季节性、干燥条件及提取方法对海带开发利用的影响：生物化学与代谢组学视角

《Algal Research》：Impacts of seasonality, drying and extraction methods on the exploitation of Ascophyllum nodosum: Biochemical and metabolomic insights

　　

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  首次对Ascophyllum nodosum的季节性代谢动态进行综合研究
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  在代谢物特征中观察到明显的季节性变化规律
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  采后处理会显著影响其化学成分与特征
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  为提升海藻生物利用价值及发展可持续海藻利用策略提供重要依据

引言

海藻曾被视为普通的沿海生物质，如今已被视为具有高价值、富含天然资源的物质，是蓝色生物经济体系中的核心组成部分。它们对保障食物安全、维护海洋生物多样性、缓解气候变化具有重要意义，因此也成为可持续海洋资源管理研究的重要对象[1]。2023年全球海藻市场的价值在83亿美元到99亿美元之间，预计到2030年代初这一数值还将上升至125亿至178亿美元[2]。2019年全球藻类产量达3470万吨，其中超过99%来自亚洲[3]。尽管欧洲的大型藻类产业在全球总产量中所占比例不足1%，但在欧盟蓝色生物经济战略以及欧盟藻类计划的推动下，该产业正在快速发展，这些战略旨在充分挖掘藻类的潜力[1]、[3]、[4]。目前欧洲的海藻产业仍以野生采集为主，虽然海藻栽培规模也在不断扩大，但仍然远低于全球平均水平[3]、[5]。欧洲的大型藻类生产主要集中在北大西洋地区，法国、挪威和爱尔兰的采收量占据了几乎所有的海藻生物质。褐藻（Phaeophyceae）是开发最广泛的藻类群体，其中Laminaria hyperborea、Laminaria digitata和Ascophyllum nodosum是最为重要的种类[1]、[4]、[6]。

在这些藻类中，Ascophyllum nodosum（林奈命名，Le Jolis修订）俗称结节海带或岩藻，是北大西洋地区的代表性物种。它属于褐藻门江篱藻科，是一种寿命较长的大型海藻，主要分布于北大西洋的寒温带潮间带，尤其是欧洲和北美的海岸地区[7]。从生态学角度来看，这种藻类能够形成密集的藻丛，为各种海洋生物（大型和微型生物）提供栖息地和庇护所，同时它还具有从海水中吸收养分和矿物质的能力，因此在沿海地区的养分循环中起着至关重要的作用[8]、[9]。

根据联合国粮农组织2023年的数据，全球共采收了51,000吨（湿重）的Ascophyllum nodosum，这一数值占全球所有藻类采收量的3.8%[10]。这种藻类是提取藻酸盐的主要原料，可用于生产食品、药品、化妆品以及生物技术产品中所需的特殊藻酸盐，此外它还被用于制造植物生物刺激剂，并广泛添加到牲畜和宠物的饲料中。Ascophyllum nodosum含有多种有价值的化合物，包括多糖（如藻酸盐、岩藻聚糖、海带聚糖）、多酚（如绿原酸）、矿物质，以及生长素、细胞分裂素和甜菜碱等植物激素[11]、[12]。正是由于这类丰富多样的化合物，它才能在多个领域得到应用。由于其具有流变调节、抗氧化、抗炎和保湿作用，Ascophyllum nodosum的提取物被广泛应用于化妆品、制药行业以及食品工业[9]、[12]、[13]。此外，其含有的生物活性代谢物还使其被用作农业领域的有机肥料和生物刺激剂，有助于提高作物产量并增强作物的抗逆能力[13]、[14]。随着人们对可持续产品和天然产品的需求不断增加，A. nodosum的商业化利用程度也进一步提升，使其成为蓝色经济体系中的重要资源[15]。

然而，这一经济潜力面临着两大挑战：其一是要确保自然资源的可持续管理；其二则是需要进一步了解其成分的变异情况，从而优化采收方式，并开发生物精炼技术，实现对其全部生物质的充分利用。该藻类的生化组成具有高度动态性，极易受到环境条件的影响。温度波动、盐度、光照强度以及营养物质的可用性等非生物胁迫因素都可能显著改变其代谢途径，进而影响各类有用化合物的丰度和多样性[16]、[17]。例如，过强的紫外线辐射可能会促进保护性酚类化合物的合成[18]、[19]、[20]、[21]。因此，研究这些环境因素对A. nodosum化学成分的影响，对于优化提取工艺、保证产品品质，以及在全球气候变化背景下实现该资源的可持续管理而言，具有十分重要的意义。

除了环境因素的差异外，生物质的处理方式和提取方法也会对最终得到的化学成分产生深远影响。不同的干燥方法、提取pH值以及溶剂的极性，都可能显著改变各类代谢物家族的丰度和多样性。以往的研究已经为了解A. nodosum的生化组成提供了不少有价值的资料，但这些研究大多仅聚焦于脂肪酸、酚类化合物或矿物质等特定类别的化合物[18]、[22]、[23]。近年来，针对大型藻类的代谢组学研究有了显著的发展，尤其是在区分褐藻、绿藻和红藻的代谢特征方面[24]，以及在针对多酚和脂质等特定化合物类别的分析方面[23]、[25]、[26]、[27]。一些针对特定物种的研究还发现了Lobophora属物种之间的代谢差异[28]，同时也有研究指出了Fucus属物种的化学成分存在季节性变化[29]，还有研究探讨了处理方式、提取方法以及溶剂对马尾藻属物种化学成分的影响[30]。总体而言，针对江篱藻科的代谢组学研究仍然相对较少，且研究范围往往较为有限，大多只关注代谢组的某些特定部分，比如表面相关的代谢物[31]、[32]、[33]。部分研究确实发现了代谢组的季节性变化，而这些变化通常与表面微生物群的变化密切相关。不过，目前关于这些代谢物如何响应季节变化、生物质预处理过程以及提取方案等关键因素的变化，仍缺乏足够的了解。此外，那些往往决定A. nodosum生物活性和生物技术应用潜力的次级代谢物的化学多样性，也几乎还未被深入研究过。

在此，我们开展了首项将靶向生化分析与非靶向代谢组学相结合的综合研究，旨在阐明A. nodosum干生物质及其提取物中的化学多样性特征。我们重点研究了季节变化、生物质处理方式以及提取方案是如何共同影响该藻类代谢特征的。根据A. nodosum已知的季节性生长周期，我们在2022年的1月、4月和9月进行了三次季节性采样，旨在捕捉该藻类在不同生长阶段的生理特征，同时比较了两种干燥方法和四种提取方案的效果[12]。选择这三个时间点是因为1月处于冬季，此时该藻类的代谢活动较弱，会大量积累储存性化合物；4月则是其生长活跃、组织更新的关键时期；而9月则会出现更多与应激反应和防御功能相关的特殊代谢物的积累。通过将传统的生化分析方法与LC–ESI–HRMS²分析技术相结合，我们首次全面了解了该藻类的初级代谢物和次级代谢物的动态变化规律，揭示了环境因素和处理条件是如何影响这一具有重要生态和经济价值的物种的化学成分的。这种综合研究方法不仅有助于确定导致化学成分变异的关键因素，还能为该藻类的可持续利用提供指导，同时也为深入了解A. nodosum的代谢组可塑性提供了新的见解。

章节要点

藻类样本的采集

2022年1月25日、4月26日以及9月7日，我们在法国布列塔尼地区的Pleubian（?le Coalen，坐标为48.849206；?3.077423）退潮时的海岸处采集了A. nodosum样本。每次采样大约会收集200公斤的新鲜生物质。采样工作是由一名使用手工工具采集海藻的工作人员完成的。按照布列塔尼地区的现行规定，采集时会在距离藻类固着基部30厘米的位置将其剪下，以此来确保采集过程的合规性

多元统计分析

我们采用了基于PERMANOVA的多元分析方法，用以评估采收时间、海藻预处理方式（干燥处理）、提取方案以及各种潜在相互作用，对Ascophyllum nodosum的生化成分和代谢物特征所产生的影响。

在对干燥后的海藻生物质数据集（干物质含量，见表1）进行的分析中，预处理方式与采收时间之间的相互作用，对该藻类的整体生化成分产生了显著影响

结论

本研究首次将靶向生化分析与非靶向LC–MS代谢组学分析相结合，系统研究了褐藻Ascophyllum nodosum的代谢组在季节变化以及不同加工处理过程中的变化规律。通过系统分析采收季节、生物质预处理方式、提取方案以及溶剂选择等因素的影响，我们全面了解了决定该藻类化学成分多样性的各种因素。我们的研究结果

CRediT作者贡献说明

Demoulinger Gautier：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、数据可视化、结果验证、研究方法设计、实验开展、正式数据分析、数据整理、研究概念构建。Adouane Emilie：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究方法设计。Souquet Damien：论文撰写——审阅与编辑、研究资源准备、实验开展。Ali Nusrat：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究资源准备。Jing Lun：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究资源准备。Potin Philippe：论文撰写——审阅与编辑、项目统筹

未引用参考文献

[128]、[129]、[130]、[131]、[132]

利益冲突声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢

我们要感谢Arul Marie和Remy Puppo，他们帮助我们在MNHN的质谱分析平台上获取了MS/MS光谱数据。同时，我们也感激Aude Le Goff在提取物制备过程中所提供的帮助。此外，我们还要感谢Julie Maillard、Sibylle Gremaud和Clélia Escroignard在生化分析方面的工作，感谢Justine Defert和Sabrina Barbier在植物激素分析方面的贡献，同时也要感谢Marin-Pierre Gemin和Emma Fortier对CMI技术团队的指导与支持。此外

资金来源

本研究得到了SEABIOZ ANR项目（项目编号：AAPG2020、ANR-20-CE43-0013）的支持；同时还得到了ANRT和Agro Innovation International的组织支持（CIFRE资助编号为2022/0938，资助对象为GD）；此外还有Agro Innovation International的资助，以及国家自然历史博物馆旗下的UMR 7245项目的支持。

Demoulinger Gautier|Adouane Emilie|Souquet Damien|Ali Nusrat|Jing Lun|Potin Philippe|Hubas Cédric|Prado Soizic|Le Guillard Cécile