微藻的生物活性物质及在食品工业中的应用

微藻的生物活性物质及在食品工业中的应用摘要：微藻是适于发酵和生物培养的一种微生物生化组合。大多数微藻产生特有的生物活性物质，如蛋白质、微藻多糖、微藻ＤＨＡ、微藻色素、维生素和矿物质、抗生素等。由于微藻可以控制、优化培养条件，将能成为新的功能食品的经济资源，并广泛应用于食品工业。本文对微藻的生物活性物质及其在食品工业中的应用做了较全面的介绍，以期对微藻保健食品的研究和在食品工业中更加广泛地利用微藻资源、开发提供有益的参考。微藻(Microalgae)泛指显微镜下才能辨别其形态的微小藻类，是一类非维管植物，容易收获和加工。迄今为止，全球发现了200000～800000种，其中约35000种已有描述，超过15000种从藻类生物物质中产生的新型化合物已进行化学鉴定[1]。微藻具有叶绿素等光合器官，可利用太阳光将H2O、CO2和无机盐转化为有机化合物，通过光合作用机制代谢合成具有高附加值的代谢产物，是非常有效的生物系统，效率高且能耗低。微藻的繁殖一般是分裂式繁殖，生长速度快，容易进行大规模培养，并且微藻通常无复杂的生殖器官，使整体生物量容易采取和利用。其次，可以用海水、碱水或半碱水培养微藻，满足淡水资源短缺、土地贫脊地区获得有效生物资源的需求，甚至可能是唯一可确保基本蛋白质供给的途径[2]。微藻富含蛋白质、脂肪和碳水化合物，某些种类还富含油料、微量元素和矿物质，是人类未来重要的食品及油料的资源。除此之外，微藻、尤其是海洋微藻，因其独特的生存环境使其能合成许多结构和生理功能独特的生物活性物质,如类胡萝卜素、抗氧化剂、脂肪酸、酶类、聚合物、肽类、毒素和甾醇[3]，特别是经过一定的诱导手段，微藻可以高浓度地合成这些具有商业化生产价值的化合物，是人类未来医药品、保健品和化工原料的希望。人类利用微藻资源大约有3000年的历史，住在非洲乍得湖畔的佳尼姆土著居民，自古就有食用螺旋藻的习惯，在食物长期匾乏的情况下，他们身体依然健康，这曾引起营养学家和医学工作者的高度重视。而且在2000多年前的中国，当时人们利用发菜(Nostoccommunevar.flagelliforme，一种蓝藻)度过饥荒。关于微藻的研究始于十九世纪末，荷兰科学家Beijerinck于1890年利用微生物分离技术分出小球藻纯培养物，开创了微藻研究的新时代。到了二十世纪四十年代，为了解决二次世界大战的能源和饥饿问题，微藻培养受到空前的重视。德国人首先试验商业化培养硅藻，以生产类脂燃料;美国人开始着手研究生产藻类单细胞蛋白；澳大利亚、以色列、日本、台湾等国家和地区也相继开展了微藻的培养生产。微藻生物技术真正发展于二十世纪八十年代，在此期间人们发现，微藻不仅含有丰富的优质蛋白，还含有多种维生素、不饱和脂肪酸、天然色素和矿物质等。其中一些成分具有生物活性，是海洋药物的原料来源;另一些成分则是可再生的重要化工原料。不同的品种和培养条件，微藻的化学成分将发生改变，通过改变微藻的生长环境因素如光照、温度、pH、CO2通气量、盐和养分添加量等，使其体内累积所需的产品。经过近几十年的发展，微藻生物技术已经初具规模，并且显示出巨大的应用潜力，越来越为为科技工作者、企业和政府所重视。微藻生物技术在食品领域，使得微藻有潜力为人类提供大量单细胞蛋白质、植物油脂、类胡萝卜素类和ω-3长链不饱和脂肪酸等食品或食品添加剂[4,5]。微藻中丰富的、结构独特的生物活性物质，使得微藻作为一种食品资源在食品工业中具有巨大的潜力。并且随着微藻生物技术的不断发展，对微藻的生物活性物质及及微藻食品的新发展做将成为新的研究热点。1.微藻的生物活性物质1.1活性蛋白质蛋白质是生命的物质基础，它是与生命及各种形式的生命活动紧密相关的物质。机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。食物蛋白质的质和量、各种氨基酸的比例，关系到人体蛋白质合成的量，尤其是青少年、孕产妇、老年人等特殊人群的营养均衡，都与膳食中蛋白质的质与量有着密切的关系。研究、开发微藻蛋白食品，可以促进人体健康。微藻作为非传统蛋白质资源的主要原因是由于微藻中含有丰富的优质蛋白质。其含量是一般食品所无法相比的(三种微藻的蛋白质含量及其营养学指标如表所示)[7]。另外，几乎所有微藻的氨基酸类型都优于其他食物蛋白。由于微藻细胞可以合成所有的氨基酸，因此，它们也能为人类以及动物提供必需的氨基酸。开发得比较成熟的螺旋藻和小球藻都含有丰富的蛋白质，含量高达65%和50%[6]。1.2微藻DHADHA(docosahexaenoicacid)，又称二十二碳六烯酸，属ω-3系列长链多不饱和脂肪酸。国内外的众多研究已证明DHA在多方面都具有优越的生理调节功能。DHA是婴幼儿生长发育过程中不可缺少的成长因子：1)DHA为大脑皮层及视网膜的重要成分，能促进婴幼儿脑部及视力的发育。2)DHA能调节中枢神经系统，有助于婴幼儿的生长发育。而对成年人来说，DHA1)可以降血脂、血压和胆固醇，预防动脉硬化；（2）减少血栓形成，预防冠心病；3)预防老年痴呆；4)保护视网膜，改善视力；5)抗癌、抑制肿瘤；6)防治糖尿病；7)抗炎症：DHA对气管炎、风湿性关节炎、哮喘等均有疗效；8)延缓衰老等。由此可见，DHA对不同人群都具有积极的保健功能。目前从微藻中提取多不饱和脂肪酸比较有效的措施是改变微藻生长条件，从而改变总脂含量或脂肪酸组成［9］。从海洋藻类筛选纯化得出优质的藻种，利用生物工程技术于不含污染物且可食用的营养液中进行规模化培养，能有效避免外界污染的机会，可以得到纯天然、安全的植物性DHA。相对于市场上另外一种DHA主要产品—鱼油DHA，微藻DHA不含鱼腥味、DHA与EPA含量配比适当、无海洋污染不破坏生态环境，因而有着更为广阔的市场应用前景[8]。微藻DHA功能性食品在推动人类健康的同时也带来理想的经济效益和社会效益，是保健品和食品行业未来的发展趋势。1.3微藻多糖糖类化合物特别是糖缀合物上的糖链参与了各种生命现象的调节，如细胞识别、粘连与传导、免疫与应答、细胞转化和分化都离不开糖链的参与。糖蛋白中的糖链部分常会影响其分子构型以及生物活性，具有不可替代的重要作用。大量的药理和临床研究表明，多糖类化合物具有复杂的、多方面的生物活性与功能，特别是多糖作为一种免疫调节剂，能激活免疫细胞，提高机体的免疫功能，而对正常的细胞没有毒副作用，已经发展成为一种免疫疗法。小球藻多糖对腹水肝癌AH44，AH41c，白血病，L–120，艾氏腹水癌，MethA，肿瘤均显示了抗肿瘤活性[7]。螺旋藻多糖具有1)促进细胞生长的功能，文献报道[30]，螺旋藻多糖具有体外促进人肝胎细胞(HuH一6KK)的快速生长的功效。2)增强机体免疫功能，刘力生[11]等观察了螺旋藻多糖对小鼠胸腺皮质厚度的影响。螺旋藻多糖均能使小鼠胸腺皮质厚度明显增加。同时可以消除或减轻环磷酞胺的抑制作用。据左绍远[12]报道，小鼠腹腔注射螺旋藻多糖(100mg/kg)能使小鼠脾脏明显增重，同时还能显著拮抗CTX所致的小鼠脾脏及胸腺萎缩。3)对细胞免疫功能的影响左绍远平[12]等的研究表明螺旋藻多糖可促进ConA诱导的体外小鼠淋巴细胞转化。刘力生[11]研究表明螺旋藻多糖对体内移植性癌细胞有显著的抑制作用。4)螺旋藻多糖具有抗辐射作用。郭宝江等[14]利用螺旋藻多糖的粗提物及纯化物对受辐射的蚕豆根尖进行防护。庞启深等[15]应用核酸内切酶实验和放射自显影技术研究了螺旋藻多糖对DNA切除修复的效应。5)螺旋藻多糖具有抗衰老和抗病毒的作用,。刘玉兰等[16]研究了螺旋藻多糖的抗衰老作用，结果表明，螺旋藻多糖能延长果蝇的平均生命，ToshimitsuHayashi等人[17]从钝顶螺旋藻中分离纯化出一种硫酸化多糖，它能抑制HIV一1病毒的复制，并对多种病毒，在体外有抑制作用。1.4微藻色素天然食用色素跟人工合成食用色素相比，最大的优点是安全性高，具有天然和健康特点，同时，类胡萝卜素是清除自由基的能手，能防止自由基对机体过氧化损伤，可帮助延缓衰老。类胡萝卜素通过防止自由基对机体氧化损伤，维持细胞转录、复制信息等的稳定性，有效防止细胞突变的发生。微藻代谢合成的色素种类很多，如β-胡萝卜素、藻蓝素、叶黄素、虾青素等[18]，1)β-胡萝卜素是一种在食品领域应用广泛的主要食品着色剂，一般用Dunaliellasalina和Dunaliellabardawil作为β-胡萝卜素的主要生产微藻。Dunaliella代谢生成的类胡萝卜素的种类多且存在多种必需营养物质，并且天然的β-胡萝卜素在体内能被代谢掉从而十分安全，研究表明，人体能将β-胡萝卜素转化为VA，增强人体的免疫功能，预防一些疾病的发生。2)虾青素光稳定性高，抗氧化性高，色样特性高，容易被人体吸收。而且虾青素有很高的抗氧化特性，能明显加速动物或人的斑点(导致人眼盲的主要因素)的退化。通过体外研究表明，虾青素对单线氧具有很强的抗氧化功能，其抗氧化性是β-胡萝卜素的10倍，生育酚的500倍，有研究表明，虾青素能明显抑制脂肪过氧化。小球藻(Chlorellazofingiensis)、衣藻(Chlamydomonasnivalis)和雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)。C.zofingiensis生长速度快，易培养，环境适应能力强，细胞浓度较大，已成为生产虾青素另一重要的微藻资源。3)叶黄素(lutein)[19]，又名黄体素，是含氧类胡萝卜素——类叶黄素(xanthophyl)中的一种，广泛存在于花卉、水果蔬菜等植物中。作为一种天然黄色素，叶黄素可用作食品、医药和化妆品的色素添加剂和家禽畜、动物组织的增色剂等。此外，科学研究证实，叶黄素能够有效抵御自由基对人体细胞与器官造成的损伤，防止机体衰老引发的心血管硬化、冠心病和肿瘤等疾病，激发免疫反应，提高机体免疫力，防治年龄相关性视黄斑退化引起的视力下降和失明等。富含叶黄素的微藻主要包括小球藻(Chlorella)、Muriellopsissp.和栅藻(Scenidesmus)等，基本上均属绿藻门(Chlorophyta)的微藻。采用微藻生产叶黄素，取代大规模的万寿菊等植物栽培，是一种具有良好发展前景的方式.1.5维生素和矿物质维生素是人体代谢中必不可少的有机化合物。人体代谢与酶的催化作用有密切的关系。酶要产生活性，必须有辅酶参加，许多维生素是酶的辅酶或者是辅酶的组成分子。因此，维生素是维持和调节机体正常代谢的重要物质。矿物质是人体内无机物的总称，矿物质和维生素一样，是人体必需的元素，矿物质和酶结合，能够帮助代谢。如果矿物质不足，酶就无法正常工作，代谢活动就随之停止。微藻生物质代表了几乎所有必要的维生素(如维生素A、B1、B2、B6、B12、C、E，烟酸，叶酸生物素，泛酸)和具有平衡的矿物质含量(如Na、K、Ca、Mg、Fe、Zn和微量元素)的多种有价值的资源[20]。一些微藻的维生素B12和铁的含量很高，如螺旋藻，它们尤其适合作为素食者的营养补充剂[6]。藻类对微量元素具有较强的生物富集能力，富集了某些特殊微量元素的藻类在保持原有的营养及活性成分的基础上,更加提高了其营养及医疗保健价值。吕蓉[21]等论述了近几年微藻富集微量元素的研究进展，目前，藻类富集微量元素的研究主要选择的是硒、铬、锌三种元素，对螺旋藻富集硒的研究较多，而且螺旋藻对Cr3+具有较强烈的吸附和富集作用，藻体中有机铬含量较高,在螺旋藻细胞富集Cr3+过程中,90%以上的无机铬化合物转化成有机铬。而其它元素如铜、铁、钙、镁等研究较少。1.6抗生素和毒素许多微藻能产生对其它微藻、病毒、细菌、真菌和原生动物有毒性作用的抗微生物化合物，已知的有脂肪酸、其他有机酸、溴酚、酚类抑制剂、单宁、类萜、多糖和其他碳水化合物及酚类[22]。微藻可产生对生物神经系统或心血管系统具有高特异性作用的毒素[6]。由于微藻毒素能导致人和动物中毒，同时某些毒素具有良好的药用价值，并可作为分子生物学研究工具因此引起了国内外学者的广泛重视。2.微藻在食品工业中的应用2.1保健食品许多微藻具有丰富营养，