人工調(diào)控雨生紅球藻積累蝦青素的研究進(jìn)展

衛(wèi)曉麗 楊冬玉 禹佳美 張佳 黃照熙 馬兆藝

摘 要：紅球藻是富含營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值的藻類食品。雨生紅球藻是自然界中生產(chǎn)天然蝦青素的理想來(lái)源，蝦青素作為一種高效的純天然抗氧化劑，在清除自由基、抗衰老、抗腫瘤和免疫調(diào)節(jié)等方面顯示出良好的生物活性。利用雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素具有廣闊的發(fā)展前景，已成為近年來(lái)國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。此外，天然蝦青素產(chǎn)量有限，大部分蝦青素都是人工調(diào)控生產(chǎn)的。因此，本文綜述了國(guó)內(nèi)外人工調(diào)控對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的方法，對(duì)我國(guó)提高雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素具有重要意義。

關(guān)鍵詞：雨生紅球藻;蝦青素;人工調(diào)控

Research Progress on Artificial Regulation of Astaxanthin Accumulation in Haematococcus Pluvialis

WEI Xiaoli， YANG Dongyu， YU Jiamei， ZHANG Jia， HUANG Zhaoxi， MA Zhaoyi

（College of Science and Engineering， Agricultural University of Hebei， Cangzhou 061100， China）

Abstract： Haematococcus is an algae food with rich nutritional value and medicinal value. Haematococcus pluvialis is recognized as the most ideal source of natural astaxanthin in nature. Astaxanthin， as the most efficient natural antioxidant discovered， has shown good biological activity in scavenging free radicals， anti-aging， anti-tumor and immune regulation. There is no doubt that using this microalgae to accumulate and produce more astaxanthin has broad development prospects and has become an international research hotspot in recent years. In addition， the yield of natural astaxanthin is limited， and most astaxanthin is produced by artificial regulation.Therefore， this paper summarizes the methods of artificial regulation on astaxanthin accumulation of Haematococcus pluvialis at home and abroad， which is of great significance to the development of this field in China.

Keywords： Haematococcus pluvialis; astaxanthin; manual regulation

雨生紅球藻是一種常見(jiàn)的可食用藻類，它屬于綠藻綱，紅球藻科，因大量積累蝦青素外表呈紅色而命名為紅球藻。大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，雨生紅球藻是世界上公認(rèn)的能產(chǎn)生并積累蝦青素的較強(qiáng)生物。由于它產(chǎn)生的蝦青素具有抗衰老等多種功效，目前被廣泛應(yīng)用于食品等領(lǐng)域[1]。蝦青素，又名蝦黃素、蝦黃質(zhì)，廣泛存在于魚(yú)、鳥(niǎo)、蝦、蟹、細(xì)菌、真菌和藻類中[2]。1993年，它被確定為是一種與蝦紅素有密切關(guān)系的非維生素A源類胡蘿卜素，在動(dòng)物體內(nèi)不能轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素A。天然蝦青素主要以游離態(tài)和酯化態(tài)的形式存在，是單線態(tài)氧的強(qiáng)大淬滅劑，被稱為最強(qiáng)抗氧化劑。此外，蝦青素具有保護(hù)皮膚免受光損傷的功效，還可預(yù)防動(dòng)脈硬化、增強(qiáng)免疫系統(tǒng)功能、維護(hù)眼睛和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的健康，可強(qiáng)化機(jī)體的能量代謝、抗感染活性，它還具有良好的著色效果，被應(yīng)用于食品及保健食品、藥品、飼料工業(yè)和化妝品等領(lǐng)域。人們平時(shí)食用的天然蝦蟹、魚(yú)類等水生生物中都含有豐富的天然蝦青素，目前也未出現(xiàn)過(guò)不良反應(yīng)和中毒癥狀。雨生紅球藻在多種逆境脅迫條件下能大量合成并迅速積累蝦青素[3]。逆境脅迫條件又稱誘導(dǎo)條件，是指人為設(shè)置的高溫、紫外線、鹽度、培養(yǎng)工藝優(yōu)化和營(yíng)養(yǎng)因素等脅迫條件可將雨生紅球藻由游動(dòng)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)鞭毛、形態(tài)呈圓形、不會(huì)游動(dòng)的不動(dòng)細(xì)胞。不動(dòng)細(xì)胞在一段時(shí)間內(nèi)增大體積，多數(shù)不再保留細(xì)胞壁，顏色由綠褐色轉(zhuǎn)變?yōu)樯罱凵穗A段細(xì)胞鞭毛脫落，細(xì)胞運(yùn)動(dòng)能力喪失，為雨生紅球藻積累蝦青素提供條件[4]。本文綜述了國(guó)內(nèi)外人工調(diào)控雨生紅球藻積累蝦青素的方法，主要從環(huán)境因素、人工化學(xué)誘變、人工物理誘變和其他方法對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響，為我國(guó)雨生紅球藻中蝦青素積累的研究提供一定的參考價(jià)值。

1 人工調(diào)控對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響

目前，對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的基本過(guò)程已有充分的認(rèn)識(shí)，但要提高蝦青素的產(chǎn)量還有一定難度。提高蝦青素產(chǎn)量的常用方法是人工養(yǎng)殖，但人們?cè)谟晟t球藻的養(yǎng)殖過(guò)程中遇到了困難。雨生紅球藻的生長(zhǎng)與繁殖對(duì)環(huán)境的要求十分嚴(yán)格，每一種環(huán)境因素都必須在其適宜生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，因此提高紅球藻中蝦青素的積累量有重要的研究意義。

1.1 環(huán)境因素對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響

1.1.1 光照對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響

光照是生物生長(zhǎng)過(guò)程中必需的環(huán)境因素。研究表明，光照強(qiáng)度和光質(zhì)條件對(duì)蝦青素的積累有重要影響。蔣霞敏等在日光燈光照，光照周期為12 L∶12 D實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度為8 000 lx時(shí)，蝦青素含量最高[5]。陳家宇等發(fā)現(xiàn)了光照強(qiáng)度為13 111 lx時(shí)蝦青素積累值達(dá)最高值9.01 mg/L[6]。陶云瑩等發(fā)現(xiàn)在23 ℃下，雨生紅球藻中蝦青素的積累量與光照成正比[7]。朱琴等分析了紅光、藍(lán)光、綠光和白光對(duì)藻細(xì)胞中蝦青素含量的影響，結(jié)果表明，綠光和白光對(duì)蝦青素的積累無(wú)影響，只有藍(lán)光利于蝦青素積累，此外，雖然光照強(qiáng)度會(huì)增加蝦青素的積累量，但光照強(qiáng)度過(guò)高會(huì)使蝦青素的結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此光照強(qiáng)度要適度[8]。LEE等在以往已確定藍(lán)色波長(zhǎng)照射可誘導(dǎo)雨生紅球藻中蝦青素的積累的基礎(chǔ)上，對(duì)紅光、藍(lán)光和LED光對(duì)雨生紅球藻中蝦青素的積累的影響進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雨生紅球藻中檢測(cè)到藍(lán)光受體隱色素的表達(dá)變化，表明藍(lán)光可能可直接或間接調(diào)節(jié)蝦青素的生物合成，這與陶云瑩等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[7，9]。

1.1.2 鹽度對(duì)雨生紅球藻中蝦青素的產(chǎn)生的影響

相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，影響蝦青素積累最有效的因素是鹽度。蔣霞敏等對(duì)鹽度對(duì)雨生紅球藻中蝦青素積累的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，鹽度越高藻類顏色越紅，并通過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鹽度不同對(duì)蝦青素的積累效果影響顯著[5]。陸開(kāi)形等用單因子實(shí)驗(yàn)得出了鐵、氮、磷的適宜濃度，并證實(shí)了這3種成分營(yíng)養(yǎng)鹽均是雨生紅球藻必需的[10]。李艷國(guó)等采用BOUSSIBA等的方法進(jìn)行不同濃度梯度的鹽對(duì)蝦青素含量的影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明施加鹽度過(guò)大會(huì)增加藻細(xì)胞的死亡，4%的鹽濃度效果最好[11]。因此，以后可在鹽濃度中添加一些可誘導(dǎo)蝦青素積累的物質(zhì)，如乙酸鈉等，從而減少藻細(xì)胞的死亡，增加蝦青素的積累[11]。

1.1.3 溫度對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響

雨生紅球藻在適宜溫度條件下能產(chǎn)生更多的蝦青素。高桂玲等的實(shí)驗(yàn)表明，低溫對(duì)蝦青素積累的影響有較大差別，高溫時(shí)影響差別較小，說(shuō)明高溫會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，影響蝦青素的積累[12]。江紅霞等利用單一因素進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，蝦青素含量在一定范圍內(nèi)隨溫度的增加而增加。當(dāng)溫度達(dá)到一定高度后開(kāi)始下降，蝦青素積累量在培養(yǎng)溫度為35 ℃時(shí)，含量最低;在20 ℃、25 ℃時(shí)，含量最高，而這與TJAHJONO等的結(jié)果不一致，可能是由于兩者用的紅球藻品種不同[13]。ZHAO等對(duì)蝦青素在不同溫度、氧氣和光照條件下貯藏的穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素降解率隨溫度和光照時(shí)間的增加而增加，在氧氣環(huán)境中的保留率降低，該結(jié)果和江紅霞等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[13-14]。

1.1.4 培養(yǎng)工藝優(yōu)化對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響

培養(yǎng)工藝優(yōu)化主要是優(yōu)化氮源和碳源。一般物質(zhì)的產(chǎn)生需要某些必備的營(yíng)養(yǎng)因素，如氮源和碳源，而雨生紅球藻蝦青素的積累需要減少氮源和碳源。高桂玲等的實(shí)驗(yàn)表明，高氮抑制蝦青素的積累，而在低濃度氮或缺氮的情況下利于蝦青素的積累[12]。PELAH等在氮饑餓的脅迫條件下，發(fā)現(xiàn)藻細(xì)胞易生長(zhǎng)并轉(zhuǎn)化為惰性紅孢囊，蝦青素在其中易積累[15]。葉鑫等采用二氧化碳和乙酸鈉進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)，分別為二氧化碳組、乙酸鈉組和對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)表明碳源對(duì)加快蝦青素的產(chǎn)生具有較大優(yōu)勢(shì)[16]。

1.1.5 pH對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響

張寶玉等以pH=6為基礎(chǔ)值，以1為增長(zhǎng)值，最高為12進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，雨生紅球藻最適pH為中性和弱酸性，但是pH值對(duì)紅球藻中蝦青素含量的影響目前尚未有詳細(xì)報(bào)告[17]。CUI等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，藻液的pH值對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的速率有重要影響[18]。

1.2 人工誘變對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響

1.2.1 物理誘變對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響

現(xiàn)實(shí)生活中常見(jiàn)的物理誘變因素為低溫、X-射線、γ-射線、紫外線和激光等。

（1）UV-B輻射對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響。UV-B輻射是指波長(zhǎng)為10～400 nm的光輻射。楊桂芳將該實(shí)驗(yàn)分為2組，一組是經(jīng)UV-B處理過(guò)的雨生紅球藻，另一組是未經(jīng)UV-B處理的雨生紅球藻，2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)UV-B處理過(guò)的雨生紅球藻比未經(jīng)UV-B處理的雨生紅球藻積累的蝦青素含量高，此外AsA-POD、CAT活性和SOD的活性都是呈先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明雨生紅球藻中富含抗氧化物質(zhì)，推測(cè)出輻射可刺激雨生紅球藻產(chǎn)生還原性物質(zhì)，如活性氧，活性氧等還原性物質(zhì)的產(chǎn)生間接刺激雨生紅球藻積累蝦青素，降低輻射對(duì)雨生紅球藻細(xì)胞損害作用[19]。

（2）鐳射對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響。鐳射又稱為激光。莊惠如等采用不同類型的激光對(duì)雨生紅球藻中蝦青素的產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，研究表明，YSL、YL、CK和SL都使雨生紅球藻中積累的蝦青素的含量逐漸減少，并發(fā)現(xiàn)低功率的紅色激光對(duì)該藻有刺激效應(yīng)。推測(cè)可能是該種激光刺激了該藻中葉綠體中某種酶的活性，提高了光合作用的水平和速率，通過(guò)采用紫外線和激光兩者結(jié)合對(duì)雨生紅球藻進(jìn)行誘變，結(jié)果表明，激光可促進(jìn)葉綠體發(fā)育，提高雨生紅球藻中蝦青素積累的含量[20]。

1.2.2 化學(xué)誘變對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響

常見(jiàn)的化學(xué)誘變因素有亞硝酸或含亞硝基的化合物、堿基類似物、烷化劑、芳香族化合物、疊氮化合物和嘌呤化合物等。

（1）疊氮化鈉和乙酸鹽對(duì)雨生紅球藻中蝦青素的產(chǎn)生的影響。疊氮化鈉又稱三氮化鈉。陸開(kāi)形等以

0 mmol/L為基礎(chǔ)值，以0.5 mmol/L數(shù)值增長(zhǎng)，最大值為10 mmol/L的疊氮化鈉進(jìn)行梯度試驗(yàn)，結(jié)果表明，1 mmol/L的疊氮化鈉是最有利于雨生紅球藻細(xì)胞生長(zhǎng)的濃度，而其他濃度處理的疊氮化鈉會(huì)抑制雨生紅球藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，此外不同濃度的疊氮化鈉對(duì)雨生紅球藻產(chǎn)生蝦青素均有一定程度的促進(jìn)作用，但不是濃度越高越好，因?yàn)榀B氮化鈉有一定的毒性，濃度過(guò)大會(huì)使雨生紅球藻細(xì)胞因中毒而死亡[21]。HAGEN等開(kāi)發(fā)了兩步分批培養(yǎng)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，作為一種混合營(yíng)養(yǎng)碳源，添加濃度≤10 mmol/L的乙酸鹽可較小程度上促進(jìn)蝦青素的合成，而缺乏磷酸鹽或鹽脅迫（40 mmol/L氯化鈉）條件下則沒(méi)有促進(jìn)蝦青素的合成[22]。

（2）活性氧銹生劑對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響?；钚匝跏求w內(nèi)一類氧的單電子還原產(chǎn)物。王勁進(jìn)行活性氧銹生劑對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，·OH銹生劑對(duì)雨生紅球藻蝦青素含量無(wú)明顯影響，但·OH銹生劑可以明顯地刺激雨生紅球藻積累蝦青素合成，采用H2O2、MB 2種活性氧銹生劑進(jìn)行對(duì)比，只有MB處理的雨生紅球藻中蝦青素含量比對(duì)照組高，MB能促進(jìn)雨生紅球藻生物量的增加[23]。

（3）Fe2+對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響。Fe2+是一種金屬陽(yáng)離子，是鐵的最穩(wěn)定離子，有較強(qiáng)的氧化性。高政權(quán)等研究Fe2+、醋酸鹽和雙氧水對(duì)雨生紅球藻的影響，結(jié)果表明，少量的Fe2+對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素有刺激作用，但濃度過(guò)高會(huì)對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素有抑制作用[24]。MAILLARD等研究雨生紅球藻合成乙烯的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其合成受Co2+（至少10-5 mol/L）、Mn2+（至少10-6 mol/L）等刺激，不受Fe2+或Mg2+影響[25]。

1.2.3 其他因素對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響

（1）藻際微生物對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響。藻際微生物的種類不同，對(duì)雨生紅球藻產(chǎn)生蝦青素的含量有一定影響，這可能是由于藻際與微生物存在競(jìng)爭(zhēng)、寄生、捕食和互利共生4種生物關(guān)系。張懷瑾從雨生紅球藻的藻際中分離出一種微生物，確認(rèn)在該菌種的代謝過(guò)程中會(huì)合成類胡蘿卜素，而蝦青素就是一種類胡蘿卜素，據(jù)此推測(cè)該菌很大程度上參與了雨生紅球藻產(chǎn)生蝦青素的過(guò)程，具有極高的研究?jī)r(jià)值，該菌被命名為戈登氏菌種[26]。在以后生產(chǎn)積累蝦青素的過(guò)程中，該菌一定會(huì)發(fā)揮出它獨(dú)特的作用。

（2）天然激素對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響。玉米素是一種有機(jī)化合物，是植物體內(nèi)存在的一種天然細(xì)胞分裂素。水楊酸是一種脂溶性有機(jī)酸，廣泛存在于自然界的柳樹(shù)皮、白珠樹(shù)葉及甜樺樹(shù)中。崔丹丹等利用玉米素和水楊酸對(duì)雨生紅球藻的生長(zhǎng)、蝦青素含量的影響進(jìn)行了研究，共進(jìn)行了3種實(shí)驗(yàn)，一種是只添加玉米素實(shí)驗(yàn)，一種是只添加水楊酸實(shí)驗(yàn)，另一種則為二者同時(shí)添加的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，只含玉米素或水楊酸的實(shí)驗(yàn)對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的效果不如二者同時(shí)添加對(duì)該藻積累蝦青素的效果，且玉米素比水楊酸具有更好地促進(jìn)該藻積累蝦青素的效果[27]。岳陳陳等以10 μmol/L褪黑素使雨生紅球藻積累蝦青素的產(chǎn)量達(dá)30 mg/g[28]。邢海亮采用脯氨酸（Pro）、褪黑素（MT）和腐胺（丁二胺）對(duì)雨生紅球藻蝦青素的合成進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在光照、氮源缺少及高濃度NaCl條件下，褪黑素耦合丁二胺處理組是雨生紅球藻積累蝦青素的有效處理方式[29]。

（3）植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)雨生紅球藻中蝦青素產(chǎn)生的影響。6-芐氨基嘌呤是一種有機(jī)化合物，是第1代合成的細(xì)胞分裂素。高政權(quán)等利用不同濃度的6-芐氨基嘌呤對(duì)雨生紅球藻細(xì)胞進(jìn)行處理，結(jié)果表明，添加6-芐氨基嘌呤會(huì)使藻細(xì)胞分裂，導(dǎo)致細(xì)胞破裂。因此，6-芐氨基嘌呤不會(huì)促進(jìn)雨生紅球藻積累蝦青素[30]。胺鮮酯是由美國(guó)科學(xué)家于20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)的具有普遍和突破性效果的高能植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。崔靜等研究了胺鮮酯對(duì)中間代謝產(chǎn)物胡蘿卜素、角黃質(zhì)和合成蝦青素相關(guān)基因表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)胺鮮酯與誘導(dǎo)促進(jìn)雨生紅球藻大量積累與合成蝦青素的基因有關(guān)[31]。丁巍等研究了胺鮮酯對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響，結(jié)果表明，不同濃度的胺鮮酯對(duì)雨生紅球藻合成并積累蝦青素的含量有一定影響[32]。黃腐酸能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，對(duì)抗旱也有重要作用，是一種普遍使用的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。尚敏敏等將不同濃度的黃腐酸加入培養(yǎng)雨生紅球藻的培養(yǎng)基中，結(jié)果表明，當(dāng)黃腐酸濃度為10 mg/L時(shí)，雨生紅球藻的生物量達(dá)到最高，且雨生紅球藻合成蝦青素的其中一個(gè)相關(guān)基因?yàn)閘cy，隨著黃腐酸濃度的升高，lcy基因的表達(dá)量也在升高[33]。

2 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于人工調(diào)控雨生紅球藻積累蝦青素的方法有很多，但還沒(méi)有哪種方法能得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)人工調(diào)控雨生紅球藻積累蝦青素的相應(yīng)手段以及對(duì)蝦青素產(chǎn)生的相應(yīng)影響進(jìn)行了描述，對(duì)于利用雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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