許洪高 周琪樂 魯緋

摘要：螺旋藻（Spirulina）是四大人工養(yǎng)殖微藻中產(chǎn)量和產(chǎn)值最大的微藻，在營養(yǎng)健康、畜牧養(yǎng)殖、固碳減排、環(huán)境工程等領(lǐng)域的作用正被越來越充分地認(rèn)識和挖掘。我國的螺旋藻粉產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的80%，市場上流通的螺旋藻產(chǎn)品（粉、片、膠囊等）中，90%屬于膳食補(bǔ)充劑。本文主要立足于營養(yǎng)健康領(lǐng)域，對螺旋藻產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖、加工環(huán)節(jié)的影響因素和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，同時(shí)概述螺旋藻產(chǎn)品的營養(yǎng)特性和安全特性，最后對不同國家和地區(qū)的螺旋藻產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，并對螺旋藻產(chǎn)業(yè)在營養(yǎng)健康領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行展望?？蛇M(jìn)行CO2生物轉(zhuǎn)化和具有可持續(xù)發(fā)展特性的螺旋藻產(chǎn)業(yè)，需要在提高單位產(chǎn)量、養(yǎng)殖作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，提升產(chǎn)品的安全性以及結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大力拓展新鮮螺旋藻在營養(yǎng)健康領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：螺旋藻;養(yǎng)殖;加工;營養(yǎng);安全性;質(zhì)量

螺旋藻（Spirulina）是低等原核生物“節(jié)旋藻”的別稱，是一種堿性水體（pH值約為9.5）中天然存在的浮游光合藍(lán)細(xì)菌，少數(shù)屬于底棲型[1]。螺旋藻由單列細(xì)胞組成不分枝絲狀體，藻絲體長為200～500 μm，寬為5～10 μm，呈疏松或緊密的有規(guī)則的螺旋形彎曲，在生長到一定長度（螺旋數(shù)）后通過斷裂進(jìn)行繁殖。1519年，西班牙科學(xué)家Hernando Cortez在墨西哥的Texcoco湖首次發(fā)現(xiàn)螺旋藻[2]。在南非乍得共和國，螺旋藻干燥的藻泥餅粉末有與番茄醬、胡椒拌和后澆淋在食物（米飯、豆、魚、肉）上食用的習(xí)慣[3]。螺旋藻不僅可以應(yīng)用于食品（功能食品、添加劑）、醫(yī)藥（天然胡蘿卜素）和飼料工業(yè)，還在環(huán)境（檢測、修復(fù)）、生物技術(shù)、可再生能源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，全球螺旋藻的總產(chǎn)量約12 000 t/年，單位產(chǎn)量最高達(dá)到91.0 t/（hm2·年）[2]。我國的螺旋藻養(yǎng)殖企業(yè)有60余家，年總產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的80%，約9 600 t[4];養(yǎng)殖面積約為750 hm2[5]，單位產(chǎn)量僅約13 t/（hm2·年），螺旋藻的養(yǎng)殖及管理水平還亟待提高。本文主要對螺旋藻養(yǎng)殖、采收、干燥過程中的影響因素，以及螺旋藻的營養(yǎng)特性與安全性的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為螺旋藻產(chǎn)業(yè)及食品工業(yè)提供一個(gè)全面的信息。

1 螺旋藻養(yǎng)殖及影響因素

螺旋藻約有38種，人工養(yǎng)殖的螺旋藻主要是鈍頂螺旋藻（S. platensis）和極大螺旋藻（S. maxima）2種[6-7]。在生長發(fā)育過程中，螺旋藻形態(tài)易因環(huán)境脅迫而發(fā)生改變，同時(shí)伴隨著生理學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、遺傳學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等方面的變化[8]。

1.1 螺旋藻的培養(yǎng)基組成

螺旋藻作為一種可人工大規(guī)模養(yǎng)殖的微藻，其營養(yǎng)成分與培養(yǎng)基的組成緊密相關(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)中，常用的有扎魯克（Zarrouk）培養(yǎng)基[1-2]、改良Zarrouk培養(yǎng)基[1]、Rao培養(yǎng)基、Oferr培養(yǎng)基[2]，也可以使用其他簡易培養(yǎng)基進(jìn)行養(yǎng)殖[9]。螺旋藻傳統(tǒng)養(yǎng)殖過程中的NaHCO3用量很大，一方面是提供足量的碳源，另一方面是使培養(yǎng)基pH值呈堿性，有利于螺旋藻的生長。在擴(kuò)藻期，培養(yǎng)基中NaHCO3的濃度一般為8～10 g/L，正常養(yǎng)殖期間NaHCO3可降低到2.5～4.0 g/L。Olguín等曾于1998—2001年將海水與淡水以體積比1 ∶ 4混合并加入2%（體積分?jǐn)?shù)）豬糞厭氧發(fā)酵后的上清液作為培養(yǎng)基養(yǎng)殖螺旋藻，同時(shí)在第0、3、5天向養(yǎng)殖池中補(bǔ)充2 g/L的NaHCO3，保持水體的pH值為9.5，螺旋藻在夏天的平均產(chǎn)量達(dá)到 14.4 g/（m2·d）（池水深為0.15 m）和 15.1 g/（m2·d）（池水深為0.20 m）;養(yǎng)殖水體中的氨基態(tài)氮利用率為84%～96%，磷的利用率為 72%～87%[10]。

螺旋藻培養(yǎng)基的組成應(yīng)基于養(yǎng)殖用水的水源品質(zhì)進(jìn)行，為了避免其他藻類的生長與污染，以及螺旋藻的品質(zhì)，養(yǎng)殖用水必須達(dá)標(biāo)，城市管網(wǎng)用水是一個(gè)便捷的選擇。養(yǎng)殖后的水體在重復(fù)利用前需進(jìn)行適當(dāng)處理，其中反滲透處理的水對螺旋藻的生長影響最小，也能夠保證螺旋藻品質(zhì)的穩(wěn)定性。

養(yǎng)殖批次間增補(bǔ)的培養(yǎng)基主要是硝酸鈉或尿素，尿素和硝酸根離子能夠供給螺旋藻足夠的氮，但高濃度會致毒。螺旋藻可以在僅含硝酸根或尿素的培養(yǎng)液中生長，但復(fù)合使用2種氮源對螺旋藻的生長有好處。磷酸鹽、Mg2+和Ca2+的添加量需要控制。K+可以適當(dāng)增加，以不超過Na+濃度的5倍為宜[2]，可以基于實(shí)際生長條件確定培養(yǎng)基組成。

藻類與陸生植物類似，可以通過光合作用固定二氧化碳（CO2），理論表明，1 hm2的微藻可以利用12.6%的太陽能產(chǎn)生280 t/年的干物質(zhì)，相當(dāng)于生物轉(zhuǎn)化513 t CO2[11-12]，Sydney等發(fā)現(xiàn)，鈍頂螺旋藻（S. platensis LEB-52）的CO2生物轉(zhuǎn)化能力為318.61 mg/（L·d）[13]。有機(jī)胺作為一類CO2捕集吸附劑，固碳效率高。Da Rosa等采用CO2替代Zarrouk培養(yǎng)基中的NaHCO3作為碳源，CO2的供給量是每天每毫升培養(yǎng)液中通入0.36 mL CO2，然后在光照時(shí)間內(nèi)，每小時(shí)通氣2 min，最終得到的鈍頂螺旋藻粉（Spirulina sp. LEB 18）的蛋白質(zhì)含量為60.8%，碳水化合物含量為14.4%，脂肪含量為100%[14];為了延長CO2在培養(yǎng)液中的保留時(shí)間，在培養(yǎng)液中添加0.2 mmol/L乙醇胺（Ethanolamine，簡稱MEA），所得螺旋藻粉的蛋白質(zhì)含量為44.4%，碳水化合物含量為282%，脂肪含量為8.3%;螺旋藻產(chǎn)量提高31.4%。但添加乙醇胺影響了螺旋藻對氮元素的生物轉(zhuǎn)化，從而螺旋藻粉中含有更多的碳水化合物。王兆印等比較乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺和N-甲基-二乙醇胺對螺旋藻生長和固碳的效果，發(fā)現(xiàn)三乙醇胺能夠顯著促進(jìn)螺旋藻對CO2的生物轉(zhuǎn)化，增加螺旋藻的產(chǎn)量，提高固碳速率[15];但與da Rosa等研究結(jié)果[14]相似的是螺旋藻中多糖含量增加而蛋白質(zhì)含量減少。有機(jī)胺具有一定的毒性，其用于食用螺旋藻養(yǎng)殖時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 螺旋藻養(yǎng)殖的影響因素

螺旋藻的生長不僅取決于培養(yǎng)基組成和CO2供應(yīng)，還與藻種、養(yǎng)殖池、養(yǎng)殖場所處地理位置、養(yǎng)殖季節(jié)（溫度、光照）、其他因素（pH值、蟲害）等密切相關(guān)。

1.2.1 藻種 鈍頂螺旋藻與極大螺旋藻的生長速率不一致，在相同培養(yǎng)條件下，鈍頂螺旋藻比極大螺旋藻的生長速度快。螺旋藻不同藻株的光合速率和呼吸速率不同，來源于非洲乍得湖的鈍頂螺旋藻和墨西哥Texcoco湖的極大螺旋藻的光合速率遠(yuǎn)大于來源于內(nèi)蒙古鄂爾多斯沙區(qū)堿湖（察罕淖爾湖）的鈍頂螺旋藻[16]。螺旋藻的光合速率日變化表明，螺旋藻在每日13：00時(shí)光合速率達(dá)到最大，早于或晚于這一時(shí)間點(diǎn)的光合速率都有所下降。螺旋藻的呼吸速率與生長速度負(fù)相關(guān)，且隨溫度的升高而增大。

1.2.2 養(yǎng)殖池 螺旋藻的養(yǎng)殖分為異養(yǎng)培養(yǎng)和自養(yǎng)培養(yǎng)，大規(guī)模的養(yǎng)殖都屬于自養(yǎng)培養(yǎng)，形式包括開放養(yǎng)殖系統(tǒng)（開放池、跑道池、圓型池）、封閉養(yǎng)殖系統(tǒng)（光生物反應(yīng)器）和復(fù)合系統(tǒng)等。Soni等從空間需求、面積/體積比、蒸發(fā)量、水分損失、CO2損失、溫度、氣候依賴性、過程控制、可清潔性、生物量質(zhì)量、生物量密度、采收效率、采收成本、光利用率、成本最高的工序、污染控制、投資額、產(chǎn)量、水動力對螺旋藻的壓力等指標(biāo)對不同螺旋藻養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行了比較[2，17]。

開放養(yǎng)殖系統(tǒng)包括天然湖泊、瀕海湖、池塘、人工池塘或者容器等，最常見的是人工開挖的狹長型大池、圓形池和跑道池。開放養(yǎng)殖系統(tǒng)的建設(shè)和操作比較簡單，但存在產(chǎn)量相對較低、光利用率低下、蒸發(fā)損失、CO2逸散損失、占地面積大且容易污染（包括動物和其他異養(yǎng)生物）等缺點(diǎn)。

封閉養(yǎng)殖系統(tǒng)的光生反應(yīng)器分為直柱型、盤式、管式、板式等多種類型，光源有自然光源，也有人工光源，便于生物量聚集，污染可以做到最小，反應(yīng)系統(tǒng)的材質(zhì)有玻璃、聚酯塑料等多種，但系統(tǒng)清洗以及大規(guī)模養(yǎng)殖還有待進(jìn)一步的技術(shù)提升。

復(fù)合系統(tǒng)主要是讓光生反應(yīng)器類似于開放池以便降低運(yùn)營成本，有2種類型：一種是將開放池覆蓋隔斷外界污染，另一種將光生反應(yīng)器的管道直徑盡可能擴(kuò)大到類似于開放池[18]，這樣的復(fù)合系統(tǒng)綜合了開放池和光生反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，從而在保證最小污染的同時(shí)，具有最大產(chǎn)量、最小CO2逸散損失的特點(diǎn)，但還需要大量的陸地面積和技術(shù)攻關(guān)。

為了提高螺旋藻的生物采收量，生物膜貼壁培養(yǎng)法成為研究開發(fā)的重點(diǎn)[19]。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所劉天中團(tuán)隊(duì)建立的生物膜貼壁培養(yǎng)技術(shù)，以CO2為碳源，螺旋藻的產(chǎn)量達(dá)到 38 g/（m2·d），CO2的利用率為75.1%，螺旋藻粉的蛋白質(zhì)含量超過60%，但整個(gè)中試系統(tǒng)的建設(shè)成本達(dá)到200美元/m2，較傳統(tǒng)開放池高出許多。以CO2為碳源進(jìn)行螺旋藻養(yǎng)殖是提升螺旋藻養(yǎng)殖的環(huán)境效應(yīng)，同時(shí)也是降低養(yǎng)殖成本的重要途徑，已成為微藻養(yǎng)殖技術(shù)發(fā)展的趨勢，但如何提高CO2的利用率，降低補(bǔ)碳成本需要進(jìn)一步科技攻關(guān)[20]。

1.2.3 溫度 溫度是螺旋藻生長的重要影響因素之一，螺旋藻可以在低于45 ℃的條件下生長，溫度低于17 ℃和高于38 ℃時(shí)，螺旋藻的生長會受到抑制，但不會死亡。螺旋藻的最適生長溫度是29～35 ℃。溫度對螺旋藻生長的影響在蛋白和碳水化合物的組成上顯著，但對脂肪和γ-亞麻酸的影響不顯著[21]。

1.2.4 光照 光源質(zhì)量、光照度以及光照時(shí)長是影響藻類生長的重要因素[10]。在實(shí)際養(yǎng)殖螺旋藻時(shí)，推薦30%的陽光通量，但在養(yǎng)殖池水溫需要快速升溫的早晨除外。螺旋藻的生長僅在有光照的情況下發(fā)生，但螺旋藻需要在沒有光照的間隙合成蛋白質(zhì)和色素，故不推薦24 h/d的長時(shí)間光照。

Bezerra等將螺旋藻養(yǎng)殖過程中的光照度（光合光子通量密度）從36 μmol/（m2·s）提高到 72 μmol/（m2·s） 時(shí)，最大細(xì)胞濃度從5 200 mg/L提高到5 800 mg/L，當(dāng)進(jìn)一步將光照度提高到 108 μmol/（m2·s） 時(shí)，最大細(xì)胞濃度的獲得時(shí)間從8 d降到6 d[22]。這說明低光照度更適合新生態(tài)藻絲體的生長，而高光照度能夠縮短螺旋藻的生長周期[23]。2004年，Danesi等也得到類似的結(jié)論[24]，使用尿素作為螺旋藻的氮源，光照度在2 000～5 000 lx 時(shí)，通過快速光合作用產(chǎn)生的ATP和NADPH能加速細(xì)胞生長，但當(dāng)細(xì)胞濃度達(dá)到 5 800 mg/L 時(shí)，細(xì)胞生長由于光通量密度的飽和而停止。

1.2.5 pH值 螺旋藻養(yǎng)殖的最適pH值為9.0～11.0，堿性pH值既可以防止其他藻株的污染，又可以影響螺旋藻中色素和蛋白質(zhì)的富集。當(dāng)pH值高于11時(shí)，螺旋藻藻絲體會結(jié)塊、變短，發(fā)生細(xì)胞裂解，胞內(nèi)物流出，養(yǎng)殖池的顏色逐漸變成黃綠色，最終發(fā)生藻體死亡的結(jié)果[2]。鈍頂螺旋藻的色澤、生長速率隨pH值的變化有顯著差異，在pH值為 8.5～9.5時(shí)，螺旋藻的生長速率隨著pH值的升高而升高，但在pH值為9.5～11.0時(shí)，螺旋藻的生長速率隨著pH值的升高而逐漸降低;在培養(yǎng)8 d時(shí)，螺旋藻的細(xì)胞干質(zhì)量隨著pH值的增加而降低[25]。

1.2.6 攪拌混合和通氣量 螺旋藻的規(guī)?；B(yǎng)殖目前均采用液體懸浮法培養(yǎng)，養(yǎng)殖過程中對培養(yǎng)液進(jìn)行周期性攪拌，以便保證營養(yǎng)液的均一性及螺旋藻藻絲體接受光照度的一致性。攪拌混合和通氣對生產(chǎn)高密度的藻絲體和高質(zhì)量的螺旋藻產(chǎn)品非常必要。攪拌混合和通氣（空氣）能夠讓培養(yǎng)池中的螺旋藻藻絲體具有均一的光照量，同時(shí)有助于二氧化碳?xì)怏w的分布及除去螺旋藻的生長抑制因子——溶解氧。在跑道池中，多采用5～60 cm/s的攪拌混合速度，過低的攪拌混合速度將在跑道池的拐角處產(chǎn)生死角（將跑道池的拐角設(shè)置成弧形可規(guī)避死角的產(chǎn)生），而過高的攪拌混合速度需要更高的能耗，其所產(chǎn)生的剪切力將增加藻絲體的斷裂。在無NaHCO3的Zarrouk培養(yǎng)液中，螺旋藻的最適參數(shù)是光照度低于200 μmol/（m2·s），含0.5%二氧化碳的通氣速度是0.0056 m/s[26]。

不同實(shí)驗(yàn)室規(guī)模養(yǎng)殖下，養(yǎng)殖參數(shù)的變化對螺旋藻蛋白質(zhì)含量的變化見表2[27]。

1.2.7 蟲害 目前，在螺旋藻的養(yǎng)殖過程中經(jīng)常出現(xiàn)輪蟲（Brachionus Plicatilis）危害，嚴(yán)重時(shí)輪蟲大量吞食螺旋藻而導(dǎo)致絕收，造成災(zāi)害性損失。防治螺旋藻培養(yǎng)液中的輪蟲，主要有物理過濾（250目以上濾網(wǎng)）去除輪蟲成蟲法和化學(xué)防治等2種方法。化學(xué)防治是利用漂白粉、硫酸銅、高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑或毒物將螺旋藻和輪蟲一起殺死，然后清洗培養(yǎng)池重新擴(kuò)種培養(yǎng)。物理防治的方法過濾不徹底，部分成蟲、幼蟲和幾乎全部蟲卵隨著濾液返回培養(yǎng)池，需要再次過濾，且隨著過濾次數(shù)的增加，產(chǎn)生危害間隔的天數(shù)越來越少?；瘜W(xué)防治雖然能較長時(shí)間控制危害，但由于一次性的將螺旋藻也殺死，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)重新擴(kuò)種又浪費(fèi)了時(shí)間和資金，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。另外，阿維菌素與尿素的交替使用可以降低輪蟲的抗藥性[28-29]。

螺旋藻養(yǎng)殖過程中還可遇見點(diǎn)滴變形蟲、半眉蟲、原生動物和水蠅等蟲害。用40目以上濾網(wǎng)可以除去/減少藻泥中水蠅（幼蟲和蛹）的數(shù)量和其他雜質(zhì)，降低藻粉中昆蟲碎片的數(shù)量[30]。

2 螺旋藻的采收和干燥

2.1 螺旋藻的采收

理論而言，螺旋藻的采收需選擇在藻絲體中的蛋白質(zhì)達(dá)到最高濃度時(shí)進(jìn)行，但在實(shí)際操作過程中，一般對含螺旋藻的養(yǎng)殖水體進(jìn)行吸光度測定，當(dāng)560 nm波長下的吸光度>1.0時(shí)，便著手采收[31]，也有選用680 nm波長下的吸光度>0.8時(shí)采收的報(bào)道[32]。

螺旋藻采收一般經(jīng)歷三大步驟，即螺旋藻藻絲體（藻細(xì)胞）采集分離、螺旋藻聚集物（即藻泥）清洗、螺旋藻干燥。螺旋藻藻絲體（藻細(xì)胞）采集所用的技術(shù)包括過濾法、絮凝沉淀法、離心沉淀法等，清洗工序包括漂洗、離子交換、電滲析、超聲波清洗等，干燥包括自然曬干、冷凍干燥、噴霧干燥、滾筒干燥和炒干等。改進(jìn)螺旋藻藻絲體的采集方法、提高采集效率、降低生產(chǎn)成本仍是業(yè)界努力的方向。

螺旋藻采收時(shí)使用的過濾網(wǎng)或?yàn)V布的網(wǎng)孔密度一般低于50 μm，以便將螺旋藻藻絲體從培養(yǎng)液基質(zhì)中有效分離出來。常用的過濾篩有傾斜篩和震動篩2種，傾斜篩的篩網(wǎng)面積為2～4 m2，篩網(wǎng)孔徑為380～500目，能夠過濾10～18 m3/h的螺旋藻培養(yǎng)液[33]。在相同采收效率的前提下，震動篩需要的篩網(wǎng)面積約為固定傾斜篩篩網(wǎng)面積的1/3，但震動篩并不適用于大規(guī)模采收，震動導(dǎo)致的螺旋藻藻絲體變形和斷裂反而降低了螺旋藻的產(chǎn)率。盡管新鮮的螺旋藻能夠被直接消費(fèi)，但鮮螺旋藻不宜久存，可食用的保質(zhì)期僅為6 h[2]，干燥后的螺旋藻粉可以儲存1年以上。

利用Ca2+的絮凝作用能夠?qū)⒙菪蹇焖傩跄恋恚跄齽┯昧看?，絮凝藻體的鹽含量大，后續(xù)處理困難。而傳統(tǒng)過濾也存在效率過低，損失嚴(yán)重等缺陷，需要進(jìn)行改進(jìn)。Lai等使用殼聚糖和雞蛋殼作為生物絮凝劑對螺旋藻進(jìn)行采收時(shí)發(fā)現(xiàn)，325目的雞蛋殼粉溶于鹽酸溶液后，在4 g/L、pH值為4的條件下絮凝8 min，最高效率達(dá)到97.2%，而殼聚糖溶于鹽酸后，在50 mg/L、pH值為8的條件下絮凝50 min，最高效率達(dá)到80%[34]。盡管雞蛋殼的得率較高，但從營養(yǎng)液的重復(fù)利用方面考慮，殼聚糖絮凝劑更貼近于實(shí)際生產(chǎn)。

2.2 螺旋藻的干燥

Nouri等對比研究了自然干燥、陰干、微波干燥、冷凍干燥、真空干燥、傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥等對螺旋藻理化成分和抗氧化性的影響[35]。真空干燥有助于螺旋藻粉抗氧化活性和總酚物質(zhì)的保留，噴霧干燥和冷凍干燥有助于保留螺旋藻中的不飽和脂肪酸，而冷凍干燥對鈉、鉀、鎂、錳、鈣、磷的流失比較顯著，其他干燥方式對金屬元素的影響不顯著。

使用φ=80 μm孔徑的支撐物有助于螺旋藻的快速干燥（熱風(fēng)對流干燥），規(guī)格為80 mm×80 mm ×3 mm的螺旋藻藻泥餅的干燥時(shí)間可降低30%，擠壓的螺旋藻藻泥條（φ=3 mm×120 mm）間隔10、20 mm，可降低干燥時(shí)間35%[36]。

企業(yè)總是試圖在干燥工序成本可控的前提下，減少螺旋藻營養(yǎng)成分的損失并得到最大純度的產(chǎn)品。由于螺旋藻的細(xì)胞壁特別薄且易碎，自然曬干作為最原始、最傳統(tǒng)的干燥方式曾被廣為使用，但自然曬干必須非?？焖伲駝t葉綠素被破壞，干燥的產(chǎn)品變成藍(lán)色。盡管冷凍干燥被認(rèn)為是最適合螺旋藻干燥的方式，但高昂的成本和復(fù)雜的工序，使其應(yīng)用相對較低。噴霧干燥是實(shí)際生產(chǎn)中最常用的螺旋藻干燥方式。不同螺旋藻干燥工藝對螺旋藻營養(yǎng)成分的損失程度見表3。

3 螺旋藻的營養(yǎng)及安全

3.1 螺旋藻的營養(yǎng)

螺旋藻的營養(yǎng)價(jià)值很高，蛋白質(zhì)含量占干質(zhì)量的60%～70%，且富含植物中不常見的維生素B12和鐵元素， 其中維生素B12含量是肝臟中維生素B12含量的2～4倍，鐵元素濃度是常見植物鐵元素的 8～12倍。螺旋藻還含有抗腫瘤作用的藻藍(lán)素，被宣稱為未來的最佳食品[45]，2003年，聯(lián)合國成立了一個(gè)“聯(lián)合國利用微藻類螺旋藻抗擊營養(yǎng)不良政府間機(jī)構(gòu)”（the Intergovernmental Institution for the Use of Micro-algae Spirulina Against Malnutrition，簡稱IIMSAM）以便在發(fā)展中國家推動開發(fā)螺旋藻用于消除饑餓和營養(yǎng)不良[2]。

不同企業(yè)的螺旋藻產(chǎn)品各功能成分含量并不一致，這種差異不僅與藻種相關(guān)，也因溫度、pH值、培養(yǎng)基、光照等養(yǎng)殖條件的不一致而存在差異。以蛋白質(zhì)為例，螺旋藻的蛋白質(zhì)含量在17%～73%（干質(zhì)量）之間變動[30]，部分市售螺旋藻產(chǎn)品的氨基酸組成如表4所示[33，46-48]。

氨基酸評分法是蛋白質(zhì)質(zhì)量評價(jià)中廣泛采用的方法之一?；诔扇说谋匦璋被嵝枨骩50]，不同螺旋藻樣品的必需氨基酸評分見表5。由表5可知，螺旋藻蛋白與谷物蛋白類似，限制性氨基酸均為賴氨酸，但不同產(chǎn)地、品牌螺旋藻產(chǎn)品的氨基酸評分均大于100，所以螺旋藻是一個(gè)優(yōu)質(zhì)蛋白，滿足人體所有必需氨基酸的需求， 因此螺旋藻的消化率成為螺旋藻氨基酸評分的第一限制因素[50]，從而螺旋藻的消化率修正氨基酸評分等于螺旋藻的消化率。

螺旋藻的細(xì)胞壁類似于革蘭氏陰性菌的肽聚糖細(xì)胞壁，非常易于消化。據(jù)報(bào)道，螺旋藻的平均體外消化吸收率為61%[51]，其蛋白質(zhì)的消化吸收率為70%～85%[52]，螺旋藻細(xì)胞壁多糖的生物利用度達(dá)到86%[53]。但不同研究者采用的消化吸收測試方法不一致，數(shù)據(jù)間的可比較性相對較差。不可忽視的是，加工工藝可以改變螺旋藻的體外消化吸收率[54]，滾筒干燥與自然曬干的螺旋藻的體外消化吸收率分別為84%、76%。

3.2 螺旋藻的安全性

同大多數(shù)微藻一樣，螺旋藻可以吸附培養(yǎng)液中的農(nóng)藥殘留滴滴涕（DDT）[55]，重金屬（Cr3+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、As、Hg等）[56-59]，石油烷烴[60]和雌激素（17α-乙炔基雌二醇、17β-雌二醇）[61]等，因而螺旋藻也被認(rèn)為是用于污水處理的熱點(diǎn)材料[62]。在食用螺旋藻生產(chǎn)中，其不安全因素主要集中于養(yǎng)殖過程的重金屬（鉛、砷等）、生物毒素等的污染影響，還包括干燥加工過程的熱源污染（如多環(huán)芳烴）， 硝酸鹽/亞硝酸鹽、亞硫酸鹽殘留和輻照劑量殘留等污染。

3.2.1 重金屬 目前我國南方企業(yè)生產(chǎn)的螺旋藻粉普遍存在鉛含量超標(biāo)的問題，而北方（主要是內(nèi)蒙古自治區(qū)）企業(yè)生產(chǎn)的螺旋藻粉存在砷含量偏高的現(xiàn)象。在2012年，曾因?yàn)槌毯：廴荆ㄣU超標(biāo)）媒體對我國螺旋藻養(yǎng)殖業(yè)、螺旋藻產(chǎn)品進(jìn)行了長篇累牘地報(bào)道，對螺旋藻品質(zhì)產(chǎn)生了懷疑。螺旋藻產(chǎn)品中的重金屬組成及含量與養(yǎng)殖水體緊密相關(guān)，也與養(yǎng)殖過程中培養(yǎng)基（碳酸鈉或碳酸氫鈉等原料）中的重金屬殘留有關(guān)。GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》中規(guī)定螺旋藻及其制品中的鉛含量上限為2.0 mg/kg（干質(zhì)量計(jì)）。歐盟對膳食補(bǔ)充劑中的鉛殘留設(shè)定為3.0 mg/kg，但有報(bào)道說螺旋藻中的鉛殘留在0.1～15.0 mg/kg之間變化[63-64]。趙楠發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)螺旋藻原粉中的鉛殘留為0.03～1.71 mg/kg，但筆者團(tuán)隊(duì)對部分市售螺旋藻粉樣品的檢測發(fā)現(xiàn)，有個(gè)別樣品的鉛含量超過2.0 mg/kg。鉛殘留仍是螺旋藻養(yǎng)殖過程中亟待解決的問題之一[65]。

砷是一種準(zhǔn)金屬物質(zhì)，以各種形態(tài)分布于土壤、石頭、河流等環(huán)境中，在組成地殼的92種元素中，含量排名為第20位。天然砷礦在自然風(fēng)化及雨水沖刷等活動過程中進(jìn)入水體，常以亞砷酸鹽和砷酸鹽的形態(tài)存在。砷可分為有機(jī)砷與無機(jī)砷2種，無機(jī)砷又分為砷元素、三價(jià)砷和五價(jià)砷3種形式，其中三價(jià)砷的毒性最高，而有機(jī)砷對人體的毒性較小。水產(chǎn)品中常見的砷酸甜菜堿和砷酸膽堿等有機(jī)砷化合物對人體沒有毒性，且容易排出體外。螺旋藻具有富集砷的特性，當(dāng)螺旋藻養(yǎng)殖水體中的砷濃度達(dá)到0.04 mg/L時(shí)，乍得湖鈍頂螺旋藻藻粉中的砷含量超過1.0 mg/kg[66]。我國螺旋藻原粉中的砷殘留為0.01～0.41 mg/kg[65]，但筆者團(tuán)隊(duì)對部分市售螺旋藻藻粉樣品的檢測發(fā)現(xiàn)，很多樣品的砷含量超過固體營養(yǎng)補(bǔ)充食品的砷殘留限量標(biāo)準(zhǔn)（0.5 mg/kg，GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》），但無機(jī)砷均小于0.02 mg/kg。建議我國GB/T 16919—1997《食用螺旋藻粉》和NY/T 1709—2011《綠色食品 藻類及其制品》在后續(xù)修訂時(shí)，將有關(guān)砷的指標(biāo)明確為無機(jī)砷。

鉛具有神經(jīng)毒性，鉛暴露會損傷兒童發(fā)育期的學(xué)習(xí)記憶。鉛鎘聯(lián)合暴露的神經(jīng)毒性較鉛鎘單獨(dú)暴露的神經(jīng)毒性強(qiáng)[67]，歐盟對膳食補(bǔ)充劑中的鎘殘留限量設(shè)定為1.0 mg/kg。Muys等曾發(fā)現(xiàn)，螺旋藻中的鎘殘留為0.01～0.17 mg/kg，我國螺旋藻粉的鎘殘留為0.003～0.123 mg/kg，所有報(bào)道數(shù)據(jù)均在鎘殘留方面比較理想[27]。歐盟對膳食補(bǔ)充劑中的汞殘留設(shè)定為0.1 mg/kg;未對鎳殘留作出限定，Muys等發(fā)現(xiàn)，螺旋藻樣品中的汞殘留為0.02～0.11 mg/kg，鎳殘留為1.1～3.4 mg/kg[27]。

3.2.2 多環(huán)芳烴 多環(huán)芳烴來源于天然和人類生產(chǎn)活動，最主要來源是有機(jī)物的不完全燃燒。螺旋藻在干燥工序方面，根據(jù)熱源（煤、有機(jī)質(zhì)、天然氣）、加熱方式（直接接觸、非直接接觸）和加熱溫度的不同，可能存在多環(huán)芳烴的污染。2015年10月27日，歐盟（EU）2015/1933對（EU）No 1881/2006食品中多環(huán)芳烴的限值進(jìn)行增補(bǔ)。歐盟對含有螺旋藻及其制品的膳食補(bǔ)充劑中多環(huán)芳烴的殘留標(biāo)準(zhǔn)是苯并[a]芘≤10 μg/kg;苯并[a]蒽（BaA）、（CHR）、苯并[b]熒蒽（BbF）和苯并[a]芘（BaP）等4種多環(huán)芳烴之和為≤50 μg/kg[68]。我國暫時(shí)尚未對螺旋藻及其制品中的多環(huán)芳烴殘留進(jìn)行規(guī)定。Zelinkova等曾對愛爾蘭市售螺旋藻膳食補(bǔ)充劑的多環(huán)芳烴殘留進(jìn)行檢測[69]，結(jié)果見表6。總體而言，當(dāng)苯并[a]芘超標(biāo)時(shí)，4種多環(huán)芳烴之和也超標(biāo)。

3.2.3 其他安全因素 Muys等檢測螺旋藻樣品中的硝酸鹽濃度在8～368 mg/kg之間，盡管這些數(shù)據(jù)對原料總氮的貢獻(xiàn)有限，過高的硝酸鹽殘留可能是由于養(yǎng)殖過程中使用硝酸鹽作為氮源引起的[27];在螺旋藻后續(xù)加工清洗充分的前提下，亞硝酸鹽的高低反映了加工過程中原料腐敗變質(zhì)的程度。果蔬汁標(biāo)準(zhǔn)中，亞硝酸鹽的殘留控制標(biāo)準(zhǔn)是4 mg/kg，而硝酸鹽的日允許攝入量（allowable daily intake，簡稱ADI）是3.7 mg/kg體質(zhì)量。

食品行業(yè)所說的亞硫酸鹽包括二氧化硫、亞硫酸氫鈉、亞硫酸鈉、低亞硫酸鈉、焦亞硫酸鈉、焦亞硫酸鉀等在內(nèi)的一系列物質(zhì)。由于食物原料的腐敗發(fā)酵能夠產(chǎn)生亞硫酸鹽，且有報(bào)道說亞硫酸鹽具有生殖毒性[70]且能引發(fā)哮喘的過敏反應(yīng)[71]，所以部分國家對螺旋藻中的亞硫酸鹽進(jìn)行嚴(yán)格控制以便溯源螺旋藻加工過程中螺旋藻原料的腐敗變質(zhì)情況。歐盟和美國均要求食品中二氧化硫和亞硫酸鹽（以SO2計(jì)）大于10 mg/kg時(shí)需要標(biāo)注。2019年8月6日，德國對我國臺灣一批次的食品補(bǔ)充劑因含未申報(bào)的過敏原——亞硫酸鹽（22 mg/kg）而通報(bào)不合格。

螺旋藻中報(bào)道較多的藻毒素主要為微囊藻毒素（mycrocystins，簡稱MC），MC作為藍(lán)藻毒素的一種，是目前暴露頻率最高、污染范圍最廣、危害最為嚴(yán)重的肝毒性藻毒素[72]，具有致畸、致癌、致突變的“三致”作用，也是目前發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)肝臟腫瘤促進(jìn)劑。MC具有約100種結(jié)構(gòu)變體，其中被列為2B類致癌物的微囊藻毒素LR（MC-LR）的毒性最大[73]。2002年，徐海濱等對市售的19種71份螺旋藻產(chǎn)品進(jìn)行微囊藻毒素的檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，平均污染水平為317.2 ng/g，其中錠片和膠囊中微囊藻毒素污染的平均水平分別為142.7、222.6 ng/g[74]。而在2001年Draisci等報(bào)道了從羅馬供應(yīng)商處收集的5個(gè)不同品牌的螺旋藻片和膠囊樣品，有3個(gè)樣品不僅含有高達(dá)10 μg/g的二氫同型魚腥藻毒素-a（dyhydrohomoanatoxin-a）——一種神經(jīng)毒素，其中2個(gè)還含有環(huán)氧魚腥藻毒素-a異構(gòu)體（含量分別為18、19 μg/g）[75]。

2018年11月28日，日本厚生勞動省發(fā)布藥生食輸發(fā)1128第3號文：修訂輻射照射食品檢測方法附錄Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ-ⅶ，分別涉及畜牧及漁業(yè)產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品等，同時(shí)增加附錄“Ⅳ-ⅶ 放射線照射”，追加對螺旋藻的輻照檢查，檢查件數(shù)為10件[76]。

3.3 螺旋藻標(biāo)準(zhǔn)

螺旋藻粉在不同國家和地區(qū)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表7[65，77]。

由表7可知，螺旋藻的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更多地關(guān)注了產(chǎn)品本身的質(zhì)量和微生物安全，對可能存在的生物污染和化學(xué)污染尚未列為控制標(biāo)準(zhǔn)。但基于90%以上的螺旋藻均是作為膳食補(bǔ)充劑為人類消費(fèi)，需要對可能存在的影響螺旋藻產(chǎn)品安全性的因素，特別是養(yǎng)殖用水可能存在的污染指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。

4 結(jié)論與討論

螺旋藻是一種優(yōu)質(zhì)的微生物蛋白源，其產(chǎn)業(yè)鏈由養(yǎng)殖、初加工（藻粉）、深加工（藻片、螺旋藻提取物和其他成品）、成品應(yīng)用4個(gè)環(huán)節(jié)組成。本文對螺旋藻產(chǎn)業(yè)鏈上游的養(yǎng)殖、采收、初加工等環(huán)節(jié)進(jìn)行了總結(jié)。螺旋藻養(yǎng)殖和加工過程對生產(chǎn)要求極其嚴(yán)格，螺旋藻的養(yǎng)殖受外界環(huán)境影響較大，適宜養(yǎng)殖的水質(zhì)必須高堿、高溫、高光照，養(yǎng)殖過程需防止其他藻類或者微生物的污染。螺旋藻的采收和粗加工需要經(jīng)過抽水、沖洗、過濾、干燥等工序，干燥的及時(shí)與否將嚴(yán)重影響螺旋藻粉的質(zhì)量。養(yǎng)殖用水的污染使我國螺旋藻產(chǎn)業(yè)鏈上游面臨挑戰(zhàn)，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（重金屬等）需要進(jìn)一步提升。業(yè)界需要從水源、生產(chǎn)原料、藻種培養(yǎng)、規(guī)?；B(yǎng)殖、采收、干燥、加工、包裝以及養(yǎng)殖廢水處理等方面制定一個(gè)操作或加工指南。螺旋藻的生產(chǎn)成本仍滿足不了市場的需求，還需要通過技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)?；B(yǎng)殖進(jìn)行破解;減少生產(chǎn)加工過程中的營養(yǎng)成分損失或者結(jié)合快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)生鮮宅配是螺旋藻產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展延伸的另一方向。

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