作者：俞建中博士（微信號：Scophy117）
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（以下正文）
因為不同地區(qū)的翻譯和商業(yè)名稱的問題，首先列個中英對照的表格，對本文中提到的相關(guān)稱呼進行限定。清一色的“phyco”前綴，看的人眼花繚亂、頭暈?zāi)垦?。（注：phyco-，意思為藻的/與藻相關(guān)的）
表1. 文中名詞的中英文對照
- 幾個名詞解釋
第一段簡單介紹一下藻藍蛋白相關(guān)的背景知識。
（一）藻膽素（phycobilin）
藻膽素是一類由4個吡咯環(huán)通過甲烯基連接成直鏈結(jié)構(gòu)的發(fā)色團物質(zhì)，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的藻膽素有四種，分別是藻紅膽素、藻藍膽素、藻紫膽素和藻尿膽素，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)及特征如下圖1和表2描述。
表2. 四種藻膽素的特征
這類以4個吡咯環(huán)為基本結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，還有葉綠素和血紅蛋白
（二）藻膽蛋白（phycobiliprotein）
藻膽蛋白：在藍藻和紅藻等物種中，若干數(shù)量的藻膽素與特定的可溶性蛋白以二硫鍵結(jié)合，這個復(fù)合物質(zhì)我們稱之為藻膽蛋白，通常一個藻膽蛋白中含有8個以上藻膽素。結(jié)合藻藍膽素的藻膽蛋白就稱為藻藍蛋白，結(jié)合了藻紅膽素就稱為藻紅蛋白，結(jié)合了藻紫膽素就稱為藻紅藍蛋白。藻膽蛋白在細胞中的作用是在光合作用的過程中將光能傳遞給葉綠素，而其中藻膽素的作用是能有效是吸收紅、橙、黃、綠等特定波長的光（葉綠素?zé)o法有效吸收的光波長范圍）。如淺水藻類中藻膽素通常是擅長吸收紅/黃光，而深水水域藻類中含有的藻膽素往往更擅長吸收綠光。
（三）藻膽體（phycobilisome）
藻膽體：藻膽體是藍藻和紅藻主要的光合天線復(fù)合體，它們在葉綠素綠光能隙（green-gap）中獲取光能，并將高量子效率的激發(fā)能轉(zhuǎn)移到光合反應(yīng)中心，通常是光系統(tǒng)II (PS-II)。結(jié)合下面的模式圖，我們可以了解到，藻膽體位于類囊體膜上，結(jié)構(gòu)上，從外（頂端）到內(nèi)依次是藻紅蛋白、藻藍蛋白和別藻藍蛋白，再往內(nèi)是葉綠素，整個結(jié)構(gòu)就是個一個捕光天線，能量傳遞的順序也遵循這個順序。
藻藍蛋白和別藻藍蛋白的區(qū)別主要在于藻膽藍素連接的蛋白不同，表現(xiàn)在理化屬性上，藻藍蛋白最大吸收峰是620nm，而別藻藍蛋白的最大吸收峰是652nm（不同藻類的數(shù)據(jù)或有不同）。
所有的藻膽蛋白（包括藻藍蛋白和別藻藍蛋白）的結(jié)構(gòu)是類似的。以藻藍蛋白為例，藻藍蛋白為兩個亞基組成異二聚體蛋白，兩個亞基稱為α和β，其中α亞基聯(lián)結(jié)了一個藻藍膽素，β亞基聯(lián)結(jié)了兩個藻藍膽素，這樣三個二聚體蛋白首尾相連，就成為一個三聚體的甜甜圈式結(jié)構(gòu)，也存在兩個三聚體緊密交疊形成六聚體，也是甜甜圈結(jié)構(gòu)，直徑都為11nm左右。
在藻膽體上的位置，藻藍蛋白是伸出來的天線（6-8摞），別藻藍蛋白是基底的核心（2-5摞）。如下圖d所示，兩者疊放的方向也是不同的。
上文已經(jīng)提到過，在許多藻類，尤其是一些紅藻中，這個結(jié)構(gòu)還有藻紅蛋白的參與，和藻藍蛋白摞在一起，位于遠離別藻藍蛋白一端，如圖6所示。
商業(yè)產(chǎn)品所謂的藻藍蛋白，作為食品原料級別是包括了藻藍蛋白和別藻藍蛋白的混合物。單純的別藻藍蛋白通常開發(fā)作為熒光試劑。
三、藻藍蛋白生產(chǎn)
以藍藻誕生為基準的話，藻藍蛋白作為藍藻進行光合作用不可或缺的成員，出現(xiàn)至今有35億年左右了，覆蓋了生命演化時段的絕大部分進程。藻藍蛋白是藍藻實現(xiàn)光合作用高效的基礎(chǔ)，尤其體現(xiàn)在450-650nm波長的太陽光子的高效利用，它原始地球就擔(dān)任能量捕獲者的角色，因而被稱為生命起源的最重要物質(zhì)也不過分。
自然界中，藍藻是藻藍蛋白最大的來源，藻藍蛋白（含別藻藍蛋白）在藍藻細胞中占很大的比例，以螺旋藻為例，最高可占細胞干重20%，相應(yīng)的，幾乎占藻體總蛋白的1/3左右。如果在特定的培養(yǎng)條件下（如弱光），藻藍蛋白的含量能夠進一步提高。
除了一些試劑級產(chǎn)品，從螺旋藻中提取藻藍蛋白是目前藻藍蛋白商業(yè)化生產(chǎn)的主要途徑和最簡潔手段。新近的研究已經(jīng)實現(xiàn)了利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)在大腸桿菌中表達出藻藍蛋白，但是類似技術(shù)要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有很長一段路要走。同時美國FDA在去年也通過了來源于一種紅藻Galdieria sulphuraria的藻藍蛋白產(chǎn)品的一般性安全認證（GRAS Notice (GRN) No. 1000, https://www.fda.gov/media/155000/download），相應(yīng)的企業(yè)也拿出了商業(yè)化的產(chǎn)品。另外多說一句，關(guān)于Galdieria sulphuraria，即使是在專業(yè)圈里，關(guān)注度一直不高，后期會專門寫一篇。
以螺旋藻藻藍蛋白規(guī)模生產(chǎn)為例，從工藝上講簡單分為以下幾個步驟。
（1）破壁：提取的第一步需要把藻的細胞壁打開。常見的破壁技術(shù)可分兩類，物理手段如高壓、機械剪切、凍融、低滲、超聲和微波輔助等，化學(xué)方法如混合試劑、酶解、酸解、活性劑等等，當(dāng)然在生產(chǎn)應(yīng)用中，首先還是要考慮設(shè)備與工藝的難易度，以及成本可控性。
（2）溶解：不管原料是干粉還是濕藻泥，都需要把藻藍蛋白先溶解到水里，這一步通常跟第一步一起執(zhí)行，為了藻藍蛋白的穩(wěn)定，需要對水溫進行控制，并涉及離子背景和pH等參數(shù)的設(shè)置。
（3）分離：固液分離脫渣之后，溶解在水中的藻藍蛋白通常用利用鹽析/蛋白質(zhì)等電點絮凝等方法先分離出來獲得粗品。
（4）純化：粗品需要進一步純化去除雜蛋白和不必要的各類離子，應(yīng)用到鹽溶-鹽析、過濾、滲透-反滲透、層析等技術(shù)原理，純化這個階段有諸多的技術(shù)創(chuàng)新，誕生了很多新設(shè)備，而且因為對產(chǎn)品純度要求的不同，在應(yīng)用中工藝設(shè)計的差異會非常大。
（5）制劑：通過純化環(huán)節(jié)，拿到“高”純度產(chǎn)品在供應(yīng)市場之前，還有個制劑化的過程，比如配置成一定濃度的水劑或者干粉制劑，為保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)pH、加入特定化學(xué)物質(zhì)（如檸檬酸鈉）或微膠囊化等處理。
表3. 國外一些生產(chǎn)藻膽蛋白生物制劑的企業(yè)及產(chǎn)品
四、藻藍蛋白的商業(yè)應(yīng)用
（一）食品添加劑——色素
藻藍蛋白是自然界少有的可食用的藍色色素，而且是絢麗的寶石藍色。美國FDA于2013/2014年對藻藍蛋白在一些食品中的應(yīng)用做出了許可，包括飲料、奶酪、冰激凌、糖果、口香糖、酸奶、布丁等多種常見食品，我國關(guān)于藻藍蛋白制品《食品添加劑 藻藍》的國家標(biāo)準也與2021年3月開始實施（GB 1886.309-2020），因而這些年藍色的食品也變的越來越多見。
（二）化妝品
藻藍蛋白在化妝品中的應(yīng)用主要也是以色素的形式體現(xiàn)，常見的產(chǎn)品有潤膚霜、增白霜、香皂、眼線膏、唇膏等等。
（3）生物學(xué)功效
藻藍蛋白的健康功效研究是最近這些年研究最多的內(nèi)容，足夠?qū)懸淮蟊緯?，研究主要關(guān)注在以下方面：抗氧化、抗炎癥、抗癌、抗動脈硬化/降血脂、抗菌/抗病毒、免疫調(diào)節(jié)、神經(jīng)保護、器官修復(fù)、減低藥物毒副作用、抑制結(jié)石和脂質(zhì)過氧化、傷口愈合等等。因為法規(guī)的問題，以健康食品或藥品形式體現(xiàn)的藻藍蛋白制品還未能面世，多數(shù)研究還處在功效實驗或臨床研究階段。
另外特別涉及一個方面是藻藍蛋白在光動力治療方面的應(yīng)用。用口語解釋就是：藻藍蛋白作為光合作用色素，具有在被特定波長光照到之后放出電子的能力，這個電子實際是具有破壞能力的，打斷或破壞一些生物大分子（如蛋白、核酸之類的），因而導(dǎo)致細胞的損傷乃至死亡，利用這個原理，就可以把藻藍蛋白注射到癌癥病灶，輻射以特定波長的光，從而破壞或殺死癌細胞，達到癌癥治療的效果。
（4）生化試劑
藻膽蛋白，包括藻藍蛋白、別藻藍蛋白、以及藻紅蛋白是一類能天然發(fā)出熒光的物質(zhì)，具有激發(fā)性強、波長偏移寬、摩爾消光系數(shù)高、熒光量子產(chǎn)率高等光譜特性，要優(yōu)于傳統(tǒng)的熒光試劑。經(jīng)過特別手段制備或修飾的藻膽蛋白（主要為藻紅蛋白和別藻藍蛋白）在一些細胞生物學(xué)研究手段，如熒光流式細胞術(shù)、熒光顯微鏡、單細胞分析、熒光激發(fā)細胞分選及免疫測定法等技術(shù)中已經(jīng)得到應(yīng)用。
五、藻藍蛋白的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與未來
說產(chǎn)業(yè)之前先說科研，產(chǎn)業(yè)不好評估，科研倒是可以看出明顯的趨勢，下圖是在NCBI的PubMed中輸入關(guān)鍵詞“phycocyanin”，自1942年以來，關(guān)于藻藍蛋白的科學(xué)研究論文數(shù)量，共計2200多篇，在近些年呈現(xiàn)快速上升的趨勢，可見這個研究領(lǐng)域的熱門程度。
表3列出了一些國際藻膽蛋白產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，包含了螺旋藻藻藍蛋白和一些較為特殊試劑產(chǎn)品。國內(nèi)至少有五六家藻藍蛋白生產(chǎn)企業(yè)，均生產(chǎn)色素級螺旋藻藻藍蛋白，因客觀原因，未能統(tǒng)計到生產(chǎn)情況。另有中科院南海海洋所等研究單位掌握了高純度（醫(yī)藥級和試劑級）螺旋藻藻藍蛋白的生產(chǎn)技術(shù)，并有相應(yīng)產(chǎn)品供應(yīng)。
藻藍蛋白產(chǎn)品的未來趨勢，存量（紅海）在作為色素應(yīng)用，增量（藍海）在健康食品和藥品的開發(fā)。
國際天然色素市場，在天然取代合成的趨勢下，一直呈現(xiàn)穩(wěn)定快速上升趨勢，估算目前總體市場規(guī)模已經(jīng)接近20億美元。在藍色這個區(qū)塊，藻藍蛋白是最具優(yōu)勢的產(chǎn)品，而且食品界利用藻藍蛋白有針對性的開發(fā)出來很多新穎的食品，比如藍色的飲料、冷飲、（植物）奶制品、各種化妝品等等，如能更能好的解決產(chǎn)品穩(wěn)定性問題，還將有進一步的發(fā)展空間。
藻藍蛋白的生物學(xué)功效，即針對各類癥狀或疾病的治療或輔助治療的效果，一直是藻藍蛋白領(lǐng)域研究的重點，從基礎(chǔ)研究以及臨床試驗的結(jié)果為依據(jù)，雖然目前為法規(guī)所局限，藻藍蛋白開發(fā)作為健康食品和藥品也只是時間問題。這個領(lǐng)域的市場空間有多大，就不去做預(yù)測了，畢竟事在人為，產(chǎn)品的品質(zhì)基礎(chǔ)已經(jīng)確定的情況下，后期還要靠大家去腳踏實地的做出來，海有多“藍”就看你藻藍蛋白上多少量。
俞建中博士系列藻類科普文章《光語帶你認識微藻》第一輯鏈接：
光語帶你認識微藻 第二篇——微藻的商業(yè)化開發(fā)和應(yīng)用
俞建中博士系列藻類科普文章《光語帶你認識微藻》第二輯鏈接：
光語帶你認識微藻（第二輯）第二篇 顆石藻（Coccolithophores）
光語帶你認識微藻（第二輯）第四篇 柵藻（Scenedesmus）
光語帶你認識微藻（第二輯）第五篇 螺旋藻（二）碳中和 微藻肉
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