Effects of two cultivation models on the growth and quality of Betaphycus gelatinus

实验材料：琼枝购自海南省昌江黎族自治县琼枝养殖场。选择红色、生长旺盛的藻体，去除附着在藻体表面的小贝壳和附生的杂藻，选取大小和质量均一作为试验海藻，自然海水中驯化48 h后开始实验。驯化温度27～29 ℃，光照强度3 000 lx，光周期为12L/12D。

选取大小、质量约99 g的作为试验海藻，随机取9株琼枝用轧带固定在0.6 m×0.6 m双层网片水泥框（均匀分布在网片的平面，上、中、下三层各绑3株），网片由聚乙烯网制成，网孔大小为6 cm。

室内工厂化养殖条件：与海区养殖属于同一片海域，自然海水经砂滤后培养琼枝60 d，水温27～30 ℃，盐度29 ‰，光照强度0～3 000 lx，在培养过程中设定流速0.83 m·s⁻¹自动加水。

海区养殖条件：养殖点中心定位为（19˚18.395' N , 110˚39.018' E），水温23.72～35.48 ℃，盐度29 ‰，光照强度0～85 155 lx，经测定海区流速0.25～34.76 m·s⁻¹。

经过60 d养殖，分别取样后使用游标卡尺对藻体的分枝数、分枝长度和宽度等方面进行比较，测量时两种模式的样品各随机取6份，测量后取平均值。使用相机对两种苗种外观拍照并比较。

60 d后随机取10份测量琼枝的鲜质量，称量前用吸水纸快速吸干体表层水。计算质量增加率（Weight Gain，WG）和相对长速率（Relative Growth Rate，RGR）。

　　WG（%）=[（M_t−M₀）/M₀]×100 ，　　　　RGE（%·d⁻¹）= $\left[{\mathrm{ln}}\left(\dfrac {M_t}{M_0}\right)/t\right] $×100。

式中：t为培养时间，单位d；M₀为初始鲜质量，单位g；M_t为t天后的鲜质量，单位g。

60 d后，测定琼枝鲜藻的色素和藻胆蛋白的含量，其中叶绿素a（Chla.a）和类胡萝卜素（Car）质量分数的测定采用无水甲醇提取法^[5]；藻红蛋白（PE）和藻蓝蛋白（PC）质量分数的测定采用磷酸缓冲液提取法^[6]。

1）称取经过干燥箱50 ℃干燥的5.0 g长心琼枝藻干粉，置于500 mL烧杯中，加100 mL 5%KOH溶液，70 ℃水浴处理1 h，200目筛娟过滤。2）藻体水洗，加0.1 mol·L⁻¹盐酸中和至中性。3）加入1%NaCIO处理30 min后水洗至中性。4）加入300 mL去离子水，85 ℃水浴提取2 h，200目筛娟过滤。5）滤液冷却后−20 ℃冰箱冷冻过夜。6）在液体已经完全冻结后，取出解冻，用200目筛绢过滤。7）用去离子水清洗2～3遍，置于500 mL烧杯中，−20 ℃冰箱冷冻8 h。8）置于真空冷冻干燥机（−80 ℃）中干燥。卡拉胶为白色或浅褐色、无臭或微臭，可溶于约80 ℃水。9）用电子天平对提取的卡拉胶称重（质量）。计算卡拉胶的含量。

1）基础营养成分含量测定。水分含量的测定采用《GB 5009.3—2016》中直接干燥法^[7]；粗脂肪含量的测定采用《GB 5009.5—2016》中索氏抽提法^[7]；粗蛋白含量的测定采用《GB 5009.5—2016》中凯氏定氮法^[7]；总糖含量的测定采用《GB/T 15672—2009》中的硫酸脱水生成糖醛衍生物法^[8]；灰分含量的测定采用《GB 5009.4—2016》中高温灼烧法^[7]。2）氨基酸含量的测定。采用《GB 5009.124—2016》的稀盐酸水解氨基酸法^[9]。3）脂肪酸含量的测定。采用《GB 5009.168—2016》中脂肪皂化和脂肪酸甲酯化法^[9]用Agilent气相色谱仪测定。4）矿物元素含量测定。采用《GB 5009.268—2016》的硝酸消解法^[7]用美国Thermo公司ICP-MS仪器测定。5）蛋白质营养价值评价。氨基酸评分参照孙丽慧等^[10]、杨少玲等^[11]的评定方法。

式中：a为样品中必须氨基酸的含量，单位mg·g⁻¹；A为FAO/WHO标准模式中对应的必需氨基酸含量，单位mg·g⁻¹；S为全鸡蛋蛋白中对应的必需氨基酸含量，单位mg·g⁻¹；n为比较的氨基酸数目。

采用Excel整理实验数据和SPSS18.0统计软件进行数据处理及统计分析。实验结果以（平均值+标准差）表示。用One-wayANOVA（Turkey）和t检验来评估变量之间的差异，P<0.05表示差异性显著。

由图1可见，工厂化养殖的琼枝通常生长分散，背腹面（图a和图b）形态差异不明显，分枝间互生或交叉现象较少，分枝长度较短且舒展，卷曲程度较低。而海区养殖的琼枝藻体体积较大，分枝密集且细长，整体呈团簇状，藻体向内卷曲，背腹面（图d和图e）在颜色和形态上均表现出显著差异，分枝方式多样，包括不规则对生、互生或叉状分枝 。工厂化养殖的琼枝整体呈鲜艳的深红色，且分枝表面无附着物。海区养殖琼枝背面呈黄绿色，腹面为紫红色。如表1所示，工厂化和海区养殖琼枝外观性状测量结果，海区琼枝的分枝数量显著多于工厂化养殖琼枝，分枝长度也明显更长，而在宽度和厚度方面，两种养殖模式下的琼枝无显著差异。

Figure 1.  Morphological comparison of Betaphycus gelatinae between factory and sea area

两种养殖模式下生长情况如表2所示。工厂化养殖琼枝最终质量显著低于海区养殖组（P<0.05），其中工厂化养殖组的最终质量为（217.23±2.08 ）g，而海区养殖组的最终质量为（296.34±4.89） g。工厂化养殖组琼枝的相对生长速率和质量增加率显著低于海区养殖组（P<0.05），其中工厂化养殖组琼枝的相对生长速率为（1.29±0.06） （%·d⁻¹），质量增加率为（117.18±6.02）%；而海区养殖组琼枝的相对生长速率为（1.81±0.04） （%·d⁻¹），质量增加率达为（196.87±5.72）%。

两种养殖模式下色素和藻胆蛋白的含量变化如图2所示。工厂化养殖组琼枝在Chl.a和Car含量显著高于海区养殖组（P<0.05），其中工厂化养殖组琼枝的Chl.a和Car含量分别为（31.56±1.22） μg·g⁻¹和（19.39±3.31） μg·g⁻¹；而海区养殖组琼枝的Chl.a和Car含量分别为（21.03±2.03） μg·g⁻¹和（13.57±0.36） μg·g⁻¹。工厂化养殖组琼枝在PE和PC含量显著高于海区养殖组（P<0.05），其中工厂化养殖组琼枝的PE和PC含量分别为（443.89±4.55） μg·g⁻¹和（48.88±1.22） μg·g⁻¹；而海区养殖组琼枝的PE和PC含量分别为（338.38±37.82） μg·g⁻¹和（32.32±2.33） μg·g⁻¹。

Figure 2.  Pigment and phycobiliprotein content of Betaphycus gelatinae in factory and marine culture

如图3所示，对比分析了工厂化养殖与海区养殖琼枝藻株的卡拉胶含量。结果表明，工厂化养殖琼枝的卡拉胶含量为34.00±0.67 %，海区养殖琼枝的卡拉胶含量为28.67±0.92 %；工厂化养殖与海区养殖琼枝在卡拉胶含量方面无显著差异（P>0.05）。

Figure 3.  Carrageenan content of Betaphycus gelatinae in factory and marine culture

两种养殖模式下基础营养成分含量如表3所示。两种养殖模式下的琼枝的水分含量较高，工厂化和海区养殖组的水分含量分别为（75.06±0.40）%和（70.91±0.45）%。工厂化养殖组琼枝的粗蛋白、粗脂肪含量显著高于海区养殖组（P<0.05），其中工厂化养殖组琼枝的粗脂肪、粗蛋白含量分别为（0.50±0.09）%、（3.25±0.11）%，而海区养殖组琼枝的粗脂肪、粗蛋白含量分别为（0.20±0.01）%、（2.02±0.14）%。工厂化养殖组琼枝的灰分含量显著低于海区养殖组（P<0.05），其中工厂化养殖组的灰分含量为（9.87±0.34）%，而海区养殖组灰分含量为（11.65±0.78）%。

由表4可知，两种养殖模式下琼枝都含有17氨基酸，包括8中必须氨基酸，6种呈味氨基酸（DAA），其中谷氨酸（Glu）含量都是最高，工厂化养殖和海区养殖组养殖琼枝的Glu含量分别达到4.1 mg·g⁻¹、2.2 mg·g⁻¹。工厂化养殖组琼枝DAA含量高于海区养殖组，分别是11.80 mg·g⁻¹和7.84 mg·g⁻¹。工厂化养殖组琼枝氨基酸含量最高为Glu含量为4.1 mg·g⁻¹，氨基酸总量为25.14 mg·g⁻¹，必需氨基酸总量为8.88 mg·g⁻¹，EAA/TAA为35 %，EAA/NEAA为53 %；海区养殖组琼枝氨基酸含量最高的是Glu含量2.2 mg·g⁻¹，氨基酸总量为17.00 mg·g⁻¹，必需氨基酸总量为7.11 mg·g⁻¹，EAA/TAA为41.82 %，EAA/NEAA为71.89 %，符合WHO/FAO推荐的理想蛋白质模式（EAA/TAA在40 %左右，EAA/NEAA在60 %以上）。

根据WHO/FAO理想蛋白质模式谱以及全鸡蛋蛋白质评分标准模式，计算必需氨基酸的氨基酸评分（AAS）、化学评分（CS）和必需氨基酸指数（EAAI）来评价氨基酸营养价值^[12]，结果见表5。AAS结果显示两种实验组第一限制氨基酸都是Lys，第二限制性氨基酸都是IIe。其中海区养殖组的琼枝氨基酸评分有五种氨基酸评分超过100，分别是Thr、Val、IIe、Leu、Tyr+Phe，符合FAO/WHO的推荐标准（评分越接近100，表明该氨基酸越接近WHO/FAO模式，营养价值越高）。而工厂化养殖组的琼枝只有Thr符合FAO/WHO的推荐标准。而根据化学评分（CS）结果表明：海区养殖组琼枝第一限制性氨基酸为IIe，第二限制氨基酸为Tyr+Phe；工厂化养殖组琼枝第一限制性氨基酸为IIe，第二限制氨基酸为Lys。海区养殖组琼枝化学评分总体高于工厂化养殖组的评分，其中，海区养殖组琼枝的必需氨基酸指数（EAAI）为111.65，工厂化养殖组琼枝则为84.05。

由表6检测结果可知，工厂化养殖与海区养殖组的琼枝共检测出5种脂肪酸，其中1种饱和脂肪酸、2种单不饱和脂肪酸和2种多不饱和脂肪酸。饱和脂肪酸是棕榈酸（C_16:0），其含量占工厂化、海区养殖琼枝中脂肪酸含量的比例分别为65.52%、48.84%。单不饱和脂肪酸以油酸（C_18:1）为主，多不饱和脂肪酸富含花生四烯酸（C_20:4）和二十碳五烯酸（C_20:5）。

由表7可知，本实验共检测出18种矿物质元素，包括4种常量元素K、Ca、Na、Mg和14种微量元素Mn、Al、Co、Pb、Zn、Cr、Fe、Ni、Cu、As、Cd、Hg、Ag、Sc。其中常量元素钾元素在工厂化养殖和海区养殖组的含量分别为2 880 mg·kg⁻¹和2 750 mg·kg⁻¹。微量元素中铁元素在工厂化养殖和海区养殖组的含量分别为39.1 mg·kg⁻¹和42.5 mg·kg⁻¹。此外，锰（Mn）、铝（Al）、锌（Zn）工厂化养殖与海区养殖组琼枝的含量差异较大，Mn的含量海区要比工厂化养殖高，达到了9.05 mg·kg⁻¹。锌（Zn）的含量工厂化养殖要比海区高达到了5.44 mg·kg⁻¹，铝（Al）的海区比工厂化养殖高达到了57.1 mg·kg⁻¹。微量元素均未超出国家规定食品安全的标准。

面对野生琼枝藻资源日渐枯竭的严峻挑战，海区水泥框底播养殖模式虽然在一定程度上支撑了规模化生产，但其对环境因素变化的高度敏感性使其发展受到限制。与此同时，室内培养技术也面临着核心瓶颈：传统的高营养盐供给策略与琼枝藻适应低营养盐环境的生理特性相悖，从而导致其光合效率降低。因此，迫切需要构建一套与琼枝藻自身代谢特点相契合的优化养殖体系。本研究结果表明，工厂化养殖与海区传统养殖模式对琼枝的形态特征具有显著影响。工厂化养殖的琼枝藻体呈均一的紫红色，色泽鲜亮且不受季节变化影响。其分枝较为分散，背腹面相对对称，表面洁净无附着物。相比之下，海区养殖的琼枝藻体腹面呈紫红色，背面呈黄绿色，形态呈团块状，分枝不规则且紧密，常伴有附着物，整体不对称性明显。这些形态特征与钱树本^[13]和赵素芬^[14]的报道相符。在分枝数量上，海区养殖的琼枝多于工厂化养殖；在分枝长度上，海区养殖的琼枝也更长。两种养殖模式下琼枝藻体的宽度和厚度差异不显著。海水流速的差异显著影响琼枝海藻生长和形态^[15]。水流通过调节营养物质供应（如减少扩散层限制）、代谢废物移除、气体交换（如CO₂吸收）及光照获取等途径作用于生理过程：适度流速促进营养吸收和光合作用，但过高流速导致养分流失^[16]。形态上，水生植物会适应性演化出更小叶片或流线型结构以降低阻力^[17]。因此，在琼枝养殖和生态修复中，需进一步优化流速以提升产量和质量，避免极端流速的不利影响。

琼枝的质量增加率和相对生长速率是评价其生长发育的关键指标，其生长受多种因素影响，如海水密度和光照强度等。方哲等^[6]研究表明，琼枝在海水相对密度为1 016～1 030范围内可生存，最适生长密度为1.018～1.024，过高或过低均会抑制生长。童立豪等^[5]发现，琼枝的生长速率和质量增长率随着光照强度增加而显著提升，且紫光和蓝光可能更利于其生长。本研究发现，海区养殖琼枝的质量增加率和相对生长速率均显著高于工厂化养殖琼枝。这种差异可能与光照条件有关，海区通常具有更高的光照强度和更长的光照周期，可能促进了光合作用效率，从而提高了生长速率。

红藻门藻类的主要色素包括Chl.a、Car和多种藻胆蛋白（如PE、PC和别藻蓝蛋白）^{[18 − 19]} 。藻胆蛋白不仅具有免疫调节、抗病毒和抗氧化等生物活性，在医药领域具有应用潜力 ^[20]，同时也是一种安全无毒的天然色素，可用于化妆品和食品添加剂^{[21 − 22]}。光照强度是影响红藻色素含量的关键环境因子之一。本研究结果表明，工厂化养殖琼枝的Chl.a、Car及藻胆蛋白含量均显著高于海区养殖琼枝，这与Cao等^[23]和Elsworth等^[24]的结论一致，即Chl.a和藻胆蛋白含量会随光照强度增加而下降。

工厂化养殖模式的优势在于能够精确调控关键环境因子。实验结果与现有文献表明，适宜的光照强度及特定的光质（特别是蓝光和红光）^[25]，结合稳定可控的温度条件^[26]以及充足的氮、磷等必需营养元素^[27]，能有效促进琼枝光合色素（如叶绿素和藻红蛋白）的生物合成。较高水平的光合色素含量不仅直接提升了光合效率、增加了同化力（ATP和NADPH）的供应^[28]，为后续代谢提供充足能量，进而促进氨基酸及蛋白质合成，维持藻体旺盛的生长与生理功能。而海区自然环境存在较大波动性及不确定性。暴露于高强度自然光照下，海区养殖的琼枝表现出相对较低的光合色素含量。这很可能是一种避免光损害的适应性生理策略^[29]。强光照极易引发光合作用系统的过度激发，诱导活性氧（ROS）爆发性积累^[30]，对细胞器（特别是光合器官）造成损伤。因此，海区琼枝色素含量较低的现象，可视为其在该特定环境限制下（强光胁迫）维持生存与基本生理稳态的一种自我调控机制^[31]。

琼枝的主要经济价值源于其富含的卡拉胶，为一种硫酸酯化半乳聚糖，凭借其优良的凝胶性、增稠性、稳定性等理化特性，在工业生产中被广泛用作高品质的增稠剂、湿润剂、胶凝剂和上光剂，并在食品工业、废水处理及医药领域具有重要应用前景^[32]。本研究核心发现之一是：陆基工厂化养殖与传统海区底播养殖两种模式生产的琼枝在卡拉胶含量方面无显著差异（P>0.05）。该结果表明，在本研究条件下，工厂化模式能够产出与海区模式卡拉胶含量相当的琼枝原料藻。这为利用陆基工厂化模式稳定供给琼枝原料、支撑相关产业可持续发展提供了重要的实验依据。

本研究对两种养殖模式下的琼枝基础营养成分进行了分析。结果显示，虽然总糖含量相近，但蛋白质、脂肪及灰分含量存在显著差异。工厂化养殖琼枝的粗脂肪（0.50 %）和粗蛋白（3.25 %）含量显著高于海区养殖琼枝。而海区养殖琼枝的灰分含量（11.65 %）显著高于工厂化养殖琼枝。这种差异可能源于营养盐供给模式的不同：工厂化养殖可精准调控营养盐浓度与配比，提供稳定充足的氮、碳源，促进蛋白质和脂肪合成；研究表明，不同营养条件下，海藻的生长、营养吸收、藻类有机质以及能量储存产物存在差异^[33]。而海区养殖受自然环境中营养盐浓度波动及复杂微生物群落的影响，可能更倾向于积累矿物质元素，导致灰分含量升高；对龙须菜完整养殖周期的研究表明，发现细菌群落对养殖周期有响应，且细菌群落的结构和功能与沿海养殖区营养物和重金属相关^[34]。

在氨基酸组成方面，两种养殖模式下琼枝呈现不同特点。工厂化养殖琼枝的呈味氨基酸总量（11.8 mg·g⁻¹）显著较高，特别是Glu含量差异显著。Glu作为重要的风味增强剂，表明工厂化养殖琼枝在食品风味改良方面具有优势。定向光照可能促进了呈味氨基酸的合成^[35]。然而，海区养殖琼枝的氨基酸组成均衡性更佳，其必需氨基酸与总氨基酸比值（EAA/TAA，41.82%）、必需氨基酸与非必需氨基酸比值（EAA/NEAA，71.89%）更接近 WHO/FAO推荐的理想蛋白质模式。氨基酸评分（AAS）和化学评分（CS）分析显示，海区养殖琼枝在Thr、Val、Leu等五种氨基酸的评分超过 100，显著优于工厂化养殖琼枝（仅Thr达标）。海区养殖琼枝的必需氨基酸指数（EAAI，111.65）也显著高于工厂化养殖琼枝（84.05），表明其蛋白质营养价值更高，更符合人体对优质蛋白的需求。海区养殖的自然光照周期和微量元素供给可能更有利于琼枝氨基酸代谢的均衡调控^[36]。

在脂肪酸组成上，两种模式也存在显著差异。工厂化养殖琼枝的棕榈酸（C16：0）含量（5.7 mg·g⁻¹）显著高于海区养殖琼枝。棕榈酸作为人体必需饱和脂肪酸，有益于肠道健康^[37]。此外，工厂化养殖琼枝的单不饱和脂肪酸油酸（C18：1）含量（0.7 mg·g⁻¹）高于海区养殖琼枝。油酸具有降血糖、调节血脂和胆固醇等功效^[38]。在多不饱和脂肪酸方面，两种养殖模式琼枝均含有花生四烯酸（C20：4）、二十碳五烯酸（C20：5）和芥酸（C22：1），且工厂化养殖琼枝的含量普遍更高。花生四烯酸对神经系统和视网膜发育至关重要^[39]，二十碳五烯酸则具有抑制肿瘤扩散、调节脂质和糖类代谢等作用^[40]。

本研究共检测出18种矿物质元素（4种常量元素、14种微量元素），表明两种养殖模式下的琼枝均富含无机元素。这与Thodhal等^[41]在其他海藻中的研究结论一致，印证了海藻作为天然矿物质来源的属性。不同养殖模式下琼枝的元素积累差异显著：工厂化养殖琼枝的钾含量（2.88×10³ mg·kg⁻¹）更高；而海区养殖琼枝的钙、钠、镁含量占优，其中钠含量高达4.75×10³ mg·kg⁻¹。钠、钾元素有助于维持人体渗透压平衡，预防高血压和心血管疾病^[42]。在微量元素方面，海区养殖琼枝的锰含量（9.05 mg·kg⁻¹）显著更高，可能源于沉积物的自然释放；工厂化养殖琼枝的锌含量（5.44 mg·kg⁻¹）则通过外源添加得以提升。这种差异符合Bonanno等^[43]提出的理论，即海藻矿物质积累受种类、生长环境及地理位置共同影响。值得注意的是，海藻中无机元素的生物效应具有双重性。部分元素（如碘）具有生物可利用性，但需科学控制膳食摄入量以规避风险^[44]。同时，海藻对有毒金属（如镉、铅）的富集能力不容忽视^[45]。本研究中，两种养殖模式下的琼枝重金属含量均符合《食品安全国家标准 藻类及其制品》（GB 19643-2016）的限量要求，证实了其食用安全性；然而，鉴于海洋环境的动态变化，仍需持续监测潜在的污染风险。

通过对比分析两养殖模式琼枝的各项指标发现，海区琼枝的质量增加率和相对生长速率比工厂化养殖琼枝高，且在分枝数和分枝长度方面，海区琼枝高于工厂化养殖琼枝。工厂化养殖琼枝的色素含量（包括Chl.a、Car、PE和PC）均高于海区琼枝。工厂化养殖琼枝呈味氨基酸含量高于海区琼枝，而海区琼枝化学评分总体高于工厂化的。此外，在矿物质元素方面，工厂化养殖的琼枝钾含量高，但钙、钠、镁含量低。在微量元素方面，工厂化养殖的琼枝锌含量高，但锰和铝的含量低于海区。工厂化养殖在色素积累、呈味氨基酸合成及锌富集方面具优势，而海区养殖更利于形态发育与生长速率提升。因此，建议采用“工厂化育苗+海区增殖”的联合接力养殖模式，以兼顾生长效率与营养品质。