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光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻

第七篇——鹽藻與β-胡蘿卜素

單位：上海光語(yǔ)生物科技有限公司

微信公眾號(hào)：Leadingtec

作者：俞建中（微信號(hào)：Scophy117）

參考文獻(xiàn):

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(chǔ)生物學(xué)知識(shí)在前面講過(guò)一些（見(jiàn)第一和第二篇），因?yàn)檫@個(gè)品種在最近幾年還是火了一把的，大眾對(duì)此多少有了點(diǎn)了解。

在給大家介紹鹽藻之前，大家有必要認(rèn)識(shí)當(dāng)前的兩位微藻研究界的大牛學(xué)者，澳大利亞的Michael A. Borowitzka?和以色列的Ami Ben-Amotz，這兩位學(xué)者的研究工作，為當(dāng)前鹽藻的產(chǎn)業(yè)化起到了極大的推動(dòng)和促進(jìn)作用。

1.0鹽藻的簡(jiǎn)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(chǎng)用途。

鹽藻的商業(yè)化開(kāi)發(fā)開(kāi)始于上世紀(jì)八十年代，作為最優(yōu)秀的天然β-胡蘿卜素生產(chǎn)者，應(yīng)用于藥物開(kāi)發(fā)、功能食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖和動(dòng)物飼料工業(yè)。

有關(guān)鹽藻最早的科學(xué)記錄見(jiàn)于1836年，一個(gè)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(shí)，Michel Felix Dunal?在法國(guó)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(guò)觀察發(fā)現(xiàn)是有藻類生存在其中，當(dāng)時(shí)觀察到的細(xì)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(shí)間，更多的杜氏藻屬種類被發(fā)現(xiàn)，某些種對(duì)鹽度的耐受甚至可高至飽和。

而對(duì)于規(guī)模生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，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(yīng)用種類，有研究報(bào)道稱某個(gè)株系的β-胡蘿卜素可高達(dá)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(xì)胞一般有卵形、梨形、橢圓柱、橢球（尤其是紅色細(xì)胞階段）等形狀，通常輻射對(duì)照；細(xì)胞長(zhǎng)為5-30微米，寬度在4-20微米，通常生長(zhǎng)分裂快的細(xì)胞個(gè)頭較小。鹽藻在綠色浮游細(xì)胞階段，有鞭毛，無(wú)細(xì)胞壁，而在富集β胡蘿卜素的黃色細(xì)胞階段，會(huì)在細(xì)胞表面形成一個(gè)多糖和蛋白復(fù)合物質(zhì)地的外壁。

鹽藻帶有一個(gè)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(jiàn)圖3）。鹽藻的生活周期，我們撇去那些專業(yè)名詞，見(jiàn)圖4可一目了然。

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(duì)抗鹽度的脅迫，鹽藻在富集β-胡蘿卜素的同時(shí)，積累甘油作為保護(hù)劑。鹽藻能耐受40℃的溫度，但是在高溫下，細(xì)胞不會(huì)繁殖生長(zhǎng)。鹽藻中，β-胡蘿卜素有兩種異構(gòu)體，反式（通常是9’-反式）和全順式（all-trans），這兩種結(jié)構(gòu)的比例受到多個(gè)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(yíng)養(yǎng)鹽等因素有關(guān)。除了β-胡蘿卜素外，鹽藻還產(chǎn)生其他綠藻中常見(jiàn)的類胡蘿卜素，如玉米黃素、葉黃素、新黃質(zhì)、紫黃質(zhì)、隱黃質(zhì)和α-胡蘿卜素等，另有研究報(bào)道，可通過(guò)基因工程實(shí)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。

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)模化培養(yǎng)

大規(guī)模鹽藻養(yǎng)殖于上世紀(jì)六十年代后期在烏克蘭進(jìn)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(guó)于上世紀(jì)八十年代得以實(shí)現(xiàn)。

目前主要的兩種鹽藻養(yǎng)殖方式是：1. 粗放的開(kāi)放式淺池培養(yǎng)，利用天然的大水面湖泊，無(wú)攪拌；2. 開(kāi)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(gè)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(gè)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。

方式2見(jiàn)于以色列、印度和中國(guó)，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(gè)池的面積最大可達(dá)3000平方米或更大。這幾個(gè)區(qū)域依靠抽取海水或地下鹵水進(jìn)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(jìn)行過(guò)嘗試，但是目前沒(méi)有成功的案例，如在西班牙穆?tīng)栁鱽啠∕urcia）曾建立規(guī)模化管道式鹽藻養(yǎng)殖場(chǎng)（圖9），但因蟲害和污染的問(wèn)題，幾乎未能真正順利運(yùn)行過(guò)。

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(jié)構(gòu)，而且提取后得到的產(chǎn)物依然含有，同時(shí)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(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑被廣泛接受，其功效的研究進(jìn)一步得到深入毒理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期攝入鹽藻類胡蘿卜素（提取或未提?。?duì)人體無(wú)有害作用；

人體對(duì)β-胡蘿卜素的吸收率變動(dòng)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(jìn)入乳糜，然后進(jìn)入血液。而使用類胡蘿卜素營(yíng)養(yǎng)品（高濃度含量）的吸收效率可高達(dá)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(zhì)形成一個(gè)復(fù)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。

4. β-胡蘿卜素的生物學(xué)功效與應(yīng)用

（1）天然色素

通常認(rèn)為合成的類胡蘿卜素因?yàn)榛瘜W(xué)構(gòu)象的問(wèn)題，生物利用度低，并可能具有一定的毒性效應(yīng)，而產(chǎn)自藻類的類胡蘿卜素，不同化學(xué)構(gòu)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(kāi)始逐漸取代化學(xué)合成的色素，應(yīng)用于飲料、食品等領(lǐng)域。

（2）營(yíng)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(bǔ)充劑。而維生素A的功效已為廣泛驗(yàn)證，如可合成視覺(jué)系統(tǒng)所需的色素及皮膚護(hù)理（抗紫外）。其他的一些研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)蛋白合成，RNA合成、細(xì)胞分裂、細(xì)胞膜穩(wěn)定性、粘液分泌、性發(fā)育及繁殖過(guò)程、精子產(chǎn)生、卵子發(fā)育、對(duì)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(zhǎng)、皮膚緊致度、對(duì)消化道內(nèi)層的作用、骨骼發(fā)育和重塑，以及對(duì)肝臟的積極作用。

（3）醫(yī)學(xué)應(yīng)用

β-胡蘿卜素在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用也較為廣泛。

A.抗氧化：類胡蘿卜存在于質(zhì)膜中（如細(xì)胞膜和細(xì)胞器膜），當(dāng)輻射產(chǎn)生在膜內(nèi)部時(shí)，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(yīng)答和細(xì)胞間隙連接通訊具有積極的作用，此兩種可以起到預(yù)防癌癥的作用。大量的醫(yī)學(xué)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(shí)也發(fā)現(xiàn)，使用化學(xué)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(huì)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(rèn)為，飲食中攝入的天然β-胡蘿卜素能夠起到預(yù)防此類疾病的作用。

C.心血管疾病：鹽藻β-胡蘿卜素對(duì)膽固醇的影響顯著，如抑制實(shí)驗(yàn)小鼠血液總膽固醇的提升；降低實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，可提升HDL膽固醇含量。因此鹽藻β-胡蘿卜素可降低動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生幾率。

（D）其他醫(yī)學(xué)功效有：作為維生素A前體，改善視力，預(yù)防白內(nèi)障和（眼）黃斑變性；免疫調(diào)節(jié)與皮膚保護(hù)、肝臟保護(hù)、抗衰老

5.鹽藻生產(chǎn)與市場(chǎng)

鹽藻β-胡蘿卜素目前已經(jīng)是世界類胡蘿卜素市場(chǎng)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(guó)、印度和中國(guó)的企業(yè)，但是總體規(guī)模和產(chǎn)量略遜。

我國(guó)最早進(jìn)行鹽藻養(yǎng)殖的是中鹽制鹽工程技術(shù)研究院（位于天津），而后又將技術(shù)傳播至內(nèi)蒙古蘭太（同屬中鹽集團(tuán)），近兩年亦有若干企業(yè)進(jìn)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(chǎng)規(guī)模約為2.6億美元，近些年約已升至3億美元，預(yù)期到2018年達(dá)到3.3億美元，但目前天然β-胡蘿卜素市場(chǎng)份額只占很少一部分。

（天然β-胡蘿卜素還可以通過(guò)發(fā)酵真菌三孢布拉霉進(jìn)行生產(chǎn)，如位于西班牙的Vitatene公司，現(xiàn)亦屬巴斯夫；中國(guó)的廣濟(jì)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(guò)有機(jī)、清真、猶太認(rèn)證，價(jià)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(chǎng)需求而定。國(guó)內(nèi)鹽藻粉的價(jià)格，依據(jù)β-胡蘿卜素含量，自幾十萬(wàn)到一百多萬(wàn)每噸不等（電商報(bào)價(jià)）。

6.我國(guó)鹽藻產(chǎn)業(yè)歷史和未來(lái)發(fā)展探討

我國(guó)的鹽藻產(chǎn)業(yè)化研究始于1984年，中鹽制鹽工程技術(shù)研究院在輕工部科技司和聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署（UNDP）的支持和援助下，開(kāi)始在天津建立鹽藻養(yǎng)殖及產(chǎn)品加工的研究團(tuán)隊(duì)，期間有諸多國(guó)際國(guó)內(nèi)研究院校和知名學(xué)者參與，項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和人員培訓(xùn)開(kāi)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(gòu)建，開(kāi)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(jié)晶產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，技術(shù)成果獲得了輕工部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，并在短短幾年時(shí)間內(nèi)建立起一支數(shù)十人的研究和生產(chǎn)技術(shù)隊(duì)伍。1991年左右，項(xiàng)目轉(zhuǎn)移至內(nèi)蒙古吉蘭泰（現(xiàn)蘭太實(shí)業(yè)），開(kāi)始逐步建立養(yǎng)殖基地，進(jìn)行規(guī)?；B(yǎng)殖（感謝原中鹽制鹽工程技術(shù)研究院張俊杰老師提供信息）。之后國(guó)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(kāi)始啟動(dòng)新建鹽藻養(yǎng)殖項(xiàng)目，如天津長(zhǎng)蘆鹽場(chǎng)、內(nèi)蒙達(dá)拉特旗、山西運(yùn)城、甘肅高臺(tái)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(zhǎng)，最佳的生長(zhǎng)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(duì)照組的5~6倍；最適光照密度為200~350μmol/㎡/s；鹽藻在高鹽、強(qiáng)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(yáng)光輻射強(qiáng)、少云、氣候溫暖、并有咸水可以利用。

從資源條件講，我國(guó)還是具有發(fā)展鹽藻產(chǎn)業(yè)的一定優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(lái)發(fā)展培訓(xùn)了一大批科研和生產(chǎn)技術(shù)人員。

從市場(chǎng)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(chǎng)需求，即有數(shù)倍于當(dāng)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(biāo)定位在高附加值的保健品生產(chǎn)，期望暴利而去開(kāi)拓這個(gè)新項(xiàng)目，以老俞個(gè)人的觀點(diǎn)，恐怕最終失望的可能性很大。

依據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和自身實(shí)力，找好企業(yè)定位，由此設(shè)計(jì)項(xiàng)目規(guī)模、工藝路線和產(chǎn)品類型，建立投資門檻和技術(shù)門檻，制定企業(yè)發(fā)展的計(jì)劃，控制發(fā)展節(jié)奏，說(shuō)起來(lái)都已經(jīng)是大路的不能再大路的套話了，但事實(shí)上按這個(gè)套路去做的卻也是寥寥無(wú)幾。

當(dāng)然還是希望鹽藻這個(gè)本該在中國(guó)早發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，后發(fā)制人，繼續(xù)發(fā)揚(yáng)中國(guó)人做什么都能做成白菜價(jià)的風(fēng)格和能力，能短期內(nèi)把這個(gè)產(chǎn)業(yè)推進(jìn)到世界第一的位置。

有很多朋友非常關(guān)注養(yǎng)殖技術(shù)工藝，建設(shè)養(yǎng)殖場(chǎng)等具體的問(wèn)題，這些東西以后會(huì)慢慢提上來(lái)，大家一起參與探討。

俞建中博士系列藻類科普文章鏈接：

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第一篇——什么是微藻

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第二篇——微藻的商業(yè)化開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第三篇——微藻培養(yǎng)簡(jiǎn)介

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第四篇——紫球藻

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第五篇——雨生紅球藻

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第六篇——蝦青素與其功效

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第七篇——鹽藻與β-胡蘿卜素

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第八篇——地木耳、發(fā)菜和葛仙米

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第九篇——微藻與不飽和脂肪酸

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第十篇——裸藻（Euglena）

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第十一篇——螺旋藻（一）

光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻 第十二篇—— 小球藻