海洋头足类墨汁中活性成分的研究进展

杨贤庆,杨丽芝,2,黄 卉,李来好,邓建朝,吴燕燕,戚 勃

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,农业部水产品加工重点实验室,国家水产品加工技术研发中心,广东广州 510300;2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

海洋头足类墨汁中活性成分的研究进展

杨贤庆1,杨丽芝1,2,黄 卉1,李来好1,邓建朝1,吴燕燕1,戚 勃1

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,农业部水产品加工重点实验室,国家水产品加工技术研发中心,广东广州 510300;2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

海洋头足类如鱿鱼、乌贼等的加工副产物墨汁中具有黑色素、多糖、肽类物质等多种活性成分。本文主要简述了海洋头足类墨汁中各活性成分的提取方法及其功能活性等方面的研究进展,以期为海洋生物活性物质的开发利用提供参考。

头足类,墨汁,活性成分,进展

我国幅员辽阔,海岸线延长,在海洋药物开发和海洋资源利用方面具有悠久的历史,头足类生物作为生物医药的来源已得到广泛应用[1-3]。头足类属软体动物门,其中柔鱼科、乌贼科、枪乌贼科和蛸科是其主要种类,乌贼、鱿鱼、章鱼、船蛸、鹦鹉螺和墨鱼均属头足类[4-5]，头足类资源丰富，有资料显示南海深海头足类的潜在可捕捞量295.1×104t[6]。近年来,随着海洋生物医学的发展,对头足类加工副产物墨汁的研究逐渐深入。墨汁是一种粘稠的混悬液,由肉眼看不见的黑色颗粒构成,其中含有丰富的黑色素、蛋白质、多糖、酶、多肽和萜类等活性物质,主要活性成分是黑色素和蛋白多糖复合体,具有抗衰老、抗肿瘤、抗氧化和增强机体免疫力等功能[1],对头足类副产物的开发利用现已成为研究开发的热点。本文主要论述了墨汁中的黑色素、多糖、肽类等物质的提取及活性研究进展,以为墨汁的开发利用及活性物质的研究提供理论依据。

1 头足类墨汁中的主要活性物质

经国内外研究发现,头足类墨汁中含有丰富的活性物质如黑色素[7]、多糖类[8]、肽类物质[9]、蛋白酶类和萜类物质[10],另外还有一些氨基酸、微量元素和维生素[11]等,而目前研究最多的活性物质是黑色素、多糖类和肽类物质。

1.1 黑色素

天然黑色素含有稳定的自由基,由吲哚单体聚合而成,能够吸收由紫外和可见光引起的辐射,是一种天然的内源性生物聚合体,能够保护生物体免受辐射伤害[12],并具有抗菌和抗病毒的生理功能[13]。另有研究发现,乌贼墨黑色素因其特有的结构稳定性还可用于化妆品眼影和睫毛膏中,并且优于一般合成的化妆品[14]。

1.1.1 结构 在海洋头足类中墨汁的研究以乌贼、鱼为主,其中对乌贼墨汁的研究最多。黑色素是吲哚醌的多聚物,化学性质极稳定。李兴旺等[15]利用红外和紫外光谱技术,证实鱿鱼墨黑色素是以吲哚结构为主体的异聚物,宋茹等[16]采用光谱分析法对鱿鱼墨黑色素的理化性质进行研究,得出鱿鱼墨黑色素具有典型的红外吸收特点,在紫外区220 nm处有特征吸收,在1617.36 cm-1处有红外光谱最强吸收峰,而后进一步研究得出鱿鱼墨黑色素在红外光谱1617.35 cm-1和3384.54 cm-1处具有较强吲哚环结构归属的吸收峰[17]。陈士国[7]等人研究得到鱿鱼黑色素主要与一些蛋白组分及金属离子如钙、镁、钠、钾等微量金属元素结合,少有游离存在。

田丽[18]等应用原子力对中国枪乌贼和虎斑乌贼的墨汁进行扫描观察,并且分析了墨汁的颗粒度,得出枪乌贼和虎斑乌贼墨汁颗粒均呈圆形或长方形,但颗粒大小与表面积因乌贼种类大小而稍有不同。李和生[19]等应用电镜技术对乌贼墨黑色素超微结构进行研究,结果表明,墨色素是由黑色素单体堆积而成,其单体颗粒呈圆形,表面清晰光滑,平均直径约118 nm。

1.1.2 活性 黑色素不仅能抗辐射、抗氧化、抗衰老,还可提高机体免疫、促进骨髓造血,具有多种生理功能[20]。雷敏等人[21]通过研究鱿鱼墨黑色素对小鼠免疫机能的调节作用,得到鱿鱼墨黑色素可显著提高免疫低下模型小鼠的各种指标,如小鼠的脾及胸腺指数、血清溶血素水平(HC50)等,另外,还可促进小鼠NK细胞活性及巨噬细胞吞噬能力,因此鱿鱼墨黑色素可显著调节机体特异性与非特异性免疫机能,从而促进机体更好的协同工作。

陈士国等[7]利用高速离心法提取黑色素,并测定自由基的清除能力,得出鱿鱼墨黑色素具有较强的自由基清除能力,而对黑色素铁的清除能力稍弱。甄天元[13]等研究了鱿鱼墨黑色素对亚急性衰老模型小鼠抗氧化功能的影响,灌胃后测定鼠肝脏中总谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性,以及皮肤中羟脯氨酸(HYP)和脑脂褐质(LIP)、丙二醛(MDA)含量,结果得出鱿鱼墨黑色素对抗氧化与抗衰老具有显著作用。研究还得出黑色素可提高组织中胶原蛋白的含量,间接对皮肤细胞的增长与代谢具有一定的调节作用。

1.1.3 提取方法 黑色素的提取方法主要有酸法、高速离心法、酶法与微波辅助法等,其中酸法反应剧烈,对品质会有影响,而高速离心法则只能去除水溶性杂质,酶法较温和,且能得到更多较纯较完整的产物,且能有效去除与黑色素结合的蛋白质、脂类物质粘多糖。最新研究表明将酶法与微波辅助相结合不仅可保持酶法提取的优势,还能显著提高其提取率。李晓等[20]以金乌贼墨汁为材料采用单因素实验研究黑色素提取的工艺条件,比较分析了胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、中性和碱性蛋白酶的提取效果,最终得出碱性蛋白酶的提取效果较好。宋茹等[17]首先以水解度为指标测定了上述几种酶对鱿鱼墨的水解效果,选出水解能力最强的胃蛋白酶为实验用酶,在单因素实验的基础上采用正交实验得到优化的酶解条件为:反应时间5 h、pH1.5、加酶量1.5%、酶解温度37 ℃。

1.2 多糖类物质

多糖是由许多单分子糖通过糖苷键连接形成的一种大分子量的生命物质,具有较高的营养价值和生物活性。近年来,由于海洋药物的发展,对海洋生物活性物质的提取逐渐引起人们的重视。经研究发现海洋生物头足类墨汁具有多种活性,多糖是主要的活性物质。

1.2.1 结构 多糖是由许多单糖分子以苷键结合成的天然高分子化合物,大部分为无定形粉末,没有甜味,无一定熔点,不易溶解于水,难溶于醇、醚、氯仿、苯等有机溶剂中。多糖所具有的生物活性与其结构密切相关。大量研究表明,向多糖分子上引入化学基团可增强其原有的活性[22-24]或产生新的活性[25-26],而多糖的硫酸化是多糖类药物研究中常用的修饰方法之一。乐小炎[27]等分离纯化重均分子量为37 ku左右的墨多糖,其中硫酸根含量为3%。

1.2.2 活性 墨汁中多糖类物质具有多种活性,如抗氧化[28]、抗菌、防腐保鲜、抑制肿瘤细胞的生长繁殖[8]。研究人员从乌贼墨中分离纯化出墨多糖进行体外抗氧化实验,以DPPH自由基、·OH的清除力和Fe3+还原能力为指标,测定墨汁多糖的抗氧化能力,最终得出乌贼墨多糖具有较高的抗氧化和还原能力,且与多糖的浓度呈正相关[29-30]。墨多糖还具有防腐保鲜作用,吴金龙[31]等研究了乌贼墨多糖对冷藏鱿鱼的防腐保鲜作用,从乌贼墨汁中提取多糖作用于低温处理的鱿鱼,通过测定细菌总数、pH以及挥发性盐基氮来探讨其防腐效果,结果得出乌贼墨多糖具有很好的防腐抗菌作用。

从上世纪开始,国内外很多研究者对多糖的抗肿瘤机制进行了大量研究,研究结果表明,多糖抗肿瘤活性主要通过下调MMPs的活性[32]、干扰信号转导途径[33]、抑制HPA的活性及抑制肿瘤细胞點附和侵袭[34-35]、激活宿主免疫功能[36-37]及抑制血管生成[38]等方式达到抗肿瘤的效果。宗爱珍[39]通过对曼氏无针乌贼(Sepiella maindronni)墨多糖的研究,得出墨多糖的硫酸化衍生物SIP-S,在体内可显著抵抗肿瘤的生长转移,从而达到治疗肿瘤的目的,进一步研究发现SIP-S是通过调节凋亡相关蛋白和细胞黏附分子的表达,同时抑制乙酰肝素酶的活性来抑制肿瘤细胞的生长和转移。CHEN[40]从乌贼墨中提取多糖类物质,通过观察细胞的增殖、癌细胞的迁移及体外血管的生成,最终得出多聚糖类物质具有抑制癌细胞入侵和血管生成的作用。曹露[41]研究发现,鱿鱼墨多糖对由环磷酰胺导致的小鼠肠道黏膜上皮细胞的损伤具有显著的保护作用,其作用机制为墨多糖通过促进小鼠的肠粘膜SIgA的分泌而起作用,且呈剂量依赖关系[42]。乌贼墨多糖还可抑制由环磷酰胺引起的白细胞和血小板的减少[43],对环磷酰胺引的造血系统的损伤也具有保护作用[44]。乐小炎[27]等研究得出乌贼墨多糖对由环磷酰胺引起的睾丸的损伤具有明显保护作用。同时,乌贼墨多糖也可缓解由环磷酰胺引起生育能力损伤和精子畸形[45]。

1.2.3 提取方法 多糖是具有很高营养价值和生物活性的天然混合物,传统的提取方法很多,有水提醇沉法、酸碱法、薄膜浓缩法等,这些方法提取率低,操作流程复杂,且周期长。随着科学技术的发展,一些新的技术应运而生,酶法微波辅助提取法、超声提取法、超高压提取法、膜分离技术逐渐代替传统的提取方法[46],而在实际的操作过程中,会根据不同的原料选取不同的方法,往往采取多种技术的联合使用。在墨多糖的分离纯化过程中常采用酶法结合其他方法进行分离纯化,然后在此基础上根据原料特点优化最佳的料液比、温度、加酶量、pH及底物浓度,从而提高多糖的提取率。

乐小炎[27]等采用超声波结合酶法提取乌贼墨多糖,超声波处理与木瓜蛋白酶水解结合,乙醇沉淀后得到粗多糖,进一步采用SephdexG-100柱分离纯化得到一种含3%硫酸根的多糖,分子量约为37 ku。

1.3 肽类物质

1.3.1 结构 丁国芳[47]等先用胰蛋白酶酶解乌贼墨,然后将酶解液超滤、G-25分子筛凝胶层析分离纯化,再用高效液相检测纯度,得出此寡肽的N端氨基酸序列是:Gln-Pro-Lys,得率为1.82%。郑玉寅[48]等从乌贼墨中分离得到肽聚糖,并进一步分离纯化得分子量约为130 ku灰白色粉末状肽聚糖,并测得含16种氨基酸,其中Glu和Asp含量最多。

1.3.2 活性 墨汁中的活性物质通常不具单独作用能力,而是通过与其他物质结合而产生活性。已有研究人员从乌贼墨中分离出一组具有抗肿瘤活性的肽聚糖:SIPG02-A,SIPG02-B,SIPG02-C[49]。肽聚糖是一种多糖和氨基酸的聚合物,研究发现乌贼墨肽聚糖氨基酸含量丰富,含有16种氨基酸且Glu和Asp含量达5.64%和3.85%[50]。乌贼墨汁中的肽聚糖还具有抗肿瘤、抗病毒、促凝血[51]等功能,王曦[52]等从乌贼墨中分离纯化出肽聚糖,并采用淋巴细胞增殖实验法(MTT法)测定了荷瘤小鼠巨噬细胞的吞噬率,吞噬指数和杀菌率,得出肽聚糖对小鼠S180肉瘤和H22肝癌具有明显抑制作用,且与剂量呈良好的正相关,平均抑制率约为55.3%～62.6%。

郑玉寅[48]在从乌贼墨中提取肽聚糖,并通过大量的体外实验证实肽聚糖可通过基因诱导来抑制癌细胞的生长。黄芳芳[53-54]等对乌贼墨的寡肽进行分离纯化,得到活性寡肽通过控制细胞周期(S和G2/M),进而抑制前列腺癌细胞LNCaP和DU-145的增殖,另外通过加强SubG1和G0/G1阶段来调节PC-3细胞的生长,并与剂量呈正相关。

1.3.3 提取方法 王曦[52]等从乌贼墨中分离纯化肽聚糖时,采用丙酮于-20 ℃脱脂,然后离心沉淀、冷冻干燥,再用0.1 mol/L Tris-HCl缓冲液(pH6.8)在4 ℃作用72 h,离心后将上清液进行透析、浓缩、冷冻干燥,再采用DEAE-Sephacl离子交换柱纯化得到肽聚糖。丁国芳[47]等先用胰蛋白酶酶解乌贼墨,然后将酶解液超滤、G-25分子筛凝胶层析分离纯化,再用高效液相检测纯度,得出此寡肽的N端氨基酸序列是:Gln-Pro-Lys,且得率为1.82%。郑玉寅[48]等采用水提醇沉法分离纯化乌贼墨中肽聚糖时,首先进行丙酮脱脂,然后采用Tris-HCl缓冲液进行提取,再用无水乙醇进行沉淀,沉淀物 Sevag试剂除蛋白,再将粗提物超滤和离子交换柱分离纯化,最后得到纯度较高的肽聚糖。

1.4 酶类物质

2 墨汁中其他活性成分及营养成分

墨汁中除了含有上述的活性成分外,还含有多种营养成分,陈小娥等[11]对曼氏无针乌贼墨营养成分进行分析,得到乌贼墨中含有16种氨基酸、10.08%蛋白质和9种脂肪酸以及一些Mg、Ca、Zn、Fe等矿物质元素。郑小东等[58]在原有方法基础上采用液相色谱对乌贼墨维生素、矿物质元素、氨基酸等进行测定,结果得出乌贼墨汁中粗蛋白9.18%、脂肪0.97%,另外还含有丰富的Mg、Ca、K、Na等常量矿物元素及Fe、Sr、Al等微量元素,其中墨囊中高浓度的锶在骨骼生长过程中同样起着不可或缺的作用。除此之外,墨汁中还检测到了17种氨基酸(其中包括7种必须氨基酸和2种半必须氨基酸)、1种脂溶性维生素(VA)和4种水溶性维生素(B1、B2、B5、B6)。

3 展望

头足类生物墨汁中含有多种活性物质,更具有多种功能活性,随着海洋生物医学的发展,可从墨汁中提取活性物质应用于医学药物中,造福于人类。然而,目前对于墨汁的研究还局限于一定的水平,例如,研究比较笼统,不够细致,对于墨汁活性研究较多而对于活性物质的种类结构研究较少,对活性成分构效关系没有深入研究。研究的热点主要集中于黑色素和多糖物质的研究,而其他活性物质涉及较少。与此同时,墨汁中活性物质的分离纯化技术还不够完善,物质分子结构还需进一步的解析,相信随着对头足类墨汁研究的深入,未来墨汁中的活性成分能广泛应用于海洋生物医学,造福于人类。

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Research process in the active ingredients in the ink of Marine cephalopod

YANG Xian-qing1,YANG Li-zhi1,2,HUANG Hui1,LI Lai-hao1,DENG Jian-chao1,WU Yan-yan1,QI Bo1

(1. Key Laboratory of Aquatic Product Processing,Ministry of Agriculture;National R&D Center for Aquatic Product Processing;South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Science,Guangzhou 510300,China;2. College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The processing by-products,ink in marine cephalopods such as sleeve-fish,cuttlefish,etc,have melanin,polysaccharide,protein,peptides and other active ingredients.The research progress of active ingredients were reviewed in extracting methods and functional activities in the marine cephalopods ink,in order to provide a reference for the development and utilization of marine biological active substances.

cephalopods;ink;active ingredients;research progress

2015-01-13

杨贤庆(1963-),男,学士，研究员,研究方向:水产品加工与质量安全,E-mail:yxqgd@163.com。

农业部财政重大专项(NFZX2013)南海渔业资源调查与评估。

TS254.1

A

1002-0306(2015)21-0390-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.073