《食品科學》：江南大學楊海麟教授等：微藻破壁處理技術、生物活性及應用研究進展

微藻是一類重要的單細胞水生光合生物，在地球生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關鍵作用。近年來，隨著人類對資源可持續(xù)利用和健康生活需求的不斷增長，微藻因其獨特的生物合成能力和豐富的生物活性成分，逐漸成為生命科學和工業(yè)領域研究的熱點。微藻不僅通過光合作用高效固定二氧化碳，具有良好的固碳能力，有助于緩解環(huán)境問題；還富含多種高附加值的功能性成分。這些成分因其在抗氧化、抗菌、免疫調節(jié)、抗腫瘤及代謝調控等方面的顯著生物活性，在食品、醫(yī)藥、化妝品及其他功能性產品中的開發(fā)利用中具有廣闊應用前景。

微藻資源的開發(fā)與應用離不開高效的成分提取與純化技術。通過優(yōu)化提取技術，不僅提高了目標成分的提取效率，還有效保護了其生物活性。

許多研究已證實微藻功能性成分具有顯著的生物活性。這些研究不僅證明了微藻在保健食品和醫(yī)藥領域的開發(fā)價值，也為其在多領域的產業(yè)化應用奠定了理論基礎。

江南大學生物工程學院的龔韌、楊海麟*和中國科學院水生生物研究所的金虎*等系統(tǒng)梳理微藻功能性資源的最新研究進展，重點探討微藻破壁技術的發(fā)展與優(yōu)化、功能性微藻資源的主要生物活性及其作用機制，以及功能性微藻在食品、醫(yī)藥和化妝品等領域的實際應用情況。同時，全面分析當前技術的不足與挑戰(zhàn)，并提出了未來的發(fā)展方向。本綜述旨在為功能型微藻資源的高效開發(fā)與多領域應用提供系統(tǒng)的理論依據(jù)與實踐參考。

1 微藻破壁技術的發(fā)展與優(yōu)化

微藻細胞中功能性成分的提取一般包括預處理、破壁、提取和分離純化4 個階段：預處理主要包括洗滌和干燥，用于去除雜質并準備細胞；破壁通過物理、化學或酶解等方式破壞細胞壁，釋放內部活性成分；隨后使用溶劑或其他手段提取目標物質；最后，通過離心、過濾或色譜純化提取物（圖1）。

在微藻功能性營養(yǎng)成分提取過程中，破壁技術作為核心環(huán)節(jié)直接決定了成分釋放效率與提取性能。由于微藻細胞壁通常結構堅韌且復雜，直接影響著細胞內成分的釋放效率。有效的破壁方法能夠顯著提升目標成分的提取率，確保微藻中蛋白質、油脂、色素、多糖等有價值物質得以最大限度地釋放。因此，選擇合適的破壁方法對提高提取效率、減少能耗、保持活性成分的穩(wěn)定性至關重要。本文將聚焦于微藻破壁技術的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)評估各類方法在提取效率、適用性、經濟性、環(huán)境友好性與產業(yè)化應用方面的優(yōu)勢與不足。

微藻細胞壁結構復雜且堅韌，對物理和化學處理均具有顯著抗性。這種牢固的細胞壁既保護了微藻細胞中的營養(yǎng)物質和活性成分，也給提取過程帶來了難度。因此，破壁處理成為微藻資源中功能性營養(yǎng)成分提取的關鍵步驟，能夠有效釋放細胞內的蛋白質、油脂、色素、多糖等目標成分。為了高效地提取這些成分，研究者們開發(fā)了機械、物理、化學和酶解等多種破壁方法，需結合目標成分特性與生產需求，科學選擇并優(yōu)化破壁方式（表1）。

1.1 機械破壁法

機械破壁法是一類通過施加外部物理力（如剪切力、沖擊力或摩擦力）直接破壞微藻細胞壁結構的技術，常用于蛋白質、油脂等胞內功能成分的提取。該方法具有破壁效率高、處理速度快和工藝成熟等特點，特別適合連續(xù)化和工業(yè)化的大規(guī)模生產，是目前最常用的破壁技術之一。主要的機械破壁方法包括高壓均質破壁、研磨破壁、珠磨破壁和切割擠壓破壁等，每種方法在效率、成本和適用性上具有不同特點。總體而言，機械破壁法對溫度不敏感的目標成分提取尤為高效，適用于產量要求高的場景，具備較好的適用性和經濟性。然而，該方法通常伴隨較高的能耗和設備磨損，需配置冷卻系統(tǒng)以降低熱積累，間接增加能源與資源消耗，因此在環(huán)境友好性方面相對遜色，不利于實現(xiàn)低碳綠色生產，未來可通過與物理或酶解法協(xié)同使用，可在保證效率的同時降低能耗、提高綠色性。

高壓均質破壁法是其中一種常見的工業(yè)化應用技術，通過將微藻懸浮液置于高壓環(huán)境中，通過微孔噴射產生的強剪切力破壁。該方法破壁效率高，細胞漿液分布均勻，有利于后續(xù)提取與分離步驟，適合大規(guī)模生產。然而，其能耗較高，設備成本昂貴，且高壓產生的熱量可能導致部分活性成分降解，因此更適用于熱穩(wěn)定性較高的目標成分（如蛋白質和脂溶性物質）的提取。Katsimichas等通過高壓均質破壁法研究了蛋白核小球藻（

C. pyrenoidosa

）蛋白提取的動力學模型，將蛋白濃度與高壓均質預處理條件及提取溫度相關聯(lián)，以優(yōu)化提取過程。他們發(fā)現(xiàn)，采用800 bar的高壓和4 次處理的破壁條件，能夠顯著提高蛋白質和碳水化合物的提取效率，從而驗證了高壓均質法在提升大分子蛋白質提取效率方面的有效性。

研磨破壁法則通過球磨機或珠磨機利用顆粒摩擦和撞擊破壞細胞壁，適合小規(guī)模和中等規(guī)模提取。該方法靈活性高，可調節(jié)研磨介質的大小和速度以適應不同提取需求，但過程較慢，產生的摩擦熱可能影響部分熱敏成分的活性。珠磨破壁作為研磨法的變種，利用較小的玻璃珠等介質在高速旋轉下進行細致破壁，具有較好的破壁效果，適合釋放熱敏成分且能保持其活性。然而，珠磨法的處理量較為有限，設備磨損較快，維護成本較高。Postma等通過不同尺寸的珠子（0.3～1 mm）在實驗室珠磨機中對3 種微藻（小球藻、富油新綠藻和四爿藻）進行破壁處理，結果表明，較小的珠子（0.3～0.4 mm）在降低能耗的同時顯著提升了破壁效率和蛋白質釋放率。此外，在珠磨過程中，標記蛋白Rubisco的天然結構得以保留，進一步證實了該破壁過程的溫和性。切割與擠壓破壁法通過高速旋轉刀片的剪切力和擠壓力破壞細胞壁，適用于快速提取，能耗低且經濟性高，但對細胞壁厚度不均的微藻效果可能不一致，適合對溫度不敏感的成分的快速、高產量提取。

1.2 物理破壁法

物理破壁法是利用物理場能量（如聲波、微波、電場等）作用于微藻細胞，從而破壞其細胞壁，釋放內部功能性成分的技術。物理破壁法相比機械方法操作更溫和，且無機械磨損，有利于保持活性成分的結構完整性，尤其適用于熱敏性成分的處理。物理破壁法常見的幾種方式包括超聲波破壁、微波破壁和電場輔助破壁等。物理破壁法整體適用于蛋白質、多糖、色素等熱敏性或高附加值成分的提取，破壁過程中對化學性質干擾較小，能夠有效保留成分的生物活性。此外，該方法不依賴有機溶劑，綠色環(huán)保，設備運行過程中幾乎無副產物釋放，環(huán)境友好性較高。但其也存在一定局限，如超聲和微波設備對處理體積有限，能效轉化率偏低，部分設備成本較高且參數(shù)優(yōu)化較復雜。該法適合中小規(guī)模應用，工業(yè)化推廣受限于設備功率和能耗管理。

超聲波破壁法通過超聲波產生的空化效應，在液體中形成微小氣泡。當氣泡破裂時，產生的沖擊力可以有效破壞細胞壁，釋放出細胞內的生物活性成分。該方法溫和高效，尤其適合蛋白質、色素等熱敏性物質的提取，因此廣泛用于小規(guī)模和中等規(guī)模的微藻成分提取。此外，超聲波的破壁機制不僅依賴于空化效應，還包括其產生的機械/物理效應（如剪切力、局部高溫高壓）以及化學效應（如自由基生成），這些綜合作用進一步提升了破壁效果。然而，超聲波技術在工業(yè)化應用中仍面臨挑戰(zhàn)，設備功率限制了其規(guī)模化，且高強度長期運行可能影響設備耐用性。

微波破壁法是一種利用微波輻射產生的熱效應和電磁效應對微生物細胞壁進行高效破壞的技術，廣泛應用于從微藻等生物體中提取功能性成分。在微波輻射作用下，細胞內部的極性分子（如水分子）高速極化并迅速反向，產生摩擦熱，使細胞壁逐漸松弛并出現(xiàn)微孔。隨著溫度和處理時間的增加，微波輻射引起的高頻分子振動逐步破壞細胞壁的纖維結構，顯著增加細胞壁的厚度和孔徑，使細胞內容物更易釋放出來用于提取。在提取微藻脂質時，微波輻射還能誘導脂質成分的變化，增加短鏈和飽和脂肪酸的比例，而減少不飽和長鏈脂肪酸的含量。與傳統(tǒng)的干燥研磨破壁法相比，微波破壁法具有較低的能耗和較高的破壁效率，已成為微藻等生物質脂質提取研究中的熱點。馬欣如以螺旋藻為原料，構建了微波輔助二段水熱催化體系用于制備高品質生物油。通過響應面法優(yōu)化反應參數(shù)（80 ℃預處理、80 ℃反應、3%硫酸環(huán)境），獲得富含低碳酮類的中間產物。進一步采用Ni負載堿改性HZSM-5催化劑顯著提升烴類含量，最高達48.1%。結合Aspen Plus模擬與?分析發(fā)現(xiàn)，該催化體系具有更高的能效（56.4%），展現(xiàn)出良好的工業(yè)應用潛力。

電場輔助破壁法（如脈沖電場）通過高強度脈沖電場改變細胞膜的電場分布，形成孔道以破壁。該方法能耗低、操作溫和，適合保護熱敏性成分，但設備要求高、成本較高，且在不同細胞類型上效果可能存在差異。物理破壁法在實驗室和中等規(guī)模提取中具有優(yōu)勢，而其在大規(guī)模應用中的限制主要體現(xiàn)在設備成本和破壁一致性方面。

1.3 化學破壁法

化學破壁法通過使用化學試劑（如酸、堿、有機溶劑）與微藻細胞壁發(fā)生反應，降解或溶解細胞壁，從而釋放出細胞內的功能性成分。在多糖或蛋白質含量高的微藻中，該方法可顯著提高破壁與提取效率。該方法操作簡便、反應迅速且成本低，適合用于粗提階段或對成分穩(wěn)定性要求不高的提取需求，尤其常用于脂質、多糖等非熱敏性成分的提取。然而，化學破壁存在一定局限性，如酸堿處理過程可能導致部分活性成分結構破壞或變性，且化學殘留需通過后續(xù)中和與純化步驟去除，增加了操作復雜性。此外，有機溶劑可能對操作人員及環(huán)境造成潛在風險，不符合綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。在經濟性方面，該方法總體成本較低，適合大規(guī)模粗提工藝，但對高附加值成分的選擇性較差。從環(huán)境友好性角度來看，化學試劑的使用和排放存在一定污染隱患，需結合綠色溶劑替代、反應條件優(yōu)化等策略加以改善。

酸處理法利用酸性試劑（如鹽酸、硫酸）降解細胞壁中的多糖和蛋白質，能夠快速實現(xiàn)破壁并降低成本，適合于粗提取過程。然而，酸性環(huán)境可能損害熱敏性或酸敏性成分的結構，需要在處理后充分中和去除酸殘留，以確保產品的純度和安全性。Wang Songmei等通過在高溫條件下使用甲酸并輔助少量鹽酸處理含水微藻生物質，以有效破壞細胞壁結構并釋放細胞內脂質。該方法在微藻生物質含水量高達82%的條件下顯著提升了提取效率，使小球藻（

C. protothecoides

）的脂質和脂肪酸甲酯產率分別達到了45.6%和85.8%的較高水平，并且適用于其他微藻種類。相比酸處理法，堿處理法則使用堿性試劑（如氫氧化鈉）破壞細胞壁中蛋白質和纖維素的結構，在提取脂溶性成分時表現(xiàn)良好，但也可能導致部分活性成分的變性或功能損失，且需進行中和以去除堿殘留。

有機溶劑法則是通過有機溶劑（如乙醇、甲醇）溶解細胞壁的脂質成分實現(xiàn)破壁，特別適合于脂溶性成分的提取。該方法具有較好的選擇性，能夠針對不同的極性成分優(yōu)化溶劑，提升特定成分的提取率。然而，有機溶劑在使用后必須徹底去除，以避免對最終產品造成殘留污染，并符合綠色生產的環(huán)保要求。

1.4 酶解破壁法

酶解破壁法是一種通過酶制劑降解微藻細胞壁成分，從而釋放細胞內目標成分的溫和破壁技術。該方法利用酶的特異性作用，根據(jù)微藻細胞壁的主要成分（如纖維素、蛋白質、多糖等），選擇合適的酶制劑（如纖維素酶、溶菌酶、蛋白酶等）對細胞壁進行選擇性降解，因而在保持細胞內熱敏性活性物質（如蛋白質、色素、多糖等）結構完整性方面具有顯著優(yōu)勢。酶解過程通常在低溫、中性或微酸性條件下進行，操作條件溫和，幾乎無副產物產生，具備良好的環(huán)境友好性，特別適合用于高附加值、對結構敏感的生物活性成分提取。在應用適用性方面，酶解法適用于大多數(shù)細胞壁復雜、機械或化學手段難以有效處理的微藻品種，且通過不同酶制劑的協(xié)同作用（如纖維素酶與溶菌酶或蛋白酶的組合）可進一步增強對細胞壁復雜結構的降解能力，提高提取效率。Zhao Kangyu等研究了纖維素酶與漆酶協(xié)同處理微擬球藻（

Nannochloropsis oceanica

）對脂質提取的影響。研究表明，單獨使用纖維素酶可顯著提高脂質提取率，但當纖維素酶與漆酶組合使用時，其協(xié)同效應使脂質提取率達到最高。在優(yōu)化條件下（pH 5.0、45～50 ℃）處理6 h后，脂質提取率達（26.9±0.2）%。劉浩文等以纖維素酶與木瓜蛋白酶（質量比1∶1）組成的復合酶體系提取柵藻多糖，并通過響應面法優(yōu)化酶解條件。研究表明，最佳提取條件為pH 6.1、酶添加量5.35%、酶解溫度53.1 ℃和酶解時間84.2 min，在此條件下多糖提取率達8.86%。該方法提取條件溫和，效率較高，適用于柵藻類微藻的粗多糖制備。

然而，該方法也存在一定局限，如酶制劑成本較高、反應時間相對較長，且對溫度、pH值、金屬離子等反應環(huán)境較為敏感，在工業(yè)放大時需嚴格控制反應條件。從經濟性角度看，酶解法更適合中小規(guī)模或高品質產品的開發(fā)，但隨著酶制劑制備工藝的改進及酶工程技術的發(fā)展，其在工業(yè)化應用中的成本與效率有望進一步優(yōu)化，未來在綠色高值提取方向具有廣闊發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.5 聯(lián)合破壁法

聯(lián)合破壁法融合多種技術，發(fā)揮協(xié)同效應以提升效率，彌補單一方法的不足。常見的聯(lián)合破壁技術包括機械-物理聯(lián)合法、物理-化學聯(lián)合法、酶解-物理聯(lián)合法以及機械-化學聯(lián)合法。例如，機械破壁（如珠磨或高壓均質）與超聲波結合，可利用機械力初步破壞細胞壁，再通過超聲波的空化效應進一步提升破壁效率和成分釋放率，從而實現(xiàn)協(xié)同增強。聯(lián)合破壁法尤其適用于細胞壁結構復雜或目標成分多樣的微藻樣品，在蛋白質、多糖、色素和脂質等多目標成分的提取中表現(xiàn)出更高的適用性與靈活性。該方法不僅有助于提高提取效率和得率，還能在適當條件下降低能耗，并更好地保護熱敏性成分，因此在綠色提取方面具有顯著優(yōu)勢。然而，其工藝路徑復雜，涉及多種設備或反應條件的協(xié)同配合，技術參數(shù)優(yōu)化難度大，設備投入和運行成本相對較高，影響其經濟性及工業(yè)化推廣速度。因此，聯(lián)合破壁法更適合中試或高附加值產品的開發(fā)，尤其適用于要求高效提取、活性保持和環(huán)境友好并重的提取工藝，在推動微藻資源高值化利用方面前景廣闊。

Jian Cedric Sow等研究了聯(lián)合高壓均質和超聲預處理對脫脂微擬球藻蛋白提取和功能特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，高壓均質的高壓剪切與空化效應能有效破碎細胞，3 次高壓均質處理可顯著減小顆粒體積粒徑（由314.25 μm降至129.5 μm），提高蛋白表面疏水性與柔性，并增加二級結構中

-折疊相對含量至72%，從而顯著提升乳化性能。超聲通過空化作用在細胞表面形成孔洞，高振幅（40%）進一步減小顆粒體積（至78.22 μm）。聯(lián)合使用這兩種物理預處理技術，能夠實現(xiàn)對蛋白結構與功能性的協(xié)同優(yōu)化，為微藻蛋白在功能性食品中的開發(fā)提供了新思路和技術支持；而微波加熱結合化學試劑（如酸、堿、有機溶劑、表面活性劑、離子液體或鹽溶液）則能顯著提高脂質和多糖的提取效率。

2 功能性微藻資源的生物活性

微藻資源作為天然生物活性物質的重要來源，近年來在營養(yǎng)、保健以及疾病防治等領域的應用研究取得了顯著進展。微藻中的多種活性成分，如多酚類、胡蘿卜素、藻藍蛋白以及脂肪酸等，已被證明具有較強的抗氧化、抗腫瘤、免疫調節(jié)及抗菌等生物活性（圖2、表2）。這些活性成分不僅在體外實驗中展現(xiàn)了明顯的生理作用，也為其在功能食品、膳食補充劑及藥物開發(fā)中的應用提供了理論依據(jù)。

2.1 抗氧化活性

氧化應激是指體內自由基和反ROS過量積累，導致細胞損傷、炎癥和功能紊亂的狀態(tài)。氧化應激與多種慢性疾病的發(fā)生密切相關。抗氧化劑能夠清除這些有害分子，保護細胞免受氧化損傷。微藻作為天然的抗氧化劑來源，富含多種能夠有效清除自由基的活性成分，成為近年來廣泛研究的對象。

微藻中主要的抗氧化成分包括多酚、類胡蘿卜素和藻藍蛋白，可顯著減緩氧化應激并預防相關疾病。藻類多酚，尤其是小球藻中的多酚類化合物，如咖啡酸、綠原酸和槲皮素等，展現(xiàn)出強大的抗氧化能力。其分子中的酚羥基（—OH）能通過提供電子中和自由基，從而防止細胞氧化損傷。此外，酚羥基還能抑制氧化酶的活性，減少ROS的生成，降低氧化應激水平。藻類多酚還可通過激活細胞內抗氧化酶系統(tǒng)（如SOD和CAT），進一步清除ROS，增強細胞的抗氧化防御能力（圖2）。因此，藻類多酚在緩解衰老、炎癥及氧化應激相關的代謝性疾病（如心血管疾病、糖尿病和神經退行性疾病）中展現(xiàn)出顯著的預防和治療潛力。

微藻中的類胡蘿卜素，特別是蝦青素和

-胡蘿卜素，是重要的天然抗氧化成分。類胡蘿卜素通過共軛雙鍵系統(tǒng)提供電子，中和自由基和ROS，發(fā)揮抗氧化作用。蝦青素作為最強的天然抗氧化劑之一，不僅能有效清除體內的自由基，還能抑制過氧化脂質的生成。此外，蝦青素還通過抑制ROS的生成，減輕氧化應激，進一步保護細胞免受氧化傷害。

-胡蘿卜素同樣通過減少自由基生成并清除ROS，發(fā)揮抗氧化作用，尤其在保護細胞免受氧化損傷和延緩衰老方面表現(xiàn)出顯著效果。

微藻中的藻藍蛋白（一種天然色素），尤其是在螺旋藻（

A. platensis

）等藍藻中含量豐富，是一種天然的水溶性抗氧化劑。藻藍蛋白的抗氧化作用主要通過分子結構中的開放四吡咯鏈實現(xiàn)。該結構可通過提供氫原子（位于四吡咯分子第10位碳）與過氧自由基反應，從而捕捉并中和氧自由基。此外，藻藍蛋白還能夠激活細胞的抗氧化酶系統(tǒng)，提高細胞的抗氧化能力，從而增強細胞的自我修復和防御機制。

除了多酚、類胡蘿卜素和藻藍蛋白，微藻中還含有如VE、谷胱甘肽和硒化物等抗氧化物質。VE通過清除自由基保護細胞膜，谷胱甘肽在細胞內作為主要的抗氧化分子，幫助中和自由基，而硒化物則通過增強抗氧化酶系統(tǒng)的活性發(fā)揮作用。這些物質共同構成了微藻中的抗氧化成分。

2.2 抗菌和抗病毒活性

抗生素耐藥性和新型病毒頻發(fā)對公共衛(wèi)生構成挑戰(zhàn)。細菌耐藥性使得傳統(tǒng)抗生素的治療效果逐漸下降，而病毒感染則仍然是全球范圍內致死率較高的疾病之一。因此，尋找和開發(fā)天然抗菌劑和抗病毒劑已成為當前藥物研究的熱點。微藻中有多種成分表現(xiàn)出顯著的抗菌和抗病毒活性。

微藻中的一些藻類多糖已被證實具有抗病毒活性。自20世紀90年代首次報道螺旋藻產生的硫酸化多糖具有抗人類免疫缺陷病毒（HIV）作用以來，相關研究逐漸增多。微藻多糖可有效抑制HIV、流感病毒和SARS-CoV-2等包膜RNA病毒。這些多糖的抗病毒機制主要通過與病毒表面糖蛋白結合，抑制病毒與宿主細胞的結合，從而阻止病毒入侵宿主細胞。有研究表明，微藻在生物或非生物脅迫條件下可大量分泌多糖，這些多糖在病毒感染環(huán)境中能夠有效抑制病毒復制。實驗顯示，雨生紅球藻和鹽藻提取物對單純皰疹病毒1型（HSV-1）感染的Vero細胞具有顯著抑制作用，其中雨生紅球藻乙醇提取物在75 μg/mL質量濃度條件下的抑制率高達85%。該作用與提取物中多糖含量密切相關，富含多糖的組分展現(xiàn)出更強的抗病毒活性。此外，微藻多糖還通過增強宿主免疫反應抑制病毒感染的蔓延。這些多糖能激活免疫系統(tǒng)，促進免疫細胞的活化和增殖，并增強巨噬細胞的吞噬能力，提高白細胞分泌水平。同時，微藻多糖通過調節(jié)細胞因子分泌，改善免疫微環(huán)境，進一步增強抗病毒能力。

微藻中的脂質成分，特別是不飽和脂肪酸（如DHA、EPA），在抗菌活性方面展現(xiàn)出重要作用。微藻脂質通過破壞細菌膜結構，增加膜通透性，抑制細菌生長。Sukhikh等研究發(fā)現(xiàn)，小球藻和螺旋藻的脂質復合物具有顯著的抗菌活性，能夠抑制革蘭氏陽性菌

B. subtilis

和革蘭氏陰性菌

E. coli

的生長。在所有質量濃度條件下，小球藻脂質復合物對枯草芽孢桿菌的最大抑菌圈直徑為（0.7±0.03）cm，螺旋藻脂質復合物對大腸桿菌的抑菌圈直徑為2.0～3.0 cm。

藻藍蛋白還展現(xiàn)出顯著的抗病毒活性，這與其獨特的分子結構和多重生物功能密切相關。其蛋白質部分由

亞基組成，通過與病毒包膜蛋白或宿主細胞受體的特異性結合，可有效阻斷病毒的吸附與入侵過程。輔基藻膽色素（開鏈四吡咯結構）不僅具有卓越的抗氧化能力，可清除自由基并緩解病毒感染引發(fā)的氧化應激，還可能通過光敏反應進一步增強抗病毒效果。此外，藻藍蛋白表面的糖基化修飾有助于提高其與病毒糖蛋白的結合能力，多聚體結構則賦予其更高的分子穩(wěn)定性和活性。Shih等研究了別藻藍蛋白對腸道病毒71型的抗病毒活性，發(fā)現(xiàn)其能夠有效中和病毒誘導的人體橫紋肌肉瘤細胞和非洲綠猴腎細胞的細胞病變作用。全藻藍蛋白在病毒吸附前的處理效果優(yōu)于吸附后，表現(xiàn)出較低的IC 50 （0.045 μmol/L），并能通過延遲病毒RNA的合成和抑制細胞凋亡抑制病毒感染。

微藻中還含有其他多種具有抗菌和抗病毒活性的典型物質，如類胡蘿卜素、蛋白水解產物（如抗菌肽）以及酚類化合物。類胡蘿卜素通過抑制自由基生成和破壞微生物細胞膜展現(xiàn)抗菌和抗病毒作用；抗菌肽是一類由微藻蛋白質水解產生的小分子肽，通過與細胞膜結合引發(fā)膜的穿孔或通透性變化抑制細菌和病毒；酚類化合物則能夠通過與病毒表面蛋白結合或干擾病毒復制過程阻止感染。

2.3 免疫調節(jié)活性

免疫調節(jié)是維持機體健康、防御疾病的關鍵過程，通過調節(jié)免疫系統(tǒng)的活性，確保免疫反應適度平衡。免疫調節(jié)有助于預防感染、炎癥及免疫紊亂。微藻富含多種具有免疫調節(jié)活性的天然成分，為促進健康和防治免疫相關疾病提供了重要資源。

藻藍蛋白的免疫調節(jié)作用主要通過其對巨噬細胞、NK細胞和T細胞的激活實現(xiàn)。藻藍蛋白能夠通過增強巨噬細胞的吞噬功能，刺激其分泌細胞因子（如IL-1β、TNF-α、IL-6等），調節(jié)NF-κB和MAPK信號通路，從而提高機體的免疫反應。Grover等通過小鼠體內實驗發(fā)現(xiàn)，藻藍蛋白C（來源于螺旋藻）在巨噬細胞的炎癥反應調控中發(fā)揮了重要作用。該研究表明，藻藍蛋白C能夠抑制由脂多糖刺激的巨噬細胞中COX-2和前列腺素E2的表達，表現(xiàn)出顯著的抗炎特性。藻藍蛋白C還通過增加抗氧化酶（如SOD和CAT）的活性，降低體內氧化應激水平，從而間接調控免疫系統(tǒng)的平衡。此外，其他研究表明，藻藍蛋白通過促進Th1型免疫反應（增加IFN-γ的分泌）并抑制Th2型免疫反應（減少IL-4的分泌）調節(jié)免疫平衡，從而展現(xiàn)出對過敏性哮喘的潛在治療作用（圖2）。

微藻中的多糖，如硫化多糖、小球藻多糖具有強大的免疫調節(jié)功能。微藻多糖可激活巨噬細胞，促進IL-6、IL-10、TNF-α等因子分泌，提高免疫活性。在體內和體外研究中，提取自小球藻的多糖能夠激活巨噬細胞并增強吞噬活性，而來自

Gyrodinium impudicum

Tribonema sp.

的硫酸化多糖則被發(fā)現(xiàn)能夠提高細胞因子表達和巨噬細胞活力。Chen Xiaolin和Bahramzadeh等研究了從

Tribonema sp.

提取的硫酸化多糖對RAW264.7小鼠巨噬細胞的免疫刺激作用，使用的質量濃度分別為12.5～200 μg/mL和10～50 μg/mL。這兩項獨立研究的結果表明，硫酸化多糖能夠刺激巨噬細胞活性，并在處理24 h后顯著上調IL-6、IL-10和TNF-α的表達水平。

微藻中的多不飽和脂肪酸在免疫調節(jié)方面表現(xiàn)出顯著作用。它們通過改變細胞膜的流動性和脂質組成，調節(jié)免疫細胞的功能。研究表明EPA能夠通過激活巨噬細胞并促進IL-1β、IL-6、TNF-α和INF-γ等細胞因子的釋放，增強先天免疫反應，這一過程涉及GPR120介導的Raf-MEK-ERK-NF-κB信號通路。DHA則通過上調過氧化物酶體增殖因子激活受體γ（PPARγ），調節(jié)樹突狀細胞（DC）的分化與功能，表現(xiàn)為成熟DC表面標志物CD36、CD83和CD86表達的增加，同時對IL-6、IL-10和IL-12的分泌具有抑制作用。此外，這些脂肪酸通過修飾脂肪酸代謝途徑，促進前列腺素E3和白三烯B5等抗炎介質的合成，進一步減輕慢性炎癥反應。汪博宇進一步驗證了藻油（主要成分為DHA）在體內的免疫調節(jié)效應。其發(fā)現(xiàn)，來源于破囊壺藻（

Aurantiochytrium sp.

）的藻油可有效緩解慢性不可預知應激誘導的小鼠抑郁樣行為，表現(xiàn)為掙扎時間延長和探索欲增強。機制研究表明，該作用與CRP和TNF-α水平的顯著下調、IL-10A的上調密切相關，表明藻油具有良好的抗炎和神經保護作用。轉錄組分析顯示，藻油干預顯著調控多個與神經和免疫相關的信號通路。在免疫調節(jié)中，EPA和DHA也有助于抑制過度的免疫反應，維持免疫系統(tǒng)的耐受性和穩(wěn)態(tài)，特別是在類風濕性關節(jié)炎、動脈粥樣硬化等免疫介導性疾病的治療中具有潛力。

微藻中的類胡蘿卜素同樣具有顯著的免疫調節(jié)作用。蝦青素能夠增強NK細胞毒性，促進T細胞的增殖，并提高IL-2和INF-γ等細胞因子的水平，從而激活免疫系統(tǒng)。Park等通過隨機雙盲對照實驗評估了蝦青素的免疫調節(jié)效果。研究中，蝦青素以2 mg/d或8 mg/d的劑量連續(xù)補充8 周。結果表明，蝦青素增強了NK細胞的細胞毒性活性，并且增加了T細胞和B細胞的總亞群。此外，蝦青素還在體外小鼠模型中促進了淋巴細胞的增殖，并提高了小鼠外源模型中IL-2和INF-γ的水平。還有研究在小鼠模型中測試了蝦青素對幽門螺桿菌（

H. pylori

）接種后的免疫反應。治療后小鼠脾細胞被分離，評估了與免疫反應相關的細胞因子的產生。結果顯示，經過6 周治療后，IL-2、IL-10和INF-γ的水平均有所增加。

微藻中，除了上述主要具有免疫調節(jié)作用的物質外，還含有其他具有免疫調節(jié)活性的物質，如蛋白質水解產物（如抗菌肽）、酚類化合物以及維生素（如VE和VD）。這些成分通過多種機制，調節(jié)免疫細胞活性、增強抗體生成、抑制炎癥因子的分泌等，進一步增強機體的免疫防御功能。

2.4 降血脂活性

高血脂，特別是高膽固醇和TG水平，是動脈粥樣硬化、心臟病和中風等疾病的主要風險因素。降低低密度脂蛋白（LDL）和TG水平有助于減少心血管疾病風險。因此，尋找天然的降血脂成分，成為了健康管理和疾病預防的重要研究方向。

微藻中的多不飽和脂肪酸（EPA、DHA和

-亞麻酸）是其最具降血脂活性的成分之一。DHA和EPA通過減少VLDL的生成和提高TG清除效率，從而顯著降低血脂水平。DHA和EPA通過促進肝臟脂肪酸氧化，減少肝內脂肪含量，從而降低VLDL-TG的生成率，這可能與減少肝臟脂質合成及增強脂質代謝有關。其次，兩者通過增強脂蛋白脂酶的活性，加速乳糜微粒和VLDL-TG的水解和清除，特別是在餐后狀態(tài)下表現(xiàn)出更強的清除能力。此外，DHA主要酯化為TG，EPA則分布更廣，使DHA在某些情況下降脂效果優(yōu)于EPA。兩者的降脂機制還包括通過降低血漿載脂蛋白CIII（apoCIII）水平，間接減弱對脂蛋白脂酶活性的抑制作用，以及通過減少VLDL顆粒數(shù)量和尺寸，增強其向中密度脂蛋白和低密度脂蛋白的轉化效率。馬曉敏等通過構建高脂飲食誘導的大鼠高血脂模型，系統(tǒng)評估了微藻油（主要成分為DHA）的調脂作用。研究表明，微藻油中、高劑量干預（600、1 800 mg/kg）可顯著降低血清TC、TG和低密度脂蛋白膽固醇水平，并提高高密度脂蛋白膽固醇（

P

＜0.05）。同時，肝腎功能指標如丙氨酸氨基轉移酶、天冬氨酸氨基轉移酶、血尿素氮和肌酐均明顯改善，肝臟脂肪變性和腎組織損傷亦有所緩解。綜上，DHA和EPA通過多種協(xié)同機制顯著改善血脂代謝，是重要的降脂活性成分。

-亞麻酸是螺旋藻中一種重要的多不飽和脂肪酸（omega-6），因其卓越的降血脂活性而備受關注。研究表明，

-亞麻酸通過調節(jié)脂質代謝途徑顯著降低TC、低密度脂蛋白膽固醇和TG的水平，同時增加高密度脂蛋白膽固醇。

微藻中的類胡蘿卜素（蝦青素）也有降血脂活性。Mimoun-Benarroch等通過研究飲食誘導的高脂血癥小鼠模型，探討了游離形式蝦青素的降血脂活性，發(fā)現(xiàn)補充0.03%或0.06%蝦青素顯著降低了血漿TG水平（降低幅度達35%～45%）（

P

＜0.05），但未觀察到對膽固醇水平顯著影響。此外，他們發(fā)現(xiàn)蝦青素通過調節(jié)脂質轉運相關基因（如

Abca1

）、胰島素依賴性葡萄糖轉運基因（如

Glut4

）和核受體相關基因（如

Rxra

）的表達，促進脂質代謝的調控作用，同時抑制肝臟PPARγ的表達并上調固醇調節(jié)元件結合蛋白1和乙酰輔酶A膽固醇乙酰轉移酶2的表達，從而優(yōu)化了脂質代謝功能。

源自螺旋藻的藻藍蛋白C也具有顯著的降血脂作用。研究表明，藻藍蛋白通過抑制胰脂肪酶活性和膽固醇吸收，能夠顯著降低血液中的TG、TC及低密度脂蛋白膽固醇水平，同時提高高密度脂蛋白膽固醇的濃度。這種作用主要與其對脂質代謝的調節(jié)以及抑制脂質過氧化和炎癥相關。此外，動物和臨床研究均證實，長期攝入螺旋藻富含的藻藍蛋白能夠有效改善高脂血癥患者的血脂異常狀況，為其在心血管疾病預防和輔助治療中的應用提供了理論依據(jù)。

2.5 抗糖尿病活性

糖尿病是一種常見的慢性代謝性疾病，其特征為持續(xù)的高血糖狀態(tài)。它通常由胰島素分泌不足或胰島素作用受阻引起，導致葡萄糖代謝異常。糖尿病分為1型和2型，1型糖尿病通常是由于胰島β細胞被破壞，導致胰島素分泌不足；2型糖尿病則與胰島素抵抗和胰島素分泌不足有關。糖尿病的高發(fā)率及其引發(fā)的心血管疾病、腎病和視力問題等并發(fā)癥，使其成為全球健康的重大挑戰(zhàn)。微藻中的一些生物活性成分，如多不飽和脂肪酸、微藻多酚和類胡蘿卜素，已被證明具有顯著的抗糖尿病作用。

微藻中的多不飽和脂肪酸（EPA和DHA）是最具抗糖尿病效果的成分之一。研究表明，EPA通過激活PPARγ和抑制NF-κB的活性，從而降低炎癥反應（如TNF-α和IL-6的分泌）并改善胰島素敏感性。此外，攝入富含DHA/EPA的飲食顯著降低了糖尿病患者的空腹血糖和糖化血紅蛋白水平，同時減少了炎癥因子和氧化應激標志物（如單核細胞趨化蛋白-1和8-羥基脫氧鳥嘌呤）。雖然EPA在改善血糖代謝方面的作用更為顯著，但DHA可能通過協(xié)同機制增強EPA的代謝調節(jié)效應。

微藻中的多酚類化合物在糖尿病防治中展現(xiàn)出顯著的活性，主要通過抑制糖代謝關鍵酶

-淀粉酶和

-葡萄糖苷酶的活性，延緩淀粉和雙糖的分解，從而降低血糖水平。Deepa等研究發(fā)現(xiàn)，微擬球藻的乙酸乙酯提取物（主要包括酚類化合物、黃酮類化合物）在1 mg/mL質量濃度下對

-淀粉酶的抑制率達到78.52%，對

-葡萄糖苷酶的抑制率達到80.42%，其IC 50 值分別為121.96 μg/mL和178.53 μg/mL，表明其對糖代謝酶具有較強的抑制能力。此外，黃酮類通過抑制酶活性和抗氧化作用，降低餐后高血糖與并發(fā)癥風險。

微藻中的類胡蘿卜素（蝦青素）通過多種機制展現(xiàn)出顯著的抗糖尿病潛力。蝦青素通過減輕胰島β細胞的氧化應激損傷，保護其功能并促進胰島素分泌，從而降低血糖水平。此外，蝦青素能夠顯著改善胰島素抵抗，其機制包括激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/Akt信號通路以增強葡萄糖攝取，調控AMP活化蛋白激酶/PPARγ共激活因子-1α通路以促進線粒體功能和脂肪酸代謝，同時抑制c-Jun氨基末端激酶信號通路以降低胰島素受體底物-1的絲氨酸磷酸化水平。針對糖尿病并發(fā)癥，蝦青素通過減少晚期糖基化終產物的形成和積累、抑制NF-κB信號及其相關的炎癥因子（如TNF-α和IL-6）表達，顯著改善糖尿病視網(wǎng)膜病變和糖尿病腎病的病理進程。

2.6 抗腫瘤

隨著癌癥發(fā)病率的持續(xù)上升，尋找有效且低副作用的抗腫瘤療法變得尤為重要。傳統(tǒng)的抗腫瘤治療方法，如化療、放療和手術，雖然在癌癥治療中取得了一定成效，但常常伴隨有較大的副作用和耐藥性問題。因此，天然產物因其低毒性和多靶點優(yōu)勢，成為抗腫瘤研究熱點。微藻作為一種天然資源，含有多種具有抗腫瘤活性的生物活性成分，越來越成為抗腫瘤研究中的重要方向。

微藻中的多酚類化合物因其顯著的抗腫瘤活性而備受關注。微藻中的槲皮素、蘆丁、兒茶素等多酚化合物通過多種機制發(fā)揮抗腫瘤作用，例如誘導細胞凋亡（通過上調Bax和下調Bcl-2蛋白表達）、抑制癌細胞增殖（阻滯細胞周期于G2/M期）、誘導自噬以及調控信號通路（如PI3K/Akt和酪氨酸激酶/信號轉導和轉錄激活因子通路）。Lee等研究發(fā)現(xiàn)，槲皮素能夠抑制白血病U937細胞的增殖，其機制包括誘導細胞發(fā)生G2/M期阻滯和Caspase依賴的凋亡。研究表明，槲皮素處理會上調細胞周期蛋白B表達，同時下調Cyclin D和Cyclin E的表達，這主要與轉錄水平的抑制有關。此外，在氧化應激下，微藻多酚積累增強，抗氧化與抗腫瘤活性顯著提升。

微藻中的多糖在抗癌研究中表現(xiàn)出顯著的生物活性。研究表明，褐藻細胞壁中的硫化多糖，如褐藻多糖，通過激活Caspase-3和線粒體凋亡通路，顯著誘導腫瘤細胞凋亡，并抑制特定蛋白激酶（如Akt和ERK通路）的活性，阻斷癌細胞的增殖信號傳導。此外，褐藻多糖還能通過下調VEGF的表達，抑制腫瘤血管生成，從而限制癌細胞的營養(yǎng)供給和擴散能力（圖2）。同時，其免疫調節(jié)作用通過激活巨噬細胞和NK細胞，增強細胞因子（如TNF-α和IL-2）的分泌，顯著提高免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的清除效率。這些作用機制使褐藻多糖在包括結腸癌、肝癌和淋巴瘤等多種癌癥模型中展現(xiàn)了強效的抗腫瘤活性。

藻藍蛋白具有顯著的抗癌活性。研究顯示，在4T1乳腺腫瘤小鼠模型中，藻藍蛋白C每日腹腔注射（50 mg/kg，持續(xù)20 d）顯著抑制了腫瘤體積的增長，使腫瘤體積減少到原來的1/3。此外，藻藍蛋白C顯著降低了肝臟、肺部和脾臟的轉移病灶，減輕了轉移相關器官的質量，同時顯著延長了腫瘤小鼠的平均生存期（增加約22 d）。機制研究表明，藻藍蛋白C通過抑制COX-2表達以及基質金屬蛋白酶（基質金屬蛋白酶（MMP）-2和MMP-9的活性，抑制了腫瘤細胞的侵襲和轉移能力；同時，通過誘導細胞凋亡、促進細胞周期阻滯（G0/G1期），并抑制受體相互作用蛋白激酶1/NF-κB信號通路，實現(xiàn)了對腫瘤細胞增殖和轉移的有效抑制。

3 功能性微藻資源的應用

微藻因其豐富的功能性成分和多樣化的生物活性，展現(xiàn)出在食品與營養(yǎng)、醫(yī)藥與保健以及化妝品領域的巨大應用潛力（圖3）。作為一種可持續(xù)的生物資源，微藻的蛋白質、不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素、多糖等功能性成分在提升營養(yǎng)價值、增強健康功能以及改善產品性能方面具有顯著優(yōu)勢。

3.1 食品與營養(yǎng)

微藻作為一種高效可持續(xù)的營養(yǎng)資源，在食品和營養(yǎng)領域展現(xiàn)出廣泛的應用潛力。微藻制品在商業(yè)化生產中常以粉末、片劑、膠囊或提取物等形式出現(xiàn)，并被廣泛應用于多種食品中，如酸奶、飲料、餅干、冰淇淋、果凍等，不僅提供營養(yǎng)價值，也作為天然色素發(fā)揮著重要作用。

微藻蛋白因含量高、氨基酸組成均衡而受到關注。其中，螺旋藻和小球藻的蛋白質含量可達干質量的50%～70%，富含賴氨酸、亮氨酸等必需氨基酸。雖然微藻蛋白中蛋氨酸和胱氨酸含量相對較低，但其整體氨基酸組成均衡，蛋白質量仍可媲美傳統(tǒng)食品蛋白。微藻蛋白還表現(xiàn)出乳化、凝膠和發(fā)泡等功能性特性，可增強食品的加工性能，廣泛應用于面條、面包和餅干的營養(yǎng)強化。值得一提的是，藻藍蛋白作為天然藍色著色劑，已獲得歐美及亞洲多個國家的食品添加劑批準，具有較強的抗氧化能力及廣闊的市場前景，預計到2030年全球市場規(guī)模將達2.796億 美元，年均增長率達28.1%。

微藻脂類富含EPA和DHA，是魚油的優(yōu)質替代品，廣泛用于嬰兒奶粉和植物性功能食品中。研究表明，通過氮限制等培養(yǎng)條件優(yōu)化，可顯著提升微藻中脂類或蛋白質的含量，從而滿足不同的營養(yǎng)需求。

微藻還以其色素成分（如

-胡蘿卜素、蝦青素、葉黃素和藻藍蛋白）在功能性食品中占據(jù)重要地位。這些色素不僅是天然色素，適用于乳制品、飲料和糖果中，還具有抗氧化、抗炎和抗癌等功能。例如，蝦青素和

-胡蘿卜素的抗氧化活性被證明可預防心血管疾病和癌癥。螺旋藻和小球藻也被廣泛應用于酸奶、冰淇淋、零食和餅干等食品中，用以提升營養(yǎng)價值和感官特性。微藻色素和脂類在加工過程中具備良好的熱穩(wěn)定性，有利于其在多種食品中的廣泛應用。然而，微藻的高濃度添加可能帶來腥味或質地變化，尤其是在除魚類風味以外的食品中，這限制了其應用濃度。因此，未來的研究應聚焦于改善微藻與食品基質的相互作用，優(yōu)化加工條件以保持其功能成分的活性，同時提升食品的感官接受度。

3.2 醫(yī)藥與保健

微藻以其豐富的生物活性成分在醫(yī)藥與保健領域展現(xiàn)出顯著的應用潛力。鹽藻中

-胡蘿卜素含量極高，是天然抗氧化劑的重要來源，已被證明具有防癌、抗衰老以及增強免疫力的作用。雨生紅球藻富含蝦青素（約占干質量15%），是一種強效抗氧化劑，具備抗炎、抗感染等功能，廣泛用于抗衰老與免疫增強產品。蛋白核小球藻是一種高蛋白、低糖、低脂的營養(yǎng)來源。從中提取的藻多糖和藻蛋白已被證明具有抗腫瘤、抗病毒感染以及增強免疫力的作用。此外，裸藻中富含的多糖被發(fā)現(xiàn)具有良好的抗氧化特性，為慢性疾病的預防提供了潛在的治療途徑。

在保健品領域，基于微藻活性成分的產品已實現(xiàn)多樣化應用。鹽藻中β-胡蘿卜素常用于天然著色劑和保健膠囊的生產，而雨生紅球藻的蝦青素則是高端抗衰老產品的主要成分。小球藻因其細胞內的生物活性物質“綠藻精”（一種植物性生長因子）被用于制作營養(yǎng)口服液，展現(xiàn)了優(yōu)良的保健功效和市場前景。此外，微藻提取物已被研究用于功能性飲品和藥食同源的健康食品中，例如通過木瓜蛋白酶和中性蛋白酶水解小球藻蛋白制成的飲品和功能性食品。依托微藻活性物質開發(fā)的保健產品，因其高效、環(huán)保與多重藥理功能，正引領醫(yī)藥保健品的綠色發(fā)展趨勢。未來，通過優(yōu)化微藻活性成分提取技術和實現(xiàn)規(guī)模化生產，微藻資源在功能性保健品領域的應用潛力將進一步擴大。

3.3 化妝品

隨著綠色科技的發(fā)展和消費者對天然成分需求的增加，微藻因其獨特的生物活性成分在化妝品領域得到了廣泛關注。微藻中富含類胡蘿卜素、多糖、維生素和多肽等活性物質，這些成分具有顯著的抗氧化、抗衰老、保濕和美白等功效。在保濕和抗衰老方面，小球藻提取物表現(xiàn)出優(yōu)異的保濕和調理性能，其次級代謝產物可有效提高皮膚含水量，并維持皮膚的水油平衡。例如，結合小球藻提取物的“Nutritious Microalgae”系列護膚品由雅詩蘭黛推出，其富含小球藻提取物的化妝水和精華液顯著改善皮膚保濕性能并調節(jié)水油平衡。雪藻提取物在抗衰老領域表現(xiàn)突出，其通過減少成纖維細胞中膠原蛋白的流失來顯著增強皮膚水合能力并改善魚尾紋，已被知名品牌La Prairie用于其“Cellular Swiss Ice Crystal”抗衰老精華中。其他如Voolga品牌的蝦青素修復面膜也通過利用高純度蝦青素提取物實現(xiàn)皮膚修復和亮白的功效。

在防曬和美白領域，微藻來源的活性成分同樣展示了巨大的潛力。葉黃素和蝦青素等類胡蘿卜素成分能夠高效吸收紫外線并中和自由基，提供天然的光保護作用。Astalift公司研發(fā)的蝦青素美白精華采用乳化技術將蝦青素穩(wěn)定結合到配方中，經過4 周使用后可顯著改善色斑面積和密度。Dr.Ci:Labo的防曬噴霧中添加了小球藻提取物和葉黃素，不僅增強了產品的抗紫外線能力，還提供了額外的抗氧化保護。巖藻黃素是海洋褐藻及硅藻中特有的類胡蘿卜素，其結構中含有環(huán)氧基、烯鍵、羥基和羰基等多種功能基團，賦予其顯著的生物活性。有研究表明巖藻黃素可顯著緩解紫外線引起的皮膚損傷。在細胞及動物模型中，其可促進絲聚蛋白生成，減輕表皮肥厚，并降低VEGF與MMP-13等與光老化相關基因的表達水平。同時，巖藻黃素能抑制黑色素生成相關蛋白（如酪氨酸酶相關蛋白），改善紫外線引起的色素沉著。當其以5 g/L劑量添加于防曬產品中時，可使紫外線吸收效率提升72%，并在光降解范圍內保持良好穩(wěn)定性。

盡管微藻成分在化妝品中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，但其產業(yè)化仍面臨臨床驗證不足、安全性爭議與成本高等挑戰(zhàn)。大部分研究停留在實驗室階段，缺乏臨床試驗支持；微藻可能具有一定生物毒性，其安全性需要進一步驗證；此外，生產成本較高，缺乏成熟的產業(yè)鏈規(guī)劃。優(yōu)化提取技術和降低生產成本是未來發(fā)展的關鍵。

3.4 環(huán)境保護

微藻在環(huán)境保護領域展現(xiàn)出重要應用潛力，特別是在廢水處理和碳減排方面。得益于其高效的光合作用能力，微藻能夠在吸收CO2的同時合成大量有機質，成為碳捕集與資源化利用的重要生物載體。在廢水處理中，微藻不僅能有效去除氮、磷等營養(yǎng)鹽，還可協(xié)同去除重金屬離子和有機污染物。研究表明，一些微藻在城市和農業(yè)污水中具有良好的去除效率，其氮磷去除率可分別超過80%和90%。此外，微藻-細菌協(xié)同系統(tǒng)（被廣泛用于構建生態(tài)友好的污水凈化體系，可在無須外加碳源的條件下完成高效脫氮除磷，為低碳化水處理提供新路徑。

微藻在重金屬修復中的應用亦受到廣泛關注。某些微藻種類具有高度親和重金屬的細胞壁結構，能夠通過吸附、絡合或生物轉化機制富集鎘、鉛、銅等有毒金屬離子，廣泛應用于礦區(qū)廢水及工業(yè)排放水的原位修復。與此同時，微藻殘渣還可作為制備生物炭、活性炭或吸附劑的原料，用于環(huán)境污染物的進一步吸附與去除，實現(xiàn)資源的閉環(huán)利用。此外，微藻在土壤修復中的潛力逐漸被挖掘，如通過與植物聯(lián)合構建“微藻-植物修復系統(tǒng)”改善土壤理化性質和微生物群落結構。未來，結合微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的智能化控制與廢棄物資源化策略，有望推動其在污染治理與生態(tài)修復中的規(guī)模化應用。

3.5 能源開發(fā)

微藻作為第3代生物質能源的重要代表，其在可再生能源領域的應用潛力日益凸顯。與陸地植物相比，微藻具有生長周期短、光合效率高、單位面積產油量大等優(yōu)勢，尤其適用于高密度、低成本的生物柴油生產。多種微藻（如小球藻、裂壺藻、柵藻等）能在特定脅迫條件下積累大量中性脂類（TG），成為理想的生物柴油原料來源。通過優(yōu)化營養(yǎng)限制（如氮、磷匱乏）及光照、CO2供給等培養(yǎng)參數(shù)，可顯著提升油脂積累效率。此外，微藻油脂的脂肪酸組成以C16～C18為主，具有較好的燃燒性能和穩(wěn)定性，能夠與傳統(tǒng)柴油兼容或直接替代。

除了生物柴油，微藻還可用于制備生物氫、生物甲烷和生物乙醇等多種能源形式。部分藍藻和綠藻（如念珠藻、團藻）具備光合產氫能力，能夠在特定條件下通過氫化酶催化釋放氫氣，作為綠色氫能開發(fā)的潛在路徑。微藻生物質在厭氧發(fā)酵條件下可高效轉化為生物甲烷，適用于沼氣工程與分布式能源系統(tǒng)。此外，微藻中富含的多糖和纖維素亦可通過酶解與糖化技術轉化為發(fā)酵底物，用于生產生物乙醇。為提升能源轉化效率，當前研究逐漸向多聯(lián)產系統(tǒng)發(fā)展，如“生物柴油-沼氣-殘渣再利用”一體化流程，可實現(xiàn)能源與資源的最大化利用。隨著微藻遺傳改良和培養(yǎng)系統(tǒng)工程技術的持續(xù)進展，其在綠色能源開發(fā)中的規(guī)模化應用前景廣闊。

4 功能性微藻資源產業(yè)化面臨的關鍵技術挑戰(zhàn)

微藻的規(guī)模化培養(yǎng)仍面臨較高的技術與經濟成本。封閉式光生物反應器雖然具備較強的環(huán)境控制能力，能有效提高產物積累效率，但設備投資大，運行過程中需維持恒溫與光照，需配置冷卻系統(tǒng)與溫控裝置，導致能耗高、維護費用大。而開放式池塘因暴露于自然環(huán)境中，易受微生物污染、溫度波動、光照不足等因素干擾，產量與質量不穩(wěn)定，難以滿足高標準工業(yè)化需求。在收獲與后處理環(huán)節(jié)，由于微藻細胞體積小（直徑通常為2～20 μm）、培養(yǎng)液中質量濃度低（一般不超過0.5 g/L），需采用離心、膜過濾或氣浮等方式進行濃縮，但這些方法普遍存在能耗高、通量低、設備易堵塞等問題。后續(xù)的干燥（如噴霧干燥、冷凍干燥）和細胞破壁（如高壓均質、超聲、珠磨）過程亦能耗高、操作繁瑣，既降低了目標成分的活性，又拉高了整體生產成本。

在活性成分提取方面，微藻中所含的蝦青素、葉綠素、藻藍蛋白、多不飽和脂肪酸等功能性物質極易受光、熱和氧氣降解。傳統(tǒng)有機溶劑提取或高溫處理工藝難以保障其穩(wěn)定性和生物活性，且存在溶劑殘留和環(huán)境負擔問題。目前工業(yè)上缺乏適用于不同微藻種類和目標成分的綠色、高效、低能耗提取技術。近年來，超臨界CO2萃取、亞臨界水提取、酶法提取、脈沖電場輔助提取、超聲波輔助提取等被認為是更具潛力的綠色提取手段，這些方法能夠在較溫和條件下有效提高提取效率，減少營養(yǎng)成分損失。然而，這些先進技術普遍存在設備投資大、運行成本高、技術參數(shù)難以統(tǒng)一的問題，尚難滿足微藻產業(yè)對規(guī)模化、連續(xù)化和成本控制的要求，導致其大多仍停留在中試或實驗室研究階段，難以實現(xiàn)商業(yè)化落地。此外，提取產物的純度、批間一致性和保存穩(wěn)定性仍面臨技術難點，進一步限制了其應用拓展。

在產業(yè)推廣層面，微藻產品面臨安全性數(shù)據(jù)不足與法規(guī)支持缺乏的問題。盡管部分微藻已被列入一般安全名單，但對其功能成分的長期攝入安全性、體內代謝路徑、潛在毒性作用仍研究不足，影響消費者信任和市場認可度。此外，目前缺乏針對微藻功能成分的統(tǒng)一質量標準、檢測方法及行業(yè)規(guī)范，使得產品審批流程緩慢、國際貿易受限。另一方面，公眾對“吃藻”“用藻”仍持保留態(tài)度，消費心理存在偏見，尤其是在功能食品和個護產品中的接受度較低，當前的市場教育和科普宣傳遠遠不能滿足產業(yè)發(fā)展需要。

5 結語

微藻作為一種可持續(xù)的生物資源，因其豐富的功能性成分和多樣化的生物活性，在食品、醫(yī)藥、化妝品、環(huán)保和能源領域等領域展現(xiàn)了廣泛的應用潛力。隨著破壁技術和綠色提取工藝的發(fā)展，微藻功能性成分的提取效率顯著提高，生物活性得以更好地保留。微藻在抗氧化、抗菌、免疫調節(jié)等方面的作用機制研究不斷深入，為其在疾病預防和健康促進中的應用提供了堅實的理論基礎。此外，微藻功能性成分在傳統(tǒng)食品和功能食品中的營養(yǎng)強化價值，以及在保健品和藥物中的應用潛力，逐漸得到認可。然而，目前的研究和應用仍面臨一些關鍵挑戰(zhàn)，如細胞壁結構復雜性對破壁工藝優(yōu)化的影響、功能性成分在提取和加工過程中的活性損失，以及工業(yè)化規(guī)模生產的經濟性和技術可行性問題。

未來研究應進一步聚焦于以下幾個方向：深化微藻細胞壁結構與功能性成分分布的研究，為高效、定向破壁提供基礎數(shù)據(jù)支持；開發(fā)、優(yōu)化更加高效、綠色和經濟可行的提取技術，以最大程度保留微藻功能性成分的活性；加強對微藻生物活性作用機制的系統(tǒng)性研究，特別是其在代謝調控、疾病干預和慢性病防治中的潛在作用，為功能性微藻資源的精準應用提供更多理論依據(jù)。與此同時，推動多領域應用的產業(yè)化進程，通過優(yōu)化生產工藝、降低成本并提升產品質量，實現(xiàn)功能性微藻資源從實驗室研究到實際應用的轉化。

值得注意的是，分子生物學和合成生物學的快速發(fā)展為微藻功能性物質的定向合成提供了新機遇。通過基因編輯、代謝工程和分子改造等手段，可以優(yōu)化微藻代謝通路，實現(xiàn)目標功能性成分（如類胡蘿卜素、不飽和脂肪酸、多糖和多酚等）的高效合成。例如，通過CRISPR/Cas9技術或RNA干擾技術，可增強特定代謝通路的活性，抑制競爭性代謝支路，從而提高目標物質的產量。此外，利用異源表達技術，可將微藻改造成合成其他高附加值功能性物質的平臺，如醫(yī)藥活性分子、天然抗氧化劑或免疫調節(jié)劑。未來，應結合系統(tǒng)生物學和多組學數(shù)據(jù)，通過代謝網(wǎng)絡重構和智能化代謝優(yōu)化，將微藻開發(fā)為高效的功能性物質生物工廠，從而突破傳統(tǒng)培養(yǎng)方法的產量和效率瓶頸。

微藻資源的開發(fā)與應用仍具有巨大的研究空間和發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥恚ㄟ^學術界與產業(yè)界的緊密合作，結合現(xiàn)代生物技術和工程技術，將進一步推動微藻資源在健康、食品、醫(yī)藥、環(huán)保和能源領域的創(chuàng)新發(fā)展，為全球可持續(xù)發(fā)展和人類健康提供重要支持。

通信作者：

楊海麟 教授

楊海麟，男，教授，博士生導師，江南大學生物工程學院，2022年國家重點研發(fā)首席科學家、泰山產業(yè)領軍人才（創(chuàng)新類），長期從事發(fā)酵工程，發(fā)酵過程優(yōu)化與控制的研究，主要針對化學品、能源、海洋、環(huán)境等領域的生物生產數(shù)字化智能化改造。主要承擔《生化工程》、《生物經濟與技術產業(yè)發(fā)展》、《發(fā)酵工程課程設計》課程的講授工作。近年來共發(fā)表高水平研究論文50余篇，累計影響因子達300，出版專著（或教材）3部；申請發(fā)明專利50余項，授權國家發(fā)明專利30余項；主持包括重點研發(fā)專項（首席科學家）、國家自然科學基金面上項目、 “2025中國制造”和“863”計劃等在內的省部級科研項目10余項；2002 年在國內首次提出基于復雜系統(tǒng)的發(fā)酵專家系統(tǒng)概念，編制了“發(fā)酵專家控制與優(yōu)化系統(tǒng)”軟件，《數(shù)字化發(fā)酵技術與控制關鍵技術的研究》獲得中國商業(yè)聯(lián)合會特等獎1 項，中國輕工業(yè)聯(lián)合會科技進步二等獎1 項（2014，1/8），中國石油與化學工業(yè)協(xié)會科技進步二等獎1項（2014，1/8）, 指導學生獲得大學生創(chuàng)業(yè)挑戰(zhàn)杯全國金獎。現(xiàn)為中國生物工程學會會員、中國氨基酸產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟會員單位組織者、中國發(fā)酵工業(yè)協(xié)會會員、中國食品與包裝機械工業(yè)協(xié)會會員

金虎 高級工程師

金虎，男，中國科學院水生生物研究所藻類與生物制造研究中心高級工程師，加拿大曼尼托巴大學高級訪問學者，中國藻業(yè)學會微藻分會會員。從事微藻高密度培養(yǎng)技術開發(fā)和資源化利用研究，研究重點包括：1）微藻發(fā)酵過程優(yōu)化與控制技術；2）微藻異養(yǎng)培養(yǎng)規(guī)模化放大技術；3）微藻蛋白、色素、多不飽和脂肪酸等高附加值產品的高效積累與調控技術。獲湖北省科技進步二等獎一項，以第一或（共同）通信作者在

Biotechnology Bioengineering、Bioresource Technology、Harmful Algae

等國際期刊發(fā)表論文20余篇，撰寫英文專著1 章，以第一完成人申請國家發(fā)明專利9 項（授權5 項），先后主持完成國家重點研發(fā)計劃項目子課題、企業(yè)委托、開放課題等項目。擔任

Aquaculture、Archives of Microbiology、Algal Research、Applied Phycology

等多個期刊審稿人。

第一作者：

龔韌 博士研究生

龔韌，男，博士研究生，發(fā)酵工程專業(yè)，山東天驕生物技術股份有限公司技術總工，長期從事微生物油脂（花生四烯酸ARA、二十二碳六烯酸DHA藻油，二十碳五烯酸EPA藻油）發(fā)酵、提取、精煉、微囊化包埋的研究。主要針對ω-3油脂產業(yè)化生產放大、工廠建設、產品應用等有深入研究。近年來參與制定GB 26400-2011 食品安全國家標準 食品添加劑 二十二碳六烯酸油脂（發(fā)酵法）和GB 26401-2011 食品安全國家標準 食品添加劑 花生四烯酸油脂（ARA-發(fā)酵法）兩項國家標準；參與制定《粉末油脂》《中長鏈甘油三酯食用油》兩項團體標準；申請專利10余項；發(fā)表研究論文5 篇；作為團隊核心成員參與研究國家863項目《多不飽和脂肪酸ARA和DHA高強度發(fā)酵生產技術研究》；作為團隊核心成員參與《山東省泰山產業(yè)領軍人才項目》研發(fā)。

引文格式：

龔韌, 金虎, 李海嶺, 等. 微藻破壁處理技術、生物活性及應用研究進展[J]. 食品科學, 2025, 46(17): 299-313. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250120-148.

GONG Ren, JIN Hu, LI Hailing, et al. Research progress on microalgae: cell disruption technologies, bioactivity and application[J]. Food Science, 2025, 46(17): 299-313. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250120-148.

實習編輯：林安琪；責任編輯：張睿梅。點擊下方 閱讀原文 即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網(wǎng)

為匯聚全球智慧共探產業(yè)變革方向，搭建跨學科、跨國界的協(xié)同創(chuàng)新平臺，由北京食品科學研究院、中國肉類食品綜合研究中心、國家市場監(jiān)督管理總局技術創(chuàng)新中心（動物替代蛋白）、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，西南大學、 重慶市農業(yè)科學院、 重慶市農產品加工業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟、重慶工商大學、重慶三峽學院、西華大學、成都大學、四川旅游學院、北京聯(lián)合大學、 中國-匈牙利食品科學“一帶一路”聯(lián)合實驗室（籌） 共同主辦 的“ 第三屆大食物觀·未來食品科技創(chuàng)新國際研討會 ”， 將于2026年4月25-26日 （4月24日全天報到） 在中國 重慶召開。

長按或微信掃碼進行注冊

為系統(tǒng)提升我國食品營養(yǎng)與安全的科技創(chuàng)新策源能力，加速科技成果向現(xiàn)實生產力轉化，推動食品產業(yè)向綠色化、智能化、高端化轉型升級，由北京食品科學研究院、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，合肥工業(yè)大學、安徽農業(yè)大學、安徽省食品行業(yè)協(xié)會、安徽大學、合肥大學、合肥師范學院、北京工商大學、中國科技大學附屬第一醫(yī)院臨床營養(yǎng)科、安徽糧食工程職業(yè)學院、安徽省農科院農產品加工研究所、安徽科技學院、皖西學院、黃山學院、滁州學院、蚌埠學院共同主辦的“第六屆食品科學與人類健康國際研討會”，將于 2026年8月15-16日（8月14日全天報到）在中國 安徽 合肥召開。

長按或微信掃碼進行注冊

會議招商招展

聯(lián)系人：楊紅；電話：010-83152138；手機：13522179918（微信同號）