在綜合多營養(yǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中種植人類食用的紅海藻

緣木魚

　　Tyler C. Bianchine, Megan Davis, Paul S. Wills and M. Dennis Hanisak


　　概述


　　絕大部分由海藻組成的水生植物的種植在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，目前已在50個國家形成規(guī)模（FAO  2018年）。 在過去十年中，栽培海藻產(chǎn)量增加了近50％，全球?qū)�海藻的需求超過了目前的供應(yīng)量。 2016年，全球海藻市場的價值為117億美元，相當(dāng)于3000萬噸活畜重量。 在此產(chǎn)量中，養(yǎng)殖了97％的海藻。 海藻是食品工業(yè)中廣泛使用的商品，用于動物飼料、肥料、藥品和化妝品。


　　紅海藻Gracilaria spp. 占全球海藻總產(chǎn)量的14％（420萬噸活畜重量）（FAO 2018）。 Gracilaria的普及是由于它對全球瓊脂市場的貢獻(xiàn)，尤其是來自印度尼西亞和中國，這兩個國家是最大的生產(chǎn)國（Porse和Rudolph 2017）。 2015年，全球瓊脂市場價值為2.46億美元（17美元/公斤），產(chǎn)量為14,500噸，估計(jì)繼續(xù)以每年2％增長（Porse和Rudolph 2017）。瓊脂在食品工業(yè)中廣泛使用，用于藥品和化妝品以及化學(xué)和科學(xué)研究。Gracilaria，也被稱為Ogo、Ogonori和海苔，在美國作為食材越來越受歡迎。它被用作沙拉蔬菜，在夏威夷和亞洲國家被作為腌生魚料理的補(bǔ)充菜，在加勒比地區(qū)用于制作一種稱為海苔或愛爾蘭苔蘚的飲料（Smith等人1984），在加州用作海鮮、其它烹飪菜肴、雞尾酒飲料的調(diào)味品，還可以煮熟并作為增稠劑加入Kanten甜點(diǎn)和果凍。


　　Gracilaria tikvahiae，發(fā)現(xiàn)于亞熱帶地區(qū)到熱帶地區(qū)（Littler等人，2008年），自20世紀(jì)70年代以來一直在佛羅里達(dá)州皮爾斯堡的佛羅里達(dá)大西洋大學(xué) - 海港分校海洋學(xué)研究所（HBOI）種植（Hanisak 和 Ryther 1984，Hanisak 1987）。 在過去的六年中，G. tikvahiae和綠藻類Ulva lactuca（海白菜）已被納入HBOI陸基綜合多營養(yǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖（IMTA）系統(tǒng)。 在HBOI IMTA系統(tǒng)中，食用生物（有鰭魚和蝦）的水產(chǎn)養(yǎng)殖與攝取溶解的無機(jī)營養(yǎng)物（海藻）或顆粒有機(jī)物（海膽，貝類）的生物養(yǎng)殖結(jié)合，因此系統(tǒng)中的生物和化學(xué)過程是互補(bǔ)（Wills等人，2012，Laramore等人，2018）（圖1）。 這些類型的IMTA系統(tǒng)非常靈活（Chopin 2006，Wills等人，2012），并且因?yàn)闋I養(yǎng)物質(zhì)被回收用于培養(yǎng)多個物種而受到更多關(guān)注（Lockwood 2018）。

圖 1.  HBOI中的IMTA系統(tǒng)組成圖（圖：Paul Wills，F(xiàn)AU HBOI）。

　　此項(xiàng)研究的目的是探討在HBOI IMTA室外水箱系統(tǒng)中生長的Gracilaria tikvahiae如何生產(chǎn)供人食用的海藻。 將海藻在三個陽光水平下培養(yǎng)以確定產(chǎn)生具有所需形態(tài)、生長速率和營養(yǎng)特征的海藻的光強(qiáng)度。


　　研究設(shè)計(jì)


　　在HBOI IMTA系統(tǒng)的室外部分中進(jìn)行為期6周的研究（2018年6月14日至7月26日）（圖2）。 有三種自然陽光強(qiáng)度處理（100％，50％和25％），每次處理重復(fù)兩次。 100％處理的水箱暴露在充足的陽光下，50％處理的水箱用50％的遮陽布覆蓋，25％的陽光下的水箱用75％的遮陽布覆蓋。 用拉鏈將遮陽布連接到¾” PVC管道框架上（圖3）。

圖2. IMTA室外部分的海藻水箱（照片：Brian Cousin，F(xiàn)AU HBOI）。

圖3. Typer Bianchine，HBOI夏季實(shí)習(xí)生，將遮陽布放在海藻水箱上（照片：Brian Cousin，F(xiàn)AU HBOI）。

　　海藻水箱為矩形玻璃纖維水槽（3.1 m × 0.66 m × 0.33 m; L × W × H）（圖4）。 水通過1” PVC管道從一端進(jìn)入水箱，流速為2.5-2.7L / min。 水通過2”  PVC立管返回IMTA系統(tǒng)，立管在水箱的另一端具有網(wǎng)罩。水箱裝有573升水，留出5厘米干舷。 每個水箱的周轉(zhuǎn)率為每天6-7次。 鼓風(fēng)機(jī)通過四個¾” PVC管道輸氣線路為海藻養(yǎng)殖提供了通風(fēng)和湍流，這些輸氣線路貫穿水箱底部的整個長度，并鉆有小孔。

圖 4. 用于研究的六個IMTA海藻水箱（照片：Brian Cousin，F(xiàn)AU HBOI）。

　　研究中使用的Gracilaria tikvahiae來自HBOI的海洋植物學(xué)培養(yǎng)設(shè)施，這是一個使用附近印地河瀉湖海水的流通水池系統(tǒng)。 將海藻放入IMTA室外水箱系統(tǒng)中，并在研究開始前培養(yǎng)兩周以適應(yīng)高營養(yǎng)IMTA系統(tǒng)水，并在其中穩(wěn)定化。基于2 kg WW/m2 的培養(yǎng)密度（Hanisak，1987），六個水池（表面積為2.05 m2）的每一個培養(yǎng)4.1kg濕重（WW）的Gracilaria。


　　定期測試水質(zhì)。 每天早上和下午測量鹽度、pH、溶解氧濃度和溫度。早晨測量總氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度，下午測量堿度，每周三次。水質(zhì)參數(shù)在Gracilaria tikvahiae生產(chǎn)可接受的范圍內(nèi)（表1）。 來自印地河瀉湖環(huán)境傳感器觀測站（fau.loboviz.com）的附近IRL-LP站的光合作用有效輻射（PAR;μmol/ m2 sec）數(shù)據(jù)被用作環(huán)境光的量度。 在研究期間，全日照PAR范圍為608至792 μmol/m2 sec。


　　表1.研究期間在六個海藻水箱中測量的水質(zhì)參數(shù)。 所有參數(shù)均在海藻培養(yǎng)的可接受范圍內(nèi)。

　　海藻生長


　　每周從每個水箱中收獲Gracilaria并放入單獨(dú)的塑料筐中。 將每一筐海藻放在懸垂天平上，大約10-15分鐘后記錄濕重WW，此時從海藻中滴下的水很少（圖5）。 當(dāng)稱重海藻時，在重新裝入4.1kg相同海藻處理和重復(fù)之前，擦洗每個水箱以除去盡可能多的污垢（例如附生的綠色海藻和硅藻）并重復(fù)。

圖 5.  稱重從其中一個處理水箱收獲的海藻（照片：Brian Cousin，F(xiàn)AU HBOI）。

　　每周從每個水箱中收獲的海藻中收集250-300g WW的Gracilaria樣品。 將每個樣品置于小塑料筐中，并用可飲用的淡水快速沖洗30秒以除去過量的鹽。 用手清潔海藻樣品以除去任何污垢（Ulva spp., Chaetomorpha spp.和片腳類動物）。 將Gracilaria的每個樣品置于鋁箔托盤中，稱重并在50-65℃下置于干燥箱中72小時。每天稱量樣品以確保實(shí)現(xiàn)恒定干重（DW）。為了確定海藻生長，將來自每個水箱的每周收獲產(chǎn)品（g WW）轉(zhuǎn)換為DW以計(jì)算生產(chǎn)率（g DW/m2 d）。


　　單因素方差分析表明存在顯著（p <0.05）的生長差異。事后Tukey HSD測試表明，100％陽光下的生長速率（11 g DW/m2 d）顯著高于25％陽光下的生長速率（4 g DW/m2 d），但50％陽光下的生長速率（7 g DW/m2 d）與100％或25％陽光下的生長速率沒有顯著差異（圖6）。在此項(xiàng)研究中， 100％陽光下的Gracilaria生長是預(yù)期值22-25 g DW/m2 d的一半（Hanisak和Ryther 1984，Hanisak 1987）。海藻和箱壁的大量夏季污染可能會阻礙生長。此外，矩形水箱的通風(fēng)并不總是保持海藻的均勻分布。良好的通風(fēng)有利于魚缸養(yǎng)殖中的海藻生長，原因有很多：光合效率提高，養(yǎng)分吸收率增加，二氧化碳和氧氣更多，以及附生植物減少（Hanisak 1987）。

處理

　　圖6. Gracilaria tikvahiae在三種日照強(qiáng)度下的平均生長。 標(biāo)準(zhǔn)偏差由誤差條表示（n = 7個樣本；起始值和六個每周值）。處理之間的統(tǒng)計(jì)差異用字母表示。


　　海藻的營養(yǎng)概況


　　在第0周、第2周、第4周、第5周和第6周，將干燥的海藻樣品用研缽和研杵研磨成細(xì)粉。 將樣品（每種10-25g DW）運(yùn)送到新澤西飼料實(shí)驗(yàn)室以分析水分、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和碳水化合物。 重新計(jì)算每種成分百分比的干重結(jié)果以獲得無水分值，以幫助進(jìn)行比較。 使用具有事后Tukey HSD測試的單因素方差分析確定在周和處理之間是否存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（p <0.05）。 每個處理周之間沒有差異，但是處理之間存在差異（圖7）。

圖7. 在三種陽光處理中培養(yǎng)的Gracilaria tikvahiae的營養(yǎng)概況。 標(biāo)準(zhǔn)偏差由誤差條表示（n = 7個樣本；起始值和六個每周值）。 每種營養(yǎng)成分的處理之間的統(tǒng)計(jì)差異由字母a，b，c表示。

　　與蛋白質(zhì)、灰分和脂肪相比，海藻的碳水化合物含量最高（41-43％）。 海藻在50％陽光下的碳水化合物含量顯著低于25％陽光下的碳水化合物含量。 海藻在100％陽光下的碳水化合物含量與25％或50％陽光下的碳水化合物含量沒有顯著差異。 海藻的灰分也很高（29-33％），100％和50％陽光下的灰分含量沒有顯著差異，盡管兩者都高于25％陽光下的灰分含量。 海藻含有高蛋白質(zhì)（25-28％）。 海藻在100％陽光下的蛋白質(zhì)含量顯著低于25％和50％陽光下的蛋白質(zhì)含量，25％和50％陽光下的蛋白質(zhì)含量沒有顯著差異。 海藻的脂肪含量是名義上的（0.11-0.17％），陽光強(qiáng)度處理之間沒有顯著差異。


　　總體而言，海藻的營養(yǎng)概況在陽光強(qiáng)度處理之間相似。 海藻脂肪含量低，碳水化合物含量高（包括瓊脂和纖維），灰分高，代表礦物質(zhì)，蛋白質(zhì)含量高。


　　海藻的描述


　　根據(jù)目測觀察，Gracilaria的顏色、形態(tài)和污垢在處理之間不同。 在100％陽光下生長的海藻為橙色到紅色，而在50％陽光下生長的海藻為深紅棕色，在最低光照強(qiáng)度下，海藻是更深的紅棕色。 兩種較低光照處理的海藻具有最吸引人的外觀，是針對人類消費(fèi)營銷目的的理想產(chǎn)品。


　　使用解剖顯微鏡，100％陽光處理海藻的形態(tài)在菌體上顯示出塊狀尖端，并且與較低光強(qiáng)度的海藻相比在尖端上具有更多的分枝，較低光強(qiáng)度的海藻具有伸長的分枝（圖8a，b）。 通常在生長較快的海藻培養(yǎng)物中觀察到尖端上更多的分枝。

圖8a和b. 在三種日照強(qiáng)度下生長的Gracilaria tikvahiae的形態(tài)差異：a）100％和b）50％和25％（照片：Megan Davis，F(xiàn)AU HBOI）。

　　到第5周，所有處理中均出現(xiàn)污垢（圖9）。為了獲得污垢的近似百分比，每次處理從海藻樣品中除去污垢并重復(fù)（n = 2）和稱重。在陽光強(qiáng)度為100％時污垢最嚴(yán)重，污垢為培養(yǎng)物的47%。在較低陽光強(qiáng)度處理中，污垢明顯減少：陽光強(qiáng)度為50％時為18％，陽光強(qiáng)度為25％時為9％。 100％陽光強(qiáng)度的污垢藻類是綠色海藻Ulva lactuca、U. intestinalis和兩種Chaetomorpha spp。在兩個較低的陽光強(qiáng)度中只發(fā)現(xiàn)了兩種污染物種：Chaetomorpha sp.和少量U. lactuca。在研究開始時污垢很少。 U. lactuca也在IMTA系統(tǒng)中生長，并且可能很容易污染Gracilaria培養(yǎng)物，因?yàn)樗�是同一水系的一部分。由于百分之百的陽光處理海藻污垢更多，很難保持海藻隨通風(fēng)而翻轉(zhuǎn)，一些地方的海藻會變得非常厚，幾乎像繩子一樣有污垢。

圖9.研究五周后Gracilaria tikvahiae培養(yǎng)物中綠色海藻污垢的實(shí)例（照片：Megan Davis，F(xiàn)AU HBOI）。

　　為了幫助減少培養(yǎng)物中的污垢，最好在每周收獲之間使用額外的水箱進(jìn)行干燥和清潔。增加一定程度的遮光也有助于減少污垢并產(chǎn)生受到市場歡迎的深紅色海藻。


　　粗瓊脂提取物


　　進(jìn)行粗瓊脂提取的目的是了解可以從食用海藻中獲得多少瓊脂。例如，用肉桂和肉豆蔻在淡水中將干燥的Gracilaria 煮沸10分鐘是制作加勒比地區(qū)流行的濃稠海苔飲料的開始。 煮沸后，從液體中過濾海藻，加入糖和牛奶。 海苔飲料可以熱飲或冷飲。


　　用于確定在三種陽光強(qiáng)度處理中生長的Gracilaria的天然非轉(zhuǎn)基因瓊脂含量的技術(shù)是Gunasekera（1963）描述的簡化粗瓊脂提取流程。用手將烤箱干燥的海藻粉碎成小顆粒，并以2％的混合物（19g海藻比800mL淡水）加入淡水中，并加熱至95-100℃，保持4小時。將裝有該混合物的2L燒杯放置在具有攪拌器的電爐上，并將鋁箔蓋松散地放置在頂部以減少蒸發(fā)。在提取過程中定期加入少量（50-200mL）淡水，使水蒸發(fā)后的體積回到800mL。將熱溶液倒入漏斗中，漏斗放置在位于冰上的1.2L塑料容器上（圖10）。將250-μm  Nitex篩網(wǎng)置于漏斗內(nèi)以收集固體并使液體瓊脂通過。使用刮刀幫助引導(dǎo)液體通過篩網(wǎng)和漏斗。每個冰凍容器中的液體將在20-30分鐘內(nèi)形成果凍狀瓊脂。

圖 10. 加工粗制瓊脂提取物（照片: Megan Davis, FAU HBOI）.

　　將裝有瓊脂溶液的每個容器置于冰箱中12小時。容器中形成較大的冰晶，當(dāng)解凍時，大部分水被排出，留下濃縮的瓊脂凝膠。將含有水分的瓊脂置于干燥烘箱中并在50-65℃下干燥72小時。通過將瓊脂DW除以提取中使用的海藻的初始DW（19g）計(jì)算瓊脂產(chǎn)量。 對于每次處理和重復(fù)（n = 2），在第5周進(jìn)行瓊脂提取。


　　一般來說，隨著陽光強(qiáng)度的降低，瓊脂產(chǎn)量增加。 在100％陽光強(qiáng)度下瓊脂產(chǎn)率為33％，在50％陽光強(qiáng)度下為40％，在25％陽光強(qiáng)度下為42％。 這些結(jié)果與Gunasekera（1963）獲得的粗瓊脂產(chǎn)量相似。 基于這些初步結(jié)果， HBOI IMTA系統(tǒng)中生長的Gracilaria似乎產(chǎn)生了可用于制作海苔飲料的足夠瓊脂。


　　總結(jié)


　　HBOI IMTA系統(tǒng)適合種植Gracilaria以生產(chǎn)供人類食用的產(chǎn)品。 海藻是該系統(tǒng)的重要產(chǎn)品，因?yàn)樗�使用系統(tǒng)中生長的魚和其他物種產(chǎn)生的廢物和營養(yǎng)物，并向魚類返回營養(yǎng)較低的水。


　　減少對Gracilaria夏季作物培養(yǎng)物的光照產(chǎn)生了具有令人滿意的深紅棕色和結(jié)實(shí)葉狀體的產(chǎn)品。 較低的光照也減少了污垢，盡管生長速度沒有完全光照培養(yǎng)的那么高。


　　海藻的營養(yǎng)成分表明高水平的碳水化合物、蛋白質(zhì)和灰分以及非常低水平的脂肪。 因此， IMTA系統(tǒng)中生長的Gracilaria營養(yǎng)豐富，可用于沙拉和添加到其他烹飪菜肴中。 基于IMTA系統(tǒng)中生長的海藻能生產(chǎn)粗瓊脂的凝膠，它將是制作海苔飲料的理想選擇。


　　總之，我們建議在IMTA系統(tǒng)中種植海藻，因?yàn)樗�可以捕獲系統(tǒng)中飼喂物種的營養(yǎng)成分，并產(chǎn)生供人類消耗的高質(zhì)量可持續(xù)產(chǎn)品。更充分地開發(fā)海藻市場可以顯著提高IMTA系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性和商業(yè)成功。


　　注釋


　　Tyler C. Bianchine， 紐黑文大學(xué)的本科生，是佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)海港分校海洋學(xué)研究所的2018年聯(lián)系基金暑期實(shí)習(xí)生。

圖片. Tyler Bianchine, HBOI 夏季實(shí)習(xí)生，和Zach Nilles，HBOI 生物學(xué)家，從研究水箱中收獲 Gracilaria (照片： Brian Cousin, FAU HBOI).

　　Megan Davis，Paul S. Wills和M. Dennis Hanisak是佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)海港分校海洋學(xué)研究所（地址：佛羅里達(dá)州，皮爾斯堡，5600 US 1 North，34946）的研究教授

圖片。 HBOI研究教授Megan Davis將Gracilaria放入其中一個海藻研究水箱（照片：Brian Cousin，F(xiàn)AU HBOI）。

圖片。Megan Davis和Tyler Bianchine正在討論海藻研究（照片：Brian Cousin，F(xiàn)AU HBOI）。

　　通信作者: Megan Davis (Mdavi105@fau.edu)


　　鳴謝


　　此項(xiàng)研究得到了Link Foundation和水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)計(jì)劃（通過海港分校海洋學(xué)研究所基金會授予）的支持。作者感謝以下人士對本研究做出的貢獻(xiàn)：Rich Mulroy，Richard Baptiste，Ryan Winant，Zack Nilles，Patrick Monaghan，Liberta Scotto，Brian Cousin，Casey Den Ouden，Ethan Weber，Patrick Keller，Pete Stock和Jack Lee。


　　參考文獻(xiàn)


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　　Gunasekera, C. 1963. Small scale manufacture of crude agar from Gracilaria seaweeds. Bulletin of Fisheries Research Station, Ceylon 16:49-52.


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