微藻富硒食品的研究現(xiàn)狀與展望

硒在1973年被世界衛(wèi)生組織確定為人體必需微量元素后，其與人類健康的關(guān)系成為了研究熱點。在研究中發(fā)現(xiàn)，硒常以硒代半胱氨酸的形式插入到硒蛋白中形成谷胱甘肽過氧化物酶、硫氧還蛋白還原酶等硒酶發(fā)揮生理活性，表現(xiàn)出氧化還原酶的功能減少自由基對機體的毒害。此外，硒元素的抗癌、抗炎和抗病毒特性對維持人體健康必不可少。

近年來，隨著生活水平的提高和保健理念的深入，人們對含硒功能食品的關(guān)注度再次提高。但是，硒雖重要卻是把“雙刃劍”。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，我國硒資源嚴重匱乏，約7億人長期處于硒營養(yǎng)攝入不足狀態(tài)，致克山病、大骨節(jié)病等地方性疾病頻繁發(fā)生，而機體中過量的硒又會取代甲硫氨酸中的硫?qū)е聶C體中毒。同時機體內(nèi)硒水平過高促使大量活性氧的產(chǎn)生，使得人體老化加速、產(chǎn)生疾病。可見利用生物載體富集轉(zhuǎn)化獲得的有機硒才是機體補充硒營養(yǎng)的安全、有效途徑。

因此，本文以生物載體微藻富集、轉(zhuǎn)化硒元素為重點展開綜述，通過回顧硒的存在形態(tài)、微藻中硒的分布、富硒微藻的代謝機制和生物學功效，評估富硒微藻作為抗氧化功能性新型產(chǎn)品對人體健康的重要性，為微藻富硒食品的潛在應(yīng)用價值和產(chǎn)品開發(fā)中尚存在的問題提供基礎(chǔ)理論參考。

1.水環(huán)境中的硒

自然界中的硒廣泛存在，但其分布極不均勻。研究發(fā)現(xiàn)，水中的硒含量為0.02-10μg/L，大量硒則存在于土壤中，空氣中也有含量為每平方米幾微克至幾毫克的揮發(fā)硒存在。自然水體中的硒一方面通過自然因素獲得，如土壤硒通過地表徑流、地下水進入河流、海洋等以及大氣干濕沉降。另一方面則是人為因素造成，如工業(yè)污水的排放和廢料堆積的淋濾使硒進入自然水體。

硒在水體中的存在形式包括SeO42-、SeO32-及不溶性的Se0。水體中不同類型的硒化合物主要取決于水體的pH值、可絡(luò)合物質(zhì)的含量以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如自然水體pH值較低或較高時，硒以溶解性較高的SeO42-和SeO32-形式存在于水體導致自然水體中可檢測到的硒濃度偏高，毒性增強。如部分富硒農(nóng)業(yè)排水中硒濃度高達0.14-1.4mg/L造成硒污染。且由于硒酸鹽具有較高的溶解度，因此在各水體中盡管硒含量有所不同，其主要的存在形式均為SeO42-。此外，自然水體中也存在少量硒氨基酸、硒蛋白等形態(tài)的有機硒。

2.生物富硒載體

微藻是一種形態(tài)微小、生長速度較快的光合自養(yǎng)微生物，具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。目前用于大量培養(yǎng)的微藻主要包括綠藻門、藍藻門、金藻門及紅藻門。它們常被譽為細胞“工廠”，主要是由于其含有的蛋白質(zhì)、藻多糖、β-胡蘿卜素等初級、次級代謝物具備高價值的營養(yǎng)成分與生物理化活性。因此，在食品領(lǐng)域具有廣泛的開發(fā)前景。

微藻的富硒研究起步較晚。但微藻在添加硒培養(yǎng)時，不僅表現(xiàn)出對高硒毒性的耐受性，而且在硒濃度較低時，表現(xiàn)出一定程度的增殖促進和對硒的富集轉(zhuǎn)化作用，且微藻具有很高的營養(yǎng)價值和較強富集微量元素的能力，可作為無機硒生物轉(zhuǎn)化的理想載體。此外，藻類可以通過富集硒元素將其有機化為硒氨基酸的形式存在，有機化后的硒氨基酸轉(zhuǎn)移值高等生物體中，硒氨基酸在高等生物機體中合成硒蛋白，最后由食物鏈傳給更高級消費者，完成硒循環(huán)。因此，微藻可作為生物富集轉(zhuǎn)化硒的可食用材料并且受到越來越多科研工作者的關(guān)注。

3.富硒微藻研究現(xiàn)狀

3.1 研究常用藻株

目前，富硒微藻主要有蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）、鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）、紫球藻（Porphyridium sp.）和球石藻（Emiliania huxleyi）等。其中螺旋藻常被視為理想的硒有機化載體，已有的研究表明，富硒螺旋藻中的有機硒占總硒75%以上。此外，微藻具分布廣、規(guī)模大、培養(yǎng)簡單、營養(yǎng)豐富等優(yōu)勢，使其已成為一種極具潛力的富集硒載體。

3.2 微藻富硒機制

微藻通過特定的生物機制將自然水體中的亞硒酸鹽（SeO32-）或硒酸鹽（SeO42-）等無機硒轉(zhuǎn)化為有機硒。然而目前還沒有發(fā)現(xiàn)微藻對硒的特異轉(zhuǎn)運物質(zhì)，所以微藻對硒的富集常需要具有化學相似性的硫酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽等陰離子轉(zhuǎn)運物質(zhì)介導?？茖W家們通過動力學與75Se放射失蹤技術(shù)研究出微藻對硒的富集機制主要有兩種：第一種是具有高親和力、ATP依賴性和及時飽和的運輸途徑（Km=29.8nm），它在硒暴露后幾分鐘內(nèi)活躍；第二種則是低親和力的被動運輸途徑，與亞硒酸鹽的外濃度呈線性關(guān)系，并對長期硒暴露起主導作用。然而，對于硒酸鹽來說，這種可飽和的運輸系統(tǒng)已經(jīng)被質(zhì)疑，因為高濃度的硒酸鹽會降低藻類對硒的吸收率。

目前，微藻硒代謝的具體步驟還有爭議。通常通過植物富硒的相關(guān)研究提出微藻硒代謝的途徑。微藻攝入硒后，SeO32-和SeO42-的代謝途徑可能是相同的。Se（+Ⅳ）和Se（+Ⅵ）通過硫酸鹽、磷酸鹽等陰離子轉(zhuǎn)運物質(zhì)介導進入藻細胞之后被迅速運輸至葉綠體內(nèi)。Se（+Ⅵ）被還原為Se（+Ⅳ）進入硒代謝過程前需經(jīng)三磷酸腺苷硫酸酶（ATPs）作用轉(zhuǎn)換成腺苷酸磷硒酸鹽（APSe），APSe由硫酸腺苷磷酸還原酶（APR）還原。Se（+IV）在亞硫酸鹽還原酶（SIR）和O-乙酰絲氨酸（OAS）的順序作用下轉(zhuǎn)化為硒代半胱氨酸（SeCys）。硒代半胱氨酸可以清除氧自由基，在防御系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。它也是合成其他含硒化合物的起始底物。其代謝途徑可能有4條：（1）SeCys通過共翻譯插入到蛋白質(zhì)中，但當硒含量較高時，會導致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，產(chǎn)生毒性作用；（2）SeCys被硒代半胱氨酸裂解酶（SeCyslyase）催化形成單質(zhì)硒和丙氨酸；（3）SeCys被硒代半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（SeCysMT）催化形成MeSeCys后進一步被酶催化為DMDSe；（4）SeCys在進入細胞質(zhì)前，首先，它需要依次代謝為硒單半胱氨酸和硒代蛋氨酸（SeMet）。然后在細胞質(zhì)中，甲硫氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（MMT）作用于SeMet，使其轉(zhuǎn)化為甲基蛋氨酸（MeSeMet），最終MeSeMet被甲基蛋氨酸水解酶催化生成二甲基硒化合物等揮發(fā)性物質(zhì)（DMSe）。

盡管大量研究表明，硒可以促進微藻生長，然而微藻對硒反應(yīng)的分子調(diào)控機制仍不清楚，隨著測序技術(shù)的發(fā)展，高通量組學得到廣泛應(yīng)用。其中，代謝組學能真正反映出機體已經(jīng)發(fā)生的事件，具有更靈敏的檢測優(yōu)勢。因此，進一步探索微藻對不同硒濃度響應(yīng)的分子機制具有重要意義。根據(jù)植物富硒的代謝組學研究提出微藻硒代謝的分子機制，通過代謝組KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)這些硒響應(yīng)的差異代謝物富集途徑主要集中在（1）苯丙素生物合成途徑：能夠維持生物活性，云杉醇等二苯乙烯類產(chǎn)物的較高產(chǎn)量可能表明硒的營養(yǎng)價值影響，提高非生物脅迫抵抗力；（2）黃酮類生物合成途徑：在細胞生長和應(yīng)激反應(yīng)中具有重要作用；（3）氨基酸生物合成途徑：主要用于促進植物生長，此外，該途徑積累檸檬酸、異檸檬酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，保護細胞膜免受損傷，緩解非生物脅迫引起的滲透失衡；（4）精氨酸生物合成途徑：精氨酸是細胞增殖和分裂所必需的，影響抗氧化系統(tǒng)及風味物質(zhì)的形成。

3.3 藻類中硒的分布和形態(tài)

富硒微藻中的硒元素主要與生物大分子物質(zhì)結(jié)合，尤其是蛋白質(zhì)。一方面，硒以硒代半胱氨酸的形式特異性地與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成谷胱甘肽過氧化物酶等硒蛋白。另一方面，硒也可與非特異性含硒蛋白相結(jié)合，從而形成含硒的多肽或者蛋白質(zhì)。

此外，微藻富集硒后，硒取代微藻多糖中的部分硫原子，并通過糖苷鍵的形式與微藻多糖相結(jié)合。在劉艷的研究中證實紫球藻胞內(nèi)硒多糖含量為7.08μg/g，占細胞硒含量的25.3%，胞外分泌多糖含有硒，可檢測到分泌性多糖的最高硒含量為31.02μg/g。另外，硒也能以離子的形式與脂類中的雙鍵或三鍵以非共價鍵的形式與紫球藻中的大分子物質(zhì)脂類結(jié)合，檢測到硒與粗脂肪結(jié)合量為0.89μg/g，占細胞硒含量的3.2%。

而硒除了與微藻大分子物質(zhì)結(jié)合外還可能以無機硒的形式存在，類似報道發(fā)現(xiàn)硒酸鹽環(huán)境中，小球藻富集硒元素后代謝成揮發(fā)性二甲基硒化物等揮發(fā)性物質(zhì)。

4.富硒微藻的生物學功效

通過多年來科學家對富硒微藻生物學效應(yīng)的廣泛研究發(fā)現(xiàn)，硒元素的加持和微藻自身的生物活性成分可使得微藻的生物學效應(yīng)尤為多樣和顯著，主要包括抗氧化、抗癌和免疫調(diào)節(jié)等作用顯著增強。

4.1 抗氧化活性

硒參與構(gòu)成人體20多種硒酶/硒蛋白的活性中心發(fā)揮重要的抗氧化效應(yīng)，如硫氧還蛋白還原酶參與細胞內(nèi)氧化還原平衡的維持，能保護細胞免受氧化應(yīng)激的損傷。

4.2 抗癌作用

富硒螺旋藻已被諸多模型實驗和臨床診斷所證實可抑制肝癌等腫瘤細胞的增殖。劉亞敏以NK細胞對小鼠淋巴瘤細胞（YAC-1）的殺傷能力去評價荷瘤小鼠細胞的活性。實驗證實，富硒螺旋藻能顯著增強荷瘤小鼠NK細胞活性，增強其機體免疫功能，發(fā)揮抗癌作用。

4.3 免疫調(diào)節(jié)作用

藻藍蛋白是一種能增強機體免疫系統(tǒng)功能的高抗免疫蛋白，同時能幫助機體抵抗疾病。唐玫經(jīng)小鼠試驗證實，富硒藻藍蛋白能增強淋巴細胞轉(zhuǎn)換率、提高空斑溶血細胞的溶血能力，即富硒藻藍蛋白可以增強機體的免疫功能。

5.結(jié)論與展望

現(xiàn)有研究表明，富硒微藻具有抗氧化、抗癌、抗炎、增強免疫力等生物活性功能，對機體健康有積極作用。近年來，隨著消費者健康產(chǎn)品的需求逐漸增加，富硒微藻在保健食品領(lǐng)域顯露頭角。微藻功能食品產(chǎn)業(yè)從簡單的產(chǎn)品開發(fā)，逐漸進入到產(chǎn)品機制研究領(lǐng)域。而富硒微藻資源的開發(fā)，除了需要不斷優(yōu)化富硒微藻的培養(yǎng)技術(shù)外，后續(xù)研究中還需要利用高效液相色譜等分離技術(shù)進一步優(yōu)化微藻有機硒的提取、純化條件，挖掘除硒蛋白外的硒多糖、硒核酸等生物大分子的生物活性功能，利用多組學技術(shù)完善微藻有機硒合成途徑分析，并對富硒微藻產(chǎn)品的應(yīng)用進行規(guī)范管理，保證富硒微藻產(chǎn)品的食用安全。

作者簡介

楊帆（1998-），女，碩士；研究方向：微藻資源與生物技術(shù)。

*通訊作者

孟憲剛（1974-），男，博士（后），教授；研究方向：工業(yè)微生物。