余小元 谢子健 曹月琴 孔维宝∗∗

（1西北师范大学生命科学学院 甘肃兰州 730070 2重庆行知职业技术学校 重庆 401220）

雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）是一种淡水单细胞绿藻，隶属于绿藻门、绿藻纲、团藻目、红球藻科、红球藻属，该藻能大量积累虾青素（astaxanthin）而呈现红色，故名红球藻。雨生红球藻是继螺旋藻（Spirulin）、小球藻（Chlorella）研究开发之后发现的又一种富含营养价值和药用价值的经济微藻，主要活性成分包括虾青素、多糖、蛋白质和脂质等，2010年被我国批准为新资源食品。雨生红球藻被公认为自然界中生产天然虾青素的最佳生物来源，其虾青素含量约占细胞干重的2.7%～3.8%。虾青素在清除自由基、抗衰老、抗肿瘤和免疫调节等方面都显示出良好的生物学活性，被广泛应用于功能性食品、医药、化妆品和功能饲料等领域[1]。此外，雨生红球藻含有的其他活性物质，例如，微藻多糖、蛋白质及富含不饱和脂肪酸的油脂等，也具有较高的研究和开发价值[2]。本文总结了雨生红球藻的生物学特性、胞内主要生物活性物质及功能、培养技术及综合应用，旨在为雨生红球藻生物资源的综合开发利用提供参考。

1 雨生红球藻的生物学特征

1.1 生活史 雨生红球藻是一种生长在淡水中的单细胞绿藻，其生长过程主要分为2个阶段：绿色营养细胞阶段和不动细胞阶段（图1）。前期在适宜的培养条件下，雨生红球藻的生长处于绿色营养细胞阶段，主要特征为细胞表面有2条鞭毛，鞭毛可运动并帮助细胞进行光合作用或营异养生活；随着环境因素的变化，雨生红球藻进入不动细胞阶段，鞭毛消失，并开始合成虾青素。根据其颜色、形态又分为3个过程状态：绿色不动细胞、桔黄色不动细胞和红色孢囊，其中桔黄色不动细胞是积累虾青素的最佳阶段。最后随着细胞变为孢囊的过程，红色逐渐加深，这表示细胞已成熟，虾青素已大量积累[3]。

1.2 环境因素 在适宜的环境条件下，雨生红球藻细胞能健康生长，而不利的因素能有效促进虾青素和脂质等生物活性物质的积累。影响雨生红球藻生长代谢过程的主要环境因素包括光照、pH和温度。

1.2.1 光照 光照对包括雨生红球藻在内的微藻的生长和代谢产物积累具有重要作用。雨生红球藻生长所需的最适光照强度具有藻种特异性。一般来说，适宜于红球藻生长的光照强度为50～100 μmol/(m2·s)。高光强是刺激虾青素合成的重要诱导因素之一，高光胁迫能使藻细胞光合系统产生过量活性氧，进而刺激虾青素的合成，以减缓活性氧对藻细胞的光氧化损伤。此外，光质也会影响雨生红球藻细胞的生长和虾青素的积累，红光可促进藻细胞的生长，而蓝光更有利于虾青素的积累[4]。综上，高光照强度促进虾青素的积累是以牺牲藻细胞的生长为代价的，光照强度过大会导致红球藻细胞大量死亡。因此，从保证藻细胞正常生长和虾青素积累的双重目的考虑，在培养雨生红球藻细胞时可采用在不同培养阶段提供不同光照强度和光质的方式进行。

1.2.2 pH pH是影响雨生红球藻生长速度快慢的重要因素之一。绿色营养细胞阶段对环境pH的改变尤其敏感，其生长状况与培养液的pH稳定性关系密切。雨生红球藻生长的最适pH一般为7～8。有研究发现，4株雨生红球藻的光合放氧速率随pH变化分为2种类型：一种是随着藻液pH上升，光合放氧速率经历了上升—最大值—下降的变化；另一种趋势是随着藻液pH上升，光合放氧速率持续下降[5]。这说明，培养液的pH会影响雨生红球藻的光合放氧速率，进而影响其生长，而最适pH也因藻种不同而存在差异。从保证藻细胞生长的角度考虑，在培养过程中控制适宜的pH是获得高生物量和代谢物的有效方法。

1.2.3 温度 在光合自养条件下，雨生红球藻生长的最适温度一般为20～27℃。当温度升至27℃时，藻细胞生长开始逐渐变慢；28℃时藻细胞由游动又变为不动，开始积累虾青素。苗凤萍等[6]发现在15～28℃的培养温度范围内，雨生红球藻的生长和虾青素的积累均经历了上升—最大—下降的趋势，低温和高温均不利于藻细胞生长和虾青素合成；在22℃和25℃时，藻细胞干重和虾青素含量均较高，呈现较高的同步性。然而在混合营养或异养培养条件下，较高的温度（例如，28℃）反而有利于雨生红球藻利用有机碳源，此温度下虾青素的合成也更高效。

2 雨生红球藻细胞中的活性物质及其功能

2.1 虾青素 虾青素是一种酮式次级类胡萝卜素，其分子由2个β-紫罗酮环通过多烯链相连构成，分子式为C40H52O4，相对分子质量为596.84。雨生红球藻中合成、积累的虾青素，其含量约占细胞干重的2.7%～3.8%，是天然虾青素生产的理想生物来源。当雨生红球藻细胞生长处于胁迫条件（例如，强光、高盐、高温或添加外源诱导物等）时，开始大量积累虾青素。虾青素为脂溶性色素，分为游离态和酯化态2种存在形式。其中，雨生红球藻95%的虾青素以更稳定的酯化态形式存在，主要通过与棕榈酸、油酸或亚油酸等脂肪酸的羧基结合，形成虾青素单酯和虾青素二酯，并储存在富含三酰甘油的胞质脂质体中[7]。

虾青素的生物学活性主要表现为较强的抗氧化、抗炎症反应、抗衰老、抗糖尿病、预防心血管疾病、预防和治疗眼疲劳、增强免疫力和抗癌活性等。虾青素分子结构中含有多个共轭双键，分子末端的不饱和酮基和羟基中含有大量活泼电子，可提供电子给自由基或吸引自由基的未配对电子，从而使自由基形成稳定结构，生成新的化学物质，起到抗氧化作用。虾青素可穿过细胞膜，抑制磷脂双分子层的过氧化，保护细胞膜结构，其抗氧化活性是其他类胡萝卜素的10倍，是维生素E的500多倍，被称为“超级抗氧化剂”。

2.2 多糖 微藻多糖由于资源种类丰富、化学结构独特等优势被广泛关注，并显示出良好的抗氧化、抗肿瘤、抗炎、降血脂、增强机体免疫力等生物学活性。研究表明，雨生红球藻多糖具有良好的清除自由基能力，以及促进血栓溶解、抑制肿瘤细胞增殖和减轻重金属离子对机体的毒害作用等多种功能，在生物医药和化妆品开发行业均具有良好的开发利用空间。

刘涵等[8]对雨生红球藻3种粗多糖的单糖组成进行分析，结果显示，各组分单糖组成复杂，主要含有半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、葡萄糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、木糖、鼠李糖、岩藻糖、葡萄糖胺和半乳糖胺，其中，半乳糖含量最高（大于20%）。此外，以提取虾青素后的雨生红球藻藻渣为原料，在体外免疫细胞模型活性跟踪下，对超声辅助提取的雨生红球藻粗多糖（Haematococcus pluvialispolysaccharide，HPP）进行分离纯化和免疫活性测试，结果显示，5个多糖组分中HPP-c3的免疫活性较好且含量较高。这表明，雨生红球藻多糖具有良好的研究和开发价值。

2.3 蛋白质 雨生红球藻蛋白质含量较高，氨基酸种类丰富，是潜在的优质植物蛋白质来源。研究表明，雨生红球藻中粗蛋白含量约为26%[9]。已检测到雨生红球藻蛋白质中含有15种氨基酸，其中，含6种必需氨基酸（亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、异亮氨酸）和9种非必须氨基酸（谷氨酸、天冬氨酸、精氨酸、丙氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丝氨酸、酪氨酸、组氨酸）[10]。目前，对雨生红球藻蛋白质（例如，藻胆蛋白的结构与功能）的研究还较为缺乏，但根据藻蛋白三维结构的相似性，可推测雨生红球藻蛋白质具有与螺旋藻藻蛋白相似甚至更高的抗高血压、抗肿瘤及免疫调节等生物学活性，在食品、保健品和医药等领域具有研究、开发潜力。

2.4 油脂 由于生物柴油和功能性食用油脂开发的市场需求，一直以来，对微藻油脂的研究、开发是微藻研究领域持续攻关的热点和重点内容。雨生红球藻在产生虾青素、多糖和蛋白质的同时，也能积累不同含量的油脂，其油脂含量因藻种品系和培养条件不同而存在差异。季晓敏等[11]采用超临界CO2流体从破壁的雨生红球藻藻粉中萃取油脂，经甲酯化后采用气相色谱-质谱联用仪分析脂肪酸组成，共鉴定出23种脂肪酸，其中，不饱和脂肪酸占总脂肪酸的71.53%，主要脂肪酸组成为棕榈酸、油酸、亚油酸和亚麻酸，组成与植物油脂组成相似。另有研究表明，在正常培养条件下，雨生红球藻细胞中的总脂含量为细胞干重的12.01%，但在高光、缺氮、高光及缺氮3种胁迫条件下油脂含量显著提高，分别占细胞干重的56.92%、46.71%和46.87%；而脂肪酸成分在胁迫条件下无明显变化，主要的脂肪酸成分为棕榈酸、亚油酸和亚麻酸，与此同时，胁迫条件也提高了虾青素的合成量。考虑到雨生红球藻具有混合营养能力，因此，可通过在培养基中添加有机碳源，实现雨生红球藻细胞在高密度生长的同时，获得较高的油脂和虾青素产量。相比于光合自养模式，混养培养具有促进细胞生长、联产油脂与虾青素的显著优势。

3 雨生红球藻的营养方式与规模化培养技术比较

3.1 营养方式 作为一种真核微藻，雨生红球藻除了能利用CO2、碳酸盐或碳酸氢盐为主要碳源进行光合自养生长外，还能在有机碳源存在的条件下进行混合营养或异养生长。雨生红球藻在3种营养方式下生长特性的比较如表1所示[12-13]。与传统的光合自养生长模式相比，在微藻基础培养基中添加适宜浓度的有机碳源（例如，乙酸钠或葡萄糖）可使藻细胞处于混合营养模式，即光合作用和有机碳的氧化代谢同时存在，可显著促进雨生红球藻细胞的生长，并能促进脂质和虾青素的合成，是一种较为理想的培养模式。当然，雨生红球藻是否具备混合营养或异养生长能力，与藻株品种本身的遗传特性直接相关，对不同有机碳源种类的利用及其浓度耐受性也存在较大的种间差异。

表1 2种营养方式下雨生红球藻的生长特性比较

3.2 规模化培养技术 雨生红球藻规模化培养系统可分为开放式和封闭式培养系统2种类型。其中开放式培养系统主要有开放池或跑道池；封闭式培养系统主要包括立柱式、管道式、薄膜式、平板式、半球体式光生物反应器和贴壁培养技术等。对雨生红球藻不同规模化培养技术的优、缺点比较总结如表2[13]。不同的培养技术需要不同的培养设备、材料和操作参数，不同技术也有各自的优势和不足，在实际生产中，应根据藻种生长特性、培养规模和产品质量要求选择适宜的技术。

表2 雨生红球藻规模化培养技术比较

4 雨生红球藻综合利用思路及其应用

雨生红球藻具有极高的综合利用价值。从资源利用价值最大化的角度考虑，应依据生物炼制理念，对雨生红球藻的胞内、外活性物质进行集成化、全链条开发利用，实现其经济价值最大化。对雨生红球藻综合开发利用的建议技术路线如图2所示。采用光合自养或光合自养与混合营养相结合的营养模式，通过2步培养法（绿色营养细胞培养—刺激转变为红色孢囊）可获得藻细胞密度、虾青素和其他生物活性物质含量较高的雨生红球藻细胞[14-15]。藻细胞经过采收、破壁、干燥后可直接作为原辅料，开发制成功能饲料添加剂、化妆品辅料、畜禽或水产饲料添加剂等；此外，也可用雨生红球藻藻粉为提取原料，通过集成分离纯化技术，分别制得高纯度的虾青素、脂质、藻蛋白和多糖，用于生产保健食品、特效药品、护肤品、生物柴油和其他生物制剂，应用于医药保健、功能食品、化妆品、功能饲料和生物能源等行业，实现雨生红球藻资源的最大化、高值化利用。

5 展望

雨生红球藻由于富含天然虾青素、不饱和脂肪酸、优质蛋白和多糖，具有很高的研究和开发利用价值。尤其是国内、外市场对天然虾青素的需求旺盛，开发潜力巨大。但在雨生红球藻的研究和开发进程中，还存在以下几个方面的问题需要进一步探索解决，为雨生红球藻资源的开发利用提供基础研究支撑：1）雨生红球藻合成虾青素、虾青素酯和脂肪酸的生物合成途径、中间代谢物转化、合成途径关键酶的表达与调控，以及三者之间的相互关系需要进一步深入探究；2）雨生红球藻培养与虾青素积累的研究还主要停留在实验室小试水平，中试和大规模生产的研究工作相对较少；3）雨生红球藻虾青素的研究比较广泛、深入，但对藻多糖、藻蛋白和油脂的研究尚不全面；4）目前市场上虽有雨生红球藻藻粉和虾青素提取物，但市场化开发的雨生红球藻产品种类尚不丰富，市场占有率较低。希望通过微藻领域科技产业技术人员的通力攻关，使雨生红球藻资源能成为造福人民生命健康，助推微藻产业高质量发展的又一“明星微藻”。