欧洲野生、近海养殖与内陆养殖海藻用于食品应用的成分与微结构比较分析

《Journal of Food Composition and Analysis》：Comparative compositional and microstructural profiling of wild, off shore and inland cultivated European seaweeds for food applications

　　

关于欧洲海藻的组成与微结构特征的科学认知仍然有限。研究人员全面表征了来自大西洋、北海、地中海和波罗的海的野生与养殖来源的红藻、褐藻和绿藻共十个具有工业相关性的物种。分析内容包括近似组成、氨基酸、矿物质和微结构。蛋白质含量存在差异，最高水平（约17% dw）见于红藻 Furcellaria lumbricalis 和 Gracilaria bursa-pastoris。非必需氨基酸以谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸和甘氨酸为主，而红藻显示出最高比例的限制性氨基酸（必需氨基酸）。纤维含量（约24–62% dw）和灰分（约11%–41% dw）范围较广，脂肪水平较低（1–3.8% dw）。显微镜观察揭示了种间在细胞外基质和细胞特征上的差异，即使在不使用荧光染色的情况下也可观察到。F. lumbricalis 显示出铁强化的潜力，而碘浓度表现出实质性变异（约9–620 mg kg-1dw），表明需要针对物种制定膳食建议。在研究的样本集中，纤维与细胞外基质厚度之间发现了正相关。多变量分析突出了灰分、膳食纤维和钙之间的强关系。总体而言，研究结果表明欧洲海藻之间存在较大的营养和结构多样性，支持其在食品和生物技术应用中的定向利用。

论文解读：

研究背景方面，当前全球对可持续、营养丰富且具有气候韧性的食品系统需求，使得海藻成为食品研究与创新的前沿对象。海藻具有生长速率快、投入需求少以及组成谱丰富等特点，可为蛋白质、脂质、膳食纤维和必需微量营养素提供有吸引力的、互补于陆生作物的替代来源。此外，其碳固存能力使其野生采收和受控水产养殖均能带来积极环境影响，涵盖多个欧洲海洋流域。理解海藻的组成与结构特性对于其在食品系统中的价值化至关重要。海藻按叶状体（thallus）颜色分为红藻门（Rhodophyta）、褐藻门（Ochrophyta, Phaeophyceae）和绿藻门（Chlorophyta），且在化学组成上差异显著。已有文献报道了随属、种和来源不同而变化的蛋白质、氨基酸、脂质、矿物质和纤维含量的组成变异性。某些物种呈现有前景的蛋白质密度和氨基酸组成，可用于功能性食品开发。例如红藻 Palmaria palmata 和 Porphyra spp. 蛋白质含量常可达约35% w/w，而褐藻通常低于15%。海藻因其积累矿物质的能力而引人注目，反映出其在海洋环境中较强的生物累积能力，钙、镁、钾和微量元素（铁、锌、硒）常被富集，这种矿物质多样性为全球微量营养素缺乏问题提供了前景，但同时也引发了对重金属（如砷、镉）吸收的关切，需在野生与养殖样本中密切监测。海藻复杂的细胞架构，包括刚性、多层细胞壁和由多种多糖组成的细胞外基质，在决定其营养功能性和加工行为方面起核心作用；例如蛋白质消化率和生物利用度可受细胞基质复杂性和难降解细胞壁的影响。尽管关于海藻组成特征的文献不断增长，但整合组成与微结构分析的研究仍较为滞后，且亟需区分物种驱动与环境驱动因素，尤其在比较野生与水产养殖来源海藻时。因此，本研究旨在通过提供来自不同海洋流域的野生与养殖来源的十种欧洲海藻物种的组成与微结构评估，填补这些知识空白。

为开展研究，研究人员采用了若干主要关键技术方法：样本队列来源于欧洲不同区域，包括波罗的海（爱沙尼亚）、大西洋（西班牙）、北海（挪威）和地中海（土耳其），涵盖野生捕捞、近海开放水域养殖（outdoor cultivation）和陆上室内养殖（indoor cultivation）三种来源；化学组成分析包括干物质测定（115°C烘箱干燥）、蛋白质测定（凯氏定氮法 Kjeldahl 与杜马斯燃烧法 Dumas，并使用物种特异性氮-蛋白质换算因子）、总膳食纤维（TDF）测定（AOAC 985.29 法，Megazyme 试剂盒）、脂肪测定（Schmid-Bondzynski-Ratzlaff 法适配海藻）、灰分测定（550°C马弗炉灼烧）以及矿物与潜在污染物测定（微波辅助酸消解法结合ICP-MS，碘采用微波辅助碱消解法）；氨基酸谱分析依据 AOAC 2018.06，经盐酸水解、AccQ-Tag Ultra 衍生化与UHPLC-UV检测；结构表征采用高分辨率共聚焦激光扫描显微镜（CLSM，Leica Stellaris 8 FALCON），观察表面与横截面，未染色与罗丹明B染色并行，并利用ImageJ进行细胞尺寸及细胞墙/细胞外基质（cw-ecm）厚度量化；数据统计采用单因素方差分析（One-way ANOVA）与Tukey事后检验，多变量分析采用多重因子分析（MFA）与聚合层次聚类（AHC），并计算Pearson相关系数探索变量间关系。

研究结果部分，首先为3.1 蛋白质含量：研究发现 Gracilaria bursa-pastoris（17.27%）与 Furcellaria lumbricalis（16.68%）这两种红藻表现出最高蛋白质含量；不同褐藻间差异明显，例如 Undaria pinnatifida 为15.14%，而不同产地养殖的 Saccharina latissima 分别为12.56%（大西洋）与8.45%（北海）；绿藻 Ulva spp. 中，大西洋野生种（15.17%）高于地中海野生种（10.11%），室内养殖 Ulva ohnoi 为13.05%；Kjeldahl法与Dumas法结果趋势一致。其次为3.2 膳食纤维含量：Ulva spp.（地中海）与 F. lumbricalis 显示较高值（分别为62.27%与51.07%）；红藻 G. bursa-pastoris（30.90%）与 P. palmata（23.91%），褐藻 A. esculenta（39.20%）、S. latissima（大西洋31.43%，北海28.04%）与 U. pinnatifida（28.58%）呈中等偏高；Ulva 属内纤维含量差异大，地中海野生种显著高于大西洋野生种与养殖种；膳食纤维主要由结构多糖决定，并受环境因子影响。3.3 脂肪含量：总体在1.05–3.81%，Atlantic Ulva spp.最高；F. lumbricalis 最低（1.05%）；野生 Ulva 脂肪高于养殖 Ulva；S. latissima 两地脂肪相近（约2.20%与2.23%）；褐藻整体脂肪偏低。3.4 灰分含量：最高为 P. palmata（40.92%）与 S. latissima（大西洋33.80%，北海33.30%）；U. ohnoi 达29.41%；Ulva spp. 灰分具地理差异（地中海10.84% vs 大西洋16.10%）。接着3.4 矿物谱：3.4.1 钠（Na）、镁（Mg）与钾（K）：室内养殖 U. ohnoi 的Na与Mg最高；P. palmata 的K极高（104935 mg kg^-1）；3.4.2 钙（Ca）与磷（P）：地中海野生 Ulva spp. 的Ca最高（12206.6 mg kg^-1），F. lumbricalis 也较高（9041 mg kg^-1）；P 以 P. palmata 最高（3101.9 mg kg^-1）；3.4.3 铁（Fe）与锰（Mn）：F. lumbricalis 的Fe（738.3 mg kg^-1）与Mn（971.4 mg kg^-1）极高；3.4.4 碘（I）：北海养殖 S. latissima 最高（619.6 mg kg^-1），存在显著地理变异性；3.4.5 重金属：锂、硒、钼、镉、铅、汞未检出；砷（As）含量2.1–15.9 mg kg^-1；铝（Al）最高在 F. lumbricalis（616 mg kg^-1）；铜（Cu）仅见于 F. lumbricalis 与地中海 Ulva spp.。3.5 氨基酸谱：各物种均以天冬氨酸与谷氨酸为主；必需氨基酸（EAA）中亮氨酸最丰富；红藻 P. palmata 谷氨酸含量高，含硫氨基酸比例相对较高但EAA比例在该组中最低（38%）；F. lumbricalis 含硫氨基酸较高；G. bursa-pastoris 脯氨酸低、缬氨酸与亮氨酸高；褐藻氨基酸谱相似，EAA比例近44%，S. latissima 两地氨基酸组成差异极小；绿藻丙氨酸突出，Ulva spp. 不同产地氨基酸谱无差异，但无营养补充的养殖种天冬氨酸与组氨酸相对降低，EAA比例稳定在41–42%。3.6 微结构：3.6.1 红藻结构特征：F. lumbricalis 横切面呈紧密假薄壁组织，皮层厚、髓部致密；G. bursa-pastoris 横切面典型二分结构，皮层小细胞环、髓部较大细胞；P. palmata 叶片纵向切面为较均匀多边形细胞层；3.6.2 褐藻结构特征：U. pinnatifida 排列规则紧密的多边形细胞；A. esculenta 细胞较大、排列较疏松；S. latissima 两地结构相似，有序多边形排列，细胞尺寸与cw-ecm厚度相近；3.6.3 绿藻 Ulva spp. 不同来源结构特征：野生种间细胞尺寸与cw-ecm差异明显，地中海种cw-ecm更厚；养殖种细胞尺寸接近大西洋野生种，cw-ecm介于两者之间；培养条件影响形态可塑性。3.7 多变量分析：MFA显示灰分与总膳食纤维为主要分离贡献因子（F1），Mn与Fe贡献F2，脂肪与蛋白质更多贡献F3；野生海藻关联更高膳食纤维与更低灰分；AHC形成三簇，F. lumbricalis 单独成簇；Pearson相关显示cw-ecm厚度与纤维含量呈显著正相关，细胞尺寸与组成参数无显著相关。

讨论与结论部分，研究人员指出，本研究证明具有商业相关性的欧洲海藻在化学组成与微结构上存在显著差异，且强烈依赖于物种、生境与生长条件。所研究海藻呈现出可观的膳食纤维含量，使其适合作为增加膳食纤维摄入的食品配料；整体低脂特征支持其在低脂食品配方中的应用。红藻尤其是波罗的海野生 F. lumbricalis 与西班牙室内养殖 G. bursa-pastoris 表现出最高蛋白质含量与较有利的必要氨基酸谱，凸显其作为富蛋白食品配料的适用性。对于野生大西洋物种，Ulva spp. 与 U. pinnatifida 是高蛋白应用的合适候选；Ulva spp. 在富纤维与较高脂肪应用中亦有前景。野生北海物种中，A. esculenta 的蛋白质、纤维与脂肪含量最高，突出其面向营养导向应用的潜力。此外，多样化的微结构可被用于增强质构化食品的功能性并优化蛋白质提取工艺。矿物组成凸显物种间明确差异，决定其定向强化适用性；鉴于矿物含量在物种与地理来源间可能广泛变化，且研究结果可能不同于其他季节或地点收获的海藻，研究人员认为 F. lumbricalis 因其相对较高铁含量而成为铁强化最有前景的候选；对于碘强化，S. latissima 尤其北海养殖种表现突出，但需注意食品中碘推荐水平以避免超限。研究发现，在所检查海藻中，生化组成与细胞壁/细胞外基质沉积的关联较其与细胞尺寸的关联更密切。研究受限于样本量相对较小与三类海藻代表性有限，因此结论需更大更多样数据集验证；未来工作应包括季节采样以考量时间变异，扩大物种数、样本量与时间覆盖将增强发现稳健性。组成与微结构的联合评估为优化欧洲海藻在食品与生物技术中的应用提供了有价值基础。