普通小球藻的硒和铁微量矿物生物强化及部分生物活性化合物研究：一种有前景的膳食补充剂

《Food Science & Nutrition》：Biofortification of Chlorella vulgaris With Selenium and Iron Microminerals and Investigation of Some Bioactive Compounds: A Promising Dietary Supplement

　　

微藻是硒(Se)和铁(Fe)的优良生物累积体，使其非常适合用于食品和饲料补充剂的强化。本研究旨在探究不同浓度的Se和Fe对普通小球藻(Chlorella vulgaris)生长及其累积这些微量矿物质能力的影响。通过评估生长参数和金属累积量确定了每种微量元素的最适浓度，随后分析了这些金属对多种生物活性化合物的影响。在50 mg·L^?1 Fe条件下获得了最高的比生长速率和最终生物量生产力。在45 mg·L^?1 Se和150 mg·L^?1 Fe条件下，C. vulgaris细胞中Se和Fe的最大累积量分别达到81.54±0.46 mg·kg^?1 DW和26798.51±1.49 mg·kg^?1 DW。经15 mg·L^?1 Se和50 mg·L^?1 Fe处理的C. vulgaris中叶绿素a含量增加。相比之下，β-胡萝卜素和番茄红素的含量未受Se和Fe处理的显著影响。在15 mg·L^?1 Se和50 mg·L^?1 Fe条件下，总黄酮含量和抗氧化活性显著提高。脂肪酸谱分析表明，不饱和脂肪酸，尤其是亚油酸、α-亚麻酸和棕榈油酸，是Se和Fe处理下鉴定出的主要成分。本研究表明，富含适量Se和Fe的C. vulgaris因其丰富的生物活性化合物，可被视为开发功能性食品和营养用途的有前景的候选原料。

**论文解读：硒和铁生物强化普通小球藻的生化特性及其膳食补充潜力**

**1. 研究背景与问题**

矿物质和维生素缺乏常被称为“隐性饥饿”或“微量元素缺乏症”，是目前人类健康面临的严峻挑战之一。铁(Fe)缺乏是最普遍的营养障碍，尤其影响儿童、青春期少女和孕妇；而硒(Se)缺乏则与抑郁、焦虑等心理问题及甲状腺功能异常、心血管疾病风险增加等密切相关。传统无机补充剂（如硫酸亚铁）存在胃肠道副作用且需长期服用，而无机硒补充则易因剂量控制不当而达到毒性浓度。生物强化(biofortification)被视作一种经济且可持续的干预策略，可显著提高日常食品中的必需微量元素含量。微藻因其优异的微量元素生物累积能力而受到关注，其中普通小球藻(Chlorella vulgaris)富含叶绿素、蛋白质、不饱和脂肪酸及多种抗氧化活性物质，是理想的生物强化载体。然而，不同浓度Se和Fe对C. vulgaris生长、矿物质累积以及其生物活性成分（如光合色素、酚类、黄酮类、脂肪酸和抗氧化活性）的综合影响尚未被系统阐明。因此，开展本研究以确定C. vulgaris生物强化Se和Fe的适宜浓度，并评估强化后微藻的生化组成，以期为功能性食品和营养补充剂的开发提供理论依据。

**2. 研究内容与方法概述**

研究人员以来自伊朗ACECR微藻培养物保藏中心的C. vulgaris（NCBI登录号：0M991707.1）为材料，在Bold's Basal Medium (BBM)培养基中进行培养，分别添加不同浓度的亚硒酸钠(Na₂SeO₃：0、15、30、45 mg·L^?1)和硫酸亚铁(FeSO₄：0、50、100、150 mg·L^?1)，以未添加者为对照。主要技术方法包括：通过分光光度法测定680 nm处光密度(OD)评估生长曲线并计算比生长速率(SGR)和生物量生产力；采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定冻干生物质中Se和Fe的累积量；利用Bradford染料结合法测定可溶性蛋白；采用甲醇提取和分光光度法测定叶绿素；利用丙酮-正己烷提取测定番茄红素和β-胡萝卜素；采用Folin–Ciocalteu法测定总酚含量；采用三氯化铝比色法测定总黄酮；通过直接转酯化-气相色谱(GC)分析脂肪酸甲酯(FAME)组成；采用DPPH自由基清除法和FRAP法评价抗氧化活性。所有实验均设三次重复，数据采用完全随机设计(CRD)，以单因素方差分析(ANOVA)和Duncan检验进行统计分析（p<0.05为显著）。

**3. 主要研究结果**

**3.1 不同Se浓度对SGR、生物量生产力和生物累积的影响：**与对照组相比，15–45 mg·L^?1 Na₂SeO₃处理对C. vulgaris的生长参数无显著影响(p>0.05)，说明该浓度范围内微藻对Se具有耐受性。但当Se浓度达到75 mg·L^?1及以上时，培养基出现明显红色变色且生物量显著降低，最终导致细胞死亡，表明Se在过高剂量下具有毒性。Se累积量随培养介质中Se浓度的增加而显著增加，在45 mg·L^?1时最大累积量为81.54±0.46 mg·kg^?1 DW，对照组最低。

**3.2 不同Fe浓度对SGR、生物量生产力和生物累积的影响：**向培养基中添加Fe显著提高了C. vulgaris的SGR、生物量生产力和干重(DW)，且50、100、150 mg·L^?1 FeSO₄三个处理组之间无显著差异，说明50 mg·L^?1即可满足最佳生长需求。Fe累积量同样随浓度增加而上升，150 mg·L^?1处理时最大累积量为26798.51±1.49 mg·kg^?1 DW，比对照组(818.43 mg·kg^?1 DW)提高约32.8倍。

**3.3 选定浓度Se(15 mg·L^?1)和Fe(50 mg·L^?1)对部分植物化学物的影响：**基于生长参数、累积量及成人每日推荐摄入量(RDA)和C. vulgaris推荐日服剂量，研究人员选定15 mg·L^?1 Se和50 mg·L^?1 Fe作为最优强化浓度。与对照组相比，15 mg·L^?1 Na₂SeO₃处理组的叶绿素a、总酚和总黄酮含量均显著升高，分别达626.82、14.18和18.20 mg·g^?1 DW（对照组分别为454.59、10.30和3.29 mg·g^?1 DW）。50 mg·L^?1 Fe处理组的β-胡萝卜素和番茄红素含量显著高于对照组（10.39 vs. 10.04 μg·mg^?1 DW；8.66 vs. 7.97 μg·mg^?1 DW），但增幅较小。而叶绿素b和可溶性蛋白含量在对照组中显著高于Se和Fe处理组。这一结果表明，适宜浓度的Se和Fe可提高光合色素（尤其是叶绿素a）、酚类及黄酮类生物活性物质的合成。

**3.4 生物强化C. vulgaris的抗氧化活性：**通过DPPH法和FRAP法测定了抗氧化活性。与对照组的70.01%相比，15 mg·L^?1 Se和50 mg·L^?1 Fe处理组的DPPH自由基清除率分别显著升高至99.86%和98.65%。FRAP分析也显示，Se处理组的总抗氧化能力显著高于对照组，达到416.19±1.48 mM·g^?1 DW（对照组为210.19±12.21 mM·g^?1 DW）。说明Se和Fe的富集促进了酚类等抗氧化物质的积累，从而提高了微藻的自由基清除能力。

**3.5 生物强化C. vulgaris的脂肪酸组成：**脂肪酸谱分析表明，50 mg·L^?1 Fe处理组的亚油酸(C18:2 n-6)、α-亚麻酸(C18:3 n-3)和棕榈油酸(C16:1)含量显著高于对照组，分别为35.266%、19.767%和11.106%（对照组为33.48%、12.76%和7.63%）。15 mg·L^?1 Se处理组的十七碳烯酸(C17:1)含量显著升高至13.360%（对照组为6.46%）。相反，油酸(C18:1 n-9)和硬脂酸(C18:0)在对照组中含量显著高于处理组。值得注意的是，Se和Fe处理组的ω-6/ω-3脂肪酸比值分别为1.75和1.78，符合FAO推荐的低于5的膳食标准，表明生物强化C. vulgaris具有作为必需脂肪酸优良膳食来源的潜力。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，C. vulgaris对低浓度Se具有生理耐受性，生长促进作用与抗氧化酶活性增强有关；高浓度Se则因引起氧化应激和代谢紊乱而抑制生长，并产生红色Se沉淀。Fe对生长的改善归因于其在光合作用和呼吸作用中的关键作用，而50 mg·L^?1已足以支持最佳生长。微藻细胞壁上的羧基、氨基和磷酸基等金属结合基团促进了Se和Fe的吸收累积。Se和Fe的富集在提高藻体营养价值的同时，也可能带来潜在风险：过量Se可引起硒中毒（脱发、胃肠紊乱和神经损伤），过量Fe可通过Fenton反应促进氧化应激，因此选择合适的强化浓度至关重要。本研究确定的15 mg·L^?1 Se和50 mg·L^?1 Fe能够在保持生物量质量的同时显著增强叶绿素a、总酚、总黄酮含量及抗氧化活性，并优化脂肪酸组成。研究结论认为，Se和Fe生物强化的C. vulgaris显示出作为有益膳食补充剂的巨大潜力，但正式将其用作功能性食品或人类膳食补充剂前，仍需进行体内(in vivo)验证和临床研究。此外，本研究仅分别考察了Se和Fe的单独效应，未来应开展Se和Fe联合处理研究，以揭示其潜在协同或拮抗作用，从而为微藻生物强化策略提供更全面的依据。该论文发表于《Food Science》。