全 文 ：中国农业科学 2012,45(22):4738-4748
Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2012.22.021

收稿日期：2012-08-24；接受日期：2012-09-11
基金项目：国家“十二五”科技支撑项目（2012BAD29B03; 2012BAK17B00）、农业部公益行业科研专项（201103007）、国家“863”计划项目
（2011AA100804）
联系方式：刘海静，Tel：15010807736；E-mail：liuhaijing09@163.com。通信作者哈益明，Tel：010-62815972；E-mail：hayiming@sina.com


基于红外光谱三级鉴别技术的螺旋藻产品品质分析
刘海静 1，孙素琴 2，李 安 1，哈益明 1
（1 中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工与质量控制重点实验室，北京 100193；2 清华大学化学系生命有机磷化学及化学生物学
教育部重点实验室，北京 100084）

摘要：【目的】利用红外光谱技术分析天然螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片的主要成分，为螺旋藻相关产品品
质检测和真伪鉴别提供一种快速、准确和有效的方法。【方法】采集 2 种天然螺旋藻、4种螺旋藻粉和 4种螺旋藻
片的红外光谱（FTIR），解析样品的红外光谱、二阶导数光谱和二维相关光谱确定出主要吸收官能团，主体成分以
及不同样品之间的差异。通过扫描电镜图像（SEM）、样品蛋白质含量和氨基酸组成的测定结果对红外光谱中的差
异进行说明。【结果】天然螺旋藻的红外光谱在 1 154/1 156 cm-1、1 079 cm-1和 1 039/1 035 cm-1出现 3 个糖类
特征吸收峰；二维相关红外光谱在 1 161、1 138、1 083、1 054 和 1 026 cm-1出现 5个强自动峰。螺旋藻粉和螺
旋藻片的糖类特征吸收峰形状和位置与天然螺旋藻不同，并且二维相关红外光谱中自动峰减少。天然螺旋藻蛋白
质的α-螺旋含量为 24.6%，螺旋藻粉和螺旋藻片中α-螺旋含量在 15.0%左右。在二维相关红外光谱中天然螺旋藻
的酰胺带吸收峰光滑、少分叉，可完全分离的两个尖峰，而螺旋藻粉和螺旋藻片的酰胺带吸收峰宽，分离度不好，
并且出现多个分叉峰。蛋白质含量和氨基酸组成测定结果表明螺旋藻产品中蛋白质含量过高，且氨基酸组成与纯
螺旋藻的氨基酸组成存在很大差异。【结论】红外光谱技术可以对天然螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片的糖类和蛋白
成分的差异进行鉴别，并为螺旋藻产品的品质评价和真伪鉴别提供一种有效方法。
关键词：螺旋藻；FTIR；糖；蛋白质

Quality Analysis of Spirulina Products Using Three-Step
Infrared Spectroscopy
LIU Hai-jing1, SUN Su-qin2, LI An1, HA Yi-ming1
(1Institute of Agro-food Science & Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-product
Processing, Ministry of Agriculture, Beijing 100193; 2Key Laboratory of Bioorganic Phosphorous Chemistry and Chemistry
Biology (Ministry of Education), Department of Chemistry, Analysis Center, Tsinghua University, Beijing 100084)

Abstract: 【Objective】 Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to analyze the principle components in
natural Spirulina, Spirulina powder and Spirulina tablet. This could provide a fast, accurate and effective method for quality detection
and authenticity test. 【Method】FTIR spectra of two natural Spirulina, four Spirulina powder and four Spirulina tablets were
collected. Original IR spectra, second derivate and two-dimensional correlation IR spectra were analyzed to determine the major
absorption functional group, main component and differences between samples. Scanning electron microscope images, protein
contents and amino acid composition were used to explain the differences in FTIR spectra. 【Result】 Natual Spirulina had three
saccharides characteristic peaks in original IR spectra at 1 154/1 156 cm-1, 1 079 cm-1 and 1 039/1 035 cm-1. In the range of 1 000-
1 230 cm-1, natural Spirulina had five auto-peaks at 1 161, 1 138, 1 083, 1 054 and 1 026 cm-1 in 2D-IR correlation spectra.
Saccharides characteristic peaks in Spirulina powder and Spirulina tablets were different from natural Spirulina in shape and position
22 期 刘海静等：基于红外光谱三级鉴别技术的螺旋藻产品品质分析 4739
and they had fewer atuopeaks in 2D-IR spectroscopy. The content of α-helix in natural Spirulina protein was 24.6 % while the
content decreased to 15.0% in Spirulina powder and Spirulina tablets. The amide band in 2D-IR spectroscopy of natural Spirulina
was smooth and separate absolutely while amide band of Spirulina powder and Spirulina tablets was broad, bifurcate and hardly
separate. Protein contents and amino acid composition also showed that Spirulina products had higher protein content and different
amino acid compositions compared with natural Spirulina.【Conclusion】FTIR spectra can distinguish the defferences in saccharides
and protein of natural Spirulina, Spirulina powder and Spirulina tablet, thus providing an effective way for quality detection and
authenticity test of Spirulina products.
Key words: Spirulina; FTIR; saccharides; protein

0 引言
【研究意义】目前国内螺旋藻年产量已超过 1 000
t，在食品和饲料行业产生巨大的经济效益。由于缺少
对螺旋藻产品品质评价的全面认识，消费者倾向于把
蛋白质含量作为评价螺旋藻品质的指标，事实上总蛋
白含量并不能充分体现螺旋藻品质的优劣。以单一指
标成分评价产品品质已经引发多种问题，如在奶粉、
燕窝、红酒、蜂蜜等食品中掺假事件多次发生[1-4]。螺
旋藻产品的市场价格波动大，同样存在掺假和品质鉴
别的问题。监控食品品质，保证食品质量安全已经成
为消费者和卫生监管部门关注的重点。因此，开展对
螺旋藻相关产品品质检测方法的研究，提供一种快
速、有效的品质评价和真伪鉴别方法具有重要意义。
【前人研究进展】螺旋藻（Spirulina）在生物学分类
上系蓝藻门（Cyanophyta）颤藻目（Osciuatorialse）
颤藻科（Oscillatoriaceae）的螺旋藻属（Spirulina）。
目前作为功能性食品和营养补充剂被广泛养殖的螺旋
藻藻种为顿顶螺旋藻。由于螺旋藻营养成分丰富，自
20 世纪以来就深受医药和食品研究领域的关注。螺旋
藻蛋白含量在 60%—70%，且含有 8 种人体必需氨基
酸。此外，螺旋藻含有丰富的微量营养成分，包括β-
胡萝卜素，维生素 B12，维生素 E，铁和钙等[5-6]。因
此，螺旋藻被联合国粮农组织称为人类 21 世纪最理想
的食品[7]。螺旋藻蛋白水解产物可以缓解高血压，增
强抗肿瘤活性[8-9]。螺旋藻多糖具有促进细胞增长，提
高免疫力的功效[10-12]。有研究表明作为营养补充剂，
螺旋藻在缓解儿童营养不良方面发挥重要的作用[13]。
19 世纪 70 年代，墨西哥城出现了市场上最早的螺旋
藻产品，自此，美国、印度和中国等也出现了种类繁
多的螺旋藻产品。傅里叶变换红外光谱（FTIR）法具
有宏观整体鉴定复杂体系的功能，以及无损、便捷等
特点，是鉴定未知混合物化学组成和化学结构的有效
方法之一[14-15]。红外指纹图谱已经广泛应用到各种动
植物产品的真伪和品质鉴别[1-4, 14-17]。经典红外光谱、
二阶导数光谱和二维相关光谱结合形成的“三级鉴
别”，借助光谱分辨率增强技术逐级放大相似光谱间
的差异，从而实现混合物样品的鉴别区分[15]。【本研
究切入点】前人的研究已经证实红外光谱技术在食品
品质评价领域发挥重要作用，但是目前对螺旋藻相关
产品成分的系统分析仍然相当缺乏，因此，准确地检
测相关产品的主体成分有利于产品品质评价和市场监
督。【拟解决的关键问题】本研究通过 FTIR 光谱的
峰位、峰形和相对峰强度为鉴别指标，对市售螺旋藻
产品与天然螺旋藻进行分析比较，确认市售螺旋藻产
品的主体成分；同时对螺旋藻产品与天然螺旋藻的蛋
白质含量和氨基酸组成进行比较分析，以实现对螺旋
藻产品品质评价和真伪鉴别。
1 材料与方法
本试验于2012年4月在中国农业科学院农产品加
工研究所进行，其中红外光谱部分在清华大学化学系
分析测试中心进行。
1.1 试验材料
天然螺旋藻标准品由清华大学环境生物研究所和
北京林业大学提供，经分离、干燥制备成粉末。螺旋
藻粉、螺旋藻片样品购自不同的生产厂家，均为食品
级螺旋藻。
1.2 主要仪器与试剂
1.2.1 主要仪器 红外光谱仪为 Perkin Elmer 公司
的 Spectrum GX FTIR 光谱仪。采用 DTGS 检测器，
光谱分辨率为 4 cm-1，测量范围为 4 000 cm-1—400
cm-1，扫描次数为 32 次；加热附件：50-886 型变温附
件（Love Control 公司）；氨基酸测定仪：日立 L-8900
氨基酸自动分析仪；扫描电子显微镜（SEM）FEI 公
司 型号：QUANTA 200 F。
1.2.2 主要试剂 溴化钾 KBr，纯度 99.9%；其余试
剂为国产分析纯。
1.3 试验方法和数据处理
1.3.1 FTIR 光谱测定 将溴化钾 KBr 和待测样品研
4740 中 国 农 业 科 学 45 卷
磨成细粉，以适当比例混合，采用压片法测定。采用
Perkin-Elmer 公司 Spectrum V3.02 操作软件进行数据
采集和图谱处理，每个样品重复压片 3 次。谱图处理
过程包括基线校正和归一化处理，采用 13 点平滑法获
得二阶导数谱。蛋白质二级结构拟合采用软件 peakfit
4.2 完成，具体方法参考文献[20-22]。
1.3.2 二维相关光谱 2D-IR 加热范围：50—120℃，
每隔 10℃进行一次红外光谱扫描；二维相关分析采用
清华大学分析中心红外光谱组自行设计的二维相关分
析软件。
1.3.3 其它试验 样品蛋白质含量采用凯氏定氮法
测定，参照 GB/T5511—2008；氨基酸测定采用日立氨
基酸自动分析仪测定，参照 GB/T 5009.124—2003。扫
描电镜图像采用低真空测定，仪器为 FEI 公司
QUANTA 200 F。
2 结果
2.1 螺旋藻产品的 FTIR 光谱
2.1.1 天然螺旋藻的红外吸收指纹图谱 培养条件
和生长状态可能对螺旋藻体内物质成分产生影响，本
试验选取两个不同实验室培养的天然螺旋藻作为标准
对照。螺旋藻 1 生长状态良好，螺旋藻 2 处于生长末
期，其红外吸收光谱如图 1 所示。
图 1 表明，螺旋藻的两类主要成分是蛋白质和糖
类，1 657/1 656 cm-1为蛋白质酰胺Ⅰ带吸收峰，主要
是氨基酸中 C=O 伸缩振动；1 542/1 535 cm-1为蛋白质
酰胺Ⅱ带吸收峰，主要是氨基酸中 N-H 弯曲振动
（60%）和多肽链、碳骨架中的 C-N 伸缩振动（40%）。
1 154/1 156 cm-1、1 079 cm-1和 1 039/1 035 cm-1是糖类
物质的 C-O 和 C-C 伸缩振动吸收峰。官能团的吸收峰
强度与其在样品中的含量成正相关关系，酰胺Ⅰ带吸
收峰为全谱最强，代表糖环结构的 C-C 振动吸收峰强
度次之，因此螺旋藻中的蛋白质含量最高，其次是糖
类。由于螺旋藻内脂类成分很少，酯羰基的 C=O 吸收
峰很弱，且酰胺 I 带吸收峰很强，因此在 1 740 cm-1
处未出现明显的脂类物质吸收峰。螺旋藻的主要吸收
峰归属于蛋白质和糖类两大成分：酰胺 I 和 II 带为蛋
白质的特征吸收峰；1 200—1 000 cm-1 的多个吸收峰
为糖类的特征吸收峰。由于多糖分子中存在多个 C-O、
C-C 基团，所以出现多个特征吸收峰[18-19]。表 1 为螺
旋藻各吸收峰官能团振动方式及主要归属。
2.1.2 天然螺旋藻与螺旋藻粉、螺旋藻片样品红外吸
收光谱比较 红外光谱分析市售螺旋藻粉和螺旋藻片
4000 2000 1000 400
波数 Wave number (cm-1)
吸
光
度
A
bs
or
ba
nc
e
螺旋藻 1
Spirulina l
螺旋藻2
Spirulina 2


图 1 天然螺旋藻 1、2的红外吸收光谱图（4 000 cm-1 - 400
cm-1）
Fig. 1 FTIR spectra of natural Spirulina 1 and 2 (4 000 cm-1 -
400 cm-1)

样品各 4 份，其 FTIR 吸收光谱如图 2 和图 3 所示。
分析图 2、图 3 可知，螺旋藻粉和螺旋藻片的主
要红外特征吸收峰与天然螺旋藻的吸收峰基本一致。
全谱最强峰为酰胺 I 和 II 带的蛋白质特征吸收峰，其
次是糖在 1 200—1 000 cm-1 的多个吸收峰，这说明螺
旋藻粉和螺旋藻片样品的主体成分是蛋白质和糖类。
虽然市售螺旋藻产品特征峰位置与标准品接近，但是
特征峰的形状存在明显的不同。对试验所得谱图做归
一化处理，将蛋白质和糖的吸收峰放大，如图 2 和图
3 中右侧放大的谱图所示。在归一化处理后糖特征峰
的放大图中吸收峰分散在不同强度处，说明糖类含量
不相同。天然螺旋藻的糖类特征峰为 1 155、1 079、
1 132 cm-1三尖峰。螺旋藻粉中糖的吸收峰形状略有不
同，螺旋藻片样品在 1 032 cm-1处的特征吸收峰消失，
只在 1 080 cm-1处有一宽吸收峰。
参照国标 GB/T5511 方法测定样品的蛋白质含量
（表 2）。结果表明，各样品的蛋白质含量均超过 50%，
为样品的主体成分，这与红外光谱所反映的信息一致。
天然螺旋藻 1 的蛋白质含量为 69.5%，然而螺旋藻粉
4 的蛋白质含量高达 71.9%，螺旋藻片 3 的蛋白质含
22 期 刘海静等：基于红外光谱三级鉴别技术的螺旋藻产品品质分析 4741
表 1 螺旋藻主要吸收峰及归属
Table 1 The main absorption peaks and attribution of Spirulina
波数
Wave number cm-1
基团
Perssad
振动方式
Vibration model
归属
Attribution
2959/2960 甲基 Methyl -CH3 反对称伸缩 Asymmetrical stretching 蛋白质、脂类、糖 Protein, lipids, saccharides
2927 次甲基 Methyne-CH2 反对称伸缩 Asymmetrical stretching 脂类 Lipids
2873 甲基 Methyl-CH3 对称伸缩 Symmetrical stretching 蛋白质 Protein
2855/2856 次甲基 Methyne-CH2 对称伸缩 Symmetrical stretching 脂类 Lipids
1656/1657 羰基 Carbonyl C=O 伸缩 Stretching 蛋白质（酰胺 I 带） Protein（amide I）
1542/1537 主要为 Mostly N-H 面内弯曲 Inner bending 蛋白质（酰胺 II 带） Protein（amide II）
1453/1452 甲基 methyl -CH3 面外弯曲 Outer bending 蛋白质、脂类、糖 Protein、lipids、saccharides
1401/1403 C-O 伸缩 Stretching 蛋白质、脂肪酸 Protein, fatty acid
1154/10791039/1035 C-O，C-C 伸缩 Stretching 糖 Saccharides
1000-800 糖环 Pyranose 环振动 Loop vibration 糖 Saccharides

螺旋藻 1
Spirulina l
螺旋藻2
Spirulina 2
螺旋藻粉1
Spirulina powder 1
螺旋藻粉2
Spirulina powder 2
螺旋藻粉3
Spirulina powder 3
螺旋藻粉4
Spirulina powder 4
吸
光
度
A
bs
or
ba
nc
e
4000 2000 1000 400
波数 Wave number (cm-1)

图 2 天然螺旋藻和螺旋藻粉的红外吸收光谱图 (4 000—400 cm-1)
Fig. 2 FTIR spectra of natural Spirulina and Spirulina powder (4 000-400 cm-1)

量达 69.0%。螺旋藻产品中蛋白质的含量甚至高于纯
螺旋藻的蛋白含量，说明产品中的蛋白质并不完全为
螺旋藻蛋白。
螺旋藻产品的酰胺 I 和 II 带吸收峰明显宽于天然
螺旋藻的吸收峰，并且螺旋藻粉和螺旋藻片的酰胺 I
与酰胺 II 带的相对峰强度降低。天然螺旋藻 1 和 2 中，
酰胺 I 与酰胺 II 带的相对峰强度为 1.43 和 1.45，而螺
旋藻产品中酰胺带的相对峰强度波动较大，最高值为
1.39，而最低值只有 1.21。不同样品的酰胺 I 与酰胺
II 带的相对峰强度如图 4 所示。
4742 中 国 农 业 科 学 45 卷
吸
光
度
A
bs
or
ba
nc
e


图 3 天然螺旋藻和螺旋藻片的红外吸收光谱图
Fig. 3 FTIR spectra of natural Spirulina and Spirulina tablets

表 2 不同螺旋藻样品的蛋白质含量
Table 2 Protein content of different Spirulina samples
样品编号
Sample ID
蛋白质含量
Protein percent (%)
样品编号
Sample ID
蛋白质含量
Protein percent (%)
螺旋藻 Spirulina 1 69.5 ± 0.72 螺旋藻粉 Spirulina powder 4 71.9 ± 0.06
螺旋藻 Spirulina 2 52.0 ± 0.83 螺旋藻片 Spirulina tablet 1 66.1 ± 0.25
螺旋藻粉 Spirulina powder1 57.2 ± 0.93 螺旋藻片 Spirulina tablet 2 62.9 ± 0.82
螺旋藻粉 Spirulina powder 2 67.3 ± 0.21 螺旋藻片 Spirulina tablet 3 69.1 ± 0.44
螺旋藻粉 Spirulina powder 3 60.4 ± 0.09 螺旋藻片 Spirulina tablet 4 65.5 ± 0.26
蛋白质含量为两次平行试验结果 Protein percent is the average of two parallel tests

2.1.3 天然螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片样品的
FTIR 二阶导数光谱分析 二阶导数红外光谱可以提
高谱图的分辨率，并可将一维光谱中重叠的特征峰分
开。酰胺 I 和 II 带的吸收峰在二阶导数谱中展开成多
个峰，这些吸收峰与蛋白质的二级结构相关。图 5 表
明，天然螺旋藻的二阶导数谱中出现 1 553、1 544、
1 533 和 1 526 cm-1，4 个弱吸收峰，而螺旋藻片中为 2
个强的宽吸收峰 1 546、1 534 cm-1，螺旋藻粉中为 3
个中等强度的尖吸收峰 1 555、1 545、1 537 cm-1。在
1 700—1 600 cm-1范围内，3 种样品的吸收峰位置相
近，但是天然螺旋藻中 1 658 cm-1为最强吸收峰，而
螺旋藻片中 1 691、1 657、1 639 和 1 628 cm-1，4 处吸
收峰强度相当，螺旋藻粉中 1 659 cm-1、1 639 和 1 628
cm-1的峰强度都比较弱，1 696 cm-1为最强的吸收峰。
二阶导数谱中酰胺 I 带的吸收峰对于蛋白质结
构变化敏感，因此可以通过曲线拟合的方法对不同二
级结构做定量分析[20-22]。1 628、1 639 cm-1吸收峰来
自 β-折叠，1 648 cm-1来自无规则卷曲，1 658 cm-1来
自 α-螺旋，1 681、1 692 cm-1来自 β-折叠[22-24]。曲线
拟合结果见图 6。各样品中的蛋白质二级结构都以 β-
22 期 刘海静等：基于红外光谱三级鉴别技术的螺旋藻产品品质分析 4743
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
样品编号 Sample ID
相
对
峰
强
度
R
el
at
iv
e
in
te
ns
ity


1—10 依次为螺旋藻 1、螺旋藻 2、螺旋藻粉 1、螺旋藻粉 2、螺旋藻粉
3、螺旋藻粉 4、螺旋藻片 1、螺旋藻片 2、螺旋藻片 3 和螺旋藻片 4 ；
峰高测量基线为 2000 cm-1—800 cm-1
1-10 are in order Spirulina 1, Spirulina 2, Spirulina powder 1, Spirulina
powder 2, Spirulina powder 3, Spirulina powder 4, Spirulina tablet 1,
Spirulina tablet 2, Spirulina tablet 3 and Spirulina tablet 4; Take 2000 cm-1
and 800 cm-1 as endpoints to correct baseline

图 4 不同螺旋藻样品酰胺带相对峰强度
Fig. 4 The relative intensities of amide I and II of different
Spirulina samples

折叠和 β-转角为主，无规则卷曲的含量最少。但是天
然螺旋藻中 α-螺旋的含量为 24.6%，而其它样品中只
有 15.0%左右。这说明螺旋藻产品中蛋白质的二级结
构与天然螺旋藻不完全相同。
2.1.4 天然螺旋藻和螺旋藻粉、螺旋藻片的二维相关
红外光谱分析 二维相关分析利用不同外界干扰条
件，研究体系各组分有关基团分子振动行为的差异，
提高谱图分辨率，清晰地分辨出许多重叠峰。以热为
干扰因素的二维相关红外光谱反应被测体系在升温过
程中，各组分有关基团分子振动的热响应行为[25-26]。试
验选取 1 700—1 500 cm-1 和 1 230—1 000 cm-1波段范
围，对天然螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片进行二维红
外光谱分析。螺旋藻粉、螺旋藻片在糖区的二维红外
相关光谱与天然螺旋藻差异明显（图 7）。天然螺旋
藻在 1 230—1 000 cm-1波段出现 5 个强自动峰：1 161、
1 138、1 083、1 054 和 1 026 cm-1，其中 1 083 cm-1 最
强，说明这些吸收峰对应的官能团随温度升高明显变
化。螺旋藻粉的二维图中只有一个宽的自动峰 1 194
cm-1，其它自动峰极微弱；螺旋藻片在 1 143 cm-1和 1
190 cm-1 出现强自动峰。螺旋藻粉和螺旋藻片中随温
度变化的官能团个数减少，辅料的加入使样品中糖类
吸
光
度
A
bs
or
ba
nc
e
1700 1650 1600 1550
波数 Wave number (cm-1)
1500
螺旋藻片1 Spirulina tablet 1
螺旋藻粉1 Spirulina powder 1
螺旋藻 1 Spirulina l

图 5 天然螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片的二阶导数红外光
谱 (1 700 cm-1—1 500 cm-1)
Fig. 5 Second derivate IR spectra of natural Spirulina,
Spirulina powder and Spirulina tablet (1 700 cm-1 –
1 500 cm-1)

官能团位置和总量产生变化，因此在热微扰的作用下
表现出不同的热敏性，出现的自动峰位置、个数和强
度均不同[27-28]。
蛋白质区的二维相关光谱如图 8 所示，天然螺旋
藻的蛋白质区出现一对比较平滑的尖峰，且两峰完全
分离，特征峰位置为 1 563 和 1 555 cm-1。而螺旋藻粉
和螺旋藻片在 1 700—1 500 cm-1内形成一对宽峰，两
峰不能完全分开，并且出现多处分叉峰。螺旋藻粉酰胺
I 带分裂成 1 558 和 1 574 cm-1，酰胺 II 带分裂成 1 623、
1 635、1 645 和 1 652 cm-1；螺旋藻片酰胺 I 带分裂成
1 537、1 550 和 1 560 cm-1，酰胺 II 带分裂成 1 624、
1 632、1 640 和 1 680 cm-1。分叉峰的出现说明蛋白质
组成不同，在加热过程中表现出不同的热敏感性。
2.2 螺旋藻和螺旋藻粉的扫描电镜图像
图 9 为经冷冻干燥后的天然螺旋藻和喷雾干燥后
的螺旋藻粉样品的扫描电镜图像。冷冻干燥的螺旋藻
细胞无规则的交联到一起，形成片状，而喷雾干燥的
4744 中 国 农 业 科 学 45 卷
相
对
峰
强
度
R
el
at
iv
e
in
te
ns
ity

1-10 依次为螺旋藻 1、螺旋藻 2、螺旋藻粉 1、螺旋藻粉 2、螺旋藻粉 3、螺旋藻粉 4、螺旋藻片 1、螺旋藻
1-10 are in order Spirulina 1, Spirulina 2, Spirulina powder 1, Spirulina powder 2, Spirulina powder 3, Spirulina powder 4, Spirulina tablet 1, Spirulina tablet 2,
Spirulina tablet 3 and Spirulina tablet 4

图 6 不同螺旋藻样品的蛋白质二阶结构拟合结果
Fig. 6 Quantitative estimation of protein second structures in different Spirulina samples



图 7 天然螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片的二维同步相关红外光谱和自动峰曲线（1230—1000 cm-1）
Fig. 7 Synchronous 2D-IR spectra of natural Spirulina, Spirulina powder, Spirulina tablets and their curves of autopeaks in the
range of 1230-1000 cm-1
22 期 刘海静等：基于红外光谱三级鉴别技术的螺旋藻产品品质分析 4745


图 8 天然螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片的二维同步相关红外光谱和自动峰曲线（1700—1500 cm-1）
Fig. 8 Synchronous 2D-IR spectra of natural Spirulina, Spirulina powder, Spirulina tablets and their curves of autopeaks in the
range of 1700-1500 cm-1

天然螺旋藻 Spirulina 螺旋藻粉 Spirulina powder

图 9 天然螺旋藻和螺旋藻粉的扫描电镜图
Fig. 9 Scanning electron microscopy (SEM) images of
natural Spirulina and Spirulina powder

螺旋藻细胞则被包裹在添加剂里面，形成较有规则的
球状。螺旋藻的细胞形态为螺旋丝状，试验处理过程
可能使细胞发生交联和叠加，影响最初的细胞形态，
但是在图 9 的天然螺旋藻电镜图像中仍然可以看到部
分细胞保持着长丝状。螺旋藻粉的电镜图像中不存在
长丝状的细胞形态，因为喷雾干燥工艺中的添加剂（糊
精或者淀粉）将螺旋藻细胞包裹起来形成球状。糊精
和淀粉在 1 200—1 000 cm-1 具有红外吸收峰，这些吸
收峰会影响螺旋藻糖类的特征吸收，因此在红外光谱
和二维相关光谱中天然螺旋藻和螺旋藻粉的特征吸收
峰和热敏感性不同。
2.3 天然螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片样品中氨基酸
组成分析
氨基酸的组成与蛋白的来源密切相关，相同蛋白
来源的样品的氨基酸组成十分相近。表 3 为天然螺旋
藻和不同厂家螺旋藻样品的 16 种氨基酸含量测定结
果。结果显示，天门东氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙
氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸和精氨酸的含量
都有不同程度的增加，其中精氨酸在两份天然螺旋
藻中的含量为 2.06%和 1.74%，而在螺旋藻片 1 中
的含量达到了 4.19%，增加了 1 倍以上。胱氨酸、
络氨酸和苯丙氨酸在螺旋藻产品中的含量都有降
低，其中胱氨酸在两份天然螺旋藻中的含量为
11.15%和 5.89%，在螺旋藻产品中的含量只有 1.3%
4746 中 国 农 业 科 学 45 卷
左右，其中螺旋藻粉 1 和螺旋藻粉 3 中胱氨酸的含
量只有 0.69%和 0.94%；络氨酸在 2 份天然螺旋藻
中的含量为 13.52%和 9.92%，在螺旋藻产品中的含
量只有 2.8%左右。

表 3 螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片样品的氨基酸组成
Table 3 Amino acid composition of Spirulina, Spirulina powder and Spirulina Tablets
氨基酸名
Amino acid
name
螺旋藻 1
Spirulina 1
螺旋藻 2
Spirulina 2
螺旋藻粉 1
Spirulina
powder 1
螺旋藻粉 2
Spirulina
powder 2
螺旋藻粉 3
Spirulina
powder 3
螺旋藻粉 4
spirulina
powder 4
螺旋藻片 1
Spirulina
tablet 1
螺旋藻片 2
Spirulina
tablet 2
螺旋藻片 3
Spirulina
tablet 3
螺旋藻片 4
Spirulina
tablet 4
天门冬氨酸 Asp 3.58±0.08 2.96±0.03 5.77±0.48 5.65±0.28 5.19±0.16 5.75±0.09 5.92±0.19 4.65±0.13 5.21±0.20 4.89±0.15
苏氨酸 Thr 3.14±0.21 2.46±0.05 3.11±0.27 3.05±0.15 2.27±0.07 2.95±0.04 3.10±0.12 2.47±0.05 2.81±0.10 2.54±0.09
丝氨酸 Ser 4.90±0.32 3.71±0.06 3.07±0.32 2.96±0.13 2.49±0.08 2.82±0.04 3.04±0.09 2.41±0.05 2.73±0.09 2.47±0.08
谷氨酸 Glu 7.17±0.05 5.12±0.03 9.97±0.88 10.13±0.43 9.56±0.26 9.56±0.15 10.11±0.35 7.88±0.23 9.39±0.34 8.40±0.26
甘氨酸 Gly 1.72±0.03 1.44±0.04 3.14±0.25 3.04±0.12 2.65±0.05 3.02±0.03 3.08±0.12 2.44±0.08 2.79±0.11 2.57±0.08
丙氨酸 Ala 2.45±0.09 2.26±0.06 4.78±0.34 4.71±0.18 3.43±0.07 4.40±0.05 4.78±0.19 3.65±0.09 4.26±0.17 3.67±0.12
胱氨酸 Cys 11.15±0.21 5.89±0.03 0.69±0.09 1.23±0.01 0.94±0.03 1.23±0.02 1.43±0.10 1.19±0.01 1.00±0.29 1.22±0.02
缬氨酸 Val 4.03±0.03 3.62±0.02 3.92±0.34 3.740.12 3.03±0.05 3.69±0.03 3.94±0.15 2.98±0.08 3.42±0.13 3.10±0.11
蛋氨酸 Met 2.71±0.02 1.42±0.04 1.20±0.06 1.05±0.01 1.05±0.05 0.97±0.05 1.15±0.06 0.69±0.02 0.95±0.04 0.69±0.11
异亮氨酸 Ile 1.58±0.19 1.86±0.07 3.45±0.25 3.35±0.13 2.65±0.04 3.22±0.04 3.44±0.15 2.60±0.04 3.04±0.12 2.71±0.10
亮氨酸 Leu 2.89±0.04 2.83±0.02 5.54±0.41 5.43±0.21 4.38±0.08 5.25±0.08 5.50±0.23 4.25±0.14 4.95±0.20 4.44±0.17
酪氨酸 Tyr 13.52±0.74 9.92±0.08 3.17±0.31 2.83±0.02 2.45±0.06 2.65±0.08 3.09±0.14 2.32±0.08 2.63±0.10 2.35±0.09
苯丙氨酸 Phe 4.87±0.06 4.37±0.04 3.04±0.35 2.95±0.10 2.73±0.03 2.77±0.03 2.91±0.09 2.34±0.05 2.72±0.11 2.39±0.09
赖氨酸 Lys 1.73±0.02 0.95±0.01 2.97±0.24 2.96±0.05 2.63±0.05 2.93±0.03 3.09±0.10 2.35±0.09 2.77±0.09 2.44±0.07
组氨酸 His 0.90±0.024 0.25±0.08 0.95±0.06 0.94±0.05 0.95±0.03 0.91±0.02 0.94±0.04 0.74±0.04 0.89±0.03 0.76±0.02
精氨酸 Arg 2.06±0.044 1.74±0.02 4.08±0.27 3.86±0.13 4.03±0.06 4.02±0.05 4.19±0.17 3.09±0.08 3.53±0.19 3.34±0.12
氨基酸百分含量为 3 次平行试验结果 Amino acid contents are the average results of three parallel experiments

3 讨论
天然螺旋藻、螺旋藻粉和螺旋藻片的红外吸收谱
图相似，都以蛋白和糖类为主体成分。但是在具体特
征吸收峰的位置、形状和强度上差异明显，说明三者
的蛋白质和糖类成分存在差异。在 1 200—1 000 cm-1
的糖类吸收区间，天然螺旋藻的红外光谱有 3 个明显
的特征峰；二维相关光谱中出现 5 个自动峰，说明样
品中有多个热敏感的官能团，通过热微扰可以将这些
官能团表征出来。而螺旋藻粉和螺旋藻片的二维相关
光谱中只有 2 个明显自动峰，并且峰位置也与天然螺
旋藻不同，自动峰的差异说明样品中热敏感的官能团
不同。螺旋藻粉和螺旋藻片生产过程中需要加入辅料
和添加剂，引起糖类成分改变，因此螺旋藻粉和螺
旋藻片的糖类特征峰与天然螺旋藻不同。电镜图像
说明了螺旋藻粉并非是纯的螺旋藻，而是被添加剂
包裹的螺旋藻，这与红外光谱中糖类吸收峰反映的
信息相同。
酰胺Ⅰ和Ⅱ带吸收峰的位置和相对强度与蛋白
质的结构密切相关。在螺旋藻粉和螺旋藻片中酰胺
Ⅰ带吸收峰在 1 660—1 656 cm-1 内变化，酰胺Ⅱ带
吸收峰在 1 547—1 535 cm-1 内变化，并且所有螺旋
藻产品中酰胺Ⅰ与Ⅱ带的相对峰强度值显著低于天
然螺旋藻。不同厂家样品的酰胺Ⅰ与Ⅱ带的峰位置、
峰宽和相对峰强度也不完全相同，说明样品中蛋白
成分不稳定。蛋白质二级结构拟合结果显示螺旋藻
粉和螺旋藻片样品中 α-螺旋的含量（15.0%）远低
于天然螺旋藻中的含量（24.6%）。螺旋藻粉和螺旋
藻片的二维相关光谱中酰胺Ⅰ和Ⅱ带分离成多个
峰，说明存在不同的蛋白组分。蛋白质含量测定结
果显示部分厂家螺旋藻产品的蛋白质含量高达
71.9%，如果产品中蛋白来源只为螺旋藻，这一数值
明显不合理。多种氨基酸在螺旋藻粉和螺旋藻片中
的含量与天然螺旋藻中的含量差别极大，这也表明
某些螺旋藻产品中的氨基酸可能不完全来自螺旋藻
中的蛋白质。
22 期 刘海静等：基于红外光谱三级鉴别技术的螺旋藻产品品质分析 4747
4 结论
采用红外光谱技术结合二阶导数光谱和二维相关
光谱对不同厂家的螺旋藻产品进行分析，并与实验室
培养的天然螺旋藻比较得出：不同样品中糖类的红外
光谱和二维相关红外光谱的特征峰位置和形状不同，
说明螺旋藻粉和螺旋藻片的糖类成分与纯螺旋藻不
同。生产过程中所加入的辅料在 1 200—1 000 cm-1有
红外吸收峰，导致螺旋藻产品中糖类特征峰发生改变。
在红外光谱中螺旋藻产品的酰胺 I 与 II 带的特征
峰形状较宽，而且二者的相对峰强度低于天然螺旋藻
中酰胺带的相对峰强度。二阶导数光谱中酰胺 I 带吸
收峰拟合结果表明天然螺旋藻中 α-螺旋的含量为
24.6%，螺旋藻产品中 α-螺旋的含量为 15.0% 左右。
在二维相关光谱中螺旋藻产品的酰胺带吸收峰宽，分
叉峰多，天然螺旋藻的酰胺带吸收峰尖，且光滑。红
外光谱分析表明螺旋藻产品中的蛋白质成分与天然螺
旋藻中的不同。此外，螺旋藻产品中蛋白质含量异常
高，氨基酸组成测定结果也反映出多种氨基酸在天然
螺旋藻和螺旋藻产品中的百分含量相差较大，螺旋藻
产品中的氨基酸可能不完全来源于螺旋藻中的蛋白
质。

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（责任编辑 曲来娥）