人工调控雨生红球藻积累虾青素的研究进展

卫晓丽 杨冬玉 禹佳美 张佳 黄照熙 马兆艺

摘 要：红球藻是富含营养价值和药用价值的藻类食品。雨生红球藻是自然界中生产天然虾青素的理想来源，虾青素作为一种高效的纯天然抗氧化剂，在清除自由基、抗衰老、抗肿瘤和免疫调节等方面显示出良好的生物活性。利用雨生红球藻生产虾青素具有广阔的发展前景，已成为近年来国际上研究的热点。此外，天然虾青素产量有限，大部分虾青素都是人工调控生产的。因此，本文综述了国内外人工调控对雨生红球藻积累虾青素的方法，对我国提高雨生红球藻生产虾青素具有重要意义。

关键词：雨生红球藻;虾青素;人工调控

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

雨生红球藻是一种常见的可食用藻类，它属于绿藻纲，红球藻科，因大量积累虾青素外表呈红色而命名为红球藻。大量实验研究发现，雨生红球藻是世界上公认的能产生并积累虾青素的较强生物。由于它产生的虾青素具有抗衰老等多种功效，目前被广泛应用于食品等领域[1]。虾青素，又名虾黄素、虾黄质，广泛存在于鱼、鸟、虾、蟹、细菌、真菌和藻类中[2]。1993年，它被确定为是一种与虾红素有密切关系的非维生素A源类胡萝卜素，在动物体内不能转变为维生素A。天然虾青素主要以游离态和酯化态的形式存在，是单线态氧的强大淬灭剂，被称为最强抗氧化剂。此外，虾青素具有保护皮肤免受光损伤的功效，还可预防动脉硬化、增强免疫系统功能、维护眼睛和中枢神经系统的健康，可强化机体的能量代谢、抗感染活性，它还具有良好的着色效果，被应用于食品及保健食品、药品、饲料工业和化妆品等领域。人们平时食用的天然虾蟹、鱼类等水生生物中都含有丰富的天然虾青素，目前也未出现过不良反应和中毒症状。雨生红球藻在多种逆境胁迫条件下能大量合成并迅速积累虾青素[3]。逆境胁迫条件又称诱导条件，是指人为设置的高温、紫外线、盐度、培养工艺优化和营养因素等胁迫条件可将雨生红球藻由游动细胞转变为无鞭毛、形态呈圆形、不会游动的不动细胞。不动细胞在一段时间内增大体积，多数不再保留细胞壁，颜色由绿褐色转变为深桔色，此阶段细胞鞭毛脱落，细胞运动能力丧失，为雨生红球藻积累虾青素提供条件[4]。本文综述了国内外人工调控雨生红球藻积累虾青素的方法，主要从环境因素、人工化学诱变、人工物理诱变和其他方法对雨生红球藻积累虾青素的影响，为我国雨生红球藻中虾青素积累的研究提供一定的参考价值。

1 人工调控对雨生红球藻积累虾青素的影响

目前，对雨生红球藻积累虾青素的基本过程已有充分的认识，但要提高虾青素的产量还有一定难度。提高虾青素产量的常用方法是人工养殖，但人们在雨生红球藻的养殖过程中遇到了困难。雨生红球藻的生长与繁殖对环境的要求十分严格，每一种环境因素都必须在其适宜生长的范围内，因此提高红球藻中虾青素的积累量有重要的研究意义。

1.1 环境因素对雨生红球藻中虾青素产生的影响

1.1.1 光照对雨生红球藻中虾青素产生的影响

光照是生物生长过程中必需的环境因素。研究表明，光照强度和光质条件对虾青素的积累有重要影响。蒋霞敏等在日光灯光照，光照周期为12 L∶12 D实验中，发现光照强度为8 000 lx时，虾青素含量最高[5]。陈家宇等发现了光照强度为13 111 lx时虾青素积累值达最高值9.01 mg/L[6]。陶云莹等发现在23 ℃下，雨生红球藻中虾青素的积累量与光照成正比[7]。朱琴等分析了红光、蓝光、绿光和白光对藻细胞中虾青素含量的影响，结果表明，绿光和白光对虾青素的积累无影响，只有蓝光利于虾青素积累，此外，虽然光照强度会增加虾青素的积累量，但光照强度过高会使虾青素的结构遭到破坏，因此光照强度要适度[8]。LEE等在以往已确定蓝色波长照射可诱导雨生红球藻中虾青素的积累的基礎上，对红光、蓝光和LED光对雨生红球藻中虾青素的积累的影响进行试验，发现雨生红球藻中检测到蓝光受体隐色素的表达变化，表明蓝光可能可直接或间接调节虾青素的生物合成，这与陶云莹等的实验结果一致[7，9]。

1.1.2 盐度对雨生红球藻中虾青素的产生的影响

相关实验证实，影响虾青素积累最有效的因素是盐度。蒋霞敏等对盐度对雨生红球藻中虾青素积累的影响进行实验，实验表明，盐度越高藻类颜色越红，并通过检验发现盐度不同对虾青素的积累效果影响显著[5]。陆开形等用单因子实验得出了铁、氮、磷的适宜浓度，并证实了这3种成分营养盐均是雨生红球藻必需的[10]。李艳国等采用BOUSSIBA等的方法进行不同浓度梯度的盐对虾青素含量的影响实验，结果表明施加盐度过大会增加藻细胞的死亡，4%的盐浓度效果最好[11]。因此，以后可在盐浓度中添加一些可诱导虾青素积累的物质，如乙酸钠等，从而减少藻细胞的死亡，增加虾青素的积累[11]。

1.1.3 温度对雨生红球藻中蝦青素产生的影响

雨生红球藻在适宜温度条件下能产生更多的虾青素。高桂玲等的实验表明，低温对虾青素积累的影响有较大差别，高温时影响差别较小，说明高温会破坏细胞结构，影响虾青素的积累[12]。江红霞等利用单一因素进行试验，结果表明，虾青素含量在一定范围内随温度的增加而增加。当温度达到一定高度后开始下降，虾青素积累量在培养温度为35 ℃时，含量最低;在20 ℃、25 ℃时，含量最高，而这与TJAHJONO等的结果不一致，可能是由于两者用的红球藻品种不同[13]。ZHAO等对虾青素在不同温度、氧气和光照条件下贮藏的稳定性研究发现，虾青素降解率随温度和光照时间的增加而增加，在氧气环境中的保留率降低，该结果和江红霞等的实验结果一致[13-14]。

1.1.4 培养工艺优化对雨生红球藻中虾青素产生的影响

培养工艺优化主要是优化氮源和碳源。一般物质的产生需要某些必备的营养因素，如氮源和碳源，而雨生红球藻虾青素的积累需要减少氮源和碳源。高桂玲等的实验表明，高氮抑制虾青素的积累，而在低浓度氮或缺氮的情况下利于虾青素的积累[12]。PELAH等在氮饥饿的胁迫条件下，发现藻细胞易生长并转化为惰性红孢囊，虾青素在其中易积累[15]。叶鑫等采用二氧化碳和乙酸钠进行了3组实验，分别为二氧化碳组、乙酸钠组和对照组，实验表明碳源对加快虾青素的产生具有较大优势[16]。

1.1.5 pH对雨生红球藻中虾青素产生的影响

张宝玉等以pH=6为基础值，以1为增长值，最高为12进行实验，结果表明，雨生红球藻最适pH为中性和弱酸性，但是pH值对红球藻中虾青素含量的影响目前尚未有详细报告[17]。CUI等的实验结果表明，藻液的pH值对雨生红球藻积累虾青素的速率有重要影响[18]。

1.2 人工诱变对雨生红球藻中虾青素产生的影响

1.2.1 物理诱变对雨生红球藻中虾青素产生的影响

现实生活中常见的物理诱变因素为低温、X-射线、γ-射线、紫外线和激光等。

（1）UV-B辐射对雨生红球藻中虾青素产生的影响。UV-B辐射是指波长为10～400 nm的光辐射。杨桂芳将该实验分为2组，一组是经UV-B处理过的雨生红球藻，另一组是未经UV-B处理的雨生红球藻，2组实验结果表明，经UV-B处理过的雨生红球藻比未经UV-B处理的雨生红球藻积累的虾青素含量高，此外AsA-POD、CAT活性和SOD的活性都是呈先增长后下降的趋势，说明雨生红球藻中富含抗氧化物质，推测出辐射可刺激雨生红球藻产生还原性物质，如活性氧，活性氧等还原性物质的产生间接刺激雨生红球藻积累虾青素，降低辐射对雨生红球藻细胞损害作用[19]。

（2）镭射对雨生红球藻中虾青素产生的影响。镭射又称为激光。庄惠如等采用不同类型的激光对雨生红球藻中虾青素的产生的影响进行研究，研究表明，YSL、YL、CK和SL都使雨生红球藻中积累的虾青素的含量逐渐减少，并发现低功率的红色激光对该藻有刺激效应。推测可能是该种激光刺激了该藻中叶绿体中某种酶的活性，提高了光合作用的水平和速率，通过采用紫外线和激光两者结合对雨生红球藻进行诱变，结果表明，激光可促进叶绿体发育，提高雨生红球藻中虾青素积累的含量[20]。

1.2.2 化学诱变对雨生红球藻中虾青素产生的影响

常见的化学诱变因素有亚硝酸或含亚硝基的化合物、碱基类似物、烷化剂、芳香族化合物、叠氮化合物和嘌呤化合物等。

（1）叠氮化钠和乙酸盐对雨生红球藻中虾青素的产生的影响。叠氮化钠又称三氮化钠。陆开形等以

0 mmol/L为基础值，以0.5 mmol/L数值增长，最大值为10 mmol/L的叠氮化钠进行梯度试验，结果表明，1 mmol/L的叠氮化钠是最有利于雨生红球藻细胞生长的浓度，而其他浓度处理的叠氮化钠会抑制雨生红球藻细胞的生长，此外不同浓度的叠氮化钠对雨生红球藻产生虾青素均有一定程度的促进作用，但不是浓度越高越好，因为叠氮化钠有一定的毒性，浓度过大会使雨生红球藻细胞因中毒而死亡[21]。HAGEN等开发了两步分批培养方法，实验结果表明，作为一种混合营养碳源，添加浓度≤10 mmol/L的乙酸盐可较小程度上促进虾青素的合成，而缺乏磷酸盐或盐胁迫（40 mmol/L氯化钠）条件下则没有促进虾青素的合成[22]。

（2）活性氧锈生剂对雨生红球藻中虾青素产生的影响。活性氧是体内一类氧的单电子还原产物。王劲进行活性氧锈生剂对雨生红球藻积累虾青素的影响，实验结果表明，·OH锈生剂对雨生红球藻虾青素含量无明显影响，但·OH锈生剂可以明显地刺激雨生红球藻积累虾青素合成，采用H2O2、MB 2种活性氧锈生剂进行对比，只有MB处理的雨生红球藻中虾青素含量比对照组高，MB能促进雨生红球藻生物量的增加[23]。

（3）Fe2+对雨生红球藻中虾青素产生的影响。Fe2+是一种金属阳离子，是铁的最稳定离子，有较强的氧化性。高政权等研究Fe2+、醋酸盐和双氧水对雨生红球藻的影响，结果表明，少量的Fe2+对雨生红球藻积累虾青素有刺激作用，但浓度过高会对雨生红球藻积累虾青素有抑制作用[24]。MAILLARD等研究雨生红球藻合成乙烯的过程中，发现其合成受Co2+（至少10-5 mol/L）、Mn2+（至少10-6 mol/L）等刺激，不受Fe2+或Mg2+影响[25]。

1.2.3 其他因素对雨生红球藻中虾青素产生的影响

（1）藻际微生物对雨生红球藻中虾青素产生的影响。藻际微生物的种类不同，对雨生红球藻产生虾青素的含量有一定影响，这可能是由于藻际与微生物存在竞争、寄生、捕食和互利共生4种生物关系。张怀瑾从雨生红球藻的藻际中分离出一种微生物，确认在该菌种的代谢过程中会合成类胡萝卜素，而虾青素就是一种类胡萝卜素，据此推测该菌很大程度上参与了雨生红球藻产生虾青素的过程，具有极高的研究价值，该菌被命名为戈登氏菌种[26]。在以后生产积累虾青素的过程中，该菌一定会发挥出它独特的作用。

（2）天然激素对雨生红球藻中虾青素产生的影响。玉米素是一种有机化合物，是植物体内存在的一种天然细胞分裂素。水杨酸是一种脂溶性有机酸，广泛存在于自然界的柳树皮、白珠树叶及甜桦树中。崔丹丹等利用玉米素和水杨酸对雨生红球藻的生长、虾青素含量的影响进行了研究，共进行了3种实验，一种是只添加玉米素实验，一种是只添加水杨酸实验，另一种则为二者同时添加的实验，结果表明，只含玉米素或水杨酸的实验对雨生红球藻积累虾青素的效果不如二者同时添加对该藻积累虾青素的效果，且玉米素比水杨酸具有更好地促进该藻积累虾青素的效果[27]。岳陈陈等以10 μmol/L褪黑素使雨生红球藻积累虾青素的产量达30 mg/g[28]。邢海亮采用脯氨酸（Pro）、褪黑素（MT）和腐胺（丁二胺）对雨生红球藻虾青素的合成进行了研究，结果表明，在光照、氮源缺少及高浓度NaCl条件下，褪黑素耦合丁二胺处理组是雨生红球藻积累虾青素的有效处理方式[29]。

（3）植物生长调节剂对雨生红球藻中虾青素产生的影响。6-苄氨基嘌呤是一种有机化合物，是第1代合成的细胞分裂素。高政权等利用不同浓度的6-苄氨基嘌呤对雨生红球藻细胞进行处理，结果表明，添加6-苄氨基嘌呤会使藻细胞分裂，导致细胞破裂。因此，6-苄氨基嘌呤不会促进雨生红球藻积累虾青素[30]。胺鲜酯是由美国科学家于20世纪90年代发现的具有普遍和突破性效果的高能植物生长调节剂。崔静等研究了胺鲜酯对中间代谢产物胡萝卜素、角黄质和合成虾青素相关基因表达的影响，发现胺鲜酯与诱导促进雨生红球藻大量积累与合成虾青素的基因有关[31]。丁巍等研究了胺鲜酯对雨生红球藻积累虾青素的影响，结果表明，不同浓度的胺鲜酯对雨生红球藻合成并积累虾青素的含量有一定影响[32]。黄腐酸能促进植物的生长，对抗旱也有重要作用，是一种普遍使用的植物生长调节剂。尚敏敏等将不同浓度的黄腐酸加入培养雨生红球藻的培养基中，结果表明，当黄腐酸浓度为10 mg/L时，雨生红球藻的生物量达到最高，且雨生红球藻合成虾青素的其中一个相关基因为lcy，随着黄腐酸浓度的升高，lcy基因的表达量也在升高[33]。

2 结语

目前，国内外关于人工调控雨生红球藻积累虾青素的方法有很多，但还没有哪种方法能得到广泛应用。本文对人工调控雨生红球藻积累虾青素的相应手段以及对虾青素产生的相应影响进行了描述，对于利用雨生红球藻生产虾青素具有十分重要的现实意义。

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