要活性物质。维生素在体内的含量很少，但在人体生长、代谢、发育过程中却发挥着重要的作用。各种维生素的化学结构以及性质虽然不同，但它们却有着以下共同点：①维生素均以维生素原(维生素前体)的形式存在于食物中；②维生素不是构成机体组织和细胞的组成成分，它也不会产生能量，它的作用主要是参与机体代谢的调节；③大多数的维生素，机体不能合成或合成量不足，不能满足机体的需要，必须经常通过食物中获得；④人体对维生素的需要量很小，日需要量常以毫克(mg)或微克(ug)计算，但一旦缺乏就会引发相应的维生素缺乏症，对人体健康造成损害。维生素与碳水化合物、脂肪和蛋白质3大物质不同，在天然食物中仅占极少比例，但又为人体所必需。维生素大多不能在体内合成，必须从食物中摄取。

其中对于维生素E的研究是近年来的热点。维生素E是生育酚(tocopherols)和生育三烯酚(tocotrienols)的总称，这两种不同的类维生素具有不同的生物活性，活性最大的是α-生育酚，其中活性比约为α-生育酚:β-生育酚:γ-生育酚:α-生育三烯酚=1:0.5:0.1:0.3。维生素E是人和动物生殖、生长过程中的必需微量营养物质，具有抗氧化、抗衰老、抗癌和抗热应激反应的作用，能增强动物体的免疫力，改善肌肉品质．还与某些基因相互作用影响转录和表达等。在吸收利用方面，α-生育酚主要是在十二指肠通过淋巴吸收的，而且约99％是以乳糜微粒的形式吸收的[18。

维生素E的功能是作为存在于细胞膜的抗氧化剂来捕获自由基。在防止多不饱和脂肪酸被氧自由基破坏方面，维生素E起到极其重要的作用，阻止了多不饱和脂肪酸在细胞膜中发生一连串的氧化破坏。维生素E

的激发态相对来说是不够活跃的，而且能够防止激发态分子的链式反应。维生素E激发态在失活后，通过与维生素C的反应又可以恢复有活性的激发态。在谷胱甘肽过氧化酶和超氧化物岐化酶中，维生素E与硒和维生素C共同作用来防止多不饱和脂肪酸一连串的过氧化反应。生育酚能够防止鱼类发生白肌病[18]。维生素E与硒和维生素C共同作用来维持动物正常繁殖并且在鸡，鲱鱼，和鲤科鱼类中防止它们肌肉营养失调。维生素E抗氧化性可以帮助维持毛细血管和心肌正常的渗透性[19]。

2. 研究现状及进展

2.1 海洋生物活性物质的筛选

筛选是研究和开发海洋生物活性物质的第一步。传统的筛选方法是利用实验动物或其组织器官对某种化合物或混合物进行逐一的试验，速度慢，效率低，费用高。近年来，随着科学技术的发展，活性物质筛选逐步趋向系统化、规模化、规范化，特别是分子生物学技术的发展，使得活性物质的筛选技术有了很大的改进。目前国际上发明了以分子水平的药物模型为基础的大规模筛选技术，即使用生命活动中具有重要作用的受体、酶、离子通道、核酸等生物分子作为大规模筛选中的作用靶点，来进行活性物质的筛选，这些方法具有简便、快速、命中率高、费用低等优点，有的还可以用机器人进行操作[20]。而目前国内对海洋生物活性物质的筛选主要还是使用传统的方法。

2.2海洋生物活性物质生源材料的培养

获得丰富的生源材料是开发海洋生物活性物质的基础。由于大多数生物活性物质在海洋生物体内含量很微，用现有的海洋生物作为开发的资源是相当困难的，而大部分海洋生物活性物质结构比较复杂，又难以进行全人工合成，因此，富含生物性物质生源材料的大规模培养就成了关键的问题之一。解决这一问题，一是通过人工栽培或养殖富含活性物质的海洋生物；二是利用生物技术培养生源材料。

目前，国际上对生物技术在海洋生物活性物质研究和开发中应用研究得最多的是基因工程，即通过分离、克隆活性物质的基因，转入高效、廉价表达系统进行生产，以获得大量高质量的产物。在医药研究领域，基因工程多肽和蛋白质类药物、单克隆抗体及新型诊断试剂的研究和开发，是现代生物技术影响最大、效益最好、发展最快的领域。但是，海洋基因工程药物研究仅是开始。90年代以来开始了海洋药用基因的克隆以及在微生物中的表达工作，并取得了一定的进展[21]。但是目前为止，世界上尚未有转化成工业化生产的海洋基因工程药物产品。

海洋生物发酵工程主要是通过对富含活性物质的海洋微生物进行发酵培养，从中获得大量的产物，研究表明，海洋生物活性物质的初始来源，大部分甚至全部来自海洋微藻和微生物等低等海洋生物。

利用生物反应器培养微藻开发海洋生物活性物质，也是世界上的一个研究热点。从广义上讲，用散开的水池培养微藻也是一种生物反应器技术，但其效率比较低。研究较多的是，利用封闭的光生物反应器来培养微藻，但这项技术目前还未达到大规模实用化的阶段。有些海洋异养微藻可以通过发酵进行培养，也是一种生物反应器技术，美国有公司利用发酵法培养异养微藻，生产EPA和DHA，已经达到工业化生产的阶段。

2.3海洋生物活性物质分离纯化和产品制备技术

开展海洋生物活性物质的研究，其最终目的是将其开发成产品投放市场，因此海洋生物活性物质的分离、纯化及产品制备等技术，是海洋生物活性物质的重要研究领域，也是目前国内生物活性物质研究开发中最迫切的需要。

近年来，有许多新的、先进的技术应用于海洋生物活性物质的分离、纯化及产品制备过程中，如超临界流体萃取、双液相萃取、灌注层析、分子蒸馏、膜分离等现代分离技术，提高化合物活性的分子修饰、组合化学技术，加速药物研制的计算机辅助药物设计技术等[22～24]。上述技术有的已经在国内海洋生物活性物质研究与开发中得到了应用，如超临界CO2萃取技术已用于海洋生物中脂类和高度不饱和脂肪酸的分离提取，分子蒸馏技术已经在海洋鱼油制品的生产中得到了应用；以分子修饰提高天然产物的生理活性的例子则更多[25]。近十几年来，我国已经有一大批海洋药物和海洋保健食品投放市场，如PSS，硫酸软骨素，脱溴海兔毒素，头孢菌素，玉足海参素渗透剂，鱼油胶囊，β胡萝卜素等，这些产品都是通过对海洋生物中天然存在的活性物质的提取、分离、纯化等过程而研制得的，其中有些经过化学修饰，进一步提高了其作用效果。

4.研究发展前景

虽然对海洋生物活性物质的研究与开发正在如火如荼的进行，但仍面临一系列的疑难和技术问题。例如，虾青素是鲑科鱼类商品化养殖中最常用的类胡萝卜素，被普遍地用于鱼饲料中，又是目前鲑科鱼饲料中最贵重的成分，其价值高达饲料总价值的20％。但是饲料中的虾青素在大西洋鲑和虹鳟鱼肉的沉积着色率仅为4％～17％。虾青素成本高但有效利用率低，是鱼类营养学研究亟待解决的难题之一[15]。

大多数海水鱼类缺乏合成HUFAs的关键酶一一△6去饱和酶或该酶

活性很低，不能像淡水鱼类那样将亚油酸(Linolic acid，LA，18：2n一6)和OL一亚麻酸(OL—linolenicacid，ALA，18：3n一3)分别去饱和及延长生成AA、EPA和DHA或合成不能满足其需要，只能从鱼粉饲料中摄取[27]。因此,利用现代分子生物学技术,开辟EPA和DHA的新来源,增加产量,扩大应用,促进研究,也是一项重要任务。比如，进行筛选优良海洋真菌破囊壶菌的DHA合成突变株，克隆破囊壶菌DHA合成关键酶基因，进而在酵母真核表达系统中表达这样的尝试[17~19]。如果把供体和受体合成HUFAs的去饱和酶研究清楚．然后克隆A6去饱和酶的基因，在A6去饱和酶缺陷型动物如海水鱼体中表达，使其自行调节合成所需的HUFAs，将对开发新的资源，发展可持续的健康生态养殖具有深远的意义[27]。

为加快我国海洋生物活性物质研究和开发的速度，应增加经费支持，国家和地方政府应加大资金投入，相关企业从自身利益出发也应给予充分的重视，提前介入有关的研究与开发；全国应建立相应的海洋生物活性物质研究开发中心，中心既要有较高水平的研究技术队伍，又要配备比较先进齐全的设备；要发挥高校、科研院所和生产企业三方面优势，共同努力，加快培养相关的研究技术人才，同时要吸引更多从事本领域研究和开发的留学人员归国参与该领域工作；建立全国从事海洋生物活性物质研究开发的协调组织和全国海洋生物活性物质数据库[22、26]。随着科学技术的发展，现有的技术将不断完善，新的技术会不断出现，将带动海洋生物活性物质的研究与开发以更快的速度发展。

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