李 倩,全天秀,李祖明,*,白志輝

(1.北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院,北京 100023;2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京100085)

目前全世界普遍關(guān)注因水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題[1]。肥料、污水和工業(yè)廢水等污染物排放,導(dǎo)致水體營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)增加,尤其是氮(N)和磷(P),其會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化,嚴(yán)重影響水質(zhì),對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響[2]。因此越來(lái)越多研究者開(kāi)始關(guān)注富營(yíng)養(yǎng)化水體治理[3]。目前治理富營(yíng)養(yǎng)化水體方法有物理、化學(xué)、生物等修復(fù)手段,其中生物修復(fù)能耗少、投資少、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、效率高、無(wú)二次污染,可實(shí)現(xiàn)原位修復(fù)和控制污染物,能夠與綠化環(huán)境及生態(tài)景觀改善相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)最大效益,近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[4]。

人工濕地是一種模擬自然系統(tǒng)并經(jīng)過(guò)人工強(qiáng)化的凈水系統(tǒng),因成本低,管理容易而廣泛用于富營(yíng)養(yǎng)化水體治理中[5]。生物膜上的生物世代時(shí)間長(zhǎng),生物量大,在載體上富集有脫氮和脫磷微生物的生物膜可用于凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體[6]。生物膜法以其效率高和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)被常用于污水的有機(jī)物去除及脫氮、脫磷工藝,其對(duì)緩解當(dāng)前水體富營(yíng)養(yǎng)化和廢水處理設(shè)施用地緊張等問(wèn)題有積極作用,擁有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

水生植物狐尾藻具適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、生長(zhǎng)速度很快、耐污染能力強(qiáng)、淺溝濕地生長(zhǎng)良好、能顯著降低廢水中氮(N)和磷(P)等營(yíng)養(yǎng)物濃度、低成本、效果好、維護(hù)需求少等優(yōu)點(diǎn),其生長(zhǎng)迅速,產(chǎn)生大量地上生物量,具有作為食品、飼料、有機(jī)肥料、生物材料和生物能源潛力[7,9],被廣泛應(yīng)用于包括富營(yíng)養(yǎng)化水體在內(nèi)各種廢水修復(fù)和凈化,在濕地系統(tǒng)凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體中發(fā)揮重要作用[7,9]。狐尾藻通過(guò)根系從底泥吸收氮、磷和通過(guò)莖、葉從水中吸收氮、磷相結(jié)合來(lái)提高氮、磷的吸收,在富營(yíng)養(yǎng)化水體中,狐尾藻有多種養(yǎng)分吸收途徑來(lái)提高氮和磷的去除能力[7],然而若不及時(shí)收獲和資源化利用,其凋落物分解會(huì)使同化的氮和磷又釋放到環(huán)境中[7-8]。

另外,狐尾藻還可通過(guò)協(xié)同微生物的消化和反硝化作用去除銨氮[10],其開(kāi)發(fā)有利于未來(lái)對(duì)廢水營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和生物質(zhì)資源化高效利用進(jìn)行優(yōu)化集成,拓展其在食品及其它領(lǐng)域的高附加值化利用,實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、資源化高效利用和經(jīng)濟(jì)效益有機(jī)結(jié)合[7-10]。

本文分別檢測(cè)了狐尾藻組和狐尾藻結(jié)合生物膜組處理富營(yíng)養(yǎng)化水體后狐尾藻的營(yíng)養(yǎng)活性成分的含量,考察狐尾藻中主要營(yíng)養(yǎng)活性成分的含量及其變化,以期將狐尾藻中營(yíng)養(yǎng)活性成分研究開(kāi)發(fā)為高附加值的功能食品提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

綠狐尾藻、綠狐尾藻結(jié)合生物膜 由中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀察站開(kāi)慧基地提供;16種單個(gè)氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品(固體,純度≥98%)、混合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)溶液 美國(guó)Aladdin試劑公司;十一碳酸甘油三酯、混和脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品、單個(gè)脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品 美國(guó)Merck公司;微量元素標(biāo)準(zhǔn)品元素貯備液(1000或10000 mg/L):鉀、鈣、鎂、鐵、錳、鋅 采用經(jīng)國(guó)家認(rèn)證并授予標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)的單元素或多元素標(biāo)準(zhǔn)貯備液,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心;茚三酮溶液、乙酸鋅、亞鐵氰化鉀、乙酸鎂、無(wú)水硫酸鈉、氯化鈉、檸檬酸鈉、硫酸氫鈉、鹽酸 均為優(yōu)級(jí)純,北京化工廠(chǎng);焦性沒(méi)食子酸、苯酚、三氯化硼甲醇溶液(濃度為15%)、正庚烷、異辛烷、乙腈 均為色譜純,上海吉至生化科技有限公司。

人工濕地污水處理中試系統(tǒng) 位于長(zhǎng)沙市長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn),由中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀察站建立;2300定氮儀、Soxtec2055全自動(dòng)索氏提取儀 德國(guó)福斯;FIWE纖維素測(cè)定儀 意大利VELP;L-8900氨基酸分析儀 日本日立;SX2-4-10箱式電阻爐 上海一恒;ICAP-7400電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)、ICS-3000離子色譜儀 美國(guó)賽默飛;10A-VP高效液相色譜儀 日本島津;GC-2010氣相色譜儀 日本島津;UV-1700PC紫外可見(jiàn)-分光光度計(jì) 上海奧析。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 凈化方法 在中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀察站人工濕地污水處理中試試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化實(shí)驗(yàn)。選取狐尾藻組(A組)、狐尾藻結(jié)合生物膜組(B組)來(lái)考察兩種不同凈化方法處理富營(yíng)養(yǎng)化水體后綠狐尾藻主要營(yíng)養(yǎng)活性成分含量的變化。狐尾藻組(A組)指實(shí)驗(yàn)單元中只種植狐尾藻,用狐尾藻處理富營(yíng)養(yǎng)化水體。狐尾藻結(jié)合生物膜組(B組)指實(shí)驗(yàn)單元中不僅種植狐尾藻,而且分布有生物膜,生物膜采用聚丙烯纖維填料,長(zhǎng)度為70 cm,生物膜掛膜采用自然掛膜,將生物膜材料系掛于網(wǎng)架上;該實(shí)驗(yàn)單元綜合采用狐尾藻和生物膜來(lái)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行凈化[11]。

1.2.2 原料處理 將兩種凈化方法處理富營(yíng)養(yǎng)化水體后的綠狐尾藻洗凈后用食品級(jí)保鮮膜封裝,放入食品冰箱-20 ℃冷凍24～48 h后進(jìn)行冷凍干燥,然后用小型高速粉碎機(jī)將凍干樣品粉碎、100目過(guò)篩,再用食品級(jí)保鮮袋封裝后存放于4 ℃冰箱備用。水分含量測(cè)定采用鮮樣,其余營(yíng)養(yǎng)活性成分含量測(cè)定均采用干樣,試驗(yàn)3次重復(fù)。

1.2.3 基本營(yíng)養(yǎng)成分含量測(cè)定 水分含量測(cè)定采用冷凍干燥法,參照GB 5009.3-2010《食品中水分的測(cè)定》;灰分含量測(cè)定采用GB 5009.4-2016《食品中灰分的測(cè)定》(第一法);粗纖維含量測(cè)定參照GB/T 5009.10-2003《植物食品中粗纖維的測(cè)定》測(cè)定,結(jié)果以干樣計(jì);蛋白質(zhì)含量測(cè)定采用微量凱氏定氮法(N×6.25),參照GB 5009.5-2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》;粗脂肪含量測(cè)定參照GB/T 5009.6-2016《食品中脂肪的測(cè)定》,采用索氏提取法。

1.2.4 氨基酸含量測(cè)定 氨基酸組成及含量測(cè)定根據(jù)GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的測(cè)定》測(cè)定氨基酸的種類(lèi)和含量。

1.2.5 脂肪酸含量測(cè)定 脂肪酸組成和含量測(cè)定參照GB 5009.168-2016《食品中脂肪酸的測(cè)定》來(lái)檢測(cè)脂肪酸的組成和含量測(cè)定,結(jié)果均以干樣計(jì)。

1.2.6 礦物元素含量測(cè)定 礦物質(zhì)含量測(cè)定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法,參照GB 5009.268-2016(第二法)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測(cè)定》測(cè)定礦物質(zhì)的含量。

1.2.7 可溶性糖與B族維生素含量測(cè)定 可溶性糖含量測(cè)定參照GB 5009.8-2016(第一法)《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測(cè)定》;維生素B1含量測(cè)定參照GB 5009.84-2016《食品中維生素B1的測(cè)定》(第一法)檢測(cè),結(jié)果以干樣計(jì);維生素B2含量測(cè)定參照GB 5009.85-2016《食品中維生素B2的測(cè)定》(第一法)檢測(cè),結(jié)果以干樣計(jì);維生素B6含量測(cè)定參照GB 5009.154-2016《食品中維生素B6的測(cè)定》(第二法)檢測(cè),結(jié)果以干樣計(jì)。

1.2.8 總黃酮含量測(cè)定 總黃酮含量測(cè)定參照《保健食品檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(2003)方法來(lái)檢測(cè),結(jié)果以干樣計(jì)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)3次重復(fù),試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Graph Pad Prism 5進(jìn)行處理和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本營(yíng)養(yǎng)成分

狐尾藻組(A組)和狐尾藻結(jié)合生物膜組(B組)處理富營(yíng)養(yǎng)化水體后狐尾藻中各營(yíng)養(yǎng)成分含量見(jiàn)表1所示。由表1可知,處理后狐尾藻的水分、灰分和粗纖維含量均分別高于92.00%、124.00 mg/g和13.00%,且B組略高于A組,但差異不顯著。狐尾藻粗蛋白含量為18.00 g/100 g左右,且A組顯著高于B組;粗脂肪含量均高于2.00 g/100 g,A組極顯著高于B組。狐尾藻生長(zhǎng)在水中,含水量較高,接近93%,這與Ando等[12]報(bào)道相似。狐尾藻中粗纖維含量略高于13.00%,這與文獻(xiàn)[7]報(bào)道相似。Zhao等[13]發(fā)現(xiàn)富含膳食纖維的飲食改善了糖尿病人的腸道菌群,選擇性地促進(jìn)一組產(chǎn)短鏈脂肪酸細(xì)菌的富集,這組菌的豐度和多樣性越高,血糖改善越好。狐尾藻粗蛋白含量較高,約為18.00 g/100 g,這與文獻(xiàn)[7,14]報(bào)道相似。這也進(jìn)一步說(shuō)明狐尾藻對(duì)環(huán)境中氮吸收能力強(qiáng),轉(zhuǎn)化為自身蛋白含量較高。目前膳食纖維和蛋白質(zhì)類(lèi)功能食品是食品領(lǐng)域普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一,可將狐尾藻中的蛋白質(zhì)和纖維素分別提取出來(lái),分別制成蛋白質(zhì)和膳食纖維用于食品領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā),制備高附加值功能食品,為狐尾藻在功能食品領(lǐng)域的高附加值資源化開(kāi)發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支持。

表1 凈化方法對(duì)狐尾藻基本營(yíng)養(yǎng)成分的影響

2.2 氨基酸含量

氨基酸組成是食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值可靠指標(biāo),蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高低取決于必需氨基酸含量和組成比例[15]。A組和B組狐尾藻含有全部18種氨基酸,總氨基酸含量分別為13.39和13.28 g/100 g,如表2所示?？傮w上,除天冬氨酸外,對(duì)于同一種氨基酸含量,A組略高于B組,但差異不顯著。8種人體必需氨基酸除蛋氨酸和色氨酸外含量較高,必需氨基酸分別占總游離氨基酸的33.91%和30.80%。狐尾藻亮氨酸、賴(lài)氨酸、纈氨酸和精氨酸含量較高,天冬氨酸含量未見(jiàn)報(bào)道[7],這與本文中結(jié)果不完全一致。根據(jù)FAO/WHO建議的理想蛋白模式,必需氨基酸/總氨基酸的比值在40%左右的蛋白質(zhì)質(zhì)量較好[16]。狐尾藻中氨基酸含量較高、組成較合理,可為人體提供較為全面的氨基酸,這有利于將狐尾藻研究開(kāi)發(fā)為高附加值化多肽類(lèi)功能食品。

表2 凈化方法對(duì)狐尾藻氨基酸含量的影響(g/100 g)

2.3 脂肪酸含量

脂質(zhì)是機(jī)體主要能量貯存分子和能量來(lái)源之一,也是細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能重要物質(zhì)基礎(chǔ),特別是多不飽和脂肪酸是生物體繁殖和生長(zhǎng)所必需的,因此脂質(zhì)含量及種類(lèi)也是評(píng)價(jià)食品營(yíng)養(yǎng)重要指標(biāo)之一[17]。A組和B組狐尾藻脂肪酸組成相似,α-亞麻酸和二十一碳酸含量差異顯著,其余均不顯著,如表3所示。A組和B組狐尾藻棕櫚酸、亞油酸、α-亞麻酸含量較高,其總和分別占總脂肪酸含量92.39%和89.89%。

表3 凈化方法對(duì)狐尾藻脂肪酸含量的影響(mg/g)

必需脂肪酸含量較高,其總和分別占總脂肪酸73.10%和69.41%;α-亞麻酸含量最高,分別為(12.103±0.12)和(9.284±0.035) mg·g-1,分別占必需脂肪酸總和65.27%和58.68%。狐尾藻必需脂肪酸含量較高,含量最高的α-亞麻酸又是構(gòu)成細(xì)胞膜和生物酶基礎(chǔ)物質(zhì),在人體和動(dòng)物健康中發(fā)揮重要作用;α-亞麻酸在體內(nèi)還可轉(zhuǎn)化為DHA、DPA、EPA等[18]。狐尾藻可在食品中補(bǔ)充必需脂肪酸,其中高含量的α-亞麻酸可提出出來(lái)制備功能食品,拓展其資源化利用范圍。

2.4 礦物元素含量

A組和B組綠狐尾藻礦物元素中鈣、鉀、錳、鎂含量較高,A組略高于B組,如表4所示;鈣含量最高,分別為(20.735±0.389)和(15.430±0.547) mg·g-1,這與文獻(xiàn)[19]相似。鈣和錳含量差異顯著,其余不顯著。鈣是人體所不可或缺的微量元素,是人體內(nèi)最豐富的礦物質(zhì),參與人體整個(gè)生命過(guò)程。從骨骼形成、肌肉收縮、心臟跳動(dòng)、神經(jīng)以及大腦的思維活動(dòng)、直至人體的生長(zhǎng)發(fā)育、消除疲勞、健腦益智和延緩衰老等等。鎂在人體中的重要性和鈣不相上下,是人體細(xì)胞內(nèi)第二重要的陽(yáng)離子,幾乎參與人體所有的新陳代謝過(guò)程。錳在人體中的作用是非常重要的,它不僅可以促進(jìn)人體骨骼的正常發(fā)育,也可維持正常腦功能[20]。故狐尾藻可在食品中補(bǔ)充一定量的礦物元素,其中較高含量的鈣可制成鈣制劑補(bǔ)充人體所需鈣,促進(jìn)人體健康。

表4 凈化方法對(duì)狐尾藻礦物元素含量的影響(mg/g)

2.5 可溶性糖與B族維生素含量

A組和B組狐尾藻中麥芽糖、乳糖和維生素B1含量極少,小于檢出限,如表5所示。果糖、葡萄糖和蔗糖含量較高,A組略高于B組;果糖含量最高,分別為(27.00±0.15)和(19.30±0.10) mg·g-1,差異顯著;葡萄糖和蔗糖含量差異不顯著。維生素B族中VB6、VB2分別為(5.30±0.06)和(4.50±0.12)、(1.48±0.45)和(1.44±0.002) mg·(100 g)-1,A組略高于B組,差異不顯著。VB6是人體和動(dòng)物某些輔酶組成成分,參與多種代謝反應(yīng),尤其與氨基酸代謝密切相關(guān)[21]。狐尾藻中可溶性糖可供給機(jī)體能量,B族維生素可用于食品補(bǔ)充維生素,它們均有利于人體健康。

表5 凈化方法對(duì)狐尾藻可溶性糖含量及B族維生素含量的影響

2.6 總黃酮含量

黃酮類(lèi)功能食品是目前功能食品領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一;黃酮類(lèi)化合物是多酚類(lèi)植物次生代謝產(chǎn)物,具抗氧化、抗過(guò)敏和免疫調(diào)節(jié)活性等多種生物活性[22]。A組和B組狐尾藻中總黃酮含量分別為(31.81±0.049)和(21.75±0.058) mg·g-1,A組總黃酮含量顯著高于B組,如表6所示。狐尾藻中黃酮類(lèi)化合物可經(jīng)過(guò)提取和分離制備生物活性物質(zhì),并深入研究開(kāi)發(fā)為黃酮類(lèi)功能食品,可應(yīng)用于功能食品領(lǐng)域,提高其資源化利用附加值。

表6 凈化方法對(duì)狐尾藻總黃酮含量的影響

3 結(jié)論

經(jīng)本文研究表明,狐尾藻組和狐尾藻結(jié)合生物膜組處理富營(yíng)養(yǎng)化水體后狐尾藻中主要營(yíng)養(yǎng)活性成分含量發(fā)生了一定的變化?？傮w上,對(duì)于相同組分含量狐尾藻組略高于狐尾藻結(jié)合生物膜組。兩組在粗蛋白、粗脂肪、α-亞麻酸、二十一碳酸、鈣、錳、果糖和總黃酮含量差異顯著,而在水分、灰分、粗纖維、氨基酸、棕櫚酸、亞油酸、VB6、VB2含量差異不顯著。狐尾藻含有種類(lèi)較齊全的營(yíng)養(yǎng)活性成分,可將其中含量較高的纖維素、蛋白質(zhì)、α-亞麻酸、鈣和黃酮等提取分離出來(lái),深入研究開(kāi)發(fā)為具有不同保健功能的高附加值功能食品,拓展狐尾藻的應(yīng)用領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、資源化高效利用和經(jīng)濟(jì)效益有機(jī)結(jié)合?？梢?jiàn),狐尾藻在功能食品領(lǐng)域的資源化利用前景十分廣闊。