大型海藻功能物质在农业生产中的应用

李倩， 杨锐， 孙辉， 陈海敏

(1. 宁波大学 海洋学院 浙江省海洋生物工程重点实验室， 宁波 315211 2. 宁波市农产品质量安全管理总站， 宁波 315012)

海洋藻类是海洋生物资源重要的组成部分，是海洋中无机物的天然富集者和有机物的最大生产者。藻类生长速度快、结构简单、适应能力强，其中还含有大量陆地生物所缺乏的生物活性物质。大型海藻种类繁杂，数量众多，其中海带、紫菜、江蓠、羊栖菜和浒苔等作为优质食品和重要的化工原料被广泛地应用于食品、化工和医药等领域，具有重要的经济价值。研究发现海藻中除了含有丰富的氨基酸、维生素、蛋白质和矿物质等常见营养物质外，还含有植物激素、多酚、寡糖、多糖及糖胶等具有独特调节功能的活性物质。随着有机农业、绿色农业意识的深化，海藻功能物质作为高效环保的新型农业肥料，能够同时满足减少农药和肥料使用以及增产保质的需求，成为新型农药和肥料的研究热点。我国海藻栽培业发达，藻体本身、藻类加工的中间产物或废弃物，海藻潮产生的大量藻类，均可作为海藻功能物质的开发原料。与传统的化学药剂和其他陆源提取物相比，藻类功能物质的开发利用，不仅更加安全环保，补充了陆源产品缺乏的生物功能，利于高品质农作物的绿色生产，还延伸和提升了藻类产业链，成为水产养殖反哺农业的有效尝试和重要发展方向。

1 海藻功能物质的种类、提取方法及技术

目前，从海藻中分离出且应用的功能物质主要为多糖及糖胶、多酚、寡糖、植物激素、藻类色素和萜类及脂类等。

1.1 多糖及糖胶物质

海藻多糖结构成分较为复杂，是由多个单糖基通过糖苷键连接成的高分子类化合物，对维持海藻的生理生态具有重要作用。目前研究人员已从海藻中分离出红藻多糖、蓝藻多糖、绿藻多糖和褐藻多糖等[1]。

海藻多糖是一种极性大分子物质，含大量羟基，一般易溶于水。稀酸、稀碱或热水提取等常见方法，均表现出提取率低、损失大、耗时长的缺点，在很大程度上限制了海藻多糖的大规模生产[2]。为了有效地提高海藻多糖的提取效率，近几年开发并广泛采用了酶解法、微波与超声波辅助法等辅助技术[3]。

1.2 多酚类

酚类化合物，通常是指分子结构中含有若干酚性羟基成分的总称，可分为简单酚类和多酚类两类化合物。海藻多酚，尤其是间苯三酚及其衍生物，是藻类植物中重要的生物活性物质，其独特的抗氧化、抑菌等生理学功能成为海洋药物及功能产品的重要来源之一[4]。

多酚类物质的经典提取方法是溶剂萃取法。鉴于该方法有机溶剂消耗大、样品损失率高、耗费时间长及安全性低，人们又开发了超声波提取法、微波提取法、低温纯化酶法和超临界流体萃取等相对快速、准确、简单的提取方法[5]。

1.3 寡糖

寡糖主要以糖脂、糖蛋白等形式存在于机体之中，具有低热量，结构稳定等特性。在目前已发现并确认的1000多种寡糖中，已有10余种被广泛地应用于食品、饲料和农业生产中[6]。海藻寡糖是一类由海藻多糖降解得到的低聚糖，是聚合度在2～10的直链或支链化合物，它保留独特的活性基团，具有分子量小、水溶性好、功能多样等优点。在海藻寡糖中最具代表性是琼胶寡糖和褐藻寡糖。琼胶寡糖由红藻胶降解而来，主要由琼二糖的重复单位连接而成，包括琼寡糖和新琼寡糖两个系列，其中琼寡糖以3,6-内醚-α-L-半乳糖残基为还原性末端，新琼寡糖以β-D-半乳糖残基为还原性末端。褐藻寡糖源于褐藻胶降解，是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古罗糖醛酸组成。

海藻寡糖来源广泛，常用的制备方法有：化学提取法、酸降解法、氧化降解法、酶降解法和酶法合成法等[7-8]。化学提取法主要用于天然寡糖的制备，提取未衍生化的寡糖则相对困难。酸降解法能在不同酸解条件下产生不同程度的降解，以此获得不同的结构和信息，但容易造成一些多糖发生功能基团脱落，从而损失活性。氧化降解法虽然可以减少一些基团的脱落，但产物复杂，易带入杂质。酶法合成法是在酶的作用下将聚合度低的寡糖中的糖链延伸成聚合度高的寡糖，该方法较化学提取法有一定的优势，但受到寡糖物化性质的限制。酶降解法的反应条件较温和，制备时生物活性高，反应过程和产物均容易控制，是一种较为理想的方法[7]。

1.4 植物激素

植物激素是植物所产生的在其自身生长、环境应激和相关基础代谢等生理过程中发挥重要调控作用的代谢产物。植物激素种类繁多，在较低浓度下就能够产生明显的生理效应，调节植物重要的代谢活动[9]。相较于一些高等植物而言，藻类植物激素的研究起步较晚。目前已在藻类中发现了吲哚乙酸、异戊烯腺苷、反式玉米素翔安、独角金内脂、脱落酸、水杨酸等多种植物激素[10]。

振荡提取是藻类植物激素提取的经典方法，80%的甲醇、乙醇、丙酮等是常用的提取剂，在提取时加入少量的抗氧化剂来保护样品并防止激素分解。此外，乙腈也被用于植物激素的提取，但由于乙腈具有毒性，因此应用受到很大的限制。目前，超声波提取操作更加简单，逐渐取代振荡提取，成为最常用的植物激素提取方法[11]。

1.5 藻类色素

藻类含有大量的叶绿素、类胡萝卜素以及藻胆蛋白等一些特殊色素，是重要的天然色素来源，有的具有抗氧化、抗衰老、增强免疫力等功能[12]。其中，叶绿素是一类脂溶性色素，是藻类吸收光能进行光合作用的主要色素；类胡萝卜素是不含氧的羟类和含氧衍生物叶黄素、岩藻黄素等，而藻胆蛋白则是水溶性带荧光的藻类特有色素。类胡萝卜素和藻胆蛋白在光合作用中充当辅助的角色，负责将光能传递给叶绿素进行光合作用[13]。

目前从海藻中提取色素的主要方法分为溶剂提取法、微波提取法及超声波提取法等[14]。溶剂提取法是目前最简单、使用最广泛的方法，利用机械对细胞造成破坏，使溶剂更容易进入细胞。微波提取可使微波迅速穿透溶剂和物料，均匀受热，保持色素稳定等。超声波提取法则是先通过超声来破坏组织细胞，再用溶剂提取色素，此方法有一定的优势，但其效果会因设备的设计和性能不同而受到局限[15]。

1.6 萜类及脂类

萜类是藻类为进行自我保护而合成的最大一类次生代谢产物，种类繁多、结构复杂，通常不含氮或硫，大多数为卤代或芳香萜类化合物[16]。萜类化合物往往具有独特的杀菌、抑菌、防御病虫害等生物活性[17]。种类和结构的多样性使得萜类物质化学性质差异较大，所以不同结构萜类物质的最适提取方法也不尽相同。一般而言，非挥发或低挥发性的萜类物质可采用溶剂提取法、水蒸气蒸馏萃取法或超临界流体提取法；而高挥发性的萜类物质最好釆用顶空分析法，或者几种方法结合使用[18]。

脂类包括脂肪酸、胆固醇、类固醇等带有长链的碳氢化合物。海藻中短链饱和脂肪酸或脂类提取物往往具有较强的抗菌活性，在制药和农业等方面得到了大量应用[19]。海藻中的脂类化合物主要采用溶剂浸提法、超声提取法、索氏提取法和改进的Folch法等提取，其中改进的Folch法效果最好[20]。

2 海藻功能物质的主要生物活性

2.1 促进植物生长

海藻活性物质作为植物的生长调节剂是目前该领域的开发热点之一。Ma等[21]通过研究表明，0.125%的褐藻胶寡糖可提高高粱种子的发芽率，促进其幼苗生长；而浓度为0.0625%褐藻胶寡糖在经浸种处理后会促进高粱叶中叶绿素的合成，提高根系的活力。Anisimov等[22]利用多种海藻提取物处理黑麦种子，促进根长增长率达15%以上，指出只需施用少量的海藻提取物便可以达到促进植株根系生长的目的。刘培京[23]用不同浓度的海藻提取液对黄瓜、番茄、辣椒3种蔬菜种子进行浸种处理和盆栽试验，发现使用稀释200倍和400倍海藻提取液的3种蔬菜幼苗的根长、株高、株鲜重、株干重、叶绿素含量和叶面积等指标均显著高于对照组。

2.2 促进生殖及产量

海藻提取物具有刺激作物提前开花，提高植物坐果率的作用。Sridhar等人[24]发现不同稀释倍数的海藻提取物处理花生能够显著提高花生产量，最高增产可达约1.4倍；并且将海藻肥和化学肥料进行等比例混合使用后，不仅能够减少化肥的用量，而且还能获得较高的产量。Kumari等[25]以马尾藻(Sargassum)提取液作为液体生物肥料，对西红柿做叶面喷施、根施以及叶面喷施根施等同时施用，发现3种处理均能促进西红柿的生殖生长及营养生长，尤其是进行根施处理的植株在鲜重、株高、开花数目及果实鲜重等方面的改善最为显著。Rathore等[26]利用海藻提取液喷施大豆叶面，发现不同浓度的海藻提取物对大豆的生殖指标和产量参数均有促进作用，且以浓度为15%和12.5%的海藻提取物效果最好，而且大豆在营养含量上也有显著提高。

2.3 增强作物抗病能力

海藻功能物质能够刺激作物体内某些基因的表达和代谢途径，促使植物自身产生防御性应激反应，从而释放多种酶及多酚类等功能因子，并诱导其产生抗病性[27]。Jayaraman 等[28]发现喷施适量的海藻提取物后能明显降低黄瓜真菌病的发病率，尤其是对叶面和根部同时使用时抑病效果更加明显；同时检测到经海藻提取物处理的黄瓜，不但能增强多种防御相关酶的活性，而且其防御基因(包括几丁质酶、葡聚糖酶、过氧化物酶和苯丙氨酸氨裂解酶等)的表达也发生了很大变化。Sultana 等[29]在实验中发现海藻粗提取物能够降低西红柿和向日葵等植株的根系感染腐烂真菌的概率，并有效地抑制真菌或虫害对根系的附着和渗透能力。Paulert等[30]利用海藻粗提取物中的硫酸化多糖处理普通豆科植物，发现粗提取物喷施豆类后，叶面干重增加了20%，在不影响植物生长的前提下，将豆类炭疽病的发病程度减轻了38%，说明海藻提取物可诱导植物产生抗病性。

2.4 提高作物的抗逆性能

海藻功能物质能够通过诱导植株产生抗性物质来缓解或抵抗逆境造成的危害，起到调控作物生长的作用[31]。Zhang等[32]研究了0.4%褐藻胶寡糖能够缓解毒死蜱对小麦产生的生理胁迫并增加植株抗性，发现海藻寡糖处理浓度与作物细胞膜的通透性、脯氨酸以及可溶性糖含量呈现明显的正相关。Ibrahim等[33]发现：在盐胁迫条件下，经海藻提取物处理的小麦种子的萌发率和生长参数显著高于对照，植物体内过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶及谷胱甘肽还原酶等酶类活性增强，同时小麦幼苗的总蛋白图谱中出现12条新增条带，推断这些变化是源于海藻提取物所诱导小麦产生的减缓盐胁迫的应激反应。

2.5 保水、保鲜及改善品质

海藻含有的大量糖类及其衍生物，不仅能抵抗一些不利因素、促进生长增殖，还具有可观的保水保鲜及改善品质的作用。周研等[34]发现海藻酸钠和壳聚糖复合涂膜对哈密瓜具有良好的保水保鲜效果，都能降低瓜果的失重率，维持较高的硬度和VC含量,提高一些酶的活性，并抑制果肉中细菌的繁殖。Olivas等[35]将藻酸盐-亚油酸制成复合保鲜涂膜液，于常温贮藏条件下，涂覆于“Gala”苹果表面，使其在表面形成一层保护膜，不仅保持果实外观透亮、明艳，而且能够有效地抵抗微生物等不利因素对果实的侵害，延缓果实腐烂及变质程度，减少果实重量、硬度及营养物质的损失；此外该复合膜还有良好的气体选择透过性，可抑制苹果的呼吸作用，有效地增强了果实的保水保鲜性能，从而延长“Gala”苹果的贮藏期。

目前，对海藻及其功能提取物的功能研究多涉及产量、品质和表观性状分析等，关于其作用的分子机理和调控机制等方面研究有待进一步突破。

3 海藻功能物质在农业生产中的应用形式

3.1 肥料

采用物理、化学或生物的方法，将海藻中的微量、大量及其他有效成分提取出来，制成有机肥料并作用于植物具有重要的应用价值[36]。现阶段，国内海藻肥市场方兴未艾，主要生产厂家以明月、雷力和晶洁等公司为代表，其产品包括根施肥和叶面肥等不同形式。

海藻肥能显著改善某些作物的生产品质。Thirumaran等[37]发现海藻肥会显著提高秋葵(Abelmoschusesculentus)的生长，品质和产量等相关指标。张蕊等[38]使用海藻肥处理桃树，结果显示施用海藻肥可显著地提高叶片的光合作用及单果重，而且还能有效地改善并提高果实的品质，增加某些微量和大量元素的含量。Vassilios等[39]在橄榄树叶面上喷施海藻肥发现，海藻肥能显著提高橄榄果实的品质，加快果实的成熟，增加产油量；同时经海藻肥处理后的橄榄叶中铁、铜、硼等元素的含量也明显增加。

3.2 农药

海藻除了作为肥料应用于植物外，其中的功能物质也能诱导并增强植物对病毒、病虫害的抵抗和灭杀能力，发挥农药的作用，进而减少化学农药在作物上的使用量。海藻功能物质作为生物农药的同时，还能在很大程度上降低化学农药残留，逐渐受到人们的重视。

郭晓冬等[40]在研究海藻提取物对番茄CMV病毒的作用中，发现海藻提取物对CMV病毒具有很好的体外钝化效果和预防侵染的作用。将CMV病毒接种于植株后施用海藻提取物，会使患病植株的 SOD 、POD酶活明显升高，并有效地降低植株内病毒含量及其对叶绿体的破坏。刘振宇等[41]研究发现不同种类海藻含有不同的蛋白质组分，对香蕉炭疽病菌菌丝的生长和某些孢子的发育产生了不同的效果，海藻中存在对香蕉炭疽病菌具有高效抑制作用的蛋白组分。

3.3 保湿剂

海藻含有丰富的糖类物质，具有较强的保湿性能，是常用的保湿剂。其糖类物质可以通过影响土壤的理化及生物特性，改善土壤的保湿能力。这种特殊的保湿剂性使得海藻物质在农业保湿保水领域中也发挥着重要的作用。

从海带(Saccharinajaponica)、缘管浒苔 (Enteromorphalinza)、刺松藻(Codiumfragile)、坛紫菜(Porphyrahaitanensis)、羽藻(Bryopsisplumose)中提取低分子量硫酸多糖具有明显的保湿性能，甚至优于透明质酸的保湿效果[42]。Tapia 等[43]发现：在常温贮藏条件下，2%海藻酸钠和0.5%结冷胶对鲜木瓜保鲜保水性能比单一使用海藻酸钠溶液的效果更好，明显地抑制了木瓜果实的呼吸、蒸腾作用，减少内部水分的蒸发，延长了鲜切木瓜的贮藏时间，保证了果实的含水量。

3.4 激发子

植物体在受到外界的危害或微生物入侵时，能够诱发自身产生一系列反应来防止机体受到伤害，从而在不利条件下存活。近年来，基于对多种植物防御机制的深入了解，人们进一步认识到微生物或植物细胞壁表面能够产生一些具有特殊效应的物质来激发植物自身的防御能力，这些物质被称作“激发子”[44]。王秀娟等[45]发现100 μg/mL的琼胶寡糖激发菜豆产生活性氧，并产生抗菌物质，进而增强其防御抗性。Ning等[46]的研究显示，寡糖类物质能够提高水稻的防御能力，尤其是促进几丁质酶(RCH10)和PAL等防御相关基因的表达。海藻功能物质作为激发子应用于农业，充分调动作物的防御反应，将会产生巨大作用。

表1 海藻功能物质、作用及其应用

3.5 激素调节因子

利用植物生长调节因子调控作物的生长发育和产量品质，在各类农作物中得到了大规模推广，获得了巨大的经济和社会效益。Sarfaraz等[47]发现海藻物质对植株的调节作用除了表现在株高、叶面积、根长等生长指标的增加外，还表现在对叶绿素含量、光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度等指标的调控上，使植物体的多项指标均有明显提高。

4 我国海藻功能物质产品开发的现状及展望

我国的海藻资源极为丰富，海藻活性物质在多个领域得到了不同程度的应用。随着在农业生产中不断推广，海藻功能物质产品在提供营养、改善环境和保护或抵制生物或非生物因素对植物的侵害中发挥了重要作用。

现阶段，海藻在农业中应用的主要产品是海藻肥，其来源可以是藻体发酵产物，亦可是精制的海藻提取物；其施用形式有根施肥料或叶面喷施，产品形式有固态和液态。尽管海藻功能物质已在很多领域得到广泛应用，但仍多以混合物的形式使用，其中的化学成分可多达数十种。鉴于工艺和成本，目前尚未有系统方法将各组分进行有效分离，因此，难以评判具体是哪种物质起到相应的作用。另外，对于大规模农业生产而言，海藻肥产品一般价格较高，从一定程度上限制了藻类功能物质的应用与推广。

有效合理地利用海藻资源的独特优势，关注海藻中的活性物质及相关功能，研发新型的海洋生物功能性制品是今后海洋资源利用的热点之一。我们应当针对性地开发具有特定性能的农用海藻功能产品，作为植物生长调节剂、抗病抗逆诱导剂、生物农药、新型叶面肥以及保鲜包被材料等，充分发挥海藻的功能活性。此外，还应加强海藻及其功能物质提取和加工工艺与技术的研发，以降低产品的加工成本，加大推广力度和应用范围，使得海藻资源更好地为农业生产服务。