营养潜力的综合评估：入侵种 Rugulopteryx okamurae、工业副产物 Gelidium corneum 及五种本地大西洋大型藻类作为替代蛋白生产原料的研究

《Frontiers in Nutrition》：Nutritional potential of invasive Rugulopteryx okamurae, of Gelidium corneum industrial by-product, and of five native Atlantic macroalgae as feedstocks for alternative protein production

　　

大型藻类因其生长迅速、来源广泛、对淡水和肥料需求低，且可作为蛋白质和生物活性化合物的天然来源，日益被视为面向蛋白质食品和生物加工应用的可持续资源。然而，目前在同一营养与安全评估框架下对本地、入侵及工业侧流大型藻类生物质进行综合评价的研究仍然有限，这限制了对适合蛋白质导向高值化利用的候选藻种的筛选。在此背景下，本研究对来自西班牙和葡萄牙的七种大西洋大型藻类生物质进行了评估，包括入侵褐藻 Rugulopteryx okamurae (R. okamurae)、未充分利用的 Cystoseira usneoides (C. usneoides)、工业 Gelidium corneum (G. corneum) 副产物，以及四种常见研究物种 Saccharina latissima (S. latissima)、Porphyra umbilicalis (P. umbilicalis)、Gracilaria gracilis (G. gracilis) 和 Ulva rigida (U. rigida)。研究人员采用统一的分析框架测定了基本营养成分、碳氮比、氨基酸和脂肪酸谱、营养指数、矿物质和酚类含量、重金属及体外细胞毒性。结果表明，红藻 P. umbilicalis 和 G. gracilis 在所评估的大型藻类中蛋白质含量最高，分别达到30.78%和22.69%，且其碳氮比较低，表明其富含氮元素。亮氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸为主要必需氨基酸，而 G. corneum 副产物表现出最高的总必需氨基酸含量（44.8 g/100 g 蛋白质）和必需氨基酸指数（141%）。大多数生物质的必需氨基酸指数超过90%，支持其营养相关性。脂肪酸分析显示，R. okamurae 和 C. usneoides 中单不饱和脂肪酸水平异常高，且 R. okamurae 是唯一同时含有 EPA 和 DHA 的褐藻。此外，体外细胞毒性试验证实了大多数藻类提取物具有良好的生物相容性和安全性。总体而言，G. gracilis、P. umbilicalis 和 G. corneum 副产物成为蛋白质导向高值化利用的最有前景的候选原料，为开发替代蛋白成分和大型藻类资源的高价值利用奠定了基础。

在全球追求可持续社会经济发展的背景下，海洋资源日益被视为营养素和生物基化合物的战略来源。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的报告，2022年全球渔业和水产养殖总产量达到2.232亿吨，而藻类产量为3780万吨，其中仅0.8%来自欧洲。然而，渔业面临的压力日益增大以及多个地区海洋资源的过度开发，凸显了寻找更可持续的蛋白质供应替代方案的紧迫性。在这一背景下，大型藻类因其高生产力、快速生长以及对淡水和化学肥料不依赖等特点，成为具有前景的可再生生物质。大型藻类主要由红藻门（Rhodophyta）、褐藻门（Phaeophyceae）和绿藻门（Chlorophyta）构成，广泛分布于全球沿海水域，是生物活性化合物的天然来源。其组成可包括碳水化合物（占干重高达60%）、优质蛋白质（含全部必需氨基酸）、脂质（尤其是不饱和脂肪酸）、类胡萝卜素、多酚及其他功能成分。此外，大型藻类富含多种微量营养素，如维生素A、C、E和B族复合物，以及钙、镁、铁、钾、磷和钠等矿物质，其灰分含量可达干重的40%，矿物质含量甚至比陆生蔬菜高10至100倍。基于其高生物利用度和营养丰富性，大型藻类已在营养补充剂、健康食品和药用产品等多个领域被广泛研究。

尽管已有研究对若干大型藻类的营养组成和生物活性进行了报道，但其组成高度受物种、收获季节、地理来源及养殖或采集条件的影响。因此，仍需要在统一分析框架下进行比较研究，以确定最适合蛋白质回收和生物制品开发的大型藻类原料。这一空白在探索较少的生物质和工业侧流中更为突出，因为藻类加工过程中产生的约20%生物质仍未得到充分利用。基于这一研究背景，本研究提出以下假设：来自大西洋沿岸的入侵性、未充分利用及工业副产物大型藻类生物质，可能作为未来基于发酵的替代蛋白生产中有营养价值且足够安全的原料。为验证该假设，研究人员在统一分析框架下对来自西班牙和葡萄牙采集、水产养殖及工业来源的七种大型藻类生物质进行了比较表征。研究重点聚焦于三种鲜少被探索或未充分利用的资源：入侵褐藻R. okamurae、本地褐藻C. usneoides和G. corneum工业副产物。同时，四种常见研究物种——S. latissima（褐藻）、P. umbilicalis（红藻）、G. gracilis（红藻）和U. rigida（绿藻）被纳入作为参考生物质。研究评估了其基本营养成分、碳氮比、氨基酸和脂肪酸谱、营养指数、矿物质和酚类含量、重金属水平及体外细胞毒性，以确定最有前景的蛋白质导向高值化利用候选原料。

在关键技术方法方面，研究人员采用Dumas燃烧法结合氮-蛋白转换因子4.12测定总蛋白质含量；采用酸水解法结合高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）分析氨基酸组成；采用改进的Folch法提取总脂质并结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析脂肪酸谱；采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定矿物质和重金属含量；采用Folin-Ciocalteu法测定总酚含量；并以人肝癌细胞系HepG2和人结肠腺癌细胞系Caco-2为模型，通过Alamar blue和中性红摄取两种互补方法进行体外细胞毒性评价。此外，研究计算了化学评分（CS）、必需氨基酸指数（EAAI）和蛋白质消化率校正氨基酸评分（PDCAAS）等蛋白质质量指标，以及动脉粥样硬化指数（IA）、血栓形成指数（IT）和低胆固醇/高胆固醇比值（HH）等脂质质量指标。样本来源于葡萄牙和西班牙的采集、水产养殖和工业加工环节：U. rigida、G. gracilis和S. latissima由葡萄牙ALGAplus公司供应，G. corneum副产物由Iberagar公司提供，P. umbilicalis由西班牙ALGAMAR公司供应，C. usneoides采集自葡萄牙Tróia-Grandola半岛海滩，R. okamurae采集自葡萄牙亚速尔群岛圣米格尔岛沿海。

在营养组成方面，7种大型藻类生物质的灰分、蛋白质、脂质和碳水化合物含量呈现显著差异。红藻P. umbilicalis和G. gracilis表现突出，蛋白质含量分别达到30.78%和22.69%，并具有较低碳氮比（分别为5.37和5.96），表明其氮含量丰富，适合作为发酵应用的富氮原料。褐藻S. latissima、C. usneoides和R. okamurae的蛋白质含量相对较低（约9-12%），C. usneoides灰分含量最高（约52%），表明其无机元素含量特别高。碳水化合物含量范围为37-59%，G. gracilis和U. rigida含量最高。脂质含量普遍较低（1-6%），符合大型藻类的典型特征。

在氨基酸谱和蛋白质质量指标方面，所有样本均呈现完整的氨基酸谱，但各氨基酸相对含量差异显著。G. corneum副产物的必需氨基酸密度最高，约44.8 g/100 g蛋白质，EAAI值最高达141%，表明其具有作为优质膳食蛋白来源的潜力。亮氨酸和苯丙氨酸是所有样本中最稳定丰富的氨基酸。Met+Cys被鉴定为大多数样本的限氨基酸，而Lys是S. latissima的限氨基酸。PDCAAS值差异较大（7-76%），S. latissima和G. gracilis表现出最高的PDCAAS值。P. umbilicalis虽然EAAI值超过70%，但PDCAAS仅8%，这可能与其细胞壁富含琼脂糖和半乳甘露聚糖、蛋白质被包埋或与多酚交联有关，但这种缓释效应在生物加工中可作为一种“缓释氮源”。

在脂肪酸谱和脂质质量指标方面，总脂肪酸含量差异显著，G. gracilis最低（314 mg/kg）。饱和脂肪酸（SFA）是所有生物质中的主要脂质组分（78-96%），其中棕榈酸和硬脂酸最为丰富。C. usneoides和R. okamurae的单不饱和脂肪酸水平最高，主要来自油酸和棕榈油酸。P. umbilicalis和R. okamurae的多不饱和脂肪酸含量最高，P. umbilicalis富含二十碳五烯酸（EPA），R. okamurae是唯一同时检出二十二碳六烯酸（DHA）和γ-亚麻酸的褐藻。所有样本的ω-6/ω-3比值为0.89-1.26，比例均衡。P. umbilicalis和R. okamurae表现出较低的IA和IT值以及较高的HH值，表明其脂肪酸谱具有有益的心血管健康潜力。

在矿物质组成方面，不同样本的矿物质含量差异显著。G. corneum副产物的钙含量最高（41.88 g/kg），表明该工业侧流保留了相当的矿物质组分。褐藻倾向于积累较多的K和Na，S. latissima和R. okamurae的Na含量分别为38.91和26.78 g/kg，K含量分别为71.66和53.57 g/kg。U. rigida的Mg含量极高（34.97 g/kg），符合绿藻富含Mg的规律。G. gracilis和G. corneum副产物具有最高的Fe含量（分别为4,730和2,658 mg/kg）以及较高的Mn和Zn含量。从生物加工角度看，这些矿物质对维持发酵微生物的酶活性和代谢功能至关重要。

在盐含量方面，不同大型藻类的NaCl含量差异很大。S. latissima和U. rigida的NaCl含量最高（分别为19.69和18.98 mg/kg），表明其具有较强的盐富集能力。相比之下，G. corneum副产物和G. gracilis的NaCl含量最低（分别为0.62和1.82 mg/kg），这可能与提取过程中无机盐的溶解或去除有关。褐藻是Na和K的主要贡献者，可作为食品配方中盐替代品的良好候选。

在总酚含量方面，P. umbilicalis表现出最高的TPC（328 mg GAE/100 g干重），超过了先前文献报道的值。G. corneum工业副产物的TPC最低（43 mg GAE/100 g）。C. usneoides、R. okamurae和G. gracilis的酚含量居中（约100 mg GAE/100 g），表明其具有潜在的抗氧化活性。值得注意的是，尽管褐藻通常被认为比红藻和绿藻含有更高水平的酚类化合物，但本研究中红藻P. umbilicalis的TPC最高，凸显了物种特异性组成、环境条件和提取方法对酚类回收的强烈影响。

在重金属和碘含量方面，褐藻的总砷含量最高，红藻和绿藻的As值较低（1.82-25.20 mg/kg）。C. usneoides的总As含量高达189 mg/kg，需特别关注，在考虑食品相关应用前必须进一步进行砷形态分析。P. umbilicalis的Cd含量（3.401 mg/kg）超过法国参考限值（3.0 mg/kg），其作为食品成分的直接使用应谨慎评估。所有样本的Hg和Pb含量均未超过规定限值。碘含量方面，褐藻的I含量最高，R. okamurae达4,242 mg/kg，C. usneoides为2,270 mg/kg，符合褐藻富碘的典型特征。

在细胞毒性筛选方面，HepG2细胞活力测定显示，仅P. umbilicalis、R. okamurae和C. usneoides的提取物降低了细胞活力。P. umbilicalis仅在HepG2细胞上产生细胞毒性效应，未对Caco-2细胞活力产生负面影响，这至少可部分归因于该物种的高酚类化合物浓度。R. okamurae和C. usneoides在两种细胞系中均能降低细胞活力，其中R. okamurae的活性更强。C. usneoides的细胞活力降低可能与其砷含量有关，而R. okamurae虽然As浓度较低但Fe含量较高，已有报道称非毒性浓度的Fe可增强砷毒性。这些效应仅在较高测试浓度下出现，总体而言大型藻类相对安全。

在讨论部分，本研究强调了大型藻类作为蛋白质导向资源的潜力，特别是红藻P. umbilicalis和G. gracilis以及G. corneum副产物，因其高蛋白质含量、有利的碳氮比和优质的必需氨基酸谱而成为最有利的候选原料。G. corneum副产物作为一种循环经济资源具有特殊意义，其先前的工业加工可能有助于营养素的释放和进一步的高值化利用。然而，安全性制约因素也不容忽视，特别是P. umbilicalis中检测到的较高Cd含量和C. usneoides中观察到的较高As含量，可能限制其未经进一步评估而直接作为食品成分使用。

研究结论部分可总结为：本研究对七种大西洋大型藻类生物质进行了综合营养学和毒理学表征，包括入侵种R. okamurae、未充分利用的C. usneoides以及G. corneum加工产生的工业副产物。研究结果凸显了大型藻类作为蛋白质导向资源的潜力，尤其是红藻P. umbilicalis和G. gracilis以及G. corneum副产物，因其高蛋白质含量、有利的碳氮比和优质的必需氨基酸谱而成为替代蛋白生产中最有前景的候选原料。除蛋白质组成外，所选生物质还提供了有价值的矿物质、酚类化合物和生物活性脂肪酸，支持其在食品、饲料或生物精炼领域的可能应用。总体而言，P. umbilicalis、G. gracilis和G. corneum副产物成为未来蛋白质导向生物加工和功能成分开发的最合适候选原料。未来研究应整合生物质结构特征、预处理工艺和发酵性能，建立更全面的评价框架，从而促进大型藻类在替代蛋白发酵中的应用。