小球藻高价值活性物质的研究现状及展望

1、2、1、库雷什·沙尼德莫伊1、顾1、1、刘金军1、1

摘要

微藻被认为是生物燃料、固碳和废水生物修复最理想的发展目标。其高附加值产品在医药、功能食品、化妆品和新饵料等领域具有巨大的发展潜力和前景。从小球藻活性物质的功效出发，探讨了小球藻活性物质的主要成分、分离纯化方法、作用机理和生物活性，分析了小球藻产品商业化应用中存在的问题，为今后小球藻高附加值产品的开发应用提供了理论依据和科学依据。

关键字

小球藻；活性物质；小球藻生长因子；生物活性

随着石油资源的枯竭和温室效应的逐渐加剧，人类迫切寻求更清洁、更绿色的可再生能源。与传统生物能源作物相比，微藻具有分布广、繁殖快、易培养、不与人争粮、不与粮争粮、含油量高等特点。，二氧化碳固定率是C3植物的10倍以上，且富含各种高价值、高营养的化合物，如蛋白质、多糖、脂类、色素、维生素、微量元素等。因此，微藻目前被认为是一种经济可行性研究表明，由于微藻生产成本的限制，开发生物燃料是不值得的，除非高附加值副产品的商业生产伴随着生物燃料的生产。如果藻类经过榨油或高碳汇后获得高附加值产品，即微藻能源和碳汇过程与其保健品、保健品和功能性食品的开发同步进行，不仅会大大降低微藻能源的生产成本，而且具有不可估量的市场经济价值。

小球藻是一种单细胞绿藻，不仅是国内外正在大力开发和培育的微藻能源和固碳藻类之一，而且富含多种高价值化合物，如磷多糖、天然色素、多种类胡萝卜素、ω-3脂肪酸和多酚类化合物本文从小球藻活性物质的神奇功效出发，探讨了小球藻活性物质的组成和作用机理以及小球藻产品商业化应用中存在的问题，为今后小球藻高附加值产品的开发和应用提供理论和科学依据。，并具有抗氧化活性、抗炎、抗肿瘤和抗病微生物等多种生物活性，因此，小球藻作为一种可持续的天然资源，替代人工合成的膳食添加剂，在人类防治方面具有潜在的应用价值为了保证具有营养和健康效益的高价值产品的可持续生产，需要解决微藻的大规模培养和生物整理过程。目前，作者已在实验室前期工作中申请了两项专利。一是“一种微藻培养优化设备”虽然小球藻具有许多健康价值，但大量研究表明，过量摄入小球藻会引起严重的不良反应，如过敏反应、恶心、呕吐等胃肠道问题。2016年召回的Soylent产品因以小球藻粉为原料导致过敏反应。此外，小球藻可诱发急性肾小管间质性肾炎，引起肾功能衰竭蛋白质在藻类细胞的结构和代谢中起着重要作用，是细胞膜结构和参与光合作用的酶的主要成分。小球藻蛋白质在数量和质量上都不同于传统蛋白质。小球藻蛋白质含量高，尤其是蛋白核小球藻，可达60%以上。此外，小球藻含有哺乳动物无法合成的必需氨基酸和优质蛋白质，如乳球蛋白、卵清蛋白等。其氨基酸组成高于世界卫生组织和联合国粮农组织颁布的人体营养蛋白质标准。小球藻作为高蛋白食物来源，可以快速补充体能，因此被FAO列为21世纪人类健康食品小球藻有坚硬的细胞壁。只有破坏细胞壁和细胞膜，释放内含物，才能提取蛋白质。破坏细胞壁的方法很多，其中高频超声应用广泛，但不能完全释放内容物；酶解是一种非常有利的方法，具有选择性高、副产物少、操作温度低等特点。还有许多其他的方法来裂解细胞壁，如锆珠、酸或碱处理、微波、脉冲电场等。然而，这些方法会影响蛋白质提取的纯度和活性。张等小球藻蛋白具有一定的生物活性。Moris等人许多研究表明，CGF的蛋白质具有抗肿瘤作用，可以抑制肝癌细胞、乳腺癌细胞和宫颈癌细胞等多种癌细胞的增殖。KUNT等脂质是质膜的结构成分，中性油是储存多糖的储能体。小球藻的脂质部分主要是中性脂质，包括甘油酯、游离脂肪酸、类胡萝卜素和极性脂质，如各种磷脂和半乳糖脂质。藻类细胞中的脂肪酸结构通常由C16和C18饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的混合物以及较长的碳链组成。饱和脂肪通常储存在中性脂质中，而不饱和脂肪酸主要存在于不同于极性脂质的膜中，从而在不同的培养条件下保持膜的流动性。通过明胶酶谱研究了小球藻外分泌蛋白对人明胶酶的抑制作用，并通过Western Blotting分析了MMPs-1、MMPs-2和MMPs-9蛋白的表达。研究发现，小球藻蛋白提取物可以上调TIMP-3蛋白的表达，下调C-Jun蛋白的表达，从而抑制癌细胞中三种基质金属蛋白酶的表达，在乳腺癌治疗中具有较大的应用价值。CGF能显著抑制HEPG2细胞的生长。王等非极性有机溶剂或溶剂混合物，如氯仿-甲醇和己酮-异丙醇，通常用于从藻类细胞中提取脂质。提取后，额外的处理步骤，包括分馏或过冬，用于从总脂质中分离多不饱和脂肪酸。但由于杂质、气味、味道和浑浊的外观，仍然不适合人类食用，需要过滤、漂白、除臭、抛光，并通过添加抗氧化剂进一步纯化。值得注意的是，提取过程中大量溶剂的使用已经引起了人们对健康、安全和环境的严重关注。因此，需要在溶剂回收方面做出更多努力，用绿色溶剂取代传统有机溶剂，并实施更可持续的工艺。非极性有机溶剂或溶剂混合物，如氯仿-甲醇和己酮-异丙醇，通常用于从藻类细胞中提取脂质。提取后，额外的处理步骤，包括分馏或过冬，用于从总脂质中分离多不饱和脂肪酸。但由于杂质、气味、味道和浑浊的外观，仍然不适合人类食用，需要过滤、漂白、除臭、抛光，并通过添加抗氧化剂进一步纯化。值得注意的是，提取过程中大量溶剂的使用已经引起了人们对健康、安全和环境的严重关注。因此，需要在溶剂回收方面做出更多努力，用绿色溶剂取代传统有机溶剂，并实施更可持续的工艺。通过低温高压提取、酶解、离子交换和凝胶过滤层析等方法，从小球藻中分离到一种对HepG2细胞具有抑制活性的多肽。Tranaka等长链多不饱和脂肪酸对许多炎症有治疗作用，如阿尔茨海默病、关节炎和狼疮。越来越多的动物实验和体外实验支持微藻油的抗炎特性。Nauroth等小球藻的活性物质和提取的高价值副产物目前被用于营养食品和功能食品，其提取物的生物活性和经济价值已得到广泛认可。但小球藻生物质中存在许多未定义的生化物质、潜在毒素和重金属，可能造成不安全的食用，导致严重的健康状况，需要进一步研究开发活性物质的纯化；另一方面，高价值小球藻产品的供应受到总生产成本的挑战，包括培养系统和维护、有限的培养生产力和生物精馏过程。尽管开放式池塘是大规模养殖最经济的选择，但它们更容易受到污染。因此，如果所选菌株合成的有价值的产品能够证明系统成本合理，那么封闭式光生物反应器是首选。此外，收获和提炼生物质也可能非常昂贵，成本在很大程度上取决于所选择的工艺。传统提取高价值代谢物的方法往往依赖有机溶剂的使用，产品中残留的溶剂会危害健康。因此，超临界流体萃取和酶水解等绿色技术被认为是分离高价值藻类产品的新技术。小球藻加工中“干燥”和“破壁”的能耗过高，涉及高温高压，制约其产业化。为了维持蛋白质等活性物质的功能，细胞崩解应在温和条件下进行，但目标成分提取率较低。因此，如何高效提取小球藻生长因子中的活性物质并将其产业化，需要进一步探索和研究。报道，使用二十二碳五烯酸可抑制脂多糖刺激白细胞介素-1β的分泌，干扰人外周血单个核细胞中肿瘤坏死因子-α的存在。与对照组相比，饲喂含DPA和DHA的海藻油的大鼠明显减轻了足水肿模型大鼠的炎症反应。Banskota等也报道了含单半乳糖基甘油的脂质提取物对264.7巨噬细胞的抗炎作用。此外，在饮食中使用微藻油，特别是富含omiga-3的脂肪酸，已被证明对偶氮甲烷诱导的结肠隐窝功能障碍有化学反应。CGF所含的亚油酸、γ-亚麻酸等多种脂肪酸具有显著的降血压、降血糖、降血脂作用，并富含多种不饱和脂肪酸，其中二十二碳六烯酸被称为“脑黄金”，能促进脑细胞的生长发育，广泛应用于保健品和婴幼儿奶粉中。用小球藻CK22株的糖蛋白提取物对小鼠进行了试验，结果表明其能抑制小鼠自发的肿瘤转移。从小球藻中分离出一种蛋白质水解产物。，可刺激T细胞依赖性抗体反应，促进迟发性过敏反应，增强机体免疫功能。活性蛋白水解物通常是活性肽，但在小球藻中鉴定出的活性肽很少。Val-Glu-Cys-Tyr-Gly-Pro-ASN-Arg-Pro-Glu-Phe和Leu-Asn-Gly-Asp-Val-Trp具有较强的抗氧化活性和DPPH自由基清除能力。Ko 多糖提取通常在热水中进行。该方法简单，易于扩展，但耗时长，提取率低。此外，越来越多地使用微波、超声波和酶提取技术。多糖提取后，需要一些纯化步骤来去除干扰物质，如用甲醇:氯仿:水的混合物纯化提取的粗糖，或使用物理方法如膜分离、离子交换、尺寸排阻色谱和亲和色谱。Mulchhandani等2.4、颜料采用高压提取、Sebag、乙醇沉淀和超滤得到粗多糖，然后用离子交换色谱DEAE52和sephadex G-100分离纯化粗多糖，用凝胶渗透色谱分析纯化产物，得到多糖PS-1-4-2、PS-1-2-3和PS-2-3等研究了蛋白酶水解小球藻的酶解产物的抗氧化活性，发现酶解产物能去除过氧化物、DPPH和Oh-，同时减少AAPH引起的细胞凋亡和坏死，进一步证明小球藻蛋白具有清除体内自由基和延缓衰老的生物活性。开发了一种结合乙醇浸泡、灭酶、超声波和均质技术提取72.4%小球藻蛋白质的方法。从蛋白质中纯化生物活性肽是提高生物活性的必要条件。生物活性肽是通过用硫酸铵或有机溶剂除去脂肪和碳水化合物从蛋白质混合物中获得的。根据分子量、疏水性和电荷等理化参数，活性肽可以通过膜超滤、尺寸排阻色谱、反相高效液相色谱和离子交换色谱等多种技术进行分离纯化。其中，反相高效液相色谱法被认为是最有效的多肽纯化方法。此外，电膜过滤技术也是一种常用的纯化活性肽的方法，比膜过滤具有更高的选择性，可以在不施加压力的情况下根据电荷和分子量分离生物活性肽人体血压的调节涉及许多复杂的系统。市场上治疗高血压的药物种类繁多，但大多会引起不良反应，包括低血压、血管性水肿、咳嗽、头晕、头痛、恶心、肾损伤等。因此，从天然资源中提取降血压化合物具有重要的应用价值。发现小球藻中含有的活性肽具有神奇的降压作用，从藻类活性蛋白中提取的Val-Glu-Cys-Tyr-Gly-Pro-ASN-Met-ASN-ASN-Leu-Thr-Pro和Leu-Glu-Gln的氨基酸序列能有效抑制人血管张力KO等2.3、脂质用小球藻活性肽提取物对大鼠进行实验，发现小球藻中的氨基酸序列Val-Glu-Tyr对自发性高血压大鼠具有降压作用，进一步证实小球藻蛋白水解物具有降压作用。近年来。活性肽的纯化技术取得了一定进展，但其商业化生产仍面临生产成本高的挑战，生产过程中可能引起肽结构的变化，导致生物活性下降或丧失。因此，在纯化活性肽时，有必要考虑其有效性和经济性。。。商品小球藻存在一些不良反应，急需开发适合人类食用的新藻种。此外，还有更多生物活性化合物有待发现。因此，有必要开发一种检测潜在有害代谢物的方法和从微藻中提取目标化合物以替代整个生物质的过程。，可在大规模、有条件制备微藻的同时，提高出油率和固碳效率；另一个是“一种微藻收集浓缩的方法和装置”，解决了大规模培养中微藻难以收集的问题。最近，这两项专利已应用于蛋白核小球藻的大规模工业化生产。

01.小球藻功能食品及其保健价值

在战争年代，由于缺乏食物，一些国家用野生小球藻来充饥。此后，小球藻被开发为人类的食物资源，成为理想的谷物替代品。小球藻的商业化培养始于20世纪60年代的日本和台湾省。20世纪80年代，美国、以色列、澳大利亚、中国和泰国开始大规模养殖，小球藻成为主要的膳食添加剂。2013年，美国美国食品药品监督管理局认证高出油率蛋白核小球藻S106为公认的安全食品。小球藻面、饺子、饮料等食品已在市场上销售。独特的活性成分是小球藻生长因子，又称小球藻热水提取物，营养丰富，使小球藻每20小时繁殖4次，使乳酸菌增加4倍2.小球藻活性物质的分离提取及生物活性。小球藻附加值以饲料形式喂猪，明显快于粗粮饲喂组，可提高血液中IgA浓度和氮代谢水平。目前典型的小球藻食品包括日本孙小球藻公司生产的饮料、美国Shko天然产品公司生产的胶囊、中国台湾省绿藻产业公司生产的“绿宝”和中国广东省绿公司生产的“绿藻精”系列产品。大量基础和临床研究发现，小球藻富含优质蛋白质、亚麻酸、多糖、核苷酸、多肽、维生素和微量元素，表现出抗病毒、抗癌、抗氧化和抗炎等作用，可显著改善高血糖、高血压和肿瘤患者的身体状况。

小球藻富含蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸、多种维生素和必要的矿物质，还富含植物色素，如叶绿素和叶黄素。基本组件如表1所示。

2.1蛋白质和多肽

小球藻活性多糖具有显著的抗肿瘤作用。Sheng 小球藻细胞中总色素含量约为4% ~ 5%，包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素。类胡萝卜素是光合器官的成分，包括脂溶性胡萝卜素和叶黄素。这些化合物可以获得光能，也可以用作光保护剂来抵抗自由基和恶劣的环境条件，如强烈的太阳辐射和紫外线。类胡萝卜素是由各种相关色素按不同比例自然生成的，利用其广泛的功能可以开发出一系列高效产品，具有良好的发展前景和市场。等人从小球藻中提取了CPPSIA和CPPSIA多糖，它们由鼠李糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖和一种未知的糖组成。其中，CPPSIA的半乳糖含量最高，CPPSIA的鼠李糖含量最高，两者对肺癌A549细胞均具有良好的抗肿瘤活性。Su á rez等目前常用的色素提取方法主要有有机溶剂提取法、超临界CO2法和吸附树脂法。孔等研究了超声波辅助提取小球藻油中叶绿素的方法，发现最佳提取参数为:提取温度61.4℃，提取时间78.7 min，乙醇体积79.4%，超声波功率200 W，在此优化条件下，小球藻活性物质的叶绿素含量可达88.9%。从小球藻热水提取物中分离出一系列分子量不同但结构相似的磷酸化多糖。，并发现它们能刺激小鼠腹腔巨噬细胞合成一氧化氮，而这种高分子量的磷酸化多糖表现出更高的活性。进一步的成分分析表明，多糖的主链为β-D-吡喃半乳糖-β-D-吡喃半乳糖-从小球藻中分离的阿拉伯多糖不显示刺激小鼠腹腔巨噬细胞合成NO的活性。应时小球藻类胡萝卜素结构中存在大量共轭双键或特定基团，使其抗氧化活性显著高于植物或合成类似物。通过清除活性物质中的自由基和单线态氧，这些化学基团将它们中和成危害较小的分子，激活转录因子Nrf2，进而触发特定细胞和组织中抗氧化基因的表达。近年来，许多国家都致力于在化妆品中添加小球藻的研究。藻类细胞中含有多种维生素。维生素A可以保护皮肤黏膜，维生素C可以分解皮肤中的黑色素，保持皮肤白皙细腻，维生素E可以延缓皮肤细胞衰老。日本越来越多的化妆品添加了藻粉和藻精。多功能面膜和美容院在美国、日本和西欧很受欢迎。藻类细胞中的类胡萝卜素可以延缓衰老，具有抗炎特性，尤其是虾青素，因其抗炎作用而受到广泛关注。发现虾青素的抗炎作用比泼尼松龙更明显。虾青素还能抑制NO生成，降低促炎细胞因子水平，抑制肿瘤坏死因子和促炎细胞因子。藻类细胞中的叶绿素不仅能促进皮肤新陈代谢，延缓皮肤衰老，在降低胆固醇、促进伤口愈合、治疗缺铁性贫血等方面也有显著效果。小球藻中的叶黄素可以延缓慢性疾病的发生，同时还可以预防眼部疾病的发生，对心血管疾病有显著的预防和治疗作用。研究了小球藻多糖的免疫活性，结果表明，小球藻中的多糖成分具有显著的免疫调节作用，作用强度与所用多糖的用量有关。藻类细胞中的硫酸多糖是研究最多的具有抗炎活性的碳水化合物。kang等人发现，从微藻中提取的硫酸盐-1-葡聚糖可以限制巨噬细胞中NO和PGL2的产生，从而抑制炎症的产生。其他研究表明，从藻类物种中提取的硫酸化岩藻聚糖通过与细胞核表面结合，可以减少炎症的发生，对预防体内炎症有显著效果3.小球藻开发中的问题。

4.结论与展望

小球藻活性物质在抑制肿瘤、抗炎、防治慢性心血管疾病、增强免疫调节、抗氧化、延缓衰老等方面表现出积极的生理作用，值得进一步研究和探索。小球藻在医药、功能食品、化妆品和新型饵料等领域具有巨大的发展潜力和前景，在藻类成分和功能研究方面取得了显著成就。虽然小球藻的规模化培养和产业化面临诸多挑战，但市场对藻类产品的需求促使研究人员对藻类物质进行进一步研究，有望取得更大突破。