南極磷蝦中砷的研究進(jìn)展

張海燕，劉云姣,2，王 媛，孔 聰，湯云瑜，沈曉盛

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090；2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306）

南極磷蝦Euphausia superba是一種南極地區(qū)資源非常豐富的小型海洋浮游甲殼類動物，其蛋白質(zhì)、脂肪、維生素以及礦物質(zhì)含量非常豐富，數(shù)量可達(dá)數(shù)億至數(shù)十億噸，被認(rèn)為是世界上最大的海洋生物蛋白質(zhì)資源庫。開發(fā)利用南極磷蝦無疑是緩解人口增加與優(yōu)質(zhì)動物油脂和蛋白資源短缺這一矛盾的有效途徑，因而美國、加拿大、挪威、日本等國家將其列為重要的經(jīng)濟戰(zhàn)略資源進(jìn)行開發(fā)[1-3]。南極磷蝦開發(fā)在我國也受到極大重視，2009年和2010年相繼進(jìn)行商業(yè)性試捕和正式捕獲，并以每年上千噸的捕獲量進(jìn)入我國市場，因其具有調(diào)節(jié)血脂、降低血糖、消除慢性炎癥、改善大腦健康等特殊功效[4-6]，部分被深加工成南極磷蝦食品、保健品等高附加值產(chǎn)品，其中南極磷蝦蝦粉和液態(tài)蝦油是較為普遍的產(chǎn)品形式。然而,人們在研究南極磷蝦及其制品的同時也發(fā)現(xiàn)砷的含量較高[7-11]，這在很大程度上限制了其食用價值的開發(fā)，因此如何科學(xué)地評價高砷毒性給食用安全帶來的局限性，是南極磷蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本文就南極磷蝦中砷的含量、賦存形態(tài)及其毒性研究進(jìn)行綜述，目的是為南極磷蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 南極磷蝦及其制品中砷的含量

海水、沉積物、海洋生物等自然海洋生態(tài)體系中普遍存在著砷。海洋生物比陸生生物對砷具有更強的富集能力，自20世紀(jì)70年代以來，人們不斷發(fā)現(xiàn)一些海生生物中砷的含量明顯高于陸生生物，如楊釗等[12]，朱亞爾等[13]調(diào)查的藻類中，除石花菜總砷含量小于10 mg/kg外，其他分別為13.52～95.12 mg/kg和19.90～64.89 mg/kg之間，無機砷含量為0.42～3.72 mg/kg，6.223～45.53 mg/kg，后者無機砷占總砷的比例較高；WHALEY-MARTIN，et al[14]在4個封閉的港口中發(fā)現(xiàn)海洋玉黍螺Littorina littorea中總砷和無機砷含量分別達(dá)到400～840 mg/kg，290～588 mg/kg（均以干重計）。隨著人們對南極資源開發(fā)的重視，南極磷蝦新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，人們也發(fā)現(xiàn)南極地區(qū)的海生生物中也含有較高濃度的砷，如RODOLFO，et al[15]發(fā)現(xiàn)南極藻類中的總砷含量達(dá)到了8.4～29.3 mg/kg（干重），SALLY，et al[7]，朱元元等[8]調(diào)查的南極磷蝦中總砷含量范圍分別為0.95～2.79 mg/kg和0.68～1.22 mg/kg（均以濕重計）；孫來娣等[9]通過對南極磷蝦油中重金屬含量的測定得出發(fā)現(xiàn)，由于南極磷蝦生長于污染極低的南極海域，其油制品中金屬含量較一般海產(chǎn)品中低，但總砷含量與其它金屬相比則偏高，含量為 2.2～5.3 mg/kg，無機砷含量為0.25～0.42 mg/kg，董麗臻等[10]測得南極磷蝦蝦油中的總砷含量為8.55 mg/kg；王松等[11]測得南極磷蝦整蝦樣品的總砷含量（以干重計）為2.031±0.021 mg/kg，蝦油中總砷濃度達(dá)到8.334±0.019 mg/kg。目前國家標(biāo)準(zhǔn)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB2762-2012）僅對水產(chǎn)動物及其制品，魚類及其制品中的無機砷有限量標(biāo)準(zhǔn)，然而隨著研究手段的改進(jìn)和對食品安全的更高要求，單獨的采用總砷或者無機砷含量作為評價依據(jù)都不能夠科學(xué)評價南極磷蝦及其制品的砷的食用安全性。一些研究開始關(guān)注南極磷蝦中有機砷的形態(tài)分析，如王松[11]等的研究中發(fā)現(xiàn)盡管南極磷蝦油中總砷含量較高，但是以AsB，DMA和MMA等3種有機砷為主，無機砷僅占0.27%；但是也有學(xué)者[16]認(rèn)為MMA（Ⅲ）和DMA（Ⅲ）這兩種有機砷具有比無機砷更強的毒性，有機砷的形式和價態(tài)，以及其在體內(nèi)的轉(zhuǎn)化后的存在形式都有待進(jìn)一步研究。因此，如何科學(xué)地評價高砷給南極磷蝦產(chǎn)品食用安全性帶來的局限性，對南極磷蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。

2 南極磷蝦中砷的來源與形態(tài)組成

1981年，IARC（國際癌癥研究委員會）將砷列為人類致癌物[17]，其毒性效應(yīng)與其賦存形態(tài)密切相關(guān)，砷以不同的化學(xué)形式存在，包括無機砷和有機砷。

2.1 無機砷

砷普遍存在于海洋環(huán)境中，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1～2 μg/L之間，主要以無機態(tài)的亞砷酸鹽As（III）和砷酸鹽As（V）的形式存在。海洋動植物體內(nèi)砷的來源是不同的，南極磷蝦不能直接利用海水中的無機砷，其體內(nèi)的砷主要來自于食物——南極藻類[18-19]；無機砷被藻類攝取后可以通過一系列復(fù)雜的代謝過程轉(zhuǎn)化為砷糖，二甲基砷（DMA）以及其它的甲基化砷[20-22]。環(huán)境中的砷的富集和形態(tài)轉(zhuǎn)化主要通過食物鏈的形式進(jìn)行。藻類可以攝取海水中的無機砷從而使砷含量達(dá)到海水中砷含量的1 000～10 000倍[23-25]，藻類能夠?qū)⒑Ｋ械臒o機砷由As（III）氧化為As（V）[26]使得細(xì)胞質(zhì)中的As（V）占無機砷總量的99%[27]，南極磷蝦通過攝食藻類而攝入As（V）。由此可見，南極磷蝦中砷的富集主要是通過食物鏈從低級向高級傳遞所致。

2.2 有機砷

環(huán)境中的有機砷主要包括一甲基（MMA）、二甲基胂酸（DMA）、三甲基胂酸（TMAD）、砷膽堿（AsC）、砷甜菜堿（AsB）、砷糖及砷脂等[28]，海洋生物中的砷以砷甜菜堿（AsB）和砷膽堿（AsC）為主[29]。研究發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦中砷的賦存形態(tài)和價態(tài)是多樣的，GROTTI，et al[30]在采用HPLC/ICPMS量化南極磷蝦砷化合物實驗中，發(fā)現(xiàn)AsB是南極磷蝦中的主要存在形式，南極磷蝦干蝦粉中含有13種砷化合物，總含量為3.34 mg/kg，其中有機砷含量超過98%，堿和砷糖低毒性有機化合物形式存在，整體毒性相對較低。王松等[11]也認(rèn)為盡管南極磷蝦油中總砷含量較高，但是檢測到的AsB，DMA和MMA等3種有機砷含量占南極磷蝦油總砷含量的95.58%，而無機砷（三價砷和五價砷之和）含量僅占總砷含量約0.27%，整體毒性相對較低。然而，南極磷蝦中砷的賦存形態(tài)是多樣的，且在一定的條件下會互相轉(zhuǎn)化，其毒性效應(yīng)也會隨之改變，盡管目前一些資料顯示其毒性較低，但新的一些研究表明個別有機砷化合物如MMA（Ⅲ）和DMA（Ⅲ）具有比無機砷更強的毒性。因此，深入研究南極磷蝦中砷的賦存形態(tài)及其含量分布對其產(chǎn)業(yè)開發(fā)利用更具有實際指導(dǎo)意義。

3 南極磷蝦中砷的毒性

盡管砷的毒性對生物的危害已經(jīng)成為共識而備受關(guān)注，但長期以來，這種共識還多數(shù)停留在單一的考察總砷或者無機砷危害的層面，比如目前國家標(biāo)準(zhǔn)中也僅對水產(chǎn)動物及其制品中的無機砷設(shè)定了限量。事實上，不同形態(tài)和價態(tài)的砷的毒性也不同。無機砷被公認(rèn)毒性很大，其中As（III）劇毒，As（V）的毒性低于As（III）。砷元素的致癌性和致癌作用主要取決于無機砷的含量[31]。As（V）對氧化磷酸化過程的解偶聯(lián)作用，誘使DNA互換或斷裂，導(dǎo)致基因變異，抑制三磷酸腺苷（ATP）的生成，干擾能量代謝；三價砷可與多種重要巰基酶結(jié)合，破壞酶系統(tǒng)，阻礙細(xì)胞代謝[32-33]。

與無機砷相比，有機砷被認(rèn)為毒性較小。無機砷是公認(rèn)的強致癌物質(zhì)[31]，而MMA（V）和DMA（V）僅被定義為潛在致癌物[34]。當(dāng)外源砷通過消化道或呼吸道進(jìn)入機體后，在特定條件及特定的酶輔助作用下，產(chǎn)生MMA（V）和DMA（V），由于這兩種有機砷的毒性較無機砷毒性大大降低，因此人們認(rèn)為砷的甲基化是無機砷在生物體內(nèi)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化和解毒的一個過程[35-36]。然而近幾年隨著對砷生物代謝的研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入生物體內(nèi)的無機砷經(jīng)過氧化，并在谷胱甘肽和S-腺苷蛋氨酸的作用下進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化，過程為As（V）—As（III）— MMA（V）— MMA（III）— DMA（V）—DMA（III）—TMAO（V）[37]，此甲基化代謝過程中的中間代謝產(chǎn)物MMA（Ⅲ）和DMA（Ⅲ）不僅會抑制和破壞生物體內(nèi)的酶，使細(xì)胞損傷甚至DNA改變，還具有極強細(xì)胞毒性和生殖毒性，甚至超過了三價無機砷的毒性[38-39]。與三價甲基砷代謝產(chǎn)物相比，五價甲基砷代謝產(chǎn)物毒性相比較三價甲基砷代謝產(chǎn)物毒性相對較低，但仍有一定的生物毒性，可產(chǎn)生大量的活性氧自由基（ROS）損害生物體DNA[40-41]，導(dǎo)致砷中毒。以砷化合物的半致死量 LD50計，其毒性DMA（Ⅲ）最大，MMA（Ⅲ）次之，AS（Ⅲ）、AS（V）、DMA（V）、MMA（V）、ASB、ASC 毒性依次減小[16，42]，砷與有機基團結(jié)合越多，其毒性越小[40，43]，AsB和AsC被認(rèn)為是無毒的。這樣看來，無機砷的生物轉(zhuǎn)化和甲基化作用可能正是其發(fā)揮毒性的關(guān)鍵過程。然而體內(nèi)代謝的中間產(chǎn)物MMA（III）和DMA（III），離開體內(nèi)環(huán)境后極易氧化為五價的甲基砷化物[44]，給分離和準(zhǔn)確測定帶來了一定的難度，還有待分析技術(shù)的進(jìn)一步突破。

目前有關(guān)南極磷蝦中砷化合物的形態(tài)分析報道中[45-46]，也大多僅停留在有機砷和無機砷大類的分析層面上，缺乏對南極磷蝦中不同砷化合物存在形態(tài)進(jìn)一步的細(xì)分。南極磷蝦中砷毒性大小取決于砷化合物的不同形態(tài)分布及含量，盡管有研究表明南極磷蝦中砷化合物主要以砷糖和毒性較低的化合物形式存在，整體毒性相對較低[30-31]，但其潛在的毒性作用有待進(jìn)一步研究。因此，進(jìn)一步開展南極磷蝦及其產(chǎn)品中砷化合物的形態(tài)組成研究，可為南極磷蝦中砷的毒性研究提供理論依據(jù)。

4 展望

南極磷蝦資源開發(fā)與利用已成為我國海洋戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要載體。2009年，南極磷蝦被列為“國家經(jīng)濟戰(zhàn)略資源”，并實施了探捕令。為了充分挖掘南極磷蝦資源的利用價值，2010年和2012年，南極磷蝦資源開發(fā)利用又先后兩次列入國家“863計劃”。由于南極磷蝦油中富含磷脂質(zhì)ω-3多不飽和脂肪酸等營養(yǎng)物質(zhì)，2013年國家衛(wèi)生計劃生育委員會以2013年第16號文批準(zhǔn)南極磷蝦油為國家新食品原料，即可作為普通食品原料，這對南極磷蝦的綜合開發(fā)利用創(chuàng)造了有利的條件。然而，南極磷蝦產(chǎn)品如南極磷蝦油中高砷異常成了其食用價值開發(fā)的瓶頸，砷的安全性成了廣大消費者關(guān)注的焦點。因此，深入開展南極磷蝦及其產(chǎn)品中砷的賦存形態(tài)與安全性評價對指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。