微藻在功能性食品中的應用

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二十碳五烯酸（EPA，20:5ω3），是ω-3系列的另一種重要的多不飽和脂肪酸，對心血管疾病的防治具有非常好的效果[6]，同時還具有抗炎活性[7]、免疫調節作用[8]、預防糖尿病腎臟疾病[9]和肌營養不良[10]等作用。二十二碳六烯酸（DHA，22:6ω3）也屬于ω-3型脂肪酸，它不僅作為一種重要的結構脂類廣泛存在于大腦灰質和視網膜中，而且還是心臟組織的關鍵組成部分。因此，DHA能促進大腦和眼睛發育，對嬰兒和患心血管疾病的成年人具有重要作用[13]。DHA只少量存在于魚、肉和母乳中，牛奶不含有DHA。因此，健康營養組織建議將DHA添加到用于早產和足月嬰兒人工喂養的奶粉中，以促進這類嬰兒的大腦發育和腦細胞的增生[1]。世界批發市場每年嬰幼兒配方奶粉的銷售額大約在100億美元[11]。2003年DHA的全球生產量達到了700噸[12]，全球有超過60個國家在配方奶粉中添加了DHA（如：英國、墨西哥、中國、美國、加拿大等）。在我國，2006年市售食品級低濃度(22%~25%)DHA價格在26.9萬元~36.5萬元/t；食品級高濃度DHA(27~30%)為73萬元~109.5萬元/t，而純度為99.9%的DHA售價高達16.8萬美元/kg。最近十年我國超長鏈多不飽和脂肪酸油脂的生產和消費得到大幅度的增長，據分析2011年DHA在中國市場的銷售量達到4300t。

大多數高等植物和人類缺乏合成超長鏈多不飽和脂肪酸（VLCPUFAs）的必需酶[13]，人類必須從食物中獲得這些必需脂肪酸。實際上，魚和肉是人類獲得VLCPUFAs的主要來源，但利用魚油生產的VLCPUFAs具有腥臭味，容易氧化，大大的影響了產品的質量。但是，微藻來源的DHA沒有這樣的風味缺陷，如在月餅中添加微藻DHA油脂并不影響月餅的風味[14]。此外，由于深海魚類資源有限和環境保護的需要，以魚油作為VLCPUFAs來源受到了很大的限制。幸運的是，許多微藻可以生產ARA、EPA和DHA等多不飽和脂肪酸（如表1），因此，微藻具有取代魚油作為VLCPUFAs主要來源的潛力。然而，迄今為止只有DHA能夠利用微藻商業化地生產，其他的VLCPUFA都還不能利用微藻商業化生產。盡管EPA和ARA也存在于微藻中，如：紫球藻（Porphyridiumpurpureum）、三角褐指藻（Phaeodactylumtricornutum）、等鞭金藻（Isochrysisgalbana）、微擬球藻（Nannochloropsissp.）和硅藻（Nitzschialaevis）都含有較高含量的EPA和ARA[22~23]，但是由于生產成本高昂，利用這些微藻進行商業化生產尚無經濟競爭力。通過基因改造提高微藻產VLCFAs的能力可能是實現利用微藻商業化生產的有效途徑[16,24]。微藻生長速度快，產油速率遠高于動物，更是高等植物產油率的百倍以上[3]。此外，許多藻類積累甘油三酯的含量達到了藻干重的50%以上[2~3]。因此，微藻是生物合成VLCFAs的理想工具。因此，可以通過生物技術手段，通過將合成VLCFAs途徑中的一些關鍵酶（如延長酶和脫氫酶）的基因轉入微藻，通過調節脂肪酸合成代謝途徑的代謝流，可以增加VLCFAs的產量。

多糖

微藻在生長過程中能合成大量多糖，作為微藻的細胞結構成分和能量儲存物質或在受到外界刺激時用于自我保護，其中許多多糖有益人體健康。一些微藻多糖具有抗病毒、抗菌活性。Santoyo等[25]人從小球藻（Chlorellavulgaris）中提取的多糖對非洲綠猴腎細胞單純皰疹病毒Ⅰ型具有抑制作用。Huleihel等[26]人從紅藻中分離獲得的硫酸多糖能夠滲透到細胞內，作用于病毒，改變病毒復制周期，對單純皰疹病毒Ⅰ型、Ⅱ型和水痘帶狀皰疹病毒等多種病毒的增殖具有抑制作用。Yim等人[27]報道了來自海洋微藻螺溝藻（Gyrodiniumimpudicum）的硫酸多糖對腦心肌炎病毒（EMCV）具有較強的抑制作用。Loke等人[28]從螺旋藻（Spirulina）中提取的螺旋藻多糖能減少幽門螺桿菌胃粘液的粘性，有利于預防幽門螺桿菌感染。微藻多糖也具有免疫調節作用。Suarez等[29]從蛋白核小球藻（Chlorellapyrenoidosa）中獲得一種阿拉伯糖與半乳糖構成的多糖，它由“→2)-α-L-Araf-(1→3)-[α-L-Araf-(1→4)]-β-d-Galp-(1→”重復結構單元組成，具有免疫刺激的功能，在胞外能較好的抑制皰疹病毒的活性。Yim[27]和Joung[30]等從赤潮微藻螺溝藻中提取的硫酸胞外多糖對機體具有免疫調節功能，它是一種含2.96%的糖醛酸和10.32%的硫酸基團的半乳糖。而且，微藻硫酸多糖還能增強體內巨噬細胞和自然殺傷細胞的殺傷活性，在溶血空斑試驗中，加入此種多糖，可以增加IgM、IgG、IL-1β、IL-6、TNF-α等抗體含量，加快綿羊紅細胞的溶解。除此之外，也有研究證明微藻多糖具有抗氧化活性[31]。微藻多糖不僅在醫藥領域具有多種藥用價值，它還可以應用于不同功能性食品開發。一些微藻多糖高度分支，甚至隔6~7個糖單體就分支[32]，使得多糖水溶液通常具有較高粘彈特性。微藻多糖的分子量在1~1000kDa[33]，通常具有凝膠特性。在微藻培養期間，一些胞外多糖分泌到培養液中導致培養液粘度增加，給微藻培養帶來困難，如在培養微藻生產油脂的工藝中[33]。但是可以利用藻多糖溶液這種非牛頓流體的特性，將多糖添加到食品中以獲得較好的食品流變特性[34]。微藻產多糖能力與微藻藻種和培養條件有很大關系，在某些條件下可以獲得很高的產量，布朗葡萄球藻（Botryococcusbraunii）在受到壓力刺激條件下，可以產生4~4.5g/L胞外多糖[35]。

色素

1類胡蘿卜素

類胡蘿卜素有400多種，其中β-胡蘿卜素、葉黃素、蝦青素、玉米黃質、番茄紅素和胭脂樹橙等都已經應用于商業生產。類胡蘿卜素最主要的用途是作為天然食用色素和功能性食品的配料。類胡蘿卜素具有由黃到紅的顏色，其中大部分呈橙色。近年來，由于某些化學合成色素存在毒性問題，應用受到了限制，使得安全性高的天然色素獲得了廣闊的市場前景。此外，某些類胡蘿卜素本身就具有營養價值，Nesaretnam等[36]研究得出類胡蘿卜素在體內能轉化成維生素A，同時，也有研究得出一些類胡蘿卜素具有抗氧化、抗癌和增強人體免疫功能的作用。類胡蘿卜素中β-胡蘿卜素已成功應用于商業生產。代謝生成β-胡蘿卜素的微藻較多，其中杜氏鹽藻（Dunaliellasalina）最適合大規模生產。有研究表明，在最佳培養條件下，其藻細胞生物量達290mg/L[37]，所產β-胡蘿卜素達到藻干重的14%[38]。杜氏鹽藻可以在開放池或生物反應器中大規模培養，澳大利亞、以色列、美國和中國都是杜氏藻的主要生產地。蝦青素（Astaxanthin）是一種酮類胡蘿卜素，同樣具有很高的商業價值。蝦青素具有較強的抗氧化活性。有研究表明，蝦青素的抗氧化活性是葉黃素、玉米黃質、β-胡蘿卜素的10倍，α-生育酚的100倍[39]。同時，蝦青素已被證明具有其他生物活性，包括抗炎作用、保肝作用、保護心血管和腸胃、抗癌及治療神經損傷等功效[40]。盡管，蝦青素具有明顯的生理活性，它主要還是應用于飼料和食品行業。在飼料領域，蝦青素主要用作鮭魚飼料，其他魚蝦飼料也消耗了大量的蝦青素。全球水產養殖飼料用蝦青素平均價格在2500美元/kg，銷售總額達到2億美元[41]。然而，目前供應的蝦青素主要通過人工合成來獲得[1]，由于擔心合成色素的安全性，市場上對天然蝦青素的需求快速增長。植物、酵母菌、真菌和藻類都可合成蝦青素，但是只有少數微生物（含微藻）的蝦青素含量相對較高，如：雨生紅球藻（Haematococcuspluvialis）、小球藻（Chlorellasp.）、綠球藻（Chlorococcumsp.）以及紅發夫酵母（Huffierrhodozymaji）和橙黃農桿菌（Agrobacteriumaurantiacum）[42]，其中，雨生紅球藻產蝦青素能力較強，其體內的蝦青素積累量能夠達到干基的4~5%[43]。

2藻膽蛋白

藻膽蛋白是一類由藻膽色素與相應的脫輔基蛋白中保守性半胱氨酸殘基的巰基以硫醚鍵共價結合而成的色素蛋白（又名藻紅素或藻藍蛋白）。在原核藍藻和真核紅藻中，不同的藻膽蛋白通過連接多肽組成高度有序的超分子復合物—藻膽體，由“錨蛋白”將其“錨”在類囊體膜上，作為光合作用的捕光色素系統。根據生物體和培養條件的不同，藻膽體由10~20個不同的蛋白質組成，而其中又以藻膽蛋白的含量為最高，可達細胞干重的40%。藻膽蛋白容易分離，易于成為具有商業生產價值的天然色素[44]。大量研究表明，藻膽蛋白具有促進健康的功能[7]。其光化學特征主要表現為摩爾吸收系數高、熒光量子產量高、斯托克位移大、低聚物穩定性高、高光強等。這些特性使它們具有高能量和熒光敏感性，從而可用作生物檢測或診斷試劑[45]。用作商業生產的藻膽蛋白大多來自藍藻（如Arthrospira）和紅藻（如Porphyridium）[46]，其主要用途是作為食用色素以替代人工合成色素。由日本DIC集團生產的一種稱作Linablue的微藻藻膽蛋白已成功用作食品添加劑，添加到口香糖、冰淇淋、冰棒、糖果、飲料和乳制品等食品中[47]。據估計，用藻膽蛋白制成的天然色素價格在3~25美元/mg，全球市場銷售額至少5000萬美元[1]。

3葉綠素

葉綠素及其衍生物是最好的天然綠色食品色素，被廣泛應用于食用油、口香糖、冰淇淋、飲料、速食湯、奶酪和酸奶等食品中。對于食用色素級純度的葉綠素在使用劑量上沒有限制，因為它們基本不被消化道吸收。目前，市場上使用的大多數葉綠素色素都是從陸生植物提取而來，包括苜蓿草、蕁麻或一些牧草。在中國和日本，很大一部分葉綠素來自于蠶沙。雖然提取葉綠素的原材料比較便宜，容易獲得，提取工藝簡單，但是葉綠素提取率并不高。此外，在溫帶地區，原材料供應有限，往往一年只有幾個星期能獲得原材料[48]。植物光合作用是將太陽能轉換為化學能的過程，在光能的吸收、傳遞和轉換過程中，葉綠素起著接收光能的作用。近年來，利用微藻生產生物燃料已成為一個熱點話題。其中微藻油脂用來生產生物柴油，而其他的生物質可以通過熱解手段，液化或氣化成生物燃料。葉綠素含氮量較高，若葉綠素保留在微藻中進入加工過程，則所得的生物燃料含氮量相對較高，在生物燃料燃燒過程中氮氧化物的排放量也會較高；同時，葉綠素本身是價值很高的色素，如果預先提取葉綠素并加以綜合利用，則葉綠素的收益可以抵消一部分生物燃料的生產成本。因此，在微藻生產中可將葉綠素作為主要目的產物之一，而將剩余的微藻材料用作生物燃料或飼料原料。Bai等人[49]在生物反應器中對五種微藻產色素（主要是葉綠素和類胡蘿卜素）和油脂能力進行了研究，結果表明，Dunaliellaprimolecta和Isochrysisaff.galbana產葉綠素能力最強，產量分別為5.3%和5.6%，其油脂產量分別為23%和24%。同時，Bai使用甲醇和正己烷提取微藻油脂和色素，使色素和油脂提取率分別達到了98%和90%。超臨界CO2萃取具有萃取快速、純化簡單、對環境的影響小的特點。大多數天然食品色素是熱不穩定的，尤其是葉綠素，然而采用超臨界CO2萃取工藝色素在提取過程中不需經歷加熱過程，有利于得到高質量的色素，因此超臨界CO2提取技術是有機溶劑萃取很好的替代。有人采用超臨界CO2萃取微藻葉綠素，最終獲得了高的提取率和品質好的葉綠素[50]。

肽

存在于微藻中或由微藻蛋白水解所得的肽具有較高的生物活性。在微藻加工業中，微藻蛋白通常被丟棄或用作動物飼料。其實，我們可以從這些廢棄的蛋白中獲得一些高價值的肽，從而變廢為寶。此外，微藻在生長過程中本身就具有合成功能性肽的能力，這些肽存在于細胞中或被分泌到細胞外，因此也可直接從微藻細胞中提取生物活性肽。Sheih等[51]用胃蛋白酶水解廢棄的小球藻蛋白，最終獲得一種十一肽。這種多肽能抑制血管緊張素轉換酶（AEC）活性，其半抑制濃度為29.6μmol。通過測序得出其氨基酸序列為Val-Glu-Cys-Tyr-Gly-Pro-Asn-Arg-Pro-Gln-Phe。這種十一肽不僅能抑制AEC活性，還具有較好的熱穩定性（40~100℃）和酸堿穩定性（pH=2~10）。除此之外，也有其他研究獲得具有AEC抑制活性的微藻蛋白水解肽。如，肽Ile-Val-Val-Glu（半抑制濃度為315.3μM）、Ala-Phe-Leu（63.8μM）、Phe-Ala-Leu(26.3μM)、Ala-Glu-Leu(57.1μM)和Val-Val-Pro-Pro-Ala(79.5μM)由水解小球藻蛋白所得。Suetsuna和Chen[52]水解鈍頂螺旋藻（Spirulinaplatensis）蛋白，獲得的肽Ile-Ala-Glu(34.7μM)，Phe-Ala-Leu、Ala-Glu-Leu、Ile-Ala-Pro-Gly（11.4μM）和Val-Ala-Phe(35.8μM)都具有較好的生物活性。通過水解微藻蛋白所得的一些肽還具有抗氧化活性。有研究者從小球藻蛋白水解產物中獲得了一種序列為VECYGPNRPQF的肽，具有抗氧化活性，能清除各種自由基，包括羥自由基、超氧陰離子自由基、過氧化基、DPPH自由基和ABTS自由基，并且其抗氧化活性比BHT、維生素E更有效。此外，這種肽不會被胃腸道酶水解，用人肺成纖維細胞系（WI-38）實驗沒有細胞毒性[53]。微藻能合成一些結構特殊的肽，環狀肽就是一個例子。從巨大鞘絲藻（Lyngbyamajuscula）分離獲得的環狀縮酚肽能有效抑制植物病原真菌的生長[54]。同時，Helms發現偽枝藻（Scytonemasp.）也能合成環狀肽，這種肽鈣通道阻滯作用[55]。

結論

微藻產生的功能性脂肪酸、色素、蛋白質、肽和多糖等代謝物，具有較好的生物活性，可應用于醫藥、能源領域，更可作為食品添加劑，特別是應用于功能性食品開發。幾千年前，就有將微藻作為食物使用的記載，但人類對微藻的大規模培養卻只有幾十年的歷史。近年來，隨著微藻培養和加工技術的改進，對微藻生物活性物質物理、化學和生物特性了解的加深，為微藻生物活性物質應用于功能性食品添加劑提供了機會，同時，隨著人類研究的深入，有望將這些活性物質應用于新領域。（本文作者：王冬琴、譚瑜、盧虹玉、蘇偉明、胡雪瓊、李雁群 單位：廣東省水產品加工與安全重點實驗室、廣東普通高等學校水產品深加工重點實驗室、廣東海洋大學食品科技學院）