光語帶你認識微藻
第七篇——鹽藻與β-胡蘿卜素
單位：上海光語生物科技有限公司
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作者：俞建中（微信號：Scophy117）
參考文獻:
Dunaliella: Biology, Production,and Markets，Michael A. Borowitzka（in: Handbook of Microalgal Culture. Applied Phycology and Biotechnology，Chapter 18，2nd ed，Amos Richmond and Qiang Hu，2013）
The Alga Dunaliella. Biodiversity, Physiology , Genomics and Biotechnology，Ami Ben-Amotz, et al., 2009)
Production of β-carotene from cultured Dunaliella sp. and evaluation of biological. K.N. Chidambara Murthy.2005 University of Mysore
鹽生杜氏藻（以下稱鹽藻）的基礎生物學知識在前面講過一些（見第一和第二篇），因為這個品種在最近幾年還是火了一把的，大眾對此多少有了點了解。
在給大家介紹鹽藻之前，大家有必要認識當前的兩位微藻研究界的大牛學者，澳大利亞的Michael A. Borowitzka?和以色列的Ami Ben-Amotz，這兩位學者的研究工作，為當前鹽藻的產(chǎn)業(yè)化起到了極大的推動和促進作用。
1.0鹽藻的簡介
鹽藻兩大特征：耐鹽和富集β-胡蘿卜素，前者確定了它的生產(chǎn)方式，后者決定了它的市場用途。
鹽藻的商業(yè)化開發(fā)開始于上世紀八十年代，作為最優(yōu)秀的天然β-胡蘿卜素生產(chǎn)者，應用于藥物開發(fā)、功能食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖和動物飼料工業(yè)。
有關鹽藻最早的科學記錄見于1836年，一個叫Turpin的研究者，發(fā)現(xiàn)鹽湖發(fā)紅的原因是含有微小的藻類，他將之命名為卡里球藻（Globularia kermesina）。幾乎是同時，Michel Felix Dunal?在法國南部蒙彼利埃（Montpellier）的鹽田中發(fā)現(xiàn)池中水呈紅色，就探究是什么原因造成的，經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)是有藻類生存在其中，當時觀察到的細胞有黃有綠，就分別命名為鹽生血球藻（Haematococcus salinus）和鹽生原綠球藻（Protococcus?salinus）。1905年，Teodoresco?正式命名了杜氏藻屬（Dunaliella），將Dunal發(fā)現(xiàn)的藻定為鹽生杜氏藻（Dunaliella?salina）的模式種。而后的100年左右時間，更多的杜氏藻屬種類被發(fā)現(xiàn)，某些種對鹽度的耐受甚至可高至飽和。
而對于規(guī)模生產(chǎn)來說，鹽度耐受高、β-胡蘿卜素含量高的鹽生杜氏藻（有稱巴氏鹽藻，D. bardawil）幾乎是目前唯一的應用種類，有研究報道稱某個株系的β-胡蘿卜素可高達16%。鹽生杜氏藻廣泛分布在世界范圍內(nèi)的鹽湖和咸水水體，在南極和沙漠湖泊都有發(fā)現(xiàn)。
鹽藻細胞一般有卵形、梨形、橢圓柱、橢球（尤其是紅色細胞階段）等形狀，通常輻射對照；細胞長為5-30微米，寬度在4-20微米，通常生長分裂快的細胞個頭較小。鹽藻在綠色浮游細胞階段，有鞭毛，無細胞壁，而在富集β胡蘿卜素的黃色細胞階段，會在細胞表面形成一個多糖和蛋白復合物質地的外壁。
鹽藻帶有一個杯狀的色素體，帶有蛋白核和淀粉核，依胡蘿卜素含量不同，顏色能從綠至紅，胡蘿卜素形成深色“油?！贝嬖谟谏伢w中（見圖3）。鹽藻的生活周期，我們撇去那些專業(yè)名詞，見圖4可一目了然。
（By Ami Ben-Amotz & Mordhay Avron）
鹽藻是目前已知最耐鹽的真核生物，能生活在10%到30%（飽和）鹽度的水體中，為了對抗鹽度的脅迫，鹽藻在富集β-胡蘿卜素的同時，積累甘油作為保護劑。鹽藻能耐受40℃的溫度，但是在高溫下，細胞不會繁殖生長。鹽藻中，β-胡蘿卜素有兩種異構體，反式（通常是9’-反式）和全順式（all-trans），這兩種結構的比例受到多個環(huán)境因子的影響，如光照、溫度和鹽度等。除了β-胡蘿卜素，鹽藻還能夠產(chǎn)生斑蝥黃素。β-胡蘿卜素產(chǎn)生的原因現(xiàn)在尚不明確，其富集含量的高低與鹽度、光照、營養(yǎng)鹽等因素有關。除了β-胡蘿卜素外，鹽藻還產(chǎn)生其他綠藻中常見的類胡蘿卜素，如玉米黃素、葉黃素、新黃質、紫黃質、隱黃質和α-胡蘿卜素等，另有研究報道，可通過基因工程實現(xiàn)利用鹽藻富集玉米黃素，以及生產(chǎn)八氫番茄紅素/六氫番茄紅素。
a.9-cis-β-胡蘿卜素, b. all-trans-β-胡蘿卜素。
（*化學合成的β-胡蘿卜素均為全順式）
其他品種的杜氏藻也能產(chǎn)生各種類胡蘿卜素，如帕爾瓦杜氏藻（D. parva）產(chǎn)β-胡蘿卜素，偽鹽生杜氏藻（D. pseudosalina）產(chǎn)斑蝥黃素，另有一些杜氏藻種株能夠在低溫等極端環(huán)境下產(chǎn)生α-胡蘿卜素。
2.鹽藻的規(guī)?；囵B(yǎng)
大規(guī)模鹽藻養(yǎng)殖于上世紀六十年代后期在烏克蘭進行了嘗試，但真正商業(yè)化生產(chǎn)是在澳大利亞、以色列和美國于上世紀八十年代得以實現(xiàn)。
目前主要的兩種鹽藻養(yǎng)殖方式是：1. 粗放的開放式淺池培養(yǎng)，利用天然的大水面湖泊，無攪拌；2. 開放式跑道池養(yǎng)殖方式，采用輪槳攪拌。
方式1在澳大利亞的赫特瀉湖（Hutt Lagoon，如圖7所示）和懷阿拉，兩個區(qū)域的年輻照度高、氣候溫和、降雨少，兩地的養(yǎng)殖（池/湖）面積均在700公頃以上，單個池/湖的面積均在200公頃以上，是世界產(chǎn)量最大的鹽藻生產(chǎn)基地。
（Betatene公司，原屬德國藥企科寧公司Cognis，現(xiàn)屬巴斯夫？）
（*湖水的粉紅色其實主要是由一種嗜鹽細菌引起的，鹽藻所形成的水色主要為黃棕色）
方式2見于以色列、印度和中國，采用跑道池方式養(yǎng)殖，如圖7所示以色列埃拉特（?Eilat?）的NBT?(Nature Beta Technologies)公司養(yǎng)殖基地和圖8所示內(nèi)蒙古蘭太公司養(yǎng)殖基地。
跑道池一般養(yǎng)殖深度為20-30厘米，用輪槳攪拌，單個池的面積最大可達3000平方米或更大。這幾個區(qū)域依靠抽取海水或地下鹵水進行養(yǎng)殖，因受限于天氣/氣候，難以保證全年生產(chǎn)。
另外，管道式培養(yǎng)方式也有進行過嘗試，但是目前沒有成功的案例，如在西班牙穆爾西亞（Murcia）曾建立規(guī)?；艿朗禁}藻養(yǎng)殖場（圖9），但因蟲害和污染的問題，幾乎未能真正順利運行過。
（From Ami Ben-Amotz’s PPT）
3.鹽藻β-胡蘿卜素的安全性
鹽藻所含的β-胡蘿卜素含有順式和反式兩種結構，而且提取后得到的產(chǎn)物依然含有，同時提取物中還含有少量其他種類的類胡蘿卜素。因此出自鹽藻的天然類胡蘿卜素作為營養(yǎng)補充劑被廣泛接受，其功效的研究進一步得到深入毒理實驗發(fā)現(xiàn)長期攝入鹽藻類胡蘿卜素（提取或未提取）對人體無有害作用；
人體對β-胡蘿卜素的吸收率變動很大，從胡蘿卜等食物（生食）中攝取吸收β-胡蘿卜素的效率不到5%，從腸道吸收類胡蘿卜素需要脂肪的協(xié)助，吸收進入乳糜，然后進入血液。而使用類胡蘿卜素營養(yǎng)品（高濃度含量）的吸收效率可高達70%或更多，在食物中，β-胡蘿卜素或者溶于油脂中（如紅棕櫚油），或者在蔬菜和水果的基核中，如胡蘿卜素，β-胡蘿卜素與不可消化的多糖、可消化的多糖和蛋白質形成一個復雜的基核，因此瓜果蔬菜中的β-胡蘿卜素通常吸收效率很低。而較多的研究發(fā)現(xiàn)，攝入油萃取得到的β-胡蘿卜素（如溶于植物油的β-胡蘿卜素），其吸收效果要優(yōu)于直接食用干粉提取物，更大大高于食用常規(guī)果蔬。
- β-胡蘿卜素的生物學功效與應用
（1）天然色素
通常認為合成的類胡蘿卜素因為化學構象的問題，生物利用度低，并可能具有一定的毒性效應，而產(chǎn)自藻類的類胡蘿卜素，不同化學構象之比值較為符合生物的需求，因此，近些年，鹽藻所產(chǎn)的類胡蘿卜素作為天然色素，開始逐漸取代化學合成的色素，應用于飲料、食品等領域。
（2）營養(yǎng)素
β-胡蘿卜素能在體內(nèi)代謝成為維生素A，傳統(tǒng)的，將β-胡蘿卜素作為維生素A補充劑。而維生素A的功效已為廣泛驗證，如可合成視覺系統(tǒng)所需的色素及皮膚護理（抗紫外）。其他的一些研究發(fā)現(xiàn)其對蛋白合成，RNA合成、細胞分裂、細胞膜穩(wěn)定性、粘液分泌、性發(fā)育及繁殖過程、精子產(chǎn)生、卵子發(fā)育、對腎上腺與甲狀腺的功能具有積極作用；以及維持代謝率和能量水平、體溫和生長、皮膚緊致度、對消化道內(nèi)層的作用、骨骼發(fā)育和重塑，以及對肝臟的積極作用。
（3）醫(yī)學應用
β-胡蘿卜素在醫(yī)學中的應用也較為廣泛。
A.抗氧化：類胡蘿卜存在于質膜中（如細胞膜和細胞器膜），當輻射產(chǎn)生在膜內(nèi)部時，β-胡蘿卜素可起到有效的抗氧化作用。
B.癌癥：β-胡蘿卜素在免疫應答和細胞間隙連接通訊具有積極的作用，此兩種可以起到預防癌癥的作用。大量的醫(yī)學研究發(fā)現(xiàn)，血清中胡蘿卜素含量高于平均值的人群，癌癥和心血管類疾病的發(fā)病率較低，而研究同時也發(fā)現(xiàn)，使用化學合成的全順式β-胡蘿卜素，并不能降低這兩種疾病的發(fā)病率，甚至在部分人群中會提高發(fā)病率（如提升吸煙人群的肺癌發(fā)作幾率）。更多的研究認為，飲食中攝入的天然β-胡蘿卜素能夠起到預防此類疾病的作用。
C.心血管疾?。蝴}藻β-胡蘿卜素對膽固醇的影響顯著，如抑制實驗小鼠血液總膽固醇的提升；降低實驗動物血漿中甘油三酯的含量，與類降脂藥（貝特）一起服用可用于治療高血脂病人；提升實驗小鼠血液高密度（HDL）膽固醇含量，同樣與類降脂藥（貝特）一起作用于低含量HDL膽固醇病人時，可提升HDL膽固醇含量。因此鹽藻β-胡蘿卜素可降低動脈粥樣硬化的發(fā)生幾率。
（D）其他醫(yī)學功效有：作為維生素A前體，改善視力，預防白內(nèi)障和（眼）黃斑變性；免疫調節(jié)與皮膚保護、肝臟保護、抗衰老
5.鹽藻生產(chǎn)與市場
鹽藻β-胡蘿卜素目前已經(jīng)是世界類胡蘿卜素市場主要的產(chǎn)品之一（其他有蝦青素、番茄紅素、葉黃素、玉米黃素等），主要作為食品和蝦類養(yǎng)殖用的天然色素，以及維生素A前體。
最早的鹽藻（及鹽藻β-胡蘿卜素）生產(chǎn)商有澳大利亞的Western Biotechnology和Betatene公司，而以色列的Nature Beta Technologies (NBT)?公司幾乎是同期創(chuàng)建。Western Biotechnology和Betatene公司在1997年同屬于科寧公司（Cognis?Nutrition and Health，現(xiàn)屬巴斯夫公司），該公司屬于世界主要的天然β-胡蘿卜素生產(chǎn)企業(yè)。其他有美國、印度和中國的企業(yè)，但是總體規(guī)模和產(chǎn)量略遜。
我國最早進行鹽藻養(yǎng)殖的是中鹽制鹽工程技術研究院（位于天津），而后又將技術傳播至內(nèi)蒙古蘭太（同屬中鹽集團），近兩年亦有若干企業(yè)進入此行業(yè)，但規(guī)模和產(chǎn)量未知。
按2004年的估算，全世界每年鹽藻的總產(chǎn)量約為1200噸。2010年全世界β-胡蘿卜素（含合成）總市場規(guī)模約為2.6億美元，近些年約已升至3億美元，預期到2018年達到3.3億美元，但目前天然β-胡蘿卜素市場份額只占很少一部分。
（天然β-胡蘿卜素還可以通過發(fā)酵真菌三孢布拉霉進行生產(chǎn)，如位于西班牙的Vitatene公司，現(xiàn)亦屬巴斯夫；中國的廣濟藥業(yè)）
鹽藻β-胡蘿卜素的產(chǎn)品較為多樣化，以科寧公司為例，其主要產(chǎn)品有1-20%含量的水分散粉/“水溶”粉，20–30%油懸浮劑，以及干藻粉，均通過有機、清真、猶太認證，價格從300至3000美元每公斤不等（純天然β-胡蘿卜素原料約為1000-2000美元/公斤，合成產(chǎn)品一般為400-800美元/公斤），因不同產(chǎn)品形式和市場需求而定。國內(nèi)鹽藻粉的價格，依據(jù)β-胡蘿卜素含量，自幾十萬到一百多萬每噸不等（電商報價）。
6.我國鹽藻產(chǎn)業(yè)歷史和未來發(fā)展探討
我國的鹽藻產(chǎn)業(yè)化研究始于1984年，中鹽制鹽工程技術研究院在輕工部科技司和聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP）的支持和援助下，開始在天津建立鹽藻養(yǎng)殖及產(chǎn)品加工的研究團隊，期間有諸多國際國內(nèi)研究院校和知名學者參與，項目從實驗室建設和人員培訓開始，從室內(nèi)培養(yǎng)到室外中試，以及鹽藻采收和β-胡蘿卜素提取等工藝的構建，開發(fā)產(chǎn)品包括了藻粉、β-胡蘿卜素粉劑/油劑、β-胡蘿卜素微膠囊，鹽藻提取物和鹽藻軟膠囊等，尤其是建立了β-胡蘿卜素結晶產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，技術成果獲得了輕工部科技進步一等獎和國家科技進步三等獎，并在短短幾年時間內(nèi)建立起一支數(shù)十人的研究和生產(chǎn)技術隊伍。1991年左右，項目轉移至內(nèi)蒙古吉蘭泰（現(xiàn)蘭太實業(yè)），開始逐步建立養(yǎng)殖基地，進行規(guī)?；B(yǎng)殖（感謝原中鹽制鹽工程技術研究院張俊杰老師提供信息）。之后國內(nèi)的鹽藻產(chǎn)業(yè)一直未有大發(fā)展，直至最近幾年才有部分地區(qū)開始啟動新建鹽藻養(yǎng)殖項目，如天津長蘆鹽場、內(nèi)蒙達拉特旗、山西運城、甘肅高臺等地，但規(guī)模和產(chǎn)量未知。
按照研究數(shù)據(jù)，鹽藻能在25~40℃的穩(wěn)定區(qū)間能生長，最佳的生長溫度為25~32℃之間；在5~20%的二氧化碳濃度下顯示較高的生物量，為充入空氣的對照組的5~6倍；最適光照密度為200~350μmol/㎡/s；鹽藻在高鹽、強光、脅迫溫度和限氮的情況下，能夠積累5～12%的β-胡蘿卜素。因此，養(yǎng)殖鹽藻的區(qū)域要求陽光輻射強、少云、氣候溫暖、并有咸水可以利用。
從資源條件講，我國還是具有發(fā)展鹽藻產(chǎn)業(yè)的一定優(yōu)勢，比如鹽資源極其豐富，北方大量荒漠戈壁等非耕地可利用，且光照充足，可實現(xiàn)季節(jié)生產(chǎn)，多年微藻研究工作的積累和螺旋藻、小球藻等微藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為鹽藻產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展培訓了一大批科研和生產(chǎn)技術人員。
從市場需求看，僅以天然β-胡蘿卜素取代合成β-胡蘿卜素的部分市場需求，即有數(shù)倍于當前產(chǎn)業(yè)鹽藻產(chǎn)業(yè)規(guī)模的空間。但如果把產(chǎn)業(yè)目標定位在高附加值的保健品生產(chǎn)，期望暴利而去開拓這個新項目，以老俞個人的觀點，恐怕最終失望的可能性很大。
依據(jù)產(chǎn)品特點和自身實力，找好企業(yè)定位，由此設計項目規(guī)模、工藝路線和產(chǎn)品類型，建立投資門檻和技術門檻，制定企業(yè)發(fā)展的計劃，控制發(fā)展節(jié)奏，說起來都已經(jīng)是大路的不能再大路的套話了，但事實上按這個套路去做的卻也是寥寥無幾。
當然還是希望鹽藻這個本該在中國早發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，后發(fā)制人，繼續(xù)發(fā)揚中國人做什么都能做成白菜價的風格和能力，能短期內(nèi)把這個產(chǎn)業(yè)推進到世界第一的位置。
有很多朋友非常關注養(yǎng)殖技術工藝，建設養(yǎng)殖場等具體的問題，這些東西以后會慢慢提上來，大家一起參與探討。
俞建中博士系列藻類科普文章鏈接：
