摘要：近年來(lái)隨著人口增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展，人類(lèi)對(duì)生物資源的需求不斷增加，各沿海國(guó)家都將目光投向了尚未獲得有效開(kāi)發(fā)的海洋生物資源，從而掀起了世界性開(kāi)發(fā)海洋生物資源的浪潮。海洋生物中蘊(yùn)藏著許多與陸生生物不同、結(jié)構(gòu)新穎、功能獨(dú)特的活性物質(zhì)。如果能將這些活性物質(zhì)開(kāi)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(dāng)前我國(guó)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(wèn)題。為此，本文重點(diǎn)針對(duì)我國(guó)近年來(lái)在藻、蝦、魚(yú)和水母類(lèi)等海洋大宗生物資源的高值化利用方面取得的研究進(jìn)展和成果進(jìn)行梳理和評(píng)述，對(duì)當(dāng)前我國(guó)海洋生物資源高值利用存在的問(wèn)題和不足進(jìn)行分析和總結(jié)，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展, 人類(lèi)對(duì)生物資源的需求不斷增加, 而陸生資源日益匱乏, 世界各國(guó)都將目光投向了尚未獲得有效開(kāi)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(jì)效益和社會(huì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì), 包括海洋在內(nèi)的水產(chǎn)食物資源每年向人類(lèi)提供的魚(yú)、蝦、貝、藻類(lèi)等已經(jīng)占人類(lèi)食品總量的30%以上。對(duì)于解決我國(guó)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(dòng)植物、微生物和水產(chǎn)加工副產(chǎn)物或下腳料為原料, 運(yùn)用生物工程、酶工程、細(xì)胞工程和發(fā)酵工程等現(xiàn)代生物技術(shù)手段, 開(kāi)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(lái)我國(guó)在這方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步及眾多科研成果, 促進(jìn)了我國(guó)海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, 體現(xiàn)出科技、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的三重價(jià)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(duì)山東省乃至全國(guó)的新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換起到巨大的推動(dòng)作用。

1 海藻資源的高值化利用

自20世紀(jì)50年代以曾呈奎院士為首的科學(xué)家試驗(yàn)成功人工養(yǎng)殖海帶以來(lái), 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(jì)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(lèi)在食品、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和藥用方面的重要原料來(lái)源。海藻工業(yè)在沿海城市得到迅速擴(kuò)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(shí)生產(chǎn)褐藻膠、甘露醇和碘的綜合利用研究, 經(jīng)過(guò)多年的努力, 于20世紀(jì)70年代正式開(kāi)始了海帶綜合利用的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所是我國(guó)海藻化工行業(yè)研究與技術(shù)的奠基者, 從20世紀(jì)50年代末就開(kāi)始了海藻高值化研究與開(kāi)發(fā), 在70年代率先建立了海帶加工工業(yè)并開(kāi)發(fā)出了海帶的“三大寶”:碘、膠、醇, 結(jié)束了我國(guó)碘缺乏的歷史, 建立了我國(guó)第一個(gè)褐藻膠生產(chǎn)車(chē)間, 奠定了我國(guó)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(xì)菌培養(yǎng)基用瓊膠”、“鑄造膠的研制及應(yīng)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(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。20世紀(jì)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(yīng)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(shí)現(xiàn)了海藻肥的工業(yè)化生產(chǎn)。近些年來(lái), 海藻生物活性物質(zhì)在生物刺激素方面開(kāi)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(kāi)發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

1.1 海藻藥物

20世紀(jì)80年代開(kāi)始我國(guó)海洋藥物的研究和開(kāi)發(fā)已向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。1985年, 中國(guó)海洋大學(xué)管華詩(shī)院士以海藻為原料, 經(jīng)過(guò)修飾改性發(fā)明了我國(guó)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(jì)效益和社會(huì)效益。同年, 中國(guó)科學(xué)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(kāi)辟了新的途徑(李延, 1986)。2003年, 中國(guó)科學(xué)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(guó)首個(gè)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(guó)家藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)了中國(guó)科學(xué)院藥物研究所耿美玉研究員團(tuán)隊(duì)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(qǐng), 成為全球第14個(gè)海洋創(chuàng)新藥物, 該藥的主要原料也是海藻。

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

物質(zhì)名稱(chēng) 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(dòng)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(lèi)多糖) 抗老年癡呆 Ⅱ HSH-872 抗尿路結(jié)石 申請(qǐng)臨床批文 HSS (鯊肝刺激物質(zhì)) 抗肝炎 申請(qǐng)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(lèi)多糖) 抗血栓 臨床前 YC-1 (甾體) 保護(hù)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(guó)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(lán)色經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

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(yíng)養(yǎng)元素, 如碘、鎂、鉀、鈦、錳等, 以及海藻多糖、甘露醇、植物生長(zhǎng)素等多種不同的生物活性成分, 因此, 能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng), 并提高植物的抗逆抗病能力(李書(shū)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(dāng)歸的產(chǎn)量和等級(jí)(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(fù)雜, 很難進(jìn)行其作用機(jī)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(lái), 研究表明, 蜈蚣藻多糖能夠促進(jìn)鹽脅迫下水稻種子的發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)、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(zhǎng)和光合作用(李冰, 2013); 褐藻膠寡糖能夠誘導(dǎo)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(qiáng)植物抗逆酶類(lèi)的活性, 對(duì)引起細(xì)胞損傷的物質(zhì)進(jìn)行清除, 從而提高植物的抗逆能力(劉瑞志, 2009; 李冰, 2013)。

用作動(dòng)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(bǔ)充動(dòng)物所需營(yíng)養(yǎng), 刺激動(dòng)物生長(zhǎng), 提高動(dòng)物的免疫力和抗病能力。研究表明, 動(dòng)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(chóng), 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(dòng)物飼料添加劑的開(kāi)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(jiǎn)單加工和深加工兩種類(lèi)型。簡(jiǎn)單加工是將海藻如紫菜、海帶等經(jīng)過(guò)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(jiǎn)單加工食品產(chǎn)量很大, 種類(lèi)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(lèi)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(xué)品中可以廣泛用于各種護(hù)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(xué)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(wú)脊椎動(dòng)物的外殼, 昆蟲(chóng)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(dá)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(yīng)用范圍也更廣。甲殼素/殼聚糖經(jīng)過(guò)化學(xué)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(hù)、食品工業(yè)、生物醫(yī)藥、分析化學(xué)及輕紡工業(yè)等不同的行業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)展了甲殼素/殼聚糖制備的初步研究, 當(dāng)時(shí)是為了我國(guó)印染和電影膠片工業(yè)開(kāi)展的, 但由于技術(shù)和應(yīng)用原因, 未取得大的進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所是我國(guó)較早開(kāi)展甲殼素研究的單位之一, 1991年在榮成建立了當(dāng)時(shí)最大規(guī)模的甲殼素工業(yè)化生產(chǎn)廠, 為我國(guó)甲殼素行業(yè)的發(fā)展壯大做出了巨大貢獻(xiàn)。1997年中國(guó)科學(xué)院海洋研究所承擔(dān)了國(guó)家863項(xiàng)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(gè)列入國(guó)家863的課題, 1999年“新型生態(tài)農(nóng)藥農(nóng)樂(lè)一號(hào)的產(chǎn)業(yè)化及系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”被列入863重大產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目, 獲得863重要貢獻(xiàn)獎(jiǎng), 為我國(guó)海洋生物資源在陸地農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。在高值化利用方面取得了顯著的成績(jī), 先后開(kāi)發(fā)出“農(nóng)樂(lè)一號(hào)”海洋生物制劑、煙草專(zhuān)用制劑“農(nóng)樂(lè)二號(hào)”、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(guó)甲殼資源高值化利用水平, 推動(dòng)了海洋產(chǎn)業(yè)高效持續(xù)發(fā)展, 取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。從20世紀(jì)90年代起, 我國(guó)對(duì)甲殼素/殼聚糖及其衍生物研發(fā)逐漸重視, 越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)投入到該領(lǐng)域的研究當(dāng)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(yīng)用

殼聚糖作為一種無(wú)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(zhǎng)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(lèi)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(fù)配發(fā)揮作用, 通過(guò)結(jié)構(gòu)改性可顯著提高其殺菌、殺線(xiàn)、殺蟲(chóng)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(lái)甲殼多糖農(nóng)用研究的重要方向之一。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所在國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展了殼聚糖衍生物的抑菌、殺蟲(chóng)活性研究, 從2000年初, 通過(guò)亞結(jié)構(gòu)拼接、生物等排、先導(dǎo)優(yōu)化等策略制備了十余類(lèi)200余種新型殼聚糖衍生物, 并系統(tǒng)研究了其抑菌、殺蟲(chóng)活性, 篩選出數(shù)個(gè)有應(yīng)用潛力的殼聚糖衍生物, 近年來(lái)開(kāi)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(guò)將整個(gè)農(nóng)藥分子引入到殼聚糖結(jié)構(gòu)中, 不僅可實(shí)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(duì)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(wèn)題, 研發(fā)了新型殼聚糖希夫堿銅復(fù)合劑可作為有機(jī)銅制劑替代品而應(yīng)用到殺菌劑上(Liu et al, 2017), 目前該研究已獲得多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。通過(guò)近20年的持續(xù)研發(fā), 中國(guó)科學(xué)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(jìn)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(shì)。

盡管海洋甲殼資源農(nóng)藥的研發(fā)取得了不少成績(jī), 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(fèi)者接受度和市場(chǎng)推廣等問(wèn)題。當(dāng)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(duì)嚴(yán)峻的環(huán)境壓力、巨大的農(nóng)業(yè)市場(chǎng)、廣闊的開(kāi)發(fā)潛力, 甲殼素/殼聚糖農(nóng)藥將會(huì)得到進(jìn)一步的開(kāi)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(kāi)發(fā)新型海洋生物肥料也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。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(yíng)養(yǎng)、調(diào)節(jié)植物生理, 在施加后能夠增強(qiáng)作物抗逆抗病, 獲得增產(chǎn)、改善品質(zhì)的效果。同時(shí), 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(jī)水溶肥的形式制成肥料, 另外殼聚糖還可作為緩釋材料來(lái)提高肥料的使用率(王晶, 2016)。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所在此方面取得多項(xiàng)成果:完成山東省重大項(xiàng)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(dāng)家公司合作), 國(guó)家農(nóng)轉(zhuǎn)基金項(xiàng)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(xiàng)海洋農(nóng)肥重大項(xiàng)目, 獲得肥料登記證4個(gè), 相關(guān)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)30余項(xiàng)。但我國(guó)殼聚糖/殼寡糖生物肥產(chǎn)業(yè)尚存在許多問(wèn)題:尚未建立統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 產(chǎn)業(yè)整合度不高, 造成市場(chǎng)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(chǎng)上諸多亂象; 而且國(guó)內(nèi)有相當(dāng)多的肥料經(jīng)銷(xiāo)商和農(nóng)戶(hù)對(duì)生物肥的功效、使用等方面的知識(shí)相對(duì)不足, 對(duì)綠色農(nóng)業(yè)、無(wú)公害農(nóng)業(yè)認(rèn)識(shí)還比較淡薄。相信隨著肥料產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型和新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展, 殼聚糖/殼寡糖有機(jī)肥的優(yōu)勢(shì)將更加凸顯。突破技術(shù)制約, 制定統(tǒng)一國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 將是今后促進(jìn)我國(guó)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(lái)使用。植物生物刺激素包括一些活性物質(zhì)和(或)微生物, 應(yīng)用于植物或植物根系周?chē)鷷r(shí), 這些物質(zhì)和(或)微生物可以刺激植物自然生理過(guò)程, 以增強(qiáng)或有益于植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收、營(yíng)養(yǎng)吸收效率的提升、對(duì)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(xué)術(shù)概念近年才提出, 但在之前已有發(fā)揮類(lèi)似作用的產(chǎn)品上市。例如, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研制的“農(nóng)樂(lè)一號(hào)”海洋生物制劑和“農(nóng)樂(lè)二號(hào)”煙草專(zhuān)業(yè)制劑, 是國(guó)內(nèi)首次開(kāi)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(gè)產(chǎn)品的成功開(kāi)發(fā), 為國(guó)內(nèi)研究利用海洋生物質(zhì)資源開(kāi)發(fā)生物刺激素進(jìn)行了開(kāi)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(kāi)發(fā)應(yīng)用在我國(guó)還較少, 雖然其中的甲殼素和殼聚糖衍生物已有實(shí)際應(yīng)用, 但作為一個(gè)統(tǒng)一類(lèi)別進(jìn)行研究還不多見(jiàn), 也缺乏生物刺激素立法和標(biāo)準(zhǔn)。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(chǎng)上銷(xiāo)售。2018年首個(gè)生物刺激素團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn), 由中國(guó)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(guó)科學(xué)院海洋研究所等單位起草并發(fā)布。生物刺激素在我國(guó)多以新型肥料的形式在市場(chǎng)上銷(xiāo)售, 消費(fèi)者對(duì)生物刺激素的認(rèn)識(shí)不高, 還需進(jìn)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(duì)我國(guó)2020年化肥農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)戰(zhàn)略實(shí)施具有推進(jìn)作用, 對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義, 在加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新, 加強(qiáng)市場(chǎng)準(zhǔn)入及監(jiān)管的推動(dòng)下, 將會(huì)快速發(fā)展。

2.2 在海洋食品方面的應(yīng)用

殼聚糖具有多種生物活性和功能性質(zhì), 如增強(qiáng)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(yīng)用開(kāi)發(fā)十分活躍, 在美國(guó)、日本、韓國(guó)等一些國(guó)家均有以殼聚糖為功能成份的保健品。目前我國(guó)食品藥品監(jiān)督管理總局批準(zhǔn)的以殼聚糖及其衍生物為主要原料開(kāi)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(fèi)者的日益重視, 市場(chǎng)銷(xiāo)售前景巨大。殼聚糖的分子量大小對(duì)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(qiáng)(Liaqat et al, 2018), 這使得殼寡糖在食品領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。在中國(guó)科學(xué)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(guó)家衛(wèi)計(jì)委批準(zhǔn)殼寡糖為新食品原料(2014年第6號(hào)), 殼寡糖新食品原料的獲批, 使得其在普通食品的應(yīng)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(yīng)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(xué)功能, 已被廣泛應(yīng)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(fù)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(yīng)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(guò)化學(xué)、物理修飾制備pH、熱敏感響應(yīng)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(jìn)而實(shí)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(xué)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(duì)荷瘤小鼠有較強(qiáng)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(duì)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(diǎn)的殼聚糖硫酸酯均具有降血糖活性, 取代位點(diǎn)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(guó)內(nèi)外甲殼素、殼聚糖產(chǎn)業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。目前, 殼寡糖可以通過(guò)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(huì)發(fā)生部分水解進(jìn)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(diǎn), 引起研究者的廣泛關(guān)注。主要的氧化劑包括過(guò)氧化氫(Tishchenko et al, 2011)、過(guò)硼酸鈉(林正歡等, 2002)、臭氧(Yue et al, 2009)、過(guò)硫酸鉀(Hsu et al, 2002)等, 其中過(guò)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(guó)科學(xué)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(guò)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(guò)氧化氫濃度和溫度下進(jìn)行, 且能夠大幅縮短反應(yīng)時(shí)間, 有利于節(jié)約能源。同時(shí)產(chǎn)物保持了殼寡糖的基本化學(xué)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(guó)際發(fā)明專(zhuān)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(gè)非常復(fù)雜的寡糖混合物, 其中含有各個(gè)分子量、各種乙酰度的殼寡糖。以這些復(fù)雜的寡糖混合物進(jìn)行試驗(yàn)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(jī)制研究的“卡脖子”問(wèn)題。殼寡糖的不同單體所起作用不同, 而且由于單體標(biāo)準(zhǔn)品的缺失, 限制了對(duì)殼寡糖質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定。因此, 對(duì)每一個(gè)單一聚合度的殼寡糖進(jìn)行分離純化十分必要。近幾年, 國(guó)內(nèi)外多位研究學(xué)者通過(guò)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(duì)殼寡糖的分離也進(jìn)行了大量的工作, 通過(guò)弱陽(yáng)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(guò)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(shí), 建立了氨基寡糖分離的液相色譜保留方程, 為其進(jìn)一步色譜規(guī)模放大提供理論模型。在此基礎(chǔ)上, 通過(guò)定位乙?；夹g(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(shí)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?chē)?guó)內(nèi)外有關(guān)甲殼寡糖的分離已取得了較大的進(jìn)展, 但對(duì)于殼聚糖鏈中復(fù)雜序列寡糖片段的分離方法研究較少, 目前報(bào)道的復(fù)雜序列寡糖都是通過(guò)化學(xué)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(gè)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(fù)雜序列寡糖片段的分離方法亟需解決。

3 低值魚(yú)及加工副產(chǎn)物的高值利用

我國(guó)低值魚(yú)大約2500萬(wàn)噸, 加工副產(chǎn)物約1700萬(wàn)噸, 以魚(yú)皮為原料制備膠原蛋白技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步, 國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)產(chǎn)量超千噸。通過(guò)生物酶解技術(shù)從低值魚(yú)中提取生物活性肽, 將其制成新型高營(yíng)養(yǎng)食品、功能性食品和特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品已取得顯著成效。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所李鵬程課題組研究了酶技術(shù)制備的鮐魚(yú)活性肽對(duì)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(xué)習(xí)和記憶能力(Wang et al, 2018), 該研究為研發(fā)新型運(yùn)動(dòng)員食品和提高兒童記憶力食品提供了理論依據(jù); 中國(guó)海洋大學(xué)李八方課題組開(kāi)展了鱈魚(yú)皮膠原肽對(duì)缺鈣大鼠的促鈣吸收作用的研究, 證實(shí)了鱈魚(yú)皮膠原肽能夠促進(jìn)大鼠機(jī)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(lái)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(xué)結(jié)構(gòu)和藥理活性, 被人類(lèi)加以研究和利用。但目前對(duì)于海洋生物活性肽的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠, 許多海洋物種來(lái)源的活性肽還沒(méi)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(fù)雜, 活性物質(zhì)含量較低等原因, 也成為海洋多肽類(lèi)保健品和新藥研發(fā)需要面對(duì)的困難(白威等, 2005)。

4 水母資源的高值利用

水母屬刺胞動(dòng)物, 我國(guó)近海已記錄的水母約420種, 約占全球已記錄種類(lèi)的三分之一(張芳, 2008), 常見(jiàn)的大型水母有海蜇、沙海蜇和霞水母等。我國(guó)是世界上最早研究開(kāi)發(fā)、利用水母資源作為食物的國(guó)家, 水母不僅是美味佳肴, 也是治病良藥。據(jù)明朝李時(shí)珍《本草綱目》所述: “海蜇, 氣味咸溫?zé)o毒, 主治婦人老損、積血帶下, 小兒風(fēng)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(gè)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(gè)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(yuǎn)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(gè)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(gè)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(xì)胞內(nèi)酪氨酸酶活性, 減少黑色素的形成, 可應(yīng)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(dú)特的結(jié)構(gòu)和多種生物活性, 在殺蟲(chóng)、抗腫瘤等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Li等(2014, 2016b)利用白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法對(duì)沙海蜇和白色霞水母毒素蜇傷因子進(jìn)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(gè)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(chóng)活性, 對(duì)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(xì)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?zhǔn)住? 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(guó)科學(xué)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(wèn)題和展望

我國(guó)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(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(guó)海洋生物技術(shù)發(fā)展成績(jī)和優(yōu)勢(shì)的同時(shí), 也必須清醒地認(rèn)識(shí)到我們自身發(fā)展存在的嚴(yán)重問(wèn)題與挑戰(zhàn)。目前我國(guó)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(dòng)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(yán)重問(wèn)題。海洋藥物雖已經(jīng)研發(fā)多年, 但實(shí)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(dòng)力, 加快海洋生物關(guān)鍵技術(shù)研發(fā), 推進(jìn)海洋生物技術(shù)的研發(fā)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建設(shè), 是當(dāng)前海洋生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的核心問(wèn)題。在充分認(rèn)識(shí)海洋生物資源多樣性的前提下, 需要加強(qiáng)海洋高新科技的研發(fā)與應(yīng)用, 進(jìn)一步拓展海洋生物資源的綜合立體開(kāi)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(jì)和社會(huì)的健康、協(xié)調(diào)發(fā)展帶來(lái)不利影響。海洋環(huán)境生態(tài)是藍(lán)色經(jīng)濟(jì)賴(lài)以持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ), 政府應(yīng)加快推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展體系建設(shè), 以實(shí)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(dá)數(shù)萬(wàn)億美元, 預(yù)計(jì)今后5年的年增長(zhǎng)率將高達(dá)15%—20%。世界上各海洋強(qiáng)國(guó)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(jì)日益成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn), 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(jìn)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

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

致謝本文在資料整理和撰寫(xiě)過(guò)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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