绿藻生物活性物质研究

作者：赵超

页数：312

出版社：科学出版社

出版日期：2023

ISBN：9787030739414

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内容简介

绿藻是海藻中第一大藻类，因具有丰富的营养物质、独特的生理功能和潜在的生物应用价值而受到食品、化工、医药以及化妆品等行业的广泛关注。本书将对绿藻中代表性大藻石莼、浒苔和代表性微藻小球藻中的多糖、寡糖、多酚、黄酮、多不饱和脂肪酸等生物活性成分的制备及鉴定进行介绍，并对其在调节糖脂代谢、抗氧化、抗衰老、提高机体免疫以及改善肠道微生态等方面进行详细阐述。旨在为读者提供研究海藻结构及活性的研究方法，促进国内海藻营养功能研究的发展。

目录

节选

第一章绪论 自地球出现生命起，藻类便已存在（Lewis and McCourt，2004）。作为重要的初级生产者，藻类每年能固定1.7亿t氮，产生的氧气是大气和水中氧的重要来源（梅洪等，2003）。海藻是海洋藻类的总称，是由基础细胞所构成的单株或一长串的简单植物，通常附着在海底或某种固体结构上。海洋底栖藻类主要分为绿藻门（Chlorophyta）、褐藻门（Phaeophyta）、红藻门（Rhodophyta）三大类，其生长过程中需要吸收并储存大量的氮和磷，能够减缓水体富营养化及赤潮的发生（杨宇峰等，2005）。常见的绿藻主要有浒苔、石莼、礁膜和小球藻等。蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）是绿藻门小球藻属普生性单细胞绿藻，生长繁殖速度快，是地球上动植物中唯一能在20h增殖4倍的生物；其含量高，可作为高营养价值食物（孔维宝等，2010）。常见的褐藻包括大型巨藻、马尾藻、海带和泡叶藻。巨藻属于褐藻门海带目巨藻科巨藻属，是非常重要的工业原料，不但可以从中提取碘、褐藻胶、甘露醇、甲烷、轻油、石蜡、橡胶、塑料等多种工业产品，而且可作为一种新的生物能源。常见的红藻包括掌状红皮藻、紫菜、石花菜属藻类和角叉菜属藻类。石花菜（Gelidium amansii）一般生长在水质清净、潮流畅通、盐度较高的海区，是提炼琼脂的主要原料，而琼脂可以用来制作果冻或微生物的培养基等（王秀良等，2020）。研究发现，海藻作为海洋药物的重要来源之一，含有许多陆地植物所不具有的活性物质。20世纪70年代，中国科学院海洋研究所以海带中的甘露醇为原料，合成了烟酸甘露醇酯，并开展了药理临床试验研究，证明了烟酸甘露醇酯具有较好的降低血脂和扩张血管的作用，其作为国内首创新药在1985年获批投产上市（王兴昌，1986）。张全斌和徐祖洪（1997）在国内率先开展了褐藻天然硫酸多糖——褐藻多糖硫酸酯的研究，建立了综合利用海带副产物制备褐藻多糖硫酸酯的生产工艺，同时发现褐藻多糖硫酸酯具有利水消肿的功效，对慢性肾衰竭具有显著的治疗作用（Zhang，2003），并因此研制出治疗慢性肾衰的海洋新药褐藻多糖硫酸酯（原料药）和海昆肾喜胶囊，在2003年获得新药证书，其临床试验结果表明该药对慢性肾衰患者具有降低血清尿素氮、肌酐，改善肾功能，延缓肾衰进展的临床疗效，同时对恶心、呕吐、腹胀、身重、困倦、尿少、浮肿等情况有良好的改善作用。韩丽君等（2008）利用海藻多糖原料开发了海藻多糖空心胶囊，与传统的明胶胶囊相比，具有含水量低、高温耐受性、快速崩解、室温可溶等优势，是一种优质的明胶胶囊替代产品，于2005年获得药用辅料注册证书。近年来，王斌贵和史大永等对海藻卤代化合物进行了研究，分离到数百个海藻卤代化合物，部分化合物具有显著降糖、抗肿瘤等活性（Wang et al.，2013；Guo et al.，2019）。 自1950年以来，我国已经建立了以海带、紫菜、江蓠和裙带菜等为主体，兼有小规模养殖的羊栖菜、鼠尾藻、麒麟菜、石花菜、礁膜、浒苔、长茎葡萄蕨藻等的大规模海藻养殖产业。目前，养殖的大型藻类已成为浅海生态系统的重要生产者，其生长速率快（Hernández et al.，2002），常被认为是高效的生物过滤器（Marinho et al.，2015），可以通过光合作用固定CO2释放O2，利用水溶性N和水溶性P缓解沿海海水富营养化，调节pH，为海洋生物提供栖息地等（Steneck et al.，2002；Liu，2013）。与此同时，海藻养殖也是对陆地农业的良好补充，一方面可食用海藻养殖节省了耕地资源，另一方面也避免了传统农业因化肥、农药、水土流失等造成的生态问题。另外，海藻还可作为饲料、肥料和水产养殖的鲜活饵料。 我国不仅是藻类的生产大国，也是藻类的消费大国，具有藻类资源优势。根据《中国渔业统计年鉴》（农业农村部渔业渔政管理局，2020），2019年我国养殖藻类总产量为254.39万t，比上年增加19.31万t，同比增长8.21%；其中海水养殖产量为253.84万t，比上年增加19.45万t，同比增长8.30%；淡水养殖产量为0.55万t，比上年减少0.14万t，同比减少20.29%。捕捞产品中藻类总产量为17445t，比上年减少904t，同比减少4.93%。其中，海洋捕捞产量为17438t，比去年减少848t，同比减少4.64%；淡水捕捞产量仅为7t，比上年减少了56t，同比减少88.89%。由此可见，我国藻类产量持续增长，其产量主要来源于藻类的养殖。近年来，随着藻类深加工技术的成熟，以及饮食结构的改变，我国藻类的需求量持续攀升。2019年我国藻类加工品产量为115.17万t，比上年增加了4.51万t，同比增长4.08%。2020年我国藻类加工品产量将会再创新高。 藻类的分布范围极广，对环境条件要求不高，适应性较强，即使在只有极低的营养浓度、极微弱的光照和相当低的温度下也能生存。藻类不仅能生长在江河、溪流、湖泊和海洋，而且也能生长在短暂积水或潮湿的地方。从热带到两极，从积雪的高山到温热的泉水，从潮湿的地面到较浅的土壤内，到处都有藻类分布。以台湾海峡为例，地势自西向东倾斜，约370km长，平均深度达60m，其北部边界是平潭与富贵角的连线，南部边界则位于福建东山与鹅銮鼻之间（Hong，2011）。海底阶地、峡谷、浅滩和水道等地貌形态多样，海峡中以泥和沙质沉积物为主，近岸泥质多，中部则多沙质。海峡西部有600多个岛屿，东部多为沙岸，沙滩淤浅明显，复杂的地形资源为海藻的固着和生长提供了适宜的地理条件（Ye，2016）。台湾海峡降水量、近海水体的温度以及营养盐含量均呈现明显的季节性变化。每年的4～9月台湾海峡降水丰富（＞300mm/月），冬季每月降水量低于100mm。台湾海峡沿岸平均水温为20.1℃，其中夏季为28.1℃，冬季为12.5℃。这一温度范围为众多暖温带亚热带性的绿藻提供了繁殖与生长的环境（陈昌生和章景荣，1988；李达，2014；潘卫华，2017）。海水盐度为27.01‰～33.45‰，海水pH为7.91～8.16，受季节影响较小。海水透明度为0.36～1.23m，受季节影响较大。浮游植物多样性和生长与海域磷酸盐、硝酸盐等营养盐含量密切相关（李众，2019；王秋璐等，2019）。台湾海峡亚硝酸盐含量年平均为40.42～210.26mg/m3，磷酸盐含量为6.34～22.05mg/m3，近岸水域营养盐丰富。浒苔属、石莼属、礁膜属等大型海藻能够迅速吸收海水中的氮、磷等营养盐，其中孔石莼对氨氮的吸收为浒苔的2倍，这不仅能够促进海藻快速生长，而且能够调节水体富营养化。生长于福建沿海区域的浒苔生物样品中的重金属含量因采集区不同而不同，其与沿岸河口区域的重金属污染相关（刘智禹，2012；林建云等，2013）。 目前，我国关于绿藻资源的研究报道主要集中在20世纪90年代末期。1996年，张水浸报道了台湾海峡两岸绿藻共计111种，占该海域藻类总数的24.94%（严新，2019）。我国关于海洋绿藻物种多样性的研究成果主要收录于《中国淡水藻志》与《中国海藻志》。经统计，台湾海峡及其附近海域绿藻共计10目28科90属114种，主要分布于平潭、莆田、晋江、厦门、东山、诏安、台北、金门、高雄等地区。台湾海峡海域位于东海与南海之间，属于由暖温带向亚热带过渡的区域。石莼和蛎菜等为暖温性种类，网石莼（Ulva reticulata）、香蕉菜（Boergesenia forbesii）和指枝藻（Valoniopsis pachynema）等属于亚热带种类，但也包含少数冷温种，如孔石莼（U.pertusa）和肠浒苔（Enteromorpha intestinalis）（严新等，2019）。许多常见的种类在各地区普遍存在，但有些种、属呈一定的区域性分布，如孔石莼（U.pertusa）是北太平洋西部的特有种类（张水浸，1990），原礁膜属（Protomonostroma）是福建沿岸特有的海藻属，蕨藻属中的绒毛蕨藻（Caulerpa webbiana）目前仅出现在福建东山和漳浦，但与其同属的冈村蕨藻（C.okamurae）则出现在福建沿海多地。前人仅在海南岛采到的西沙绒扇藻（Avarnivilleaxishaensis），在莆田平海和惠安崇武两地也有发现（周贞英和陈灼华，1983）。 浒苔属、石莼属和礁膜属为三种主要的经济绿藻，其中浒苔属绿藻产量最大，经济价值最高。浒苔属绿藻主要生长在岩石或滩涂上，在泥滩或者泥沙滩的石砾中生长尤为繁盛。浒苔属绿藻几乎全年都能发现，尤其是春夏两季，优势种包括肠浒苔、浒苔、条浒苔和缘管浒苔，厦门集美中潮带的肠浒苔平均生物量可达352g/m2（湿重）。石莼属绿藻也是海区的常见绿藻，广泛分布于海峡两岸的中、低潮带的岩石或石沼中，但种类较浒苔属少，优势种包括蛎菜、石莼和孔石莼。蛎菜是绿藻中生物量最大的经济海藻，晋江古浮中潮带的蛎菜生物量可达398.25g/m2（湿重）（周贞英和陈灼华，1983）。礁膜属绿藻多生长在中潮带的岩石或石沼中，生长周期长，只在晚冬和初春之时出现，礁膜在台湾澎湖分布最多，最高年产量可达300多吨（干重）（张丽娟，1997）。 运用CiteSpace软件以“绿藻”为关键词，检索2000～2020年国内发表的与绿藻相关的文献，分析发现浒苔是绿藻中研究最广泛的一类（图1-1），近年研究主要集中在绿藻的毒性、生物量、热重分析等方面。通过时间轴图（图1-2）发现，2000年之前研究主要集中在绿藻生物量方面，2010年之后研究主要集中在绿藻分子鉴定、分子生物学等方面，关于小球藻的研究也逐渐在绿藻研究中占有一席之地。 通过脱水、冷冻、膨化、调味、切片及研磨等加工技术将绿藻做成了休闲食品（钟婵等，2017）。目前已经上市了许多绿藻食品，如浒苔酱、软包装浒苔、浒苔挂面、浒苔果冻等，或将浒苔粉作为调味汤料包的重要辅料（任厚朋，2014）。小球藻在异养培养的条件下，通过转化淀粉水解物来生产富营养油脂化合物。研究发现，利用异养小球藻海藻酸钙制备的凝胶，用于食品内包装，既方便、可食用又利于环境保护；其可用来包装液体饮料、流体食物，既是对传统饮品的包装方式的创新探索，又为饮用或食用带来了方便（黄英明等，2010）。小球藻特色食品有小球藻饼干、小球藻挂面等（王慧岭等，2018）。0.5mg/mL的石莼多酚能不同程度地延缓大菱鲆的品质变化，是极具发展潜力的水产品保鲜剂（Lin et al.，2020）。 浒苔可以影响紫外线诱导的氧化应激和耐热性，显著提高秀丽隐杆线虫总超氧化物歧化酶（SOD）水平，降低丙二醛（MDA）水平，并通过上调关键因子SKN-1转录因子和DAF-16的表达来改善细胞内活性氧（ROS）积累并修复DNA损伤，这为探索浒苔的抗衰老应用提供了依据（彭雍博等，2017）。绿藻浒苔具有较好的保湿作用，浒苔藻粉面膜的体外保湿率高达81.92%，用浒苔多糖做成的面霜也同样具有较高的保湿作用，使用7d后皮肤胶原蛋白纤维含量达到56.50%，可以作为较好的化妆品原料（杨亚云，2016）。浒苔多糖能保护人皮肤成纤维细胞，减轻紫外照射损伤，效果优于防晒系数30+的防晒喷雾（郭子叶，2014）。 饲料中加入浒苔可以提高幼刺参（Apostichopus japonicus）生长速率、消化率、消化酶活性和非特异性免疫能力（秦搏等，2015）。在饲料中加入浒苔也可以提高黄斑篮子鱼（Siganus oramin）的抗氧化能力；鸡仔食用浒苔可以促进鸡外周血淋巴细胞的增殖能力，促进鸡的生长性能（周胜强等，2013；张文启，2016），为浒苔的开发利用提供新的途径。添加小球藻亦能提高黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）的生长性能与免疫力（张宝龙等，2018）。绿藻中的小球藻与盐藻经常被当作饲料，从而丰富了绿藻的使用价值，禽畜在食用含有绿藻的饲料后，其体重、免疫性能以及肉质等均能显著提高或改善。 台湾海峡受到热带风暴与风暴潮的影响，可以