不同养殖模式和产地刺参营养功能成分比较分析

彭吉星,赵新楠,宋冬茹,吴海燕,郑关超,郭萌萌,赵艳芳,谭志军*

(1.农业农村部水产品质量安全检测与评价重点实验室,中国水产科学研究院黄海水产研究所,山东 青岛 266071;2.农业农村部水产品质量安全风险评估实验室,山东 青岛266071;3.国家水产品质量检验检测中心,山东 青岛266071)

海参隶属于无脊椎动物中最高等的棘皮动物门(Echinodermata)、海参纲(Holothurodea)。中国有海参140种,约20余种可以食用,其中刺参(Apostichopusjaponicus)又称仿刺参,为典型的温带种类,是中国主要消费和唯一商业养殖的海参品种,主产于黄海海域,优势产区为山东省和辽宁省[1]。2019年全国刺参总产量17.17万t,山东和辽宁产量居前两位,其中山东产量为92 581.00t,辽宁省产量为44 710.00 t,分别占全国总产量的53.92%和26.04%[2]。随着养殖规模的扩展以及工程化、标准化高效生产关键技术的突破,刺参的商品价位回归合理,同时随着居民经济收入提高及保健意识的增强,对刺参产品的消费需求及其质量品质的要求也日益提高,刺参原料产品的等级分类及加工品也更加多元化、高值化和精深化。

刺参的营养品质与其产地环境和养殖模式密不可分,目前刺参增养殖模式主要有底播增殖和池塘养殖等。不同养殖模式下刺参生长周期、生长环境和摄食环境不同,其营养价值和经济价值存在较大差异。底播增殖是人工投苗后自然环境下生长,生长慢,养殖成本高;而池塘养殖是人工育苗后在人造池塘或者圈养海域进行养殖,海参生长环境可控并投饵,生长周期明显缩短,产量高,价格便宜。刺参养殖者和消费者普遍认为底播刺参的质量及营养品质高于池塘养殖刺参,但是缺乏有力的数据支持,也缺乏统一的评价标准。营养成分组成及含量是评价刺参营养品质的重要指标,目前国内外关于海参营养品质研究报道虽多但主要对品种[3-5]、产地[6-10]、季节[9,11]、养殖方式等[8,12-15]样品间的差异比较,并且主要集中在脂肪酸、氨基酸、矿物质等营养成分,对于功能活性成分的报道较少[16-18];同时比较研究烟台和大连两大刺参主产地的不同养殖模式刺参营养及功能成分差异的研究鲜有报道。大连和烟台是北方传统的刺参养殖产地,分别作为“辽参”和“鲁参”的代表和原产地,在中国海参产业中处于核心地位[19-20]。因此,本研究选择大连、烟台刺参进行研究,对比不同产地和养殖模式对其营养品质的影响。

1 材料与方法

1.1 主要材料

刺参样品于2020年10月份分别取自山东烟台和辽宁大连,其中烟台池塘养殖和底播增殖各15份;大连池塘养殖和底播增殖各15份。大连样品来自庄河、长海县、旅顺、普兰店、瓦房店等地;烟台样品来自长岛县、莱州、蓬莱区、开发区等地。样品为新鲜刺参,池塘样品为约2龄成参,底播样品为约3龄成参,规格为个体质量在120 ～150 g之间,每份样品分别取5只去内脏和石灰环清洗后,沥干,匀浆,于-80 ℃下冰箱保存,待测。

1.2 主要仪器与设备

CPA 1003P分析天平,德国Sartorius 公司;Betal-8LD真空冷冻干燥机,德国Christ公司;Elan DRC II等离子体质谱仪,美国PE公司;7890B气相色谱仪,美国Agilent公司;Kjeltec2400凯氏定氮仪,丹麦Foss公司;L-8800 氨基酸自动分析仪,日本Hitachi公司;e2695 高效液相色谱系统(配紫外检测器和Empower色谱工作站), 美国Waters公司。

1.3 试验方法

水分含量测定依据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》直接干燥法;灰分含量测定依据GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》高温灰化法;盐分的测定依据SC/T 3011—2001《水产行业标准 水产品中盐分的测定》以氯化钠计测定;脂肪测定依据GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》索氏提取法;蛋白质含量测定依据GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》凯氏定氮法;脂肪酸测定依据GB 5009.168—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》气相色谱归一化法;氨基酸测定依据GB 5009.124—2016《食品安全国家标准 食品中氨基酸的测定》氨基酸自动分析仪法;钾、钠、钙、镁、铁、铜、锰、锌、磷9种矿物质元素测定依据GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》电感耦合等离子体发射光谱法;硒测定依据GB 5009.93—2017《食品安全国家标准 食品中硒的测定》原子荧光法;海参多糖测定依据SC/T 3049—2015《水产行业标准 刺参及其制品中海参多糖的测定高效液相色谱法》;海参皂苷测定依据GB/T 33108—2016《海参及其制品中海参皂苷的测定高效液相色谱法》。用于氨基酸和脂肪酸测定的样品冷冻干燥后测定,微量元素和活性物质指标含量依据水分含量换算成干基计。

1.4 统计分析

所有实验数据均以平均值±标准差表示。利用Excel 2016软件进行数据统计,利用SPSS 18.0软件对营养成分数据进行单因子方差分析,利用独立样本t-检验进行数据比较,利用Leven’s test进行方差齐性检验,对不同数据进行Duncan’s多重比较,P<0.05作为差异显著。

致动脉粥样硬化指数AI=(C12∶0+4×C14∶0+C16∶0)/(ΣMUFAs+ΣPUFAs);血栓形成指数:TI=(C14∶0+C16∶0+C18∶0)/({0.5×ΣMUFAs+0.5×∑n6PUFAs+3×∑n3PUFAs+(n3/n6)})[21]。

2 结果与分析

2.1 基本营养成分

刺参营养成分丰富,为典型的高蛋白、低脂肪食物,体壁是刺参的主要食用部位和营养部位。4种不同刺参体壁中水分、灰分、盐分、脂肪、蛋白质含量见表1,水分含量在90.19%～93.97%,烟台池塘养殖最高,与其他3种刺参之间有显著性差异;灰分含量为2.26%～3.05%,烟台底播增殖刺参灰分含量最高,烟台池塘养殖刺参最低,两者之间存在显著性差异,大连2种模式刺参无显著性差异,且与烟台两种刺参无显著性差异;盐分含量为1.29%～2.14%,烟台池塘养殖最低,其他3种刺参之间无显著性差异;脂肪含量为0.29%～0.83%,烟台底播增殖最高,烟台池塘养殖最低,烟台底播增殖与其他3种刺参存在显著性差异;蛋白质含量为2.79%～4.48%,烟台池塘养殖最低,其他3种刺参蛋白质含量无显著性差异。

表1 不同养殖模式刺参的基本营养成分测定结果

已有文献报道底播、池塘养殖等不同养殖模式以及辽宁、山东不同产地刺参中蛋白质、脂肪、灰分等基本营养成分存在差异[3,7-10,13,22-23]。本研究结果显示烟台底播增殖刺参的灰分、蛋白质和脂肪3种基本营养成分含量均显著高于烟台池塘养殖刺参,烟台池塘养殖刺参水分含量显著高于底播刺参;大连底播刺参中脂肪、蛋白质含量均高于大连池塘刺参,但无显著性差异。烟台、大连底播增殖刺参中蛋白质含量均高于池塘养殖刺参,该结果与前期文献研究结论相似[22-23],可能是不同养殖模式的养殖周期、生长环境及饵料生物差异造成的。不同产地分析结果表明烟台底播增殖刺参的灰分、蛋白质与大连2种刺参无显著性差异,但脂肪含量高于大连池塘和底播刺参;烟台池塘养殖刺参的灰分、脂肪与大连刺参无显著性差异,但蛋白质含量显著低于大连池塘和底播刺参。由此可见,不同养殖模式刺参中基本营养成分差异主要体现在蛋白质和脂肪含量上,底播刺参优于池塘养殖刺参;不同产地底播刺参蛋白质和脂肪含量无显著差异。

2.2 脂肪酸组成和含量

脂肪酸为生物机体生长提供所需能量且为细胞结构组成的重要物质,不饱和脂肪酸具有多种活性功能,其组成和含量是评价海产品营养价值的重要指标之一。刺参中不饱和脂肪酸占总脂肪酸含量的50%以上,其中n-3不饱和脂肪酸对心血管健康十分有益[24]。已有文献报道底播、池塘养殖等不同养殖模式以及大连、烟台、威海和青岛等不同产地刺参中不饱和脂肪酸含量存在差异,特别是多不饱和脂肪酸[7-10,13]。

本研究结果显示, 刺参中共检测出21种脂肪酸,其中包括6种饱和脂肪酸(Saturated fatty acid,SFA),即C14∶0、C16∶0、C17∶0、C18∶0、C20∶0、C21∶0;9种单不饱和脂肪酸(Monounsaturated fatty acid,MUFA),即C14∶1n5、C16∶1、C18∶1n9、C18∶1n6、C20∶1n9、C20∶1n11、C22∶1n11、C22∶1n9、C24∶1n9;6种多不饱和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid,PUFA),即C16∶3n3、C18∶2n6、C20∶2n6、C20∶4n6、EPA、DHA,数据见表2。4组刺参样品中烟台底播增殖刺参中SFA含量最低为22.09%,显著低于其他3种刺参(25.29%～26.90%),其中软脂酸(C16∶0)和硬脂酸(C18∶0)是主要的饱和脂肪酸;MUFA的含量在38.16%～43.26%之间,其中大连底播增殖刺参的MUFA含量为38.16%,显著低于其他3种刺参,棕榈油酸(C16∶1)和油酸(C18∶1n6)是主要的单不饱和脂肪酸;PUFA的含量在18.60%～21.12%之间,4种不同刺参的PUFA无显著性差异,EPA和DHA是主要的多不饱和脂肪酸。

表2 不同养殖模式下刺参脂肪酸组成

烟台底播增殖的C16∶0和C17∶0饱和脂肪酸含量远低于烟台池塘养殖刺参、大连池塘和大连底播刺参(P<0.05),具有显著性差异。烟台底播增殖刺参棕榈油酸(C16∶1)含量远高于大连底播刺参(P<0.05),有显著性差异,而烟台池塘和大连池塘的刺参棕榈油酸(C16∶1)含量基本一致,无显著性差异;烟台池塘和底播刺参中油酸(C18∶1n6)含量基本一致,无显著性差异,而大连底播刺参中C18∶1n6含量低于大连池塘养殖刺参,两者有显著性差异。烟台和大连池塘养殖刺参中C20∶1n9、C22∶1n9和C24∶1n9 无显著性差异,烟台底播增殖刺参中C20∶1n9、C22∶1n9和C24∶1n9含量低于大连底播增殖刺参,有显著性差异(P<0.05);烟台底播增殖刺参中C20∶1n9和C24∶1n9含量低于烟台和大连池塘养殖刺参,有显著性差异(P<0.05)。烟台池塘养殖刺参的EPA、DHA含量低于其他3种来源刺参,烟台池塘养殖刺参的EPA含量与烟台底播和大连池塘刺参有显著性差异,烟台池塘养殖刺参DHA含量与大连底播刺参有显著性差异。综上,从产地来看,烟台底播刺参中C16∶0、C18∶0、SFA、C20∶1n9、C22∶1n9和C24∶1n9含量低于大连底播刺参,而C16∶1、MUFA显著高于大连底播刺参,烟台池塘养殖刺参中EPA含量显著低于大连池塘刺参;从不同养殖模式分析,烟台底播刺参中C16∶0、C18∶0和SFA显著低于烟台池塘刺参,烟台底播刺参中EPA含量显著高于烟台池塘刺参,大连底播增殖刺参中C18∶1n6和MUFA显著低于大连池塘养殖刺参。总之,不同来源刺参中脂肪酸差异主要体现在多不饱和脂肪酸含量上。

4种不同刺参样品中n3/n6的比值为1.30～2.72,远高于WHO建议的0.1,表明刺参中的脂肪酸含量及比例是有益人体健康的。致动脉粥样硬化指数(AI)和血栓形成指数(TI)是衡量脂肪酸对人体健康作用的指标[21]。当高于1.0时是对人体健康有害的,形成动脉粥样硬化和血栓的风险更高。4种不同来源刺参的AI为0.75～0.96,烟台池塘养殖刺参最高为0.96,显著高于烟台底播增殖刺参;TI为0.29～0.42,烟台底播增殖刺参最低0.29,显著低于烟台池塘养殖刺参,大连池塘养殖刺参和底播刺参的AI和TI无显著性差异。综上,从不饱和脂肪酸组成比例及含量分析,烟台底播刺参的品质较优。

2.3 水解氨基酸组成和含量

氨基酸组成、含量及比例是评价刺参营养品质的重要指标[4]。已有文献报道底播(野生)、池塘养殖等不同养殖模式刺参中底播养殖刺参的总氨基酸及必需氨基酸含量高于池塘养殖刺参[3,8,23],以及辽宁大连、山东烟台和青岛等不同产地刺参中山东刺参的总氨基酸及必需氨基酸含量高于大连刺参[7,9]。本研究测定了刺参的16种氨基酸,如表3所示。不同刺参样品间含量差异较大,氨基酸总量为36.16%～48.32%,大连底播刺参中必需氨基酸总量为48.32%,显著高于烟台底播(35.51%)和池塘刺参(36.16%);7种必需氨基酸(EEA)中亮氨酸含量最高(1.95%～2.47%),缬氨酸和苏氨酸含量次之(含量均大于1.79%),大连底播刺参中缬氨酸和苏氨酸含量显著高于2种烟台刺参;烟台池塘、烟台底播、大连池塘和大连底播4组不同刺参样品中必需氨基酸总量分别为10.65%、11.05%、13.19%和14.13%,占总氨基酸的比例分别为29.62%、31.35%、29.85%和29.76%,大连底播刺参中必需氨基酸总量显著高于烟台底播和池塘2种刺参;条件性必需氨基酸[25]精氨酸的含量为2.75%～3.92%,组氨酸的含量为0.48%～0.64%,大连底播刺参中2种条件必需氨基酸含量均显著高于烟台底播和池塘刺参;非必需氨基酸中甘氨酸含量最高为6.46%～11.36%,其次为天冬氨酸和谷氨酸,分别为3.25%～4.61%和2.78%～4.02%,大连底播刺参中上述3种非必需氨基酸含量均显著高于烟台底播和池塘刺参。

表3 不同养殖模式刺参氨基酸组成测定结果

以上结果显示不同产地刺参中氨基酸有显著差异,烟台底播增殖刺参中缬氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸等必需氨基酸,天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丝氨酸、组氨酸、精氨酸等非必需氨基酸以及必需氨基酸总量和氨基酸总量均显著低于大连底播增殖刺参;烟台池塘养殖刺参中甲硫氨酸、谷氨酸、甘氨酸含量显著低于大连池塘养殖刺参,而丙氨酸显著高于大连池塘养殖刺参。不同养殖模式结果分析显示,烟台底播增殖刺参中甲硫氨酸显著高于池塘养殖刺参,但丙氨酸显著低于池塘养殖刺参,大连底播增殖刺参和池塘养殖刺参在氨基酸含量上无显著性差异。综上,不同来源刺参中氨基酸差异主要体现在必需氨基酸总量和总氨基酸含量上,大连底播刺参品质较优,且大连产地刺参优于烟台产地刺参。

2.4 矿物质元素组成

刺参含有丰富的人体必需微量元素,其中铁、锌、硒和锰含量较高,已有研究报道底播刺参铁和硒含量较高,而池塘养殖刺参锌和锰含量较高[3,6,14]。本研究中分析了刺参中钠、钾、镁、钙、磷5种常量元素和铁、锌、硒、铜、锰5种微量元素,测定结果及差异分析如表4所示。刺参的钠、钾、镁、钙和磷等常量元素含量较高,如钙含量为10.05～17.29 g/kg;刺参富含人体必需微量元素铁、锌、硒、铜和锰,其中铁含量为0.33～1.68 g/kg,锌含量为33.52～49.88 mg/kg,硒含量为1.41～4.62 mg/kg,铜含量为3.11～5.22 mg/kg,锰含量为20.24～57.76 mg/kg,微量元素在底播增殖刺参和池塘养殖刺参中的含量有显著差异。

表4 不同养殖模式刺参矿物质元素测定结果

本研究结果表明底播和池塘养殖不同养殖模式刺参中矿物质元素有显著差异,烟台底播增殖刺参中钙、铁、锌、硒、锰和铜元素含量低于烟台池塘养殖刺参;大连底播刺参中钙、铁、锌、锰和铜元素含量均低于大连池塘养殖刺参,而硒含量高于大连池塘养殖刺参。不同产地刺参中矿物质元素结果比较显示,烟台池塘养殖刺参中钙、硒和锰含量显著高于大连池塘刺参;烟台和大连底播增殖刺参的矿物质元素含量无显著性差异。综上,从不同养殖模式来看底播刺参中钙、铁、锌、锰和铜元素含量低于池塘养殖刺参;不同产地来看烟台池塘刺参钙、铁、硒、铜和锰含量上高于大连2种刺参。

2.5 海参多糖和海参皂苷含量分析

海参多糖及海参皂苷是刺参的主要功效成分,具有抗肿瘤、抗菌、抗血栓、提高免疫力等多种生物活性[17-18,26]。王哲平等[3]研究显示青岛5月份采集的野生刺参黏多糖和皂苷含量高于工厂化养殖刺参;王贵滨等[13]报道大连6月份采集的圈养刺参多糖含量高于浅海和深海底播刺参;高磊等[23]研究表明11月份采集的辽宁工厂化养殖和池塘养殖刺参中海参多糖含量高于底播刺参和野生刺参,底播刺参总皂苷含量高于工厂化、池塘和野生海参,但均无显著性差异。

本研究烟台、大连不同养殖模式刺参中海参多糖及海参皂苷含量见表5,不同来源刺参的海参多糖含量为63.24 ～112.88 g/kg,海参皂苷的含量为756.21～1 046.23 g/kg。不同养殖模式刺参中海参多糖含量存在显著性差异,烟台池塘养殖刺参的海参多糖含量最高,大连地区底播增殖的海参多糖含量显著高于大连池塘养殖海参(P<0.05);大连底播刺参的海参皂苷含量高于大连池塘养殖刺参但无显著性差异(P>0.05)。从产地分析来看,烟台池塘刺参的海参多糖含量显著高于大连池塘刺参(P<0.05),而底播刺参海参多糖无显著性差异(P>0.05);不同地区的海参皂苷含量均无显著性差异(P>0.05)。综上,养殖模式和产地均会影响海参多糖和海参皂苷的含量。现有海参多糖和海参皂苷含量检测标准方法分别以水解后产物岩藻糖和喹诺糖计算,考虑到池塘养殖过程中投喂海带等含多糖的藻类饵料会影响其含量的分析,因此该标准方法后续有待优化检测海参多糖和海参皂苷原型物,而不是水解产物。

表5 不同养殖模式刺参海参多糖和海参皂苷含量测定结果

2.6 营养质量指数与富含营养素指数分析

营养质量指数即营养素密度(营养素含量/该营养素推荐摄入量)与能量密度(该食物提供能量/能量推荐摄入量)之比,是反映食品营养质量的指标。基于人体必需的氨基酸、脂肪酸、矿物质元素等主要全营养素,营养推荐摄入量参考中国食物成分表[27],能量推荐摄入量以18～50岁轻体力活动男性的2 600 kal/d为基准,根据4种不同来源刺参各营养素含量计算其营养质量指数(表6),筛选出刺参中富含的特征优势营养素。除总脂肪、饱和脂肪酸和铜外,其他营养素的营养质量指数均大于1,其中蛋白质、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸、钙、铁、硒的营养质量指数较高。从不同营养素的营养质量指数分析看,刺参是蛋白质、EPA、DHA、钙、铁和硒等人体必需营养素的优势食物来源。

表6 不同养殖模式刺参营养素的营养质量指数

刺参中含有人体必需的多种营养物质,其营养品质可以根据营养素的种类和含量进行评价,单一营养成分的比较往往是片面的,无法从整体上对其进行评价分析。而富含营养素(Nutrient-rich food,NRF)指数是对食物的综合营养价值的评价,可直观反映食物整体的营养价值,指数值越高表明所含刺参中推荐营养素含量越多,营养品质较好;反之指数值越低,营养品质较差。对于消费者来说简单易懂,更加方便判断一个食物的营养价值从而加以选择[28-29]。富含营养素指数为推荐营养素(Nutrient-rich,NR)的营养质量指数与限制性营养素(Limiting nutrients,LIM)的营养质量指数之差。选取刺参中蛋白质、总脂肪、EPA和DHA、钙、磷、钾、镁、铁、锌、硒、铜、锰 12种营养素作为推荐营养素;限制性营养素为钠、饱和脂肪酸2种。4种来源刺参样品的富含营养素指数数据见表7,池塘养殖刺参的富含营养素指数数值大于底播刺参,其中烟台池塘养殖刺参的富含营养素指数最高,大连底播刺参的营养素指数最低。已有研究表明,刺参生长环境水质的理化因子、饵料与摄食等均会影响其生长以及营养物质的积累[7-10,13]。同一产区海水环境基本一致,推测本研究中底播和池塘不同养殖模式刺参的营养素差异主要是饵料不同导致,池塘养殖刺参更容易获取藻类等饵料食物,导致其体内营养素特别是矿物质元素含量较高。

表7 不同养殖模式刺参营养综合评价指数

3 结论

通过综合比较烟台、大连两大北方刺参主产区底播和池塘养殖刺参样品的营养成分和功能成分,结果显示蛋白质、总脂肪、脂肪酸、氨基酸、必需微量元素等营养成分和海参多糖等功能成分的含量有显著性差异。其中烟台底播刺参在蛋白质、脂肪和不饱和脂肪酸含量上有优势,大连底播刺参在必需氨基酸总量和氨基酸总量上有优势,烟台池塘刺参在必需微量元素和海参多糖含量上占优势,大连池塘刺参无明显优势成分。烟台刺参营养素指数数值大于大连刺参,其中烟台池塘养殖刺参营养素指数最高,大连底播刺参营养素指数最低。本研究进一步明确了北方刺参营养成分及功能成分的基本情况,以及产地环境、饵料及养殖模式差异对刺参特征性营养组分的影响。目前,刺参营养素成分有较为完善的国家或行业标准,但更多的生物活性物质尚缺乏检测标准。现有的研究报道仅仅从蛋白质、氨基酸、脂肪酸、矿物质元素等营养成分以及以海参多糖和海参皂苷为主要指标的生物活性成分分析[30-31],不足以全面准确评估刺参不同养殖模式、产地、季节以及不同品系、组织部位的优劣。鉴于此,已有学者开始利用代谢组学、脂质组学等多组学技术手段来分析评价不同养殖模式及不同产地刺参的营养品质[15,32-35]。为更好服务 “健康中国”战略亟需围绕刺参营养品质深入开展活性成分的挖掘、化学结构解析、功能功效和作用机制等研究,以期为推动刺参产业高质量发展、提升消费者意愿和市场占有率提供更科学的参考依据。