微藻及其在未来食品中的应用

刘美彤，齐 悦，何勇锦，王小斐

(1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程技术研究中心，农业部果蔬加工重点实验室，食品非热加工北京市重点实验室，北京 100083；2.中国农业大学(兴化)健康食品产业研究院，江苏 兴化 225700；3.福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350117；4.福建师范大学工业微生物教育部工程研究中心，福建 福州 350117)

近年来，由于新冠疫情、人口增长、环境恶化、战争冲突等问题的多重影响，全球面临食物资源紧缺更为严重．随着生活水平的提高以及对健康饮食的需求，人们更加注重膳食的可持续性．大食物观要求全方位多途径开发食物资源，实现各类营养物质供求平衡[1]，以满足人类对食物的多样化和功能化的需求.微藻因其富含蛋白质、多糖、脂肪、维生素等多种易被人体消化利用的营养元素，且具有抗氧化、免疫调节、抗癌等多种功能活性，是一类极具市场潜能的食品原料．本文从微藻的营养成分、生物活性、潜在营养价值等方面阐述微藻作为食品新资源的研究现状，综述其在谷物、果蔬、乳制品等食品中的发展潜力与趋势，为未来微藻食品的开发提供参考．

1 微藻的营养成分

微藻是一种可以将太阳能转化为生物质能的光合自养微生物，具有个体微小、生长速度快等特点，广泛生存于淡水和海水中[2]．微藻营养价值丰富，富含蛋白质、多糖、脂肪酸、维生素、矿物元素等多种营养成分(表1)．食用微藻的历史悠久，螺旋藻作为食物可以追溯到几千年前[3]．如今我国获得审批与微藻相关的食品原料共10类[4]，包括钝顶螺旋藻Spirulinaplatensis、极大螺旋藻Spirulinamaxima、盐藻Dunaliellasalina及提取物、雨生红球藻Haematococcuspluvialis、蛋白核小球藻Chlorellapyrenoidesa、裸藻Euglenagracilis、拟微球藻Nannochloropsisgaditana、球状念珠藻Nostocsphaeroides、莱茵衣藻Chlamydomonasrheinhardii、二十二碳六烯酸藻油等．

表1 微藻中的营养成分Tab.1 Composition of microalgae

1.1 多糖

微藻中的碳水化合物以纤维素、糖、淀粉和其他形式存在于细胞质和叶绿体内[11]，其中纤维素与多糖是微藻细胞壁的主要成分．微藻中碳水化合物的含量受到外界环境条件影响，如光照、温度、盐浓度、营养成分胁迫等因素．光照作为藻类光合作用的主要能量来源，影响藻类的生长和生物组成，因此可以通过调控光照强度来控制微藻的代谢途径并促进碳水化合物的积累[11]．研究发现，通过分离钝顶螺旋藻Spirulinaplatensis、杜氏盐藻Dunaliellasalina、蔷薇藻Rhodellareticulata等微藻可得到微藻多糖[12]．在蛋白核小球藻Chlorellapyrenoidesa和椭圆小球藻Chlorellaellipsoidea中可以提取到含有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、甘露糖、阿拉伯糖、N-乙酰葡糖酰胺和N-乙酰半乳糖胺的多糖复合物[13]．紫球藻Porphyridiaceae可以产生硫酸化半乳聚糖胞外多糖，作为卡拉胶的替代品[2]．墨西哥衣藻Chlamydomonasmexicana可以产生高达总干质量25%的胞外多糖[14]．

1.2 蛋白质

蛋白质是微藻干基物质中占比最高的营养成分．与其他的蛋白质来源(大豆38%、大米10%、牛奶4%、鸡蛋13%)相比，微藻蛋白质含量较高，可达40%[15]，因此微藻可以作为未来食品的替代蛋白．微藻蛋白的含量因不同物种和生长条件的变化存在显著差异．在适宜的培养条件下，蛋白核小球藻Chlorellapyrenoidesa的蛋白含量可达60%，螺旋藻Spirulina的蛋白含量可达60%～70%[16]．为了提高微藻蛋白的含量及质量，可以通过高通量测序筛选、诱变育种等方法获得理想蛋白质表型，同时选取适当的生产工艺、合适的培养条件提高蛋白质的表达[17]．蛋白质主要由氨基酸通过肽键连接形成，但部分氨基酸不能由人体合成，必须从饮食中获得，被称为必需氨基酸.微藻不仅蛋白质含量丰富，而且含有人体所需的必需氨基酸[8]．但大多数植物蛋白缺乏足够的必需氨基酸，如玉米缺乏色氨酸和赖氨酸、谷物缺乏赖氨酸、豆类缺乏蛋氨酸，因此对于素食主义者来说，微藻是一类理想的蛋白质来源．

1.3 油脂

微藻的总脂类含量占干物质的1%～70%．产油微藻Auxenochlorellaprotothecoides可以积累70%脂质干物质量[18]．甾醇是微藻生物膜的重要组成部分，具有细胞增殖和信号转导功能，可调节膜结合酶的活性[14]．ω-3和ω-6多不饱和脂肪酸(PUFAs)，对人类的健康至关重要．与传统鱼类PUFAs相比，微藻具有营养输入简单、生长速度快、污染物含量低、无腥味异味等优点[19]．拟球藻Nannochloropsisoculata和三角褐指藻Phaeodactylumtricornutum中EPA占总脂肪酸的39%，裂壶藻Schizochytriumlimacinum的DHA占总脂肪酸的30%～40%[20]．除ω-3 PUFAs外，微藻也提供其他有价值的必需脂肪酸，如γ-亚麻酸、亚油酸(LA)和花生四烯酸(ARA)[21]．小球藻Chlorellavulgaris的脂质含量占干质量的35%～40%，其中α-亚麻酸高达27%、亚油酸高达24%[22]；螺旋藻Spirulina常被称为γ-亚麻酸的廉价替代品．

1.4 色素及其他营养素

微藻含有丰富的色素，如类胡萝卜素、叶绿素和藻蓝素．紫球藻Porphyridiumspp.富含藻红蛋白，杜氏盐藻Dunaliellasalina可产生β-胡萝卜素、叶绿素a、叶绿素b，螺旋藻Spirulina富含β-胡萝卜素、藻蓝蛋白，雨生红球藻Haematococcuspluvialis可产生虾青素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b，栅藻Scenedesmus可产生叶黄素、β-胡萝卜素，拟穆氏藻Muriellopsisspp.可产生叶黄素[23]．此外，微藻是维生素的良好来源．螺旋藻Spirulina含有丰富的维生素B12，可达127～244 mg每克藻的干质量[24]．由于在生长过程中长期暴露于高氧和自由基压力，微藻自身具有抗活性氧(ROS)和自由基保护系统，因此微藻也是抗氧化性维生素的极好来源，含有大量维生素E，可用于生产天然抗氧化剂．微藻中还含有丰富的酚类化合物、矿物质等元素.微藻中的绿原酸和咖啡酸比其他酚酸具有更高的活性．另外，微藻中钾、磷、钙、镁、锌和锰等矿物质含量超过牛奶中同类元素的含量．

2 微藻的功能特性

2.1 微藻源食品的生物可及性

微藻中营养物质被人体吸收利用的程度，主要取决于微藻的生物可及性，与消化率和生物利用度有关(表2)[25-26]．微藻细胞壁主要由碳水化合物构成，包括纤维素、果胶、糖蛋白等成分，对消化酶有一定的抗性[27-28]．小球藻和螺旋藻纤维素含量较低，为5.6%和8.5%，消化率较高[29]．100 g紫球藻的有效碳水化合物含量高(22.8～39.3 g)，纤维素含量低(0.13～0.61 g)，由于胞外多糖取代了细胞壁的功能，生物可利用度较高[29]．墨角藻糖类提取物中的多酚和褐藻多酚(PHTs)可抑制消化酶，降低淀粉摄入，调节血糖[30]．微藻蛋白的生物可及性，主要与微藻种类有关．钝顶螺旋藻、小球藻的蛋白质消化率分别为81%、76%[31]．三角褐指藻蛋白质被酶解后仅35%粗蛋白可被吸收，是由于其含有的硅酸盐和神经酰胺组成的刚性细胞壁阻碍了吸收[32]．微藻油脂的生物可及性与油脂含量、细胞结构、脂肪酶、pH等因素有关.由于脂肪酶的脂解程度低，冷冻的等鞭金藻油脂的可及性仅有7%～15%[33]．螺旋墨角藻中多糖含量较高，导致脂质、脂肪酸、二十碳五烯酸的生物可及性分别为7.5%、13.0%、13.0%，而拟球藻脂肪酸生物可及性为34%[34-35]．微藻细胞中的油脂主要以磷脂和糖脂的形式存在于细胞膜中，在消化过程中由于细胞壁纤维含量高，人的胃肠道不能产生相应的酶来分解细胞壁，从而导致脂质的生物可及性较低，因此在脂质提取前，通过机械破坏和酶解等方法处理细胞壁可以增加脂质和脂肪酸的生物可及性[36]．

微藻叶绿素的生物可及性与其预处理方式有关．斜生栅藻通过纯叶绿素提取物、超声波加湿微藻、干燥微藻3种不同处理方式处理后，发现叶绿素提取物比湿藻和干藻的生物可及性更高[37]．没有经过超声波处理的小球藻类胡萝卜素生物可及性极低，而莱茵衣藻类胡萝卜素生物可及性的高低与是否经过超声波处理无关[38]．大鼠动物实验表明雨生红球藻的虾青素生物可及性高于钝顶螺旋藻和葡萄藻[39]．微藻中矿物质的生物可及性与其碳水化合物含量呈正相关，这可能是由于微藻多糖易形成胶束，增加了疏水分子的分配，导致矿物质吸收增加[40]．微藻矿物质的生物可及性与其蛋白质含量呈负相关，原因是蛋白质在体外消化过程中水解为氨基酸，大多数可溶性氨基酸在生理pH下带有正电荷或负电荷，增加了离子强度，由于盐析作用导致矿物质溶解度降低[41-42]．

表2 藻类中的营养元素及其生物可利用度Tab.2 Nutritional composition and bioactive properties of microalgae

2.2 微藻源食品的潜在营养价值

微藻的功能活性见表3，微藻水提物、干藻粉等具有抗炎和免疫调节活性.柱头小球藻和三角褐指藻的水提取物改善小鼠足肿胀炎症，较消炎药物吲哚美辛相比活性提高了25%～30%[52]．螺旋藻干粉显著改善关节炎小鼠足肿胀直径，防止溶酶体酶释放炎性物质[53-54]．伊姆裸甲藻硫酸多糖激活一氧化氮的产生，刺激巨噬细胞中细胞因子的产生[12，52]．小球藻藻油显著降低炎症细胞因子 TNF-a、IL-6 的分泌，具有一定的抗炎功能[55]．但微藻的抗炎及免疫调节活性缺乏临床研究，内在机理仍有待深入探究．微藻的抗氧化特性主要来源于叶绿素衍生物、类胡萝卜素、藻蓝蛋白、多糖等．小球藻和三角褐指藻水提取物和甲醇提取物显著降低ROS的含量[56].紫球藻硫酸多糖阻止亚油酸的氧化，抑制硫酸亚铁对3T3细胞造成的氧化损伤[57]．螺旋藻提取物减少小鼠的染色体损伤和脂质过氧化，同时可以保护抗氧化剂，包括酶类抗氧化剂(SOD超氧化物歧化酶、过氧化氢酶)和非酶抗氧化剂(还原型谷胱甘肽GSH、维生素C)[58]，其抗氧化效果约为维生素C和维生素E的50%．大量的微藻提取物已被发现具有体外抗菌活性．微藻硫酸多糖通过钙离子与硫酸基团的螯合作用，抑制病毒吸附和穿透细胞，防止细胞内病毒颗粒的产生[59]．微藻多糖还可以防止大鼠和兔感染HSV-1病毒[60]．螺旋藻能够降低接种甲型流感小鼠的死亡率，提高存活率[61]．

微藻中蛋白质、肽、多糖、脂类和类胡萝卜素对癌细胞的增殖、凋亡、侵袭和转移有一定的保护作用．螺旋藻藻蓝蛋白刺激线粒体中细胞色素的释放，引起宫颈癌细胞中半胱氨酸蛋白酶依赖性细胞凋亡[62]．从玛氏骨条藻中纯化的单脂肪酸甘油酯，对血液癌细胞系U-937和结肠癌细胞系HCT-116具有选择性细胞毒性活性，诱导癌细胞死亡[63-64]．微藻硫酸化胞外多糖GA3P(D-半乳聚糖硫酸盐，与乳酸结合)通过抑制调节DNA拓扑结构的核酶来抑制不同癌细胞系的生长[65-66]．口服微藻ω3-PUFAs显著降低小鼠的皮肤癌肿瘤发生率，ω3-PUFAs触发癌细胞内活性氧(ROS)的积累，诱导癌细胞凋亡，导致线粒体功能异常，线粒体电子传递被破坏和氧消耗减少导致癌细胞凋亡．

表3 微藻功能活性Tab.3 Funtional properties of microalgae

3 微藻在食品中的应用

自20世纪70年代以来，微藻主要以胶囊、粉末或片剂的形式作为保健食品销售[68]．目前微藻已加入到谷物、乳、果蔬和蛋白等食品中，改善了颜色和结构，提高了相关食品的营养和功能特性(图1).节旋藻Arthrospirasp.、小球藻Chlorellavulgaris、等鞭金藻Isochrysisgalbana、栅藻Scenedesmusalmeriensis、微拟球藻Nannochloropsisgaditana可以作为面包的原料之一，改善面包的色泽，提高面包的营养特性[69-71]．小球藻的添加能够改善面团的弹性、粘性、流变特性和面筋网络[72]．小球藻Chlorellavulgaris在黄油饼干中可作为天然着色剂使用，黄油饼干在3个月的保质期内呈现出非常稳定的颜色．由于虾青素的高抗氧化活性，饼干中加入雨生红球藻Haematococcuspluvialis能够显著降低血糖[74]．面条中加入杜氏盐藻Dunaliellasalina和等鞭金藻Isochrysisgalbana在烹饪过程中会表现出更高的抗性[75]．微藻也可以用在果蔬制品中．西兰花汤中加入螺旋藻Spirulinasp.、小球藻Chlorellasp.及融合微藻Tetraselmissp.能够提高多酚含量和抗氧化性[76]．果蔬汁中加入小球藻和螺旋藻可以丰富口感，强化维生素B12含量，提高储存过程中果蔬汁颜色的稳定性[77-78]．但由于微藻腥味，要严格控制加入量，必要时采取酶解脱腥、β-环糊精包埋法、发酵脱腥等手段获得风味良好的微藻果蔬汁．螺旋藻可以制作猕猴桃含片，但由于藻胆蛋白热敏性较强可能导致颜色变暗[78]．拟微球藻Nannochloropsissp.可加入至番茄酱中，提高ω-3多不饱和脂肪酸的含量，且拟微球藻含有类玉米黄质、β-胡萝卜素、生育酚等内源性抗氧化剂，比番茄酱中添加鱼油的抗氧化性能更好[79]．在植物肉中加入微藻可以显著地改变肉色．近年来新加坡公司Sophie’s Bionutrients，利用发酵技术和高水分挤压工艺开发了微藻粉，陆续推出微藻基汉堡肉饼、100% 微藻牛奶替代品以及微藻奶酪[80]．法国公司Algama Foods和瑞典的Hooked Foods添加微藻原料推出纯素鲑鱼和纯素金枪鱼．小球藻Chlorellavulgari目前已成功加进酸奶和奶酪中，钝顶螺旋藻Spirulinaplatensis可增强发酵乳制品中菌种的生长[81]．小球藻Chlorellavulgaris和雨生红球藻Haematococcuspluvialis可充当脂肪模拟物、提高乳化剂功能，提高油脂的抗氧化性[82-83]．

图1 微藻在食品中的应用现状Fig.1 Microalgae incorporation in different food products

4 微藻未来食品的挑战及未来发展趋势

微藻富含蛋白质、多糖、ω-3PUFAs等物质，可以作为替代粮食满足人们对营养的需求，其抗氧化、抗菌抗病毒等功能特性未来可用于开发功能食品和医疗保健食品．微藻可添加进谷物制品、果蔬制品、乳制品和蛋白制品中，加强食品中营养素含量，改善食品的颜色和质构，提高食品的功能活性，对人体健康产生有益影响．但目前微藻在食品行业中开发与利用较少，微藻固有的色素在某些食品应用方面感官不易被消费者所接受．随着科学技术的发展，可以利用藻株开发、高通量筛选等生物技术，采取合适的培养方式，提高微藻的产量和营养素含量，优化色素水平，在工业上降低原料的成本．开发良好微藻食品，调整微藻的加入量、食品加工方式和强度，提升产品的感官特性及消费者的对微藻食品的接受度．

5 结语

微藻作为食品原料，有着丰富的蛋白质、多糖、油脂、维生素等营养成分，经过预处理和加工后，其营养物质可被人体消化吸收利用，有一定的增强免疫、抗氧化、抗菌抗病毒、抗癌等功能活性．微藻可以用于制作谷物制品、乳制品、蛋白制品和果蔬等制品，改善食品的感官性状，丰富食品的营养特性，有益于人体健康，满足对饮食多样化和健康的需求．随着未来食品科学技术的发展，具有“食品”潜力的微藻将进一步走上餐桌.