从废弃物到营养价值：利用鲱鱼加工副产物液体培养掌状红皮藻（Palmaria palmata）提升其生长与营养组成

《Algal Research》：From waste to value: cultivating Palmaria palmata in liquid seafood side stream enhances its growth and nutritional composition

本研究针对全球食品生产面临的环境压力及营养需求增长问题，创新性地利用鲱鱼加工过程水（HPPW）作为培养基，在陆基系统中优化培养掌状红皮藻（Palmaria palmata）。研究确定了最佳盐度（22.5 PSU）和光照强度（180 μmol photons m?2 s?1）以及HPPW稀释浓度（40 μM NH4+），显著提高了藻体的生长速率、组织氮含量、色素及总氨基酸水平（包括所有必需氨基酸含量均超过膳食推荐量）。有毒及潜在有毒元素（砷、无机砷、汞、铅、镉）未限制生物量的安全每日摄入量，而碘是限制因素（安全日摄入量为23 g干重）。该研究为可持续食品系统提供了一种循环经济策略，将海产品加工副产物转化为高营养价值的海藻资源。

　　

在全球食品生产面临严峻环境挑战的背景下——包括近一半耕地的使用、大量淡水消耗以及超过25%的温室气体排放和氮污染——寻找可持续的替代食品来源已成为迫切需求。随着全球人口持续增长，对营养食品的需求也在不断增加。海藻养殖因其不需淡水、肥料或耕地即可培育，并能提供人类所需的必需营养素，而展现出巨大潜力。欧盟近期已认可海藻作为替代蛋白质的重要来源，有助于可持续食品系统和全球食品安全的发展。其中，红藻门中的掌状红皮藻（Palmaria palmata）因其独特的营养和感官特性，成为极具前景的食用物种。然而，如何高效培育这种海藻并提升其营养价值，同时确保其食用安全性，是研究人员面临的关键问题。

为此，来自瑞典哥德堡大学海洋科学系的Kristoffer Stedt等研究人员在《Algal Research》上发表了一项创新性研究，探讨了利用鲱鱼加工过程中产生的副产物液体——鲱鱼生产过程水（HPPW）——作为培养基，在陆基系统中培养掌状红皮藻，以提升其生长和营养品质的潜力。这项研究不仅旨在优化培养条件，还重点关注了由此产生的生物量作为安全、营养食品来源的可行性。

为了开展这项研究，作者团队运用了几个关键的技术方法。研究首先通过设置不同的盐度（7.5, 15, 22.5, 33 PSU）和光照强度（20, 80, 180 μmol photons m^?2 s^?1）水平，进行全因子实验，以确定掌状红皮藻的最佳生长条件。其次，他们利用从瑞典Pelagic AB公司收集的HPPW，进行稀释实验，以确定其对海藻生长和氮含量的最佳促进浓度（基于铵离子NH₄⁺浓度）。最后，在最优条件下（22.5 PSU, 180 μmol photons m^?2 s^?1, 40 μM NH₄⁺的HPPW）进行为期七周的营养添加实验，比较了HPPW培养、纯营养添加（NE）、脉冲流（PF）和连续流（CF）等不同处理对海藻生长、生化组成及元素含量的影响。实验所用的掌状红皮藻样本采集自瑞典西海岸的科斯特群岛。分析技术包括生长速率测定、组织氮含量分析（采用元素分析仪）、氨基酸谱分析（采用液相色谱-质谱联用技术）、色素（叶绿素a、类胡萝卜素、藻胆蛋白）含量测定（分光光度法），以及总元素、无机砷和碘含量分析（采用电感耦合等离子体质谱法）。

3.1. 盐度和光照强度的影响

研究人员首先探究了盐度和光照强度对掌状红皮藻生长的交互影响。结果表明，两者均对特定生长速率（SGR）有显著影响，且存在显著的交互作用。在22.5 PSU的盐度和180 μmol photons m^?2 s^?1的光照强度下，掌状红皮藻达到了最高的生长速率（3.98 ± 0.31 % fw d^?1）。过低的盐度（7.5 PSU）则导致负生长，藻体褪色变白。在组织氮含量方面，中等盐度（15和22.5 PSU）和较低光照（20和80 μmol photons m^?2 s^?1）条件下含量较高，这可能与快速生长导致的稀释效应有关。色素分析显示，叶绿素a和类胡萝卜素含量在80 μmol photons m^?2 s^?1的光照下最高，而藻胆蛋白（R-藻红蛋白R-PE和R-藻蓝蛋白R-PC）的含量则仅受盐度影响，在22.5和33 PSU下显著高于15 PSU。这些结果确定了后续实验的最佳基础条件为22.5 PSU和180 μmol photons m^?2 s^?1。

3.2. 利用鲱鱼生产过程水（HPPW）进行培养

3.2.1. HPPW稀释度的影响

研究人员将HPPW用深海海水稀释成不同浓度的培养基（基于NH₄⁺浓度从0到320 μM）。结果显示，掌状红皮藻的生长速率和组织氮含量在较低HPPW浓度下即呈现正响应，但效应在较低水平即趋于稳定。米氏曲线拟合表明，最大生长速率（V_max）为2.06 % fw d^?1，最大组织氮含量为4.53 % dw。基于低方差和良好效果，选择提供40 μM NH₄⁺的HPPW稀释度作为后续最优培养条件。

3.2.2. 营养添加的效果

3.2.2.1. 生长速率

在最佳盐度和光照基础上，添加HPPW和纯营养物质（NE）使掌状红皮藻的平均特定生长率（ASGR）比海水对照组（CF和PF）提高了70%，分别达到5.09 ± 0.08 和 5.19 ± 0.11 % fw d^?1。值得注意的是，培养五周后，HPPW培养的藻体出现了形态变化，叶片卷曲，质地变得更具皮革感和韧性，而NE组则无此现象，暗示HPPW中可能存在独特的成分（如特定微生物）影响了形态建成。

3.2.2.2. 组织氮含量和氨基酸谱

HPPW培养显著提高了藻体的平均组织氮含量，达到4.04 ± 0.19 % dw，比NE、CF和PF处理高出54-76%。总氨基酸（TAA）含量也相应显著增加至13.61 ± 0.33 % dw。尽管由于非必需氨基酸（如脯氨酸和谷氨酸）的增加，使得HPPW组的总必需氨基酸（TEAA）占比相对降低，但其绝对含量（50.41 ± 1.08 mg g^?1 dw）显著高于其他处理。所有处理组的掌状红皮藻其必需氨基酸谱均超过了WHO/FAO/UNU的膳食推荐标准，且富含鲜味氨基酸（谷氨酸和天冬氨酸）。基于氨基酸分析确定的氮-蛋白质转换因子在3.52至3.71之间，低于常用的5或6.25，表明使用传统转换因子会高估蛋白质含量。

3.2.2.3. 色素

HPPW培养显著提高了掌状红皮藻的色素含量。叶绿素a、类胡萝卜素、R-PE和R-PC的含量均高于海水对照组，这与氮素是这些色素分子重要组成部分，以及藻胆蛋白可作为氮储备库的功能相一致。

3.2.2.4. 总元素、无机砷和碘含量

对有毒和潜在有毒元素的分析显示，与海水对照组相比，HPPW和NE培养的掌状红皮藻中砷（As）、无机砷（iAs）、汞（Hg）、铅（Pb）和碘（I）的含量普遍较低（镉Cd例外）。特别值得注意的是，在海水对照组中，iAs占总砷的比例约为11%，而在营养添加组（NE和HPPW）中仅为1.2-2%。然而，对于所有处理，碘含量都是限制每日安全摄入量的关键因素。基于欧洲食品安全局（EFSA）的耐受每日摄入量（TDI）和参考体重（63.3 kg）计算，HPPW培养的掌状红皮藻的安全日摄入量为23克干重。以此摄入量计算，其可提供相当比例的钾（K，63% RDI）、镁（Mg，22% RDI）和铜（Cu，17% RDI）等必需元素的推荐每日摄入量（RDI），使其成为这些元素的良好膳食来源。

4. 讨论与结论

本研究综合表明，通过优化培养条件，特别是利用鲱鱼加工副产物HPPW作为营养源，可以显著提升掌状红皮藻的生长速率和营养品质。这种循环经济策略不仅将食品工业废液转化为资源，还生产出具有高蛋白、优质氨基酸谱、丰富色素和较低有毒元素含量的海藻生物质。虽然碘含量限制了每日最大摄入量（23 g dw），但这一水平远高于亚洲国家的平均海藻消费量，表明其食用安全性较高。HPPW引起的独特形态变化及其对质地和感官特性的影响，以及营养强化对元素生物累积的调控机制，是未来值得深入研究的方向。该研究成果为可持续海藻养殖和新型食品开发提供了重要的理论和实践依据，支持了欧盟关于发展海藻产业和推动循环食品生产的建议。通过陆基系统优化培养并补充回收利用的海产品加工业液体副产物，掌状红皮藻展现出作为可持续食品系统中替代食品源的强大潜力。