微藻的功能特性及其在食品中的应用研究进展

闫新璐，刘倩倩，侯庆安，孙承锋，喻倩倩，温荣欣

（烟台大学生命科学学院，山东烟台 264005）

微藻是一类形态微小、结构简单的水生生物，在地球生存35 亿年之久。微藻具有独特的二氧化碳固定机制以及高含量的光合作用单位，光合效率（10%～20%）远超大多数陆生植物（1%～2%），每亩年产量达到粮食作物最高产量的10 倍以上，并且用于养殖的土地利用率远高于传统牲畜，具有产值高的优势，可有效缓解粮食危机和能源缺乏[1-3]。

早在1520 年，墨西哥及一些亚洲地区的居民便开始食用微藻[4]。我国在1500 年前已有食用微藻的记载[5]，但进入21 世纪后，微藻的食品资质才被国家批准。我国微藻产业最初以螺旋藻（Spirulinasp.）为主导，后呈现螺旋藻（Spirulinasp.）、小球藻（Chlorellasp.）和雨生红球藻（Haemtococcus pluvialis）等多元发展的格局[6]。随着生物技术的蓬勃发展以及微藻培育方式的根本性创新，中国已成为世界上规模最大的微藻生产国[5]。

当今世界人口激增带来各种各样的问题，其中资源短缺尤为突出，粮食匮乏导致的营养素摄入不足困扰着许多国家[7]，同时一些粮食作为原材料被用于生物燃料的生产，加剧了资源的短缺。在此背景下，基于食品健康、生活质量以及可持续性发展的需求，微藻作为食品原料成为最有希望的粮食替代物之一[8]。此外，微藻中富含多种营养和功能成分，具有巨大的开发潜力，将成为食品最有希望的潜在原料[7]。本文主要从微藻的功能特性及其在食品中的应用潜力两个方面，论述开发微藻资源的必要性，为微藻食品行业发展提供理论依据，以期更好的发挥微藻在食品中的作用。

1 微藻及可食用种类

微藻通常以单细胞群体的方式广泛分布于各种水源，常采用光自养和异养相结合的培养方式，以光能和CO2等无机碳源为主，有机碳源为辅，充分利用环境中的资源，产生有机物质供自身利用及储存能量。微藻在光合作用过程中能够合成多种营养物质，包括蛋白质、脂类和碳水化合物三大宏量营养素，以及与人体生长发育密切相关的维生素、矿物质和生物活性物质（如β-胡萝卜素、岩藻黄素和虾青素等）[9]。微藻被誉为“21 世纪的健康食品”[10]，现已应用于肉制品、面制品和乳制品等新产品的开发，如图1 所示[11]。

图1 微藻光合作用机制及微藻成分在食品中的应用[11]Fig.1 Photosynthesis mechanism of microalgae and application of microalgae components in food[11]

微藻种类十分丰富，据估计现存超过十万种，而已知的微藻数量仅占1%[3]，按颜色分为蓝藻科（蓝绿藻）、绿藻科（绿藻）、硅藻科（硅藻）和金藻科（金藻）[10]，它们的色泽主要来自叶绿素、藻蓝蛋白和藻红蛋白，其中蓝绿藻大多属于原核生物，绿藻、硅藻和金藻大多为真核生物[12]。尽管微藻种类众多，但部分微藻中的成分还未完全明确，安全性不可确保，导致现被开发应用于食品中的微藻种类相对较少。中国、欧洲食品安全局（EFSA）和美国食品药品监督管理局（FDA）等对可食用微藻作出规范，认为属于安全状态的微藻包括钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）、普通小球藻（Chlorella vulgaris）、杜氏盐藻（Dunaliella salina）、莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）、细小裸藻（Euglena gracilis）等，但仅有部分微藻的整体干物质可用于食品生产，如螺旋藻（Spirulinasp.）、小球藻（Chlorellasp.）等，而其它微藻仅可以提供某些特定的化合物作为添加剂使用，如杜氏盐藻（D.salina）产生的β-胡萝卜素、雨生红球藻（H.pluvialis）产生的虾青素等[11]。目前，微藻已用于面制品、乳制品、肉制品及饮料等食品的生产，如表1 所示。总体来说，微藻的添加改变了产品在整个保质期内的营养、功能、感官和技术特性，而它对食品感官性能和功能特性的影响与配方中微藻种类、添加量、预处理方式以及生产工艺等因素有关。

2 微藻成分及其功能特性

虽然微藻结构简单，但不同种类之间物质组成差异很大，即使同一种类的微藻之间，物质组成也会有所不同，这主要与其培养条件和生长阶段有关。多种微藻由于含有丰富的营养成分，被称为超级食品，其中螺旋藻（Spirulinasp.）被联合国粮农组织（FAO）誉为“未来食品”，充分展示出其在食品生产中巨大的应用潜力。图2 中总结了微藻成分与食品、饮食、健康、疾病和个体之间的关系。一方面，多种成分在食品加工中表现出提升食品品质的能力，如氨基酸、核苷酸、呈味肽、挥发性风味物质的增味作用，藻蓝蛋白、藻红蛋白、叶绿素、虾青素的增色作用，蛋白质的乳化、发泡和增稠作用，酚类、萜类、多糖的抑菌作用等。另一方面，多种生物活性化合物显示出生理调节功能，如虾青素、叶绿素、抗坏血酸的抗氧化功能，酚类化合物、玉米黄素的抗癌功能，生物活性肽、硫酸化多糖的抗病毒功能，β-葡聚糖、胞外多糖的免疫功能等[8]。

图2 微藻成分的生理活性和功能[8]Fig.2 Physiological activity and functionality of microalgae components[8]

2.1 微藻蛋白

蛋白质作为微藻的初级代谢产物，是最主要的成分之一，占干物质的23%～63%[24]。在充足的氮源环境下培养，螺旋藻（Spirulinasp.）中蛋白质含量最高可达到60%～70%[8]。微藻蛋白富含多种必需氨基酸，如亮氨酸、精氨酸和赖氨酸，小球藻（Chlorellasp.）、钝顶螺旋藻（S.platensis）、球状念珠藻（Nostoc sphaeroids）中的蛋白生物利用率优于小麦蛋白，甚至超过大豆蛋白[25]，美国FDA 已将微藻蛋白确认为“最佳蛋白质来源之一”[7]。目前，微藻作为蛋白补充剂主要用于增加食品的营养价值与功能特性[24]。如钝顶螺旋藻（S.platensis）、三角褐脂藻（Phaeodactylum tricornutum）、球等鞭金藻（Isochrysis galbana）、干扁藻（Tetraselmis suecica）、拟微球藻（Nannochloropsis gaditana）的蛋白质在加热过程中发生交联作用，保留饼干的质构、咀嚼性、硬度等感官特性[26]；原始小球藻（Chlorella protothecoides）、三角褐脂藻（P.tricornutum）蛋白高度糖基化，且含有大量亲水氨基酸（谷氨酸、天冬氨酸等），通过增加溶剂和溶质接触面积，以及增强接触区域的水分子与蛋白质之间的相互作用，提高饮料的溶解性[27]；螺旋藻（Spirulinasp.）蛋白具有亲水性，通过与淀粉争夺水分子阻止淀粉颗粒水合作用，促使堆积密度增加，从而增强膨化零食的脆性[28]；掌状红皮藻（Palmria palmata）、紫球藻（P.cruentum）和螺旋藻（Spirulinasp.）的藻胆蛋白已被用作天然食品着色剂和营养保健品。其中，藻蓝蛋白具有抗氧化、提高淋巴细胞活性的能力以及潜在的抗癌功效，可以有效调节人体免疫系统[29-30]。总的来说，微藻蛋白在食品中具有巨大的应用潜力，未来还需在其营养价值和功能特性方面进行更多研究，以开发其在食品加工、贮藏和保鲜以及功能食品和疾病辅助治疗食品中的重要应用价值[24]。

2.2 微藻多不饱和脂肪酸

脂质在微藻中的比例约占10%～60%，例如雨生红球藻（H.pluvialis）中脂质含量为15%，眼点微拟球藻（Nannochlotropsis oculata）中达到44.5%[8,31-32]。其中富含多种重要的多不饱和脂肪酸，例如二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic acid，EPA）、二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic acid，DHA）、亚麻酸和亚油酸等。EPA 和DHA 可作为神经细胞的重要组成成分，占大脑中多不饱和脂肪酸的40%，尤其在儿童大脑发育中发挥重要作用[1,33]。三角褐脂藻（P.tricornutum）和眼点微拟球藻（N.oculata）是生产多不饱和脂肪酸的典型微藻[34-35]，在食品中添加多不饱和脂肪酸可以满足人们对这些必需营养素的需求，现如今，添加微藻EPA 和DHA 的乳制品和婴儿配方奶粉已工业化生产[36]。亚油酸和亚麻酸是人体必需脂肪酸，对促进大脑发育必不可少，但人体不能自身合成，必须由食物提供。微藻脂质中亚油酸含量为1.65%～43%，亚麻酸含量为2%～60.9%，可为人体提供必需脂肪酸[32,37]。虽然微藻中多不饱和脂肪酸在产品中的商业应用已经有所发展，但提取成本过高，目前亟待挖掘降低其生产成本的新技术和手段。

2.3 微藻多糖

微藻多糖主要分为结构多糖和胞外多糖，具有多种功能特性，已用于食品增稠、防腐及益生食品的开发等[12]。例如钝顶螺旋藻（S.platensis）的结构多糖不仅具有增稠特性，作为增稠剂应用于乳制品中，其次还作为益生元选择性地促进发酵酸奶中益生菌的生长并提高其活性[9]；紫球藻（P.cruentum）多糖具有高粘性，且表现出假塑性和剪切稀释特性，是潜在的增稠剂[38]；钝顶节旋藻（A.platensis）多糖作为功能性成分可减缓淀粉糊化过程[39]；杜氏盐藻（D.salina）多糖的乳化性高于市售表面活性剂，是潜在的乳化剂[40]。微藻分泌的胞外多糖也是潜在的食品增稠剂，它是一种高分子量的链状聚合物，表面存在多种亲水羟基，静电电荷密度高，能够在水溶液中形成高分子量和高流体动力体积的水胶体，从而具有高粘度特性[41]。此外，微藻胞外多糖中含有的硫酸多糖有抑制细菌、真菌的作用，可以作为天然防腐剂应用于食品[42]。微藻胞外多糖除在食品加工中发挥多种功能外，还有利于人体健康，它具有多种功能特性，包括免疫调节、抗氧化和抗菌等[43]。例如，小球藻（Chlorellasp.）、蔷薇藻（Rhodella reticulata）、紫球藻（P.cruentum）等多种微藻的多糖通过清除自由基发挥抗氧化功能[12]。尽管微藻多糖在食品中具有潜在应用价值，但其低产量是工业规模应用的主要限制之一，高效的微藻多糖生产技术升级成为亟待解决的问题。

2.4 其它生物活性物质

微藻中存在大量的生物活性物质，例如色素、维生素、酚类化合物以及矿物质等（表2），具有抗氧化、抗癌、缓解慢性疾病、免疫调节、抗糖尿病和抗炎等多种生理作用[7,44-45]。螺旋藻（Spirulinasp.）被世界卫生组织（WHO）称为“超级食品”，它属于光自养型单细胞微藻，是维生素A、B1、B2和B12以及色素（如β-胡萝卜素和叶黄素）和矿物质的极好的天然来源[46]。7 g 螺旋藻（Spirulinasp.）干物质中维生素B1、B2和B3含量可达人体每日所需摄入量的11%、15%和4%，铜和铁含量为每日所需摄入量的21%和11%[47]。杜氏盐藻（D salina）也含有维生素B2、B12、E 和β-胡萝卜素，而小球藻（Chlorellasp.）含有高浓度的维生素B7[48]。虾青素是一种天然色素，比维生素C、E 或其它类胡萝卜素具有更强的抗氧化特性[49]，已被应用于功能性食品以及饮料中[50]。雨生红球藻（H.pluvialis）是虾青素的优质来源，它属于淡水微藻，虾青素含量高达4%～5%。鉴于微藻中生物活性物质的功能性，明确它们在微藻类食品中的含量，并进一步评价它们的稳定性和生物利用度，以探究它们在食品加工和贮藏中的功能以及对人体健康的益处是非常必要的。

表2 微藻中的生物活性物质Table 2 Bioactive substances in microalgae

3 微藻在食品中的应用

3.1 替代肉类蛋白

蛋白质是人体新陈代谢及生长发育不可或缺的营养物质，人体中蛋白质大部分来源于肉类的摄入，但由于人口增长、畜禽养殖饲料中抗生素滥用、肉类屠宰时的动物福利等问题，导致全球肉制品供不应求[61]，为缓解此现象带来的饮食压力，肉类替代物的开发十分必要。肉类替代物通常使用植物蛋白进行制备，植物蛋白食品具有低脂肪、低胆固醇的优势，广受消费者喜爱[62]。但与动物蛋白相比，大多数植物蛋白在人体中的利用率较低，而多种微藻的蛋白利用率优于小麦等谷物蛋白（69%～84%），与大豆蛋白（72%～92%）相当，如斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）（88%）、颗粒微拟球藻（Nannochloropsis granulate）（82%）和钝顶螺旋藻（S.platensis）（81%）等[36,63]。此外，微藻蛋白中必需氨基酸的含量较其它食品而言，与WHO/FAO 的参考标准（蛋白质中必需氨基酸含量为20%～37%）更为贴近[64]。小球藻（Chlorellasp.）和钝顶螺旋藻（S.platensis）中蛋白的必需氨基酸指数高于小麦、玉米等谷物蛋白，与肉类蛋白及大豆蛋白相当[65]。因此，微藻蛋白已成为人造肉生产中肉类替代物的理想选择，是未来食品蛋白质的潜在来源。图3 显示了微藻替代肉类蛋白的潜在技术路线，首先对微藻蛋白进行提取，或者直接利用微藻全部干物质制备肉类蛋白的组织纤维，进一步与脂肪一起组装，并进行颜色和口味的调整，最终形成海藻基肉类。

图3 微藻替代肉类蛋白的潜在技术路线[66]Fig.3 Potential technological routes to produce microalgae-based meat analogues[66]

微藻作为肉类蛋白替代物可以提升产品的营养价值，改善感官特性。研究发现，在水分含量为60%的情况下，大豆蛋白与微藻蛋白以7:3 比例生产的人造肉蛋白含量显著提升，且蒸煮后的质地与鸡肉类似[62]。小球藻（Chlorellasp.）和螺旋藻（Spirulinasp.）蛋白的添加增加了牛肉饼中氨基酸的浓度，其中含量最丰富的为鲜味氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）和赖氨酸。添加螺旋藻（Spirulinasp.）的鱼类产品（例如由鲤鱼和须贝制做的汉堡肉饼）抗氧化活性明显增强，产品的持水与持油能力显著提升，表现出更好的质地与感官属性[51]。此外，微藻蛋白的物化特性对肉制品加工十分重要，研究表明，微藻蛋白与豆类蛋白的添加均提高了牛肉饼的氨基酸含量，并且不会影响嫩度、咀嚼性、蒸煮损失、硬度等感官特性。总的来说，微藻由于其丰富的蛋白含量、营养价值和高生长率，是作为肉类替代物的理想选择，但由于微藻含有腥味以及色泽的限制，其制品的感官品质仍需进一步优化[56]。

3.2 补偿减盐食品风味

世界卫生组织建议到2025 年争取减少30%食盐的摄入，国家推出的《中国居民膳食指南（2022）》建议成年人每日摄入食盐不应超过5 g[67]。但由于食品加工中食盐的大量使用，大部分人的饮食为该建议的3 倍以上[68]。减少食盐添加量并选用更健康的增咸成分成为调整食品加工生产的关键策略。研究表明微藻提取物作为调味剂加入食品中，可将钠的添加量减少30%[25]。微藻蛋白通过降解可以产生大量的肽类和游离氨基酸，包括咸味肽、鲜味肽、鲜味氨基酸（谷氨酸和天冬氨酸）等，从而产生较强的咸味和鲜味[61]。鲜味和咸味具有协同相互作用，鲜味物质可以增强咸味的强度，同时，少量食盐的存在又会增强鲜味感知[69]。周氏扁藻（Tetraselmis chui）具有较浓的鲜味、螃蟹味和鱼腥味，而三角褐指藻（P.tricor-nutum）具有较浓的鲜味和贝类风味，且二者中二甲硫醚、三甲胺和脂质衍生的醛、醇和酮等海鲜香气化合物与海鲜调味料中的含量类似[61]，因此它们可能具有作为微藻基风味增强剂的潜力。

此外，微藻中含有大量具有海鲜香气的挥发性有机化合物，包括脂肪酸衍生的醛、酮和醇[70]。钝顶螺旋藻（S.platensis）中的风味物质主要为己醛（鱼腥味）、（E,Z）-2,4-癸二烯醛（鱼腥味）和1-辛烯-3-醇（脂肪味和泥土味），三角褐脂藻（P.tricornutum）中主要风味物质是己醛（鱼腥味）、庚醛（脂肪味和木头味）、辛醛（脂肪味）和1-辛烯-3-醇[71]，这些物质可以显著增强食品的风味，例如鲜味、肉味和烘烤味。但腥味作为微藻风味的典型特征之一，导致微藻的应用领域受限。现如今，强腥味的微藻在海洋制品中的应用研究较多，例如发酵鱼肉制品自身携带腥味，添加微藻后通常不会引起消费者的不适，同时发酵作用下产生的风味对腥味具有部分掩盖作用，因此，微藻在低盐鱼类发酵食品中具有潜在的应用前景[72-73]。

3.3 食品抑菌防腐

微藻能够抑制细菌生长以及生物膜的形成，在食品保藏抑菌方面具有重要作用[30]。据估计，超过75%的细菌感染由生物膜引起，传统的抗生素抑菌会产生耐药性[74]。蓝藻、硅藻、绿藻、甲藻、裸藻等微藻中的多种提取物均被证实具有抑菌和杀菌活性[6,29,70,74]。Hoare 等[75]研究了齿缘墨角藻（Fucus serratus）和墨角藻（Fucus vesiculosus）提取物对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抗生物膜活性，发现添加最低抑菌浓度和最低杀菌浓度分别为3.12 mg/mL 和25 mg/mL 时，细菌生长受到100%抑制，且生物膜的减少量大于80%。微藻中的不饱和脂肪酸可以抑制生物膜重要代谢途径中的电子传递和氧化磷酸化，从而起到抗菌的作用[52,55]，肉豆蔻酸、棕榈酸、油酸和二十碳五烯酸都显示出有效的抗菌活性[76]。Cakmak 等[77]从杜氏盐藻（D.salina）中提取的ω-3 不饱和脂肪酸和ω-6 不饱和脂肪酸在5 mg/mL 浓度下有效抑制了单核细胞增生李斯特菌ATCC 7644 的生长。Rodríguez-Meizoso 等[78]发现从雨生红球藻（H.pluvialis）中提取的脂肪酸对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显著的抗菌作用。研究发现从颗粒微拟球藻（N.granulate）中提取的脂质含有丰富的棕榈酸和油酸，这可能是它有效对抗革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的原因[11]。微藻中的生物活性物质是食品防腐剂的潜在来源，有益于在食品加工、储存、运输以及销售环节有效保证食品品质，提高食品安全性以及货架期[76]。

3.4 微藻基功能性食品开发

世界各地的主食各不相同，主要取决于每个地区的饮食习惯，以及当地传统的生活方式。面包和意大利面是世界上最广泛食用的主食之一，其次是蛋糕和饼干等烘焙产品[79]。绝大多数主食是基于碳水化合物的产品，缺乏几种必需营养素，包括宏量和微量营养素，如必需氨基酸、脂肪酸、矿物质和维生素[11]。以微藻为原料进行主食丰富和营养强化是食品科技领域日益增长的趋势。Agustini 等[13]在面粉中添加钝顶螺旋藻（S.platensis）（9%），发现蛋白质含量增加4 倍。Igual 等[15]在面包棒中添加小球藻（Chlorellasp.）和钝顶螺旋藻（S.platensis）增加了铁和硒的含量，颜色与质地也更加稳定。Tertychnaya等[80]使用杜氏盐藻（D.salina）改善了面包的营养价值，磷含量增加了2.8～3.6 倍，钙含量增加了2.25～3.25 倍。

应用类胡萝卜素开发功能性食品的前景也较为广阔。类胡萝卜素衍生自四萜烯，具有抗氧化功能以及修复细胞和生物体损伤的能力[1,53]。类胡萝卜素按其化学结构可分为胡萝卜素（碳氢化合物，如β-胡萝卜素和番茄红素）和叶黄素（含氧衍生物，如叶黄素、紫黄质、玉米黄质、岩藻黄质和虾青素等）。小球藻（Chlorellasp.）在生产叶黄素等多种天然功能成分方面具有巨大潜力，其生产的叶黄素是传统万寿菊花瓣叶黄素的3～6 倍[76,81]。杜氏盐藻（D.salina）是天然β-胡萝卜素的主要来源，在特殊的培养工艺下，杜氏盐藻（D.salina）中的β-胡萝卜素在总类胡萝卜素中的比例可以达到98.5%，约占其干重的13%[8]。杜氏盐藻（D.salina）与螺旋藻（Spirulinasp.）中的β-胡萝卜素提取物已被批准用于食品生产[11]。

益生食品能够调节肠道微生物群落，激活其中的免疫系统，有利于肝脏炎症的改善。微藻作为新型食品原料，富含多种生物活性物质，可通过肠道微生物-宿主相互作用增强免疫功能[52,82]。微藻所发挥的特定生物学功能与其糖复合物有关，如椭圆小球藻（C.ellipsoidea）含有葡萄糖、甘露糖、半乳糖、N-乙酰葡糖胺、N-乙酰半乳糖胺和阿拉伯糖残基[12]，具有免疫刺激作用，并且对单核细胞增生李斯特菌和白色念珠菌具有抗增殖作用[83]。然而，到目前为止，微藻作为益生原仅限于在乳制品中应用，未来应进一步打开微藻益生元开发的机会之窗，并将其应用于其它食品[9]。

4 微藻在食品应用中存在的问题与挑战

微藻营养丰富，具有多种生理活性和功能，在食品中应用潜力巨大，但仍存在许多问题和挑战。首先，微藻食品的消费者可接受性仍较低，将微藻应用于传统食品时会产生色泽、质构以及风味（海腥味）的不良影响，如小球藻的绿色使其在肉制品等食品中的使用受限，在微藻种类筛选、寻找提高微藻食品感官接受度的方法等领域还有很多工作要做。其次，微藻作为膳食补充剂虽然具有明显的健康益处，但添加微藻的食品是否能够达到类似的效果是未知的。食品中微藻的添加量通常很低，因此从食物来源摄入的微藻很难达到膳食补充剂的摄入量。更重要的是，微藻和食品都是非常复杂的基质，微藻在食品中添加利用导致的各种成分之间的相互作用，以及加工对其生物活性物质的生物利用度的影响均不够明确。因此，需要对微藻类食品的功能性和健康益处进行全面评估。

5 结论与展望

微藻丰富的营养成分在满足可持续的粮食需求上表现出巨大潜力，其中多种生物活性化合物的功能特性对人类健康具有潜在的益处，有助于以它们为基础的食品工业发展。目前微藻多以粉末及溶液的形式应用于面制品及乳制品中，在减盐肉制品、海洋制品中的应用研究较少，未来一方面可以研究微藻蛋白对肉蛋白质的替代作用，另一方面可将微藻加入减盐腌制鱼类制品中，不仅通过发酵与鱼肉自身气味掩盖微藻的腥味，而且可以减少产品食盐含量。此外，不同的干燥方式对微藻风味影响不可忽视，未来可通过优化微藻的干燥方式，改善微藻粉的腥味。总体来说，未来可以通过合适的培养方式和提取技术，提高微藻产量及其营养和功能成分的利用率，通过调整预处理方式、加工工艺和添加量等，提升微藻基食品的感官特性和品质。综上所述，微藻的生产及其在食品中的应用可以帮助生物经济的发展和巩固，将微藻开发成被消费者广泛认可的食品，让更多人受益于微藻生物技术的进步，将有利于未来食品的发展。