微藻富硒食品的研究现状与展望

硒在1973年被世界卫生组织确定为人体必需微量元素后，其与人类健康的关系成为了研究热点。在研究中发现，硒常以硒代半胱氨酸的形式插入到硒蛋白中形成谷胱甘肽过氧化物酶、硫氧还蛋白还原酶等硒酶发挥生理活性，表现出氧化还原酶的功能减少自由基对机体的毒害。此外，硒元素的抗癌、抗炎和抗病毒特性对维持人体健康必不可少。

近年来，随着生活水平的提高和保健理念的深入，人们对含硒功能食品的关注度再次提高。但是，硒虽重要却是把“双刃剑”。有关研究发现，我国硒资源严重匮乏，约7亿人长期处于硒营养摄入不足状态，致克山病、大骨节病等地方性疾病频繁发生，而机体中过量的硒又会取代甲硫氨酸中的硫导致机体中毒。同时机体内硒水平过高促使大量活性氧的产生，使得人体老化加速、产生疾病。可见利用生物载体富集转化获得的有机硒才是机体补充硒营养的安全、有效途径。

因此，本文以生物载体微藻富集、转化硒元素为重点展开综述，通过回顾硒的存在形态、微藻中硒的分布、富硒微藻的代谢机制和生物学功效，评估富硒微藻作为抗氧化功能性新型产品对人体健康的重要性，为微藻富硒食品的潜在应用价值和产品开发中尚存在的问题提供基础理论参考。

1.水环境中的硒

自然界中的硒广泛存在，但其分布极不均匀。研究发现，水中的硒含量为0.02-10μg/L，大量硒则存在于土壤中，空气中也有含量为每平方米几微克至几毫克的挥发硒存在。自然水体中的硒一方面通过自然因素获得，如土壤硒通过地表径流、地下水进入河流、海洋等以及大气干湿沉降。另一方面则是人为因素造成，如工业污水的排放和废料堆积的淋滤使硒进入自然水体。

硒在水体中的存在形式包括SeO42-、SeO32-及不溶性的Se0。水体中不同类型的硒化合物主要取决于水体的pH值、可络合物质的含量以及生态系统的结构，如自然水体pH值较低或较高时，硒以溶解性较高的SeO42-和SeO32-形式存在于水体导致自然水体中可检测到的硒浓度偏高，毒性增强。如部分富硒农业排水中硒浓度高达0.14-1.4mg/L造成硒污染。且由于硒酸盐具有较高的溶解度，因此在各水体中尽管硒含量有所不同，其主要的存在形式均为SeO42-。此外，自然水体中也存在少量硒氨基酸、硒蛋白等形态的有机硒。

2.生物富硒载体

微藻是一种形态微小、生长速度较快的光合自养微生物，具有较强的环境适应能力。目前用于大量培养的微藻主要包括绿藻门、蓝藻门、金藻门及红藻门。它们常被誉为细胞“工厂”，主要是由于其含有的蛋白质、藻多糖、β-胡萝卜素等初级、次级代谢物具备高价值的营养成分与生物理化活性。因此，在食品领域具有广泛的开发前景。

微藻的富硒研究起步较晚。但微藻在添加硒培养时，不仅表现出对高硒毒性的耐受性，而且在硒浓度较低时，表现出一定程度的增殖促进和对硒的富集转化作用，且微藻具有很高的营养价值和较强富集微量元素的能力，可作为无机硒生物转化的理想载体。此外，藻类可以通过富集硒元素将其有机化为硒氨基酸的形式存在，有机化后的硒氨基酸转移值高等生物体中，硒氨基酸在高等生物机体中合成硒蛋白，最后由食物链传给更高级消费者，完成硒循环。因此，微藻可作为生物富集转化硒的可食用材料并且受到越来越多科研工作者的关注。

3.富硒微藻研究现状

3.1 研究常用藻株

目前，富硒微藻主要有蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）、钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）、紫球藻（Porphyridium sp.）和球石藻（Emiliania huxleyi）等。其中螺旋藻常被视为理想的硒有机化载体，已有的研究表明，富硒螺旋藻中的有机硒占总硒75%以上。此外，微藻具分布广、规模大、培养简单、营养丰富等优势，使其已成为一种极具潜力的富集硒载体。

3.2 微藻富硒机制

微藻通过特定的生物机制将自然水体中的亚硒酸盐（SeO32-）或硒酸盐（SeO42-）等无机硒转化为有机硒。然而目前还没有发现微藻对硒的特异转运物质，所以微藻对硒的富集常需要具有化学相似性的硫酸盐、磷酸盐和硅酸盐等阴离子转运物质介导。科学家们通过动力学与75Se放射失踪技术研究出微藻对硒的富集机制主要有两种：第一种是具有高亲和力、ATP依赖性和及时饱和的运输途径（Km=29.8nm），它在硒暴露后几分钟内活跃；第二种则是低亲和力的被动运输途径，与亚硒酸盐的外浓度呈线性关系，并对长期硒暴露起主导作用。然而，对于硒酸盐来说，这种可饱和的运输系统已经被质疑，因为高浓度的硒酸盐会降低藻类对硒的吸收率。

目前，微藻硒代谢的具体步骤还有争议。通常通过植物富硒的相关研究提出微藻硒代谢的途径。微藻摄入硒后，SeO32-和SeO42-的代谢途径可能是相同的。Se（+Ⅳ）和Se（+Ⅵ）通过硫酸盐、磷酸盐等阴离子转运物质介导进入藻细胞之后被迅速运输至叶绿体内。Se（+Ⅵ）被还原为Se（+Ⅳ）进入硒代谢过程前需经三磷酸腺苷硫酸酶（ATPs）作用转换成腺苷酸磷硒酸盐（APSe），APSe由硫酸腺苷磷酸还原酶（APR）还原。Se（+IV）在亚硫酸盐还原酶（SIR）和O-乙酰丝氨酸（OAS）的顺序作用下转化为硒代半胱氨酸（SeCys）。硒代半胱氨酸可以清除氧自由基，在防御系统中起着关键作用。它也是合成其他含硒化合物的起始底物。其代谢途径可能有4条：（1）SeCys通过共翻译插入到蛋白质中，但当硒含量较高时，会导致蛋白质结构发生畸变，产生毒性作用；（2）SeCys被硒代半胱氨酸裂解酶（SeCyslyase）催化形成单质硒和丙氨酸；（3）SeCys被硒代半胱氨酸甲基转移酶（SeCysMT）催化形成MeSeCys后进一步被酶催化为DMDSe；（4）SeCys在进入细胞质前，首先，它需要依次代谢为硒单半胱氨酸和硒代蛋氨酸（SeMet）。然后在细胞质中，甲硫氨酸甲基转移酶（MMT）作用于SeMet，使其转化为甲基蛋氨酸（MeSeMet），最终MeSeMet被甲基蛋氨酸水解酶催化生成二甲基硒化合物等挥发性物质（DMSe）。

尽管大量研究表明，硒可以促进微藻生长，然而微藻对硒反应的分子调控机制仍不清楚，随着测序技术的发展，高通量组学得到广泛应用。其中，代谢组学能真正反映出机体已经发生的事件，具有更灵敏的检测优势。因此，进一步探索微藻对不同硒浓度响应的分子机制具有重要意义。根据植物富硒的代谢组学研究提出微藻硒代谢的分子机制，通过代谢组KEGG富集分析发现这些硒响应的差异代谢物富集途径主要集中在（1）苯丙素生物合成途径：能够维持生物活性，云杉醇等二苯乙烯类产物的较高产量可能表明硒的营养价值影响，提高非生物胁迫抵抗力；（2）黄酮类生物合成途径：在细胞生长和应激反应中具有重要作用；（3）氨基酸生物合成途径：主要用于促进植物生长，此外，该途径积累柠檬酸、异柠檬酸等渗透调节物质，保护细胞膜免受损伤，缓解非生物胁迫引起的渗透失衡；（4）精氨酸生物合成途径：精氨酸是细胞增殖和分裂所必需的，影响抗氧化系统及风味物质的形成。

3.3 藻类中硒的分布和形态

富硒微藻中的硒元素主要与生物大分子物质结合，尤其是蛋白质。一方面，硒以硒代半胱氨酸的形式特异性地与蛋白质结合，形成谷胱甘肽过氧化物酶等硒蛋白。另一方面，硒也可与非特异性含硒蛋白相结合，从而形成含硒的多肽或者蛋白质。

此外，微藻富集硒后，硒取代微藻多糖中的部分硫原子，并通过糖苷键的形式与微藻多糖相结合。在刘艳的研究中证实紫球藻胞内硒多糖含量为7.08μg/g，占细胞硒含量的25.3%，胞外分泌多糖含有硒，可检测到分泌性多糖的最高硒含量为31.02μg/g。另外，硒也能以离子的形式与脂类中的双键或三键以非共价键的形式与紫球藻中的大分子物质脂类结合，检测到硒与粗脂肪结合量为0.89μg/g，占细胞硒含量的3.2%。

而硒除了与微藻大分子物质结合外还可能以无机硒的形式存在，类似报道发现硒酸盐环境中，小球藻富集硒元素后代谢成挥发性二甲基硒化物等挥发性物质。

4.富硒微藻的生物学功效

通过多年来科学家对富硒微藻生物学效应的广泛研究发现，硒元素的加持和微藻自身的生物活性成分可使得微藻的生物学效应尤为多样和显著，主要包括抗氧化、抗癌和免疫调节等作用显著增强。

4.1 抗氧化活性

硒参与构成人体20多种硒酶/硒蛋白的活性中心发挥重要的抗氧化效应，如硫氧还蛋白还原酶参与细胞内氧化还原平衡的维持，能保护细胞免受氧化应激的损伤。

4.2 抗癌作用

富硒螺旋藻已被诸多模型实验和临床诊断所证实可抑制肝癌等肿瘤细胞的增殖。刘亚敏以NK细胞对小鼠淋巴瘤细胞（YAC-1）的杀伤能力去评价荷瘤小鼠细胞的活性。实验证实，富硒螺旋藻能显著增强荷瘤小鼠NK细胞活性，增强其机体免疫功能，发挥抗癌作用。

4.3 免疫调节作用

藻蓝蛋白是一种能增强机体免疫系统功能的高抗免疫蛋白，同时能帮助机体抵抗疾病。唐玫经小鼠试验证实，富硒藻蓝蛋白能增强淋巴细胞转换率、提高空斑溶血细胞的溶血能力，即富硒藻蓝蛋白可以增强机体的免疫功能。

5.结论与展望

现有研究表明，富硒微藻具有抗氧化、抗癌、抗炎、增强免疫力等生物活性功能，对机体健康有积极作用。近年来，随着消费者健康产品的需求逐渐增加，富硒微藻在保健食品领域显露头角。微藻功能食品产业从简单的产品开发，逐渐进入到产品机制研究领域。而富硒微藻资源的开发，除了需要不断优化富硒微藻的培养技术外，后续研究中还需要利用高效液相色谱等分离技术进一步优化微藻有机硒的提取、纯化条件，挖掘除硒蛋白外的硒多糖、硒核酸等生物大分子的生物活性功能，利用多组学技术完善微藻有机硒合成途径分析，并对富硒微藻产品的应用进行规范管理，保证富硒微藻产品的食用安全。

作者简介

杨帆（1998-），女，硕士；研究方向：微藻资源与生物技术。

*通讯作者

孟宪刚（1974-），男，博士（后），教授；研究方向：工业微生物。