螺旋藻藻渣營養成分及其膳食纖維的功能特性研究

李新月，龐思思，王曉梅，向文洲，張兵權，張忠山?

（1.湖州師范學院 生命科學學院，浙江 湖州 313000；2.中國科學院南海海洋研究所 中國科學院熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室，廣東省海洋藥物重點實驗室，廣東 廣州 511458；3.浙江賓美生物科技有限公司，浙江 臺州 317000）

螺旋藻是一種低等的原核藍藻生物，是地球上發現的最古老的物種之一[1]。藻體營養組成豐富，含有許多有益營養元素[2]。主要由蛋白質（55%～70%）、碳水化合物（15%～20%）、脂質（約7%）等組成的[3]。由于豐富的營養成分組成，可作為營養保健品和潛在藥物的來源，螺旋藻越來越受到醫學科學家的關注[4-5]，特別是在螺旋藻的藥理活性研究方面，包括抗氧化、抗腫瘤和提高免疫力等活性。目前，螺旋藻在保健食品行業得到廣泛栽培，常被用作人、動物、飼料添加劑和醫藥產品的食品等[6]。螺旋藻藻渣是生產螺旋藻粉的過程中的出現的沉積物，在加工生產過程中一般以廢物的形式排放出去，未被應用在產品制作過程中，這既不利于充分利用螺旋藻資源，也增加了螺旋藻相關產品的經濟負擔。因此，開發利用螺旋藻藻渣對于提高螺旋藻的經濟價值，擴大天然植物資源的應用范圍有良好的現實研究意義。

膳食纖維（Dietary fiber，DF）被列為人類飲食中的七大營養素之一[7]。大多數研究報道了膳食纖維對人體健康的積極作用，DF來源廣泛，可分為可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）[8]。SDF含量是評價DF生理功能的重要指標，包括寡糖和一些不易消化的多糖，具有良好的粘性和吸收性。而IDF包括植物細胞壁多糖和寡糖（纖維素、半纖維素）和非碳水化合物木質素成分，具有低粘度的特性，但具有良好的溶脹性[9-10]。DF的大分子結構賦予它高持水性、吸附作用等一些獨特的物化特性，從而使DF具有降低血清膽固醇、預防結腸癌等生理功能。這些理化性質能影響DF在食品擠壓、攪拌、均質過程中與其他配料結合程度，從而影響食品的品質。

如今，越來越多的患者因肥胖而感染慢性病，如糖尿病、癌癥、腸道感染等非傳染性疾病，全球疾病發病率的增加導致人類死亡率上升[11]。研究表明，DF可以參與人體新陳代謝，治療慢性病[12-13]。因此，探討DF的理化性質與生理功能的關系，在功能性食品中生產含有DF的產品，即富含纖維的食品，在食品工業中得到應用上的躍進。而螺旋藻藻渣是生產DF的優質原料，也可作為優質DF的來源[14-16]，但螺旋藻藻渣尚未得到合理有效的開發利用。因此，本研究以螺旋藻藻渣為原料，分析螺旋藻藻渣營養成分組成及膳食纖維的理化特性，評價螺旋藻藻渣的可利用資源，為后續對其進行科學合理的開發利用提供一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

螺旋藻藻渣：浙江賓美生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

SHJ-6ABS 磁力攪拌水浴鍋：常州金壇良友儀器有限公司；MS 3 basic漩渦混勻器：德國 IKA公司；FOSS膳食纖維測定儀 Fibertec E：瑞典FOSS分析有限公司；PYRAMID TX馬弗爐：北京皮爾美特科技有限公司；rapid N cube氮分析儀：德國Elementar Analysensysteme GmbH公司；JJ-1大功率電動攪拌器：常州國華電器有限公司；L580盧湘儀離心機：上海盧湘儀離心機儀器有限公司；S 220多參數測試儀、ML 204電子分析天平（最小稱重 10 mg）：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；BGZ-140電熱鼓風干燥箱：上海博訊實業有限公司醫療設備廠；FW80、FW100 高速萬能粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司；Nicolet iN10-iZ10傅里葉變換顯微紅外光譜儀：賽默飛世爾科技公司；D8 advance X-射線衍射儀：德國Bruker公司

1.3 實驗方法

1.3.1 常規營養成分的測定

水分含量采用105 ℃恒溫干燥法測定，具體參照GB/T 6435—2006《飼料中水分和其他揮發性物質含量的測定》；蛋白質含量采用考馬斯亮藍法測定，具體參照GB/T 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》；灰分和總糖采用馬弗爐快速焚燒法和差值法測定，具體參照 GB/T 6438—2007《飼料中粗灰分的測定》及 DB12/T 847—2018《飼料中總糖的測定分光光度法》。

稱取2.00 g螺旋藻藻渣并使用自動氨基酸分析儀測定氨基酸含量，具體根據《食品安全國家標準食品中氨基酸的測定》GB/T 5009.124—2003的規定測定。脂肪酸成分分析參照《國家食品安全標準食品中脂肪酸的測定》GB/T 5009.168—2003的方法測定。

1.3.2 金屬元素和重金屬含量的測定

金屬元素和重金屬砷、鉛、鉻、鎘和汞均采用電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-OES）測定，具體參照相應的食品安全國家標準[17]的規定測定。

1.4 螺旋藻藻渣膳食纖維（DF）的制備

制備步驟根據文獻[18]修改。稱取螺旋藻殘渣，放入烘箱70 ℃烘烤1 h，90 ℃水浴加熱1 h，減壓過濾濃縮。濾液用4倍體積的無水乙醇處理，靜置24 h沉淀，離心得到沉淀物，105 ℃干燥，研磨成粉末即得螺旋藻藻渣粗多糖。將上述提取多糖后的藻渣干燥以去除多余水份，用4倍體積的乙酸乙酯制備脫脂樣品，抽濾。濾餅漂洗至中性，加入NaOH溶液，在65 ℃水浴中處理2 h，除去蛋白質。減壓過濾后漂洗至中性。用HCl溶液處理后，置于80 ℃水浴中加熱1.5 h以除去樣品中的淀粉，然后減壓過濾。將濾料漂洗至中性，烘干稱重，將試樣研磨成粉末，過40目篩，得成品。

1.5 膳食纖維（DF）的理化性質

1.5.1 持水力（Water holding capacity，WHC）

IDF樣品的持水量（WHC）根據Hassan等[19]方法進行測定，過程稍作修改。每份樣品稱取0.2 g至1.5 mL離心管，稱重為M，與蒸餾水混合，室溫靜置2 h，然后以7 000 r/min離心10 min。棄上清后，稱量離心管中的殘渣，記為M1。WHC根據公式計算為：

WHC(g/g)=M1/M

1.5.2 持油量（Oil holding capacity，OHC）

根據Jeddou等[20]方法稍加修改進行測定。具體過程如下：稱取試樣0.2 g，記重量為M，在離心管中與少量核桃油混合，室溫靜置 2 h。然后以7 000 r/min離心管15 min。小心地除去離心管中的油并稱量吸油樣品。重量記為M1。OHC按公式計算為：

OHC(g/g)=M1/M

1.5.3 溶脹能力（Swelling capacity，SC）

IDF 樣品的溶脹能力（SC）根據Wang等[21]方法略微修改后進行測定。每個樣品稱取0.5 g，記為M，置于5 mL量筒中，加入少量蒸餾水。室溫下放置24 h，取樣并記錄最終體積，記為V。SC計算方程如下：

SC(mL/g)=V/W

1.6 膳食纖維（DF）對NO2–吸附能力的測定

將 NaNO2標準液（100 μmol/L）（0，0.2，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 mL）小心加入到封口的試管中，加入0.4 mL對氨基苯磺酸溶液（0.4%）并均勻混合，靜置4 min。然后加入0.2 mL萘乙二胺鹽酸鹽（0.2%）并用蒸餾水定容至10 mL，攪拌15 min后，于分光光度計538 nm處測量吸光度。用標準溶液的濃度作為橫坐標，以對NO2-的吸附濃度作為縱坐標的吸光度制備標準曲線。

實驗分別在 pH=7和 pH=2的吸附環境下進行，以模擬小腸和胃的環境。取 0.2 g水不溶性膳食纖維粉加入100 mL 100 μmol/L NaNO2溶液，在37 ℃下攪拌10、20、30和40 min，然后以7 000 r/min離心5 min，用移液槍精確吸取離心管中的上清液，并根據標準曲線法確定其吸光度。

根據從標準曲線獲得的線性方程，計算上清液中剩余 NO2-的量，并且根據下式計算 NO2-的吸附量：

樣品的質量為 S0/g，在吸附前的溶液中的NO2-含量為S1/μM，吸附后上清液中的殘留NO2-含量為 S2/μM，以吸附時間橫坐標，NO2-濃度（μM/mL）是縱坐標，并抽取NO2-上的膳食纖維的吸附曲線。

1.7 膳食纖維（DF）對膽酸鈉吸附能力的測定

膽酸鈉標準曲線的制作：配制2 mg/mL膽酸鈉標準溶液。分別取 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL膽酸鈉標準溶液裝入編號試管中，用蒸餾水定容至1.0 mL。依次加入6 mL 45%硫酸溶液和1 mL 0.3%糠醛溶液，搖勻。在65 ℃水浴中反應30 min后，冷卻至室溫。在620 nm 處的吸光度。

取0.2 g膳食纖維加入50 mL 0.15 mol/L NaCl溶液（含0.1 g膽酸鈉，pH=6.0），在37 ℃水浴并攪拌均勻。每10 min取樣一次，以7 000 r/min離心5 min，用可調移液槍準確吸取1 mL樣品溶液，按標準曲線法測定吸光度。根據標準曲線線性方程，計算殘留在上清液中的膽酸鈉濃度。

1.8 數據分析

上述測定指標均為 3次重復。全部數據用Origin 9.0軟件進行繪圖，計算平均值和標準偏差。

2 結果與分析

2.1 螺旋藻藻渣的營養價值

結果顯示，螺旋藻藻渣中蛋白質含量最高，平均占干物質的54.80%，其次是碳水化合物和水分，分別占干物質的11.20%和9.07%（表1）。由此看出，螺旋藻渣的主要營養成分蛋白質含量和碳水化合物含量高，脂肪極少，具有一定的利用價值。從分類上看，通常把不可溶的膳食纖維叫粗纖維，膳食纖維是健康飲食不可缺少的，纖維在保持消化系統健康上扮演著重要的角色，同時攝取足夠的纖維也可以預防心血管疾病、癌癥、糖尿病以及其它疾病。

表1 螺旋藻藻渣常規成分及含量Table 1 Conventional nutrients and content of algae residue %

藻渣中的礦物質元素含量見表2。藻渣中磷、鎂、鈣含量最高，分別為 623、1 070、19 200 mg/kg。銅、鋅、鈉、鉻、鉛、鐵、總砷的含量明顯低于其他三種。此外，藻渣中汞和鎘的含量極低，對人體和動物無影響

表2 藻渣中的礦物質成分含量Table 2 Mineral composition (mg/kg dry matter) mg/kg

2.2 螺旋藻藻渣氨基酸組成分析

衡量蛋白質質量的關鍵特征是氨基酸[22]。構成螺旋藻藻殘基的總可食用氨基酸如表3所示。在18種蛋白質氨基酸中，有8種被稱為必需氨基酸（EAA），是人體不能合成或合成量遠不能滿足人體需要，必須由食物蛋白質提供。藻渣中所含的 10種 EAA含量接近或超過世界衛生組織（WHO）推薦的要求[23]。其中，EAA的四種重要的功能氨基酸，包括賴氨酸和三種支鏈氨基酸（支鏈氨基酸；纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸）在藻渣中含量豐富。此外，螺旋藻藻渣也是某些功能性非必需氨基酸（NEAA）的豐富來源，尤其是精氨酸、谷氨酰胺和谷氨酸。

表3 藻渣中氨基酸含量及WHO推薦的成人氨基酸需要量Table 3 The amino acid content of algae residue and the amino acid requirement recommended by WHO g/100 g蛋白

2.3 螺旋藻藻渣脂肪酸組成

螺旋藻藻渣中脂肪酸的組成見表 4。天然植物是必需脂肪酸的良好來源，尤其是不飽和脂肪酸[24]。許多天然食品中的多不飽和脂肪酸已被證明在降低淀粉水解速率方面非常有效[25-26]。由表4看出，在螺旋藻藻渣中，多不飽和脂肪酸占主導地位，占總脂肪酸的一半以上。螺旋藻渣可在高血糖人群的飲食中發揮重要作用。

表4 螺旋藻藻渣脂肪酸組成（以脂肪計）Table 4 Fatty acids compositions of Spirulina algae residue (calculated by fat) %

2.4 螺旋藻藻渣DF的WHC、OHC和SC

從螺旋藻藻渣中制備的DF得率為20.82%。如表5所示，螺旋藻藻渣IDF具有一定的WHC、OHC和SC，接近國內常用麩皮膳食纖維的性能指標。研究發現，DF的WHC、OHC和SC與其維持腸道健康的能力密切相關，可以阻礙人體對脂肪和膽固醇的吸收，降低血清甘油三酯。由此看出，制備的DF對于干預高血脂具有一定作用。

表5 螺旋藻藻渣DF的持水力、持油量和溶脹能力Table 5 The WHC, OHC and SC of algae residue dietary fiber

2.5 螺旋藻藻渣DF對NO2–的吸附能力

圖1顯示了DF對NO2-的吸附趨勢變化圖。如圖所示，當模擬人體大腸環境 pH=7時，膳食纖維對NO2-的吸附能力較弱，曲線不明顯。當模擬人體胃環境 pH=2時，隨著吸附時間的增加，DF對NO2-的吸附能力逐漸明顯，吸附能力逐漸上升至平坦狀態。結果表明，在pH=2時，DF具有良好的 NO2-吸附能力，可以促進 NO2-從人體胃部排出。

圖1 螺旋藻藻渣DF對NO2–的吸附曲線Fig.1 Adsorption curve of spirulina dietary fiber to NO2–

2.6 螺旋藻藻渣DF對膽酸鈉的吸附能力

圖 2顯示藻渣膳食纖維對膽酸鈉的吸附曲線。樣品對膽酸鈉有很強的吸附能力，膽酸鈉濃度從2 mg/mL下降至1.06 mg/mL。吸附容量隨時間逐漸增大，一段時間后達到最大吸附容量。

圖2 螺旋藻藻渣DF對膽酸鈉的吸附曲線Fig.2 Adsorption curve of Spirulina dietary fiber to Sodium Cholate

3 討論與結論

螺旋藻藻渣是一種很有前途的高營養能量來源。藻渣中含有許多不飽和的必需脂肪酸、氨基酸和礦物質，均對人體健康有益，可制備加工為天然新型食品；其中，螺旋藻中膳食纖維是最新發現的，并值得應用于制備藥食產品的成分，已知在消化系統能發揮重要作用，可增加飽足感，又能促進腸胃蠕動，舒解便秘[27]。

螺旋藻藻渣膳食纖維具備一般植物膳食纖維的理化特性，包括持水量、持油量和溶脹能力，對疾病的預防起著至關重要的作用。持水量和持油量可以治療肥胖并有效果；溶脹能力對糖尿病的防御能力影響最大；與此同時吸附能力也直接影響癌癥的感染，本實驗在模擬腸道的 pH 環境中，機體中膽酸鈉濃度越高時，膳食纖維對膽酸鹽的吸附量也越高，說明膳食纖維對維護機體對食物中脂類物質的正常代謝有利[28]；而亞硝酸是人和動物的致癌物，膳食纖維對NO2-的吸附在酸性條件下較強，食物對NO2-的清除也是主要發生在胃部，說明螺旋藻藻渣中的膳食纖維能預防機體癌癥病發[29]。

綜上所述，螺旋藻藻渣的營養成分含量豐富，其膳食纖維的功能特性明顯，且對于螺旋藻的制備過程簡單綠色，功能優異，具有成為功能食品的潛力。