陳 峰，楊帥伶，劉 賓

（1 深圳市海洋微生物組工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東深圳 518060 2 深圳大學(xué)食品產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展研究院 廣東深圳 518060 3 深圳大學(xué)碳中和研究院 廣東深圳 518060）

藻類是地球生態(tài)重要的組成部分，它們?yōu)榈厍蜇暙I(xiàn)50%～87%的氧氣[1]。截至到本世紀(jì)初，地球上已知的藻類有3 萬余種，其中微藻類約占70%。微藻的生長范圍極其廣泛，遍布熱帶、溫帶以及南北兩極的寒帶地區(qū)。自上世紀(jì)以來，藻類被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)全球氣候變化以及人口增長所帶來的食物與蛋白質(zhì)匱乏的最具潛力的對(duì)象[2]。同大型藻類相比，微藻光合效率及生長速率更高，其生產(chǎn)培養(yǎng)方式也更靈活。傳統(tǒng)的陸生作物的種植在很大程度上依賴于環(huán)境和氣候。例如，大豆只能在夏季炎熱、平均溫度20～30 ℃和生長條件適宜的地區(qū)種植。而微藻的生產(chǎn)可以采用工業(yè)化生產(chǎn)模式，不受自然環(huán)境的限制，可以全年收獲。同傳統(tǒng)作物相比，微藻生長速率更高，每畝年產(chǎn)量可達(dá)15 t 干粉，是糧食作物最高產(chǎn)量的10 倍以上；并且微藻可在沒有淡水及氣候、土壤等不適宜傳統(tǒng)作物生長的環(huán)境（如沙漠和海岸）中培植，這有可能會(huì)緩解全球糧食與能源匱乏的狀況。此外，微藻的固碳能力是陸生植物的4～5 倍，在全球生物圈固碳中占據(jù)半壁江山，對(duì)助力實(shí)現(xiàn)“碳中和”具有巨大的作用。

近年來，微藻巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保價(jià)值引起各行業(yè)的廣泛關(guān)注。作為植物性營養(yǎng)素的天然來源，微藻在食品領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步被認(rèn)可，越來越多的國家、食品企業(yè)開始從事微藻的生產(chǎn)研究。其實(shí)，微藻的食用歷史源遠(yuǎn)流長。早在1 500年前，我國就有食用微藻的傳統(tǒng)，并嘗試將其作為中藥來治療疾病。在食物匱乏的年代，微藻更一度成為替代蛋白乃至替代糧食的優(yōu)先選擇[3]。微藻的商業(yè)化生產(chǎn)始于上世紀(jì)60年代的“小球藻”及70年代的“螺旋藻”培植。目前，世界上應(yīng)用生物技術(shù)進(jìn)行大量培養(yǎng)或生產(chǎn)的微藻約有200 種，主要包括硅藻（Bacillariophyceae）、綠藻（Chlorophyceae）、金藻（Chrysophyceae）及紅藻（Rhodophyta）等真核藻類，以及原核類藍(lán)藻（Cyanophyceae）[1，4]。而在世界范圍內(nèi)，已獲得審批具有食品資質(zhì)的微藻僅是少數(shù)，2004年，鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）和極大螺旋藻（Spirulina maxima）被批準(zhǔn)可作為普通食品食用，開啟了中國微藻食品原料的先河。目前在我國共有9 類與微藻相關(guān)的食品原料獲得審批（表1）。近期，萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）申報(bào)新食品原料已通過專家評(píng)審委員會(huì)的技術(shù)審查。在歐美等地區(qū)金色奧杜藻（Odontellaaurita）、周氏扁藻（Tetraselmischui）等微藻亦具有作為食品原料的資質(zhì)[1，5]。

料原品食源資新關(guān)相類藻的準(zhǔn)批已國我1表Microalgae-related new food raw materials that have been approved in China Table 1 號(hào)告公別類品食用適量用食息信本基稱名丁拉5 號(hào)第用 2021年食宜不女婦期乳哺及婦、孕兒幼嬰）計(jì)品干2 g/d（以≤屬藻球微、擬科藻胞：單屬種Nannochloropsis gaditana號(hào)10第年用 2018食宜不女婦期乳哺及婦、孕兒幼嬰）計(jì)品干（以3 g/d≤屬藻珠、念科藻珠、念門藻：藍(lán)屬種Nostoc sphaeroides號(hào)10第年2013品食兒幼嬰括包不圍范用使明說別特?zé)o屬藻、裸目藻、裸門藻：裸屬種Euglena gracilis號(hào)19第年2012品食兒幼嬰括包不圍范用使20 g/d≤屬藻球、小目藻：綠屬種Chlorella pyrenoidesa 17 號(hào)第2010年品食兒幼嬰括包不圍范用使0.8 g/d≤屬藻球、紅目藻、團(tuán)門藻：綠屬種Haematococcus pluvialis號(hào)3第年2010標(biāo)關(guān)相合符應(yīng)用使中品食兒幼嬰在純（以300 mg/d≤）（DHA酸烯六碳二十：二分成要主）DHA Algal Oil名文（英求要的準(zhǔn)）計(jì)DHA肯）吾（Schizochytrium sp.藻壺：裂源來甲隱氏）寇（Ulkenia amoeboida藻壺氏）（Crypthecodinium cohnii藻號(hào)18第年2009品食兒幼嬰括包不圍范用使胡β－（以15 mg/d≤屬藻、鹽目藻、團(tuán)門藻：綠屬種）（extract Dunaliella salina/）計(jì)素卜蘿號(hào)17第年2004料原品食通普明說別特?zé)o屬藻旋、螺目藻殖、段綱藻：藍(lán)屬種Spirulina platensis 17 號(hào)第2004年料原品食通普明說別特?zé)o屬藻旋、螺目藻殖、段綱藻：藍(lán)屬種Spirulina maxima稱名文中藻球微擬藻珠念狀球藻裸藻球小核白蛋藻球紅生雨油藻DHA藻鹽/物取提及藻鹽物取提藻鹽藻旋螺頂鈍藻旋螺大極

微藻是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的含有營養(yǎng)素最豐富的食物之一。微藻內(nèi)含有大量的生物活性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、脂類、藻多糖、β-胡蘿卜素、巖藻黃素與蝦青素等[1]。目前，市場上主要將微藻作為膳食補(bǔ)充劑和生物工廠制備各類具有生理活性的物質(zhì)成分，如DHA 藻油、蝦青素等，其產(chǎn)品的應(yīng)用出口相對(duì)較窄。藻油的開發(fā)占據(jù)微藻食品產(chǎn)業(yè)的主要市場。比起油脂含量，通常微藻中含有更多的蛋白質(zhì)，而微藻蛋白在食品中的應(yīng)用出口有待進(jìn)一步開發(fā)。本文主要從可作為新資源食品及常見的微藻出發(fā)，闡述微藻蛋白的提取方法、營養(yǎng)與加工特性、生理活性及其在醫(yī)藥保健和食品中的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，提出未來發(fā)展中可能存在的問題，旨在為新資源食品的研究與開發(fā)提供參考。

1 微藻的營養(yǎng)成分

蛋白質(zhì)是微藻的初級(jí)代謝產(chǎn)物，是微藻最主要的物質(zhì)成分之一。微藻的蛋白質(zhì)含量一般在40%以上，在微藻干基物質(zhì)中占比最高。某些微藻（如裂壺藻、小球藻）在特定的生長階段或生長環(huán)境中會(huì)累積更多的油脂。通常，微藻的總脂類含量占干物質(zhì)的1%～70%，多數(shù)為直鏈型含偶數(shù)磷原子的甘油酸酯。微藻中的脂類含有豐富的不飽和脂肪酸（如DHA、EPA），多數(shù)的淡水型微藻含有大量的α-亞麻酸（ALA），是許多保健品及嬰幼兒食品生產(chǎn)的重要原料。微藻中碳水化合物是微藻中另一個(gè)主要成分，其含量一般占干物質(zhì)的10%～20%。藻類的碳水化合物主要以淀粉、纖維素、單糖和多糖的形式存在。纖維素與多糖類物質(zhì)是微藻細(xì)胞壁的主要成分之一，還有一些微藻的葉綠體中存在與淀粉生產(chǎn)與儲(chǔ)藏有關(guān)的淀粉核。微藻淀粉的消化率較低，可能在糖尿病、腸胃系統(tǒng)疾病及減肥輔助藥物的研制中存在巨大的潛力。表2列出了一些常規(guī)農(nóng)作物以及常見的與食品相關(guān)的微藻的蛋白、脂肪和碳水化合物的大致含量。同傳統(tǒng)的農(nóng)作物相比，微藻中含有更高的蛋白和脂類物質(zhì)。不過，微藻中營養(yǎng)成分的含量受微藻生長階段與培養(yǎng)條件的影響，如蛋白核小球藻在氮源充足的培養(yǎng)條件下，其蛋白質(zhì)含量可達(dá)60%，而在氮源不足的情況下，在生長階段其細(xì)胞內(nèi)的脂類含量可達(dá)86%[4]。一般而言，工業(yè)化生產(chǎn)的螺旋藻在適宜的培養(yǎng)條件下，其蛋白質(zhì)含量可達(dá)60%～70%，其色素蛋白（如藻藍(lán)蛋白Phycocyanin）約占總蛋白含量的20%，是優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)來源。

[8-14]）%比重干（占量含概大的分成養(yǎng)營本基最藻微的關(guān)相品食與物作農(nóng)規(guī)常2表[8-14]The general nutritional composition of some traditional grains and food-related microalgae（% in dry mass）Table 2 量含物合化水碳量含脂油量含質(zhì)白蛋稱名丁拉/文英85 4 10 Corn 30 20 37 Soybean 84 2 14 Wheat 16 44 25 Peanut 8～14 4～9 46～63 Spirulina platensis 13～16 6～7 60～71 Spirulina maxima 26 2 57 Chlorella pyrenoidosa 12～17 14～22 51～58 Chlorella vulgaris 14～18 14～20 39～61 Euglena gracilis 32 6 57 Dunaliella salina 24～35 5～9 28～52 Nostoc sphaeroides 22 17 47 Nannochloropsis gaditana 15～17 20～25 29～45 Haematococcus pluvialis 17 21 48 Chlamydomonas rheinhardii 32 45 12 Schizochytrium sp.2 11 48 Tetraselmis chui稱名文中米玉豆大麥小生花藻旋螺頂鈍藻旋螺大極藻球小核白蛋藻球小通普藻裸藻鹽藻珠念狀球藻球微擬藻球紅生雨藻衣茵萊藻壺裂藻扁氏周

除了最基本的營養(yǎng)成分（即蛋白、脂肪和碳水化合物）外，微藻細(xì)胞中含有十分豐富的與人體生長發(fā)育直接相關(guān)的維生素與礦物元素。據(jù)報(bào)道，微藻中維生素含量超過所有其它天然食品，其鉀、磷、鈣、鎂、鋅和錳等礦物元素含量超過牛奶中同類元素的含量[6]。此外，微藻中含有許多種天然的可食用色素，主要包括：葉綠素、葉黃素、胡蘿卜素和藻膽素，微藻的親脂色素（如葉綠素、類胡蘿卜素）約占微藻干量的5%[7]，而雨生紅球藻中蝦青素含量特別多，可占其干物質(zhì)重量的10%以上。除上述營養(yǎng)素外，微藻中還含有許多種生物活性成分，如硫氨素、吡多醇、肌醇、葉酸、泛酸鈣和煙酸等，可以說微藻是人類迄今為止所發(fā)現(xiàn)的含有營養(yǎng)素最豐富的食物之一。

2 微藻的生物質(zhì)培養(yǎng)與生產(chǎn)策略

微藻的培養(yǎng)方式靈活多樣，根據(jù)微藻的種類與特性可選擇自養(yǎng)、異養(yǎng)或混養(yǎng)的模式來培養(yǎng)獲取微藻生物質(zhì)。其中，光自養(yǎng)是微藻產(chǎn)業(yè)中最為常見的養(yǎng)殖方式，微藻通過光合作用，利用光能將無機(jī)碳源（如二氧化碳、碳酸鹽等）轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，這是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好型的養(yǎng)殖方式。由于沒有向培養(yǎng)基中添加有機(jī)碳源，因此污染風(fēng)險(xiǎn)較小。光自養(yǎng)養(yǎng)殖的微藻細(xì)胞密度與生長速率往往較低，導(dǎo)致微藻生產(chǎn)力和能源利用效率不高。異養(yǎng)培植是指利用有機(jī)碳源（如葡萄糖、蔗糖等）作為能源，在沒有光照的情況下對(duì)微藻進(jìn)行培養(yǎng)。異養(yǎng)培植可在傳統(tǒng)的發(fā)酵罐中進(jìn)行，發(fā)酵罐的搭建和操作成本相對(duì)較低，通?？梢援a(chǎn)生相當(dāng)高的生物量密度。據(jù)報(bào)道，蛋白核小球藻采用異養(yǎng)的培植方式，其生物量密度可以高達(dá)100 g/L 以上，比光自養(yǎng)養(yǎng)殖的密度高80 倍[15-16]，而且異養(yǎng)培植的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)量通?？稍诠I(yè)規(guī)模上進(jìn)行復(fù)制。異養(yǎng)培植在大規(guī)模培養(yǎng)食用微藻中具有突出的優(yōu)勢，其主要優(yōu)點(diǎn)是生物量高，生產(chǎn)參數(shù)控制準(zhǔn)確簡單，并且微藻大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)可以借鑒傳統(tǒng)微生物發(fā)酵積累的經(jīng)驗(yàn)，其生產(chǎn)的技術(shù)壁壘相對(duì)較低[5]。目前一些生物技術(shù)公司（如Solazyme、Roquette Frères）可以成功地異養(yǎng)生產(chǎn)多種商業(yè)用途的微藻。混養(yǎng)是通過補(bǔ)充無機(jī)碳源和有機(jī)碳源，將光自養(yǎng)和異養(yǎng)結(jié)合起來的培養(yǎng)模式。有研究表明，微藻在混合營養(yǎng)模式下培養(yǎng)的生物量比單純的采用光自養(yǎng)或異養(yǎng)方式養(yǎng)殖更高[17]。在混養(yǎng)條件下，微藻有氧呼吸產(chǎn)生的二氧化碳可能會(huì)在細(xì)胞內(nèi)直接被光合作用所利用，提高了其生長效率[18]?；祓B(yǎng)條件下微藻的代謝過程非常復(fù)雜，在混養(yǎng)培植過程中，隨著微藻細(xì)胞密度的逐步升高，光能在細(xì)胞間會(huì)被逐漸稀釋，微藻的光自養(yǎng)水平會(huì)逐漸降低。對(duì)混養(yǎng)模式而言，維持微藻光合作用和呼吸作用之間的平衡是一個(gè)艱難的挑戰(zhàn)。

微藻培植的另一個(gè)特點(diǎn)是通過調(diào)整培養(yǎng)條件刺激特定代謝產(chǎn)物（如蛋白質(zhì)、碳水化合物或脂質(zhì)）的積累。微藻中的蛋白質(zhì)等成分的含量可以根據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，這為微藻在食品中的應(yīng)用提供了更大的靈活性。微藻中的蛋白質(zhì)產(chǎn)量與培養(yǎng)基中的氮源（如硝酸鹽、銨鹽、尿素和蛋白胨）的含量、種類與利用程度密切相關(guān)。據(jù)Guccione等[19]報(bào)道，小球藻（Chlorella sp.）的蛋白質(zhì)含量在富含氮源的培養(yǎng)條件下比缺氮培養(yǎng)高1 倍左右。此外，培養(yǎng)條件（如pH 值、溫度）以及磷元素的含量也是影響微藻中蛋白質(zhì)累積程度的重要因素[20]。針對(duì)不同的微藻制定合適的培養(yǎng)方案以累積特定的營養(yǎng)素，一直是微藻研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

3 微藻蛋白及其分離方法

微藻中的蛋白主要是以酶類蛋白為主，分布于微藻細(xì)胞的各個(gè)部分，即細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞器和細(xì)胞核中[21]。文獻(xiàn)中報(bào)道的關(guān)于微藻中蛋白質(zhì)含量的數(shù)據(jù)，大多數(shù)是基于對(duì)粗蛋白估計(jì)，是通過微藻生物質(zhì)水解后的總氮含量估算得到的。除蛋白質(zhì)外，微藻的其它成分，如核酸、葡糖酰胺和細(xì)胞壁也含有氮，這會(huì)導(dǎo)致高估真實(shí)的蛋白質(zhì)含量。例如，斜生柵藻、螺旋藻和杜氏藻中的非蛋白氮含量大約分別為12%，11.5%和6%[8]。據(jù)報(bào)道，利用凱氏定氮法與杜馬斯燃燒法測定微藻蛋白含量的蛋白質(zhì)系數(shù)分別為5.95 和4.44[22]。

有些微藻具有較厚的細(xì)胞壁，為了充分釋放微藻細(xì)胞中的蛋白，提高蛋白的提取效率，通常需對(duì)微藻進(jìn)行破壁和細(xì)胞粉碎處理。目前，常用的細(xì)胞粉碎方法有機(jī)械處理與非機(jī)械處理，機(jī)械處理包括研磨、高壓、均質(zhì)、超聲處理等手段，非機(jī)械處理包括物理手段（如負(fù)壓、凍融、微波處理等）、化學(xué)手段（如裂解液、酸堿處理等）與酶處理。近期Amorim 等[23]綜述了微藻細(xì)胞的破碎方法及其蛋白的分離鑒定方法，微藻蛋白分離一般包括細(xì)胞破碎、蛋白溶解、分離、濃縮、絮凝、純化等程序。Safi等[24]對(duì)比評(píng)估了凍融、高壓均質(zhì)、超聲、手工研磨和化學(xué)處理等各種預(yù)處理手段對(duì)微藻蛋白質(zhì)提取的影響。他們采用不同的預(yù)處理對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的微藻懸濁液（分別為紫球藻、鈍頂節(jié)螺旋體、普通小球藻、擬球藻和雨生紅球藻）進(jìn)行破壁處理，然后用2 mol/L、NaOH 將pH 值提高到12，分析上清液中的氨基酸組成、總氮及總蛋白含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)械處理能夠更有效地破壞微藻的細(xì)胞壁和蛋白質(zhì)聚集，使微藻蛋白更有效地溶出；而高壓均質(zhì)是所有評(píng)估方法中提取微藻蛋白的最有效方式，高壓均質(zhì)釋放了微藻細(xì)胞壁中近一半的蛋白質(zhì)。不同的細(xì)胞破壁技術(shù)對(duì)微藻蛋白及其它活性成分可能存在不同程度的破壞作用，分離具有特殊功能活性的微藻蛋白或組分，可能對(duì)處理技術(shù)有特殊的要求。近年來，隨著科技的進(jìn)步以及微藻研究領(lǐng)域的發(fā)展，微藻破壁與蛋白分離的技術(shù)也在不斷革新，超臨界提取、離子滲透壓震擾、離子液、高壓脈沖電場等也被用于微藻破壁處理以及輔助微藻蛋白及其它成分的提取[25-27]。針對(duì)不同的藻種特性，結(jié)合幾種不同的處理技術(shù)，選擇合適的萃取劑及蛋白沉降方式是提高蛋白分離效率的關(guān)鍵。

4 微藻蛋白的物化特性

蛋白質(zhì)的溶解性、凝膠性、乳化性、發(fā)泡性等物理化學(xué)性質(zhì)不僅在食品生產(chǎn)加工中至關(guān)重要，還會(huì)影響產(chǎn)品的儲(chǔ)藏和消費(fèi)。通常情況下，蛋白質(zhì)溶解度與其凝膠化、乳化和起泡性呈正相關(guān)[28]。蛋白質(zhì)凝膠化是食品生產(chǎn)中常用的一種性質(zhì)，它能將各類食品成分結(jié)合在一起，不僅形成固態(tài)凝結(jié)，還能起到增稠的作用。蛋白的乳化性能是蛋白質(zhì)食品加工中另一重要的功能性質(zhì)，通常以蛋白的乳化力（Emulsifying Capacity） 和乳化穩(wěn)定性（Emulsion Stability）為衡量指標(biāo)。而發(fā)泡性是氣體分散在液體或固體材料中的結(jié)果，對(duì)食品質(zhì)地、感官能夠產(chǎn)生重大影響。

2019年，Grossmann 等[29]綜述了有關(guān)微藻蛋白的研究，總結(jié)出微藻蛋白的乳化、起泡性等物化性質(zhì)與乳清蛋白和大豆蛋白相當(dāng)。微藻蛋白比許多其它來源的蛋白質(zhì)具有更好的溶解性。例如，大豆中主要的貯藏蛋白——豆球蛋白在pH 4.5～6.0時(shí)的溶解度低于20%，而小球藻（Chlorella protothecoides） 的蛋白提取物在pH 2～12 范圍的溶解度高于84.3%[30-31]。研究表明，在不同條件下，鈍頂螺旋藻、扁藻（Tetraselmis suecica） 和小球藻（Chlorella sorokiniana） 的蛋白提取物都能夠成功凝膠化[28]。先前，Ursu 等[32]報(bào)道了從普通小球藻中獲得的蛋白質(zhì)的乳化力為（3 740±20）mL油/g蛋白質(zhì)，乳化穩(wěn)定性為（72±1）%，這比一些商業(yè)乳化蛋白質(zhì)，如酪蛋白酸鈉（3 250 mL油/g蛋白質(zhì)±40 mL油/g蛋白質(zhì)，62%±1%）和大豆分離蛋白（1 780油/g蛋白質(zhì)±30 mL油/g蛋白質(zhì)，61%±1%）更高。近期，B?cker 等[33]使用界面剪切流變技術(shù)評(píng)估鈍頂螺旋藻的蛋白提取物的乳化潛力。研究發(fā)現(xiàn)，螺旋藻的粗蛋白和水溶性蛋白提取物均可以有效乳化，而純化后的螺旋藻蛋白質(zhì)可在油-水界面產(chǎn)生更小的乳化液滴和更強(qiáng)的黏彈性網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)泡性能方面，微藻的蛋白質(zhì)提取物可以產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫，而不同微藻種類之間的蛋白起泡性差異很大。例如，Schwenzfeier等[34]觀測到在pH 5～7 的條件下，來自扁藻（Tetraselmis sp.） 的可溶性蛋白比乳清蛋白制備的樣品具有更好的泡沫穩(wěn)定性。鈍頂螺旋藻蛋白在pH=10 時(shí)的泡沫容量較高（＞250%），而其泡沫穩(wěn)定性非常低[35]。蛋白核小球藻的蛋白質(zhì)表現(xiàn)出較高的泡沫穩(wěn)定性（180 min 后為97%），而其泡沫容量（95%）遠(yuǎn)低于大豆蛋白質(zhì)（235%）[36]。目前，與傳統(tǒng)類作物蛋白相比，微藻蛋白的研究信息相對(duì)較少，關(guān)于微藻蛋白的物化加工特性的研究報(bào)道也比較零散。由于微藻及其蛋白種類的多樣性，微藻蛋白理化性質(zhì)也是豐富多樣的，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整其配方與配比，能夠滿足其在食品生產(chǎn)加工中的廣泛應(yīng)用，微藻蛋白在未來食品工業(yè)中的應(yīng)用具有極大的開發(fā)潛力。

5 微藻蛋白的營養(yǎng)特性

蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價(jià)值基本上取決于其氨基酸的含量比例和生物利用度。其中必需氨基酸含量是鑒定蛋白質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)。表3列出幾種微藻的必需氨基酸含量，并與一些常規(guī)食品和世衛(wèi)/糧農(nóng)組織（WHO/FAO）推薦的8 種必需氨基酸模式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。除雞蛋與酪蛋白外，由于幾乎所有食品都存在一種或幾種必需氨基酸含量不足的情況，因此在飲食或產(chǎn)品配方開發(fā)上通常需要幾類食物的平衡搭配。同許多常規(guī)的食品相比，微藻類的氨基酸含量以WHO/FAO 的參考標(biāo)準(zhǔn)相比是更合理的。普通小球藻中有7 種必需氨基酸的豐富度高于WHO/FAO 的參考值，僅甲硫氨酸和半胱氨酸含量略低。以WHO/FAO 的標(biāo)準(zhǔn)來看，小球藻和鈍頂節(jié)螺旋體的必需氨基酸指數(shù)（EAAI）高于小麥、玉米等作物蛋白，與肉類及大豆相當(dāng)[23，37]。此外，因不同微藻的必需氨基酸含量差異很大，故平衡多種微藻的營養(yǎng)價(jià)值也是一個(gè)值得探索的研究領(lǐng)域。

表3 幾種微藻的必需氨基酸含量（g/100 g 蛋白）同常規(guī)食品與WHO/FAO 推薦標(biāo)準(zhǔn)比較[5，23]Table 3 Essential amino acid（EAA） profile of different microalgae and conventional protein sources as compared with the WHO/FAO（1973） reference pattern（g/100 g of protein）

另外，植物源蛋白通常含有消化酶抑制劑、凝集素等抗?fàn)I養(yǎng)因子，限制了人體對(duì)蛋白質(zhì)的吸收。通常會(huì)用生物利用度作為一種營養(yǎng)指標(biāo)來反映蛋白質(zhì)的質(zhì)量，評(píng)估人體對(duì)蛋白質(zhì)的消化率和吸收率。據(jù)報(bào)道，小球藻和螺旋藻蛋白的生物值（BV）約為51～82，生物利用度（以蛋白質(zhì)效率PER、凈利用率NPU 及消化系數(shù)DC 反映） 約為酪蛋白的80%，總體低于雞蛋、肉類等動(dòng)物蛋白，而與大豆蛋白相當(dāng)，優(yōu)于小麥蛋白。整體而言，微藻仍是優(yōu)質(zhì)的蛋白來源。

6 微藻蛋白及相關(guān)成分的生物功能活性

微藻中的蛋白大多數(shù)是酶蛋白，此外，還有一些與蛋白相關(guān)的物質(zhì)成分，如蛋白復(fù)合物、多肽及多肽類復(fù)合物等，通常這些蛋白成分具有獨(dú)特的生物功能活性。有些活性蛋白對(duì)人體有益，具有預(yù)防或治療多種疾病的潛力，可作為細(xì)胞毒性和酶抑制劑，具有抗病毒、抗菌、抗腫瘤以及誘導(dǎo)生物調(diào)節(jié)（如免疫抑制和抗炎性疾?。┑茸饔谩＿@些微藻蛋白成分在食品加工、保鮮、保健品及特殊健康輔助食品等產(chǎn)業(yè)中具有重要的開發(fā)價(jià)值。

6.1 蛋白酶與蛋白酶抑制劑

人類許多疾?。ㄈ缧难芗膊　┌Y、炎癥或神經(jīng)退行性疾病等） 的病因是由自身體內(nèi)的蛋白酶活性異常所致。蛋白酶和蛋白酶的抑制劑都被用于許多藥物的研發(fā)與疾病的治療[38]。蛋白酶參與生物體的許多重要生理反應(yīng)，是一類蛋白水解酶和信號(hào)分子。蛋白酶是全球酶市場上的主要產(chǎn)品（＞60%），被廣泛應(yīng)用于食品加工、生物修復(fù)、洗滌劑生產(chǎn)和制藥等產(chǎn)業(yè)。而蛋白酶抑制劑一般是一類小分子多肽類物質(zhì)，具有蛋白酶底物的類似結(jié)構(gòu)，通過與蛋白酶結(jié)合來抑制其活性。微藻可產(chǎn)生多種蛋白酶抑制劑，其中有幾類微藻的代謝產(chǎn)物可以對(duì)哺乳動(dòng)物蛋白酶的活性起作用。例如：銅綠菌素（Aeruginosins）是一類直鏈四肽化合物，最初是從微囊藻中分離得到的，與絲氨酸蛋白酶具有很強(qiáng)的親和力。絲氨酸蛋白酶是參與血液凝固過程的酶，由其活性紊亂導(dǎo)致的血栓栓塞性疾病是最常見的死亡原因之一。以銅綠菌素為基礎(chǔ)合成的化合物可用于治療和預(yù)防血栓形成[39-40]。由泡沫節(jié)球藻（Nodularia spumigena） 和魚腥藻（Anabaena compacta） 產(chǎn)生的一類直鏈四肽化合物Spumigins，對(duì)胰蛋白酶樣絲氨酸蛋白酶具有很強(qiáng)的抑制能力[41-42]。此外，微藻內(nèi)合成的絲氨酸蛋白酶抑制劑大多數(shù)是環(huán)縮肽類化合物，此類化合物對(duì)胰蛋白酶、糜蛋白酶、凝血酶、彈性蛋白酶和纖溶酶等具有抑制作用[43]。從微藻中分離出的微虹膜蛋白（Microviridins）是很強(qiáng)的彈性蛋白酶抑制劑，對(duì)治療和預(yù)防肺氣腫有一定效果[44]。另外，某些微藻源的脂肽（Lipopeptides） 和微肽素（Microginins）能夠抑制各種外肽酶，包括在低微摩爾水平上抑制血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE-I）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）[45-46]，可用于治療和預(yù)防心血管疾病的新藥與保健食品研制。

6.2 抗菌活性

目前細(xì)菌對(duì)抗生素的耐藥性在不斷增加，全球范圍內(nèi)迫切需要新的抗菌藥物。關(guān)于海洋浮游植物抗菌特性的首次報(bào)道，可以追溯到1959年Sieburth[47]報(bào)道的以球形藻（Phaeocytsis sp.）為主的水樣抑制細(xì)菌生長的研究。從此，從海洋藍(lán)藻、硅藻、綠藻、甲藻、裸藻等微藻中提取的各類粗提物、細(xì)胞裂解物、脂肪酸、萜類、酚類、甾醇、肽、生物堿和色素等被證實(shí)具有抑菌和殺菌活性[48]。以微藻為平臺(tái)，表達(dá)生產(chǎn)的抗菌肽及內(nèi)溶素（endolysins） 對(duì)許多種革蘭氏陰性菌具有抑制作用。例如，Stoffels[49]采用萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）和聚囊藻（Synechocystis sp.）為生物反應(yīng)器，表達(dá)生產(chǎn)了具有人類病原體肺炎鏈球菌和金黃色葡萄球菌特異性的內(nèi)溶素。由于對(duì)抗菌肽和內(nèi)溶素產(chǎn)生耐藥性的情況很少見，因此內(nèi)溶素有望作為新型抗生素應(yīng)用于食品及藥品中。從微藻中獲得新的抗菌化合物是被公認(rèn)的新藍(lán)海。

6.3 抗氧化、抗炎與抗癌活性

微藻等微生物細(xì)胞缺乏外部防御機(jī)制，其自身會(huì)采取化學(xué)防御策略，通過產(chǎn)生一些次級(jí)代謝產(chǎn)物來應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力的變化。某些次級(jí)代謝產(chǎn)生的化合物的功能活性可能就是為了增加其細(xì)胞生存機(jī)會(huì)或使其在特殊條件下保持一定的生長速度[48]。細(xì)胞癌變?cè)谝欢ǔ潭壬媳灰暈槭菍?duì)環(huán)境壓力的反應(yīng)，因此微藻中參與防御機(jī)制的生物活性化合物引起許多研究者的興趣。目前，微藻中許多化合物（包括蛋白類化合物）被證實(shí)具有抗氧化、抗炎以及抑制癌細(xì)胞生長、轉(zhuǎn)移的能力。據(jù)報(bào)道，藻藍(lán)蛋白能夠清理超氧化物和氫過氧化物等自由基，在抗氧化應(yīng)激、抗疲勞或抗失眠中具有很好的作用。此外，藻藍(lán)蛋白還可以提高淋巴細(xì)胞活性，能夠調(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)，提高人體對(duì)疾病的抵抗力[50]。Baudelet 等[51]研究發(fā)現(xiàn)從藍(lán)藻中分離的C-藻藍(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白的8 個(gè)組分中，有兩種組分能抑制90%以上的黑色素瘤細(xì)胞生長，其中一種組分能有效抑制惡性黑色素瘤、乳腺癌和肺腺癌3 種癌細(xì)胞生長。這類微藻特有的捕光色素蛋白既可以作為天然色素用于食品等工業(yè)，也可制成熒光試劑，用于臨床醫(yī)學(xué)診斷和免疫化學(xué)及生物工程等研究領(lǐng)域，在食品和醫(yī)療保健上具有很高的開發(fā)、利用價(jià)值。

7 微藻蛋白的食用安全性與過敏成分

食品原料的安全性是食品加工最重要的考量因素。在宣布一種新型食品，尤其是非常規(guī)的蛋白食品是安全可食用之前，必須經(jīng)過一系列詳細(xì)而嚴(yán)格的毒理學(xué)測試。目前，普遍認(rèn)為鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidesa）、普通小球藻（Chlorella vulgaris）、杜氏鹽藻（Dunaliella Salina）、裸藻（Euglena gracilis）、雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）、萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）、周氏扁藻（Tetraselmis chui）的干燥生物質(zhì)是通株可食的[1，6]。據(jù)目前可查信息，所有的動(dòng)物短期或長期喂養(yǎng)試驗(yàn)以及急性或慢性毒性研究，包括人體研究，均未發(fā)現(xiàn)食用這些藻類產(chǎn)生負(fù)面影響的證據(jù)。

隨著時(shí)間的推移，越來越多微藻種屬被發(fā)現(xiàn)，許多微藻具有作為食品配料的巨大潛力。微藻中常見的食品安全問題，如生物和化學(xué)污染，可以通過加強(qiáng)管控栽培環(huán)境來緩解、控制。更大潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)可能是一些微藻物種會(huì)產(chǎn)生毒素（如甲藻、硅藻和藍(lán)藻）[52]，因此，在應(yīng)用到食品之前，需要仔細(xì)研究其生物毒性。

對(duì)食品工業(yè)生產(chǎn)而言，過敏性是需要考慮的另一個(gè)重要因素。牛奶、花生、大豆和小麥?zhǔn)亲畛Ｒ姷囊恍┦澄镞^敏原，與之不同的是，微藻蛋白的過敏反應(yīng)具有物種特異性。據(jù)報(bào)道，有些人服用螺旋藻（A.platensis）片會(huì)產(chǎn)生過敏反應(yīng)，而對(duì)小球藻（C.protothecoides）源蛋白質(zhì)過敏的人群很少或沒有[53-54]。值得注意的是，大多數(shù)對(duì)螺旋藻片劑過敏的患者也容易對(duì)廣泛的過敏原產(chǎn)生過敏反應(yīng)。目前，關(guān)于微藻潛在致敏性的研究數(shù)據(jù)仍非常有限，根據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)來看，微藻蛋白不是強(qiáng)致敏原。

8 微藻蛋白在食品中應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿εc挑戰(zhàn)

自上世紀(jì)以來，因人口增長與糧食危機(jī)加劇，故人類在不斷尋找新的食物來源。微生物因蛋白含量高，生長繁殖快的特點(diǎn)而日益為人們所重視。作為單細(xì)胞蛋白（Single Cell Protein，SCP）的重要來源之一，微藻所含的核黃素、吡多醇、葉酸、煙酸、肌醇和多種維生素等增加了其營養(yǎng)價(jià)值，而且同其它SCP 來源（如細(xì)菌和酵母）相比，微藻核酸含量較低[7]。目前，微藻及其提取物主要以粉末、片劑、膠囊等形式被作為膳食補(bǔ)充劑應(yīng)用于保健食品領(lǐng)域。從螺旋藻等微藻中提取的藻藍(lán)蛋白在保健食品及醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。作為天然的食用色素，藻藍(lán)蛋白如今廣泛應(yīng)用于飲料等食品領(lǐng)域[55]。目前國內(nèi)已有生產(chǎn)藻藍(lán)色素的上游廠商。隨著藻藍(lán)蛋白穩(wěn)定性與加工技術(shù)的改善，以及原料成本的控制，藻藍(lán)蛋白的食品應(yīng)用市場有望進(jìn)一步擴(kuò)大。

近年來，微藻及其粗蛋白在傳統(tǒng)食物領(lǐng)域的應(yīng)用也顯示出良好的發(fā)展勢頭。目前，市場上有將螺旋藻和小球藻藻粉應(yīng)用于面包、面條、零食、調(diào)味品及飲料等領(lǐng)域，以改善其產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值、顏色和質(zhì)地的穩(wěn)定性[54-57]。例如，添加螺旋藻藻粉（其粗蛋白含量可達(dá)70%以上） 的烏冬面或意大利面等產(chǎn)品，具有較高的蛋白和維生素含量，其口感、韌性及色澤也更受消費(fèi)者喜愛。不過螺旋藻等微藻的色素問題，也給其蛋白在食品領(lǐng)域的應(yīng)用帶來一些限制。據(jù)報(bào)道，在混養(yǎng)和異養(yǎng)模式下培養(yǎng)的微藻葉綠素的積累較少[58]。最近的研究表明，異養(yǎng)小球藻等微藻蛋白提取物具有良好的感官特性，這是可將其廣泛應(yīng)用到食品的先決條件[59]。此外，通常植物蛋白的技術(shù)加工性比較差，如豌豆、土豆或大米蛋白，在低pH 值下蛋白質(zhì)分散性差、口感不好，阻礙了它們?cè)谂浞斤嬃现械氖褂茫⒃宓鞍自谳^寬的pH 值范圍內(nèi)具有高發(fā)泡、乳化和穩(wěn)定能力[30-31]，可以很好地彌補(bǔ)此類空白。

近期的研究表明，微藻及其蛋白在肉制品和植物肉領(lǐng)域中也具有很好的開發(fā)應(yīng)用潛力[60-61]。近年來，植物肉相關(guān)領(lǐng)域的研究受到越來越多的關(guān)注。植物肉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)于緩解因人口增長帶來的動(dòng)物蛋白短缺，減少環(huán)境污染等具有重要意義。同傳統(tǒng)肉類蛋白相比，植物基蛋白具有低脂肪、高纖維、無膽固醇等特點(diǎn)，更符合當(dāng)前人們對(duì)健康食品的要求。而傳統(tǒng)的作物蛋白的生產(chǎn)依賴于耕地，且同動(dòng)物蛋白的風(fēng)味、理化性質(zhì)差異較大，存在營養(yǎng)與生物利用率偏低、致敏率較高等問題，制約了植物肉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。微藻蛋白富含各類人體必需氨基酸，且生物利用率高、致敏性低，是良好的可持續(xù)性未來食品蛋白質(zhì)來源，其獨(dú)特的鮮味多肽與風(fēng)味物質(zhì)，在替代肉產(chǎn)品及海產(chǎn)品中具有巨大的開發(fā)潛力。

目前，微藻蛋白在食品中的應(yīng)用還處在探索與發(fā)展階段。在我國，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的微藻主要是螺旋藻與小球藻，螺旋藻約占整個(gè)微藻類市場的三分之二。這兩種藻的生產(chǎn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備與技術(shù)要求相對(duì)較低，其養(yǎng)殖方式主要以傳統(tǒng)的開放式的跑道池系統(tǒng)為主。該類系統(tǒng)易于構(gòu)建和操作，可擴(kuò)展性高，生產(chǎn)成本低，然而容易受到生物和化學(xué)污染。不過，螺旋藻是一種嗜堿性藍(lán)藻，培養(yǎng)基中的過高pH 值不適合大部分生物污染物的生長；而小球藻主要是依靠快速的生長速度戰(zhàn)勝潛在的污染物。現(xiàn)階段制約微藻蛋白在食品領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵主要還是技術(shù)與成本的問題。微藻的培植與傳統(tǒng)的作物種植方式有著很大的不同，現(xiàn)階段成熟而系統(tǒng)的作物種植與收割技術(shù)無法整套轉(zhuǎn)用于微藻的培植。較傳統(tǒng)的農(nóng)作物種植，微藻的生產(chǎn)成本偏高。

為了擴(kuò)大微藻產(chǎn)業(yè)規(guī)模，需要解決生物量生產(chǎn)的能效問題。目前，微藻的工業(yè)生產(chǎn)主要在開放式的跑道池或封閉的管道中進(jìn)行，污染的防治與低密度的生物量增加了微藻的生產(chǎn)與收獲成本。而微藻高密度異養(yǎng)發(fā)酵是解決目前產(chǎn)業(yè)難題的關(guān)鍵，其生產(chǎn)效率高于光合培養(yǎng)，不受天氣、土地和污染問題的限制。此外，微藻的破壁與蛋白回收效率較低，蛋白純化工藝復(fù)雜，普遍存在的腥味與色素問題也是限制微藻蛋白在食品領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。工業(yè)上為降低成本達(dá)到效益最大化，可以采用原料分流提取，以充分回收利用微藻的不同生物組分。例如，提取完藻油剩余的組分可用來提取微藻蛋白與多糖，最后剩余的殘?jiān)部梢杂米黠暳?、堆肥等原料。開展綠色、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的微藻培植與蛋白等組分分離技術(shù)的研究，仍是當(dāng)下微藻研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

9 結(jié)語

微藻作為新資源食品具有豐富的蛋白質(zhì)、藻多糖、脂質(zhì)和類胡蘿卜素等活性物質(zhì)。通常而言，微藻的蛋白質(zhì)含量比傳統(tǒng)的農(nóng)作物都高，而且微藻蛋白的氨基酸組成齊全，含有人體必需的8 種氨基酸，消化利用率相對(duì)較高。微藻及其蛋白質(zhì)種類豐富多樣，是潛力巨大的生物與未來食品資源寶庫。微藻蛋白良好的物化加工特性，可以滿足在未來食品加工生產(chǎn)中的多種應(yīng)用。某些微藻蛋白類物質(zhì)還具有特定的生物活性，如抗菌、抗癌活性，在功能食品及醫(yī)療保健品中具有巨大的開發(fā)價(jià)值。然而，目前國內(nèi)外對(duì)微藻蛋白的生產(chǎn)與開發(fā)利用的研究仍十分有限，微藻在大規(guī)模生產(chǎn)與高品質(zhì)蛋白分離技術(shù)方面還有著很大的進(jìn)步空間。微藻粗蛋白在未來食品中的應(yīng)用出口，有待進(jìn)一步擴(kuò)大。隨著更多自動(dòng)化、環(huán)保、高效、低能耗的技術(shù)應(yīng)用，微藻蛋白正在逐步走向普通食品市場，走向老百姓的餐桌。