螺旋藻生物活性肽的營養健康特性研究進展

劉晶，白新鵬，傅鵬程*

（1.海南大學南海海洋資源利用國家重點實驗室，海南 海口 570228；2.海南大學食品科學與工程學院，海南 海口 570228）

在物質匱乏的年代，人們對于食品的需求僅限于飽腹。現代人則更加關注食品的健康、營養與安全等特性。近年來，居民營養狀況顯著改善，但同時出現了慢性病發病率快速上升的新情況。不良的營養攝入習慣正在成為代謝紊亂的一個重要因素[1-2]。目前，食品行業的重點之一是食品或天然基質中含有的生物活性分子，這些分子除了具有營養價值，還可以帶來健康益處，特別是在治療慢性疾病方面[3]，與藥物療法相比，天然化合物具有較少副作用，因此受到越來越多人的關注[4-6]。

在海水和淡水中生長的藻類含有豐富的蛋白質和多種必需氨基酸、多糖、多不飽和脂肪酸（MUFAs和PUFAs）、維生素（B1、B2、B6、B12、C、E、煙酸、生物素、葉酸、泛酸）、類胡蘿卜素、巖藻黃質和礦物質等多種食品功能因子[7-8]，充分體現了其營養價值。藻類巨大的生物多樣性及生物技術的快速發展使其向更多的領域發展，滿足營養健康市場不斷增加的需求。在過去的二十年中，全球75%的藻類生物質被用于生產微藻藻粉、微藻片劑、膠囊等功能性食品[9]。目前微藻食品市場穩定發展，并且其開發利用逐漸趨向產品多元化，從最初的食品和飼料領域逐漸擴展到化妝品、醫藥、生物能源、生態肥料，營養健康等多個極具發展前景的行業[10]。

螺旋藻作為最早被人類食用的藻類，因富含蛋白質（60%～70%）而備受關注[11]。研究表明，螺旋藻多糖和多肽在慢性病防治中有潛在的作用[12]。本文綜述了螺旋藻多肽的生物活性，包括抗氧化、抗炎癥、降血壓、抗癌、免疫調節等，并簡要概述蛋白質組學和多肽組學在生物活性肽的鑒定和表征中的應用。

1 生物活性肽及其生理功能

生物活性肽是由2個～20個氨基酸殘基構成的活性分子，不同的氨基酸組成和排列方式決定了不同的生物活性，其分子量一般小于6 000 Da[13]。食品源生物活性肽在1979年首次被報道[14]，從那時起，食品多肽因其潛在的保健作用而受到廣泛關注。特別是在最近20年，人們致力于鑒定具有不同生理功能的活性肽片段。目前，活性肽的來源非常廣泛，如牛奶和奶制品、雞肉和雞蛋、鴨肉和鴨血、魚、牡蠣、谷物（大米、小麥、大豆、蕎麥、大麥和玉米）和種子[6，13，15-18]。海洋衍生肽具有不同的生物活性，對抗氧化應激、微生物感染、高膽固醇血癥、糖尿病、血栓、高血壓有潛在的作用[19-20]。藻類由于其易于生長，能夠通過光合作用將二氧化碳和礦物質轉化為生物量，且蛋白質含量高[21]，是生物活性肽的良好來源，被證明對心血管健康大有益處[22]。

生物活性肽能夠有益地調節一系列與增進健康相關的生物標記物。因此，它們有利于人體健康，可降低患病風險[23]。近年來，大量文獻證明生物活性肽對血壓和脂質代謝具有潛在影響，此外還有抗菌、鎮痛、抗氧化、抗炎等活性[20，22，24-28]。癌癥在當今社會死亡率較高[29]，目前常規化療仍然是主要的治療方法，但是經常出現顯著的副作用，因為它通常對癌細胞沒有選擇性[30]。活性肽的抗癌作用已被廣泛探索[31-32]，并且有越來越多的已批準的肽基藥物[33]。研究表明，抗癌肽通過誘導細胞凋亡、細胞周期阻滯、調節基因表達和防止血管生成發揮作用[34]，不同來源的肽顯示出了很好的抗癌效果[35-38]。此外，生物活性肽對非特異性免疫和特異性免疫都有影響[39-42]。

因此，食品衍生肽被認為是潛在的功能性食品成分，可納入健康食品，以預防和管理這些慢性疾病。

2 螺旋藻肽的生物活性在慢性病防治中的潛在作用

螺旋藻蛋白質含量高，它被認為是潛在的“細胞工廠”，既可用于提供營養蛋白，也可用于生產治療性生物活性肽。越來越多的研究表明，經水解藻類蛋白質釋放的一些肽，具有顯著的生物活性，如降血壓、抗氧化、抗炎癥、抗癌和免疫調節等。到目前為止，已研究的螺旋藻蛋白水解肽的生物活性和作用機制如表1所示。

表1 螺旋藻活性肽的生物活性和可能的作用機制Table 1 Biological activity of Spirulina-derived peptides and possible mechanism of action

續表1 螺旋藻活性肽的生物活性和可能的作用機制Continue table 1 Biological activity of Spirulina-derived peptides and possible mechanism of action

2.1 抗氧化活性

生命系統在正常情況下，細胞能夠維持體內氧化還原作用的平衡，保持機體健康。氧化應激是指體內氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態，在內部病變或者環境脅迫條件下，生物體內細胞與氧代謝有關的ROS可能大量產生[70]。大量的科學證據表明，ROS包括超氧陰離子（·O2-）、過氧化氫（H2O2）、羥基（-OH）等，它們在人體內會產生一系列負面作用，如破壞鐵硫簇、釋放大量游離二價鐵Fe2+、參與芬頓反應、產生大量氧自由基、引起細胞DNA損傷、細胞膜脂質過氧化、蛋白間巰基的斷裂和蛋白質等生物大分子的降解，最終導致細胞的損傷、衰老和死亡[71]。細胞的病變累積，必然導致人體的代謝紊亂以及心血管疾病、炎癥、肝損傷等多種病理，所以氧化應激被認為是導致人體衰老和疾病的一個重要因素[22]。現代社會許多慢性病和退行性疾病由此產生，例如高血壓、高血脂、糖尿病、帕金森病和阿爾茲海默病。

螺旋藻是抗氧化肽的良好來源，其水解產物在醫藥和食品工業中具有重要的應用價值。從鈍頂螺旋藻中提取的生物活性肽已經在體外和基于細胞水平的檢測中證明了強大的抗氧化能力（表1）。藻源多肽因其具有良好的抗氧化性能而受到廣泛關注，但目前鑒定出的抗氧化肽還較少。迄今為止，酶解是從藻類中產生抗氧化肽的最常用方法。由于缺乏研究來證明藻類衍生肽的生理抗氧化能力，因此很難得出它們在抗氧化應激中的作用機制。

2.2 抗炎活性

慢性炎癥又被稱為癌癥的“引路人”，某些類型的癌癥是在炎癥微環境中產生滋長的。流行病學研究表明，高達25%的已診斷腫瘤在其起源或演變過程中存在重要的炎癥成分。慢性炎癥危及心血管健康，引起動脈粥樣硬化、血栓等，最終導致心臟病發作。炎癥反應過程，還可能導致神經系統細胞的損傷，增加阿爾茲海默癥的發生概率。

到目前為止，螺旋藻蛋白水解肽在對抗炎癥反應和相關疾病方面的優勢已有報道（表1）。極大螺旋藻源肽LDAVNR、MMLDF和來自鈍頂螺旋藻的藻藍蛋白，在體外實驗或動物模型體內胃腸道消化后均被證明具有抗炎活性。藻藍蛋白肽抗炎癥的能力表現為多位點作用，如清除各種氧自由基、抗脂質過氧化作用、抑制氨基酸代謝、抑制肥大細胞組胺的釋放和抑制TNF-α的釋放[45-50]。

2.3 調節血脂血糖代謝活性

高血脂是指血中膽固醇（total cholesterol，TC）或甘油三酯（triglyceride，TG）過高或高密度脂蛋白膽固醇（high-density lipoprotein cholesterol，HDL-C） 過低，現代醫學稱為血脂異常。如果血脂過高，容易造成動脈粥樣硬化或血栓，血栓易引起冠心病、腦中風、失明、腎功能衰竭等。此外，高血脂可引發高血壓、誘發膽結石、胰腺炎，加重肝炎，導致男性性功能障礙、阿爾茲海默癥等疾病。高血糖會引發多種慢性并發癥，比如腦梗、心梗、失明、腎衰、糖尿病等，是導致死亡的主要原因之一。

螺旋藻是一種天然的具有降低血脂功能的食品原料，研究表明，螺旋藻蛋白質水解物可以降低大鼠血清和肝臟中甘油三酯、總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、丙氨酸轉氨酶和天冬氨酸轉氨酶的水平，并升高血清和肝臟中高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）的水平。此外，可通過下調或上調肝臟轉錄水平調節機體脂質代謝紊亂，調節部分腦與脂質代謝和積累有關的基因 Acadm、Retn、Fabp4、Ppard、Slc27a1 等的表達[51-54]。

藻藍蛋白在體內經胃腸道消化后，對糖尿病的發生具有明顯的預防作用。可抑制DPP-IV活性、降低胰島素抵抗[58]。改善糖脂代謝指數，改善外周靶組織對胰島素調節的反應[56]。激活胰島素信號通路和胰腺、肝臟中的葡萄糖激酶的表達，使四氧嘧啶誘導的糖尿病小鼠糖脂代謝趨于正常[55]。此外，口服藻藍蛋白對2型糖尿病小鼠的腎有保護作用，這可能是由于藻藍蛋白被消化為短肽后，短肽對腎的抗氧化作用，有利于治療后還原型輔酶I或還原型輔酶II表達的正常化[57]。

2.4 降血壓活性

高血壓是心血管疾病發展的一個主要危險因素，許多嚴重的疾病，如慢性腎衰竭、中風、冠狀動脈事件和心力衰竭，都是由持續性高血壓引起的。目前使用最廣泛的降壓合成藥物，如卡托普利、依那普利、阿卡普利、賴諾普利等，主要是抑制血管緊張素轉換酶（angiotensin converting enzyme，ACE）的活性。血管緊張素轉換酶是腎素-血管緊張素系統（renin-angiotensin system，RAS）的一種關鍵酶，從肺中釋放出來，到達所有組織細胞，它可以調節血壓和心臟功能[72]。在RAS系統中，ACE催化腎素作用下血管緊張素原釋放的血管緊張素I轉化為血管緊張素II，并將血管擴張性緩激肽切割成非活性肽片段[73]。然而，目前用作腎素和血管緊張素轉換酶抑制藥物，由于其藥理機制可引起顯著的不良副作用（血壓過低、腎損害等）[74]。因此，來源于食品的腎素或血管緊張素轉換酶抑制肽的出現，成為一種新的治療方法，有助于降低高血壓，且副作用小。

目前研究證明，肽的氨基酸組成和結構是決定其是否具有ACE抑制活性的關鍵因素，最有效的抗高血壓肽是含有疏水性氨基酸殘基的肽，如脯氨酸，大部分ACE抑制肽為2個～20個氨基酸殘基的短鏈肽[75-77]。通過體外實驗或自發性高血壓大鼠體內研究或計算機模擬等手段開發了新的有效的降血壓肽。鑒定出氨基酸序列的鈍頂螺旋藻源降壓肽有IQP、VEP、TMEPGKP、IAPG、IAE、FAL、AEL、IAPG、VAF、GIVAGDVTPI、IQP、VEP、IRDLDYY十余種。

今后，還需要進一步評估藻源生物肽或其他食物來源的活性肽在降血壓和高血壓患者心血管疾病的其他臨床癥狀方面的生理相關性。尤其重要的是，需要獲得更多的生活性肽體內抗高血壓的機制。

2.5 抗癌活性

目前為止，癌癥研究的重點是尋找治療方法，很少有研究著眼于開發預防策略。使用藥物、維生素或營養補充劑來降低癌癥發展或復發的風險是一個很重要的課題。癌癥的進展是一個緩慢的過程，非常適合利用天然、合成或生物物質逆轉、抑制或預防腫瘤發生及轉變為惡性癌癥，阻止侵入性或轉移性疾病的發展[2]。

藻類被證實具有多種生物治療作用，從鈍頂螺旋藻蛋白水解物分離得到的多肽對癌細胞（HepG-2、MCF-7、SGC-7901、A549和HT-29）有抗增殖活性，對正常細胞低毒作用[68-69]。更多具有抗癌活性的生物活性肽有待開發，抗癌機理有待進一步闡釋。

另外，螺旋藻源生物活性肽GMCCSR具有抗皮膚光老化活性[66]，LDAVNR和MMLDF具有抗過敏活性[67]，螺旋藻蛋白源多肽在食品、保健品、化妝品和醫藥方面的應用前景非常廣闊。

3 蛋白質組學和多肽組學在生物活性肽的鑒定和表征中的應用

近年來，生物活性肽在制藥、臨床醫學、功能性食品和營養組學等不同學科中引起了極大的關注，生物活性肽的鑒定和表征已經成為新興的研究課題。

“組學”技術和計算機模擬預測分析確定某一蛋白包含的加密肽的序列和活性的能力具有巨大的優勢。隨著高分辨率質譜分析技術的發展，其多功能性和對結構解析的能力，以及在一定程度上對定量分析的能力，使質譜成為蛋白質組學和多肽組學的核心技術。再加上各種生物信息學工具的使用，生物活性肽的鑒定變得不那么困難。利用以高分辨率質譜為基礎的多肽組學結合經典的實驗室方法鑒定和表征生活活性肽的一般流程見圖1。

圖1 生物活性肽鑒定和表征的方法Fig.1 Identification and characterization of bioactive peptides

Carrasco等描述了蛋白質組學和多肽組學方法在食品生物活性肽中的應用。闡述了生物信息學和化學計量學工具的使用，并解釋了應用這些數據庫進行肽序列處理，及使用的優點、缺點和目前商業產品的示例[78]。

作為一項相對較新的技術，“組學”方法在發現生物活性肽方面仍需更深入研究。此外，由于目前使用的技術只考慮肽數據庫中已經存在的生物活性，因此，不能鑒定未開發的生活活性[79]。總之，“組學”技術的發展，結合生物信息學工具的使用，使食品源生物活性肽的開發和活性表征走上飛速發展的道路，相信未來越來越多的食品源生物活性肽被用來預防和治療人類的慢性疾病，這也是緩解日益增長的慢性疾病對人類生存危機的一種有效手段。

4 結語和展望

綜上所述，螺旋藻蛋白源生物肽的生物活性研究結果表明，它們有潛力成為多種慢性疾病防治的功能性食品。同時，對螺旋藻蛋白源肽的生物活性研究范圍不斷擴大。因此需要在各方面進行更深入研究，更好地了解這些活性大分子的藥代動力學特征，并測試其潛在的免疫原性，以確認這些肽在疾病預防和健康促進活動中的作用機制。當研究一種活性化合物可能對機體產生影響時，確保活性物質到達目標器官是很重要的。為此，必須評估生物活性肽進入消化系統后的穩定性，如果被吸收，也必須評估其分布、代謝和排泄，以確定所選肽的生物利用度。如何提高對天然生物活性肽產生及其對生物體的作用機制的認識，從而對天然生物活性肽的生物利用度及其在機體中的作用得出更準確的結論，是目前面臨的主要挑戰之一。另外，更好地了解螺旋藻蛋白水解后確定的某個生物活性肽的濃度對未來生物利用度的研究至關重要，也有助于對活性肽在機體中的預期作用得出更可靠的結論。事實上，生物活性肽在有機系統中的作用和影響取決于攝入量及其到達血液或相關器官的能力。因此，確定生物活性肽的定量數據是一個必要的目標，以便更好地了解這些化合物的作用和機制。目前開發的生物活性肽的數量非常少，有必要利用新技術新方法開發更多數量和種類的肽產品。