n-3多不饱和脂肪酸DHA-EPA研究进展

EVIEWS海洋科学/2007年/第31卷/第11期78n-3多不饱和脂肪酸DHA、EPA研究进展Advancesinn-3polyunsaturatedfattyacidsDHAandEPA朱路英1,2，张学成1，宋晓金1，况成宏1，孙远征1(1.中国海洋大学海洋生命学院,山东青岛266003;2.鲁东大学生命科学学院,山东烟台264025）中图分类号：Q58文献标识码：A文章编号：1000-3096（2007）11-0078-08以DHA和EPA为代表的多不饱和脂肪酸（PUFAs）是指碳原子数多于或等于18且含有两个或两个以上双键的一类脂肪酸。通常按照第一个双键的位置把多不饱和脂肪酸分为3类：n-3PUFAs，即从甲基端数第1个双键的位置在第3碳位的多不饱和脂肪酸，如二十二碳六烯酸（22:6n-3,DHA）和二十碳五烯酸(20:5n-3,EPA)；n-6PUFAs，指第一个双键的位置在从甲基端数的第6碳位，如花生四烯酸（20:4n-6,AA）和γ-亚麻酸（18:3n-6，GLA）；另外还有第1个双键的位置在第9碳位的n-9类PUFAs。我们日常摄入的脂肪主要是动物油脂和植物油脂。其中，动物油脂中的脂肪酸以饱和脂肪酸为主；植物油脂主要包括n-6类的不饱和脂肪酸，而n-3类的不饱和脂肪酸含量甚微。然而，研究发现，以DHA和EPA为代表的n-3类多不饱和脂肪酸在人体的营养、发育和健康等方面起着重要作用[1~5]。这一研究的发现，引起了人们对n-3多不饱和脂肪酸特别是DHA和EPA的高度重视，世界各国的研究人员围绕DHA和EPA作了大量的研究工作。在前人研究的基础上，作者拟对DHA和EPA的生理功能、合成途径及生物资源等方面做一简要综述。1DHA和EPA的生理功能20世纪80年代，丹麦的科学家发现格陵兰岛上的爱斯基摩人的心血管发病率明显低于周边国家居民与他们饮食中含有丰富的n-3PUFAs有关[1]。这一发现引起了人们对n-3PUFAs的高度重视。随着医学等相关学科的发展，人们对n-3PUFAs特别是DHA和EPA的生理和药理功能有了进一步的了解。1.1防治心血管疾病EPA和DHA可以抑制内源性胆固醇和甘油三酯的合成，增加脂蛋白脂酶的活性，促进周围组织对极低密度脂蛋白的清除，降低血清中甘油三酯、胆固醇和低密度脂蛋白的含量，提高高密度脂蛋白的含量；同时,EPA和DHA还通过调节血小板和血管壁的前列腺素(PGs)的产生而发挥抗血栓作用。这些作用均能降低心血管疾病的发病率[2,3]。1.2抗癌作用EPA和DHA具有良好的免疫调节作用。研究表明，DHA能促进T淋巴细胞的增殖，提高细胞因子TNF-2、IL-1β和IL-6的转录，而这些细胞因子表达的提高可以促进免疫系统的功能，从而提高免疫系统对肿瘤细胞的杀伤力[4]。另外，DHA和EPA结构中含有多个双键，是脂质过氧化的天然底物。脂质过氧化产生的活性氧能提高肿瘤细胞对治疗药物的敏感性[5]，产生的自由基和脂质过氧化物则可抑制肿瘤细胞的表达，缩短染色体的端粒，促进肿瘤细胞的凋亡[6]。1.3抗炎作用EPA和DHA具有抗炎症的作用。机理如下：花生四烯酸（AA）通过环氧化酶可产生前列腺素（PGs），特别是PGE2，是炎症发生的介质。同时，AA还通过白细胞的5-脂氧化酶产生白三烯（LTs），如LTA4、收稿日期：2006-02-26；修回日期：2006-06-08基金项目：青岛市科技局项目（02-4-HH-76）作者简介：朱路英（1974-），女，山东聊城人，博士，讲师，研究方向：生化与分子生物学，E-mail:[e-mail];张学成，通讯作者，E-mail:[e-mail]/Vol.31,No.11/200779LTB4等。其中LTB4具很强的白细胞趋化性，在炎症的发生中起重大作用；而LTC4和LTD4也通过增加血管的通透性参与炎症过程。而EPA可通过白细胞的5-脂氧化酶产生一类几乎无生理活性的物质LTA5、LTB5等，从而竞争抑制LTB4等的合成，同时，LTA5还可阻碍LTA4转化成LTB4。并且，EPA还可通过竞争性抑制作用使AA合成PGE2减少，降低急性炎症的严重性，因而具有抗炎作用[7]。DHA是哺乳动物生物合成PGs的强烈抑制剂，也具有抗炎作用[8]。1.4促进神经系统和视觉系统的发育DHA是存在于人类乳汁中的一种多不饱和脂肪酸。研究表明，DHA能促进婴幼儿的神经和视觉系统的发育[9,10]；另外，在胎儿的大脑形成以及心血管系统的生成中也具有重要作用。而胎儿和婴幼儿合成的DHA远远不能满足大脑迅速发育的需要[11]，必须从食物中得以补充。因此，母乳哺育和为孕妇和婴幼儿补充适量的DHA被提倡和鼓励。1.5生物体的重要组成成分DHA在大脑和视网膜组织的细胞膜中含量丰富。在视网膜的棒状外侧部分的细胞中，DHA可达细胞总脂的60%以上[12]；在人脑组织的细胞中，DHA占总脂的10%左右。因此是人体视觉和神经系统细胞膜的重要组成成分。另外，DHA和EPA是许多鱼、虾、贝类幼体所必需的脂肪酸，因此可作为水产养殖饵料的添加剂。研究表明，饵料中添加一定比例的DHA和EPA，可显著提高海水鱼、虾及贝类幼仔的成活率和生长速率[13~15]。另外，DHA还影响色素的形成和沉淀，因而在防止白化方面也有重要作用[15]。水产饵料中DHA和EPA含量的高低已成为评价该种饵料营养价值高低的重要指标[16]。目前，市场上供应的来自鱼油的DHA和EPA制品中的70%被用作水产养殖饵料的添加剂[17]。正是由于n-3PUFAs具有诸多生理功能，一些国家和科研机构已建议人们提高膳食中n-3PUFAs的比例，成人每天昀好能摄入1.0~1.5g的n-3PUFAs[18]。国际上对n-3PUFAs保健食品和药品的研制与开发十分重视。1991年日本批准DHA作为高血脂症的临床用药。目前，国外市场上销售的DHA和EPA产品已有几十种，涉及奶粉、饮料、面包类以及水产养殖业的饵料等，商业价值巨大。2DHA和EPA的合成途径在自然界中，n-3多不饱和脂肪酸一般是由饱和脂肪酸硬脂酸(18:0)在脱氢酶和延长酶交替作用下，经一系列的脱氢和碳链延长后形成。具体过程见图1[19]。在动物体内，由于缺乏∆-12油酸脱氢酶，不能形成亚油酸(18:2∆9,12)和α-亚麻酸(18:3∆9,12,15)，所以这两种脂肪酸必须从食物中得以补充，为必需脂肪酸。亚油酸和α-亚麻酸再分别作为底物，进一步合成n-6和n-3类的多不饱和脂肪酸。在高等植物体中，硬脂酸在脱氢酶作用下昀终形成亚油酸或α-亚麻酸，没有更长碳链的多不饱和脂肪酸生成。微生物体内多不饱和脂肪酸的合成机制一般与高等动物基本一致，即先由硬脂酸(18:0)脱氢后形成油酸(18:1∆12)和亚油酸(18:2∆9,12)，然后亚油酸再分别进入n-6和n-3两个不同的途径，昀终分别形成花生四烯酸（AA）和EPA、DHA。然而，昀近研究者在富含DHA的海洋真菌裂殖壶菌(Schizochytriumlimacinum)和EPA的生产者海洋细菌Shewanella体内发现了一条新奇的n-3多不饱和脂肪酸的合成途径。该途径不需要多种脱氢酶和碳链延长酶的参与，而是由一个类似聚酮合成酶的基因簇控制合成DHA和EPA[20]。尽管对这个类聚酮合成酶的催化机制尚未搞清，但是可以推测，在其催化合成DHA和EPA的过程中，可能涉及到一系列的精确的顺-反双键异构化[20]。这个新奇的相对简化的n-3多不饱和脂肪酸合成体系的发现为通过转基因手段获得n-3多不饱和脂肪酸产品带来了新的希望。3DHA和EPA的生物资源3.1鱼油目前，商业上DHA和EPA的来源主要是脂肪含量高的海洋鱼类。在这些鱼油中，DHA和EPA的质量分数可达到20%~30%。现在海水鱼油的年产量大约为1.1×106t[17]。然而，鱼油的质量会随着鱼的种类、捕鱼季节和地点的不同而不同；环境污染、含有不希望的脂肪酸及鱼腥味也影响着鱼油的质量；另外，鱼油还具有加工成本高、易氧化等缺点；并且随着渔业资源的日益紧张，鱼油将很难满足人们对DHA和EPA等n-3多不饱和脂肪酸的市场需求。因此，人们一方面努力发展精炼鱼油的技术，另一方面也在积极开发n-3多不饱和脂肪酸的新资源。海洋科学/2007年/第31卷/第11期80图1高等植物和哺乳动物体中多不饱和脂肪酸的合成途径3.2海洋微生物研究发现，尽管一些海洋鱼类自身能够合成DHA和EPA等n-3多不饱和脂肪酸，但是，它们体内积累的DHA和EPA主要来源于他们的食物。而海洋食物链中的初级生产者——海洋微生物才是n-3多不饱和脂肪酸的原始生产者[21]。因此，在海洋微生物中寻找n-3多不饱和脂肪酸的新生资源逐渐成为新的研究热点。“微生物油”、“单细胞油”的概念开始被提到。目前，已分离出了多种富含DHA和EPA的海洋微生物，主要是一些低等的海洋真菌和微藻。与鱼油相比，微生物油具有一些鱼油不可比拟的优点：(1)筛选出的产油微生物都含有相当高的PUFAs含量；(2)微生物油的氧化稳定性较好；(3)产油微生物一旦被分离，即可通过生物技术手段扩大培养，不必有资源紧缺的担忧；(4）从微生物中提取的PUFAs没有鱼腥味，且有些微生物所含的不饱和脂肪酸成分单一，减少了分离过程中相互间的干扰。另外，还可通过生物技术手段对产油微生物的基因组加以改造，进一步提高其生产PUFAs的能力。因此，利用微生物生产DHA和EPA具有广阔的前景。在已分离的产油的海洋微生物中，金藻纲(Chrysophyceae)、黄藻纲(Xanthophyceae)、硅藻纲(Centricae)、红藻纲(Rhodophyceae)、绿藻纲(Chlorophyceae)和隐藻纲(Cryptophyceae)中都有富含EPA的藻类。其中有些微藻,如Skeletonemacostatum，所含的EPA占细胞总脂的40%以上[22]。富含DHA的海洋藻类相对较少，主要集中在甲藻、金藻和硅藻中。不过，一些光养型的微藻在工业化生产中存在一些问MarineSciences/Vol.31,No.11/200781题：培养在开放水体中的微藻一方面容易受到细菌的污染和原生动物的掠食，另一方面其产量受到季节和气候的限制；并且，由于微藻的生长速度较慢，生物量低而使得采收成本相对提高。密闭的光反应器可以提供适合微藻的生长条件，提高微藻的产量，并且使污染的问题得以解决，但是光养型微藻对反应器中光强的要求限制了其培养规模，从而提高了应用光反应器培养微藻的成本[23]。与光养型的微藻相比，能利用有机碳作为唯一碳源和能源进行生长的异养微生物更容易通过生物反应器进行大规模培养且产量较高，它们作为微生物油的新资源更被人们所看好。已发现的能生产EPA和DHA的异养微生物主要有：一些能够异养生长的微藻和虫霉目和水霉目的几种低等海洋真菌。不过，对于用异养微生物生产DHA和EPA也面临一些问题：（1）至今已分离的可生产DHA和EPA的微生物种类有限，需进一步开发新的富含DHA、EPA的异养微生物资源；（2）因为异养微生物生长需要丰富的培养基，加之其生长速率相对较低（相对细菌而言），培养过程中容易受到细菌的污染。因此，需要严格控制无菌化操作；（3）对于新分离的用于生产DHA、EPA的海洋微生物，需要对其进行安全性评价[17]。目前，商业上用于生产DHA的海洋微生物主要有裂殖壶菌（Schizochytriumlimacinum）和隐甲藻(Crypthecodiniumcohnii)。3.2.1裂殖壶菌裂殖壶菌是属于水霉目、破囊壶菌科的一类类藻的海洋真菌。单细胞，球形（图2）。细胞内积累了大量的油脂，可占其细胞干质量的70%以上，总脂肪酸中DHA的质量分数达30%~40%，且细胞中90%以上的油脂以人体易吸收的中性油脂——甘油三酯（TG）的形式存在[24]。昀早将裂殖壶菌应用于商业化生产的是美国的Omega生物技术公司。早在1991年，该公司即研究出了一套裂殖