紫球藻生物质的研究进展

黄子诚，肖雪花，钟晨，何勇锦,

1. 福建师范大学生命科学学院（福州 350117）；2. 福建师范大学工业微生物教育部工程研究中心（福州 350117）

微藻是一类典型的光合自养微生物，广泛分布于淡水和海洋环境中。微藻生物质是一种可再生的资源，含有多种生物活性物质，如蛋白质、多不饱和脂肪酸、多糖、色素等，是食品、医药、化工、饲料等领域的重要原料[1-2]。近年来，为了替代化石能源，开发微藻能源成为研究微藻生物质的热门方向之一[3]。但是，从经济技术评估而言，微藻开发生物质能源的成本是化石能源的4～10倍[4]，说明当前开发微藻生物质能源是不切实际的。基于此，科研工作者和企业界利用微藻生物质开发高附加值产品，实现微藻产业的可持续发展[5]。

美国食品和药品监督管理局（FDA）、欧盟食品新规（European Novel Food Regulation）等授权小球藻、寇氏隐甲藻、雨生红球藻、三角褐指藻、裂殖壶藻、微绿球藻、紫球藻等微藻可用于开发功能性的食品和保健品[6-7]。在被研究的微藻藻种中，紫球藻是一种有潜力的微藻，它是红藻门单细胞藻类，能够产生许多生物活性物质，如藻胆蛋白、多不饱和脂肪酸及胞外多糖物质，具有生长速度快、固碳能力强、光合效率高、易培养等优点[8-10]。近些年，随着微藻生物技术的不断革新，紫球藻生物质的生产能力得到显著提升[11]，开发食用紫球藻生物质成为食品研发领域的研究热点。因此，综述紫球藻生物质的营养成分、分析其应用于开发食品的潜能及发展趋势。

1 紫球藻生物质的营养成分

微藻生物质的组分决定其开发成食品的营养品质。已有大量资料表明，紫球藻的藻种来源和培养条件会影响其营养成分。表1归纳已报道紫球藻生物质的营养成分。

表1 紫球藻生物质的营养组分

1.1 蛋白质

紫球藻生物质的蛋白质含量约30%，其中藻红蛋白（B-phycoerythrin）含量最高[20]。藻红蛋白不仅可作为流式细胞仪、显微镜和免疫化学检测的荧光探针，而且也是食品和化妆品的重要原料[20]。

试验通过优化培养基组分和培养条件，旨在促进紫球藻合成藻红蛋白。如Kaehiresan等[21]采用响应面方法优化紫球藻（Porphyridium purpureum）的培养基，最佳合成藻红蛋白（占生物量的3.3%）的培养基组成是：氯化钠质量浓度29.62 g/L，硫酸镁质量浓度6.11 g/L，硝酸钠质量浓度1.56 g/L，磷酸氢二钾质量浓度0.076 g/L。Gargouch等[22]研究发现，紫球藻（Porphyridium marinum）合成藻红蛋白（占生物量的4.1%）的最佳条件为：硝酸钠质量浓度3.4 g/L，无需添加磷酸氢二钾，光照强度70 μmol photons/（m2·s），金属溶液添加量1.5 mL/L。

为提高藻红蛋白纯度，研究者不断改性分离纯化技术。传统的分离纯化技术获得藻红蛋白的步骤是紫球藻生物质反复冻融，将离心的粗提液通过硫酸铵沉淀，利用氯化钠溶液（0～0.5 mol/L）进行梯度洗脱以获得藻红蛋白[13]。但Tang等[23]研发更简便的纯化紫球藻藻红蛋白的方法，其主要操作步骤为：利用渗透压冲击法粗提紫球藻藻胆蛋白；通过50 kDa超滤膜浓缩藻胆蛋白；用磷酸盐缓冲液（20 mmol/L，pH 7.2）洗脱已上样的SOURCE 15Q阴离子交换层析柱（50 mm×16 mm），获得的藻红蛋白纯度为5.1，藻红蛋白回收率为68.5%。

1.2 多不饱和脂肪酸

多不饱和脂肪酸是一类含有2个或2个以上双键的直链脂肪酸，包括亚油酸（C18∶2n-6，LA）、亚麻酸（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]。大量的临床试验表明，食用含多不饱和脂肪酸的油脂具有提高机体免疫力、预防心血管疾病、抗肿瘤、降血脂等功效[25-26]。消费者摄入含多不饱和脂肪酸的油源主要来自鱼油。但是，海洋污染使食用鱼油的安全性受到挑战。近年来，相关研究表明，微藻油脂是一种绿色天然油源，可替代鱼油。对于紫球藻，该藻可合成LA、AA、EPA等多不饱和脂肪酸。Fuentes等[27]测定紫球藻UTEX161（Porphyridium cruentum）生物质的脂肪酸组成，其LA、AA和EPA含量分别为0.4%，1.3%和1.3%。Durmaz等[28]测定处于平稳期紫球藻（Porphyridium cruentum）的脂肪酸组成，LA、AA和EPA含量分别为0.53%，1.73%和3.44%。Su等[29]研究发现，紫球藻（Porphyridium purpureum）可合成1.59% LA，1.41%AA和0.22% EPA。这些研究结果暗示，紫球藻生物质是一种潜在的原料，可提供天然的多不饱和脂肪酸。

1.3 糖类

紫球藻生物质的糖类含量为12.5%～57%。研究发现，紫球藻生物质糖类主要含膳食纤维[13]。Matos等[17]报道过类似结果。有研究指出，食用膳食纤维可促进结肠处的益生菌生长，调节人肠道微生态平衡[30]。因此，紫球藻生物质是一种很好的膳食纤维原料。

紫球藻能合成胞外多糖，紫球藻胞外多糖的主要单糖有半乳糖、木糖、葡萄糖和葡萄糖醛酸[31]。试验对所分离到紫球藻的胞外多糖进行氨基酸分析，发现氨基酸总量为2.49%，必需氨基酸占35.7%[13]。

在生物学功能方面上，有研究表明，紫球藻胞外多糖具有抗病毒、抗氧化、抗炎症、提高免疫力、抑制肿瘤细胞生长等功能[32-35]。为了使紫球藻胞外多糖发挥更好的生物学功能，研究通过预处理使多糖的分子量降低。Sun等[33]利用微波处理紫球藻胞外多糖（2 918 kDa），可生成3个不同分子量的多糖（256.2，60.660和6.550 kDa），其中分子量最小的多糖表现出最强的抗氧化能力。此外，试验[36]进一步利用过氧化氢和微波协同处理紫球藻胞外多糖，可产生6个不同分子量的多糖（6.53，256，606，802.6，903.3和1 002 kDa）。在含有荷瘤老鼠模型中，与对照组（未处理多糖）和其他5个降解多糖组相比，用分子量6.53 kDa处理老鼠，其肿瘤抑制率最高（53.3%）。

2 微藻生物质开发食品的潜能

2.1 畜禽肉、奶和蛋制品

在畜禽肉制品方面，Madeira等[25]归纳指出，饲喂含微藻（球等鞭金藻、小球藻和裂殖壶藻）生物质的饲料，可提高反刍动物、猪和禽类动物肉的营养品质，即提高肉中的多不饱和脂肪酸含量。试验开展改良含裂殖壶藻藻粉的黑羽番鸭饲料，提高黑羽番鸭肉的DHA含量。对比等鞭金藻、小球藻和裂殖壶藻生物质，紫球藻生物质含有更高的AA和EPA。因此，畜禽类饲料中添加一定比例的紫球藻生物质，可提高肉类的AA和EPA含量。

在奶制品方面，Boeckaert等[7]研究发现，在奶牛饲料中添加4.3%的裂殖壶藻藻粉，奶牛产牛奶的共轭亚油酸和DHA含量显著高于其他试验组的结果。Kholif等[37]在大马士革羊基料中添加小球藻生物质，结果表明，含小球藻的饲料可以提高羊产奶量；同时，羊奶中的亚油酸和亚麻酸含量均显著高于对照组。

在蛋制品方面，Ginzberg等[38]通过饲喂含10%紫球藻生物质的鸡饲料，可显著提高鸡蛋的LA和AA含量。2017年，中国鸡蛋总产量约2 500万 t，占世界鸡蛋产量的40%[39]。目前，一些企业正推广藻蛋（鸡蛋和鸭蛋）制品。

2.2 休闲食品与饮料

近年来，利用微藻生物质开发果汁、饼干、蛋糕等休闲食品与饮料[40]，如图2所示。Gouveia等[41]通过添加等鞭金藻藻粉到饼干中，得到Omega-3多不饱和脂肪酸（EPA和DHA）含量为100 mg/100 g饼干（1%添加量）或320 mg/100 g饼干（3%添加量）。Gouveia等[42]选择螺旋藻开发蔬菜甜点。据文献报道，未发现利用紫球藻生物质开发休闲食品与饮料。因此，可对紫球藻生物质应用于休闲食品与饮料方面做进一步评估，以开发更多的功能性食品，满足市场需求。

图2 利用螺旋藻生物质开发食品[6]

2.3 面食和面包

随着生活质量的提高，添加微藻生物质的面食和面包（图3）受到消费者的青睐。这主要原因是：添加微藻生物质的面食和面包，可提高其多不饱和脂肪酸、必需氨基酸等物质的含量；添加适量微藻可改善和提高食品色、香、味及口感等感官指标。Fradique等[43]开发含螺旋藻和小球藻生物质的意式面食。此外，Fradique等[44]进一步利用等鞭金藻生物质开发富含多不饱和脂肪酸的意式面食。García等[45]利用等鞭金藻、扁藻、栅藻和微绿球藻4种生物质开发面包。研究发现，不同微藻生物质的组成差异较大，会影响面包的理化性质和质构特性。研究结果可为微藻生物质在食品研发领域提供理论依据。

图3 利用微藻生物质开发面食和面包[43, 45]

3 结语与展望

紫球藻生物质含有丰富的营养物质，因而紫球藻生物质的开发与利用受到国内外研究者的普遍关注。此外，紫球藻生物质是一种可再生资源，为食品开发提供可持续的原料供应。近年来，研发微藻固碳减排技术[46]是研究微藻生物质的热门方向。因此，固碳养殖紫球藻可大大降低生产紫球藻生物质的成本[1]，进而推动紫球藻生物质应用在食品领域的进程。此外，研发新型的紫球藻生物质功能性食品，并实现其规模化生产，使微藻和食品产业向高品质、高附加值方向发展。