In vitro Characterization of Bioactive Compounds Extracted from Sea Urchin (Stomopneustes variolaris) using Green and Conventional Techniques

Abstract

Sea urchins belong to the phylum Echinodermata and are abundant in tropical and subtropical seas around the world and around 800 species are identified uptodate. The edible gonads of some sea urchins are called "uni" or "roe" across Southeast Asia and the Mediterranean countries. They are expensive luxury food with high nutritional content. But the gonads are a small portion of the sea urchin's total body, whose inedible shells, spines, internal fluids, and organs are regularly discarded as waste. This high waste generation in urchin fishery and processing contributes to environmental issues, presenting a need for more productive utilization of these waste materials. Although an increasing amount of literature demonstrates potential antioxidant, antidiabetic, anti-inflammatory, and anticancer bioactivities of different compounds (mainly polyphenols, flavonoids, proteins, and polysaccharides) extracted from various body parts of different sea urchin species, most studies employed conventional organic solvent-assisted extraction methods. This study investigated the in vitro bioactivities of extracts obtained from viscera, spines, shells, and gonads of Stomopneustes variolaris using subcritical water extraction (SWE) at 110°C, 150°C, 190°C, and 230°C and Soxhlet extraction (SE). The highest amounts of phenolics (22.68±0.05 mg GAE/g), flavonoids (27.11±0.10 mg RE/g), and proteins (40.25±0.84 mg BSA/g) were recorded from gonads at 230°C, whereas maximum sugar content (23.38±1.30 mg glucose/g) was in viscera at 150°C. Gonads at 230°C exhibited the highest DPPH activity (78.68±0.18 %), whereas viscera at 150°C exhibited the highest ABTS+ (98.92±1.27%) and anti-inflammatory activity (37.13±9.94%). Viscera at 110°C claimed the highest amylase inhibition (42.46±0.83%), and spines at 150°C had the highest anticancer activity (IC50 =767.47 μg/mL). SWE achieved superior results in bioactive compound recovery and detected higher levels of bioactivities (p<0.05). The outcomes of the current study demonstrated that SWE was able to recover more bioactive compounds from sea urchin S. variolaris than SE, including total phenolics, flavonoids, proteins, and sugars. In addition, the in vitro antioxidant, antidiabetic, anti-inflammatory, and anticancer activities of SWE were higher than those of SE. However, the SWE of viscera and gonads showed higher bioactive compound recovery compared to shells and spines. Despite the yield of the bioactive compound, all extracts demonstrated considerable bioactivities. Therefore, SWE could be useful for the extraction of bioactive compounds from sea urchin S. variolaris for advanced applications. For example, it can be used in the food industry as an animal extract-based food additive or a nutrition supplement including phenolics, flavonoids, polisachcharaides and proteins. Also the antioxidant capacity of the SWE showed the potential appilaction in the cosmetic industry as an active ingredient. Antioxidant, antidiabetic, anti-inflammatory, and anticancer activities demostrated the potential use of these extracts in phamacutical industry so that develop thereputic treatements for diabetic, cancers and infalamatory diseases. Additionally, these extracts can be incoperated as an active ingredient in bioactive film formulation to produce active food packageing materials.

성게(로)는 영양성분이 높은 고가의 명품 식품이다. 그러나 고나드는 성게 전체 몸통의 작은 부분으로, 먹을 수 없는 껍질, 가시, 내장액, 장기 등은 정기적으로 폐기물로 버려진다. 가공 산업의 이러한 높은 폐기물 발생은 환경 문제에 기여한다.따라서 이러한 폐자재는 보다 생산적으로 사용될 필요가 있습니다. 이 연구는 110°C, 150°C, 190°C, 230°C 및 삭슬렛 추출에서 아임계수 추출임계 이하 용수 추출(SWE)을 사용하여 Stomopneustes variolaris의 내장, 척추, 껍질 및 고나드에서 얻은 추출물의 체외 생체 활동을 조사했다. 고나드로부터 230°C에서 페놀리(22.68±0.05mg GA/g), 플라보노이드(27.11±0.10mg RE/g), 단백질(40.25±0.84mg BSA/g)의 가장 많은 양이 기록되었다. 최대 당 함량(23.38±1.30mg 포도당/g)은 150°C에서 내장(viscera)이었다. 230°C에서 고나드는 가장 높은 DPPH 활성(78.68±0.18%)을 보였다. 150°C의 비세라(viscera)는 ABTS+(98.92±1.27%)와 항염증 활동(37.13±9.94%)이 가장 높았다. 110°C에서 비세라가 가장 높은 아밀라아제 억제(42.46±0.83%)를 주장했다. 가시는 150°C에서 가장 높은 항암 활성(IC50 = 767.47 μg/mL)을 보였다. SWE는 생체 활성 화합물 복구에서 우수한 결과를 달성했으며 더 높은 수준의 생체 활동을 탐지했습니다(p<0.05). 현재 연구의 결과는 SWE 추출이 총 페놀, 플라보노이드, 단백질 및 당을 포함하여 SE 추출보다 S.variolaris 로부터 더 많은 생물학적 화합물을 회수할 수 있었다는 것을 보여주고있다.또한, SWE 추출물의 시험관내 실험 항산화, 항비만, 항염증, 항암 활성은 SE보다 높았다. 하지만, 내장 및 생식선의 SWE 추출믈은 성게의 껍질과 가시에 비해 생체 활성 화합물의 회수율이 더 높았다. 많은 생체 활성 화합물이 회수되었고, 모든 추출물은 상당한 생체 활동을 보여주었다. 따라서 SWE 추출은 S. varolaris에서 생물 활성 화합물을 추출하는 데 유용하다. 예를 들어, SWE 추출물은 식품 산업에서 동물성 추출물을 기반으로 한 식품 첨가제 또는 페놀, 플라보노이드, 다당류 및 단백질을 포함한 영양 보충제로 사용될 수 있다. 또한 SWE 추출물의 항산화능력은 화장품 산업에서 활성 성분으로서의 잠재적 응용 가능성을 보여준다.추출물의 항산화, 항비만, 항염증 및 항암 활성은 의약품 산업에서 추출물의 잠재적 사용 가능성을 나타내고 있으며, 비만, 암 및 염증 치료제의 개발에 사용되어질 수 있다. 또한 이러한 추출물은 활성 식품 포장 재료의 생산을 위한 생체 활성성분으로 이용될 수 있다.