紫球藻生物質(zhì)的研究進(jìn)展

黃子誠(chéng)，肖雪花，鐘晨，何勇錦,

1. 福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（福州 350117）；2. 福建師范大學(xué)工業(yè)微生物教育部工程研究中心（福州 350117）

微藻是一類典型的光合自養(yǎng)微生物，廣泛分布于淡水和海洋環(huán)境中。微藻生物質(zhì)是一種可再生的資源，含有多種生物活性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、多不飽和脂肪酸、多糖、色素等，是食品、醫(yī)藥、化工、飼料等領(lǐng)域的重要原料[1-2]。近年來(lái)，為了替代化石能源，開(kāi)發(fā)微藻能源成為研究微藻生物質(zhì)的熱門方向之一[3]。但是，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)估而言，微藻開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源的成本是化石能源的4～10倍[4]，說(shuō)明當(dāng)前開(kāi)發(fā)微藻生物質(zhì)能源是不切實(shí)際的?；诖?，科研工作者和企業(yè)界利用微藻生物質(zhì)開(kāi)發(fā)高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)微藻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

美國(guó)食品和藥品監(jiān)督管理局（FDA）、歐盟食品新規(guī)（European Novel Food Regulation）等授權(quán)小球藻、寇氏隱甲藻、雨生紅球藻、三角褐指藻、裂殖壺藻、微綠球藻、紫球藻等微藻可用于開(kāi)發(fā)功能性的食品和保健品[6-7]。在被研究的微藻藻種中，紫球藻是一種有潛力的微藻，它是紅藻門單細(xì)胞藻類，能夠產(chǎn)生許多生物活性物質(zhì)，如藻膽蛋白、多不飽和脂肪酸及胞外多糖物質(zhì)，具有生長(zhǎng)速度快、固碳能力強(qiáng)、光合效率高、易培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。近些年，隨著微藻生物技術(shù)的不斷革新，紫球藻生物質(zhì)的生產(chǎn)能力得到顯著提升[11]，開(kāi)發(fā)食用紫球藻生物質(zhì)成為食品研發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，綜述紫球藻生物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)成分、分析其應(yīng)用于開(kāi)發(fā)食品的潛能及發(fā)展趨勢(shì)。

1 紫球藻生物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)成分

微藻生物質(zhì)的組分決定其開(kāi)發(fā)成食品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。已有大量資料表明，紫球藻的藻種來(lái)源和培養(yǎng)條件會(huì)影響其營(yíng)養(yǎng)成分。表1歸納已報(bào)道紫球藻生物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)成分。

表1 紫球藻生物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)組分

1.1 蛋白質(zhì)

紫球藻生物質(zhì)的蛋白質(zhì)含量約30%，其中藻紅蛋白（B-phycoerythrin）含量最高[20]。藻紅蛋白不僅可作為流式細(xì)胞儀、顯微鏡和免疫化學(xué)檢測(cè)的熒光探針，而且也是食品和化妝品的重要原料[20]。

試驗(yàn)通過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)基組分和培養(yǎng)條件，旨在促進(jìn)紫球藻合成藻紅蛋白。如Kaehiresan等[21]采用響應(yīng)面方法優(yōu)化紫球藻（Porphyridium purpureum）的培養(yǎng)基，最佳合成藻紅蛋白（占生物量的3.3%）的培養(yǎng)基組成是：氯化鈉質(zhì)量濃度29.62 g/L，硫酸鎂質(zhì)量濃度6.11 g/L，硝酸鈉質(zhì)量濃度1.56 g/L，磷酸氫二鉀質(zhì)量濃度0.076 g/L。Gargouch等[22]研究發(fā)現(xiàn)，紫球藻（Porphyridium marinum）合成藻紅蛋白（占生物量的4.1%）的最佳條件為：硝酸鈉質(zhì)量濃度3.4 g/L，無(wú)需添加磷酸氫二鉀，光照強(qiáng)度70 μmol photons/（m2·s），金屬溶液添加量1.5 mL/L。

為提高藻紅蛋白純度，研究者不斷改性分離純化技術(shù)。傳統(tǒng)的分離純化技術(shù)獲得藻紅蛋白的步驟是紫球藻生物質(zhì)反復(fù)凍融，將離心的粗提液通過(guò)硫酸銨沉淀，利用氯化鈉溶液（0～0.5 mol/L）進(jìn)行梯度洗脫以獲得藻紅蛋白[13]。但Tang等[23]研發(fā)更簡(jiǎn)便的純化紫球藻藻紅蛋白的方法，其主要操作步驟為：利用滲透壓沖擊法粗提紫球藻藻膽蛋白；通過(guò)50 kDa超濾膜濃縮藻膽蛋白；用磷酸鹽緩沖液（20 mmol/L，pH 7.2）洗脫已上樣的SOURCE 15Q陰離子交換層析柱（50 mm×16 mm），獲得的藻紅蛋白純度為5.1，藻紅蛋白回收率為68.5%。

1.2 多不飽和脂肪酸

多不飽和脂肪酸是一類含有2個(gè)或2個(gè)以上雙鍵的直鏈脂肪酸，包括亞油酸（C18∶2n-6，LA）、亞麻酸（C18∶3n-3，ALA）、花生四烯酸（C20∶4n-6，AA）、二十碳五烯酸（C20∶5n-3，EPA）等[24]。大量的臨床試驗(yàn)表明，食用含多不飽和脂肪酸的油脂具有提高機(jī)體免疫力、預(yù)防心血管疾病、抗腫瘤、降血脂等功效[25-26]。消費(fèi)者攝入含多不飽和脂肪酸的油源主要來(lái)自魚油。但是，海洋污染使食用魚油的安全性受到挑戰(zhàn)。近年來(lái)，相關(guān)研究表明，微藻油脂是一種綠色天然油源，可替代魚油。對(duì)于紫球藻，該藻可合成LA、AA、EPA等多不飽和脂肪酸。Fuentes等[27]測(cè)定紫球藻UTEX161（Porphyridium cruentum）生物質(zhì)的脂肪酸組成，其LA、AA和EPA含量分別為0.4%，1.3%和1.3%。Durmaz等[28]測(cè)定處于平穩(wěn)期紫球藻（Porphyridium cruentum）的脂肪酸組成，LA、AA和EPA含量分別為0.53%，1.73%和3.44%。Su等[29]研究發(fā)現(xiàn)，紫球藻（Porphyridium purpureum）可合成1.59% LA，1.41%AA和0.22% EPA。這些研究結(jié)果暗示，紫球藻生物質(zhì)是一種潛在的原料，可提供天然的多不飽和脂肪酸。

1.3 糖類

紫球藻生物質(zhì)的糖類含量為12.5%～57%。研究發(fā)現(xiàn)，紫球藻生物質(zhì)糖類主要含膳食纖維[13]。Matos等[17]報(bào)道過(guò)類似結(jié)果。有研究指出，食用膳食纖維可促進(jìn)結(jié)腸處的益生菌生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)人腸道微生態(tài)平衡[30]。因此，紫球藻生物質(zhì)是一種很好的膳食纖維原料。

紫球藻能合成胞外多糖，紫球藻胞外多糖的主要單糖有半乳糖、木糖、葡萄糖和葡萄糖醛酸[31]。試驗(yàn)對(duì)所分離到紫球藻的胞外多糖進(jìn)行氨基酸分析，發(fā)現(xiàn)氨基酸總量為2.49%，必需氨基酸占35.7%[13]。

在生物學(xué)功能方面上，有研究表明，紫球藻胞外多糖具有抗病毒、抗氧化、抗炎癥、提高免疫力、抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)等功能[32-35]。為了使紫球藻胞外多糖發(fā)揮更好的生物學(xué)功能，研究通過(guò)預(yù)處理使多糖的分子量降低。Sun等[33]利用微波處理紫球藻胞外多糖（2 918 kDa），可生成3個(gè)不同分子量的多糖（256.2，60.660和6.550 kDa），其中分子量最小的多糖表現(xiàn)出最強(qiáng)的抗氧化能力。此外，試驗(yàn)[36]進(jìn)一步利用過(guò)氧化氫和微波協(xié)同處理紫球藻胞外多糖，可產(chǎn)生6個(gè)不同分子量的多糖（6.53，256，606，802.6，903.3和1 002 kDa）。在含有荷瘤老鼠模型中，與對(duì)照組（未處理多糖）和其他5個(gè)降解多糖組相比，用分子量6.53 kDa處理老鼠，其腫瘤抑制率最高（53.3%）。

2 微藻生物質(zhì)開(kāi)發(fā)食品的潛能

2.1 畜禽肉、奶和蛋制品

在畜禽肉制品方面，Madeira等[25]歸納指出，飼喂含微藻（球等鞭金藻、小球藻和裂殖壺藻）生物質(zhì)的飼料，可提高反芻動(dòng)物、豬和禽類動(dòng)物肉的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，即提高肉中的多不飽和脂肪酸含量。試驗(yàn)開(kāi)展改良含裂殖壺藻藻粉的黑羽番鴨飼料，提高黑羽番鴨肉的DHA含量。對(duì)比等鞭金藻、小球藻和裂殖壺藻生物質(zhì)，紫球藻生物質(zhì)含有更高的AA和EPA。因此，畜禽類飼料中添加一定比例的紫球藻生物質(zhì)，可提高肉類的AA和EPA含量。

在奶制品方面，Boeckaert等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛飼料中添加4.3%的裂殖壺藻藻粉，奶牛產(chǎn)牛奶的共軛亞油酸和DHA含量顯著高于其他試驗(yàn)組的結(jié)果。Kholif等[37]在大馬士革羊基料中添加小球藻生物質(zhì)，結(jié)果表明，含小球藻的飼料可以提高羊產(chǎn)奶量；同時(shí)，羊奶中的亞油酸和亞麻酸含量均顯著高于對(duì)照組。

在蛋制品方面，Ginzberg等[38]通過(guò)飼喂含10%紫球藻生物質(zhì)的雞飼料，可顯著提高雞蛋的LA和AA含量。2017年，中國(guó)雞蛋總產(chǎn)量約2 500萬(wàn) t，占世界雞蛋產(chǎn)量的40%[39]。目前，一些企業(yè)正推廣藻蛋（雞蛋和鴨蛋）制品。

2.2 休閑食品與飲料

近年來(lái)，利用微藻生物質(zhì)開(kāi)發(fā)果汁、餅干、蛋糕等休閑食品與飲料[40]，如圖2所示。Gouveia等[41]通過(guò)添加等鞭金藻藻粉到餅干中，得到Omega-3多不飽和脂肪酸（EPA和DHA）含量為100 mg/100 g餅干（1%添加量）或320 mg/100 g餅干（3%添加量）。Gouveia等[42]選擇螺旋藻開(kāi)發(fā)蔬菜甜點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，未發(fā)現(xiàn)利用紫球藻生物質(zhì)開(kāi)發(fā)休閑食品與飲料。因此，可對(duì)紫球藻生物質(zhì)應(yīng)用于休閑食品與飲料方面做進(jìn)一步評(píng)估，以開(kāi)發(fā)更多的功能性食品，滿足市場(chǎng)需求。

圖2 利用螺旋藻生物質(zhì)開(kāi)發(fā)食品[6]

2.3 面食和面包

隨著生活質(zhì)量的提高，添加微藻生物質(zhì)的面食和面包（圖3）受到消費(fèi)者的青睞。這主要原因是：添加微藻生物質(zhì)的面食和面包，可提高其多不飽和脂肪酸、必需氨基酸等物質(zhì)的含量；添加適量微藻可改善和提高食品色、香、味及口感等感官指標(biāo)。Fradique等[43]開(kāi)發(fā)含螺旋藻和小球藻生物質(zhì)的意式面食。此外，F(xiàn)radique等[44]進(jìn)一步利用等鞭金藻生物質(zhì)開(kāi)發(fā)富含多不飽和脂肪酸的意式面食。García等[45]利用等鞭金藻、扁藻、柵藻和微綠球藻4種生物質(zhì)開(kāi)發(fā)面包。研究發(fā)現(xiàn)，不同微藻生物質(zhì)的組成差異較大，會(huì)影響面包的理化性質(zhì)和質(zhì)構(gòu)特性。研究結(jié)果可為微藻生物質(zhì)在食品研發(fā)領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

圖3 利用微藻生物質(zhì)開(kāi)發(fā)面食和面包[43, 45]

3 結(jié)語(yǔ)與展望

紫球藻生物質(zhì)含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因而紫球藻生物質(zhì)的開(kāi)發(fā)與利用受到國(guó)內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。此外，紫球藻生物質(zhì)是一種可再生資源，為食品開(kāi)發(fā)提供可持續(xù)的原料供應(yīng)。近年來(lái)，研發(fā)微藻固碳減排技術(shù)[46]是研究微藻生物質(zhì)的熱門方向。因此，固碳養(yǎng)殖紫球藻可大大降低生產(chǎn)紫球藻生物質(zhì)的成本[1]，進(jìn)而推動(dòng)紫球藻生物質(zhì)應(yīng)用在食品領(lǐng)域的進(jìn)程。此外，研發(fā)新型的紫球藻生物質(zhì)功能性食品，并實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；a(chǎn)，使微藻和食品產(chǎn)業(yè)向高品質(zhì)、高附加值方向發(fā)展。