紫球藻生物質的研究進展

黃子誠，肖雪花，鐘晨，何勇錦,

1. 福建師范大學生命科學學院（福州 350117）；2. 福建師范大學工業(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。微藻生物質是一種可再生的資源，含有多種生物活性物質，如蛋白質、多不飽和脂肪酸、多糖、色素等，是食品、醫(yī)藥、化工、飼料等領域的重要原料[1-2]。近年來，為了替代化石能源，開發(fā)微藻能源成為研究微藻生物質的熱門方向之一[3]。但是，從經濟技術評估而言，微藻開發(fā)生物質能源的成本是化石能源的4～10倍[4]，說明當前開發(fā)微藻生物質能源是不切實際的。基于此，科研工作者和企業(yè)界利用微藻生物質開發(fā)高附加值產品，實現微藻產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

美國食品和藥品監(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，它是紅藻門單細胞藻類，能夠產生許多生物活性物質，如藻膽蛋白、多不飽和脂肪酸及胞外多糖物質，具有生長速度快、固碳能力強、光合效率高、易培養(yǎng)等優(yōu)點[8-10]。近些年，隨著微藻生物技術的不斷革新，紫球藻生物質的生產能力得到顯著提升[11]，開發(fā)食用紫球藻生物質成為食品研發(fā)領域的研究熱點。因此，綜述紫球藻生物質的營養(yǎng)成分、分析其應用于開發(fā)食品的潛能及發(fā)展趨勢。

1 紫球藻生物質的營養(yǎng)成分

微藻生物質的組分決定其開發(fā)成食品的營養(yǎng)品質。已有大量資料表明，紫球藻的藻種來源和培養(yǎng)條件會影響其營養(yǎng)成分。表1歸納已報道紫球藻生物質的營養(yǎng)成分。

表1 紫球藻生物質的營養(yǎng)組分

1.1 蛋白質

紫球藻生物質的蛋白質含量約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胞儀、顯微鏡和免疫化學檢測的熒光探針，而且也是食品和化妝品的重要原料[20]。

試驗通過優(yōu)化培養(yǎng)基組分和培養(yǎng)條件，旨在促進紫球藻合成藻紅蛋白。如Kaehiresan等[21]采用響應面方法優(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：氯化鈉質量濃度29.62 g/L，硫酸鎂質量濃度6.11 g/L，硝酸鈉質量濃度1.56 g/L，磷酸氫二鉀質量濃度0.076 g/L。Gargouch等[22]研究發(fā)現，紫球藻（Porphyridium marinum）合成藻紅蛋白（占生物量的4.1%）的最佳條件為：硝酸鈉質量濃度3.4 g/L，無需添加磷酸氫二鉀，光照強度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。傳統(tǒng)的分離純化技術獲得藻紅蛋白的步驟是紫球藻生物質反復凍融，將離心的粗提液通過硫酸銨沉淀，利用氯化鈉溶液（0～0.5 mol/L）進行梯度洗脫以獲得藻紅蛋白[13]。但Tang等[23]研發(fā)更簡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個或2個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]。大量的臨床試驗表明，食用含多不飽和脂肪酸的油脂具有提高機體免疫力、預防心血管疾病、抗腫瘤、降血脂等功效[25-26]。消費者攝入含多不飽和脂肪酸的油源主要來自魚油。但是，海洋污染使食用魚油的安全性受到挑戰(zhàn)。近年來，相關研究表明，微藻油脂是一種綠色天然油源，可替代魚油。對于紫球藻，該藻可合成LA、AA、EPA等多不飽和脂肪酸。Fuentes等[27]測定紫球藻UTEX161（Porphyridium cruentum）生物質的脂肪酸組成，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，紫球藻（Porphyridium purpureum）可合成1.59% LA，1.41%AA和0.22% EPA。這些研究結果暗示，紫球藻生物質是一種潛在的原料，可提供天然的多不飽和脂肪酸。

1.3 糖類

紫球藻生物質的糖類含量為12.5%～57%。研究發(fā)現，紫球藻生物質糖類主要含膳食纖維[13]。Matos等[17]報道過類似結果。有研究指出，食用膳食纖維可促進結腸處的益生菌生長，調節(jié)人腸道微生態(tài)平衡[30]。因此，紫球藻生物質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]。試驗對所分離到紫球藻的胞外多糖進行氨基酸分析，發(fā)現氨基酸總量為2.49%，必需氨基酸占35.7%[13]。

在生物學功能方面上，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、抑制腫瘤細胞生長等功能[32-35]。為了使紫球藻胞外多糖發(fā)揮更好的生物學功能，研究通過預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出最強的抗氧化能力。此外，試驗[36]進一步利用過氧化氫和微波協同處理紫球藻胞外多糖，可產生6個不同分子量的多糖（6.53，256，606，802.6，903.3和1 002 kDa）。在含有荷瘤老鼠模型中，與對照組（未處理多糖）和其他5個降解多糖組相比，用分子量6.53 kDa處理老鼠，其腫瘤抑制率最高（53.3%）。

2 微藻生物質開發(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）生物質的飼料，可提高反芻動物、豬和禽類動物肉的營養(yǎng)品質，即提高肉中的多不飽和脂肪酸含量。試驗開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。對比等鞭金藻、小球藻和裂殖壺藻生物質，紫球藻生物質含有更高的AA和EPA。因此，畜禽類飼料中添加一定比例的紫球藻生物質，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，在奶牛飼料中添加4.3%的裂殖壺藻藻粉，奶牛產牛奶的共軛亞油酸和DHA含量顯著高于其他試驗組的結果。Kholif等[37]在大馬士革羊基料中添加小球藻生物質，結果表明，含小球藻的飼料可以提高羊產奶量；同時，羊奶中的亞油酸和亞麻酸含量均顯著高于對照組。

在蛋制品方面，Ginzberg等[38]通過飼喂含10%紫球藻生物質的雞飼料，可顯著提高雞蛋的LA和AA含量。2017年，中國雞蛋總產量約2 500萬 t，占世界雞蛋產量的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，利用微藻生物質開發(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]選擇螺旋藻開發(fā)蔬菜甜點。據文獻報道，未發(fā)現利用紫球藻生物質開發(fā)休閑食品與飲料。因此，可對紫球藻生物質應用于休閑食品與飲料方面做進一步評估，以開發(fā)更多的功能性食品，滿足市場需求。

圖2 利用螺旋藻生物質開發(fā)食品[6]

2.3 面食和面包

隨著生活質量的提高，添加微藻生物質的面食和面包（圖3）受到消費者的青睞。這主要原因是：添加微藻生物質的面食和面包，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。Fradique等[43]開發(fā)含螺旋藻和小球藻生物質的意式面食。此外，Fradique等[44]進一步利用等鞭金藻生物質開發(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種生物質開發(fā)面包。研究發(fā)現，不同微藻生物質的組成差異較大，會影響面包的理化性質和質構特性。研究結果可為微藻生物質在食品研發(fā)領域提供理論依據。

圖3 利用微藻生物質開發(fā)面食和面包[43, 45]

3 結語與展望

紫球藻生物質含有豐富的營養(yǎng)物質，因而紫球藻生物質的開發(fā)與利用受到國內外研究者的普遍關注。此外，紫球藻生物質是一種可再生資源，為食品開發(fā)提供可持續(xù)的原料供應。近年來，研發(fā)微藻固碳減排技術[46]是研究微藻生物質的熱門方向。因此，固碳養(yǎng)殖紫球藻可大大降低生產紫球藻生物質的成本[1]，進而推動紫球藻生物質應用在食品領域的進程。此外，研發(fā)新型的紫球藻生物質功能性食品，并實現其規(guī)模化生產，使微藻和食品產業(yè)向高品質、高附加值方向發(fā)展。