综述：藻类、海藻和水生扁豆蛋白质的探索：提取、生物学特性及商业化进展

本综述系统探讨了藻类、海藻和水生扁豆作为可持续蛋白质新来源的潜力，重点介绍了酶辅助提取（EAE）、超声波辅助提取（UAE）、微波辅助提取等先进技术，及其在抗氧化、抗炎、抗癌症等方面的生物活性，并分析了其在功能性食品和营养保健品商业化中的应用前景与挑战（如重金属脱除、感官优化），为构建环境友好型“蓝色经济（Blue Economy）”和“循环经济（Circular Economy）”食品体系提供了科学依据。

　　

摘要

随着全球人口增长和环境问题日益突出，对可持续蛋白质来源的需求变得尤为迫切。水生植物，包括藻类、海藻和水生扁豆（如水萍），因其富含高质量蛋白质、必需氨基酸以及多种生物活性化合物，展现出替代传统动物蛋白的巨大潜力。这些水生资源的生产符合“蓝色经济”和“循环经济”原则，具有资源消耗少、环境友好等优势。本综述深入探讨了这三种主要水生植物的蛋白质提取技术、营养组成、生物活性及其商业化应用，旨在为推动可持续食品系统的发展提供见解。

1. 引言

全球蛋白质需求持续增长，而传统畜牧业面临土地、水资源限制和温室气体排放等挑战。水生植物，特别是藻类和海藻，生长迅速，不需耕地和淡水，并能吸收二氧化碳，是极具潜力的可持续蛋白质来源。2020年全球水产养殖产量已达1.226亿吨，其中藻类占比显著。水生植物蛋白不仅营养均衡，还具有多种健康益处，如抗炎、抗氧化和抗癌症特性，使其在功能性食品和营养保健品领域应用前景广阔。

2. 水生植物：可持续蛋白质的新前沿

2.1. 水生植物蛋白的营养组成与生物潜力

水生植物蛋白富含必需氨基酸（EAA），其氨基酸谱符合或超过联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）的推荐标准。例如，螺旋藻（Limnospira platensis）的蛋白质消化率高达99.36%，优于大豆蛋白（约85%）。红藻（如Porphyra sp.）的蛋白质含量可达干重的25%-50%，富含赖氨酸、亮氨酸等。此外，这些蛋白质还含有Omega-3脂肪酸、维生素B₁₂、碘、钙等微量营养素，以及具有抗氧化活性的酚类和藻胆蛋白，共同构成了其促进健康的营养基础。

2.2. 水生植物蛋白的来源

2.2.1. 藻类作为蛋白质来源

藻类可分为绿藻、褐藻和红藻等。淡水藻类如螺旋藻（Spirulina）和小球藻（Chlorella）蛋白质含量高（螺旋藻干重蛋白质含量可达60%以上）。海藻中，红藻（如紫菜/Porphyra）蛋白质含量最高（25%-50%），绿藻（如石莼/Ulva）次之（10%-30%），褐藻（如裙带菜/Undaria pinnatifida）相对较低（5%-15%），但富含岩藻多糖等功能性多糖。藻类蛋白的氨基酸组成均衡，并含有藻蓝蛋白等具有生物活性的成分。

2.2.1.1. 淡水藻类：蛋白质产量与应用

微藻培养技术（如开放式跑道池、封闭式光生物反应器）日益成熟。蛋白质提取方法包括传统的酸碱法，以及新兴的酶辅助提取（EAE）、超声波辅助提取（UAE）等，能有效提高蛋白得率和生物利用度。藻类蛋白已应用于面包、饼干、面条、巧克力等多种食品中，以增强其营养价值。

2.2.2. 水生扁豆

水生扁豆（如水萍/Duckweed）生长极其迅速，生物量可在24小时内翻倍，其干物质蛋白质含量高达45%。通过优化提取工艺（如碱性提取结合超声或酶处理），可获得高纯度（约57.6%）和功能性的蛋白质浓缩物（主要成分为Rubisco酶），其起泡性甚至优于蛋清溶液，显示出在食品配方中的良好应用潜力。

3. 水生植物的蛋白质提取

水生植物细胞壁结构复杂，直接影响蛋白质的提取效率和消化率。传统方法（如酸碱法）可能存在效率低、溶剂残留等问题。蛋白质提取的一般步骤包括：细胞破碎、溶剂提取、分离纯化（如超滤、色谱法）和干燥。

3.1. 海藻蛋白质提取

海藻蛋白质常与多糖、多酚等物质结合。酶辅助提取（EAE）使用纤维素酶、卡拉胶酶等降解细胞壁多糖，可显著提高蛋白提取率（最高可达90%）。物理方法（如研磨）和化学方法（酸碱处理）也常被使用。pH偏移法（如先酸后碱处理）能有效提高蛋白质纯度。

3.2. 微藻或大型藻类蛋白质提取

针对不同藻类的形态和化学组成，需采用特定提取方法。蛋白质定量常用Lowry法和Bradford法，其中Lowry法使用牛血清白蛋白（BSA）作为标准时，结果更接近真实蛋白质含量。有效的提取方案通常包括较长的水浸泡时间和机械匀浆。

3.3. 水生扁豆蛋白质提取

碱性提取、超声波辅助提取（UAE）和酶辅助提取（EAE）是常用方法。UAE和EAE能改善蛋白质的溶解性，减少聚集，使其更适用于需要良好功能特性（如乳化性、起泡性）的食品体系。

4. 水生植物蛋白质提取的先进技术

4.1. 酶辅助提取（EAE）

EAE利用特异性酶（如蛋白酶、纤维素酶）温和高效地降解细胞壁，提高蛋白得率（可达80%-90%），并更好地保留蛋白质的天然活性和氨基酸组成。其最佳条件通常为pH 8，温度50-60°C。缺点是酶成本较高。

4.2. 微波辅助提取

利用微波辐射加热溶剂，快速破坏细胞结构，提高提取效率和速率。例如，微波辅助三相分配（MWTPP）技术可将蛋白回收率提高至传统方法的2.54倍。需注意控制条件以避免蛋白质热变性。

4.3. 超声波辅助提取（UAE）

UAE通过空化效应产生的高剪切力破坏细胞壁，增强溶剂渗透和质量传递。预处理与EAE结合可缩短提取时间并提高得率。该法能效较高，但设备成本和能耗是需要考虑的因素。

4.4. 脉冲电场辅助提取（PEF）

PEF利用高压短脉冲在细胞膜上形成可逆的微孔，利于内容物释放。该法能在低温下进行，最大限度地保持蛋白质的生物活性，能效高，但设备昂贵且规模化存在挑战。

4.5. 超临界流体提取（SFE）

SFE常用超临界CO₂（临界温度31.1°C，临界压力73.8 bar）作为溶剂，具有类似气体的扩散性和液体的密度，能高效选择性提取目标成分。该法无溶剂残留，环境友好，但设备投资大，且对亲水性蛋白质提取效果有限，常需添加共溶剂（如乙醇）。

这些先进技术各具优势，在提取效率、蛋白质功能特性保留和环境影响方面优于传统方法，但其成本和规模化应用仍是未来需要优化的方向。

5. 水生植物蛋白在食品产品中的应用与益处

将水生植物蛋白融入日常食品是提升全球粮食安全和营养水平的重要途径。例如，添加2.6%螺旋藻的零食蛋白质含量提升至22.6% w/w；富含藻类的饼干、巧克力、汤料等产品也显著增强了其蛋白质、纤维和抗氧化物质含量。水生植物蛋白的高消化率（如螺旋藻达99.36%）使其成为优质的营养补充剂。这类应用有助于应对营养不良挑战，并为开发新型功能性食品提供了原料。

6. 水生植物蛋白的商业化、消费者偏好与监管考量

全球植物蛋白市场持续增长，水生植物蛋白作为新兴板块发展迅速。商业化成功案例如Earthrise? Nutritional（美国）和Cyanotech?（美国）的螺旋藻产品，以及Ocean’s Halo?（美国）的紫菜零食和Parabel?（美国）的水生扁豆蛋白粉。监管方面，欧盟EFSA已批准多种大型藻（如石莼/Ulva lactuca、掌状红皮藻/Palmaria palmata）作为食品原料；美国FDA将螺旋藻和小球藻视为GRAS（一般认为安全）；亚洲国家（如日本、韩国）对食用海藻有长期认可。消费者接受度受感官特性（如海腥味、绿色）和文化背景影响，通过风味掩蔽、脱臭技术（如超临界CO₂处理、蒸汽脱臭）和产品创新可有效改善。安全方面需关注重金属（如砷、镉）和碘的潜在积累，需通过预处理和严格监控确保产品安全。过敏原交叉反应（如与甲壳类过敏原肌钙蛋白的同源性）也需要评估。

7. 水生植物蛋白的生物应用

7.1. 抗氧化活性

水生植物蛋白及其衍生物（如糖蛋白、藻胆蛋白）能有效清除DPPH自由基、ABTS自由基等，表现出显著的剂量依赖性抗氧化能力，有助于缓解氧化应激，预防慢性疾病。

7.2. 抗菌和抗病毒活性

藻类凝集素（Lectins）能特异性结合病原体（如细菌、病毒）表面的糖基（如甘露糖），从而抑制其侵染。例如，红藻来源的Griffithsin凝集素对HIV、SARS冠状病毒等均有抑制作用。藻胆蛋白也显示出抗真菌活性。

7.3. 抗癌症活性

研究表明，某些藻类凝集素（如Solieria filiformis来源的凝集素）和藻胆蛋白（如Gracilariopsis lemaneiformis来源的藻红蛋白）能通过上调促凋亡基因（如Bax、Caspase-3,8,9）、下调抗凋亡基因（如Bcl-2），诱导乳腺癌细胞（MCF-7）、结肠癌细胞（SW480）等发生凋亡。苔藓藻来源的肽YY（PYY）类似物可通过抑制胰岛素样生长因子-1（IGF-1）受体信号通路发挥抗肿瘤作用。

8. 水生植物蛋白生物应用的未来方向

未来研究应拓展水生植物蛋白在生物制药（如抗病毒药物、靶向递送系统）、功能食品与营养保健品（增强免疫、肠道健康）、化妆品（抗衰老、皮肤修复）以及生物材料（组织工程支架）等领域的应用。同时，需要加强消费者教育，改善感官接受度，并建立完善的生产和监管链条，以充分发挥其潜力，应对全球健康与环境挑战。

9. 结论

水生植物作为可持续蛋白质来源展现出巨大潜力，其丰富的营养成分和多样的生物活性为食品、医药和化工等领域提供了新的机遇。先进的提取技术是解锁其价值的关键。尽管在规模化生产、成本控制、安全性评估和消费者接受度方面仍面临挑战，但通过持续的研究、技术创新和产业链协同，水生植物蛋白有望在构建未来可持续、健康、 resilient 的食品系统中扮演重要角色。