微藻蛋白質及其在食品中的應用研究進展

陳 峰，楊帥伶，劉 賓

（1 深圳市海洋微生物組工程重點實驗室 廣東深圳 518060 2 深圳大學食品產業創新發展研究院 廣東深圳 518060 3 深圳大學碳中和研究院 廣東深圳 518060）

藻類是地球生態重要的組成部分，它們為地球貢獻50%～87%的氧氣[1]。截至到本世紀初，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。自上世紀以來，藻類被認為是應對全球氣候變化以及人口增長所帶來的食物與蛋白質匱乏的最具潛力的對象[2]。同大型藻類相比，微藻光合效率及生長速率更高，其生產培養方式也更靈活。傳統的陸生作物的種植在很大程度上依賴于環境和氣候。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種植。而微藻的生產可以采用工業化生產模式，不受自然環境的限制，可以全年收獲。同傳統作物相比，微藻生長速率更高，每畝年產量可達15 t 干粉，是糧食作物最高產量的10 倍以上；并且微藻可在沒有淡水及氣候、土壤等不適宜傳統作物生長的環境（如沙漠和海岸）中培植，這有可能會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半壁江山，對助力實現“碳中和”具有巨大的作用。

近年來，微藻巨大的經濟與環保價值引起各行業的廣泛關注。作為植物性營養素的天然來源，微藻在食品領域的應用也逐步被認可，越來越多的國家、食品企業開始從事微藻的生產研究。其實，微藻的食用歷史源遠流長。早在1 500年前，我國就有食用微藻的傳統，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先選擇[3]。微藻的商業化生產始于上世紀60年代的“小球藻”及70年代的“螺旋藻”培植。目前，世界上應用生物技術進行大量培養或生產的微藻約有200 種，主要包括硅藻（Bacillariophyceae）、綠藻（Chlorophyceae）、金藻（Chrysophyceae）及紅藻（Rhodophyta）等真核藻類，以及原核類藍藻（Cyanophyceae）[1，4]。而在世界范圍內，已獲得審批具有食品資質的微藻僅是少數，2004年，鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）和極大螺旋藻（Spirulina maxima）被批準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 類與微藻相關的食品原料獲得審批（表1）。近期，萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）申報新食品原料已通過專家評審委員會的技術審查。在歐美等地區金色奧杜藻（Odontellaaurita）、周氏扁藻（Tetraselmischui）等微藻亦具有作為食品原料的資質[1，5]。

料原品食源資新關相類藻的準批已國我1表Microalgae-related new food raw materials that have been approved in China Table 1 號告公別類品食用適量用食息信本基稱名丁拉5 號第用 2021年食宜不女婦期乳哺及婦、孕兒幼嬰）計品干2 g/d（以≤屬藻球微、擬科藻胞：單屬種Nannochloropsis gaditana號10第年用 2018食宜不女婦期乳哺及婦、孕兒幼嬰）計品干（以3 g/d≤屬藻珠、念科藻珠、念門藻：藍屬種Nostoc sphaeroides號10第年2013品食兒幼嬰括包不圍范用使明說別特無屬藻、裸目藻、裸門藻：裸屬種Euglena gracilis號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、團門藻：綠屬種Haematococcus pluvialis號3第年2010標關相合符應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）計DHA肯）吾（Schizochytrium sp.藻壺：裂源來甲隱氏）寇（Ulkenia amoeboida藻壺氏）（Crypthecodinium cohnii藻號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、團門藻：綠屬種）（extract Dunaliella salina/）計素卜蘿號17第年2004料原品食通普明說別特無屬藻旋、螺目藻殖、段綱藻：藍屬種Spirulina platensis 17 號第2004年料原品食通普明說別特無屬藻旋、螺目藻殖、段綱藻：藍屬種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現的含有營養素最豐富的食物之一。微藻內含有大量的生物活性物質，如蛋白質、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充劑和生物工廠制備各類具有生理活性的物質成分，如DHA 藻油、蝦青素等，其產品的應用出口相對較窄。藻油的開發占據微藻食品產業的主要市場。比起油脂含量，通常微藻中含有更多的蛋白質，而微藻蛋白在食品中的應用出口有待進一步開發。本文主要從可作為新資源食品及常見的微藻出發，闡述微藻蛋白的提取方法、營養與加工特性、生理活性及其在醫藥保健和食品中的應用和研究現狀，提出未來發展中可能存在的問題，旨在為新資源食品的研究與開發提供參考。

1 微藻的營養成分

蛋白質是微藻的初級代謝產物，是微藻最主要的物質成分之一。微藻的蛋白質含量一般在40%以上，在微藻干基物質中占比最高。某些微藻（如裂壺藻、小球藻）在特定的生長階段或生長環境中會累積更多的油脂。通常，微藻的總脂類含量占干物質的1%～70%，多數為直鏈型含偶數磷原子的甘油酸酯。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的重要原料。微藻中碳水化合物是微藻中另一個主要成分，其含量一般占干物質的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是微藻細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與儲藏有關的淀粉核。微藻淀粉的消化率較低，可能在糖尿病、腸胃系統疾病及減肥輔助藥物的研制中存在巨大的潛力。表2列出了一些常規農作物以及常見的與食品相關的微藻的蛋白、脂肪和碳水化合物的大致含量。同傳統的農作物相比，微藻中含有更高的蛋白和脂類物質。不過，微藻中營養成分的含量受微藻生長階段與培養條件的影響，如蛋白核小球藻在氮源充足的培養條件下，其蛋白質含量可達60%，而在氮源不足的情況下，在生長階段其細胞內的脂類含量可達86%[4]。一般而言，工業化生產的螺旋藻在適宜的培養條件下，其蛋白質含量可達60%～70%，其色素蛋白（如藻藍蛋白Phycocyanin）約占總蛋白含量的20%，是優質的蛋白質來源。

[8-14]）%比重干（占量含概大的分成養營本基最藻微的關相品食與物作農規常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

除了最基本的營養成分（即蛋白、脂肪和碳水化合物）外，微藻細胞中含有十分豐富的與人體生長發育直接相關的維生素與礦物元素。據報道，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，可占其干物質重量的10%以上。除上述營養素外，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現的含有營養素最豐富的食物之一。

2 微藻的生物質培養與生產策略

微藻的培養方式靈活多樣，根據微藻的種類與特性可選擇自養、異養或混養的模式來培養獲取微藻生物質。其中，光自養是微藻產業中最為常見的養殖方式，微藻通過光合作用，利用光能將無機碳源（如二氧化碳、碳酸鹽等）轉化成有機物，這是一種經濟、環境友好型的養殖方式。由于沒有向培養基中添加有機碳源，因此污染風險較小。光自養養殖的微藻細胞密度與生長速率往往較低，導致微藻生產力和能源利用效率不高。異養培植是指利用有機碳源（如葡萄糖、蔗糖等）作為能源，在沒有光照的情況下對微藻進行培養。異養培植可在傳統的發酵罐中進行，發酵罐的搭建和操作成本相對較低，通?？梢援a生相當高的生物量密度。據報道，蛋白核小球藻采用異養的培植方式，其生物量密度可以高達100 g/L 以上，比光自養養殖的密度高80 倍[15-16]，而且異養培植的實驗室產量通?？稍诠I規模上進行復制。異養培植在大規模培養食用微藻中具有突出的優勢，其主要優點是生物量高，生產參數控制準確簡單，并且微藻大規模發酵生產可以借鑒傳統微生物發酵積累的經驗，其生產的技術壁壘相對較低[5]。目前一些生物技術公司（如Solazyme、Roquette Frères）可以成功地異養生產多種商業用途的微藻?；祓B是通過補充無機碳源和有機碳源，將光自養和異養結合起來的培養模式。有研究表明，微藻在混合營養模式下培養的生物量比單純的采用光自養或異養方式養殖更高[17]。在混養條件下，微藻有氧呼吸產生的二氧化碳可能會在細胞內直接被光合作用所利用，提高了其生長效率[18]?；祓B條件下微藻的代謝過程非常復雜，在混養培植過程中，隨著微藻細胞密度的逐步升高，光能在細胞間會被逐漸稀釋，微藻的光自養水平會逐漸降低。對混養模式而言，維持微藻光合作用和呼吸作用之間的平衡是一個艱難的挑戰。

微藻培植的另一個特點是通過調整培養條件刺激特定代謝產物（如蛋白質、碳水化合物或脂質）的積累。微藻中的蛋白質等成分的含量可以根據其應用特點進行調整，這為微藻在食品中的應用提供了更大的靈活性。微藻中的蛋白質產量與培養基中的氮源（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。據Guccione等[19]報道，小球藻（Chlorella sp.）的蛋白質含量在富含氮源的培養條件下比缺氮培養高1 倍左右。此外，培養條件（如pH 值、溫度）以及磷元素的含量也是影響微藻中蛋白質累積程度的重要因素[20]。針對不同的微藻制定合適的培養方案以累積特定的營養素，一直是微藻研究領域的熱點。

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，分布于微藻細胞的各個部分，即細胞壁、細胞質、細胞器和細胞核中[21]。文獻中報道的關于微藻中蛋白質含量的數據，大多數是基于對粗蛋白估計，是通過微藻生物質水解后的總氮含量估算得到的。除蛋白質外，微藻的其它成分，如核酸、葡糖酰胺和細胞壁也含有氮，這會導致高估真實的蛋白質含量。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]。據報道，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系數分別為5.95 和4.44[22]。

有些微藻具有較厚的細胞壁，為了充分釋放微藻細胞中的蛋白，提高蛋白的提取效率，通常需對微藻進行破壁和細胞粉碎處理。目前，常用的細胞粉碎方法有機械處理與非機械處理，機械處理包括研磨、高壓、均質、超聲處理等手段，非機械處理包括物理手段（如負壓、凍融、微波處理等）、化學手段（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胞破碎、蛋白溶解、分離、濃縮、絮凝、純化等程序。Safi等[24]對比評估了凍融、高壓均質、超聲、手工研磨和化學處理等各種預處理手段對微藻蛋白質提取的影響。他們采用不同的預處理對質量分數為2%的微藻懸濁液（分別為紫球藻、鈍頂節螺旋體、普通小球藻、擬球藻和雨生紅球藻）進行破壁處理，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，結果發現機械處理能夠更有效地破壞微藻的細胞壁和蛋白質聚集，使微藻蛋白更有效地溶出；而高壓均質是所有評估方法中提取微藻蛋白的最有效方式，高壓均質釋放了微藻細胞壁中近一半的蛋白質。不同的細胞破壁技術對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，可能對處理技術有特殊的要求。近年來，隨著科技的進步以及微藻研究領域的發展，微藻破壁與蛋白分離的技術也在不斷革新，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]。針對不同的藻種特性，結合幾種不同的處理技術，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鍵。

4 微藻蛋白的物化特性

蛋白質的溶解性、凝膠性、乳化性、發泡性等物理化學性質不僅在食品生產加工中至關重要，還會影響產品的儲藏和消費。通常情況下，蛋白質溶解度與其凝膠化、乳化和起泡性呈正相關[28]。蛋白質凝膠化是食品生產中常用的一種性質，它能將各類食品成分結合在一起，不僅形成固態凝結，還能起到增稠的作用。蛋白的乳化性能是蛋白質食品加工中另一重要的功能性質，通常以蛋白的乳化力（Emulsifying Capacity） 和乳化穩定性（Emulsion Stability）為衡量指標。而發泡性是氣體分散在液體或固體材料中的結果，對食品質地、感官能夠產生重大影響。

2019年，Grossmann 等[29]綜述了有關微藻蛋白的研究，總結出微藻蛋白的乳化、起泡性等物化性質與乳清蛋白和大豆蛋白相當。微藻蛋白比許多其它來源的蛋白質具有更好的溶解性。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]報道了從普通小球藻中獲得的蛋白質的乳化力為（3 740±20）mL油/g蛋白質，乳化穩定性為（72±1）%，這比一些商業乳化蛋白質，如酪蛋白酸鈉（3 250 mL油/g蛋白質±40 mL油/g蛋白質，62%±1%）和大豆分離蛋白（1 780油/g蛋白質±30 mL油/g蛋白質，61%±1%）更高。近期，B?cker 等[33]使用界面剪切流變技術評估鈍頂螺旋藻的蛋白提取物的乳化潛力。研究發現，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可在油-水界面產生更小的乳化液滴和更強的黏彈性網絡。在發泡性能方面，微藻的蛋白質提取物可以產生穩定的泡沫，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定性。鈍頂螺旋藻蛋白在pH=10 時的泡沫容量較高（＞250%），而其泡沫穩定性非常低[35]。蛋白核小球藻的蛋白質表現出較高的泡沫穩定性（180 min 后為97%），而其泡沫容量（95%）遠低于大豆蛋白質（235%）[36]。目前，與傳統類作物蛋白相比，微藻蛋白的研究信息相對較少，關于微藻蛋白的物化加工特性的研究報道也比較零散。由于微藻及其蛋白種類的多樣性，微藻蛋白理化性質也是豐富多樣的，適當地調整其配方與配比，能夠滿足其在食品生產加工中的廣泛應用，微藻蛋白在未來食品工業中的應用具有極大的開發潛力。

5 微藻蛋白的營養特性

蛋白質的營養價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營養品質的重要指標。表3列出幾種微藻的必需氨基酸含量，并與一些常規食品和世衛/糧農組織（WHO/FAO）推薦的8 種必需氨基酸模式標準進行比較。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，因此在飲食或產品配方開發上通常需要幾類食物的平衡搭配。同許多常規的食品相比，微藻類的氨基酸含量以WHO/FAO 的參考標準相比是更合理的。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 的標準來看，小球藻和鈍頂節螺旋體的必需氨基酸指數（EAAI）高于小麥、玉米等作物蛋白，與肉類及大豆相當[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價值也是一個值得探索的研究領域。

表3 幾種微藻的必需氨基酸含量（g/100 g 蛋白）同常規食品與WHO/FAO 推薦標準比較[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、凝集素等抗營養因子，限制了人體對蛋白質的吸收。通常會用生物利用度作為一種營養指標來反映蛋白質的質量，評估人體對蛋白質的消化率和吸收率。據報道，小球藻和螺旋藻蛋白的生物值（BV）約為51～82，生物利用度（以蛋白質效率PER、凈利用率NPU 及消化系數DC 反映） 約為酪蛋白的80%，總體低于雞蛋、肉類等動物蛋白，而與大豆蛋白相當，優于小麥蛋白。整體而言，微藻仍是優質的蛋白來源。

6 微藻蛋白及相關成分的生物功能活性

微藻中的蛋白大多數是酶蛋白，此外，還有一些與蛋白相關的物質成分，如蛋白復合物、多肽及多肽類復合物等，通常這些蛋白成分具有獨特的生物功能活性。有些活性蛋白對人體有益，具有預防或治療多種疾病的潛力，可作為細胞毒性和酶抑制劑，具有抗病毒、抗菌、抗腫瘤以及誘導生物調節（如免疫抑制和抗炎性疾?。┑茸饔?。這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業中具有重要的開發價值。

6.1 蛋白酶與蛋白酶抑制劑

人類許多疾?。ㄈ缧难芗膊?、癌癥、炎癥或神經退行性疾病等） 的病因是由自身體內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與疾病的治療[38]。蛋白酶參與生物體的許多重要生理反應，是一類蛋白水解酶和信號分子。蛋白酶是全球酶市場上的主要產品（＞60%），被廣泛應用于食品加工、生物修復、洗滌劑生產和制藥等產業。而蛋白酶抑制劑一般是一類小分子多肽類物質，具有蛋白酶底物的類似結構，通過與蛋白酶結合來抑制其活性。微藻可產生多種蛋白酶抑制劑，其中有幾類微藻的代謝產物可以對哺乳動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。以銅綠菌素為基礎合成的化合物可用于治療和預防血栓形成[39-40]。由泡沫節球藻（Nodularia spumigena） 和魚腥藻（Anabaena compacta） 產生的一類直鏈四肽化合物Spumigins，對胰蛋白酶樣絲氨酸蛋白酶具有很強的抑制能力[41-42]。此外，微藻內合成的絲氨酸蛋白酶抑制劑大多數是環縮肽類化合物，此類化合物對胰蛋白酶、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）是很強的彈性蛋白酶抑制劑，對治療和預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換酶（ACE-I）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）[45-46]，可用于治療和預防心血管疾病的新藥與保健食品研制。

6.2 抗菌活性

目前細菌對抗生素的耐藥性在不斷增加，全球范圍內迫切需要新的抗菌藥物。關于海洋浮游植物抗菌特性的首次報道，可以追溯到1959年Sieburth[47]報道的以球形藻（Phaeocytsis sp.）為主的水樣抑制細菌生長的研究。從此，從海洋藍藻、硅藻、綠藻、甲藻、裸藻等微藻中提取的各類粗提物、細胞裂解物、脂肪酸、萜類、酚類、甾醇、肽、生物堿和色素等被證實具有抑菌和殺菌活性[48]。以微藻為平臺，表達生產的抗菌肽及內溶素（endolysins） 對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.）為生物反應器，表達生產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溶素。由于對抗菌肽和內溶素產生耐藥性的情況很少見，因此內溶素有望作為新型抗生素應用于食品及藥品中。從微藻中獲得新的抗菌化合物是被公認的新藍海。

6.3 抗氧化、抗炎與抗癌活性

微藻等微生物細胞缺乏外部防御機制，其自身會采取化學防御策略，通過產生一些次級代謝產物來應對環境壓力的變化。某些次級代謝產生的化合物的功能活性可能就是為了增加其細胞生存機會或使其在特殊條件下保持一定的生長速度[48]。細胞癌變在一定程度上被視為是對環境壓力的反應，因此微藻中參與防御機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）被證實具有抗氧化、抗炎以及抑制癌細胞生長、轉移的能力。據報道，藻藍蛋白能夠清理超氧化物和氫過氧化物等自由基，在抗氧化應激、抗疲勞或抗失眠中具有很好的作用。此外，藻藍蛋白還可以提高淋巴細胞活性，能夠調節人體免疫系統，提高人體對疾病的抵抗力[50]。Baudelet 等[51]研究發現從藍藻中分離的C-藻藍蛋白和別藻藍蛋白的8 個組分中，有兩種組分能抑制90%以上的黑色素瘤細胞生長，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，也可制成熒光試劑，用于臨床醫學診斷和免疫化學及生物工程等研究領域，在食品和醫療保健上具有很高的開發、利用價值。

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，尤其是非常規的蛋白食品是安全可食用之前，必須經過一系列詳細而嚴格的毒理學測試。目前，普遍認為鈍頂螺旋藻（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）的干燥生物質是通株可食的[1，6]。據目前可查信息，所有的動物短期或長期喂養試驗以及急性或慢性毒性研究，包括人體研究，均未發現食用這些藻類產生負面影響的證據。

隨著時間的推移，越來越多微藻種屬被發現，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，如生物和化學污染，可以通過加強管控栽培環境來緩解、控制。更大潛在的安全風險可能是一些微藻物種會產生毒素（如甲藻、硅藻和藍藻）[52]，因此，在應用到食品之前，需要仔細研究其生物毒性。

對食品工業生產而言，過敏性是需要考慮的另一個重要因素。牛奶、花生、大豆和小麥是最常見的一些食物過敏原，與之不同的是，微藻蛋白的過敏反應具有物種特異性。據報道，有些人服用螺旋藻（A.platensis）片會產生過敏反應，而對小球藻（C.protothecoides）源蛋白質過敏的人群很少或沒有[53-54]。值得注意的是，大多數對螺旋藻片劑過敏的患者也容易對廣泛的過敏原產生過敏反應。目前，關于微藻潛在致敏性的研究數據仍非常有限，根據現有研究數據來看，微藻蛋白不是強致敏原。

8 微藻蛋白在食品中應用的發展潛力與挑戰

自上世紀以來，因人口增長與糧食危機加劇，故人類在不斷尋找新的食物來源。微生物因蛋白含量高，生長繁殖快的特點而日益為人們所重視。作為單細胞蛋白（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價值，而且同其它SCP 來源（如細菌和酵母）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充劑應用于保健食品領域。從螺旋藻等微藻中提取的藻藍蛋白在保健食品及醫藥等領域具有重要的應用價值。作為天然的食用色素，藻藍蛋白如今廣泛應用于飲料等食品領域[55]。目前國內已有生產藻藍色素的上游廠商。隨著藻藍蛋白穩定性與加工技術的改善，以及原料成本的控制，藻藍蛋白的食品應用市場有望進一步擴大。

近年來，微藻及其粗蛋白在傳統食物領域的應用也顯示出良好的發展勢頭。目前，市場上有將螺旋藻和小球藻藻粉應用于面包、面條、零食、調味品及飲料等領域，以改善其產品的營養價值、顏色和質地的穩定性[54-57]。例如，添加螺旋藻藻粉（其粗蛋白含量可達70%以上） 的烏冬面或意大利面等產品，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域的應用帶來一些限制。據報道，在混養和異養模式下培養的微藻葉綠素的積累較少[58]。最近的研究表明，異養小球藻等微藻蛋白提取物具有良好的感官特性，這是可將其廣泛應用到食品的先決條件[59]。此外，通常植物蛋白的技術加工性比較差，如豌豆、土豆或大米蛋白，在低pH 值下蛋白質分散性差、口感不好，阻礙了它們在配方飲料中的使用，而微藻蛋白在較寬的pH 值范圍內具有高發泡、乳化和穩定能力[30-31]，可以很好地彌補此類空白。

近期的研究表明，微藻及其蛋白在肉制品和植物肉領域中也具有很好的開發應用潛力[60-61]。近年來，植物肉相關領域的研究受到越來越多的關注。植物肉產業的發展對于緩解因人口增長帶來的動物蛋白短缺，減少環境污染等具有重要意義。同傳統肉類蛋白相比，植物基蛋白具有低脂肪、高纖維、無膽固醇等特點，更符合當前人們對健康食品的要求。而傳統的作物蛋白的生產依賴于耕地，且同動物蛋白的風味、理化性質差異較大，存在營養與生物利用率偏低、致敏率較高等問題，制約了植物肉產業的發展。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，是良好的可持續性未來食品蛋白質來源，其獨特的鮮味多肽與風味物質，在替代肉產品及海產品中具有巨大的開發潛力。

目前，微藻蛋白在食品中的應用還處在探索與發展階段。在我國，大規模工業化生產的微藻主要是螺旋藻與小球藻，螺旋藻約占整個微藻類市場的三分之二。這兩種藻的生產對生產設備與技術要求相對較低，其養殖方式主要以傳統的開放式的跑道池系統為主。該類系統易于構建和操作，可擴展性高，生產成本低，然而容易受到生物和化學污染。不過，螺旋藻是一種嗜堿性藍藻，培養基中的過高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勝潛在的污染物?，F階段制約微藻蛋白在食品領域中應用的關鍵主要還是技術與成本的問題。微藻的培植與傳統的作物種植方式有著很大的不同，現階段成熟而系統的作物種植與收割技術無法整套轉用于微藻的培植。較傳統的農作物種植，微藻的生產成本偏高。

為了擴大微藻產業規模，需要解決生物量生產的能效問題。目前，微藻的工業生產主要在開放式的跑道池或封閉的管道中進行，污染的防治與低密度的生物量增加了微藻的生產與收獲成本。而微藻高密度異養發酵是解決目前產業難題的關鍵，其生產效率高于光合培養，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域應用的關鍵。工業上為降低成本達到效益最大化，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，最后剩余的殘渣也可以用作飼料、堆肥等原料。開展綠色、高效、經濟、環保的微藻培植與蛋白等組分分離技術的研究，仍是當下微藻研究領域的熱點。

9 結語

微藻作為新資源食品具有豐富的蛋白質、藻多糖、脂質和類胡蘿卜素等活性物質。通常而言，微藻的蛋白質含量比傳統的農作物都高，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，消化利用率相對較高。微藻及其蛋白質種類豐富多樣，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中的多種應用。某些微藻蛋白類物質還具有特定的生物活性，如抗菌、抗癌活性，在功能食品及醫療保健品中具有巨大的開發價值。然而，目前國內外對微藻蛋白的生產與開發利用的研究仍十分有限，微藻在大規模生產與高品質蛋白分離技術方面還有著很大的進步空間。微藻粗蛋白在未來食品中的應用出口，有待進一步擴大。隨著更多自動化、環保、高效、低能耗的技術應用，微藻蛋白正在逐步走向普通食品市場，走向老百姓的餐桌。