南極磷蝦資源開發(fā)利用的思考

南極磷蝦資源開發(fā)利用的思考

磷蝦是多種多年生海洋浮游生物。它屬于節(jié)肢動物門、甲殼類和磷蝦科。身體看起來像個小蝦，長1.2厘米，最大長7厘米。身體透明，眼睛柄、腹部、胸部和腹部附屬部的基質(zhì)都有球形發(fā)光器，可以產(chǎn)生磷酸。磷蝦喜于群居生活,一般生活在海洋表層(≤100m),個別種類(如冰磷蝦等)在水深4000m處也有發(fā)現(xiàn)。它們是南極海域重要的物種之一,通常以捕食浮游動植物為食。同時,它們也是各種魚、鳥和鯨(特別是藍(lán)鯨和長須鯨)等動物的食料。磷蝦資源豐富,約有11種,以南極大磷蝦(EuphausiasuperbaDana)數(shù)量最多,長臂櫻磷蝦(Thysanoessamacrura)和晶磷蝦(Euphausiacrystallorophias)次之。據(jù)最新預(yù)測數(shù)據(jù),南極約有6.5~10億t的磷蝦資源,幾乎整個南極海域都有分布。其中科斯舍(Scotia)海域的磷蝦最多,生物總量約為2.72×107t,覆蓋海域面積1.11×106m2;南極半島海域、東德雷克海峽海域及南奧克尼群島海域的磷蝦資源也較豐富。隨著遠(yuǎn)洋漁業(yè)不斷發(fā)展,已有多個國家進(jìn)行南極磷蝦捕撈。以瓦努阿圖、日本和韓國的磷蝦捕獲量最大,尤其是瓦努阿圖,2004-2005年的生產(chǎn)量已為48389t。中國近海已報告共發(fā)現(xiàn)20多種磷蝦。在臺灣海峽西部海域發(fā)現(xiàn)12類磷蝦,其中以中華假磷蝦(Pseudeuphausiasinica)、寬額假磷蝦(Pseudoeuphausialatifrons)和小型磷蝦為主要種。在南黃海和東海陸架區(qū)共發(fā)現(xiàn)9種磷蝦,其中太平洋磷蝦(Euphausiapacifica)最多,其最高豐度大于1000尾/m2,其次是中華假磷蝦和寬額假磷蝦。據(jù)統(tǒng)計,這3種優(yōu)勢種磷蝦的數(shù)量占了該區(qū)域所有磷蝦數(shù)量的97.78%。由于磷蝦具有生物量大、分布廣等特點(diǎn),越來越多的研究者開始關(guān)注磷蝦的開發(fā)利用價值。目前,對磷蝦的研究集中在南極磷蝦的開發(fā)應(yīng)用,特別是南極磷蝦消化酶、脂類、肌肉蛋白等物質(zhì)開發(fā)應(yīng)用方面,本文將針對近年來南極磷蝦生物資源利用的研究現(xiàn)狀做以下介紹。1南果磷蝦的脂肪特性一直以來,海產(chǎn)品具有高蛋白、低脂肪及豐富礦物質(zhì)元素等特點(diǎn),受到人們推崇。從表1可以看出,南極磷蝦具有典型的高蛋白、低脂肪的特點(diǎn),含量分別為16.31%和1.3%。并且磷蝦礦物質(zhì)含量豐富,為2.76%,高于日本對蝦(1.6%)、蛤蜊(2.2%)等多種海產(chǎn)品。1.1美國磷蝦蛋白主要營養(yǎng)成分測定磷蝦肌肉中的蛋白質(zhì)含量豐富,可占其鮮質(zhì)量的16.31%。且其蛋白水解產(chǎn)物中氨基酸種類豐富,含有18種氨基酸(表2),其中包含人體所需的8種必需氨基酸。其中,谷氨酸含量最高,賴氨酸次之。賴氨酸作為必需氨基酸之一,其在磷蝦肌肉中的含量比虎紋蝦、金槍魚中的還高。另外,由表2可得出南極磷蝦所含的必需氨基酸(EAA)占氨基酸總量(TAA)的45.28%,必需氨基酸(NEAA)與非必需氨基酸的比值為82.74,這一比值滿足FAO/WHO推薦的理想蛋白質(zhì)模式(EAA:TAA≈40%,EAA:NEAA≥60%)。Chen等也對磷蝦蛋白水解產(chǎn)物進(jìn)行分析,得出南極磷蝦蛋白所含的必需氨基酸含量滿足FAO/WHO/UNU1985推薦的成年人對蛋白的攝取要求。因此,南極磷蝦所含的蛋白質(zhì)具有較高的營養(yǎng)價值。目前,回收磷蝦蛋白質(zhì)常用的等電點(diǎn)溶解/沉淀方法。Gigliotti等對用此方法回收的磷蝦蛋白質(zhì)進(jìn)行動物(雄性小白鼠)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)磷蝦蛋白質(zhì)量檢測(消化率、生物學(xué)價值、凈蛋白利用率等)結(jié)果與酪蛋白沒有顯著差異,能有效促進(jìn)小白鼠生長。1.2脂肪酸及微量元素南極磷蝦中的脂類相比于蛋白質(zhì)來說含量較少,粗脂肪約為1.30%(鮮樣)。磷蝦脂類中,以極性脂含量最高,甘油三酯次之,分別為總脂肪的56%~81%和12%~38%。甾醇在南極磷蝦中較少(約占4%~7%),其中80%~100%甾醇為膽固醇。南極磷蝦脂類所含的脂肪酸種類多,且多為不飽和脂肪酸。從表3可看出,不同種類磷蝦其脂肪酸分布差異較大,E.frigida含飽和脂肪酸最多,E.tricantha所含單不飽和脂肪酸最多,而E.superba則是多不飽和脂肪酸最多。并且E.superba、E.tricantha及T.macrura都沒有12:0類脂肪酸,而E.superba還缺乏20:4(n-6),T.macrura還缺乏18:5(n-3)和18:5(n-3)2類脂肪酸。另外,T.macrura中14:0類脂肪酸含量遠(yuǎn)高于其他種類南極磷蝦,為15.3%。而E.superba所含的二十碳五烯酸(EPA,20:5(n-3))相比于其他種類磷蝦最多,占總脂肪酸含量的15%~20.5%;二十二碳六烯酸(DHA,22:6(n-3))在E.tricantha中最多,為13.5%~15.6%。EPA和DHA,分別含有5個和6個不飽和鍵,這種特有的結(jié)構(gòu)賦予其對人類健康有特殊的作用,它可以預(yù)防心腦血管疾病、炎性反應(yīng)疾病、惡性腫瘤、癡呆癥、糖尿病、視力減退等6大疾病。一般在墨魚、小黃魚、鯽魚以及魚卵等中EPA和DHA含量高,尤其是在深海冷水區(qū)域的魚中。且在魚油中,它們主要以甘油三酯或脂肪酸乙酯形式存在;而在南極磷蝦油中,EPA和DHA主要存在于磷脂中。施佳慧等研究發(fā)現(xiàn),磷蝦油能有效降低大鼠血清總膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白膽固醇水平,從而達(dá)到降低血脂,預(yù)防冠心病、動脈粥樣硬化等疾病。此外,Maki等利用南極磷蝦油對肥胖人群進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)磷蝦油能增加肥胖人群血液中EPA和DHA的濃度。在連續(xù)服用磷蝦油(2g/d)4周的人血漿中EPA和DHA的濃度較之未服用增幅為178μmol和90μmol,明顯高于服用鯡魚油(2g/d)的增幅(131.8μmol和149.9μmol)及服用橄欖油(2g/d)的增幅(2.9μmol和-1.1μmol),說明了磷蝦油在人體中具有很好的吸收性。且經(jīng)測定,磷蝦油沒有產(chǎn)生任何毒副作用。1.3礦物質(zhì)元素南極磷蝦還含有豐富的礦物質(zhì)元素,磷蝦全蝦中含量為3.37%,蝦肉中為2.36%,包括鈣、磷、鐵、鋅、硒等。如表4所示,南極磷蝦含有鎂333.20mg、鈣1334.7mg和磷1415.17mg,這3種礦物質(zhì)元素均滿足美國農(nóng)業(yè)部推薦的人類各個年齡階段每日膳食營養(yǎng)素供給量。另外。孫雷等測得100g磷蝦肌肉(干樣)中硒含量為340.5μg。硒作為人體重要的礦物質(zhì)元素,幾乎全部來自食物。中國營養(yǎng)學(xué)會推薦成年人日攝入量為100~240μg,因而南極磷蝦的硒含量能夠滿足人體對該元素的需求,可作為硒的良好來源。南極磷蝦除了含有豐富的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、EPA和DHA之外,磷蝦眼球中還含有VA,但相關(guān)報告較少。2蝦青素和甲殼素南極磷蝦不但營養(yǎng)物質(zhì)豐富,還含有多種活性物質(zhì),如蛋白消化酶、類胞菌素氨基酸等。其中研究最早的是磷蝦體內(nèi)的消化酶,而類菌孢素氨基酸、蝦青素和甲殼素是近幾年才開始研究的,目前已取得一定的成果。接下來將逐一對這幾方面的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。2.1磷蝦消化酶系統(tǒng)南極磷蝦體內(nèi)存在高效的消化系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠降解各種蛋白質(zhì)、多糖,并且降解迅速。這種高效的酶系統(tǒng)引起了人們的極大興趣。研究發(fā)現(xiàn),南極磷蝦消化酶系統(tǒng)主要分布于磷蝦的胃及肝臟中,包括8種酶:3種絲氨酸類胰蛋白酶、1種絲氨酸類胰凝乳蛋白酶、2種羧肽酶A、2種羧肽酶B。消化酶能夠迅速降解各種蛋白質(zhì)、多糖,甚至在較低溫度下它們?nèi)跃哂兴饣钚?。Sj.o.dahl等發(fā)現(xiàn)胰蛋白酶樣絲氨酸蛋白酶在37℃時催化肌血球素的效率比牛胰蛋白酶高出12倍,在1~3℃時高出60倍。除了良好的活性,磷蝦蛋白酶表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性。甚至在45℃下儲存60d仍有40%的活性。磷蝦蛋白酶作為一種高效的復(fù)合酶,能夠有效地去除壞死組織碎片,纖維蛋白及血痂等。Mekkes等的研究表明,南極磷蝦酶制劑在去除壞死組織方面的效果非常好,遠(yuǎn)高于醫(yī)學(xué)上常用的生物制品如木瓜蛋白酶、纖溶素/核酸酶等。相比于蛋白酶,對糖酶和酯酶的研究則較少。1985年,Turkiewicz等在南極磷蝦中首次提取出葡聚糖水解酶。它能夠依靠自由巰基打開(1→3)-β-和(1→4)-β-連接,從而達(dá)到降解木聚糖、酵母甘露聚糖、海藻淀粉等含有這兩種連接形式的物質(zhì)。Turkiewicz等在南極大磷蝦胃內(nèi)提取出另一類糖酶——木聚糖酶(endo-1,4-β-xylanasesA和endo-1,4-β-xylanasesB),并發(fā)現(xiàn)該酶在37~40℃,pH5.7~6.0時活性最高,且具有熱不穩(wěn)定性。另外,磷蝦消化系統(tǒng)中酯酶主要由位于磷蝦消化道中的一種假交替單胞菌屬嗜冷細(xì)菌產(chǎn)生。Ciesliński等在南極磷蝦中提取出酯酶,發(fā)現(xiàn)它可以降解短鏈和中鏈脂肪酸(C4~C10),并且,酯酶能夠在pH9~11.5下保持穩(wěn)定的催化活性,但是,其活性將被銅離子(Cu2+)、鎂離子(Mg2+)、鈷離子(Co2+)所抑制,而被鈣離子(Ca2+)激活。2.2磷蝦體內(nèi)maas的分布類菌孢素氨基酸(mycosporine-likeaminoacids,MAAs)是一大類以環(huán)己烯酮為基本骨架,與不同類型氨基酸通過縮合作用形成的水溶性物質(zhì)。它具有吸收紫外輻射、減少細(xì)胞受到UVR損傷的功能,廣泛存在于海洋細(xì)菌、藍(lán)藻及真核藻類等多種生物中。一些生物也因以藻類等為食而在體內(nèi)積累了MAAs。在南極磷蝦中也同樣發(fā)現(xiàn)了MAAs。研究表明,從食物中獲得的MAAs能夠在磷蝦體內(nèi)存在較長的時間(約35d)。并且磷蝦體內(nèi)的MAAs種類與其食物(藻類)生長環(huán)境相關(guān)。以在光照400~750nm下生長的藻類為食的磷蝦,其體內(nèi)含有較多的porphyra-334;而以在光照280~750nm下生長的藻類為食的磷蝦,其體內(nèi)卻含有較多的類菌孢素-甘氨酸:纈氨酸。2.3蝦青素酯系蝦青素酯類蝦青素,學(xué)名3,3′-二羥基-4,4′-二酮基-β,β′-胡蘿卜素,是類胡蘿卜素的一種,易酯化。蝦青素具有抗氧化活性,其清除自由基的能力是β-胡蘿卜素的10倍以上。此外,蝦青素還可預(yù)防糖尿病、腎病、增強(qiáng)免疫力、促進(jìn)生長繁殖。磷蝦體內(nèi)含有一定量的蝦青素,主要在甲殼中,約3~4mg/100g。它在磷蝦中主要以蝦青素,蝦青素單酯,蝦青素雙酯的形式存在。Takaichi等發(fā)現(xiàn)在磷蝦蝦青素酯中脂肪酸成分包括5種,分別是C12:0、C14:0、C16:0、C16:1、C18:1。按照蝦青素兩端的羥基的旋光性分,蝦青素及其酯化物可分為3S-3′S-蝦青素(左旋)(60%~70%)、3R-3′S-蝦青素(消旋)(10%~20%)、3R-3′R-蝦青素(右旋)(10%~20%)。2.4降血糖的作用甲殼素又稱為甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì),主要存在于甲殼類動物中。它具有多種醫(yī)藥功能,如強(qiáng)化免疫功能、抑制癌細(xì)胞、降低膽固醇、降血壓及降血糖等作用。磷蝦甲殼中含有大量的甲殼素。并且磷蝦個體小、蝦殼薄,易于從中提取出甲殼素。姚宏亮從南極磷蝦中提取出甲殼素,經(jīng)過鑒定,磷蝦甲殼素產(chǎn)品為白色(淡紅色)粉末,其中灰分占0.35%,鈣含量2.02%,pH7.3~7.4,脫乙酰度為90%,此指標(biāo)已符合醫(yī)藥食品級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。3氟離子及銅離子去除南極磷蝦已成為人類食物資源的重要開發(fā)對象之一,其食用安全性也越來越受到人們的注意。表4列出南極磷蝦所含的重金屬種類及其含量,南極磷蝦中鉛和汞的含量都是低于定量限的;且南極磷蝦中砷含量和鎘的含量分別是0.0029(mg/100g)和0.0021(mg/100g),它們都低于我國對食品中砷和鎘的限量規(guī)定(分別是1.0mg/100g和0.1mg/100g),因而南極磷蝦從重金屬污染層面來說是安全的。但經(jīng)檢測南極磷蝦中存在一些其他方面的隱患——高濃度的氟離子和銅離子。首先,南極磷蝦外殼具有富集海水中氟的功能部位,因而磷蝦含有大量的氟。據(jù)檢測,南極磷蝦肌肉中氟含量為178~285μg/g干樣,甲殼內(nèi)氟含量最高,其含量能達(dá)到4078μg/g磷蝦干樣。根據(jù)中國營養(yǎng)學(xué)會推薦,成年人每天應(yīng)攝取氟1.5~3mg,南極磷蝦體內(nèi)氟含量已超過人體的適宜范圍。若直接用南極磷蝦開發(fā)的食品中氟含量較高,會影響人類健康。因此,需要采取一定的措施降低氟含量。但針對南極磷蝦中氟離子去除的相關(guān)研究未見報道。目前氟離子的去除技術(shù)主要用于水處理,且方法多、效果好,氧化鋁、活性炭等均能去除氟離子。楊磊等開發(fā)的稀土粉煤灰吸附劑,其去除水中氟離子能力能夠達(dá)到90%以上。因而,去除磷蝦中的氟離子是個不難克服的問題。另外,南極磷蝦中銅離子含量過高,Moren等測得磷蝦全蝦(干樣)中銅含量為5.2mg/100g,磷蝦肌肉中銅離子含量為0.5mg/100g。據(jù)我國食品中銅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水產(chǎn)類食品中的銅限量為5mg/100g,南極磷蝦肌肉中銅離子含量符合正常人體對其的需求,而磷蝦全蝦中銅離子含量相對較高。因此,在開發(fā)南極磷蝦時,其全蝦中銅離子含量過高帶來的安全問題將是必需考慮的因素之一。但是目前銅離子去除的技術(shù)已比較成熟,例如王清萍等利用稻米殼去除銅離子;彭艷春等利用表面活性劑復(fù)配體系去除銅離子等。楊志華等利用煤灰開發(fā)的銅離子去除劑,去除銅廢水中