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RESEARCH PROGRESS IN HIGH

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月08日 12:39

摘要：近年來隨著人口增長和社會發(fā)展，人類對生物資源的需求不斷增加，各沿海國家都將目光投向了尚未獲得有效開發(fā)的海洋生物資源，從而掀起了世界性開發(fā)海洋生物資源的浪潮。海洋生物中蘊藏著許多與陸生生物不同、結(jié)構(gòu)新穎、功能獨特的活性物質(zhì)。如果能將這些活性物質(zhì)開發(fā)成新型海洋藥物、生物材料、農(nóng)用制品、功能食品等高值化產(chǎn)品，將有望解決當前我國海洋生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的技術(shù)水平較低、附加值不高等瓶頸問題。為此，本文重點針對我國近年來在藻、蝦、魚和水母類等海洋大宗生物資源的高值化利用方面取得的研究進展和成果進行梳理和評述，對當前我國海洋生物資源高值利用存在的問題和不足進行分析和總結(jié)，并對未來的發(fā)展趨勢進行展望。

Abstract: In recent years, with the increase in population and social development, human demand for biological resources has been increasing, and all coastal countries have set their sights on marine biological resources that have not yet been developed effectively, thus setting off a worldwide wave of development of marine biological resources. Marine organisms contain many active substances that are different from those of terrestrial organisms with special structures and unique functions. If these active substances can be developed into high-value products such as new marine drugs, biomaterials, agricultural products, and functional foods, it will hopefully solve the bottlenecks such as the low technological level and low added value currently faced in China's marine biological industry. Therefore, this article focuses on the research progress and achievements made in China in recent years on the high-value utilization of marine bulk biological resources such as algae, shrimp, fish and jellyfish. In addition, the problems and deficiencies of the current high value utilization of marine biological resources in China are analyzed and summarized, and the future development trend is prospected.

Key words: Marine biological resources high-value utilization research progress existing problems prospect

隨著人口增長和社會發(fā)展, 人類對生物資源的需求不斷增加, 而陸生資源日益匱乏, 世界各國都將目光投向了尚未獲得有效開發(fā)的海洋生物資源。海洋生物體內(nèi)含有大量的功能活性物質(zhì), 蛋白質(zhì)、多糖、不飽和脂肪酸、?；撬岬? 如果將其高值加工利用, 提取其中的有效成分, 用于藥物、保健品、食品、飼(餌)料、生物農(nóng)肥農(nóng)藥、新材料等行業(yè), 可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。據(jù)統(tǒng)計, 包括海洋在內(nèi)的水產(chǎn)食物資源每年向人類提供的魚、蝦、貝、藻類等已經(jīng)占人類食品總量的30%以上。對于解決我國人多、地少的生存發(fā)展現(xiàn)狀, 將豐富的海洋生物資源高值化具有非常重要的意義。

海洋生物資源高值化是指以海洋動植物、微生物和水產(chǎn)加工副產(chǎn)物或下腳料為原料, 運用生物工程、酶工程、細胞工程和發(fā)酵工程等現(xiàn)代生物技術(shù)手段, 開發(fā)生產(chǎn)海洋藥物、海洋食品、海洋保健品、海洋農(nóng)用制品、海洋化妝品和功能材料、醫(yī)用生物材料等高值產(chǎn)品。70年來我國在這方面取得了長足進步及眾多科研成果, 促進了我國海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, 體現(xiàn)出科技、經(jīng)濟與社會的三重價值。海洋生物產(chǎn)業(yè)正在發(fā)展成為高附加值、高效益和巨大潛力的新興產(chǎn)業(yè), 必將對山東省乃至全國的新舊動能轉(zhuǎn)換起到巨大的推動作用。

1 海藻資源的高值化利用

自20世紀50年代以曾呈奎院士為首的科學家試驗成功人工養(yǎng)殖海帶以來, 在紫菜、江蘺、石花菜等的養(yǎng)殖方面也取得了顯著的經(jīng)濟效益。隨著海藻養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展, 各種海藻已成為人類在食品、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和藥用方面的重要原料來源。海藻工業(yè)在沿海城市得到迅速擴大和發(fā)展。海帶人工養(yǎng)殖獲得成功, 為海藻工業(yè)提供了原料保障, 科研人員提出了海帶同時生產(chǎn)褐藻膠、甘露醇和碘的綜合利用研究, 經(jīng)過多年的努力, 于20世紀70年代正式開始了海帶綜合利用的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。中國科學院海洋研究所是我國海藻化工行業(yè)研究與技術(shù)的奠基者, 從20世紀50年代末就開始了海藻高值化研究與開發(fā), 在70年代率先建立了海帶加工工業(yè)并開發(fā)出了海帶的“三大寶”:碘、膠、醇, 結(jié)束了我國碘缺乏的歷史, 建立了我國第一個褐藻膠生產(chǎn)車間, 奠定了我國海藻化工行業(yè)的基礎(chǔ), 先后有“水產(chǎn)品綜合利用-海帶及鹵水提碘”、“海藻的綜合利用”、“瓊膠素的研制”、“后期紫菜制取細菌培養(yǎng)基用瓊膠”、“鑄造膠的研制及應用研究”、“卡拉膠、瓊膠的研制”和“海藻植物空心膠囊的研制”等成果獲得省部級獎勵。20世紀90年代科研人員將海藻資源利用轉(zhuǎn)向在農(nóng)業(yè)方面的應用, 尤其是海藻肥在農(nóng)業(yè)方面的研究取得了重要研究成果, 并成功實現(xiàn)了海藻肥的工業(yè)化生產(chǎn)。近些年來, 海藻生物活性物質(zhì)在生物刺激素方面開展了一系列的研究工作, 為新型海藻資源農(nóng)用產(chǎn)品的開發(fā)提供了科學依據(jù)。

1.1 海藻藥物

20世紀80年代開始我國海洋藥物的研究和開發(fā)已向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。1985年, 中國海洋大學管華詩院士以海藻為原料, 經(jīng)過修飾改性發(fā)明了我國第一代海洋藥物抗腦血栓降血脂的新藥藻酸雙酯鈉(PSS), 取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。同年, 中國科學院海洋研究所李延研究員以海藻中的甘露醇為原料研發(fā)了降壓降脂防治心血管病海洋新藥-甘露醇煙酸酯, 為海藻綜合利用開辟了新的途徑(李延, 1986)。2003年, 中國科學院海洋研究所徐祖洪研究員利用從海藻加工的廢棄物中提取的褐藻多糖硫酸酯研發(fā)的我國首個純天然海洋新藥“海昆腎喜膠囊”面世。另外還有一些正在臨床及臨床前的新藥(表 1)和上百種保健品。2019年, 國家藥品監(jiān)督管理局批準了中國科學院藥物研究所耿美玉研究員團隊研發(fā)的治療阿爾茨海默癥海洋創(chuàng)新藥物——甘露特鈉膠囊(GV-971)的上市申請, 成為全球第14個海洋創(chuàng)新藥物, 該藥的主要原料也是海藻。

表 1 我國正在研究和開發(fā)的海洋藥物 Tab. 1 Marine drugs under research and development in China

物質(zhì)名稱生理作用臨床階段 911(聚甘古酯) 抗艾滋病 Ⅱ D-聚甘酯抗腦缺血 Ⅱ 916 (幾丁糖酯) 抗動脈粥樣硬化 Ⅱ K001(螺旋藻肽聚糖) 抗腫瘤 Ⅱ 玉足海參多糖抗腦缺血 Ⅰ HSH-971(藻類多糖) 抗老年癡呆 Ⅱ HSH-872 抗尿路結(jié)石申請臨床批文 HSS (鯊肝刺激物質(zhì)) 抗肝炎申請臨床批文 A1998 (海星甾醇) 抗心律失常臨床前海鞘醇抗病毒性肝炎臨床前 rAPC(重組藻膽蛋白) 抗腫瘤臨床前 YCP(真菌多糖) 抗腫瘤臨床前 Philinopside A SO3 (芋螺毒素) 抗腫瘤鎮(zhèn)痛臨床前臨床前 GFP (藻類多糖) 抗血栓臨床前 YC-1 (甾體) 保護中樞神經(jīng)元臨床前 TTX 戒毒臨床前 1t14a 鎮(zhèn)痛臨床前

海洋生物醫(yī)藥的基礎(chǔ)研發(fā)及成果產(chǎn)業(yè)化在國內(nèi)日益受到關(guān)注, 其產(chǎn)值占海洋總產(chǎn)值的比重也快速上升, 已成為藍色經(jīng)濟新的增長點。

1.2 海藻農(nóng)用制品

海藻肥含有許多陸地植物不可比擬的重要營養(yǎng)元素, 如碘、鎂、鉀、鈦、錳等, 以及海藻多糖、甘露醇、植物生長素等多種不同的生物活性成分, 因此, 能夠促進植物生長, 并提高植物的抗逆抗病能力(李書琴等, 1995)。研究表明, 海藻肥能夠提高蔬菜種子的萌芽率(韓麗君等, 2000)、番茄等蔬菜的產(chǎn)量(孫錦等, 2006a)、藥用植物當歸的產(chǎn)量和等級(孫錦等, 2005), 并且能夠降低菠菜中硝酸鹽的積累(孫錦等, 2006b)。然而, 海藻肥成分復雜, 很難進行其作用機制的具體研究。

在海藻多糖或寡糖作為生物刺激素方面, 近年來, 研究表明, 蜈蚣藻多糖能夠促進鹽脅迫下水稻種子的發(fā)芽勢、根長、活力指數(shù)等(Liu et al, 2019); 滸苔多糖能夠提高鹽脅迫下玉米、小麥的生長和光合作用(李冰, 2013); 褐藻膠寡糖能夠誘導植物愈傷組織的產(chǎn)生及植物抗旱抗病能力(劉瑞志, 2009)。這主要是由于海藻多糖或寡糖能迅速增強植物抗逆酶類的活性, 對引起細胞損傷的物質(zhì)進行清除, 從而提高植物的抗逆能力(劉瑞志, 2009; 李冰, 2013)。

用作動物飼料添加劑的海藻大多為大型褐藻, 蛋白質(zhì)含量較低, 但它含有的碘、礦物質(zhì)、微量元素、各種維生素以及海藻多糖等, 能夠補充動物所需營養(yǎng), 刺激動物生長, 提高動物的免疫力和抗病能力。研究表明, 動物添喂海藻粉后, 可提高奶牛的產(chǎn)奶量, 綿羊的產(chǎn)毛量, 減少豬肝臟寄生蟲, 提高蛋雞的產(chǎn)蛋量和雞蛋的品質(zhì)(王懷禹, 2009)。因此, 海藻作為動物飼料添加劑的開發(fā)和利用有著非常廣闊的前景。

1.3 海藻食品

海藻食品分為簡單加工和深加工兩種類型。簡單加工是將海藻如紫菜、海帶等經(jīng)過凈化、軟化、熟化、殺菌等工藝加工成海藻絲、卷、餅等食品, 這種簡單加工食品產(chǎn)量很大, 種類繁多, 但加工檔次較低。深加工食品是指以海藻為原料, 提取其中的有效成分, 作為功效因子添加到食品中, 這一類食品大多屬于有療效的保健食品。如減肥和降壓健胃等作用的海藻茶、海藻飲料、海藻糖果等。另一方面, 從海藻中提取的褐藻膠、卡拉膠、瓊膠等可作為食品的增稠劑、賦形劑、凝膠劑和品質(zhì)改良劑使用(侯萍等, 2019)。

1.4 日化用品

褐藻膠是一種親水性聚合物, 具有高度的安全性和配伍性能, 且兼具良好的增稠性、成膜性和凝膠性能, 在日用化學品中可以廣泛用于各種護膚劑、整發(fā)劑、防汗劑、洗滌劑和牙膏制品的加工與生產(chǎn)(甘純璣, 1987)。

2 蝦蟹殼資源的高值化利用

甲殼素又名甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì)、殼多糖, 英文名Chitin, 學名為N-乙酰-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖, 分子式為(C8H13NO5)n, 單體之間是以β-(1, 4)糖苷鍵連接, 分子量一般在105左右, 理論含氮量6.9%。甲殼質(zhì)廣泛存在于無脊椎動物的外殼, 昆蟲的外骨骼, 內(nèi)角質(zhì)層, 某些真菌的胞壁中。地球上甲殼質(zhì)的生物合成量每年達數(shù)十億噸, 僅次于纖維素。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物, 又名甲殼胺、可溶性甲殼質(zhì), 英文名Chitosan, 與甲殼質(zhì)相比, 殼聚糖的溶解性大為改善, 因而其應用范圍也更廣。甲殼素/殼聚糖經(jīng)過化學修飾或改性, 可制成具有特殊性質(zhì)和用途的甲殼質(zhì)系列衍生物。目前, 甲殼素、殼聚糖及其衍生物在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護、食品工業(yè)、生物醫(yī)藥、分析化學及輕紡工業(yè)等不同的行業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應用。

我國早在20世紀50年代就開展了甲殼素/殼聚糖制備的初步研究, 當時是為了我國印染和電影膠片工業(yè)開展的, 但由于技術(shù)和應用原因, 未取得大的進展。中國科學院海洋研究所是我國較早開展甲殼素研究的單位之一, 1991年在榮成建立了當時最大規(guī)模的甲殼素工業(yè)化生產(chǎn)廠, 為我國甲殼素行業(yè)的發(fā)展壯大做出了巨大貢獻。1997年中國科學院海洋研究所承擔了國家863項目“優(yōu)質(zhì)甲殼質(zhì)、殼聚糖工業(yè)化生產(chǎn)新技術(shù)”, 是該領(lǐng)域首個列入國家863的課題, 1999年“新型生態(tài)農(nóng)藥農(nóng)樂一號的產(chǎn)業(yè)化及系列產(chǎn)品開發(fā)”被列入863重大產(chǎn)業(yè)化項目, 獲得863重要貢獻獎, 為我國海洋生物資源在陸地農(nóng)業(yè)上的應用開辟了新途徑。在高值化利用方面取得了顯著的成績, 先后開發(fā)出“農(nóng)樂一號”海洋生物制劑、煙草專用制劑“農(nóng)樂二號”、功能型肥料“海力壯”、環(huán)保型生物農(nóng)藥“海力源”。在海洋藥物和海洋農(nóng)用生物制品研究方面取得重大突破, 提高了我國甲殼資源高值化利用水平, 推動了海洋產(chǎn)業(yè)高效持續(xù)發(fā)展, 取得了顯著的經(jīng)濟社會效益。從20世紀90年代起, 我國對甲殼素/殼聚糖及其衍生物研發(fā)逐漸重視, 越來越多的科研機構(gòu)投入到該領(lǐng)域的研究當中, 并已取得了大量科研成果。

2.1 甲殼素/殼聚糖在農(nóng)業(yè)上的研究與應用

殼聚糖作為一種無毒、生物相容性好、易降解的海洋天然氨基多糖在農(nóng)業(yè)中可以作為植物生長調(diào)節(jié)劑、抑菌劑、土壤改良劑、種衣劑、果蔬保鮮劑等使用。

2.1.1 甲殼素/殼聚糖農(nóng)藥

在已有登記殼聚糖類農(nóng)藥產(chǎn)品中, 幾丁多糖或氨基寡糖素主要作為原藥或與其他活性成分復配發(fā)揮作用, 通過結(jié)構(gòu)改性可顯著提高其殺菌、殺線、殺蟲活性(Meng et al, 2012; Qin et al, 2012, 2013; Li et al, 2016c; Liu et al, 2017), 這也是近年來甲殼多糖農(nóng)用研究的重要方向之一。中國科學院海洋研究所在國內(nèi)較早開展了殼聚糖衍生物的抑菌、殺蟲活性研究, 從2000年初, 通過亞結(jié)構(gòu)拼接、生物等排、先導優(yōu)化等策略制備了十余類200余種新型殼聚糖衍生物, 并系統(tǒng)研究了其抑菌、殺蟲活性, 篩選出數(shù)個有應用潛力的殼聚糖衍生物, 近年來開展了殼聚糖與阿維菌素、惡霉靈、嘧霉胺等多種農(nóng)藥偶合物的協(xié)同作用研究, 發(fā)現(xiàn)通過將整個農(nóng)藥分子引入到殼聚糖結(jié)構(gòu)中, 不僅可實現(xiàn)協(xié)同增效的作用, 還可以提高農(nóng)藥的穩(wěn)定性。此外, 針對傳統(tǒng)金屬農(nóng)用殺菌劑存在的易產(chǎn)生藥害、穩(wěn)定性較差等問題, 研發(fā)了新型殼聚糖希夫堿銅復合劑可作為有機銅制劑替代品而應用到殺菌劑上(Liu et al, 2017), 目前該研究已獲得多項發(fā)明專利。通過近20年的持續(xù)研發(fā), 中國科學院海洋研究所已經(jīng)在海洋多糖/寡糖衍生化及農(nóng)用活性方面取得了系列階段性進展(郭占勇, 2007; 鐘志梅, 2008; 秦玉坤, 2012; 李儼, 2016; 范兆乾, 2018; 劉衛(wèi)翔, 2018; 朱俊, 2019), 形成了自己的研究特色和優(yōu)勢。

盡管海洋甲殼資源農(nóng)藥的研發(fā)取得了不少成績, 但也存在著相關(guān)農(nóng)用生物制品的科研成果產(chǎn)業(yè)化水平低, 投資小, 生產(chǎn)設(shè)備陳舊, 工藝技術(shù)落后, 難以形成規(guī)?；a(chǎn), 影響消費者接受度和市場推廣等問題。當前, 甲殼素/殼聚糖農(nóng)藥的研究正處于初步階段, 今后將側(cè)重于新技術(shù)、新菌種、新活性物質(zhì)的探索, 相信面對嚴峻的環(huán)境壓力、巨大的農(nóng)業(yè)市場、廣闊的開發(fā)潛力, 甲殼素/殼聚糖農(nóng)藥將會得到進一步的開發(fā)。

2.1.2 殼聚糖/殼寡糖肥料

以殼聚糖/殼寡糖為主要活性成分開發(fā)新型海洋生物肥料也是當前的研究熱點。殼聚糖/殼寡糖具有藥肥雙效的功能, 即保水持水、殺菌抗菌、協(xié)調(diào)營養(yǎng)、調(diào)節(jié)植物生理, 在施加后能夠增強作物抗逆抗病, 獲得增產(chǎn)、改善品質(zhì)的效果。同時, 甲殼素能夠改善土壤微環(huán)境、改善土壤理化性狀、提升土壤肥力(楊正濤等, 2018)。目前, 殼聚糖可以有機水溶肥的形式制成肥料, 另外殼聚糖還可作為緩釋材料來提高肥料的使用率(王晶, 2016)。中國科學院海洋研究所在此方面取得多項成果:完成山東省重大項目“海洋生物農(nóng)肥、農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)與示范”(與好當家公司合作), 國家農(nóng)轉(zhuǎn)基金項目“環(huán)保型海洋生物功能肥料產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)與示范”等多項海洋農(nóng)肥重大項目, 獲得肥料登記證4個, 相關(guān)國家發(fā)明專利授權(quán)30余項。但我國殼聚糖/殼寡糖生物肥產(chǎn)業(yè)尚存在許多問題:尚未建立統(tǒng)一的行業(yè)標準, 產(chǎn)業(yè)整合度不高, 造成市場的產(chǎn)量質(zhì)量差異巨大, 良莠不齊, 甚至存在“山寨甲殼素肥”, 造成市場上諸多亂象; 而且國內(nèi)有相當多的肥料經(jīng)銷商和農(nóng)戶對生物肥的功效、使用等方面的知識相對不足, 對綠色農(nóng)業(yè)、無公害農(nóng)業(yè)認識還比較淡薄。相信隨著肥料產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型和新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展, 殼聚糖/殼寡糖有機肥的優(yōu)勢將更加凸顯。突破技術(shù)制約, 制定統(tǒng)一國家標準, 將是今后促進我國甲殼素系列肥料發(fā)展壯大的關(guān)鍵。

2.1.3 甲殼素系列生物刺激素

殼聚糖/殼寡糖還可以作為一種新型生物刺激素來使用。植物生物刺激素包括一些活性物質(zhì)和(或)微生物, 應用于植物或植物根系周圍時, 這些物質(zhì)和(或)微生物可以刺激植物自然生理過程, 以增強或有益于植物對營養(yǎng)的吸收、營養(yǎng)吸收效率的提升、對非生物脅迫的耐受性和農(nóng)作物品質(zhì)的提升。雖然生物刺激素的學術(shù)概念近年才提出, 但在之前已有發(fā)揮類似作用的產(chǎn)品上市。例如, 中國科學院海洋研究所研制的“農(nóng)樂一號”海洋生物制劑和“農(nóng)樂二號”煙草專業(yè)制劑, 是國內(nèi)首次開發(fā)的農(nóng)用海洋高新技術(shù)產(chǎn)品, 其主要成分就是生物刺激素, 能夠明顯提高農(nóng)作物、蔬菜、瓜果、煙草的抗病能力, 增產(chǎn)效果明顯。這兩個產(chǎn)品的成功開發(fā), 為國內(nèi)研究利用海洋生物質(zhì)資源開發(fā)生物刺激素進行了開拓性的探索, 發(fā)揮了很好的示范引領(lǐng)作用。

生物刺激素系統(tǒng)的研究和開發(fā)應用在我國還較少, 雖然其中的甲殼素和殼聚糖衍生物已有實際應用, 但作為一個統(tǒng)一類別進行研究還不多見, 也缺乏生物刺激素立法和標準。因此, 目前生物刺激素產(chǎn)品主要以葉面肥、水溶肥的形式在市場上銷售。2018年首個生物刺激素團體標準, 由中國生物刺激劑發(fā)展聯(lián)盟、山東衛(wèi)康生物醫(yī)藥科技有限公司、中國科學院海洋研究所等單位起草并發(fā)布。生物刺激素在我國多以新型肥料的形式在市場上銷售, 消費者對生物刺激素的認識不高, 還需進一步的推廣普及, 而前提是形成成熟的生物刺激素產(chǎn)業(yè)。生物刺激素對我國2020年化肥農(nóng)藥使用量零增長戰(zhàn)略實施具有推進作用, 對我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義, 在加強技術(shù)創(chuàng)新, 加強市場準入及監(jiān)管的推動下, 將會快速發(fā)展。

2.2 在海洋食品方面的應用

殼聚糖具有多種生物活性和功能性質(zhì), 如增強免疫力、抗氧化、調(diào)節(jié)腸道菌群等等(Xing et al, 2005; Xia et al, 2011), 這些多方面的生理活性使得殼聚糖作為保健食品應用開發(fā)十分活躍, 在美國、日本、韓國等一些國家均有以殼聚糖為功能成份的保健品。目前我國食品藥品監(jiān)督管理總局批準的以殼聚糖及其衍生物為主要原料開發(fā)的保健食品也有上百余種, 殼聚糖保健食品正在受到消費者的日益重視, 市場銷售前景巨大。殼聚糖的分子量大小對其理化性質(zhì)具有重要的影響, 將殼聚糖降解成為低分子量的殼寡糖后, 水溶性增加, 易被吸收, 且在抗氧化、免疫調(diào)節(jié)等方面生物活性顯著增強(Liaqat et al, 2018), 這使得殼寡糖在食品領(lǐng)域的應用更為廣泛。在中國科學院海洋研究所與山東衛(wèi)康生物醫(yī)藥科技有限公司的共同努力下, 2014年國家衛(wèi)計委批準殼寡糖為新食品原料(2014年第6號), 殼寡糖新食品原料的獲批, 使得其在普通食品的應用得到發(fā)展。

2.3 甲殼素/殼聚糖在醫(yī)藥與醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究與應用

殼聚糖由于具有止血、抑菌、愈創(chuàng)、鎮(zhèn)痛、減少疤痕增生等多種生物學功能, 已被廣泛應用于可降解吸收的生物醫(yī)用止血材料、損傷組織再生修復材料、組織工程支架材料的制造(Khora et al, 2003; Rinaudo, 2006)。另外, 殼聚糖具有良好的生物相容性、可降解性和低毒性, 被廣泛應用于靶向藥物遞送、藥物緩釋等領(lǐng)域(?enel et al, 2004)?；跉ぞ厶擎溕系挠坞x氨基和羥基等多重活性中心, 可通過化學、物理修飾制備pH、熱敏感響應性以及能夠跨越血腦屏障等特征的納米膠束、納米纖維和納米球等, 進而實現(xiàn)口服、腸外藥物遞送、結(jié)腸靶向藥物遞送、癌癥治療、疫苗遞送和基因遞送等(張恩惠, 2017; Zhang et al, 2017, 2019a, 2019b)。在藥用方面, 殼聚糖及其衍生物具有良好的抗腫瘤活性, 清除自由基活性、降血糖及降脂等活性。何學斌等(2003)采用荷瘤小鼠研究了殼聚糖在體內(nèi)、體外的抗腫瘤活性。結(jié)果表明, 殼聚糖能提高荷瘤小鼠免疫功能, 還可以降低化療藥物的毒副作用, 對荷瘤小鼠有較強的抗腫瘤作用。Jin等(2017)研究發(fā)現(xiàn)不同分子量的α-、β-殼聚糖對油脂、膽固醇均具有吸附活性和胰脂肪酶抑制活性。Xing等(2015)研究發(fā)現(xiàn)不同取代位點的殼聚糖硫酸酯均具有降血糖活性, 取代位點是影響其活性的主要因素, 3位羥基取代的殼聚糖硫酸酯的降血糖活性最佳。

2.4 殼寡糖的制備與分離純化技術(shù)

殼寡糖的制備技術(shù)一直是國內(nèi)外甲殼素、殼聚糖產(chǎn)業(yè)研發(fā)的重點領(lǐng)域。目前, 殼寡糖可以通過殼聚糖的酸解、氧化降解和酶解制備。在酸性溶液中, 殼聚糖鏈會發(fā)生部分水解進而形成許多分子量大小不等的寡糖片段。目前工業(yè)上很少使用酸水解法制備殼寡糖。氧化降解法具有低成本, 環(huán)保等優(yōu)點, 引起研究者的廣泛關(guān)注。主要的氧化劑包括過氧化氫(Tishchenko et al, 2011)、過硼酸鈉(林正歡等, 2002)、臭氧(Yue et al, 2009)、過硫酸鉀(Hsu et al, 2002)等, 其中過氧化氫氧化法研究最多, 是一種非常有前景的技術(shù)手段。中國科學院海洋研究所發(fā)明了一種微波輔助氧化降解殼聚糖的方法, 通過微波輻射, 可以有效的加快殼聚糖的氧化降解, 使其在更低的過氧化氫濃度和溫度下進行, 且能夠大幅縮短反應時間, 有利于節(jié)約能源。同時產(chǎn)物保持了殼寡糖的基本化學結(jié)構(gòu), 適合低分子量殼聚糖、殼寡糖的大規(guī)模生產(chǎn)(劉松等, 2005; Li et al, 2012b)。相關(guān)方法已獲得了國際發(fā)明專利授權(quán)(Li et al, 2010)。酶解法條件溫和, 環(huán)境友好且安全性好, 是目前在殼寡糖工業(yè)化生產(chǎn)中最為常用的方法。值得注意的是, 目前制備的殼寡糖產(chǎn)物是一個非常復雜的寡糖混合物, 其中含有各個分子量、各種乙酰度的殼寡糖。以這些復雜的寡糖混合物進行試驗很難明確具體是哪些分子在發(fā)揮生物功能, 這也成為殼寡糖構(gòu)效關(guān)系以及活性機制研究的“卡脖子”問題。殼寡糖的不同單體所起作用不同, 而且由于單體標準品的缺失, 限制了對殼寡糖質(zhì)量標準的評定。因此, 對每一個單一聚合度的殼寡糖進行分離純化十分必要。近幾年, 國內(nèi)外多位研究學者通過固定化銅離子(Ⅱ)親和色譜(Le Dévédec et al, 2008)、離子交換色譜(Xiong et al, 2009)、聚丙烯酰胺凝膠色譜(高麗霞等, 2013)等初步建立了殼寡糖的分離方法, 可以得到高純化的二、三、四糖(純度 > 98%)和較高純度的五、六、七糖(80%—90%)片段。Li等(2013a, 2016a)前期對殼寡糖的分離也進行了大量的工作, 通過弱陽離子交換色譜結(jié)合固相萃取技術(shù)大大提升了殼寡糖的分離純度和分離范圍, 通過一次分離, 即可得到七種高純度的殼寡糖片段, 殼二-八糖, 其中二糖-六糖純度都大于98%, 七糖純度大于92%, 殼八糖純度大于90%。同時, 建立了氨基寡糖分離的液相色譜保留方程, 為其進一步色譜規(guī)模放大提供理論模型。在此基礎(chǔ)上, 通過定位乙酰化技術(shù)和離子交換色譜建立了單一聚合度、特定N-乙酰化殼寡糖的制備與分離工藝, 實現(xiàn)了兩種N-乙?；瘹と呛土NN-乙?；瘹ち堑姆蛛x純化(Li et al, 2013b, 2017)。值得注意的是, 盡管國內(nèi)外有關(guān)甲殼寡糖的分離已取得了較大的進展, 但對于殼聚糖鏈中復雜序列寡糖片段的分離方法研究較少, 目前報道的復雜序列寡糖都是通過化學或生物合成法獲得(Yang et al, 2014), 步驟十分繁瑣且一次只能獲得個別單一序列的寡糖, 限制了殼聚糖鏈構(gòu)效關(guān)系的研究發(fā)展, 復雜序列寡糖片段的分離方法亟需解決。

3 低值魚及加工副產(chǎn)物的高值利用

我國低值魚大約2500萬噸, 加工副產(chǎn)物約1700萬噸, 以魚皮為原料制備膠原蛋白技術(shù)取得長足進步, 國內(nèi)已有多家企業(yè)產(chǎn)量超千噸。通過生物酶解技術(shù)從低值魚中提取生物活性肽, 將其制成新型高營養(yǎng)食品、功能性食品和特殊醫(yī)學用途配方食品已取得顯著成效。中國科學院海洋研究所李鵬程課題組研究了酶技術(shù)制備的鮐魚活性肽對力竭游泳小鼠具有抗疲勞的功效(Wang et al, 2014), 能夠提高小鼠空間學習和記憶能力(Wang et al, 2018), 該研究為研發(fā)新型運動員食品和提高兒童記憶力食品提供了理論依據(jù); 中國海洋大學李八方課題組開展了鱈魚皮膠原肽對缺鈣大鼠的促鈣吸收作用的研究, 證實了鱈魚皮膠原肽能夠促進大鼠機體和骨骼的發(fā)育(盧玉坤等, 2013)。

隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展, 越來越多的生物活性肽被分離純化并人工合成, 表現(xiàn)出多樣的化學結(jié)構(gòu)和藥理活性, 被人類加以研究和利用。但目前對于海洋生物活性肽的研究還遠遠不夠, 許多海洋物種來源的活性肽還沒有列入研究范圍, 且由于現(xiàn)有的生物活性肽結(jié)構(gòu)非常復雜, 活性物質(zhì)含量較低等原因, 也成為海洋多肽類保健品和新藥研發(fā)需要面對的困難(白威等, 2005)。

4 水母資源的高值利用

水母屬刺胞動物, 我國近海已記錄的水母約420種, 約占全球已記錄種類的三分之一(張芳, 2008), 常見的大型水母有海蜇、沙海蜇和霞水母等。我國是世界上最早研究開發(fā)、利用水母資源作為食物的國家, 水母不僅是美味佳肴, 也是治病良藥。據(jù)明朝李時珍《本草綱目》所述: “海蜇, 氣味咸溫無毒, 主治婦人老損、積血帶下, 小兒風疾丹毒、燙火傷”等。因此, 水母是一種醫(yī)食兼用的海洋生物。劉希光等(2007)分析了海蜇三個不同部位(海蜇皮、海蜇頭和海蜇生殖腺)的氨基酸和脂肪酸組成, 海蜇三個部位中氨基酸成分齊全, 含量豐富, 其中生殖腺中氨基酸總量和必需氨基酸含量均遠高于海蜇皮和海蜇頭, 且必需氨基酸的構(gòu)成與人體所需氨基酸組成比較接近。海蜇三個部位均含有飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸, 但三個部位的脂肪酸組成差別不大, 海蜇皮、海蜇頭和海蜇生殖腺中飽和脂肪酸分別占總脂肪酸的44.90%、45.40%和42.40%, 單不飽和脂肪酸分別占總脂肪酸的15.50%、14.30%和16.40%, 多不飽和脂肪酸別占總脂肪酸的36.23%、37.10%和38.70%, 主要為C22︰6 (DHA, 7.05%—12.06%), C20︰4 (AA, 7.68%—15.2%)和C20︰5 (EPA, 6.12%—8.01%) (劉希光等, 2004)。海蜇蛋白肽具有抗氧化、降血壓活性, 并能降低細胞內(nèi)酪氨酸酶活性, 減少黑色素的形成, 可應用于功能食品、化妝品及醫(yī)藥等領(lǐng)域(Yu et al, 2006; Zhuang et al, 2009, 2012)。

水母毒素主要存在于觸手的刺絲囊中, 具有獨特的結(jié)構(gòu)和多種生物活性, 在殺蟲、抗腫瘤等方面具有潛在的應用價值。Li等(2014, 2016b)利用白質(zhì)組學和轉(zhuǎn)錄組學方法對沙海蜇和白色霞水母毒素蜇傷因子進行了全面分析, 分別從沙海蜇毒素和白色霞水母毒素中鑒定出181和174個與蜇傷相關(guān)的毒素因子, 包括磷脂酶A2、金屬蛋白酶、C-型凝集素、溶血毒素、鉀離子通道抑制劑、絲氨酸蛋白酶抑制劑等。沙海蜇毒素具有殺蟲活性, 對梨網(wǎng)蝽48h的LC50為123.1μg/mL (Yu et al, 2005)。水母毒素具有抗腫瘤活性, 白色霞水母毒素人結(jié)腸癌H630細胞48h的IC50為5.1μg/mL (Li et al, 2012a)。但水母毒素是引起蜇傷的“罪魁禍首”, 具有溶血活性、酶活性、皮膚毒性及致死毒性等(Li et al, 2018, 2019; Yue et al, 2019), 根據(jù)水母毒素的生物活性與理化性質(zhì), 中國科學院海洋研究所研制了水母蜇傷解毒劑, 能有效緩解水母蜇傷引起的紅腫、瘙癢、疼痛等癥狀。

5 存在問題和展望

我國海洋生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度迅猛, 在一些領(lǐng)域的研究已經(jīng)達到國際先進水平, 尤其是海藻、甲殼資源高值利用等方面的發(fā)展引人注目。但在看到我國海洋生物技術(shù)發(fā)展成績和優(yōu)勢的同時, 也必須清醒地認識到我們自身發(fā)展存在的嚴重問題與挑戰(zhàn)。目前我國海洋生物產(chǎn)業(yè)中高技術(shù)含量、高附加值的產(chǎn)品偏少。海洋水產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)仍以勞動密集型食品加工為主, 而且還面臨著各沿海省市同質(zhì)化嚴重問題。海洋藥物雖已經(jīng)研發(fā)多年, 但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的不多。

科技創(chuàng)新是加快海洋生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要推動力, 加快海洋生物關(guān)鍵技術(shù)研發(fā), 推進海洋生物技術(shù)的研發(fā)和網(wǎng)絡平臺的建設(shè), 是當前海洋生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的核心問題。在充分認識海洋生物資源多樣性的前提下, 需要加強海洋高新科技的研發(fā)與應用, 進一步拓展海洋生物資源的綜合立體開發(fā); 此外, 入海陸域污染物增多致使海洋生物資源和生態(tài)環(huán)境面臨較沉重的壓力, 給經(jīng)濟和社會的健康、協(xié)調(diào)發(fā)展帶來不利影響。海洋環(huán)境生態(tài)是藍色經(jīng)濟賴以持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ), 政府應加快推動可持續(xù)發(fā)展體系建設(shè), 以實現(xiàn)海洋生物產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

目前, 世界范圍內(nèi)海洋生物產(chǎn)業(yè)的規(guī)模已經(jīng)高達數(shù)萬億美元, 預計今后5年的年增長率將高達15%—20%。世界上各海洋強國紛紛從可持續(xù)大規(guī)模供給的海洋生物資源出發(fā), 建立了海洋生物創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)集群體系。海洋經(jīng)濟日益成為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的新增長點, 海洋生物產(chǎn)業(yè)作為海洋新興產(chǎn)業(yè)體系的重要組成部分, 必將在促進藍色經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

海洋生物資源是一個巨大的范疇, 內(nèi)容豐富, 因受到知識和版面的限制不能一一述評, 本文僅對大宗海洋生物資源高值利用情況進行簡單總結(jié), 遺漏在所難免。

致謝本文在資料整理和撰寫過程中得到了劉松、邢榮娥、于華華、陳曉琳、李克成、李憲璀、秦玉坤、李榮鋒、王雪芹、楊皓月等同仁的大力協(xié)助, 一并致謝！

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