石莼(Ulva lactuca L.)营养成分及多糖组成分析

林 月,沈照鹏,宗雯雯,崔 欣,江晓路,,*

(1.中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266003; 2.中国海洋大学医药学院,山东青岛 266003; 3.青岛海洋生物医药研究院,山东青岛 266000)

石莼(UlvalactucaL.),亦称海白菜、海青菜等,属于绿藻门,石莼目,石莼科,石莼属,广泛分布于西太平洋沿海地区,是我国海边常见的一种海藻[1-2]。石莼在我国沿海地区有着悠久的食药用历史,具有良好的营养保健功能,《本草拾遗》、《中华本草》等古籍中均有将石莼入药的记载[3]。现如今,陆地资源的日益短缺,蓝色粮仓的建设越来越受到人们的关注和重视。随着“大健康”产业的发展,人们向海洋要健康、向海洋要食品的呼声越来越高。开发利用海洋丰富的海藻资源,不仅可以满足国民营养需求,改善国民膳食结构,同时也是国家粮食安全战略和海洋强国建设不可缺少的一环。石莼作为海藻资源中十分丰富的一种,其野生生物量超过50万吨,但相比于褐藻、红藻,基础研究薄弱,利用水平不高,亟待进一步开发。

目前,国内外对于石莼属绿藻的应用研究主要集中在食用或饲料方面[4-5],在水产养殖[6-7]、废水处理[8-9]方面也有相关的报道;对于其活性研究,则主要集中在石莼多糖的抗氧化、抗凝血、抗病毒、降血糖等作用上。现阶段,石莼作为一种食药用均佳的海藻,市面上关于石莼的食品却并不多见。为丰富石莼的基础研究,扩展其消费市场,本文对石莼的基本营养成分、氨基酸组成及含量、矿质元素含量进行了测定。同时,区别于一般有关营养成分测定的文献,本文还对石莼中的重要活性物质石莼多糖进行了单糖组成与结构分析,以期为石莼资源的开发利用和石莼多糖的深入研究提供科学依据,对提升石莼资源的附加值，促进海洋食品的精深加工具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

石莼(干粉) 青岛海莱美生物科技有限公司;硫酸、氢氧化钾、石油醚、硫酸铜、硫酸钾、硼酸、盐酸、苯酚、硝酸、高氯酸、三氟乙酸、乳糖、1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(PMP)、二氯甲烷 国产分析纯;溴化钾、甲醇、乙腈 市售，色谱纯。

722N型分光光度计 上海仪电分析仪器有限公司;HWS-24型电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司;电热恒温干燥箱 上海精宏仪器设备有限公司;涡旋混合器 德国IKA集团;SX2-4-10N箱式电阻炉 上海一恒科学仪器有限公司;凯氏定氮仪 上海沛鸥分析仪器有限公司;L-8900型全自动氨基酸分析仪 日本日立公司;Agilent 1260型高效液相色谱仪 美国安捷伦公司。

1.2 实验方法

1.2.1 基本营养成分测定 按照国家相关标准进行,其中蛋白质测定采用凯氏定氮法[10];粗纤维测定采用酸碱水解法[11];脂肪测定采用索氏抽提法[12];灰分测定采用灼烧法[13]。碳水化合物测定采用减差法[14]。

1.2.2 氨基酸组成测定及评价

1.2.2.1 氨基酸测定 按照GB/T 5009.124-2016[15]进行测定,称取一定质量的石莼样品于水解管中,加入6 mol/L的盐酸溶液10 mL,充氮封口后,于110 ℃电热箱中水解22 h。水解后的样品经减压干燥、柠檬酸钠缓冲液重溶后,作为待测液,使用氨基酸自动分析仪参照说明书测定其中的氨基酸种类与含量。

1.2.2.2 氨基酸评价 根据联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization,FAO)和世界卫生组织(World Health Organization,WHO)在1973年建议的氨基酸评分模式对石莼氨基酸组成及含量进行营养评价[16]。氨基酸评分(amino acid score,AAS)计算公式如下:

ASS=待评氨基酸的含量/(FAO/WHO评分标准模式中同种氨基酸的含量)

1.2.3 矿质元素分析 参考杨卫民[17]中方法并做稍许改动,准确称取0.5 g样品于消化管中,加入7 mL混酸(硝酸∶高氯酸=4∶1),封口放置过夜。用石墨消解仪消化至澄清近干,然后使用超纯水定容至10 mL作为待测液,采用原子吸收分光光度计进行矿质元素含量测定;碘含量测定根据GB 5009.267-2016[18]进行测定,采用氧化还原滴定法。

1.2.4 多糖组成分析

1.2.4.1 石莼多糖的提取 石莼干粉经石油醚、乙醇脱脂脱色、干燥过筛后作为本次实验原料。采用孙煜煊[19]热水提取法。取石莼粉按照料液比1∶50加入蒸馏水,煮沸提取石莼多糖。1 h后,冷却离心,取上清并旋蒸浓缩。向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇终浓度为75%,离心,沉淀冷冻干燥后即为石莼多糖样品。

1.2.4.2 红外光谱分析 采用溴化钾压片法测定,取干燥后的多糖样品与溴化钾研磨混匀压片,通过Nexus 70红外光谱仪进行扫描。扫描波数为4000～500 cm-1,扫描次数32次。

1.2.4.3 单糖组成分析 参照宗雯雯等[20]中方法,具体步骤为:a.酸解。称取石莼多糖样品6.0 mg于安瓿瓶中,加入2 mol/L三氟乙酸2 mL,充氮封管,于95 ℃下酸解6 h。反应结束后,旋蒸挥干试剂,再加入3 mL甲醇旋蒸挥干,重复多次以尽量去除三氟乙酸残留,最后将蒸干后的固体用超纯水溶解并调至中性,定容至3 mL备用。b.衍生。将酸解后样品与乳糖内标9∶1混合后,吸取200 μL于试管中,加入420 μL 0.3 mol/L氢氧化钠溶液、420 μL PMP衍生试剂,80 ℃水浴60 min。反应结束后,加入420 μL 0.3 mol/L盐酸溶液中和。c.萃取。向衍生后的溶液中加入1 mL二氯甲烷,充分振荡,离心,吸弃下层液体,重复3次以彻底将PMP除净。最后,取上层溶液过膜后作为待测液。使用Agilent 1260高效液相色谱仪进行单糖组成测定。

色谱条件:色谱柱为Agilent Eclipse XDB-C18(4.6 mm×250 mm,5 μm,);流动相为17%乙腈-83% 50 mmol/L 磷酸盐缓冲液(pH6.9);流速1.0 mL/min;检测波长245 nm;柱温25 ℃;进样量:10 μL。

1.3 数据处理

成分测定实验均重复三次,实验结果采用平均值方式表示。

2 结果与分析

2.1 基本营养成分含量

对石莼基本营养成分测定结果见表1,同时表中列出了其他文献中测定的一些藻类营养成分作为对比。结果表明,石莼中蛋白质占藻体干重的22.03%,较湛江海域的石莼高;脂肪含量占1.11%,与湛江海域相比无明显差异,但高于大连海域石莼;碳水化合物含量中等,为38.00%,低于大连海域石莼;石莼中粗纤维含量为8.77%,明显低于湛江海域,但高于大连海域;灰分含量为30.09%,低于湛江海域,但与大连海域相比无明显差异。本文样品产自山东青岛沿海,与Lei等[21]、陶平等[22]测定的广东湛江和辽宁大连石莼的各项营养成分相比,含量差距较大,说明石莼的营养成分含量与地域有很大关系。

表1 石莼(n=3)与其他几种藻类基本营养成分含量比较Table 1 Comparison of basic nutrient contents between Ulva Lactuca L.(n=3)and several other algaes

另外,石莼蛋白质含量与紫菜(红藻)无显著性差异,但明显高于海带(褐藻)中蛋白质含量,灰分含量明显高于紫菜,但较海带低。脂肪和粗纤维含量也较为丰富。楼乔明等[25]研究发现,石莼脂肪中不饱和脂肪酸含量较高,十八碳三烯酸、十六碳四烯酸和十八碳四烯酸三种主要多不饱和脂肪酸占总脂肪酸含量的45.14%,可以起到降血压、降血脂的作用。而粗纤维作为膳食纤维的一部分,具有促进肠道蠕动、通便、防治结肠癌等药理功能[26]。可见,石莼是一种高蛋白低热量的食品,可以作为海洋植物蛋白的良好来源,具有较高的食用和药用价值。

2.2 氨基酸组成分析及评价

石莼中氨基酸种类及含量见表2。除色氨酸在浓盐酸水解过程中被分解而未能被测定外,在石莼中共检测到17种氨基酸,总氨基酸(TAA)含量为16.91 g/100 g(干重),其中必需氨基酸(EAA)含量在5.90 g/100 g(干重),必需氨基酸(EAA)占总氨基酸(TAA)的34.91%,必需氨基酸(EAA)与非必需氨基酸(NEAA)的比值为0.54。1973年联合国粮农组织/世界卫生组织(FAO/WHO)推荐的理想蛋白质模式认为,质量较好的蛋白质氨基酸组成EAA/TAA应在40%左右,EAA/NEAA应在0.6以上。由此可见,石莼的蛋白质氨基酸组成基本接近这一模式的要求,是较为理想的蛋白质氨基酸组成。

氨基酸不仅能够提供人体必需的营养物质,其对于食物所呈现的不同风味也有重要的贡献。一般意义上,谷氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸、甘氨酸和酪氨酸这6种能呈现出特殊鲜味的氨基酸被称为呈味氨基酸。呈味氨基酸是海藻重要的风味物质。在石莼所含呈味氨基酸中,与鲜味有关的氨基酸(Glu、Asp)的含量占总呈味氨基酸的52.90%,是其风味的主要来源,其次为呈甜味氨基酸(Gly、Ala),占25.88%。总呈味氨基酸含量为10.20 g/100 g(干重),占总氨基酸含量的60.34%。这一结果,高于广东[19](50.04%)与辽宁[20](50.60%)沿海所产石莼。在其他具有良好风味的海藻中,紫菜呈味氨基酸含量在1.02～2.59 g/100 g(干重),占总氨基酸含量的47.53%～66.88%,以甜味氨基酸为主要组成[27];海带中呈味氨基酸含量在3.24～4.78 g/100 g(干重),占总氨基酸含量的58.01%～71.13%,以鲜味氨基酸为主要组成[23]。因此,青岛沿海所产石莼,呈味氨基酸含量高,说明其具有比其他海藻更为浓厚的鲜味。可以利用石莼浓郁的海藻鲜味加工食品、调味料等具有独特风味的海藻食品,实现石莼的高值化利用。

根据FAO/WHO推荐的氨基酸模式对氨基酸进行评价,结果见表3。所有必需氨基酸中评分最低的氨基酸即第一限制氨基酸。由表3可知,石莼氨基酸评分为51,第一限制氨基酸为胱氨酸与蛋氨酸(含硫氨基酸),这是大多数非谷类植物蛋白质的第一限制氨基酸。蛋白质的氨基酸评分越接近100,说明其越接近人体的营养需求。经查,海藻氨基酸评分普遍不高,姚海芹等[23]算得海带氨基酸评分为44;周峙苗等[28]算得龙须菜氨基酸评分为47。石莼在海藻中得分较高,但相比于标准氨基酸模式而言,仍然差距较远。说明其氨基酸营养不够均衡,需要通过与其他食物的搭配膳食来达到氨基酸的互补。

表3 石莼中必需氨基酸与氨基酸标准模式的比较Table 3 Comparison of essential amino acids and provisional pattern of amino acid in Ulva lactuca L.

2.3 矿质元素含量

对石莼主要矿质元素含量测定结果见表4。各元素的含量与广东湛江和辽宁大连石莼的数据有明显差异,说明石莼生长海域环境会对其矿质元素的含量产生影响。常量元素中,石莼钾含量明显低于海带和紫菜,钙含量与海带无明显差异,但明显高于紫菜。镁含量也明显高于海带和紫菜,为紫菜中的23倍,因此石莼是镁元素的丰富来源。微量元素中,石莼对铁元素的富集能力特别强,明显高于海带和紫菜,是铁元素的良好来源。石莼中铜、锌、锰、铬和碘等微量元素含量也十分丰富,明显高于大多数陆生植物[29-31]。矿质元素在人体中发挥着重要作用,如镁能够维持心肌正常的生理功能,对于许多酶系统的活性发挥极为重要[32];钙在人体的肌肉、神经、骨骼等组织中广泛存在,对于体内的多种酶有激活作用[33];铁能够参与血红蛋白、细胞色素以及各种酶的合成,起到补血与提高免疫力的作用[34]。由以上结果可知,石莼中含有丰富的人体必需的常量元素与微量元素,尤其是镁、钙、铁等,可以作为人体良好的矿物质补充源。

表4 石莼中矿质元素含量(n=3,mg/g)Table 4 Mineral element content in Ulva lactuca L.(n=3,mg/g)

2.4 多糖组成分析

2.4.1 红外光谱分析 红外光谱是研究糖类不可或缺的工具,根据光谱图中吸收峰的位置、强度等可以对多糖分子中原子或官能团的振动情况进行初步的分析。对石莼多糖进行红外光谱扫描,结果如图1所示。在3438.57 cm-1处的吸收峰是糖类分子间或分子内H-O伸缩振动所引起,在2932.22 cm-1处的吸收峰是糖类C-H的伸缩振动,这是多糖类化合物的特征峰。1640.31 cm-1左右为羰基的C=O伸缩振动的吸收峰,1426.89 cm-1为羧基的C-O伸缩振动吸收峰,1054.23 cm-1为羧基的O-H变角振动吸收峰,此三个吸收峰为糖醛酸的特征吸收峰[35];1259.52和843.44 cm-1左右的吸收峰为硫酸基的特征吸收峰,其中1259.52 cm-1左右为S=O伸缩振动的吸收峰,843.44 cm-1左右为C-O-S的伸缩振动的吸收峰,说明石莼多糖中含有硫酸基。

图1 石莼多糖的红外光谱图Fig.1 Infrared spectrum of Ulva lactuca L.

2.4.2 单糖组成分析 利用PMP柱前衍生高效液相色谱法测定石莼多糖的单糖组成情况。此方法操作简便,灵敏度高,分离效果好,可以对石莼多糖中的单糖进行有效的定性、定量测定。石莼多糖的色谱图与单糖混合标准品色谱图对照见图2。由图2可见,各单糖衍生物的峰得到了较好的分离,参照标准品图谱,石莼多糖的单糖组成包括古洛糖醛酸、甘露糖醛酸、甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、木糖6种。

图2 标准品及石莼多糖高效液相色谱图Fig.2 High performance liquid chromatogram of standard and polysaccharide from Ulva lactuca L.注:a:石莼多糖；b:标准品。

根据表5中分析和计算,石莼多糖中古洛糖醛酸、甘露糖醛酸、甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、木糖之间的摩尔比为0.12∶0.15∶0.06∶2.96∶1.55∶1.70。其中,鼠李糖是石莼多糖的主要组成单糖,相对含量为45.23%;其次是木糖和葡萄糖,相对含量相近,分别为26.04%和23.73%;此外,石莼多糖中还含有少量的甘露糖醛酸、古洛糖醛酸和甘露糖。

表5 石莼多糖的单糖组成分析Table 5 Monosaccharide composition analysis of polysaccharides from Ulva lactuca L.

3 结论

对石莼中各营养成分进行测定,发现石莼中含有丰富的海洋植物蛋白,占藻体干重的22.03%,远高于海带中蛋白质含量。其余营养成分与含量分别为碳水化合物38.00%、脂肪1.11%、粗纤维8.77%、灰分30.09%。石莼中氨基酸种类齐全,比例适宜,必需氨基酸占总氨基酸的34.91%,较为接近理想蛋白质模式。Mg、Ca、K、Fe等矿质元素含量丰富,Zn、Cr、Cu、Mn、I等微量元素含量也明显高于大多数陆生植物。对石莼中的重要活性物质多糖进行组成与结构分析,发现石莼多糖是一类含有糖醛酸与硫酸基的多糖。其单糖组成为古洛糖醛酸、甘露糖醛酸、甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、木糖6种,其中鼠李糖占45.23%,是主要的组成单糖。