微藻的生物活性物質(zhì)及其應(yīng)用

微藻的生物活性物質(zhì)及其應(yīng)用

微藻是一種合成和自養(yǎng)微生物。它是生產(chǎn)食品、藥物、高價(jià)值生物活性物質(zhì)和生物燃料的細(xì)胞的“工廠”。近年來,利用微藻作為可持續(xù)和可再生生物燃料的研究受到越來越多的關(guān)注[2~3]。然而,微藻在食品,尤其是功能性食品中,存在許多商機(jī)。幾千年前,就有人將發(fā)菜、螺旋藻等可食藻作為食物,但是對微藻人工培養(yǎng)的研究只有幾十年的歷史。二十世紀(jì)50年代初期,經(jīng)歷第二次世界大戰(zhàn)后世界人口迅速增加,食物供應(yīng)出現(xiàn)不足,有人用藻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蛋白質(zhì)以解決當(dāng)時(shí)蛋白質(zhì)供應(yīng)不足的問題。隨著隨后的農(nóng)業(yè)技術(shù)的改進(jìn)和糧食產(chǎn)量的提高,用微藻作食物的研究工作被擱置。近年來,因?yàn)槲⒃迥苌a(chǎn)營養(yǎng)性、保健性甚至具有治療作用的生物活性物質(zhì),再次引起了人們的注意。本文對微藻生物活性物質(zhì)在功能性食品中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。1健康營養(yǎng)組織含18個(gè)碳以上的脂肪酸稱為超長鏈脂肪酸(VLCFAs),具有特殊的生理功能。常見的超長鏈脂肪酸有花生四烯酸(AA或ARA)、二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)?；ㄉ南┧?ARA,20:4),是ω-6系列的一種重要的不飽和脂肪酸,是人體大腦和視網(wǎng)膜等神經(jīng)組織的重要組成部分。ARA作為一種超長鏈多不飽和脂肪酸(VLCPUFA),存在于乳汁中,對嬰幼兒的生長發(fā)育具有特殊作用。因此,對于人工喂養(yǎng)的嬰兒,應(yīng)該在嬰兒配方奶粉中以特定比例補(bǔ)充ARA以滿足嬰兒的營養(yǎng)需求,保證嬰兒的生長發(fā)育。二十碳五烯酸(EPA,20:5ω3),是ω-3系列的另一種重要的多不飽和脂肪酸,對心血管疾病的防治具有非常好的效果,同時(shí)還具有抗炎活性、免疫調(diào)節(jié)作用、預(yù)防糖尿病腎臟疾病和肌營養(yǎng)不良等作用。二十二碳六烯酸(DHA,22:6ω3)也屬于ω-3型脂肪酸,它不僅作為一種重要的結(jié)構(gòu)脂類廣泛存在于大腦灰質(zhì)和視網(wǎng)膜中,而且還是心臟組織的關(guān)鍵組成部分。因此,DHA能促進(jìn)大腦和眼睛發(fā)育,對嬰兒和患心血管疾病的成年人具有重要作用。DHA只少量存在于魚、肉和母乳中,牛奶不含有DHA。因此,健康營養(yǎng)組織建議將DHA添加到用于早產(chǎn)和足月嬰兒人工喂養(yǎng)的奶粉中,以促進(jìn)這類嬰兒的大腦發(fā)育和腦細(xì)胞的增生。世界批發(fā)市場每年嬰幼兒配方奶粉的銷售額大約在100億美元。2003年DHA的全球生產(chǎn)量達(dá)到了700噸,全球有超過60個(gè)國家在配方奶粉中添加了DHA(如:英國、墨西哥、中國、美國、加拿大等)。在我國,2006年市售食品級低濃度(22%~25%)DHA價(jià)格在26.9萬元~36.5萬元/t;食品級高濃度DHA(27~30%)為73萬元~109.5萬元/t,而純度為99.9%的DHA售價(jià)高達(dá)16.8萬美元/kg。最近十年我國超長鏈多不飽和脂肪酸油脂的生產(chǎn)和消費(fèi)得到大幅度的增長,據(jù)分析2011年DHA在中國市場的銷售量達(dá)到4300t。大多數(shù)高等植物和人類缺乏合成超長鏈多不飽和脂肪酸(VLCPUFAs)的必需酶,人類必須從食物中獲得這些必需脂肪酸。實(shí)際上,魚和肉是人類獲得VLCPUFAs的主要來源,但利用魚油生產(chǎn)的VLCPUFAs具有腥臭味,容易氧化,大大的影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。但是,微藻來源的DHA沒有這樣的風(fēng)味缺陷,如在月餅中添加微藻DHA油脂并不影響月餅的風(fēng)味。此外,由于深海魚類資源有限和環(huán)境保護(hù)的需要,以魚油作為VLCPUFAs來源受到了很大的限制。幸運(yùn)的是,許多微藻可以生產(chǎn)ARA、EPA和DHA等多不飽和脂肪酸(如表1),因此,微藻具有取代魚油作為VLCPUFAs主要來源的潛力。然而,迄今為止只有DHA能夠利用微藻商業(yè)化地生產(chǎn),其他的VLCPUFA都還不能利用微藻商業(yè)化生產(chǎn)。盡管EPA和ARA也存在于微藻中,如:紫球藻(Porphyridiumpurpureum)、三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)、等鞭金藻(Isochrysisgalbana)、微擬球藻(Nannochloropsissp.)和硅藻(Nitzschialaevis)都含有較高含量的EPA和ARA[22~23],但是由于生產(chǎn)成本高昂,利用這些微藻進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)尚無經(jīng)濟(jì)競爭力。通過基因改造提高微藻產(chǎn)VLCFAs的能力可能是實(shí)現(xiàn)利用微藻商業(yè)化生產(chǎn)的有效途徑。微藻生長速度快,產(chǎn)油速率遠(yuǎn)高于動(dòng)物,更是高等植物產(chǎn)油率的百倍以上。此外,許多藻類積累甘油三酯的含量達(dá)到了藻干重的50%以上[2~3]。因此,微藻是生物合成VLCFAs的理想工具。因此,可以通過生物技術(shù)手段,通過將合成VLCFAs途徑中的一些關(guān)鍵酶(如延長酶和脫氫酶)的基因轉(zhuǎn)入微藻,通過調(diào)節(jié)脂肪酸合成代謝途徑的代謝流,可以增加VLCFAs的產(chǎn)量。2體外免疫調(diào)節(jié)作用微藻在生長過程中能合成大量多糖,作為微藻的細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分和能量儲(chǔ)存物質(zhì)或在受到外界刺激時(shí)用于自我保護(hù),其中許多多糖有益人體健康。一些微藻多糖具有抗病毒、抗菌活性。Santoyo等人從小球藻(Chlorellavulgaris)中提取的多糖對非洲綠猴腎細(xì)胞單純皰疹病毒Ⅰ型具有抑制作用。Huleihel等人從紅藻中分離獲得的硫酸多糖能夠滲透到細(xì)胞內(nèi),作用于病毒,改變病毒復(fù)制周期,對單純皰疹病毒Ⅰ型、Ⅱ型和水痘帶狀皰疹病毒等多種病毒的增殖具有抑制作用。Yim等人報(bào)道了來自海洋微藻螺溝藻(Gyrodiniumimpudicum)的硫酸多糖對腦心肌炎病毒(EMCV)具有較強(qiáng)的抑制作用。Loke等人從螺旋藻(Spirulina)中提取的螺旋藻多糖能減少幽門螺桿菌胃粘液的粘性,有利于預(yù)防幽門螺桿菌感染。微藻多糖也具有免疫調(diào)節(jié)作用。Suarez等從蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)中獲得一種阿拉伯糖與半乳糖構(gòu)成的多糖,它由“→2)-α-L-Araf-(1→3)-[α-L-Araf-(1→4)]-β-d-Galp-(1→”重復(fù)結(jié)構(gòu)單元組成,具有免疫刺激的功能,在胞外能較好的抑制皰疹病毒的活性。Yim和Joung等從赤潮微藻螺溝藻中提取的硫酸胞外多糖對機(jī)體具有免疫調(diào)節(jié)功能,它是一種含2.96%的糖醛酸和10.32%的硫酸基團(tuán)的半乳糖。而且,微藻硫酸多糖還能增強(qiáng)體內(nèi)巨噬細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞的殺傷活性,在溶血空斑試驗(yàn)中,加入此種多糖,可以增加IgM、IgG、IL-1β、IL-6、TNF-α等抗體含量,加快綿羊紅細(xì)胞的溶解。除此之外,也有研究證明微藻多糖具有抗氧化活性。微藻多糖不僅在醫(yī)藥領(lǐng)域具有多種藥用價(jià)值,它還可以應(yīng)用于不同功能性食品開發(fā)。一些微藻多糖高度分支,甚至隔6~7個(gè)糖單體就分支,使得多糖水溶液通常具有較高粘彈特性。微藻多糖的分子量在1~1000kDa,通常具有凝膠特性。在微藻培養(yǎng)期間,一些胞外多糖分泌到培養(yǎng)液中導(dǎo)致培養(yǎng)液粘度增加,給微藻培養(yǎng)帶來困難,如在培養(yǎng)微藻生產(chǎn)油脂的工藝中。但是可以利用藻多糖溶液這種非牛頓流體的特性,將多糖添加到食品中以獲得較好的食品流變特性。微藻產(chǎn)多糖能力與微藻藻種和培養(yǎng)條件有很大關(guān)系,在某些條件下可以獲得很高的產(chǎn)量,布朗葡萄球藻(Botryococcusbraunii)在受到壓力刺激條件下,可以產(chǎn)生4~4.5g/L胞外多糖。3膏體3.1-胡蘿卜素和蝦青素類胡蘿卜素有400多種,其中β-胡蘿卜素、葉黃素、蝦青素、玉米黃質(zhì)、番茄紅素和胭脂樹橙等都已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)。類胡蘿卜素最主要的用途是作為天然食用色素和功能性食品的配料。類胡蘿卜素具有由黃到紅的顏色,其中大部分呈橙色。近年來,由于某些化學(xué)合成色素存在毒性問題,應(yīng)用受到了限制,使得安全性高的天然色素獲得了廣闊的市場前景。此外,某些類胡蘿卜素本身就具有營養(yǎng)價(jià)值,Nesaretnam等研究得出類胡蘿卜素在體內(nèi)能轉(zhuǎn)化成維生素A,同時(shí),也有研究得出一些類胡蘿卜素具有抗氧化、抗癌和增強(qiáng)人體免疫功能的作用。類胡蘿卜素中β-胡蘿卜素已成功應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)。代謝生成β-胡蘿卜素的微藻較多,其中杜氏鹽藻(Dunaliellasalina)最適合大規(guī)模生產(chǎn)。有研究表明,在最佳培養(yǎng)條件下,其藻細(xì)胞生物量達(dá)290mg/L,所產(chǎn)β-胡蘿卜素達(dá)到藻干重的14%。杜氏鹽藻可以在開放池或生物反應(yīng)器中大規(guī)模培養(yǎng),澳大利亞、以色列、美國和中國都是杜氏藻的主要生產(chǎn)地。蝦青素(Astaxanthin)是一種酮類胡蘿卜素,同樣具有很高的商業(yè)價(jià)值。蝦青素具有較強(qiáng)的抗氧化活性。有研究表明,蝦青素的抗氧化活性是葉黃素、玉米黃質(zhì)、β-胡蘿卜素的10倍,α-生育酚的100倍。同時(shí),蝦青素已被證明具有其他生物活性,包括抗炎作用、保肝作用、保護(hù)心血管和腸胃、抗癌及治療神經(jīng)損傷等功效。盡管,蝦青素具有明顯的生理活性,它主要還是應(yīng)用于飼料和食品行業(yè)。在飼料領(lǐng)域,蝦青素主要用作鮭魚飼料,其他魚蝦飼料也消耗了大量的蝦青素。全球水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料用蝦青素平均價(jià)格在2500美元/kg,銷售總額達(dá)到2億美元。然而,目前供應(yīng)的蝦青素主要通過人工合成來獲得,由于擔(dān)心合成色素的安全性,市場上對天然蝦青素的需求快速增長。植物、酵母菌、真菌和藻類都可合成蝦青素,但是只有少數(shù)微生物(含微藻)的蝦青素含量相對較高,如:雨生紅球藻(Haematococcuspluvialis)、小球藻(Chlorellasp.)、綠球藻(Chlorococcumsp.)以及紅發(fā)夫酵母(Huffierrhodozymaji)和橙黃農(nóng)桿菌(Agrobacteriumaurantiacum),其中,雨生紅球藻產(chǎn)蝦青素能力較強(qiáng),其體內(nèi)的蝦青素積累量能夠達(dá)到干基的4~5%。3.2藻膽體的組成藻膽蛋白是一類由藻膽色素與相應(yīng)的脫輔基蛋白中保守性半胱氨酸殘基的巰基以硫醚鍵共價(jià)結(jié)合而成的色素蛋白(又名藻紅素或藻藍(lán)蛋白)。在原核藍(lán)藻和真核紅藻中,不同的藻膽蛋白通過連接多肽組成高度有序的超分子復(fù)合物—藻膽體,由“錨蛋白”將其“錨”在類囊體膜上,作為光合作用的捕光色素系統(tǒng)。根據(jù)生物體和培養(yǎng)條件的不同,藻膽體由10~20個(gè)不同的蛋白質(zhì)組成,而其中又以藻膽蛋白的含量為最高,可達(dá)細(xì)胞干重的40%。藻膽蛋白容易分離,易于成為具有商業(yè)生產(chǎn)價(jià)值的天然色素。大量研究表明,藻膽蛋白具有促進(jìn)健康的功能。其光化學(xué)特征主要表現(xiàn)為摩爾吸收系數(shù)高、熒光量子產(chǎn)量高、斯托克位移大、低聚物穩(wěn)定性高、高光強(qiáng)等。這些特性使它們具有高能量和熒光敏感性,從而可用作生物檢測或診斷試劑。用作商業(yè)生產(chǎn)的藻膽蛋白大多來自藍(lán)藻(如Arthrospira)和紅藻(如Porphyridium),其主要用途是作為食用色素以替代人工合成色素。由日本DIC集團(tuán)生產(chǎn)的一種稱作Linablue的微藻藻膽蛋白已成功用作食品添加劑,添加到口香糖、冰淇淋、冰棒、糖果、飲料和乳制品等食品中。據(jù)估計(jì),用藻膽蛋白制成的天然色素價(jià)格在3~25美元/mg,全球市場銷售額至少5000萬美元。3.3微藻生物燃料的生產(chǎn)葉綠素及其衍生物是最好的天然綠色食品色素,被廣泛應(yīng)用于食用油、口香糖、冰淇淋、飲料、速食湯、奶酪和酸奶等食品中。對于食用色素級純度的葉綠素在使用劑量上沒有限制,因?yàn)樗鼈兓静槐幌牢?。目?市場上使用的大多數(shù)葉綠素色素都是從陸生植物提取而來,包括苜蓿草、蕁麻或一些牧草。在中國和日本,很大一部分葉綠素來自于蠶沙。雖然提取葉綠素的原材料比較便宜,容易獲得,提取工藝簡單,但是葉綠素提取率并不高。此外,在溫帶地區(qū),原材料供應(yīng)有限,往往一年只有幾個(gè)星期能獲得原材料。植物光合作用是將太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過程,在光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換過程中,葉綠素起著接收光能的作用。近年來,利用微藻生產(chǎn)生物燃料已成為一個(gè)熱點(diǎn)話題。其中微藻油脂用來生產(chǎn)生物柴油,而其他的生物質(zhì)可以通過熱解手段,液化或氣化成生物燃料。葉綠素含氮量較高,若葉綠素保留在微藻中進(jìn)入加工過程,則所得的生物燃料含氮量相對較高,在生物燃料燃燒過程中氮氧化物的排放量也會(huì)較高;同時(shí),葉綠素本身是價(jià)值很高的色素,如果預(yù)先提取葉綠素并加以綜合利用,則葉綠素的收益可以抵消一部分生物燃料的生產(chǎn)成本。因此,在微藻生產(chǎn)中可將葉綠素作為主要目的產(chǎn)物之一,而將剩余的微藻材料用作生物燃料或飼料原料。Bai等人在生物反應(yīng)器中對五種微藻產(chǎn)色素(主要是葉綠素和類胡蘿卜素)和油脂能力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,Dunaliellaprimolecta和Isochrysisaff.galbana產(chǎn)葉綠素能力最強(qiáng),產(chǎn)量分別為5.3%和5.6%,其油脂產(chǎn)量分別為23%和24%。同時(shí),Bai使用甲醇和正己烷提取微藻油脂和色素,使色素和油脂提取率分別達(dá)到了98%和90%。超臨界CO2萃取具有萃取快速、純化簡單、對環(huán)境的影響小的特點(diǎn)。大多數(shù)天然食品色素是熱不穩(wěn)定的,尤其是葉綠素,然而采用超臨界CO2萃取工藝色素在提取過程中不需經(jīng)歷加熱過程,有利于得到高質(zhì)量的色素,因此超臨界CO2提取技術(shù)是有機(jī)溶劑萃取很好的替代。有人采用超臨界CO2萃取微藻葉綠素,最終獲得了高的提取率和品質(zhì)好的葉綠素。4微藻蛋白水解肽aec存在于微藻中或由微藻蛋白水解所得的肽具有較高的生物活性。在微藻加工業(yè)中,微藻蛋白通常被丟棄或用作動(dòng)物飼料。其實(shí),我們可以從這些廢棄的蛋白中獲得一些高價(jià)值的肽,從而變廢為寶。此外,微藻在生長過程中本身就具有合成功能性肽的能力,這些肽存在于細(xì)胞中或被分泌到細(xì)胞外,因此也可直接從微藻細(xì)胞中提取生物活性肽。Sheih等用胃蛋白酶水解廢棄的小球藻蛋白,最終獲得一種十一肽。這種多肽能抑制血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(AEC)活性,其半抑制濃度為29.6μmol。通過測序得出其氨基酸序列為Val-Glu-Cys-Tyr-Gly-ProAsn-Arg-Pro-Gln-Phe。這種十一肽不僅能抑制AEC活性,還具有較好的熱穩(wěn)定性(40~100℃)和酸堿穩(wěn)定性(pH=2~10)。除此之外,也有其他研究獲得具有AEC抑制活性的微藻蛋白水解肽。如,肽Ile-Val-Val-Glu(半抑制濃度為315.3μM)、Ala-Phe-Leu(63.8μM)、Phe-Ala-Leu(26.3μM)、Ala-Glu-Leu(57.1μM)和Val-Val-Pro-Pro-Ala(79.5μM)由水解小球藻蛋白所得。Suetsuna和Chen水解鈍頂螺旋藻(Spiru