海膽營養成分及活性物質研究進展

劉鵬，王文配，王皓，張勁遠

（大連海洋大學，遼寧 大連 116000）

海膽是隸屬于棘皮動物門、海膽綱的海洋無脊椎動物[1]。全球范圍內已發現海膽種類達約850 種，被開發形成經濟規模的種類不足30 種，其中光棘球海膽和蝦夷馬糞海膽等少數幾種為養殖常見的可食用海膽品種[2]。海膽黃即海膽性腺，占海膽總質量的8%~15%，是其主要的可食用部分[1]。海膽富含多種營養物質包括氨基酸、蛋白質、不飽和脂肪酸和微量元素等，且具有多糖、色素等生物活性物質，其中多不飽和脂肪酸在試驗中表現出抗炎、抗腫瘤功能，硫酸巖藻聚糖具備抗凝血、調節糖脂代謝功能。現簡述海膽營養成分及活性物質研究進展，以期對海膽營養成分的發掘及生理功效應用的開發提供參考。

1 海膽營養成分

1.1 氨基酸與蛋白質

海膽性腺氨基酸含量豐富，種類達17 種，包括9 種必需氨基酸和8 種非必需氨基酸[3]。徐華等[1]測得所采集光棘球海膽與中間球海膽性腺必需氨基酸含量，分別占其總氨基酸含量的38.80%和39.61%，符合聯合國糧食及農業組織（FAO/WHO）標準，屬于優質蛋白質。光棘球海膽中甘氨酸含量[（7.01±0.19）%]最高；馬糞海膽谷氨酸含量[（6.36±0.16）%]最高[1]；紫海膽黃粉必需氨基酸中賴氨酸含量[（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]，賴氨酸有助于改善消化吸收；谷氨酸具有生成紅細胞和傳導興奮的作用，有益于維持腦功能；海膽性腺氨基酸為人體提供了營養支持。

海膽的鮮美，主要與海膽性腺中的鮮味氨基酸的含量及組成有關，海膽性腺中常見的鮮味氨基酸有甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸和谷氨酸，甘氨酸和丙氨酸呈甜味，纈氨酸呈苦味，谷氨酸呈鮮味[5]。徐華等[1]檢測了光棘球海膽和馬糞海膽性腺中鮮味氨基酸含量，其分別占總氨基酸含量的40.51%和36.21%，中間球海膽則達到43%以上，性腺鮮美程度更高。

1.2 脂肪及脂肪酸

海膽脂質集中在性腺，鮮海膽性腺中總脂占14%~21%，海膽黃粉脂質占22.70%~37.65%，遠高于大多數海水魚蝦。海膽性腺脂質由磷脂、甘油酯、膽固醇組成，包含18 種脂肪酸，其中34.47%~46.56%為多不飽和脂肪酸（PUFAs）[6]。海膽脂質在抗炎、抗腫瘤、抗氧化等方面有重要作用。

1.2.1 磷脂

中間球海膽性腺脂質主要為磷脂、膽固醇、游離脂肪酸和甘油三酯，光棘球海膽和馬糞海膽性腺總脂以甘油三酯（TAG）和磷脂（PL）為主[6]，磷脂占總脂的40%~50%。王琦等[7]利用高效液相色譜-蒸發光散射法（HPLC-ELSD），測定馬糞海膽性腺磷脂含量為總脂的42.9%。Kalogeropoulos 等[8]利用凝膠成像法，檢測擬球海膽磷脂中磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE），其分別占極性脂含量的83.7%和4.9%。PC 使血漿膽固醇水平降低，可有效預防心腦血管疾病；PE 是神經細胞膜重要組成部分，對增強腦功能、減緩肝硬化有顯著作用，是重要的功能性脂質[9-10]。

海膽中的醚磷脂（醚-PLs）是磷脂的一個特殊亞類，在脂質代謝調節方面具有潛在作用。Wang等[11]在投喂倉鼠的飼料中添加海膽醚磷脂，結果顯示，倉鼠血清特征脂質含量顯著下降。證明了海膽醚磷脂通過改善脂肪生成和血脂異常，對動脈粥樣硬化途徑產生有益影響。這些發現，為開發緩解動脈粥樣硬化性血脂異常的功能性膳食補充劑（海膽醚-PLs），提供理論基礎。

1.2.2 PUFAs

磷脂是海膽性腺的主要脂質，而PUFAs 在海膽磷脂中占據高比例。研究表明[12]，從海膽精子中分離出的磷脂中，PUFAs 占海膽總脂肪酸的33.2%~67.6%；在中間球海膽性腺中表達的甘油磷酸膽堿和甘油磷酸乙醇胺中，PUFAs 占主導。

擬球海膽合成PUFAs 流程如下：擬球海膽含有FadsA、FadsC1 和FadsC23 種去飽和酶，通過去飽和反應“Δ8 途徑”，將α-亞麻酸（ALA）和亞油酸（LA）轉化為二十碳五烯酸（EPA）和花生四烯酸（ARA），故而擬球海膽具有豐富的長鏈不飽和脂肪酸（LCPUFA）、EPA、ARA[13]。該研究有利于進一步了解海膽PUFAs 合成代謝機制。

常見食用海膽性腺富含多不飽和脂肪酸，不飽和脂肪酸占總脂肪酸41%~56%，種類達30 余種[14]，以ARA 和EPA 為主，其中ARA 含量占總脂的16.97%[1]，ARA 是生物體內分布最廣泛且具有重要生物活性的一種ω-6 多不飽和脂肪酸[15]，在維持細胞膜結構和功能方面具有重要作用，并且是人體必需脂肪酸。ARA 代謝網絡是產生炎癥介質并達到抗炎作用的主要網絡。蔡亞瑋等[16]研究發現，當致炎物入侵時，激活了磷脂酶A2 作用于細胞膜表面的ARA，使其游離并產生一系列代謝物，促進抗炎。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，通過ARA 靶向代謝組學，分析檢測小鼠血漿CYP450 途徑代謝物環氧二十碳三烯酸（EETs）變化，發現t-CUPM 抑制EETs失活水解，使其血漿EETs 濃度提高，進而增加EETs 抗炎活性，驗證了ARA 顯著的抗炎作用。

除了抗炎作用外，ARA 對人體也有諸多益處。ARA 也是人體大腦中含量最豐富的多不飽和脂肪酸之一，是構成大腦皮質區磷脂質的重要組成成分。嬰兒大腦固體物質約四分之一是由磷脂質所形成，因此補充必需的ARA，對嬰兒智力發育具有重要作用。高含量的ARA，通過形成膜磷脂來接收視網膜感光體傳遞的信號，因此在視網膜形成中，ARA 也具有十分重要的作用[18]。在神經調節方面，ARA 主要幫助神經系統信息傳遞，作為突觸長時程增強效應表達的信使，對突觸效能的長時程增強（LTP）的表達起著重要的作用，因此ARA 的缺乏，將導致青少年智力低下、中老年人神經系統過早退化。在提高高密度脂蛋白（HDLC）、降低血液中極低密度脂蛋白（VLDL-C）和低密度脂蛋白（LDL-C）方面，ARA 的作用效果顯著，有利于人類心血管健康，并且在一些動物腫瘤試驗中，證實ARA 在體外對腫瘤細胞有明顯的致死作用。因此，膳食中補充ARA，可有效降低腫瘤及癌癥的發生率[19]。

海膽性腺中多不飽和脂肪酸，以長鏈ω-3 多不飽和脂肪酸為主，EPA 和二十二碳六烯酸（DHA）尤為重要[5]。檢測發現[1]，海膽EPA 含量占總脂肪酸的13.33%，DHA 含量占總脂肪酸的2.13%。EPA、DHA在許多炎癥疾病治療上都表現出抗炎作用，與ARA不同的是，EPA、DHA 進一步代謝產物消退素與其抗炎作用有很大關聯，一方面，消退素與其相應受體（ChemR23, GPR32）結合，以達到抑制炎癥信號通路、減弱炎癥因子表達的目的[18]；另一方面，其代謝產物也通過減少白細胞的游走與滲出，減少炎癥遞質的生成，有利于炎癥的消退[20]。EPA 還具有顯著的抗氧化作用。肖寶平[21]用EPA 處理人體肝癌細胞（HepG2）48 h，細胞內活性氧水平降低60%，抗氧化能力提高約70%，主要抗氧化酶的活性及基因表達水平均顯著上升，證明了EPA 提高了HepG2 細胞抗氧化能力；同時發現，線粒體膜電位顯著提高了約3.5 倍，線粒體拷貝數、線粒體編碼基因、轉錄因子、裂變融合因子的表達量均顯著提高，這說明EPA 提高了HepG2 細胞線粒體功能并促進線粒體生物合成，推測EPA 可能通過增強線粒體的生物合成并調控微核糖核酸（miRNA）的表達來響應氧化應激，證實了EPA 的抗氧化活性。除此之外，EPA 和DHA 還是細胞膜磷脂的重要組分，其通過降低膜的相變溫度，賦予細胞膜流動性和壓縮性，使神經傳輸和視覺感受所需的生物膜相變迅速進行，因此，DHA、EPA 在維持生物膜正常生理功能和大腦發育方面有重要作用。

海膽中高含量的ARA、EPA 和DHA，有利于人類補充必需的多不飽和脂肪酸，可廣泛應用于食品、醫藥領域，在制造抗炎藥物方面提供了廣闊的應用前景。

1.3 微量元素

微量元素可維持生物體生命活動和神經系統運作，提高免疫功能和促進骨骼健康等。海膽性腺中含有種類豐富的微量元素，不同種類不同地區略有差異，因海膽中的微量元素來源于海洋食物鏈，所以海膽性腺中微量元素含量，很大程度上也與其所攝食的大型藻類的微量元素含量相對應。以光棘球海膽為例，微量元素含量包括鋅（Zn）、鎳（Ni）、硒（Se）、鐵（Fe）、釩（V）、錳（Mn）、鈷（Co）、鉻（Cr）等。經光譜測定，微量元素含量從大到小分別為：鈣（Ca）、鈉（Na）、Fe、Zn、銅（Cu）、Mn、鎂（Mg），其中Ca、Zn、Na 和Fe 含量較高[22]。除Fe 外，其他元素含量均高于海參。丁海燕等[23]對山東、遼寧的黃海膽性腺微量元素進行測定，發現Zn、Ni 和鍶（Sr）含量占前3，其中Zn 含量最高，為278~865 mg/kg，占所測微量元素總量的28.3%~60.4%。此外，Se 含量為55.8 mg/kg，是優質的微量元素補充膳食食品。Zn 可增強記憶力，延緩腦衰老，提高免疫力，Fe 是血液中運輸、交換氧的必要組分，Ni 協助胰島素發揮作用。Branca 等[24]研究發現，Zn 和Se 增強了超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化酶活性，減輕鎘（Cd）造成的神經元損傷，因此，食用富含Zn 和Se 等微量元素的海膽性腺，有助于消解體內重金屬累積。此外，Se還可減輕炎癥、產生甲狀腺激素和顯著的抗氧化作用[25]。研究表明[26]，海膽某些微量元素的含量，被用作環境污染指數以及對人類健康風險的評估。

2 海膽活性物質

2.1 海膽多糖

2.1.1 3 種海膽提取的粗多糖

王清池[27]采用葡聚糖凝膠G-75（Sephadex G）系列凝膠過濾柱，分離純化黃海膽、蝦夷馬糞海膽、大連紫海膽性腺多糖，得到ZS-1B、MS-1B、HS-1B、MSGA 和HJ2A 5 種多糖（大連紫海膽熱水提多糖簡稱為ZS；蝦夷馬糞海膽熱水提多糖簡稱為MS，硫酸銨沉淀得到的多糖簡稱為MSG；黃海膽熱水提多糖簡稱為HS，堿提多糖簡稱為HJ），其中MSGA和HJ2A 在經過以RAW264.7 巨噬細胞為體外模型的免疫調節活性測試后發現，海膽多糖MSGA 和HJ2A 通過促進NF-KB 及MAPKs 信號通路中特定蛋白磷酸化，而上調炎癥相關基因表達，具有炎癥刺激作用。

海膽多糖（ZS-1B、MS-1B、HS-1B、MSGA 和HJ2A）還表現出抗2019 冠狀病毒病（SARS-CoV-2）活性。表面等離子體共振（SPR）技術結果表明[27]，5 種海膽多糖均對病毒S-蛋白具強親和力，能競爭性抑制S-蛋白與其功能宿主受體血管緊張素轉化酶2（ACE2）結合，從而阻止病毒進入細胞。

2.1.2 硫酸巖藻聚糖

海膽多糖存在于海膽殼棘及其卵中。Vasseur[28]最早從3 種海膽卵膠膜中提取到膠狀物，含20%~25%蛋白質、70%~80%多糖，后被Segall 等[29]利用凝膠過濾和離子交換層析技術分離得到硫酸巖藻聚糖。硫酸巖藻聚糖具有獨特的L-巖藻糖、硫酸根和巖藻糖支鏈等結構，使其能與各種蛋白質受體特異性結合，因而具有增強免疫、抗腫瘤、抗凝血、抗血栓以及調節糖脂代謝等多種生物學活性。

2.1.3 中性葡聚糖（SEP）

劉純慧等[30]將光棘球海膽性腺用丙酮脫脂處理，后熱水提取、去蛋白、超濾、DEAE 瓊脂糖凝膠（DEAE Sepharose Fast Flow）及快速凝膠過濾層析基質S-400（SephacrylS-400）柱層析純化，得到1 種多糖組分SEP。SEP 是一種中性葡聚糖，無硫酸化。SEP 對小鼠肉瘤（S180）生長影響試驗結果表明[30]，SEP 導致小鼠脾淋巴細胞增殖能力下降，有效抑制了S180 實體瘤生長；同時，與化療藥物環磷酰胺組對比，化療藥物不僅抑制免疫功能，而且會使小鼠脾淋巴細胞增殖能力下降，這充分體現出了提取天然海膽多糖作為抗腫瘤藥物的優勢。

2.2 海膽多肽及蛋白質

2.2.1 海膽多肽

王婷等[31]采用木瓜蛋白酶，對大連紫海膽性腺水解，得到分子質量為1~10 ku 的5 種多肽。其對人類宮頸癌海拉細胞生長影響試驗結果表明[31]，分子質量為1~10 ku 的海膽多肽，均穩定抑制海拉細胞生長，作用機制尚不明確，推測與誘導凋亡有關。在后續對小鼠脾淋巴細胞的影響和對腹腔巨噬細胞吞噬能力的影響試驗結果表明[31]，海膽多肽促進體外脾淋巴細胞增殖、促進巨噬細胞吞噬功能，進一步說明了海膽多肽對特異性免疫和非特異性免疫均具調節功能。

2.2.2 海膽抗菌肽

Li 等[32]最早從綠海膽中提取出抗菌肽Strongylocins 以及Centrocins，并且發現其對革蘭陰性菌、革蘭陽性菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等均具有明顯抗菌作用。周淑紅[33]對蝦夷馬糞海膽抗菌肽經研究發現，Strongylocin1 和Strongylocin2 分別在腸道和體腔液表達量最高，用96 孔板微量二倍稀釋法，測定海膽抗菌肽對大腸桿菌和強壯弧菌的體外抑菌效果，結果表明，不同濃度的抗菌肽，對2 種菌均具有一定的抑菌效果。表明海膽抗菌肽在食品保鮮、醫藥以及農業飼料領域具有一定的應用前景。

2.2.3 海膽抗氧化肽

海膽卵黃蛋白是海膽抗氧化肽的良好來源。商文慧[34]利用in silico 方法，篩選大連紫海膽卵黃蛋白，得到8 條抗氧化肽：二肽（LW、TW、AW、RW、LY）和三肽（SDF、LWK、ADF）。抗氧化肽的抗氧化活性，一般認為來源于能夠提供質子的氨基酸，包括色氨酸（Trp）、酪氨酸（Tyr）、甲硫氨酸（Met）、半胱氨酸（Cys）和組氨酸（His），由于芳香族氨基酸Trp 吲哚基團中的-NH 和Tyr 中酚羥基的-OH 均是良好的供氫體，因此其具有良好的清除自由基活性，其中LW 和AW 對-OH 表現出高清除活性。因此抗氧化肽是合成抗氧化劑的潛在替代品，可控制預防食品氧化變質，也可應用于保健品、功能性食品、化妝品以及藥品等功能性領域[35]。

2.2.4 海膽管足黏性蛋白

海膽管足是位于其棘刺及周圍的細小黏性器官，海膽能依靠其移動、附著，是因為其管足中含有具吸附作用的蛋白質。Pjeta 等[36]對其進行轉錄組差異分析，確定了16 種與生物黏附相關的蛋白質，其中包括：含有GlcNAc 和GalNAc 殘基的各5 種糖蛋白、Nectin 變體，Α-tectorin 樣蛋白，髓過氧化物酶，α-2-巨球蛋白樣蛋白和2 種未表征的蛋白質。具有2 種殘基的糖蛋白參與副中心肌黏附，同時，在黏附表皮和足跡種也發現此種糖蛋白，推測管組分泌黏附性蛋白質顆粒。Α-tectorin 樣蛋白促進蛋白質多聚化形成纖維網用于黏結，α-2-巨球蛋白樣蛋白是一種蛋白酶抑制劑，其通過抑制水解作用，保護管足分泌的黏合性蛋白質顆粒，正是這種特性使其具有耐水性，有助于解決潮濕環境下生物醫用膠黏劑失效的難題。海膽管足蛋白的耐水性、無毒性、生物降解性，為未來生物醫用黏合劑的開發，提供了新的材料。

2.3 海膽色素

海膽殼棘色素種類包含萘醌類色素、類胡蘿卜素等，萘醌類色素又分為Echinochrome 和Spinochrome 2系，Echinochrome 多發現于海膽殼棘與內腔器官，僅于海膽棘刺發現Spinochrome，殼棘類胡蘿卜素分為不含氧原子的胡蘿卜素與包含氧原子的葉黃素類2 系[37]。

2.3.1 萘醌類色素

Munn[38]從海膽內腔油脂細胞中，分離得到醌類色素“Echinochrome”，后被證實此色素也存在于海膽殼棘中。“Spinochrome”也是海膽棘刺中發現的一種醌類色素[39]。海膽萘醌類色素“Echinochrome”通過上調轉錄調控基因（PCG-1α、NRF 等）表達促進了線粒體內生物合成與氧化磷酸化反應，在心肌缺血再灌注時，對氧、鈣離子水平起到調控作用，以保障器官正常工作。因此，醫療上用Echinochrome 的二鈉或三鈉鹽溶液，治療急性心肌梗死和缺血性心律失常等心臟疾病。

2.3.2 類胡蘿卜素

已知的海膽殼棘類胡蘿卜素共24 種，包括海膽烯酮、β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素、葉黃素、蝦青素、玉米黃質素、硅藻黃素、巖藻黃質、異隱黃質等。研究發現[37]，多數類胡蘿卜素含典型共軛雙鍵長碳鏈發光基團，因此其在400~500 nm 處有紫外線吸收特性。Kawakami 等[40]研究發現，對海膽喂食不含類胡蘿卜素的飼料，易導致海膽出現棘刺掉落的特征疾病，經體液免疫試驗推測，類胡蘿卜素在海膽自身防御體系中，通過消滅活性氧和增強巨噬細胞吞噬能力，起到重要的保護機體健康作用。

丁君等[14]對我國北方海區4 種經濟海膽性腺β-胡蘿卜含量進行測定，發現雄性蝦夷馬糞海膽和馬糞海膽性腺中β-胡蘿卜素含量明顯高于雌性,而雄性光棘球海膽和海刺猬性腺中β-胡蘿卜素含量低于雌性。β-胡蘿卜素可提供人體所需維生素A，是潛在的細胞質抗氧化劑，具有提高免疫力、著色以及抗癌作用。

2.3.3 酮式類胡蘿卜素

從海膽中提取的海膽酮，是一種酮式類胡蘿卜素。張濤等[41]采用硫醇滴定法（Ellman 法），研究海膽酮對乙酰膽堿酯酶（Acetylcholinesterase, AChE）的抑制作用，結果表明，海膽酮對AChE 表現出競爭性抑制，可誘導AChE 二級結構改變，更容易與AChE 活性中心氨基酸結合，阻礙底物碘代硫代乙酰膽堿與酶結合，從而引起酶活性降低，具有潛在的預防和輔助治療阿爾茲海默癥的健康功效。

在黑海膽（Arbacia lixula）性腺中檢測到蝦青素，研究結果表明[42]，黑海膽利用從食物中獲得的前體合成蝦青素，并且通過改變食物成分的比例，調節海膽性腺中蝦青素的積累量。蝦青素具有很強的抗氧化特性，具有清除自由基和其他促氧化劑分子的活性，保護脂質雙層免受過氧化，可改善各種退行性疾病。蝦青素的顯著效果，是由于其獨特的分子結構（以極性離子環和非極性共軛碳-碳鍵為特征），賦予蝦青素比其他類胡蘿卜素高10 倍的抗氧化特性。蝦青素由于其具有廣泛認可的抗氧化活性，在保健品、化妝品、食品和水產養殖業都有巨大的開發價值[43]。

2.3.4 多羥基萘醌色素

從越南海膽中提取的多羥基萘醌（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 色素包含多個羥基的酚類化合物，具有較強的抗氧化活性，不僅如此，PHNQ 粗提取物對被試細菌，均表現出一定的抗菌活性。越南海膽PHNQ 色素對酪氨酸酶也具有抑制活性，其含有酚類化合物在很大程度上抑制酪氨酸酶的生長[44]。

當人體皮膚暴露于紫外線輻射下時，酪氨酸酶控制黑色素細胞產生黑色素，阻擋紫外線，多余的黑色素會導致色素沉著過度、曬黑、老年斑和雀斑等負面癥狀，PHNQ 色素可抑制（87.9±4.1）%的酪氨酸酶，因此可作為天然抗菌、抗氧化劑用于化妝品中，在特定類型的藥妝產品上具有廣闊的應用前景[45]。

3 結語

海膽作為藥食同源的優質海產品，富含種類豐富的蛋白質、氨基酸、脂質和微量元素，具有很高的膳食營養價值，不僅如此，其富含的多不飽和脂肪酸ARA、EPA、DHA，具有抗炎、抗腫瘤等作用，海膽抗菌肽、抗氧化肽和管足黏性蛋白在生物醫學方面有深遠的應用前景。對海膽營養物質和活性物質及其功效的研究，可為海膽經濟性狀的篩選、海膽新品種的培育以及海膽營養物質和特殊活性物質提取與應用提供參考，將推動海膽逐漸成為高端膳食營養海產品和醫藥領域重要原材料。