蝦青素的主要來源物種
——雨生紅球藻?

余小元 謝子健 曹月琴 孔維寶??

（1西北師范大學生命科學學院 甘肅蘭州 730070 2重慶行知職業技術學校 重慶 401220）

雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）是一種淡水單細胞綠藻，隸屬于綠藻門、綠藻綱、團藻目、紅球藻科、紅球藻屬，該藻能大量積累蝦青素（astaxanthin）而呈現紅色，故名紅球藻。雨生紅球藻是繼螺旋藻（Spirulin）、小球藻（Chlorella）研究開發之后發現的又一種富含營養價值和藥用價值的經濟微藻，主要活性成分包括蝦青素、多糖、蛋白質和脂質等，2010年被我國批準為新資源食品。雨生紅球藻被公認為自然界中生產天然蝦青素的最佳生物來源，其蝦青素含量約占細胞干重的2.7%～3.8%。蝦青素在清除自由基、抗衰老、抗腫瘤和免疫調節等方面都顯示出良好的生物學活性，被廣泛應用于功能性食品、醫藥、化妝品和功能飼料等領域[1]。此外，雨生紅球藻含有的其他活性物質，例如，微藻多糖、蛋白質及富含不飽和脂肪酸的油脂等，也具有較高的研究和開發價值[2]。本文總結了雨生紅球藻的生物學特性、胞內主要生物活性物質及功能、培養技術及綜合應用，旨在為雨生紅球藻生物資源的綜合開發利用提供參考。

1 雨生紅球藻的生物學特征

1.1 生活史 雨生紅球藻是一種生長在淡水中的單細胞綠藻，其生長過程主要分為2個階段：綠色營養細胞階段和不動細胞階段（圖1）。前期在適宜的培養條件下，雨生紅球藻的生長處于綠色營養細胞階段，主要特征為細胞表面有2條鞭毛，鞭毛可運動并幫助細胞進行光合作用或營異養生活；隨著環境因素的變化，雨生紅球藻進入不動細胞階段，鞭毛消失，并開始合成蝦青素。根據其顏色、形態又分為3個過程狀態：綠色不動細胞、桔黃色不動細胞和紅色孢囊，其中桔黃色不動細胞是積累蝦青素的最佳階段。最后隨著細胞變為孢囊的過程，紅色逐漸加深，這表示細胞已成熟，蝦青素已大量積累[3]。

1.2 環境因素 在適宜的環境條件下，雨生紅球藻細胞能健康生長，而不利的因素能有效促進蝦青素和脂質等生物活性物質的積累。影響雨生紅球藻生長代謝過程的主要環境因素包括光照、pH和溫度。

1.2.1 光照 光照對包括雨生紅球藻在內的微藻的生長和代謝產物積累具有重要作用。雨生紅球藻生長所需的最適光照強度具有藻種特異性。一般來說，適宜于紅球藻生長的光照強度為50～100 μmol/(m2·s)。高光強是刺激蝦青素合成的重要誘導因素之一，高光脅迫能使藻細胞光合系統產生過量活性氧，進而刺激蝦青素的合成，以減緩活性氧對藻細胞的光氧化損傷。此外，光質也會影響雨生紅球藻細胞的生長和蝦青素的積累，紅光可促進藻細胞的生長，而藍光更有利于蝦青素的積累[4]。綜上，高光照強度促進蝦青素的積累是以犧牲藻細胞的生長為代價的，光照強度過大會導致紅球藻細胞大量死亡。因此，從保證藻細胞正常生長和蝦青素積累的雙重目的考慮，在培養雨生紅球藻細胞時可采用在不同培養階段提供不同光照強度和光質的方式進行。

1.2.2 pH pH是影響雨生紅球藻生長速度快慢的重要因素之一。綠色營養細胞階段對環境pH的改變尤其敏感，其生長狀況與培養液的pH穩定性關系密切。雨生紅球藻生長的最適pH一般為7～8。有研究發現，4株雨生紅球藻的光合放氧速率隨pH變化分為2種類型：一種是隨著藻液pH上升，光合放氧速率經歷了上升—最大值—下降的變化；另一種趨勢是隨著藻液pH上升，光合放氧速率持續下降[5]。這說明，培養液的pH會影響雨生紅球藻的光合放氧速率，進而影響其生長，而最適pH也因藻種不同而存在差異。從保證藻細胞生長的角度考慮，在培養過程中控制適宜的pH是獲得高生物量和代謝物的有效方法。

1.2.3 溫度 在光合自養條件下，雨生紅球藻生長的最適溫度一般為20～27℃。當溫度升至27℃時，藻細胞生長開始逐漸變慢；28℃時藻細胞由游動又變為不動，開始積累蝦青素。苗鳳萍等[6]發現在15～28℃的培養溫度范圍內，雨生紅球藻的生長和蝦青素的積累均經歷了上升—最大—下降的趨勢，低溫和高溫均不利于藻細胞生長和蝦青素合成；在22℃和25℃時，藻細胞干重和蝦青素含量均較高，呈現較高的同步性。然而在混合營養或異養培養條件下，較高的溫度（例如，28℃）反而有利于雨生紅球藻利用有機碳源，此溫度下蝦青素的合成也更高效。

2 雨生紅球藻細胞中的活性物質及其功能

2.1 蝦青素 蝦青素是一種酮式次級類胡蘿卜素，其分子由2個β-紫羅酮環通過多烯鏈相連構成，分子式為C40H52O4，相對分子質量為596.84。雨生紅球藻中合成、積累的蝦青素，其含量約占細胞干重的2.7%～3.8%，是天然蝦青素生產的理想生物來源。當雨生紅球藻細胞生長處于脅迫條件（例如，強光、高鹽、高溫或添加外源誘導物等）時，開始大量積累蝦青素。蝦青素為脂溶性色素，分為游離態和酯化態2種存在形式。其中，雨生紅球藻95%的蝦青素以更穩定的酯化態形式存在，主要通過與棕櫚酸、油酸或亞油酸等脂肪酸的羧基結合，形成蝦青素單酯和蝦青素二酯，并儲存在富含三酰甘油的胞質脂質體中[7]。

蝦青素的生物學活性主要表現為較強的抗氧化、抗炎癥反應、抗衰老、抗糖尿病、預防心血管疾病、預防和治療眼疲勞、增強免疫力和抗癌活性等。蝦青素分子結構中含有多個共軛雙鍵，分子末端的不飽和酮基和羥基中含有大量活潑電子，可提供電子給自由基或吸引自由基的未配對電子，從而使自由基形成穩定結構，生成新的化學物質，起到抗氧化作用。蝦青素可穿過細胞膜，抑制磷脂雙分子層的過氧化，保護細胞膜結構，其抗氧化活性是其他類胡蘿卜素的10倍，是維生素E的500多倍，被稱為“超級抗氧化劑”。

2.2 多糖 微藻多糖由于資源種類豐富、化學結構獨特等優勢被廣泛關注，并顯示出良好的抗氧化、抗腫瘤、抗炎、降血脂、增強機體免疫力等生物學活性。研究表明，雨生紅球藻多糖具有良好的清除自由基能力，以及促進血栓溶解、抑制腫瘤細胞增殖和減輕重金屬離子對機體的毒害作用等多種功能，在生物醫藥和化妝品開發行業均具有良好的開發利用空間。

劉涵等[8]對雨生紅球藻3種粗多糖的單糖組成進行分析，結果顯示，各組分單糖組成復雜，主要含有半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、葡萄糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、木糖、鼠李糖、巖藻糖、葡萄糖胺和半乳糖胺，其中，半乳糖含量最高（大于20%）。此外，以提取蝦青素后的雨生紅球藻藻渣為原料，在體外免疫細胞模型活性跟蹤下，對超聲輔助提取的雨生紅球藻粗多糖（Haematococcus pluvialispolysaccharide，HPP）進行分離純化和免疫活性測試，結果顯示，5個多糖組分中HPP-c3的免疫活性較好且含量較高。這表明，雨生紅球藻多糖具有良好的研究和開發價值。

2.3 蛋白質 雨生紅球藻蛋白質含量較高，氨基酸種類豐富，是潛在的優質植物蛋白質來源。研究表明，雨生紅球藻中粗蛋白含量約為26%[9]。已檢測到雨生紅球藻蛋白質中含有15種氨基酸，其中，含6種必需氨基酸（亮氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、異亮氨酸）和9種非必須氨基酸（谷氨酸、天冬氨酸、精氨酸、丙氨酸、脯氨酸、甘氨酸、絲氨酸、酪氨酸、組氨酸）[10]。目前，對雨生紅球藻蛋白質（例如，藻膽蛋白的結構與功能）的研究還較為缺乏，但根據藻蛋白三維結構的相似性，可推測雨生紅球藻蛋白質具有與螺旋藻藻蛋白相似甚至更高的抗高血壓、抗腫瘤及免疫調節等生物學活性，在食品、保健品和醫藥等領域具有研究、開發潛力。

2.4 油脂 由于生物柴油和功能性食用油脂開發的市場需求，一直以來，對微藻油脂的研究、開發是微藻研究領域持續攻關的熱點和重點內容。雨生紅球藻在產生蝦青素、多糖和蛋白質的同時，也能積累不同含量的油脂，其油脂含量因藻種品系和培養條件不同而存在差異。季曉敏等[11]采用超臨界CO2流體從破壁的雨生紅球藻藻粉中萃取油脂，經甲酯化后采用氣相色譜-質譜聯用儀分析脂肪酸組成，共鑒定出23種脂肪酸，其中，不飽和脂肪酸占總脂肪酸的71.53%，主要脂肪酸組成為棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸，組成與植物油脂組成相似。另有研究表明，在正常培養條件下，雨生紅球藻細胞中的總脂含量為細胞干重的12.01%，但在高光、缺氮、高光及缺氮3種脅迫條件下油脂含量顯著提高，分別占細胞干重的56.92%、46.71%和46.87%；而脂肪酸成分在脅迫條件下無明顯變化，主要的脂肪酸成分為棕櫚酸、亞油酸和亞麻酸，與此同時，脅迫條件也提高了蝦青素的合成量?？紤]到雨生紅球藻具有混合營養能力，因此，可通過在培養基中添加有機碳源，實現雨生紅球藻細胞在高密度生長的同時，獲得較高的油脂和蝦青素產量。相比于光合自養模式，混養培養具有促進細胞生長、聯產油脂與蝦青素的顯著優勢。

3 雨生紅球藻的營養方式與規?；囵B技術比較

3.1 營養方式 作為一種真核微藻，雨生紅球藻除了能利用CO2、碳酸鹽或碳酸氫鹽為主要碳源進行光合自養生長外，還能在有機碳源存在的條件下進行混合營養或異養生長。雨生紅球藻在3種營養方式下生長特性的比較如表1所示[12-13]。與傳統的光合自養生長模式相比，在微藻基礎培養基中添加適宜濃度的有機碳源（例如，乙酸鈉或葡萄糖）可使藻細胞處于混合營養模式，即光合作用和有機碳的氧化代謝同時存在，可顯著促進雨生紅球藻細胞的生長，并能促進脂質和蝦青素的合成，是一種較為理想的培養模式。當然，雨生紅球藻是否具備混合營養或異養生長能力，與藻株品種本身的遺傳特性直接相關，對不同有機碳源種類的利用及其濃度耐受性也存在較大的種間差異。

表1 2種營養方式下雨生紅球藻的生長特性比較

3.2 規?；囵B技術 雨生紅球藻規?；囵B系統可分為開放式和封閉式培養系統2種類型。其中開放式培養系統主要有開放池或跑道池；封閉式培養系統主要包括立柱式、管道式、薄膜式、平板式、半球體式光生物反應器和貼壁培養技術等。對雨生紅球藻不同規?；囵B技術的優、缺點比較總結如表2[13]。不同的培養技術需要不同的培養設備、材料和操作參數，不同技術也有各自的優勢和不足，在實際生產中，應根據藻種生長特性、培養規模和產品質量要求選擇適宜的技術。

表2 雨生紅球藻規?；囵B技術比較

4 雨生紅球藻綜合利用思路及其應用

雨生紅球藻具有極高的綜合利用價值。從資源利用價值最大化的角度考慮，應依據生物煉制理念，對雨生紅球藻的胞內、外活性物質進行集成化、全鏈條開發利用，實現其經濟價值最大化。對雨生紅球藻綜合開發利用的建議技術路線如圖2所示。采用光合自養或光合自養與混合營養相結合的營養模式，通過2步培養法（綠色營養細胞培養—刺激轉變為紅色孢囊）可獲得藻細胞密度、蝦青素和其他生物活性物質含量較高的雨生紅球藻細胞[14-15]。藻細胞經過采收、破壁、干燥后可直接作為原輔料，開發制成功能飼料添加劑、化妝品輔料、畜禽或水產飼料添加劑等；此外，也可用雨生紅球藻藻粉為提取原料，通過集成分離純化技術，分別制得高純度的蝦青素、脂質、藻蛋白和多糖，用于生產保健食品、特效藥品、護膚品、生物柴油和其他生物制劑，應用于醫藥保健、功能食品、化妝品、功能飼料和生物能源等行業，實現雨生紅球藻資源的最大化、高值化利用。

5 展望

雨生紅球藻由于富含天然蝦青素、不飽和脂肪酸、優質蛋白和多糖，具有很高的研究和開發利用價值。尤其是國內、外市場對天然蝦青素的需求旺盛，開發潛力巨大。但在雨生紅球藻的研究和開發進程中，還存在以下幾個方面的問題需要進一步探索解決，為雨生紅球藻資源的開發利用提供基礎研究支撐：1）雨生紅球藻合成蝦青素、蝦青素酯和脂肪酸的生物合成途徑、中間代謝物轉化、合成途徑關鍵酶的表達與調控，以及三者之間的相互關系需要進一步深入探究；2）雨生紅球藻培養與蝦青素積累的研究還主要停留在實驗室小試水平，中試和大規模生產的研究工作相對較少；3）雨生紅球藻蝦青素的研究比較廣泛、深入，但對藻多糖、藻蛋白和油脂的研究尚不全面；4）目前市場上雖有雨生紅球藻藻粉和蝦青素提取物，但市場化開發的雨生紅球藻產品種類尚不豐富，市場占有率較低。希望通過微藻領域科技產業技術人員的通力攻關，使雨生紅球藻資源能成為造福人民生命健康，助推微藻產業高質量發展的又一“明星微藻”。