生物工程技术在保健品中的应用

生物工程技术在保健品中的应用

----------------------螺旋藻

摘 要：螺旋藻是一种全天然、高蛋白、营养丰富而均衡、富含多种生理活性物质的功能性保健食品, 具有极高的医疗保健价值, 对许多疾病有防御作用. 目前螺旋藻在大量研究的基础上形成了以工厂化养殖和深加工为主体的螺旋藻产业, 应用前景极其广阔. 本文从螺旋藻的生物学特性和食用历史、化学组成和保健功能、应用潜力及前景、遗传育种等几个方面对其研究进展加以综合介绍. 关键词:螺旋藻; 有效成分; 营养保健; 遗传育种。

螺旋藻是一类低等生物，原核生物，由单细胞或多细胞组成的丝状体，体长200-500μm ，宽5-10μm ，圆柱形，呈疏松或紧密的有规则的螺旋旋形弯曲，形如钟表发条，故而得名。具有减轻癌症放疗、化疗的毒副反应，提高免疫功能，降低血脂等功效。目前国内外均有大规模人工培育，主要为钝顶螺旋藻、极大螺旋藻和印度螺旋藻三种。可食用，营养丰富，蛋白质含量高达60%-70%。在自然水域，其大量繁殖会形成水华。

螺旋藻的生物学特性及食用历史 螺旋藻是一种多细胞、微型、不分枝、无异形胞的螺旋状体, 靠分裂增殖, 光合自养生物, 生长于热带高温的碱性湖水中, 在地球上已有35亿年的历史, 是现存最古老的植物之一. 虽然螺旋藻有50多种, 而目前大规模培养的只有极大螺旋藻与钝顶螺旋藻. 早在16世纪前, 非洲乍得和中美洲墨西哥的居民就已把螺旋藻作为他们的食物, 他们大多长寿, 体格健壮. 1993年在摩纳哥首次举行的螺旋藻世界大会一致认为螺旋藻是人类未来理想的食 品. 目前美国、法国、日本等国家均用螺旋藻来补充日常营养, 防治各种疾病.

螺旋藻的化学组成和功能。 在自然界中, 螺旋藻是迄今为止发现的营养最丰富、最全面的绿色天然食品, 其中必需氨基酸全面, 同时含较多对人体有益的不饱和脂肪酸和微量元素. 螺旋藻的医疗保健价值 美国、日本和法国的科学家经过多次临床实验证实螺旋藻对许多疾病具有预防作用, 而又没有任何副作用, 这与

螺旋藻所含的多种活性成分是分不开的. 此外, 丰富的维生素E 和不饱和脂肪酸具有抗衰老和美容的作用, 螺旋藻多糖具有抗辐射功能, β-胡萝卜素可转化为维生素A, 对人的视觉有保护作用, 对青光眼、白内障有一定效果. 螺旋藻可加速伤口的愈合与病人的康复, 对于便秘、暗疮、脱发、慢性胰腺炎、缺锌症、溃疡、机能代谢减弱、组织增生、角化等有辅助疗效. 由此可见, 螺旋藻具有极高的医疗保健功能. 另有研究表明, 螺旋藻具有较强的富集能力, 富集了某些特殊微量元素的螺旋藻在保留原来所有营养及活性成分的基础上, 更加提高了营养及医疗保健价值。

螺旋藻的应用潜力及前景

1.食疗与医药业。 食疗在我国已有悠久的历史, 我们的祖先早就懂得人体的健康不是靠医药来维护的, 而是靠均衡的营养来维持的. 螺旋藻由于含有丰富而均衡的营养, 故即可治疗营养不良又可作为食品添加剂提高谷物的生物效率和蛋白质的利用率. 不少研究表明, 成人每天服食8g 螺旋藻即可获得人体所需的全部氨基酸与维生素. 众所周知, 偏食是造成不健康的重要因素, 过度加工的食物也常失掉很多营养, 缺乏一种营养也会连带缺乏多种营养. 总之, 营养充足而均衡也可以减少医药的副作用。螺旋藻作为医药对某些疾病的预防机理。1. 糖尿病、胃病。螺旋藻为营养碱性食品, 既可增加营养又可改善酸性体质, 调整新 陈代谢活动, 消化率高达95%. 2. 高血压、心脏病。螺旋藻可降低人体所含的胆因醇, 且钾的含量远远高于钠, 另外, 丰富的叶绿素可改善血红素水平, 提高血液循环系统的功能.3. 贫血病。螺旋藻含丰富的铁质和叶绿素4. 肝病。螺旋藻能为患者提供高蛋白质和维生素, 从而使病人尽快好转.5. 肾脏病。不少金属与药物都对肾脏有毒宣战作用, 螺旋藻可以清除由重金属以及药物引起的肾毒素, 起清洁肾脏的作用. 6风湿病。螺旋藻所含的Y-次亚麻油酸(GLA)对于风湿性关节炎很有帮助.7癌症。含丰富的天然B-胡萝卜素, 以及其他植物罕有的藻青素, 因此对各种癌症具有抑制作用. 8.艾滋病。螺旋藻含有一种糖脂质的硫酸指, 美国国家癌症组织(NCI)经动物实验证明具有的艾滋病的作用. 9.骨骼疏松症。含丰富钙质的螺旋藻, 可起到补钙的作用.

2. 美容与化妆品业。 螺旋藻由于营养丰富, 有较好的护肤能力, 不但有很好的润肤, 护扶效果, 同时由于螺旋藻有清除和抑制自由基的能力, 故能起到防皱、防晒、抗幅射、祛斑、抗衰老的作用. 临床试用表明:螺旋藻营养液能提供皮肤所需要的氨基酸、藻多糖、SOD 等多种营养活性成分, 有增加皮肤水弹性、润肤保湿、除皱、祛斑等功效, 用时由于螺旋藻化妆品的透过性较好, 能起到皮肤表面和深层营养及护理作用, 而且使用十分安全, 对皮肤没有刺激和致敏作用. 由于化妆品对色泽、气味等有一定的特殊要求, 故螺旋藻作化妆品应用, 应经过提取和脱色, 除腥等工艺过程, 制成相应的液剂. 但不同的提取方法对螺旋藻营养液的成分、功能有较大的影响. 其中以不加酶或酸的超滤效果取好.

3. 废水处理和环保业。 把螺旋藻培养应用于废水处理是很有发展前景的. 因为丝状的螺旋藻比较容易从培养液中分离出来, 是一种用于废水处理很有前途的微藻. 用各种来源的, 经过一定处理的污水培养螺旋藻, 不但可以使污水得以净化, 减少环境污染, 还可以将得到的藻生物量用作饲料、肥料, 甚至还可以用于生产有用的化学物质. 在这方面已作了许多研究工作. 例如, 利用城市污水、糖蜜发酵废水, 动物排泄物, 以及缫丝废水、制药、酿造、制单等工业有机废水, 造纸废水、有机印染废水、味精肌废水等配制成培养基, 用于养殖螺旋藻, 这说明螺旋藻应用于上述废水的二级处理是可行的. 在用废水养殖螺旋藻的过程中, 螺旋藻始终是优势藻类. 它在稀释废水中的生长状态、生理活性与自养时十分接近. 它不仅具有上浮性而且易于收获, 生长过程中还能分泌胞外生物絮凝剂, 从而强化了废水处理过程. 收获的藻粉是一种优质蛋白的来源, 也为废水处理工程带来了效益, 开辟了利用废水蛋白源的新途径. 细菌和蓝藻是自然界生物圈中几乎一切固定氮的来源, 而蓝藻又是唯一具有光合作用产生氧气, 又具有固氮能力的生物. 在水稻田中培养螺旋藻, 当水田的水分排干后, 藻体腐烂, 便成为一种很好的氮肥而被水稻利用. 由于螺旋藻在养殖过程中能有效去除有机废水中的营养源, 因而明显净化了废水. 在传统的三级处理相比, 用螺旋藻处理废水的过程, 具有成本低, 能耗少、效益大的优点, 是一项非常有开发潜力的环保工程. 当然, 还要结合筛选和

驯化高效混合营养型的藻种, 研究处理工艺, 才能取得良好的社会和经济效益.

螺旋藻遗传育种研究进展

近年来螺旋藻在大量研究的基础上形成了工厂化养殖和深加工为主体的螺旋藻产业, 如何进一步降低养殖成本和开发多种适合市场需求的产品, 是目前螺旋藻产业发展中急需解决的重要问题. 利用现代生物技术选育品性兼优的新藻种是解决上述问题的有效途径, 也是当前国际螺旋藻领域的研究热点之一.

1 原生质球的制备与再生

植物原生质体是遗传操作的有力工具, 是育种工作中利用基因工程和诱发突变等现代生物技术对种质进行遗传改良的理想材料. 因此, 制备高质量且具再生能力的螺旋藻原生质球, 对开展螺旋藻的分子遗传学和育种研究都是至关重要。1996年彭国宏等做了多次实验未在上述条件下分离出原生质球, 而对上述有关螺旋藻原生质球的分离报道产生了怀疑. 此后, 他们又尝试了其他方法但最终也未报道其再生率. 此外, 秦松等用超声波处理Splatrnsis 藻丝制得了原生质球并再生成功, 但也因此法原生质球的深离太低而难以应用于遗传育种研究. 总之, 国内外在螺旋藻原生质球的制备和再生方面虽然作了一些工作, 但到目前为止, 尚不能可靠地制备出质量高且具再生能力的螺施藻原生质球, 供育种所需.

2 基因工程育种

基因工程是改良和创建生物技术良种的有力武器. 有关螺旋藻的基因识别和克隆研究方面已取得了不少有意义的结果. 光合作用过程中固定CO2的关键酶———核酮糖一1,5二磷酸大亚单位和小亚单位的基因已成功 地从S.platensis 中克隆出来, 并在E.Coli 中获得表达; 秦松等已从螺旋藻中分离出别藻蓝蛋白基因, 并实现了其在E.Coli 中的高效表达. 同时, 在螺旋藻质粒研究方面也取得了一些进展, 秦松等已分别从SplatrnsisS6和F3藻株中分离到2.4kb 和1.78kb 的CCC(共介闭合环状) 质粒. 然而, 至今还不能像高等植物那样, 将基因工程这一先进技术应用于螺旋藻的品种改良, 是因为利用基因工程技术创建螺旋藻生物技术良种的基础研究工作不够深入, 造成目前尚不能解决的困难:(1)螺旋藻完整的基因图谱尚未构建, 对其整个基因组尚缺乏系统认识;(2)还没有找到合适的限制性内切酶来对所发现的CCC 质粒进行深入研究, 也未发现该质粒的功能(隐秘型

质粒), 更未构建出理想的转基因载体;(3)虽然在外源DNA 导入螺旋藻细胞方法上已取得了一些有意义的结果, 但尚不能制备出外源DNA 易导入且具再生能力的原生质球.

3 诱变育种

诱发突变技术及相关生物技术是改良和创建生物技术良种的另一重要手段. 国内外在螺旋藻诱变良种方面进行了较深入的研究, 并已获得了一些有价值的突变体. 物理诱变因子(γ一射线、紫外线等) 和化学诱变因子(EMS、MNNG 等) 均能使螺旋藻藻丝或细胞发生变异, 产生高产, 耐低温、耐盐、富含某些氨基酸或藻蓝蛋白及藻丝超长等突变体. 这些突变体不仅是基础理论研究的好材料, 而且也是应用于螺旋藻养殖和深加工的理想品系. 选择适宜的诱变材料和诱变因子及其剂量是诱变育种成败的关键。

总之, 螺旋藻育种虽然起步较晚, 但已有一个良好的开端, 预计在不远的将来, 有关螺旋藻的遗传特性会得到更全面而深入的了解, 并能在建立和完善螺旋藻育种学理论与方法的基础上, 育出品性兼优的生物技术良种, 给螺旋藻产业带来新的发展机遇. 螺旋藻不仅营养丰富均衡, 而且安全无毒、易消化, 具有特殊的医学保健价值, 是一难得的功能性保健食品, 有着巨大的发展潜力与广阔的应用前景. 随着科学技术的不断发展, 螺旋藻产业一定会取得更大的成就, 螺旋藻定会为人类社会发挥更大的作用

生物工程技术在保健品中的应用

----------------------螺旋藻

摘 要：螺旋藻是一种全天然、高蛋白、营养丰富而均衡、富含多种生理活性物质的功能性保健食品, 具有极高的医疗保健价值, 对许多疾病有防御作用. 目前螺旋藻在大量研究的基础上形成了以工厂化养殖和深加工为主体的螺旋藻产业, 应用前景极其广阔. 本文从螺旋藻的生物学特性和食用历史、化学组成和保健功能、应用潜力及前景、遗传育种等几个方面对其研究进展加以综合介绍. 关键词:螺旋藻; 有效成分; 营养保健; 遗传育种。

螺旋藻是一类低等生物，原核生物，由单细胞或多细胞组成的丝状体，体长200-500μm ，宽5-10μm ，圆柱形，呈疏松或紧密的有规则的螺旋旋形弯曲，形如钟表发条，故而得名。具有减轻癌症放疗、化疗的毒副反应，提高免疫功能，降低血脂等功效。目前国内外均有大规模人工培育，主要为钝顶螺旋藻、极大螺旋藻和印度螺旋藻三种。可食用，营养丰富，蛋白质含量高达60%-70%。在自然水域，其大量繁殖会形成水华。

螺旋藻的生物学特性及食用历史 螺旋藻是一种多细胞、微型、不分枝、无异形胞的螺旋状体, 靠分裂增殖, 光合自养生物, 生长于热带高温的碱性湖水中, 在地球上已有35亿年的历史, 是现存最古老的植物之一. 虽然螺旋藻有50多种, 而目前大规模培养的只有极大螺旋藻与钝顶螺旋藻. 早在16世纪前, 非洲乍得和中美洲墨西哥的居民就已把螺旋藻作为他们的食物, 他们大多长寿, 体格健壮. 1993年在摩纳哥首次举行的螺旋藻世界大会一致认为螺旋藻是人类未来理想的食 品. 目前美国、法国、日本等国家均用螺旋藻来补充日常营养, 防治各种疾病.

螺旋藻的化学组成和功能。 在自然界中, 螺旋藻是迄今为止发现的营养最丰富、最全面的绿色天然食品, 其中必需氨基酸全面, 同时含较多对人体有益的不饱和脂肪酸和微量元素. 螺旋藻的医疗保健价值 美国、日本和法国的科学家经过多次临床实验证实螺旋藻对许多疾病具有预防作用, 而又没有任何副作用, 这与

螺旋藻所含的多种活性成分是分不开的. 此外, 丰富的维生素E 和不饱和脂肪酸具有抗衰老和美容的作用, 螺旋藻多糖具有抗辐射功能, β-胡萝卜素可转化为维生素A, 对人的视觉有保护作用, 对青光眼、白内障有一定效果. 螺旋藻可加速伤口的愈合与病人的康复, 对于便秘、暗疮、脱发、慢性胰腺炎、缺锌症、溃疡、机能代谢减弱、组织增生、角化等有辅助疗效. 由此可见, 螺旋藻具有极高的医疗保健功能. 另有研究表明, 螺旋藻具有较强的富集能力, 富集了某些特殊微量元素的螺旋藻在保留原来所有营养及活性成分的基础上, 更加提高了营养及医疗保健价值。

螺旋藻的应用潜力及前景

1.食疗与医药业。 食疗在我国已有悠久的历史, 我们的祖先早就懂得人体的健康不是靠医药来维护的, 而是靠均衡的营养来维持的. 螺旋藻由于含有丰富而均衡的营养, 故即可治疗营养不良又可作为食品添加剂提高谷物的生物效率和蛋白质的利用率. 不少研究表明, 成人每天服食8g 螺旋藻即可获得人体所需的全部氨基酸与维生素. 众所周知, 偏食是造成不健康的重要因素, 过度加工的食物也常失掉很多营养, 缺乏一种营养也会连带缺乏多种营养. 总之, 营养充足而均衡也可以减少医药的副作用。螺旋藻作为医药对某些疾病的预防机理。1. 糖尿病、胃病。螺旋藻为营养碱性食品, 既可增加营养又可改善酸性体质, 调整新 陈代谢活动, 消化率高达95%. 2. 高血压、心脏病。螺旋藻可降低人体所含的胆因醇, 且钾的含量远远高于钠, 另外, 丰富的叶绿素可改善血红素水平, 提高血液循环系统的功能.3. 贫血病。螺旋藻含丰富的铁质和叶绿素4. 肝病。螺旋藻能为患者提供高蛋白质和维生素, 从而使病人尽快好转.5. 肾脏病。不少金属与药物都对肾脏有毒宣战作用, 螺旋藻可以清除由重金属以及药物引起的肾毒素, 起清洁肾脏的作用. 6风湿病。螺旋藻所含的Y-次亚麻油酸(GLA)对于风湿性关节炎很有帮助.7癌症。含丰富的天然B-胡萝卜素, 以及其他植物罕有的藻青素, 因此对各种癌症具有抑制作用. 8.艾滋病。螺旋藻含有一种糖脂质的硫酸指, 美国国家癌症组织(NCI)经动物实验证明具有的艾滋病的作用. 9.骨骼疏松症。含丰富钙质的螺旋藻, 可起到补钙的作用.

2. 美容与化妆品业。 螺旋藻由于营养丰富, 有较好的护肤能力, 不但有很好的润肤, 护扶效果, 同时由于螺旋藻有清除和抑制自由基的能力, 故能起到防皱、防晒、抗幅射、祛斑、抗衰老的作用. 临床试用表明:螺旋藻营养液能提供皮肤所需要的氨基酸、藻多糖、SOD 等多种营养活性成分, 有增加皮肤水弹性、润肤保湿、除皱、祛斑等功效, 用时由于螺旋藻化妆品的透过性较好, 能起到皮肤表面和深层营养及护理作用, 而且使用十分安全, 对皮肤没有刺激和致敏作用. 由于化妆品对色泽、气味等有一定的特殊要求, 故螺旋藻作化妆品应用, 应经过提取和脱色, 除腥等工艺过程, 制成相应的液剂. 但不同的提取方法对螺旋藻营养液的成分、功能有较大的影响. 其中以不加酶或酸的超滤效果取好.

3. 废水处理和环保业。 把螺旋藻培养应用于废水处理是很有发展前景的. 因为丝状的螺旋藻比较容易从培养液中分离出来, 是一种用于废水处理很有前途的微藻. 用各种来源的, 经过一定处理的污水培养螺旋藻, 不但可以使污水得以净化, 减少环境污染, 还可以将得到的藻生物量用作饲料、肥料, 甚至还可以用于生产有用的化学物质. 在这方面已作了许多研究工作. 例如, 利用城市污水、糖蜜发酵废水, 动物排泄物, 以及缫丝废水、制药、酿造、制单等工业有机废水, 造纸废水、有机印染废水、味精肌废水等配制成培养基, 用于养殖螺旋藻, 这说明螺旋藻应用于上述废水的二级处理是可行的. 在用废水养殖螺旋藻的过程中, 螺旋藻始终是优势藻类. 它在稀释废水中的生长状态、生理活性与自养时十分接近. 它不仅具有上浮性而且易于收获, 生长过程中还能分泌胞外生物絮凝剂, 从而强化了废水处理过程. 收获的藻粉是一种优质蛋白的来源, 也为废水处理工程带来了效益, 开辟了利用废水蛋白源的新途径. 细菌和蓝藻是自然界生物圈中几乎一切固定氮的来源, 而蓝藻又是唯一具有光合作用产生氧气, 又具有固氮能力的生物. 在水稻田中培养螺旋藻, 当水田的水分排干后, 藻体腐烂, 便成为一种很好的氮肥而被水稻利用. 由于螺旋藻在养殖过程中能有效去除有机废水中的营养源, 因而明显净化了废水. 在传统的三级处理相比, 用螺旋藻处理废水的过程, 具有成本低, 能耗少、效益大的优点, 是一项非常有开发潜力的环保工程. 当然, 还要结合筛选和

驯化高效混合营养型的藻种, 研究处理工艺, 才能取得良好的社会和经济效益.

螺旋藻遗传育种研究进展

近年来螺旋藻在大量研究的基础上形成了工厂化养殖和深加工为主体的螺旋藻产业, 如何进一步降低养殖成本和开发多种适合市场需求的产品, 是目前螺旋藻产业发展中急需解决的重要问题. 利用现代生物技术选育品性兼优的新藻种是解决上述问题的有效途径, 也是当前国际螺旋藻领域的研究热点之一.

1 原生质球的制备与再生

植物原生质体是遗传操作的有力工具, 是育种工作中利用基因工程和诱发突变等现代生物技术对种质进行遗传改良的理想材料. 因此, 制备高质量且具再生能力的螺旋藻原生质球, 对开展螺旋藻的分子遗传学和育种研究都是至关重要。1996年彭国宏等做了多次实验未在上述条件下分离出原生质球, 而对上述有关螺旋藻原生质球的分离报道产生了怀疑. 此后, 他们又尝试了其他方法但最终也未报道其再生率. 此外, 秦松等用超声波处理Splatrnsis 藻丝制得了原生质球并再生成功, 但也因此法原生质球的深离太低而难以应用于遗传育种研究. 总之, 国内外在螺旋藻原生质球的制备和再生方面虽然作了一些工作, 但到目前为止, 尚不能可靠地制备出质量高且具再生能力的螺施藻原生质球, 供育种所需.

2 基因工程育种

基因工程是改良和创建生物技术良种的有力武器. 有关螺旋藻的基因识别和克隆研究方面已取得了不少有意义的结果. 光合作用过程中固定CO2的关键酶———核酮糖一1,5二磷酸大亚单位和小亚单位的基因已成功 地从S.platensis 中克隆出来, 并在E.Coli 中获得表达; 秦松等已从螺旋藻中分离出别藻蓝蛋白基因, 并实现了其在E.Coli 中的高效表达. 同时, 在螺旋藻质粒研究方面也取得了一些进展, 秦松等已分别从SplatrnsisS6和F3藻株中分离到2.4kb 和1.78kb 的CCC(共介闭合环状) 质粒. 然而, 至今还不能像高等植物那样, 将基因工程这一先进技术应用于螺旋藻的品种改良, 是因为利用基因工程技术创建螺旋藻生物技术良种的基础研究工作不够深入, 造成目前尚不能解决的困难:(1)螺旋藻完整的基因图谱尚未构建, 对其整个基因组尚缺乏系统认识;(2)还没有找到合适的限制性内切酶来对所发现的CCC 质粒进行深入研究, 也未发现该质粒的功能(隐秘型

质粒), 更未构建出理想的转基因载体;(3)虽然在外源DNA 导入螺旋藻细胞方法上已取得了一些有意义的结果, 但尚不能制备出外源DNA 易导入且具再生能力的原生质球.

3 诱变育种

诱发突变技术及相关生物技术是改良和创建生物技术良种的另一重要手段. 国内外在螺旋藻诱变良种方面进行了较深入的研究, 并已获得了一些有价值的突变体. 物理诱变因子(γ一射线、紫外线等) 和化学诱变因子(EMS、MNNG 等) 均能使螺旋藻藻丝或细胞发生变异, 产生高产, 耐低温、耐盐、富含某些氨基酸或藻蓝蛋白及藻丝超长等突变体. 这些突变体不仅是基础理论研究的好材料, 而且也是应用于螺旋藻养殖和深加工的理想品系. 选择适宜的诱变材料和诱变因子及其剂量是诱变育种成败的关键。

总之, 螺旋藻育种虽然起步较晚, 但已有一个良好的开端, 预计在不远的将来, 有关螺旋藻的遗传特性会得到更全面而深入的了解, 并能在建立和完善螺旋藻育种学理论与方法的基础上, 育出品性兼优的生物技术良种, 给螺旋藻产业带来新的发展机遇. 螺旋藻不仅营养丰富均衡, 而且安全无毒、易消化, 具有特殊的医学保健价值, 是一难得的功能性保健食品, 有着巨大的发展潜力与广阔的应用前景. 随着科学技术的不断发展, 螺旋藻产业一定会取得更大的成就, 螺旋藻定会为人类社会发挥更大的作用