微藻色素的研究進(jìn)展

吳吉林，周 波，麻明友,3，彭密軍,3,*

(1.吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院，湖南 張家界 427000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004；3.吉首大學(xué) 林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000 )

微藻色素的研究進(jìn)展

吳吉林1，周 波2，麻明友1,3，彭密軍1,3,*

(1.吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院，湖南 張家界 427000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004；3.吉首大學(xué) 林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000 )

色素作為一種著色劑，廣泛應(yīng)用在食品、紡織和醫(yī)藥等領(lǐng)域。本文對(duì)微藻類(lèi)天然色素，尤其是已經(jīng)成功進(jìn)入市場(chǎng)或?qū)?lái)有很大應(yīng)用前景的微藻類(lèi)天然色素的研究狀況，包括其物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)以及生產(chǎn)工藝優(yōu)化進(jìn)行概述，并對(duì)微藻天然色素的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行預(yù)測(cè)。

著色劑；微藻；天然色素；生物活性

近年來(lái)，由于某些食用合成色素存在毒性問(wèn)題，其應(yīng)用受到了限制，尤其是蘇丹紅事件發(fā)生后，世界各國(guó)進(jìn)一步完善了食品安全的管理體系及相關(guān)法律法規(guī)。如日本于2006年正式實(shí)施《食品中殘留農(nóng)業(yè)化學(xué)品肯定列表制度》，大幅提高了進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品的門(mén)檻，淘汰了大部分有毒的化學(xué)合成色素。天然食用色素跟人工合成食用色素相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是安全性高，具有天然和健康特點(diǎn)，并且世界天然色素市場(chǎng)正在以兩倍于人工合成色素的速度快速增長(zhǎng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

微藻是一類(lèi)非維管植物，可通過(guò)光合作用機(jī)制代謝合成很多高附加值代謝產(chǎn)物，可廣泛應(yīng)用在食品、飼料和服裝等領(lǐng)域，主要包括有不飽和脂肪酸、蛋白質(zhì)、維生素、色素等，微藻代謝合成的色素種類(lèi)很多，如β-胡蘿卜素、藻藍(lán)素、葉黃素等，隨著微藻代謝合成的色素的生物活性和抗氧化性被證實(shí)，這些色素在食品、醫(yī)藥和紡織領(lǐng)域都將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

來(lái)源于微藻的類(lèi)胡蘿卜素的種類(lèi)較多(表1)。如玉米黃素(zeaxanthin)因?yàn)槠湓跍p少心血管疾病發(fā)病率、增強(qiáng)免疫功能和視覺(jué)保護(hù)等方面具有獨(dú)特的生理功能而受到關(guān)注[1]，國(guó)內(nèi)外研究較多的是利用微綠球藻(Nannochloropsis gaditana)生產(chǎn)玉米黃素[2]。目前工業(yè)化生產(chǎn)葉黃素主要是從萬(wàn)壽菊(Tagetes erecta)花瓣中提取，但其具有含量低、分離純化難度大、產(chǎn)品純度不高等缺陷[2]。利用微藻(如Chlorella和Muriellopsis sp.)生產(chǎn)葉黃素是國(guó)際上近年來(lái)研究的新熱點(diǎn)，其產(chǎn)量比目前從萬(wàn)壽菊中提取葉黃素的產(chǎn)量高出許多倍，可以大大節(jié)約成本，具有很好的發(fā)展前景[3]。但是通過(guò)微藻生產(chǎn)玉米黃素和葉黃素都未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，而通過(guò)鹽藻(Dunaliella salina)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)β-胡蘿卜素的技術(shù)已經(jīng)很成熟[4]。本文對(duì)已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)及近年研究較多

并在將來(lái)應(yīng)用前景廣闊的幾類(lèi)微藻天然色素的研究進(jìn)展進(jìn)行了較全面的闡述，旨在增強(qiáng)人們對(duì)微藻天然色素的了解與重視。

1 來(lái)源于微藻的β-胡蘿卜素

1.1 產(chǎn)β-胡蘿卜素的鹽藻Dunaliella

代謝生成β-胡蘿卜素的微藻較多，研究得較多是Dunaliella，一般用Dunaliella salina和Dunaliella bardawil作為β-胡蘿卜素的主要生產(chǎn)微藻[5]。

關(guān)于Dunaliella的生物學(xué)特性已有深入研究，此藻類(lèi)代謝合成3類(lèi)主要物質(zhì)：甘油、蛋白質(zhì)和β-胡蘿卜素[5]。Dunaliella的代謝產(chǎn)物具有各種生物學(xué)活性，如抗高血壓等[5]。Dunaliella相對(duì)于其他生物生產(chǎn)類(lèi)胡蘿卜素具有如下優(yōu)勢(shì)：產(chǎn)量高、有順式和反式兩種異構(gòu)體、高生物利用性和有效性、產(chǎn)物成分較多、具有高生物活性和良好的抗腫瘤特性[5]。來(lái)源于Dunaliella的蛋白質(zhì)可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域，整個(gè)藻體可以再利用，如用于動(dòng)物或家禽的飼料，安全性高[6]。

近幾年，關(guān)于Dunaliella的培養(yǎng)主要是集中在生產(chǎn)β-胡蘿卜素。在合適的培養(yǎng)條件下，每平方米培養(yǎng)面積中的Dunaliella salina能積累400mg水平左右的β-胡蘿卜素[7]。

1.2 Dunaliella生產(chǎn)β-胡蘿卜素的工藝條件及代謝調(diào)控研究

Dunaliella是一種耐鹽微藻，需要雙碳化合物作為碳源，初始生長(zhǎng)階段需在硝酸鹽富集條件下生長(zhǎng)12～14d[7]。類(lèi)胡蘿卜素合成階段，硝酸鹽耗盡，但必須維持一定鹽度，此條件下較有利于類(lèi)胡蘿卜素的合成[6]。D. salina生長(zhǎng)的鹽分(NaCl)一般維持在18%～22%之間，而類(lèi)胡蘿卜素代謝合成的鹽分一般都在27%以上[6]。

光照強(qiáng)度大小對(duì)于類(lèi)胡蘿卜素的合成十分重要。光照強(qiáng)度在20～50 μmoL/(光量·m2·s-1)之間比較有利于β-胡蘿卜素在D. salina的代謝合成[8]。另外可見(jiàn)光和紫外光也是影響β-胡蘿卜素代謝生成的重要因素，光量子通量密度高的紫外光能使每單位蛋白的類(lèi)胡羅素與葉綠素之間的比例提高80%～310%[8]。Salguero 等[9]研究也表明在UV-A光照84h，葉黃素和玉米黃素的生成量在總類(lèi)胡羅素含量中提高3～5倍，但必須在開(kāi)放的培養(yǎng)系統(tǒng)中培養(yǎng)。

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)于D. salina代謝生成類(lèi)胡蘿卜素也是十分重要的。當(dāng)受某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)脅迫時(shí)，微藻的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)受到影響，微藻會(huì)改變其生理功能積累某些化合物來(lái)抵抗這樣的逆境。研究表明在很多微藻中，硝酸鹽和硫酸鹽的脅迫能引起β-胡蘿卜素代謝合成量的增加[10]。氮和磷的脅迫能影響D. tertiolecta的光合作用；有利于D. salina 和D. viridis生長(zhǎng)的KH2PO4質(zhì)量濃度在0.002～0.025g/L，質(zhì)量濃度過(guò)高 (＞5g/L) 明顯抑制這些微藻的生長(zhǎng)，在氮和磷脅迫條件下，具一定保護(hù)作用的色素(如α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素)的積累量有所增加[11]。在兩相培養(yǎng)系統(tǒng)中，N2的脅迫使類(lèi)胡蘿卜素與葉綠素含量的比值增加33倍，但是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的脅迫對(duì)于甘油和α-胡蘿卜素的積累沒(méi)明顯的影響[12]。在氯鹽和硫酸鹽脅迫的環(huán)境下，D.salina的生長(zhǎng)受到明顯的抑制，有利于D. salina的生長(zhǎng)的Cl/SO42-濃度比值為3.2，然而此濃度比值高(如8.6)有利于β-胡蘿卜素的代謝生成[13]。

β-胡蘿卜素的代謝積累是在脂質(zhì)體外進(jìn)行的，通過(guò)與一個(gè)胡蘿卜素球蛋白質(zhì)(38kD)結(jié)合來(lái)維持其穩(wěn)定性，胡蘿卜素球蛋白質(zhì)和三?；视偷姆e累跟β-胡蘿卜素積累是平行的；另外，油脂合成抑制劑也影響β-胡蘿卜素的代謝生成[14]，此研究表明，胡蘿卜素球蛋白質(zhì)的生成和穩(wěn)定是影響β-胡蘿卜素代謝生成的主要因素。有研究顯示，脫落酸代謝量的增加以及其轉(zhuǎn)化成菜豆酸對(duì)于β-胡蘿卜素的代謝生成能起到明顯的調(diào)控作用，這些成分隨后通過(guò)類(lèi)異戊二烯途徑提高類(lèi)胡蘿卜代謝生成量[15]。

表1 不同微藻含類(lèi)胡蘿卜素的種類(lèi)及含量Table 1 Carotenoid content in carotenoid-rich microalgae

1.3 β-胡蘿卜素非傳統(tǒng)方式生產(chǎn)

盡管現(xiàn)在可以通過(guò)開(kāi)放培養(yǎng)系統(tǒng)利用Dunaliella大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)β-胡蘿卜素，但是因?yàn)榇嬖诤芏嗖焕蛩兀邕^(guò)程控制難、低效率的高CO2消耗、污染問(wèn)題等，導(dǎo)致90%商業(yè)化的β-胡蘿卜素還是通過(guò)化學(xué)合成得到的，其中環(huán)境影響因子(如光照、鹽度、溫度等)

是影響室外開(kāi)放培養(yǎng)最主要的因素[16]。基于此原因，構(gòu)建能代謝類(lèi)胡蘿卜素的基因工程菌，篩選能誘導(dǎo)β-胡蘿卜素代謝生成的因素以及單氧發(fā)生器的開(kāi)發(fā)等成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)[16]。

研究表明，通過(guò)添加不同濃度的海藻提取物如Sargassum wightii和Ulva lactuca可以明顯提高Dunaliella的生長(zhǎng)速率和β-胡蘿卜素的得率[17]。更有研究表明，當(dāng)培養(yǎng)基中的有害成分降低到標(biāo)準(zhǔn)水平時(shí)，是十分有利于Dunaliella代謝生成β-胡蘿卜素，但因?yàn)棣?胡蘿卜素本身能積累重金屬，即使Dunaliella 生長(zhǎng)在很好的環(huán)境下，其代謝生成的β-胡蘿卜素也沒(méi)有絕對(duì)的安全可言[18]。有研究表明，有些有機(jī)物質(zhì)如癸烷對(duì)于類(lèi)胡蘿卜素的合成有一定的誘導(dǎo)作用，這是由β-胡蘿卜素的高疏水特性所決定的[19]。在培養(yǎng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，有研究者開(kāi)發(fā)出操作穩(wěn)定的封閉管狀生物反應(yīng)器，在此培養(yǎng)系統(tǒng)中生長(zhǎng)的Dunaliella其類(lèi)胡蘿卜素合成效率高，產(chǎn)率高[20]。除此以外，通過(guò)一些方法來(lái)篩選高產(chǎn)β-胡蘿卜素的Dunaliella菌株或構(gòu)建產(chǎn)β-胡蘿卜素的工程菌也是一個(gè)研究方向，如通過(guò)PCR或定點(diǎn)突變等現(xiàn)代分子生物學(xué)手段可以獲得高產(chǎn)率β-胡蘿卜素的菌株[13,21]。盡管通過(guò)誘導(dǎo)或基因工程構(gòu)建成功了一些能代謝生成β-胡蘿卜素的工程菌株，但尚未能實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)[22]。

1.4 β-胡蘿卜素代謝合成途徑研究

關(guān)于通過(guò)微藻代謝生成類(lèi)胡蘿卜素的代謝生成機(jī)理不是很清楚，但是關(guān)于這方面的研究成果有一部分得到了研究者的認(rèn)同。

圖1 微藻類(lèi)胡蘿卜素的代謝合成途徑Fig.1 Pathway of carotenoid biosynthesis in microalgae

微藻類(lèi)胡蘿卜素的代謝合成途徑見(jiàn)圖1[23-26]。兩分子香葉酰香葉酰焦磷酸通過(guò)八氫番茄紅素合成酶聚合而成八氫番茄紅素，然后再通過(guò)八氫番茄紅素脫氫酶生成ζ-胡蘿卜素，而它在ζ-胡蘿卜素脫氫酶的作用下生成番茄烯。番茄烯在番茄烯β-環(huán)化酶和ε-環(huán)化酶作用下生成α-胡蘿卜素，然后在β-胡蘿卜素羥化酶和ε-胡蘿卜素羥化酶作用下生成黃體素；番茄烯還可以在番茄烯β-環(huán)化酶作用下生成β-胡蘿卜素，然后在β-胡蘿卜素羥化酶作用下生成蝦青素，進(jìn)而在相關(guān)酶作用下生成紫黃素和新黃素。其中八氫番茄紅素合成酶和八氫番茄紅素脫氫酶在一些植物中的類(lèi)胡蘿卜素生物合成中起十分重要的調(diào)節(jié)作用[24]，但是在D. salina類(lèi)胡蘿卜素代謝合成中是否起關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用還不是很清楚，因?yàn)殛P(guān)于八氫番茄紅素合成酶和八氫番茄紅素脫氫酶在D. salina類(lèi)胡蘿卜素生物合成中的作用有不同的研究報(bào)道[25-26]。1.5β-胡蘿卜素功能特性的研究

一般情況下化學(xué)合成的類(lèi)胡蘿卜素成分單一，所以在某些領(lǐng)域應(yīng)用起來(lái)較難，而Dunaliella代謝生成的類(lèi)胡蘿卜素的種類(lèi)多且存在多種必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且天然的β-胡蘿卜素在體內(nèi)能被代謝掉從而十分安全，這是化學(xué)合成的β-胡蘿卜素不可能具有的特性。研究表明，人體能將β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為VA，增強(qiáng)人體的免疫功能，預(yù)防一些疾病的發(fā)生[27]，對(duì)哺乳動(dòng)物和小鼠的肺泡松弛可以起到抑制作用[28]，能明顯抑制倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞的癌變[29]，能抑制人淋巴細(xì)胞的增值[30]，對(duì)人外圍單皮細(xì)胞抗原的表達(dá)起到促進(jìn)作用[31]，能刺激人多樣無(wú)核白細(xì)胞分泌細(xì)胞激素[32]，提高黑素瘤的分化，減少腺苷酸環(huán)化酶的分泌[27]等。β-胡蘿卜素是一種在食品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的主要食品著色劑，可以提高食品和飲料的色彩，同時(shí)也可以作為著色劑和VA的前體添加到寵物食品中去[33]。

2 來(lái)源于微藻的蝦青素

蝦青素(Astaxanthin)是一種酮類(lèi)胡蘿卜素，廣泛存在于鮭魚(yú)、蝦、蟹以及植物和水果中。蝦青素是一種天然的紅色素，除具有色素的特性外，還具有較強(qiáng)的抗氧化活性、抗腫瘤、增加免疫力等功效。因此，蝦青素在食品、飼料及醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。產(chǎn)蝦青素的藻類(lèi)主要是小球藻(C h l o r e l l a zofingiensis)、衣藻(Chlamydomonas nivalis)和雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis)。C. zofingiensis 生長(zhǎng)速度快，易培養(yǎng)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，細(xì)胞濃度較大，已成為生產(chǎn)蝦青素另一重要的微藻資源[34]。C. zofingiensis的培養(yǎng)方式主要有混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)與異養(yǎng)培養(yǎng)，IP等[34-35]、del Campo等[36]和Chen[37]對(duì)此研究較多。C. nivalis是一種生長(zhǎng)在極地和高海拔地區(qū)的雪地衣藻，非常適合在營(yíng)養(yǎng)缺乏、酸性、冰凍、高強(qiáng)度紫外輻射等極度惡劣的環(huán)境條件下生長(zhǎng)[38]，但目前對(duì)于C. nivalis積累蝦青素的研究還很少。H. pluvialis是一種淡水的單細(xì)胞綠藻,其紅孢囊中蝦青素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)其總胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的80%，被公認(rèn)為自然界中生產(chǎn)天然蝦青素最好的生物，用H. pluvialis已實(shí)現(xiàn)了蝦青素的商業(yè)化生產(chǎn)[39]。來(lái)源于H. pluvialis的蝦青素已經(jīng)被美國(guó)和歐洲一些國(guó)家認(rèn)

可，并證實(shí)可以作為膳食添加劑使用，在預(yù)防疾病等方面也極具廣闊的應(yīng)用前景[40]。除此外還可以利用Phaffia rhodozyma酵母發(fā)酵生產(chǎn)蝦青素代謝物，但其含量不高[41]。

2.1 產(chǎn)蝦青素Haematococcus pluviali的特性

H. pluvialis相對(duì)于Dunaliella而言有幾個(gè)缺陷：首先，淡水藻極易被其他藻類(lèi)污染，從而需要封閉的培養(yǎng)系統(tǒng)，這些培養(yǎng)系統(tǒng)要求高[40]；其次，H.pluvialis在培養(yǎng)中從一個(gè)游動(dòng)的鞭毛藻轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止的厚壁的紅孢囊，而蝦青素就存在于這些紅孢囊中，這意味著培養(yǎng)條件是比較復(fù)雜的[42]；第三，蝦青素在紅孢囊內(nèi)的含量是細(xì)胞干質(zhì)量的1%～2%，在蝦青素提取前必須進(jìn)行破壁[43]。

2.2 蝦青素功能特性的研究

蝦青素相對(duì)于其他類(lèi)胡蘿卜素的優(yōu)點(diǎn)如下：光穩(wěn)定性高，抗氧化性高，色樣特性高，容易被人體吸收。

蝦青素有很高的抗氧化特性，能明顯加速動(dòng)物或人的斑點(diǎn)(導(dǎo)致人眼盲的主要因素)的退化。通過(guò)體外研究表明，蝦青素對(duì)單線氧具有很強(qiáng)的抗氧化功能，其抗氧化性是β-胡蘿卜素的10倍，生育酚的500倍[44]。也有研究表明，蝦青素能明顯抑制脂肪過(guò)氧化[45]。

用蝦青素來(lái)喂養(yǎng)小鼠(連續(xù)兩周，每天的劑量為14.4mg)，研究結(jié)果表明蝦青素?zé)o任何致癌特性，證明蝦青素是無(wú)毒的，且對(duì)于小鼠膀胱癌、口腔癌和結(jié)腸癌的形成有一定的抑制功效[46]。同時(shí)有研究表明，蝦青素能誘導(dǎo)小鼠肝臟產(chǎn)生降解生物異源物質(zhì)的酶[47]。蝦青素能預(yù)防幽門(mén)螺旋菌(Helicobacter pylori)對(duì)哺乳動(dòng)物腸道的感染，并且能調(diào)節(jié)體液和非體液免疫系統(tǒng)，促進(jìn)細(xì)胞介素和腫瘤壞死因子的釋放[47]，還能促進(jìn)免疫球蛋白的釋放以及T助細(xì)胞抗體的產(chǎn)生[48]。關(guān)于人體吸收蝦青素的相關(guān)研究報(bào)道不多，有研究表明蝦青素對(duì)人肌肉組織功能無(wú)任何有毒影響，但對(duì)人體的血漿濃度有一定的影響[49]。同時(shí)蝦青素能預(yù)防和治療因神經(jīng)損傷而導(dǎo)致的老年斑，在局部缺血方面也有積極的治療效果[50]。當(dāng)蝦青素與阿司匹林混用時(shí)，能有效提高抗炎癥的功效[47]。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用研究表明，含有6%蝦青素的藻類(lèi)飼料對(duì)于水生動(dòng)物的生產(chǎn)無(wú)任何不利影響，并且飼料中添加適量的蝦青素能防止低密度脂蛋白氧化[51]。蝦青素在水產(chǎn)養(yǎng)殖中主要是用作必需維生素[48]。

2.3 H. pluvialis生產(chǎn)蝦青素的工藝研究

H. pluvialis具有特殊的生物學(xué)特性，即在弱光、氮磷豐富的環(huán)境中以游動(dòng)的綠色營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞存在，而在不利生存的條件下，則以厚壁的紅孢囊存在，同時(shí)在細(xì)胞內(nèi)積累大量的蝦青素而呈紅色[10]。強(qiáng)光照、高溫、營(yíng)養(yǎng)鹽(氮、磷)缺乏、鹽脅迫和氧化壓力等許多環(huán)境因素都可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)蝦青素的積累。高光量子通量密度是細(xì)胞內(nèi)蝦青素合成最重要的誘導(dǎo)條件，在一定范圍內(nèi)蝦青素的積累量隨溫度和光量子通量密度的升高而增加[52]。氮缺乏、磷缺乏以及氮缺乏與高光量子通量密度相結(jié)合可顯著促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)蝦青素的合成，而且可通過(guò)培養(yǎng)基配方的優(yōu)化而保持高積累量[53]。研究表明，細(xì)胞在積累蝦青素的過(guò)程中，氮源濃度起著非常重要的作用。當(dāng)培養(yǎng)基中氮質(zhì)量濃度為0.15g/L 時(shí)，很快就被消耗，且能獲得最高的細(xì)胞濃度，有利于蝦青素的積累。在鹽脅迫條件下, 當(dāng)培養(yǎng)基中醋酸鹽高于0.5%就會(huì)抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)，不利于蝦青素的積累[54]。溶解氧和多種活性氧分子都可有效地誘導(dǎo)細(xì)胞積累蝦青素。Zhang等[55]系統(tǒng)研究了異養(yǎng)化和混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)H. pluvialis生產(chǎn)蝦青素。由于H. pluvialis特殊的生物學(xué)特性，其生長(zhǎng)繁殖和蝦青素的積累明顯分為兩個(gè)截然不同的生理階段。目前，國(guó)際上成功的商業(yè)化生產(chǎn)模式都采用了兩階段生產(chǎn)方式， 先采用封閉式培養(yǎng)繁殖大量綠色細(xì)胞，但細(xì)胞不積累蝦青素；當(dāng)進(jìn)入第二階段即采用光合自養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞中開(kāi)始大量積累蝦青素，蝦青素的含量占總類(lèi)胡蘿卜素含量的92%[56]。

因?yàn)镠. pluvialis生長(zhǎng)環(huán)境為中性，所以容易被其他微生物感染，但是在高強(qiáng)度的光照下，該微生物的生長(zhǎng)受到很大的不利影響?，F(xiàn)在用藻類(lèi)培養(yǎng)生產(chǎn)蝦青素的研究主要集中在研發(fā)高度封閉型培養(yǎng)系統(tǒng)和選育高產(chǎn)蝦青素并且耐高溫的菌株等方面。

3 來(lái)源于紅藻的類(lèi)胡蘿卜素

Porhyridium 這類(lèi)紅藻其代謝產(chǎn)物是一類(lèi)重要的生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生物醫(yī)藥物質(zhì)的來(lái)源，其代謝產(chǎn)物包括多聚糖、長(zhǎng)鏈不飽和脂肪酸、類(lèi)胡蘿卜素(藻膽蛋白)等。其中類(lèi)胡蘿卜素以膽藻體的形式存在于細(xì)胞內(nèi)，黏附在葉綠體的類(lèi)囊體膜上。其中水溶性的藻紅素和藻藍(lán)素，能以天然著色劑形式應(yīng)用于食品、紡織和醫(yī)藥等領(lǐng)域[57]。

Porhyridium sp.能代謝生成的類(lèi)胡蘿卜素主要為B-藻紅素和b-藻紅素，其最大吸收峰波長(zhǎng)為545nm，分子質(zhì)量為240kD。在一個(gè)光照以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)存在的生物反應(yīng)器中，培養(yǎng)溫度為20～30℃，經(jīng)培養(yǎng)后，經(jīng)過(guò)細(xì)胞破壁、離心及經(jīng)過(guò)其他工藝流程就可以得到藻紅素。室外分批發(fā)酵培養(yǎng)Porhyridium sp.時(shí)，藻紅素的含量大約占15%，最大可以達(dá)到30%。色素耐高溫，在pH6～7間其半衰期比較長(zhǎng)，適合應(yīng)用在低濕干燥的食品中的[57]。此外藻紅素還有一個(gè)具有黃色熒光的特性[57]。

紅藻Porphyridium aerugineum能代謝生成一種藍(lán)色色素。Porphyridium aerugineum與其他產(chǎn)藻紅素的微藻生物學(xué)性質(zhì)很相似，但是它不代謝生成藻紅素和R-藻藍(lán)素，而是C-藻藍(lán)素。該藻藍(lán)素的最大吸收波長(zhǎng)為642nm。其產(chǎn)物主要成分藻膽蛋白和C-藻藍(lán)素與絕大多數(shù)藻藍(lán)細(xì)菌中所代謝的藻藍(lán)素是一樣的，其生色基團(tuán)是藻藍(lán)素通過(guò)硫醚鍵與蛋白質(zhì)結(jié)合而成[57]。Porphyridium

aerugineum是一種單細(xì)胞生物，在淡水環(huán)境中以及一定二氧化碳?jí)毫l件下培養(yǎng)，它對(duì)光照，二氧化碳?jí)毫Φ纫蟊容^高，不利的條件能使色素的產(chǎn)量和其可溶解性都降低，而多聚糖產(chǎn)量增加，整個(gè)工藝還包括離心、細(xì)胞破碎、抽提等。用鹽溶液提取能提高色素在分離過(guò)程的穩(wěn)定性，最終藻藍(lán)素占干質(zhì)量最高達(dá)60%。pH值對(duì)色素的穩(wěn)定沒(méi)什么影響，光穩(wěn)定性好，但是對(duì)熱敏感。在pH4～5，溫度60℃條件下，藻藍(lán)素的穩(wěn)定性時(shí)間達(dá)到40min，此特性非常適合于食品領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是在酸性食品中的應(yīng)用。

藻紅素和藻藍(lán)素還并沒(méi)有被允許應(yīng)用到食品或服裝領(lǐng)域，其毒性研究還有待進(jìn)一步深入，但是初步研究表明其安全性比較高，具有廣闊的應(yīng)用前景[57]。

4 微藻色素未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

微藻是天然色素的重要來(lái)源之一，其能在室外大規(guī)模培養(yǎng)，色素的色價(jià)高、穩(wěn)定性好以及抗氧化性高，且天然色素具有安全和健康的效果。所以微藻色素在將來(lái)的市場(chǎng)前景廣闊，是一類(lèi)很重要的色素來(lái)源和營(yíng)養(yǎng)物來(lái)源。但是很多微藻色素因?yàn)楫a(chǎn)率較低或成本太高而難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。將來(lái)對(duì)微藻色素的研究主要集中在以下幾方面：一是尋找各種微藻色素資源，尤其是能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的微藻色素資源；二是通過(guò)現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)來(lái)構(gòu)建能代謝生成微藻色素的工程菌，來(lái)開(kāi)發(fā)色價(jià)高且具有市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值的色素；三是利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)研究微藻色素的代謝合成機(jī)理，從代謝調(diào)控角度來(lái)為實(shí)現(xiàn)微藻色素的工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)理論支持。

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Research Progress on Microalgae Pigment

WU Ji-lin1，ZHOU Bo2，MA Ming-you1,3，PENG Mi-jun1,3,*
(1. College of Resources and Planning Sciences, Jishou University, Zhangjiajie 427000, China；2. School of Food Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China；3.Key Laboratory of Hunan Forest Products and Chemical Industry Engineering, Jishou University, Zhangjiajie 427000, China)

It has been long history for pigment used as colorant in foods, cosmetics and pharmaceutical fields. In this paper, the current situation of microalgae pigment, including physical, chemical, and biological properties as well as the production process optimization have been reviewed. The pigments discussed in this paper have been produced at large industrial scale or will be in a wide application in the future. Development and application of microalgae pigment are also predicted.

colorant；microalgae；nature pigment；bioactive

TS264.4

A

1002-6630(2010)23-0395-06

2010-01-25

湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(08A056)

吳吉林(1978—)，男，講師，碩士，主要從事植物生理生化研究。E-mail：wjlin9911@163.com

*通信作者：彭密軍(1964—)，女，教授，博士，主要從事天然產(chǎn)物提取分離及分析鑒定研究。

E-mail：pengmj163@163.com