走进藻蓝 | 藻蓝蛋白的科普知识

本文转载自光语生物；作者：俞建中博士（微信号：Scophy117）

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（以下正文）

因为不同地区的翻译和商业名称的问题，首先列个中英对照的表格，对本文中提到的相关称呼进行限定。清一色的“phyco”前缀，看的人眼花缭乱、头晕目眩。（注：phyco-，意思为藻的/与藻相关的）

表1. 文中名词的中英文对照

几个名词解释

第一段简单介绍一下藻蓝蛋白相关的背景知识。

（一）藻胆素（phycobilin）

藻胆素是一类由4个吡咯环通过甲烯基连接成直链结构的发色团物质，现在发现的藻胆素有四种，分别是藻红胆素、藻蓝胆素、藻紫胆素和藻尿胆素，相应的结构及特征如下图1和表2描述。

图1. 几种藻胆素的化学结构.（a）藻红胆素（phycoerythrobilin），（b）藻蓝胆素（phycocyanobilin），（c）藻紫胆素（phycoviolobilin）和（d）藻尿胆素（phycourobilin）。

表2. 四种藻胆素的特征

这类以4个吡咯环为基本结构的物质，还有叶绿素和血红蛋白

图2. 叶绿素和血红蛋白中的四吡咯环结构（形成环状）

（二）藻胆蛋白（phycobiliprotein）

藻胆蛋白：在蓝藻和红藻等物种中，若干数量的藻胆素与特定的可溶性蛋白以二硫键结合，这个复合物质我们称之为藻胆蛋白，通常一个藻胆蛋白中含有8个以上藻胆素。结合藻蓝胆素的藻胆蛋白就称为藻蓝蛋白，结合了藻红胆素就称为藻红蛋白，结合了藻紫胆素就称为藻红蓝蛋白。藻胆蛋白在细胞中的作用是在光合作用的过程中将光能传递给叶绿素，而其中藻胆素的作用是能有效是吸收红、橙、黄、绿等特定波长的光（叶绿素无法有效吸收的光波长范围）。如浅水藻类中藻胆素通常是擅长吸收红/黄光，而深水水域藻类中含有的藻胆素往往更擅长吸收绿光。

图3. 藻胆素（上图黑点结构）与一些可溶性蛋白结合形成藻胆蛋白（亚基），图中a、b分别为藻蓝蛋白的α和β亚基。

（三）藻胆体（phycobilisome）

藻胆体：藻胆体是蓝藻和红藻主要的光合天线复合体，它们在叶绿素绿光能隙（green-gap）中获取光能，并将高量子效率的激发能转移到光合反应中心，通常是光系统II (PS-II)。结合下面的模式图，我们可以了解到，藻胆体位于类囊体膜上，结构上，从外（顶端）到内依次是藻红蛋白、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白，再往内是叶绿素，整个结构就是个一个捕光天线，能量传递的顺序也遵循这个顺序。

图4. A. 位于类囊体膜上的藻胆体的示意，B。能量转移（包括电荷分离）的步骤。每个藻胆体包含一个由别藻蓝蛋白组成的核心，从这个核心，由藻蓝蛋白和藻红蛋白组成的几根杆状体向外延伸，起着收集光线的天线的作用，通过这些“杆子”吸收的能量被有效地转移到叶绿素色素中，供它们在光合反应中使用。（ATT Bioquest®）

二、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白

藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白的区别主要在于藻胆蓝素连接的蛋白不同，表现在理化属性上，藻蓝蛋白最大吸收峰是620nm，而别藻蓝蛋白的最大吸收峰是652nm（不同藻类的数据或有不同）。

所有的藻胆蛋白（包括藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白）的结构是类似的。以藻蓝蛋白为例，藻蓝蛋白为两个亚基组成异二聚体蛋白，两个亚基称为α和β，其中α亚基联结了一个藻蓝胆素，β亚基联结了两个藻蓝胆素，这样三个二聚体蛋白首尾相连，就成为一个三聚体的甜甜圈式结构，也存在两个三聚体紧密交叠形成六聚体，也是甜甜圈结构，直径都为11nm左右。

在藻胆体上的位置，藻蓝蛋白是伸出来的天线（6-8摞），别藻蓝蛋白是基底的核心（2-5摞）。如下图d所示，两者叠放的方向也是不同的。

图5. 由藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白构成的藻胆体基本结构

上文已经提到过，在许多藻类，尤其是一些红藻中，这个结构还有藻红蛋白的参与，和藻蓝蛋白摞在一起，位于远离别藻蓝蛋白一端，如图6所示。

图6. 有藻红蛋白的藻胆体示意图

商业产品所谓的藻蓝蛋白，作为食品原料级别是包括了藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白的混合物。单纯的别藻蓝蛋白通常开发作为荧光试剂。

三、藻蓝蛋白生产

以蓝藻诞生为基准的话，藻蓝蛋白作为蓝藻进行光合作用不可或缺的成员，出现至今有35亿年左右了，覆盖了生命演化时段的绝大部分进程。藻蓝蛋白是蓝藻实现光合作用高效的基础，尤其体现在450-650nm波长的太阳光子的高效利用，它原始地球就担任能量捕获者的角色，因而被称为生命起源的最重要物质也不过分。

自然界中，蓝藻是藻蓝蛋白最大的来源，藻蓝蛋白（含别藻蓝蛋白）在蓝藻细胞中占很大的比例，以螺旋藻为例，最高可占细胞干重20%，相应的，几乎占藻体总蛋白的1/3左右。如果在特定的培养条件下（如弱光），藻蓝蛋白的含量能够进一步提高。

图6. 螺旋藻中提取的食品级藻蓝蛋白

除了一些试剂级产品，从螺旋藻中提取藻蓝蛋白是目前藻蓝蛋白商业化生产的主要途径和最简洁手段。新近的研究已经实现了利用转基因技术在大肠杆菌中表达出藻蓝蛋白，但是类似技术要实现产业化，还有很长一段路要走。同时美国FDA在去年也通过了来源于一种红藻Galdieria sulphuraria的藻蓝蛋白产品的一般性安全认证（GRAS Notice (GRN) No. 1000, https://www.fda.gov/media/155000/download），相应的企业也拿出了商业化的产品。另外多说一句，关于Galdieria sulphuraria，即使是在专业圈里，关注度一直不高，后期会专门写一篇。

图7. 红藻Galdieria sulphuraria（National Geographic.）

以螺旋藻藻蓝蛋白规模生产为例，从工艺上讲简单分为以下几个步骤。

（1）破壁：提取的第一步需要把藻的细胞壁打开。常见的破壁技术可分两类，物理手段如高压、机械剪切、冻融、低渗、超声和微波辅助等，化学方法如混合试剂、酶解、酸解、活性剂等等，当然在生产应用中，首先还是要考虑设备与工艺的难易度，以及成本可控性。

（2）溶解：不管原料是干粉还是湿藻泥，都需要把藻蓝蛋白先溶解到水里，这一步通常跟第一步一起执行，为了藻蓝蛋白的稳定，需要对水温进行控制，并涉及离子背景和pH等参数的设置。

图8.浙江宾美生物科技有限公司藻蓝蛋白生产线与检测实验室

（3）分离：固液分离脱渣之后，溶解在水中的藻蓝蛋白通常用利用盐析/蛋白质等电点絮凝等方法先分离出来获得粗品。

（4）纯化：粗品需要进一步纯化去除杂蛋白和不必要的各类离子，应用到盐溶-盐析、过滤、渗透-反渗透、层析等技术原理，纯化这个阶段有诸多的技术创新，诞生了很多新设备，而且因为对产品纯度要求的不同，在应用中工艺设计的差异会非常大。

图9. 溶液状态下藻蓝蛋白能发出荧光（右）

（5）制剂：通过纯化环节，拿到“高”纯度产品在供应市场之前，还有个制剂化的过程，比如配置成一定浓度的水剂或者干粉制剂，为保证产品的稳定性调节pH、加入特定化学物质（如柠檬酸钠）或微胶囊化等处理。

表3. 国外一些生产藻胆蛋白生物制剂的企业及产品

国外一些生产藻胆蛋白生物制剂的企业及产品

四、藻蓝蛋白的商业应用

（一）食品添加剂——色素

藻蓝蛋白是自然界少有的可食用的蓝色色素，而且是绚丽的宝石蓝色。美国FDA于2013/2014年对藻蓝蛋白在一些食品中的应用做出了许可，包括饮料、奶酪、冰激凌、糖果、口香糖、酸奶、布丁等多种常见食品，我国关于藻蓝蛋白制品《食品添加剂 藻蓝》的国家标准也与2021年3月开始实施（GB 1886.309-2020），因而这些年蓝色的食品也变的越来越多见。

图10. 以藻蓝蛋白作为天然的蓝色色素越来越多的运用于各种食品

（二）化妆品

藻蓝蛋白在化妆品中的应用主要也是以色素的形式体现，常见的产品有润肤霜、增白霜、香皂、眼线膏、唇膏等等。

图11. 藻蓝蛋白应用于各类化妆品

（3）生物学功效

藻蓝蛋白的健康功效研究是最近这些年研究最多的内容，足够写一大本书的，研究主要关注在以下方面：抗氧化、抗炎症、抗癌、抗动脉硬化/降血脂、抗菌/抗病毒、免疫调节、神经保护、器官修复、减低药物毒副作用、抑制结石和脂质过氧化、伤口愈合等等。因为法规的问题，以健康食品或药品形式体现的藻蓝蛋白制品还未能面世，多数研究还处在功效实验或临床研究阶段。

图12. 藻蓝蛋白在健康食品领域的应用将是不择不扣的“蓝”海

另外特别涉及一个方面是藻蓝蛋白在光动力治疗方面的应用。用口语解释就是：藻蓝蛋白作为光合作用色素，具有在被特定波长光照到之后放出电子的能力，这个电子实际是具有破坏能力的，打断或破坏一些生物大分子（如蛋白、核酸之类的），因而导致细胞的损伤乃至死亡，利用这个原理，就可以把藻蓝蛋白注射到癌症病灶，辐射以特定波长的光，从而破坏或杀死癌细胞，达到癌症治疗的效果。

（4）生化试剂

藻胆蛋白，包括藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白、以及藻红蛋白是一类能天然发出荧光的物质，具有激发性强、波长偏移宽、摩尔消光系数高、荧光量子产率高等光谱特性，要优于传统的荧光试剂。经过特别手段制备或修饰的藻胆蛋白（主要为藻红蛋白和别藻蓝蛋白）在一些细胞生物学研究手段，如荧光流式细胞术、荧光显微镜、单细胞分析、荧光激发细胞分选及免疫测定法等技术中已经得到应用。

图13. 生化制剂领域的藻蓝蛋白产品

五、藻蓝蛋白的产业现状与未来

说产业之前先说科研，产业不好评估，科研倒是可以看出明显的趋势，下图是在NCBI的PubMed中输入关键词“phycocyanin”，自1942年以来，关于藻蓝蛋白的科学研究论文数量，共计2200多篇，在近些年呈现快速上升的趋势，可见这个研究领域的热门程度。

图14. NCBI-PubMed中以藻蓝蛋白（phycocyanin）为关键词检索，历年来研究论文数量的变化趋势

表3列出了一些国际藻胆蛋白产品生产企业，包含了螺旋藻藻蓝蛋白和一些较为特殊试剂产品。国内至少有五六家藻蓝蛋白生产企业，均生产色素级螺旋藻藻蓝蛋白，因客观原因，未能统计到生产情况。另有中科院南海海洋所等研究单位掌握了高纯度（医药级和试剂级）螺旋藻藻蓝蛋白的生产技术，并有相应产品供应。

图15. 中科院南海所海水螺旋藻藻蓝蛋白精提中试装置及高纯度产品

藻蓝蛋白产品的未来趋势，存量（红海）在作为色素应用，增量（蓝海）在健康食品和药品的开发。

国际天然色素市场，在天然取代合成的趋势下，一直呈现稳定快速上升趋势，估算目前总体市场规模已经接近20亿美元。在蓝色这个区块，藻蓝蛋白是最具优势的产品，而且食品界利用藻蓝蛋白有针对性的开发出来很多新颖的食品，比如蓝色的饮料、冷饮、（植物）奶制品、各种化妆品等等，如能更能好的解决产品稳定性问题，还将有进一步的发展空间。

图16.藻蓝蛋白色素应用于食品和化妆品展现的形形色色

藻蓝蛋白的生物学功效，即针对各类症状或疾病的治疗或辅助治疗的效果，一直是藻蓝蛋白领域研究的重点，从基础研究以及临床试验的结果为依据，虽然目前为法规所局限，藻蓝蛋白开发作为健康食品和药品也只是时间问题。这个领域的市场空间有多大，就不去做预测了，毕竟事在人为，产品的品质基础已经确定的情况下，后期还要靠大家去脚踏实地的做出来，海有多“蓝”就看你藻蓝蛋白上多少量。

图17.藻蓝蛋白为原料的健康食品或许面世在即

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