螺旋藻的营养健康功能及在食品中应用研究进展

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-09-16 08:12 热度：

　　摘要：螺旋藻(Spirulina)是产量和产值最大的微藻，大约90%的螺旋藻都被用作膳食补充剂。本文从量效关系角度分析了螺旋藻功效成分、摄入量与营养素补充之间的关系;总结了螺旋藻解决现代人群慢性病的应用研究进展，概述了螺旋藻在食品工业的应用研究进展。根据螺旋藻中功效成分含量与推荐摄入量(RNI)或适宜摄入量(AI)之间的关系，每日摄入3g螺旋藻粉可以补充2g左右优质蛋白，同时补充人体每日所需的维生素A、维生素B12、维生素K1、维生素K2和铁，也能够有效补充部分锰和碘。临床研究结果显示每日补充1-19g的螺旋藻在降血脂、减肥、降血糖、降血压、治疗非酒精性脂肪肝病等方面具有显著治疗效果。螺旋藻中诸多营养成分(叶绿素、藻蓝蛋白等)对光热的敏感性导致螺旋藻在食品工业的应用存在挑战，这也为开发适合食品工业的稳态化螺旋藻及相关配料带来机会。

　　关键词：螺旋藻，推荐日摄入量，营养补充，慢性病，辅助治疗

　　螺旋藻(Spirulina)是“节旋藻”(Arthrospira)的俗称，属于蓝藻门、蓝藻纲、颤藻科、螺旋藻属的低等原核生物。螺旋藻由单列细胞组成不分枝的丝状体，藻丝体长200~500μm，宽5~10μm，呈有规则的螺旋形弯曲。螺旋藻具有固碳、固氮、吸附金属离子的能力，在环境保护、碳中和、再生能源领域有诸多报道;在医学/药学[1,2]、营养膳食补充[3,4]等方面也有广泛用途[1,5]。螺旋藻曾被联合国用于推动消除发展中国家的饥饿和营养不良现象，还被用于国际空间站为航天员提供食物和氧气[5]。螺旋藻功能的多样性主要归因于其生物学特性和丰富、全面的营养成分(见图1)。螺旋藻在我国既作为普通食品管理，也被允许作为备案制保健食品原料，可食用的螺旋藻主要指钝顶螺旋藻和极大螺旋藻两类。以螺旋藻为原料的注册保健食品有207个批准文号，主要是锭片剂型[6];以螺旋藻为主要原料的药品在我国有15个批准文号，主要为含0.2g、0.35g螺旋藻粉的锭片和含0.35g螺旋藻粉的硬胶囊两类[7]。

　　本文主要基于量效关系对螺旋藻的日摄入量与营养补充的相互关系进行综合分析，同时对螺旋藻的临床营养功能进行总结概述，最后对螺旋藻在食品工业的应用进展进行扼要说明，旨在为螺旋藻应用于大健康产业提供一个全面衔接的信息桥梁。

　　1螺旋藻营养成分

　　螺旋藻作为一种“超级食品”已被诸多组织推荐，代表性的营养成分包括蛋白质(含藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白)、维生素、金属元素、γ-亚麻酸、类胡萝卜素、叶绿素等，但不同藻种、养殖条件和分析方法，数据间会存在差异。

　　螺旋藻藻粉的日推荐摄入量为3~4g/d[8]，市售螺旋藻产品的日推荐摄入量为2~9g/d。根据《维生素和矿物质补充剂导则》(GuidelinesforVitaminandMineralFoodSupplements)，食物中所含维生素和矿物质的日推荐摄入量高于FAO/WHO所制定日推荐摄入量的15%时可成为膳食补充剂[9]。3g螺旋藻粉中微量营养成分(维生素和矿物质)含量见表1，螺旋藻可以作为维生素A、维生素B12、铁、锰等营养素的膳食补充剂。除以上微量营养成分外，3g螺旋藻粉中还含有1.5~2.3g的优质蛋白质，蛋白质中含有总藻蓝蛋白519mg、C-藻蓝蛋白240mg;其他的营养成分包括糖类17%~25%，叶绿素30mg、类胡萝卜素15mg、玉米黄质9mg、β-胡萝卜素6.8mg、超氧化物歧化酶1080U、γ-亚麻酸30~60mg[1]。

　　1.1螺旋藻蛋白

　　螺旋藻含有50%~78%的蛋白质和人体需要的全部氨基酸[12]，且蛋白质净利用率(NPU)和蛋白质功效比值(PER)分别高达53%~92%和1.8~2.6。优质螺旋藻的氨基酸评分均大于100[13]，螺旋藻的消化率成为其蛋白质氨基酸评分的第一限制因素。螺旋藻蛋白主要由藻胆蛋白(结构式见图2)组成，藻胆蛋白由载体蛋白和发色团通过硫醚键共价链接，每分子藻胆蛋白含α和β两条多肽链，每条多肽链含一个或多个共价连接的发色团。

　　螺旋藻中藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白的比例约为4∶1。藻蓝蛋白作为螺旋藻中特有的光合色素，含量高达螺旋藻干基的20%[14]，从而使螺旋藻成为工业生产藻蓝蛋白的首选原料。藻蓝蛋白是蓝色的水溶性色素，分子中含有3个色基，分别连接在α-84、β-84和β-155位上;分子量(Mw)44kDa、等电点(pI)为4.3、最大吸收波长620nm、室温荧光发射峰为640nm，为三聚体成环结构。藻蓝蛋白在60℃以下热稳定性较好，温度达到或超过60℃，热稳定性明显下降;温度升至70℃时，藻蓝蛋白溶液立即褪成无色并出现蓝灰色絮状沉淀[15]。常温可见光条件下，藻蓝蛋白溶液的荧光在一个月内将完全消失。室温光照保存10d，100ppm藻蓝蛋白溶液中的色素保存率仅为19.34%，在40℃避光保存10d，藻蓝蛋白的色素保存率仅为24.89%[16]。藻蓝蛋白具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎、增强免疫力等功能活性，具体可参见姜国庆等的综述[17]。

　　别藻蓝蛋白(异藻蓝蛋白)是孔雀蓝色的水溶性蓝色素，Mw38kDa、pI4.6、最大吸收波长650nm、室温荧光发射峰为657nm，别藻蓝蛋白在螺旋藻中的含量可以达到44.08mg/g(干基)[18]。

　　1.2螺旋藻多糖

　　糖类占螺旋藻粉干基的12%-15%[1]，螺旋藻多糖是酸性多糖，主要由鼠李糖、甘露糖、葡萄糖、木糖等组成[19]，不同提取方法所得螺旋藻多糖的得率和分子量并不一致。硫酸铵和叔丁醇三相萃取螺旋藻粉的螺旋藻多糖得率为9.25%，纯度为86.17%[20];采用40%乙醇溶液萃取螺旋藻多糖，得率为8.92%[21]。Majdoub等[22]报道螺旋藻多糖的平均分子量为199kDa，且硫酸根约占干重的20%;热水浸提所得螺旋藻多糖的分子量为250-300kDa[23];Pugh等[24]认为螺旋藻多糖的分子量超过了100,000kDa(10millionDa)，Chaiklahan等[25]报道90℃提取的螺旋藻多糖具有高的抗氧化活力，且纯化螺旋藻多糖的分子量为212和12.6kDa。

　　螺旋藻多糖具有调节免疫力、抗病毒、抗肿瘤、抗辐射、抗突变、抗氧化、降血糖、降血脂等功能活性，具体可参见涂芳等的综述[26]。

　　1.3γ-亚麻酸

　　螺旋藻中的脂类物质约为6%-13%，其中可皂化的约占83%，不可皂化物约占17%，脂类物质中超过50%为脂肪酸，由十一碳烷酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、γ-亚麻酸等组成，根据培养基的不同，螺旋藻粉中脂肪酸组成比例亦不同[27,28]。其中γ-亚麻酸分别占极大螺旋藻和钝顶螺旋藻总脂肪酸的10%-20%和30%-49%。γ-亚麻酸作为一种ω-6脂肪酸具有保持血管LDL-C正常、保持血压正常、缓解女性经期不适、促进认知、抗炎、延缓皮肤衰老等功能[29]。

　　1.4微量营养素

　　(1)维生素

　　维生素A：β-胡萝卜素是维生素A的前体，钝顶螺旋藻中类胡萝卜素的含量为0.1~0.4mg/g[30]，β-胡萝卜素占总类胡萝卜素的69.5%[31]。Annapurna等[32]曾对3~5岁的儿童每日补充1200μgβ-胡萝卜素当量的螺旋藻，发现螺旋藻中总类胡萝卜和β-胡萝卜素的吸收率分别为72.3%和75.2%。血清中的视黄醇浓度均有显著的提高。王杰等[33]对210例7~9岁儿童进行了为期10周的营养干预，在早餐中添加0、2和4g螺旋藻(相当于日摄入视黄醇当量118、617和1051μgRE/d)，膳食干预前后儿童血清维生素A水平基本相同，但螺旋藻组肝脏维生素A储备量分别增加了0.13、0.26和0.39μmol/L。这说明螺旋藻可以作为维生素A的膳食补充剂。

　　维生素K：维生素K是含有2-甲基-1,4-萘醌母核的一族脂溶性维生素，根据侧链结构的不同，天然维生素K分为维生素K1和维生素K2(MK-n)两类。维生素K2，特别是MK-7具有增加血浆羧化骨钙素(cOC)从而增强骨密度、降低动脉钙化等生理活性[34-38]。3g螺旋藻所摄入的维生素K1、维生素K2分别达到了日推荐摄入最大量的60%和15%。目前尚未有关于螺旋藻中维生素K对骨骼健康影响的临床报道，但动物实验结果显示，螺旋藻对模拟失重大鼠饲料钙的表观吸收率、骨密度、骨钙含量以及骨钙素水平均高于对照组，且血钙浓度显著低于对照组，表明螺旋藻对骨代谢有益，可以减少模拟失重大鼠后肢骨质的丢失，提高了骨密度[39]。

　　维生素B12：研究表明，20g螺旋藻能满足人体所需的维生素B1、维生素B2和维生素B3。螺旋藻含有大量的维生素B12(咕啉类物质)，但Watanabe等[40]发现螺旋藻中的维生素B12大部分(约83%)为伪维生素B12(PseudovitaminB12，类似维生素B12的物质)，且对哺乳动物维生素B12的代谢没有影响[41]。维生素B12的检测方法有微生物法和化学发光法，且化学发光法检测维生素B12的结果约为微生物法的8%~9%。但微生物分析结果显示螺旋藻中36%的维生素B12对人体有活性，其维生素B12的活性物质包括维生素B12和甲基钴胺素，大约为35~38μg/100g干基[42]。培养液中的钴盐(CoSO4)对螺旋藻中伪维生素B12的含量有显著影响，如果用维生素B12代替钴盐，螺旋藻中伪维生素B12的含量将显著降低，且螺旋藻的生长速率和产量没有影响[43]。

　　(2)矿物质

　　螺旋藻中的矿物质元素与培养基中的微量元素紧密相关，常用的Zarrouk、改良Zarrouk培养液中均含有A5和B6微量元素[5,44]，从而使螺旋藻具有补充矿物元素的可能。

　　铁：朱碧贞等[45]对154例6~14岁缺铁性贫血儿童补充螺旋藻(0.35g/粒，2粒/次，3次/d，疗程1个月)。治疗期间，不另加营养，不使用其他类似铁制剂，饮食供给如常。疗程结束时，患者血红蛋白、血清(血浆)铁和红细胞游离原卟啉恢复正常值的有效率分别是81.1%、92.1%和71.3%，结果显示螺旋藻可以作为天然膳食补充剂治疗缺铁性贫血。高风正等[46]比较了螺旋藻、小球藻和聚球藻对缺铁性贫血模型小鼠进行铁膳食补充的效果，发现同一剂量水平，螺旋藻组的补铁效果显著优于硫酸亚铁组、小球藻组和聚球藻组。

　　碘、锰：日补充3g螺旋藻的前提下，碘和锰的摄入量虽然达不到膳食补充剂所要求的占推荐日摄入量的15%，但高于10%，对于机体碘、锰元素的补充也有一定作用。

　　2螺旋藻的功能特性

　　螺旋藻具有很多保健功能(增强免疫力、降血糖、降血压、抗氧化、抗脂肪肝、减肥、抗癌、抗菌、等，图1)，具体表现为：

　　2.1提升免疫力

　　螺旋藻对免疫系统的作用可参考MATUFI等[47]的综述。谭玉燕等[48]采用随机对照实验对84例维持性血液透析患者(28-69岁)进行螺旋藻片(6g/d，0.5g/片，4片/次，3次/d)营养干预6个月后，发现螺旋藻组的院内感染率(16.7%)显著低于对照组(40.5%)。另外，螺旋藻组的血红蛋白(Hb)、血清白蛋白(Alb)和蛋白分解代谢率(PCR)值也显著(P<0.05)高于对照组。葛洋等[49]采用随机对照实验对100例恶性肿瘤病人(18-70岁，II/III/IV期)在化学药物治疗的前两个周期进行螺旋藻营养补充(100mg/粒，3粒/次，3次/d)，结果显示，螺旋藻组的白细胞数和中性粒细胞数显著增加，重度骨髓抑制的发生率显著(P=0.03)下降，且治疗方案修正率也显著(P=0.01)下降;螺旋藻组的免疫球蛋白M和CD8+T细胞显著增加。所以，螺旋藻能够显著提升机体的免疫力，特别是术后、机体免疫力低下的人群。

　　2.2降血糖

　　在一项肥胖患者接受高血压治疗的研究中，患者每日补充2g极大螺旋藻，螺旋藻组的胰岛素敏感性比率得到了提高。2型糖尿病患者持续补充螺旋藻(2g/d，2月)，空腹血糖、餐后血糖和糖化血红蛋白(HbA1c)的水平降低[50,51];糖尿病患者持续补充螺旋藻胶囊4周(4.2g/d，0.35g/粒，1.4g/次，3次/d)，能够显著增加血清铁浓度，血红蛋白与对照组无显著差异，但糖基化血红蛋白的浓度显著降低[52]。非酒精性肝病患者持续补充螺旋藻(6g/d，6月)成功降低了的HOMA法胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)[53]。一个胰岛素抵抗HIV阳性患者每日摄入19g螺旋藻，持续2个月，胰岛素的敏感性有显著提升[54]。

　　螺旋藻改进葡萄糖代谢的机理可能是螺旋藻中高含量的蛋白和纤维降低了机体对糖的吸收，同时增加了胰岛素分泌[54]。补充螺旋藻增加胰岛素敏感性的作用部分归功于低水平的白细胞介素-6(IL-6)[55,56]，从而抑制了胰岛素信号分子(比如胰岛素接受体底物)，最终抑制了葡萄糖转运蛋白4转移至细胞表面，降低葡萄糖在肌肉和脂肪组织的吸收[54]。

　　与二甲双胍相比，钝顶螺旋藻能够显著改良高脂肪饲料/低剂量链脲霉素所引起的血糖、胰岛素和肝酶的快速上升。螺旋藻可以矫正2型糖尿病模型小鼠的血清脂肪组成，通过肿瘤坏死因子a和脂联素的调节展现出抗炎作用。螺旋藻降低了肝组织固醇调节元件结合蛋白1c(SREBP-1c)的表达体现出抗脂肪肝的作用，螺旋藻能够通过显著增加过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)γ辅助活化因子-1α(PGC-1α)、线粒体转录因子A(Tfam)和线粒体DNA(mtDNA)的拷贝数而促进受损肝脏线粒体合成[57]。

　　2.3降血压

　　超重人群每日补充4.5g螺旋藻，持续6周后表现出降血压作用[58];2型糖尿病患者持续12周每日补充8g螺旋藻也有降血压作用[55]。Martinez-samano等[59]采用随机实验对16名18周岁以上的介于1、2期系统性动脉高血压患者在进行ACE抑制剂治疗的前提下，辅以4.5g/d极大螺旋藻，持续12周，螺旋藻组的动脉血压、sVCAM-1、sE-selectin和内皮素-1的水平显著(p<0.05)降低，而谷胱甘肽过氧化物酶活性和氧化谷胱甘肽水平显著(p<0.05)上升。

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　　Carrizzo等[60]发现，经过体外模拟胃肠消化处理的钝顶螺旋藻原料对小鼠受阻血管产生了直接的内皮型一氧化氮介导的血管舒张。进一步采用多肽组学方法将螺旋藻的初级消化物分成5个部分(A-E)，只有组分E能够激发血管舒张作用，组分E中存在4种主要肽段(SP3-SP6)，其中，仅SP6(GIVAGDVTPI)在离体血管中展现出直接的内皮依赖性血管舒张功能，经由磷脂酰肌醇-3-激酶/丝氨酸苏氨酸激酶(PI3K/AKT)通路汇集NO释放。另外，SP6在动物体内也有降血压作用，提升内皮型血管舒张的同时增加了血清中亚硝酸盐的水平。鲁军[61]发现钝顶螺旋藻经碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶水解后得到的异亮氨酸-谷氨酰胺-脯氨酸(Ile-Gln-Pro，IQP)和缬氨酸-谷氨酸-脯氨酸(Val-Glu-Pro，VEP)两种肽是血管紧张素转化酶(ACE)抑制肽，且均为非竞争性抑制剂。

　　螺旋藻通过增加eNOS合成、抑制ACE、抑制肾素血管紧张素系统(renin-angiotensinsystem)、抑制血管收缩代谢物(vasoconstrictingmetabolites)和抑制血小板聚集发挥降血压的作用。

　　2.4抗氧化作用

　　不良饮食习惯和不良食材能够改变身体代谢平衡，并对机体造成损伤。长时间摄入高过氧化值食用油，机体氧化压力平衡被打破，血清中的细胞色素P4502E1显著增加，且出现肝组织损伤，对实验用Wistar大鼠每日补充1g/kgbw螺旋藻能够降低氧化压力带来的损伤[62]。2g/d和5g/d补充螺旋藻也可以增加机体的抗氧化能力[63,64]。

　　肥胖引起的局部和全身炎症能产生多种并发症，包括氧化压力、胰岛素抵抗代谢血脂异常症、2型糖尿病、心血管疾病和高血压等，因此，炎症管理成为代谢综合症的关键治疗干预。在3项研究中，8g/d螺旋藻持续干预16-12周，血浆中IL-2升高、IL-6降低、超氧化物歧化酶(SOD)活力增加[56]，血浆丙二醛(MDA)水平降低[55]，血清脂联素水平升高，同时显著增加IL-2/IL-6比值和总抗氧化水平，降低非肥胖患者的硫代巴比妥酸反应物水平[65]。慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者补充螺旋藻(1g/d)2个月后，血清中的MDA和脂肪过氧化值降低，增加了SOD和谷胱甘肽S-转移酶(GST)的活力以及谷胱甘肽(GSH)、维生素C的浓度[66]。补充螺旋藻也能够提高机体休息状态或者运动24h后的GSH水平以及降低运动后硫代巴比妥酸反应物的水平[67]。

　　螺旋藻的抗氧化和抗炎症作用可归功于其所含的藻蓝蛋白、β-胡萝卜素、维生素E和γ-亚麻酸等。其中，藻蓝蛋白能够有效清除自由基、活性氧(reactiveoxygenspecies，ROS)，抑制诱导性一氧化氮合成酶(induciblenitricoxidesynthase，iNOS)的表达，降低亚硝酸盐的生成，抑制肝脏微粒体脂质的过氧化。β胡萝卜素多不饱和双键特性具有抗氧化和抗炎症的作用，是有效的膜抗氧化剂，可以抑制氧引起的脂肪过氧化反应(oxygen-mediatedlipidperoxidation);另外，β-胡萝卜素阻断了细胞间ROS的累积，抑制了与炎症相关的基因iNOS、COX-2、TNF-α和IL-1β的表达，也抑制了iNOS和核转录因子κB(nuclearfactorkappaB，NF-κB)促进子的活力。

　　2.5对非酒精性脂肪性肝病的作用

　　非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一种与胰岛素抵抗和遗传易感密切相关的代谢应激性肝损伤，疾病谱包括非酒精性单纯性肝脂肪变、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、肝纤维化、肝硬化和肝细胞癌(HCC)。NAFLD不仅可以导致肝病残疾和死亡，还与代谢综合征(MetS)、2型糖尿病(T2DM)、动脉硬化性心血管疾病及结直肠肿瘤等的高发密切相关。目前，治疗NAFLD主要是改变生活方式，诸如通过饮食和运动实现减重。另外，包括抗氧化剂、抗炎、胰岛素增敏剂、降脂剂在内的大量药物和补充剂已经作为备择治疗方案应用于病人和实验模型动物[68]。螺旋藻是NAFLD病人降低肝脏酶的一种有效膳食补充剂。在一个开放标签、非随机实验中，持续6个月6g/d的钝顶螺旋藻介入治疗，NAFLD病人的AST、ALT和γ-谷氨酰转移酶得到降低[53]。3个NAFLD病人每天补充4.5g极大螺旋藻也能够降低肝转氨酶[69]。由于螺旋藻消化过程中有助于消化道微生物的增生，因而具有益生元的作用[3]。螺旋藻在消化吸收过程中能够降低肝脏的MDA水平，同时升高GSH、SOD和一氧化氮水平，从而避免肝脏出现空泡病变、脂肪浸润(fattyinfiltration)和纤维化。小鼠实验显示，膳食补充螺旋藻通过降低肝酶渗透到血清中抑制肝毒性，也通过降低肝脏的脂质过氧化、出血、肝细胞坏死[70]。基于目前的认知，螺旋藻抑制肝脏的脂肪生成、抑制脂肪肝形成NASH主要通过抑制脂肪过氧化和清除自由基，或者间接提高肝脏中抗氧化酶活力[71]。螺旋藻在抑制脂肪肝方面具有特殊功效，但机理仍待进一步阐明。

　　2.6抗化学毒性

　　螺旋藻对阿米卡星(amikacin，AMK，丁胺卡那霉素/氨羟丁酰卡拉霉素)在新西兰兔中引起的肾毒性具有保护作用，且螺旋藻纯粉与维生素C存在协同增效作用[72]。对运用D-氨基半乳糖(D-GalN)制造急性肝脏毒性模型的Wistar小鼠进行丁基羟基甲苯(BHT)和破壁螺旋藻水溶液进行治疗。与D-GalN组相比，9%的螺旋藻水提物能够显著降低碱性磷酸(酯)酶和炎性标记物如TNF-α、IL-6和IL1β以及降低TBARS，增加了氧化压力标记物，如GR、谷胱甘肽(GSH)、GST、超氧化物歧化酶(SOD)、GPX和CAT和总蛋白。实验结果表明9%的螺旋藻水提物与BHT(饲料中含0.5%)同样具有保护肝脏免受危害的作用[73]。干螺旋藻粉能够吸附水体中的重金属镉[74]，螺旋藻对机体内的重金属有潜在影响。——论文作者：魏艳丽1姜国庆2,3彭坚4鲁绯2,3陈玉川5李东2,3许洪高2,3*1

文章名称：螺旋藻的营养健康功能及在食品中应用研究进展

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