狐尾藻營養活性成分的研究

李 倩,全天秀,李祖明,*,白志輝

(1.北京聯合大學生物化學工程學院,北京 100023;2.中國科學院生態環境研究中心,北京100085)

目前全世界普遍關注因水體富營養化導致的環境問題[1]。肥料、污水和工業廢水等污染物排放,導致水體營養供應增加,尤其是氮(N)和磷(P),其會引起水體富營養化,嚴重影響水質,對社會和經濟產生影響[2]。因此越來越多研究者開始關注富營養化水體治理[3]。目前治理富營養化水體方法有物理、化學、生物等修復手段,其中生物修復能耗少、投資少、運轉費用低、效率高、無二次污染,可實現原位修復和控制污染物,能夠與綠化環境及生態景觀改善相結合,實現生態修復最大效益,近年來受到國內外廣泛關注[4]。

人工濕地是一種模擬自然系統并經過人工強化的凈水系統,因成本低,管理容易而廣泛用于富營養化水體治理中[5]。生物膜上的生物世代時間長,生物量大,在載體上富集有脫氮和脫磷微生物的生物膜可用于凈化富營養化水體[6]。生物膜法以其效率高和運行成本低等優點被常用于污水的有機物去除及脫氮、脫磷工藝,其對緩解當前水體富營養化和廢水處理設施用地緊張等問題有積極作用,擁有較大的發展潛力。

水生植物狐尾藻具適應環境能力強、生長速度很快、耐污染能力強、淺溝濕地生長良好、能顯著降低廢水中氮(N)和磷(P)等營養物濃度、低成本、效果好、維護需求少等優點,其生長迅速,產生大量地上生物量,具有作為食品、飼料、有機肥料、生物材料和生物能源潛力[7,9],被廣泛應用于包括富營養化水體在內各種廢水修復和凈化,在濕地系統凈化富營養化水體中發揮重要作用[7,9]。狐尾藻通過根系從底泥吸收氮、磷和通過莖、葉從水中吸收氮、磷相結合來提高氮、磷的吸收,在富營養化水體中,狐尾藻有多種養分吸收途徑來提高氮和磷的去除能力[7],然而若不及時收獲和資源化利用,其凋落物分解會使同化的氮和磷又釋放到環境中[7-8]。

另外,狐尾藻還可通過協同微生物的消化和反硝化作用去除銨氮[10],其開發有利于未來對廢水營養循環和生物質資源化高效利用進行優化集成,拓展其在食品及其它領域的高附加值化利用,實現環境保護、資源化高效利用和經濟效益有機結合[7-10]。

本文分別檢測了狐尾藻組和狐尾藻結合生物膜組處理富營養化水體后狐尾藻的營養活性成分的含量,考察狐尾藻中主要營養活性成分的含量及其變化,以期將狐尾藻中營養活性成分研究開發為高附加值的功能食品提供理論和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

綠狐尾藻、綠狐尾藻結合生物膜 由中國科學院亞熱帶農業生態研究所長沙農業環境觀察站開慧基地提供;16種單個氨基酸標準品(固體,純度≥98%)、混合氨基酸標準溶液 美國Aladdin試劑公司;十一碳酸甘油三酯、混和脂肪酸甲酯標準品、單個脂肪酸甲酯標準品 美國Merck公司;微量元素標準品元素貯備液(1000或10000 mg/L):鉀、鈣、鎂、鐵、錳、鋅 采用經國家認證并授予標準物質證書的單元素或多元素標準貯備液,國家標準物質中心;茚三酮溶液、乙酸鋅、亞鐵氰化鉀、乙酸鎂、無水硫酸鈉、氯化鈉、檸檬酸鈉、硫酸氫鈉、鹽酸 均為優級純,北京化工廠;焦性沒食子酸、苯酚、三氯化硼甲醇溶液(濃度為15%)、正庚烷、異辛烷、乙腈 均為色譜純,上海吉至生化科技有限公司。

人工濕地污水處理中試系統 位于長沙市長沙縣金井鎮,由中國科學院亞熱帶農業生態研究所長沙農業環境觀察站建立;2300定氮儀、Soxtec2055全自動索氏提取儀 德國福斯;FIWE纖維素測定儀 意大利VELP;L-8900氨基酸分析儀 日本日立;SX2-4-10箱式電阻爐 上海一恒;ICAP-7400電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)、ICS-3000離子色譜儀 美國賽默飛;10A-VP高效液相色譜儀 日本島津;GC-2010氣相色譜儀 日本島津;UV-1700PC紫外可見-分光光度計 上海奧析。

1.2 實驗方法

1.2.1 凈化方法 在中國科學院亞熱帶農業生態研究所長沙農業環境觀察站人工濕地污水處理中試試驗系統開展富營養化水體凈化實驗。選取狐尾藻組(A組)、狐尾藻結合生物膜組(B組)來考察兩種不同凈化方法處理富營養化水體后綠狐尾藻主要營養活性成分含量的變化。狐尾藻組(A組)指實驗單元中只種植狐尾藻,用狐尾藻處理富營養化水體。狐尾藻結合生物膜組(B組)指實驗單元中不僅種植狐尾藻,而且分布有生物膜,生物膜采用聚丙烯纖維填料,長度為70 cm,生物膜掛膜采用自然掛膜,將生物膜材料系掛于網架上;該實驗單元綜合采用狐尾藻和生物膜來對富營養化水體進行凈化[11]。

1.2.2 原料處理 將兩種凈化方法處理富營養化水體后的綠狐尾藻洗凈后用食品級保鮮膜封裝,放入食品冰箱-20 ℃冷凍24～48 h后進行冷凍干燥,然后用小型高速粉碎機將凍干樣品粉碎、100目過篩,再用食品級保鮮袋封裝后存放于4 ℃冰箱備用。水分含量測定采用鮮樣,其余營養活性成分含量測定均采用干樣,試驗3次重復。

1.2.3 基本營養成分含量測定 水分含量測定采用冷凍干燥法,參照GB 5009.3-2010《食品中水分的測定》;灰分含量測定采用GB 5009.4-2016《食品中灰分的測定》(第一法);粗纖維含量測定參照GB/T 5009.10-2003《植物食品中粗纖維的測定》測定,結果以干樣計;蛋白質含量測定采用微量凱氏定氮法(N×6.25),參照GB 5009.5-2016《食品中蛋白質的測定》;粗脂肪含量測定參照GB/T 5009.6-2016《食品中脂肪的測定》,采用索氏提取法。

1.2.4 氨基酸含量測定 氨基酸組成及含量測定根據GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的測定》測定氨基酸的種類和含量。

1.2.5 脂肪酸含量測定 脂肪酸組成和含量測定參照GB 5009.168-2016《食品中脂肪酸的測定》來檢測脂肪酸的組成和含量測定,結果均以干樣計。

1.2.6 礦物元素含量測定 礦物質含量測定采用電感耦合等離子體發射光譜法,參照GB 5009.268-2016(第二法)《食品安全國家標準食品中多元素的測定》測定礦物質的含量。

1.2.7 可溶性糖與B族維生素含量測定 可溶性糖含量測定參照GB 5009.8-2016(第一法)《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》;維生素B1含量測定參照GB 5009.84-2016《食品中維生素B1的測定》(第一法)檢測,結果以干樣計;維生素B2含量測定參照GB 5009.85-2016《食品中維生素B2的測定》(第一法)檢測,結果以干樣計;維生素B6含量測定參照GB 5009.154-2016《食品中維生素B6的測定》(第二法)檢測,結果以干樣計。

1.2.8 總黃酮含量測定 總黃酮含量測定參照《保健食品檢驗與評價技術規范》(2003)方法來檢測,結果以干樣計。

1.3 數據分析

試驗3次重復,試驗數據采用Graph Pad Prism 5進行處理和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 基本營養成分

狐尾藻組(A組)和狐尾藻結合生物膜組(B組)處理富營養化水體后狐尾藻中各營養成分含量見表1所示。由表1可知,處理后狐尾藻的水分、灰分和粗纖維含量均分別高于92.00%、124.00 mg/g和13.00%,且B組略高于A組,但差異不顯著。狐尾藻粗蛋白含量為18.00 g/100 g左右,且A組顯著高于B組;粗脂肪含量均高于2.00 g/100 g,A組極顯著高于B組。狐尾藻生長在水中,含水量較高,接近93%,這與Ando等[12]報道相似。狐尾藻中粗纖維含量略高于13.00%,這與文獻[7]報道相似。Zhao等[13]發現富含膳食纖維的飲食改善了糖尿病人的腸道菌群,選擇性地促進一組產短鏈脂肪酸細菌的富集,這組菌的豐度和多樣性越高,血糖改善越好。狐尾藻粗蛋白含量較高,約為18.00 g/100 g,這與文獻[7,14]報道相似。這也進一步說明狐尾藻對環境中氮吸收能力強,轉化為自身蛋白含量較高。目前膳食纖維和蛋白質類功能食品是食品領域普遍關注的焦點之一,可將狐尾藻中的蛋白質和纖維素分別提取出來,分別制成蛋白質和膳食纖維用于食品領域的研究開發,制備高附加值功能食品,為狐尾藻在功能食品領域的高附加值資源化開發利用提供數據支持。

表1 凈化方法對狐尾藻基本營養成分的影響

2.2 氨基酸含量

氨基酸組成是食品營養價值可靠指標,蛋白質營養價值高低取決于必需氨基酸含量和組成比例[15]。A組和B組狐尾藻含有全部18種氨基酸,總氨基酸含量分別為13.39和13.28 g/100 g,如表2所示。總體上,除天冬氨酸外,對于同一種氨基酸含量,A組略高于B組,但差異不顯著。8種人體必需氨基酸除蛋氨酸和色氨酸外含量較高,必需氨基酸分別占總游離氨基酸的33.91%和30.80%。狐尾藻亮氨酸、賴氨酸、纈氨酸和精氨酸含量較高,天冬氨酸含量未見報道[7],這與本文中結果不完全一致。根據FAO/WHO建議的理想蛋白模式,必需氨基酸/總氨基酸的比值在40%左右的蛋白質質量較好[16]。狐尾藻中氨基酸含量較高、組成較合理,可為人體提供較為全面的氨基酸,這有利于將狐尾藻研究開發為高附加值化多肽類功能食品。

表2 凈化方法對狐尾藻氨基酸含量的影響(g/100 g)

2.3 脂肪酸含量

脂質是機體主要能量貯存分子和能量來源之一,也是細胞膜結構和功能重要物質基礎,特別是多不飽和脂肪酸是生物體繁殖和生長所必需的,因此脂質含量及種類也是評價食品營養重要指標之一[17]。A組和B組狐尾藻脂肪酸組成相似,α-亞麻酸和二十一碳酸含量差異顯著,其余均不顯著,如表3所示。A組和B組狐尾藻棕櫚酸、亞油酸、α-亞麻酸含量較高,其總和分別占總脂肪酸含量92.39%和89.89%。

表3 凈化方法對狐尾藻脂肪酸含量的影響(mg/g)

必需脂肪酸含量較高,其總和分別占總脂肪酸73.10%和69.41%;α-亞麻酸含量最高,分別為(12.103±0.12)和(9.284±0.035) mg·g-1,分別占必需脂肪酸總和65.27%和58.68%。狐尾藻必需脂肪酸含量較高,含量最高的α-亞麻酸又是構成細胞膜和生物酶基礎物質,在人體和動物健康中發揮重要作用;α-亞麻酸在體內還可轉化為DHA、DPA、EPA等[18]。狐尾藻可在食品中補充必需脂肪酸,其中高含量的α-亞麻酸可提出出來制備功能食品,拓展其資源化利用范圍。

2.4 礦物元素含量

A組和B組綠狐尾藻礦物元素中鈣、鉀、錳、鎂含量較高,A組略高于B組,如表4所示;鈣含量最高,分別為(20.735±0.389)和(15.430±0.547) mg·g-1,這與文獻[19]相似。鈣和錳含量差異顯著,其余不顯著。鈣是人體所不可或缺的微量元素,是人體內最豐富的礦物質,參與人體整個生命過程。從骨骼形成、肌肉收縮、心臟跳動、神經以及大腦的思維活動、直至人體的生長發育、消除疲勞、健腦益智和延緩衰老等等。鎂在人體中的重要性和鈣不相上下,是人體細胞內第二重要的陽離子,幾乎參與人體所有的新陳代謝過程。錳在人體中的作用是非常重要的,它不僅可以促進人體骨骼的正常發育,也可維持正常腦功能[20]。故狐尾藻可在食品中補充一定量的礦物元素,其中較高含量的鈣可制成鈣制劑補充人體所需鈣,促進人體健康。

表4 凈化方法對狐尾藻礦物元素含量的影響(mg/g)

2.5 可溶性糖與B族維生素含量

A組和B組狐尾藻中麥芽糖、乳糖和維生素B1含量極少,小于檢出限,如表5所示。果糖、葡萄糖和蔗糖含量較高,A組略高于B組;果糖含量最高,分別為(27.00±0.15)和(19.30±0.10) mg·g-1,差異顯著;葡萄糖和蔗糖含量差異不顯著。維生素B族中VB6、VB2分別為(5.30±0.06)和(4.50±0.12)、(1.48±0.45)和(1.44±0.002) mg·(100 g)-1,A組略高于B組,差異不顯著。VB6是人體和動物某些輔酶組成成分,參與多種代謝反應,尤其與氨基酸代謝密切相關[21]。狐尾藻中可溶性糖可供給機體能量,B族維生素可用于食品補充維生素,它們均有利于人體健康。

表5 凈化方法對狐尾藻可溶性糖含量及B族維生素含量的影響

2.6 總黃酮含量

黃酮類功能食品是目前功能食品領域研究的熱點之一;黃酮類化合物是多酚類植物次生代謝產物,具抗氧化、抗過敏和免疫調節活性等多種生物活性[22]。A組和B組狐尾藻中總黃酮含量分別為(31.81±0.049)和(21.75±0.058) mg·g-1,A組總黃酮含量顯著高于B組,如表6所示。狐尾藻中黃酮類化合物可經過提取和分離制備生物活性物質,并深入研究開發為黃酮類功能食品,可應用于功能食品領域,提高其資源化利用附加值。

表6 凈化方法對狐尾藻總黃酮含量的影響

3 結論

經本文研究表明,狐尾藻組和狐尾藻結合生物膜組處理富營養化水體后狐尾藻中主要營養活性成分含量發生了一定的變化。總體上,對于相同組分含量狐尾藻組略高于狐尾藻結合生物膜組。兩組在粗蛋白、粗脂肪、α-亞麻酸、二十一碳酸、鈣、錳、果糖和總黃酮含量差異顯著,而在水分、灰分、粗纖維、氨基酸、棕櫚酸、亞油酸、VB6、VB2含量差異不顯著。狐尾藻含有種類較齊全的營養活性成分,可將其中含量較高的纖維素、蛋白質、α-亞麻酸、鈣和黃酮等提取分離出來,深入研究開發為具有不同保健功能的高附加值功能食品,拓展狐尾藻的應用領域,實現環境保護、資源化高效利用和經濟效益有機結合。可見,狐尾藻在功能食品領域的資源化利用前景十分廣闊。