紫菜的营养成分、功能活性及综合利用研究进展

杨贤庆，黄海潮，潘创，王锦旭,3，赵永强，戚勃

1(中国水产科学研究院南海水产研究所，国家水产品加工技术研发中心，农业农村部水产品加工重点实验室，广东 广州，510300)2(上海海洋大学 食品学院，上海，201306) 3(韩山师范学院 食品工程与生物科技学院，广东 潮州，521041)

紫菜(Porphyra)是一类重要的大型经济海藻，藻体呈紫红、紫褐或褐绿色，广泛分布于寒带到亚热带的浅海潮间带。其主要分为红藻门红毛菜科下的赤菜属和紫菜属，前者包括条斑紫菜、坛紫菜，后者包括甘紫菜、圆紫菜等[1]。现今主要研究对象为条斑紫菜(P.yezoensis)和坛紫菜(P.haitanensis)。条斑紫菜(P.yezoensis)为北太平洋西部特有种类，是我国长江以北以及日本、韩国的主要养殖品种[2]。坛紫菜(P.haitanensis)则是我国特有的暖温带种类，产于浙江、福建和广东等长江以南地区，年产量约占全国紫菜产量的70%以上[3]。据统计，2017年我国紫菜产量约17.33万t，较2016年增长了32.01%[4]，高产的特点为其深加工利用及产业化发展提供了可能。

紫菜素有“营养宝库”之称，蛋白质、多糖含量高且富含人体所需的氨基酸、矿物质及维生素等。据《本草纲目》记载，紫菜具有减肥、降血压、抗癌等功效，长期食用有益于人身健康[3]。现代研究表明，因紫菜含有多糖、多肽、多酚类等生物活性物质，具有免疫调节、降血脂、抗凝血、抗衰老等多种生理功能[5]。因此，紫菜作为药食同源的食材之一，具有较好的研究与开发利用价值。本文从营养成分和功能活性两大方面较为全面地对紫菜研究与应用现状进行了总结和分析。

1 营养成分

1.1 蛋白质

紫菜是一种高蛋白海藻，通常含有25%～50%蛋白质(以干基计)，因产地、品种和生长期的不同其含量和变化趋势会有所差异[6-15](表1)。其中，藻胆蛋白约占干重的4%，藻红蛋白含量约达到2.43%[16]，这在紫菜降血糖、抗肿瘤、抗氧化、增强免疫等多种生物学功能中体现了重要作用。CHEN等[17]利用紫外可见光谱法证实了坛紫菜藻胆蛋白中含有藻红蛋白和藻蓝蛋白，并发现其可作脂质系统的潜在添加剂。藻胆蛋白还可作为光敏治疗药物的原料，可用于特殊分子定位，对肿瘤细胞有显著杀伤作用。

利用紫菜蛋白酶解液制备生物活性肽正成为热点研究内容。INDUMATHI等[18]通过Sephadex G-100、阴离子交换、Sephadex G-25色谱法和Sephadex G-10脱盐法4个步骤对蛋白酶水解产物分级纯化，得到分子质量为1.77 kDa的新型抗凝肽。白露[19]采用反复冻融与超声波破碎结合提取坛紫菜蛋白，并用木瓜蛋白酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶降解，经超滤、凝胶色谱层析分离纯化，筛选出较高抗肿瘤活性的多肽组分。

紫菜富含人体必须的9种氨基酸，与FAO/WHO必需氨基酸模式谱基本一致。陈美珍等[8]发现残次坛紫菜中必需氨基酸占氨基酸总量的33.99%，与非必需氨基酸的比值为52.84%。其中，丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等中酸性氨基酸较多，鲜味氨基酸和甜味氨基酸含量也较高，与紫菜的良好风味密切相关。紫菜牛磺酸含量约达到藻体干质量的1.2%，对促进婴儿大脑发育、抗氧化有良好功效。WANG等[20]采用超声辅助提取紫菜牛磺酸，最高提取率为13.0 mg/g，通过阳离子交换树脂和结晶相结合可有效实现分离纯化。GACESA等[21]研究还表明紫菜真菌孢子类氨基酸(mycosporine-like amino acids, MAAs)是一种可吸收紫外线的代谢物，不仅有防晒保护作用，还具有抗氧化和免疫调节功能。总体上，紫菜的蛋白质(藻胆蛋白)、酶解多肽和氨基酸都是重要的营养功能成分，在开发海洋药物及保健品方面具有较好的前景。

1.2 脂肪

紫菜脂肪含量非常低，但伴随着生长期的延长有明显增加趋势，同时不同品种脂肪含量有一定差异(表1)。陈伟洲等[9]发现，养殖的皱紫菜的脂肪较坛紫菜等其他紫菜含量高且质量更佳。紫菜脂肪酸组成中，多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)含量最多，单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acid, MUFA)含量最低。饱和脂肪酸(saturated fatty acid, SFA)以C16∶0为主，MUFA和PUFA分别以C18∶1(n-9)和C20∶5(n-3)居多[22]。李微等[2]用GC-MS联用技术定性定量分析了不同海域、不同品系及不同生长期坛紫菜脂肪酸，结果表明部分脂肪酸组成及含量可为坛紫菜品质分析提供依据。此外，不同高温胁迫下坛紫菜脂肪酸会有所不同，筛选耐高温品系具有一定重要性。紫菜脂肪酸中主要成分为二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)，可防止动脉硬化的EPA分别约占条斑紫菜和坛紫菜脂肪酸总量的76%和24%[22]。曲兴源[23]通过超声波辅助提取紫菜脂肪酸,经尿素包合法从渤海紫菜中富集纯化并制得EPA和DHA含量分别为45.27%和46.19%的EPA-DHA油，通过测定碘价、过氧化值、酸价等指标研究了不同烹调条件下的加热稳定性，为日后利用紫菜生产EPA-DHA油和发挥其营养保健功能奠定基础。

1.3 碳水化合物

碳水化合物主要由糖(单糖、双糖、糖醇)、寡糖和多糖3类组成[24]。紫菜碳水化合物占干重的20%～45%，其中含有大量的膳食纤维及其他大分子多糖(表1)。近些年来，国内外紫菜碳水化合物的研究主要集中在多糖的提取、分离纯化、理化性质及功能活性评价方面，尤其功能活性和相关产品研发备受关注[8]。紫菜多糖为半乳聚糖硫酸酯，主要由琼胶糖“β-(1→3)-D-半乳糖与α-(1→4)-3,6-内醚-L-半乳糖琼二糖”重复单元及紫菜胶“β-(1→3)-D-半乳糖α-(1→4)-6-OSO3-L-半乳糖”连接的二糖重复单元组成[5]。邱伟芬等[25]采用木瓜蛋白酶法提取条斑紫菜多糖，利用DEAE-52和Sephadex G-100凝胶柱层析进行分离纯化，并对所得组分进行了纯度、糖基组成、分子质量、单糖组成等特征分析，运用小鼠单核巨噬细胞RAW 264.7模型验证了各组分具有显著免疫调节活性。由于多糖黏度大、扩散困难，限制了其在食品、生物、医药等领域的应用，对其进行降解是提高利用率的重要方式。近年化学降解、酶解、物理降解等方法常用于多糖降解研究中，通过降低分子量来增强活性功能。BHADJA等[26]利用H2O2降解条斑紫菜多糖等6种海藻多糖，发现低分子量降解多糖对受损的HK-2细胞的修复活性优于未降解多糖。GONG等[5]采用H2O2-Vc法降解制备的坛紫菜寡糖，其抗氧化活性明显增强，用Sephadex G-100凝胶色谱法纯化活性最强的组分，并经IR和1D/2D NMR鉴定其结构为“→3)β-D-半乳糖(1→4)3,6-内醚-α-L-半乳糖(1→”和“→3)β-D-半乳糖(1→4)-α-L-半乳糖-6-S(1→”重复单元，并伴有其它基团连接，该实验为紫菜多糖构效关系分析提供了重要参考。

表1 紫菜基本营养成分含量 单位：g/100 g(以干基计)

注：“/”表示文献中未给出；同列不同上标字母表示组间差异显著(P<0.05)

膳食纤维是紫菜多糖的主要成分，水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber, SDF)占很大比例。超声波辅助提取是坛紫菜SDF最适提取方法[27]，中性蛋白酶为不溶性膳食纤维的最适酶解剂，超声辅助ClO2漂白方式可提高IDF的持水力、持油力和膨胀力。紫菜膳食纤维还可以有效清除重金属，对维持身体健康有重要作用。

碱处理可使紫菜胶转变成琼胶糖。程新梅等[28]实验发现，碱浸温度60～70 ℃、碱质量分数30%时，琼胶的产量、强度均较高。现今紫菜琼胶的大量制备已在工业上有所应用[29]，但对其分离纯化、生物活性方面有待进一步研究。

1.4 维生素和矿物质

紫菜维生素种类齐全，含量丰富，是良好的维生素原料。其中，VA含量高于牛肉、鸡蛋，VB1含量是橘子的2～3倍，VB2含量约为香菇的9倍，VC含量和番茄大致相等[3]，烟酸、胆碱等含量也很高，不同紫菜之间的数值会有所差异。张全斌等[22]测得坛紫菜Vc和β-胡萝卜素分别占干重的12.10%和1.87%，Vc含量高于螺旋藻。紫菜富含陆生植物中几乎不存在的天然VB12，具有活跃脑神经，预防衰老和记忆力减退，改善忧郁之功效，每100 g条斑紫菜含(51.49±1.51) μg VB12，其对VB12缺乏大鼠有重要生物价值[30]。

紫菜中矿物质极为丰富，其灰分占6.4%～20.9%(表1)，这与它自身可吸收和积蓄海水中无机质有很大相关性。其中，Ca、K、Na及P的含量最高，Mn、Zn、I等微量元素次之。每100 g干紫菜大约含Fe 33.2 mg、Ca 343 mg、P 457 mg[6]，尤其是Na/K小于1.2，有助于降低高血压发病。金属离子如Cu、Pb、Cd、Cr的含量均低于食品卫生标准[22]，符合食品安全要求。此外，紫菜的矿物质还具有一定生理活性，可有效平衡体内矿质元素水平。

1.5 天然色素

紫菜所含天然色素包括叶绿素、叶黄素、胡萝卜素、藻胆蛋白等，是评价紫菜品质的重要指标，有助于筛选优质品种[16]。谢程亮等[31]分析了福建省坛紫菜光合色素中叶绿素a、类胡萝卜素、藻红和藻蓝蛋白的含量分别为601～646、120～130、1 289～1 802、1 255～1 743 mg/100 g。李小平等[32]以U87细胞增殖活性为指征，通过MTT实验确定对神经胶质瘤细胞具有潜在抑制活性的组分为其石油醚萃取相和乙酸乙酯萃取相。采用硅胶柱层析和Sephadex LH-20柱层析，获得对U87细胞增殖具有显著抑制活性的单一组分F9，经MS、1H-NMR、13C-NMR、图谱鉴定其为叶黄素。因此，从紫菜色素中获取活性组分是紫菜功能活性物质开发的一条重要途径。

1.6 多酚类

1.7 其他

蒽醌类、固醇类、萜类等小分子活性成分是植物化学中常见的研究对象，这些成分通常具有抗炎症、抗氧化、抗癌、抗菌等功效[37]。紫菜中这些成分含量较少，其研究起步较晚。KAZLOWSKA等[38]用甲醇萃取紫菜再经连续溶剂区分萃取，经高效液相层析-蒸发光散射检测器分析其CH2Cl2萃取物指纹图谱，得主要固醇组成为β-谷固醇、菜油固醇和胆固醇。冯强等[39]利用硅胶色谱、Sephadex LH-20凝胶色谱、HPLC等技术，首次从坛紫菜醇提物中分离纯化出1,8-二羟基-9,10-蒽醌、(E)-N-2(1,3-二羟基-4-十八烯基)-十六酰胺、邻苯二甲酸二异丁酯、胆甾醇、鲨肝醇等7个化合物。SUN等[40]采用硅胶柱层析和重复制备薄层色谱相结合法，首次从条斑紫菜中分离出5个半倍萜类化合物，结构分别为gossonorol、7,10-epoxy-ar-bisabol-11-ol、cyclonerodiol、cadinol和4-cadinen-1-ol，且该类化合物对有害赤潮微藻具有较好抑制作用。但是，这些活性物质的含量目前尚不明确，对紫菜小分子成分提取及纯化、定性与定量检测、功能活性评价仍需探索。

2 功能活性

2.1 抗肿瘤活性

紫菜在抗肿瘤活性方面的机制主要体现在直接通过清除自由基和单线氧、抑制癌细胞的生长和间接通过提高细胞的吞噬能力、增强细胞的免疫活性以抑制癌细胞生长2个方面[41]。发挥抗肿瘤作用的主要成分除紫菜多糖外，还有多肽、藻胆蛋白、固醇和多酚等物质[42-45]。ZHANG等[42]MTT增殖实验显示，多糖PY-D2对HO-8910、MCF-7、K562、SMMC-7721四株肿瘤细胞生长存在明显抑制，藻蓝蛋白处理Hep-2和A375两株癌细胞的最低存活率分别为29.8%和16.2%。流式细胞术分析显示，PY-D2的抗肿瘤作用与G0/G1或G2/M检查点的细胞周期阻滞有关。CHEN等[43]通过体外SGC-7901肿瘤细胞试验及体内SGC-7901荷瘤小鼠试验均验证了坛紫菜多糖具有较好抗肿瘤活性，为临床癌症的预防和治疗提供了可能。FAN等[44]以凝胶过滤色谱法从蛋白质水解物中分离出3个多肽组分，可有效抑制癌细胞周期和诱导癌细胞凋亡。KAZLOWSKA等[38]以体外、体内试验验证了紫菜固醇可有效防止试验动物生成4T1乳癌细胞。KIM等[45]也发现紫菜乙醇提取物PTE通过caspase激活和AIF核易位诱导YD-10B细胞凋亡，有明显抑癌作用。表明紫菜具有多种抗肿瘤因子，在治疗人类癌症方面可能是有用的。

2.2 免疫调节功能

生物活性成分免疫调节机制一般基于对炎症细胞因子(如前列腺素类、NO等)的影响，或影响核因子的结合活性以及调控细胞因子mRNA表达，还可以通过促进淋巴细胞增殖与分化、刺激巨噬细胞的吞噬功能、促进细胞因子和抗体的产生等途径来实现对机体免疫系统功能的调节[24]。值得关注的是，紫菜多糖是紫菜中主要的免疫调节物质，且由多种免疫促进和抑制组分组成，可参与免疫功能的正负双向调节[46-48]。田冰等[46]探讨出紫菜多糖在EV71乳鼠模型中，可诱导T细胞活化，促进IFN-α、IL-6、IL-1β等细胞因子的分泌，起到正面免疫功能。LIU等[47]通过RAW264.7巨噬细胞和BALB/c小鼠模型，得出紫菜多糖可增强RAW264.7巨噬细胞的吞噬作用，提高免疫活性。SHI等[48]体外、体内实验表明紫菜多糖可通过平衡Th1/Th2免疫反应，对原肌凝蛋白TM诱导的过敏反应起负向免疫抑制作用。因而，紫菜多糖可作为免疫调节的食品或药物成分，可利用其开发具有正负双向免疫调节作用的功能性产品。

2.3 抗氧化和抗衰老

2.4 对心血管系统的影响

紫菜对心血管系统的影响主要体现在抗凝血、降血糖、降血压、降血脂等作用。其中，紫菜多糖及蛋白是发挥这些作用的主要成分[51]。QIAN等[52]用条斑紫菜多糖(PPS)治疗雄性Sprague Dawley大鼠，结果表明，PPS可作为高脂血症的潜在治疗药物。CAO等[53]研究结果显示，末水坛紫菜多糖(APHP)通过刺激β细胞促进受损的胰岛细胞再生增殖，取得较好降糖效果，APHP对提高抗氧化活性和降血脂水平也有一定促进作用。AZEEMULLAH等[54]从紫菜中分离出具有抗凝血作用的16分子多肽VITPOR AI，其抑制凝血因子FXIIa的 IC50为70.24 μmol/L。采用肽-蛋白对接软件进行分子对接，结果显示肽段与FXIIa的Pro96、Tyr99、Glu146、Gly193和Ser195通过氢键相互作用，MD模拟和MM/PBSA分析表明该肽与FXIIa结合稳定。紫菜中的多种活性因子对预防和治疗心血管疾病可能有积极的促进作用，可开发相关药品及功能性食品。

2.5 对肠道功能的影响

紫菜中含量丰富的膳食纤维可有效增加肠道蠕动，将有害物质及时排泄体外，维持系统肠道功能。ZHANG等[55]应用illumina PE250测序技术发现紫菜多糖及糖苷有助于小鼠肠道菌群的形成，其粪便微生物群落结构产生显著变化。陈海敏等[56]连续喂食小鼠30 d后，发现紫菜组小鼠粪便持水量、排便粒数等显著增加，且首黑便时间缩短，大肠杆菌和醇类、酚类等挥发性臭气化合物随紫菜添加量的增加而下降。从而表明，紫菜粉中的膳食纤维可发挥改善肠道功能、减少粪便臭味的作用。JOKE等[57]综述了海藻与细菌多样性和特异性的关系，表明紫菜可通过相关微生物水平基因转移来影响人类肠道菌群，进而改善肠道功能。由此可见，紫菜可在一定程度上增强肠道功能，是一种无毒高效的肠道调理剂。

2.6 其他

WANG等[58]从坛紫菜中提取的低分子量硫酸多糖吸湿和保湿能力比透明质酸更好。GACESA等[21]发现MAAs可保护皮肤免受紫外线照射引起的皮肤光老化，与防晒霜具有同等效果，为防晒护肤品的开发提供了实验依据。KIM等[59]的实验分别表明紫菜甲醇提取物有重要活性，可保护用UVA或UVB照射的HaCaT细胞，亦可抑制脂肪生成。顾晓慧等[60]的研究表明，条斑紫菜和坛紫菜对低剂量铅有明显促排作用，可有效抑制肝脏中重金属蓄积。SUN等[40]表明紫菜萜类化合物gossonorol和7,10-epoxy-ar-bisabol-11-ol作为一种特征性抗藻剂，对抑制特定的有害赤潮微藻(异型赤藻、红藻)具有潜在的应用前景。LIU等[61]从紫菜中分离出γ-藻蓝蛋白(RPC)，通过阻断Th2细胞极化，抑制抗原刺激肥大细胞中过敏介质的释放，降低了对原肌球蛋白TM的过敏敏感性，具有一定抗过敏作用。

3 综合利用

紫菜在作为优良菜肴的同时，可作为新型食品、海洋药物和功能性产品及化妆品的天然绿色来源，还有望成为环境保护、维护生态平衡、能源转化的重要海藻资源。

3.1 食品

(1)直接加工。紫菜采收后直接通过简单处理方式加工成食品或作为辅料。紫菜全藻均可食用，是食用较普遍的海洋风味食品，尤其中国、日本、韩国等，均是紫菜消费大国。其中，条斑紫菜大多开发为海苔类产品，坛紫菜主要以紫菜饼、即食紫菜、小包装汤料呈现[29]。此外，其常作为食品辅料制作饼干、麻花等，且凉拌紫菜、油炸紫菜、紫菜炒饭等广大消费者喜闻乐见的新式菜肴被开发出来，赋予了较好的口感。

(2)间接加工。在紫菜中提取有效成分精深加工成保健类食品，已不具藻类形态。近年来已开发出紫菜茶、紫菜糖、复合海苔等新兴食品，国内外也相继报道了紫菜酱、紫菜酱油、紫菜酸奶等创新产品的加工工艺[29]。王军[62]公开发明了一种紫菜虾酱，将紫菜和麻虾结合，更具风味和营养价值，且适宜消化吸收，还可预防、治疗各种疾病。NUNEZ[63]表明,由于脐形紫菜等具有独特的海藻气味和味道，适宜添加入含脐带菌、内酯乳杆菌或羽状乳杆菌的酸奶，使制得的紫菜酸奶能够帮助调理饮食均衡。

3.2 海洋药物及功能性产品

紫菜因其具有多种功能活性，在药物及功能性产品的研发等领域显示出重要的研发价值和较好的市场竞争力。一些紫菜药膳已可用来治疗慢性气管炎、甲状腺肿及糖尿病等症状[64]，因而结合实际需要将紫菜的生物活性充分利用起来开发海洋药物及保健品具有实验依据和发展前景。高效提取及利用紫菜活性单体及先导化合物开发药物及功能性产品，是目前充分挖掘紫菜价值亟待解决的问题。

3.3 护肤化妆品

鉴于紫菜多糖、藻胆蛋白、MAAs等具有抗衰老、美白、防晒等功效，因此在作为药用化妆品成分方面也有较大潜能，利用其开发护肤化妆品将大大提高紫菜的产品附加值。杨亚云[65]提取分离出条斑紫菜、坛紫菜等海藻的活性物质，将其开发成面膜、护肤霜等多种功效的化妆品，均具有较好的保湿、吸湿性能，开拓了紫菜应用领域。但现今藻类药妆领域工业化生产工艺、检测技术、功效评价体系建立等方面依旧存在欠缺，有待进一步完善。

3.4 其他

海藻作为第三代生物质能，正成为未来生物能源转化的热点目标。含高碳水化合物和蛋白质的紫菜适合制备生物燃气和乙醇[66]，在海藻资源能源转化应用上占据重要地位。并且紫菜可有效固定CO2，对降低温室效应、海水酸化问题和缓解极端气候压力有重要意义。此外，紫菜养殖是防止我国近海海域因氮、磷等元素超量诱发的大面积“赤潮”的有力措施，可有效改善海域富营养化程度[37]。

值得关注的是，由于紫菜早期营养品质较高、口感较好，可广泛作为食材，而后期的紫菜往往因放弃采收造成浪费。近年来的研究已重点关注于后期及末水紫菜的琼胶制备及活性物质提取与开发利用上[67]，保证了资源合理利用并兼顾了经济可行性。

4 展望

目前对紫菜营养成分、功能活性的研究已取得较大进展，但依旧存在不足和局限性。对紫菜的化学成分评价不够全面和透彻，主要集中在蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素等基本营养成分，多酚、黄酮、蒽醌、内酯等小分子活性成分尚未广泛定性。功能活性的研究也多限于藻胆蛋白、多肽和多糖领域，未充分研究多酚、黄酮及其他小分子活性物质的生理功能，其提取纯化、结构解析、生物活性研究鲜有报道，极大地限制了紫菜的相关应用，这将成为未来紫菜生物活性物质研究的重点方向之一。

此外，对紫菜功能活性的研究还不够深入。就碳水化合物而言，其活性研究集中在多糖层面，而对寡糖活性研究较少，并且有关于构效关系、量效关系的研究不够全面；就蛋白及多肽类研究而言，活性肽的纯化、结构剖析等研究还不够充分。此外，紫菜的活性功能作用机制有待深入研究。因此，今后的研究应重点关注紫菜小分子功能活性成分，并进一步加强对紫菜多糖、蛋白等大分子活性物质的生物活性探索，特别是分离纯化后单一组分功能性结构解析、构效关系及活性作用机制研究。同时也要考虑各活性单体之间的协同或拮抗作用，以及进一步进行安全性评价试验，为紫菜精深加工奠定基础。

现今紫菜创新食品研发越来越多，但总体上来说形式单一，附加值相对较低。利用其活性成分合成药物及研制保健品以及进行临床应用鲜有报道，活性物质的研究依旧停留在实验室阶段，应当重视临床试验及产业化生产方向。紫菜部分化合物已经在化妆品领域得到了应用，但尚处于研究阶段。因此，研究人员需要利用紫菜资源优势，采用新技术新手段加大紫菜创新食品研制，开发商业价值高的海洋药物和功能食品及化妆品，增加紫菜的经济附加值，以及密切关注紫菜资源在能源转化与环境保护上的机遇，对于进一步推动紫菜行业发展，带动整个海藻产业的健康可持续发展都具有非常重要的意义。