光语带你认识微藻
第七篇——盐藻与β-胡萝卜素
单位：上海光语生物科技有限公司
微信公众号：Leadingtec
作者：俞建中（微信号：Scophy117）
参考文献:
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
盐生杜氏藻（以下称盐藻）的基础生物学知识在前面讲过一些（见第一和第二篇），因为这个品种在最近几年还是火了一把的，大众对此多少有了点了解。
在给大家介绍盐藻之前，大家有必要认识当前的两位微藻研究界的大牛学者，澳大利亚的Michael A. Borowitzka 和以色列的Ami Ben-Amotz，这两位学者的研究工作，为当前盐藻的产业化起到了极大的推动和促进作用。
1.0盐藻的简介
盐藻两大特征：耐盐和富集β-胡萝卜素，前者确定了它的生产方式，后者决定了它的市场用途。
盐藻的商业化开发开始于上世纪八十年代，作为最优秀的天然β-胡萝卜素生产者，应用于药物开发、功能食品、水产养殖和动物饲料工业。
有关盐藻最早的科学记录见于1836年，一个叫Turpin的研究者，发现盐湖发红的原因是含有微小的藻类，他将之命名为卡里球藻（Globularia kermesina）。几乎是同时，Michel Felix Dunal 在法国南部蒙彼利埃（Montpellier）的盐田中发现池中水呈红色，就探究是什么原因造成的，经过观察发现是有藻类生存在其中，当时观察到的细胞有黄有绿，就分别命名为盐生血球藻（Haematococcus salinus）和盐生原绿球藻（Protococcus salinus）。1905年，Teodoresco 正式命名了杜氏藻属（Dunaliella），将Dunal发现的藻定为盐生杜氏藻（Dunaliella salina）的模式种。而后的100年左右时间，更多的杜氏藻属种类被发现，某些种对盐度的耐受甚至可高至饱和。
而对于规模生产来说，盐度耐受高、β-胡萝卜素含量高的盐生杜氏藻（有称巴氏盐藻，D. bardawil）几乎是目前唯一的应用种类，有研究报道称某个株系的β-胡萝卜素可高达16%。盐生杜氏藻广泛分布在世界范围内的盐湖和咸水水体，在南极和沙漠湖泊都有发现。
盐藻细胞一般有卵形、梨形、椭圆柱、椭球（尤其是红色细胞阶段）等形状，通常辐射对照；细胞长为5-30微米，宽度在4-20微米，通常生长分裂快的细胞个头较小。盐藻在绿色浮游细胞阶段，有鞭毛，无细胞壁，而在富集β胡萝卜素的黄色细胞阶段，会在细胞表面形成一个多糖和蛋白复合物质地的外壁。
盐藻带有一个杯状的色素体，带有蛋白核和淀粉核，依胡萝卜素含量不同，颜色能从绿至红，胡萝卜素形成深色“油粒”存在于色素体中（见图3）。盐藻的生活周期，我们撇去那些专业名词，见图4可一目了然。
（By Ami Ben-Amotz & Mordhay Avron）
盐藻是目前已知最耐盐的真核生物，能生活在10%到30%（饱和）盐度的水体中，为了对抗盐度的胁迫，盐藻在富集β-胡萝卜素的同时，积累甘油作为保护剂。盐藻能耐受40℃的温度，但是在高温下，细胞不会繁殖生长。盐藻中，β-胡萝卜素有两种异构体，反式（通常是9’-反式）和全顺式（all-trans），这两种结构的比例受到多个环境因子的影响，如光照、温度和盐度等。除了β-胡萝卜素，盐藻还能够产生斑蝥黄素。β-胡萝卜素产生的原因现在尚不明确，其富集含量的高低与盐度、光照、营养盐等因素有关。除了β-胡萝卜素外，盐藻还产生其他绿藻中常见的类胡萝卜素，如玉米黄素、叶黄素、新黄质、紫黄质、隐黄质和α-胡萝卜素等，另有研究报道，可通过基因工程实现利用盐藻富集玉米黄素，以及生产八氢番茄红素/六氢番茄红素。
a.9-cis-β-胡萝卜素, b. all-trans-β-胡萝卜素。
（*化学合成的β-胡萝卜素均为全顺式）
其他品种的杜氏藻也能产生各种类胡萝卜素，如帕尔瓦杜氏藻（D. parva）产β-胡萝卜素，伪盐生杜氏藻（D. pseudosalina）产斑蝥黄素，另有一些杜氏藻种株能够在低温等极端环境下产生α-胡萝卜素。
2.盐藻的规模化培养
大规模盐藻养殖于上世纪六十年代后期在乌克兰进行了尝试，但真正商业化生产是在澳大利亚、以色列和美国于上世纪八十年代得以实现。
目前主要的两种盐藻养殖方式是：1. 粗放的开放式浅池培养，利用天然的大水面湖泊，无搅拌；2. 开放式跑道池养殖方式，采用轮桨搅拌。
方式1在澳大利亚的赫特泻湖（Hutt Lagoon，如图7所示）和怀阿拉，两个区域的年辐照度高、气候温和、降雨少，两地的养殖（池/湖）面积均在700公顷以上，单个池/湖的面积均在200公顷以上，是世界产量最大的盐藻生产基地。
（Betatene公司，原属德国药企科宁公司Cognis，现属巴斯夫？）
（*湖水的粉红色其实主要是由一种嗜盐细菌引起的，盐藻所形成的水色主要为黄棕色）
方式2见于以色列、印度和中国，采用跑道池方式养殖，如图7所示以色列埃拉特（ Eilat ）的NBT (Nature Beta Technologies)公司养殖基地和图8所示内蒙古兰太公司养殖基地。
跑道池一般养殖深度为20-30厘米，用轮桨搅拌，单个池的面积最大可达3000平方米或更大。这几个区域依靠抽取海水或地下卤水进行养殖，因受限于天气/气候，难以保证全年生产。
另外，管道式培养方式也有进行过尝试，但是目前没有成功的案例，如在西班牙穆尔西亚（Murcia）曾建立规模化管道式盐藻养殖场（图9），但因虫害和污染的问题，几乎未能真正顺利运行过。
（From Ami Ben-Amotz’s PPT）
3.盐藻β-胡萝卜素的安全性
盐藻所含的β-胡萝卜素含有顺式和反式两种结构，而且提取后得到的产物依然含有，同时提取物中还含有少量其他种类的类胡萝卜素。因此出自盐藻的天然类胡萝卜素作为营养补充剂被广泛接受，其功效的研究进一步得到深入毒理实验发现长期摄入盐藻类胡萝卜素（提取或未提取）对人体无有害作用；
人体对β-胡萝卜素的吸收率变动很大，从胡萝卜等食物（生食）中摄取吸收β-胡萝卜素的效率不到5%，从肠道吸收类胡萝卜素需要脂肪的协助，吸收进入乳糜，然后进入血液。而使用类胡萝卜素营养品（高浓度含量）的吸收效率可高达70%或更多，在食物中，β-胡萝卜素或者溶于油脂中（如红棕榈油），或者在蔬菜和水果的基核中，如胡萝卜素，β-胡萝卜素与不可消化的多糖、可消化的多糖和蛋白质形成一个复杂的基核，因此瓜果蔬菜中的β-胡萝卜素通常吸收效率很低。而较多的研究发现，摄入油萃取得到的β-胡萝卜素（如溶于植物油的β-胡萝卜素），其吸收效果要优于直接食用干粉提取物，更大大高于食用常规果蔬。
- β-胡萝卜素的生物学功效与应用
（1）天然色素
通常认为合成的类胡萝卜素因为化学构象的问题，生物利用度低，并可能具有一定的毒性效应，而产自藻类的类胡萝卜素，不同化学构象之比值较为符合生物的需求，因此，近些年，盐藻所产的类胡萝卜素作为天然色素，开始逐渐取代化学合成的色素，应用于饮料、食品等领域。
（2）营养素
β-胡萝卜素能在体内代谢成为维生素A，传统的，将β-胡萝卜素作为维生素A补充剂。而维生素A的功效已为广泛验证，如可合成视觉系统所需的色素及皮肤护理（抗紫外）。其他的一些研究发现其对蛋白合成，RNA合成、细胞分裂、细胞膜稳定性、粘液分泌、性发育及繁殖过程、精子产生、卵子发育、对肾上腺与甲状腺的功能具有积极作用；以及维持代谢率和能量水平、体温和生长、皮肤紧致度、对消化道内层的作用、骨骼发育和重塑，以及对肝脏的积极作用。
（3）医学应用
β-胡萝卜素在医学中的应用也较为广泛。
A.抗氧化：类胡萝卜存在于质膜中（如细胞膜和细胞器膜），当辐射产生在膜内部时，β-胡萝卜素可起到有效的抗氧化作用。
B.癌症：β-胡萝卜素在免疫应答和细胞间隙连接通讯具有积极的作用，此两种可以起到预防癌症的作用。大量的医学研究发现，血清中胡萝卜素含量高于平均值的人群，癌症和心血管类疾病的发病率较低，而研究同时也发现，使用化学合成的全顺式β-胡萝卜素，并不能降低这两种疾病的发病率，甚至在部分人群中会提高发病率（如提升吸烟人群的肺癌发作几率）。更多的研究认为，饮食中摄入的天然β-胡萝卜素能够起到预防此类疾病的作用。
C.心血管疾病：盐藻β-胡萝卜素对胆固醇的影响显著，如抑制实验小鼠血液总胆固醇的提升；降低实验动物血浆中甘油三酯的含量，与类降脂药（贝特）一起服用可用于治疗高血脂病人；提升实验小鼠血液高密度（HDL）胆固醇含量，同样与类降脂药（贝特）一起作用于低含量HDL胆固醇病人时，可提升HDL胆固醇含量。因此盐藻β-胡萝卜素可降低动脉粥样硬化的发生几率。
（D）其他医学功效有：作为维生素A前体，改善视力，预防白内障和（眼）黄斑变性；免疫调节与皮肤保护、肝脏保护、抗衰老
5.盐藻生产与市场
盐藻β-胡萝卜素目前已经是世界类胡萝卜素市场主要的产品之一（其他有虾青素、番茄红素、叶黄素、玉米黄素等），主要作为食品和虾类养殖用的天然色素，以及维生素A前体。
最早的盐藻（及盐藻β-胡萝卜素）生产商有澳大利亚的Western Biotechnology和Betatene公司，而以色列的Nature Beta Technologies (NBT) 公司几乎是同期创建。Western Biotechnology和Betatene公司在1997年同属于科宁公司（Cognis Nutrition and Health，现属巴斯夫公司），该公司属于世界主要的天然β-胡萝卜素生产企业。其他有美国、印度和中国的企业，但是总体规模和产量略逊。
我国最早进行盐藻养殖的是中盐制盐工程技术研究院（位于天津），而后又将技术传播至内蒙古兰太（同属中盐集团），近两年亦有若干企业进入此行业，但规模和产量未知。
按2004年的估算，全世界每年盐藻的总产量约为1200吨。2010年全世界β-胡萝卜素（含合成）总市场规模约为2.6亿美元，近些年约已升至3亿美元，预期到2018年达到3.3亿美元，但目前天然β-胡萝卜素市场份额只占很少一部分。
（天然β-胡萝卜素还可以通过发酵真菌三孢布拉霉进行生产，如位于西班牙的Vitatene公司，现亦属巴斯夫；中国的广济药业）
盐藻β-胡萝卜素的产品较为多样化，以科宁公司为例，其主要产品有1-20%含量的水分散粉/“水溶”粉，20–30%油悬浮剂，以及干藻粉，均通过有机、清真、犹太认证，价格从300至3000美元每公斤不等（纯天然β-胡萝卜素原料约为1000-2000美元/公斤，合成产品一般为400-800美元/公斤），因不同产品形式和市场需求而定。国内盐藻粉的价格，依据β-胡萝卜素含量，自几十万到一百多万每吨不等（电商报价）。
6.我国盐藻产业历史和未来发展探讨
我国的盐藻产业化研究始于1984年，中盐制盐工程技术研究院在轻工部科技司和联合国开发计划署（UNDP）的支持和援助下，开始在天津建立盐藻养殖及产品加工的研究团队，期间有诸多国际国内研究院校和知名学者参与，项目从实验室建设和人员培训开始，从室内培养到室外中试，以及盐藻采收和β-胡萝卜素提取等工艺的构建，开发产品包括了藻粉、β-胡萝卜素粉剂/油剂、β-胡萝卜素微胶囊，盐藻提取物和盐藻软胶囊等，尤其是建立了β-胡萝卜素结晶产品的生产工艺，技术成果获得了轻工部科技进步一等奖和国家科技进步三等奖，并在短短几年时间内建立起一支数十人的研究和生产技术队伍。1991年左右，项目转移至内蒙古吉兰泰（现兰太实业），开始逐步建立养殖基地，进行规模化养殖（感谢原中盐制盐工程技术研究院张俊杰老师提供信息）。之后国内的盐藻产业一直未有大发展，直至最近几年才有部分地区开始启动新建盐藻养殖项目，如天津长芦盐场、内蒙达拉特旗、山西运城、甘肃高台等地，但规模和产量未知。
按照研究数据，盐藻能在25~40℃的稳定区间能生长，最佳的生长温度为25~32℃之间；在5~20%的二氧化碳浓度下显示较高的生物量，为充入空气的对照组的5~6倍；最适光照密度为200~350μmol/㎡/s；盐藻在高盐、强光、胁迫温度和限氮的情况下，能够积累5～12%的β-胡萝卜素。因此，养殖盐藻的区域要求阳光辐射强、少云、气候温暖、并有咸水可以利用。
从资源条件讲，我国还是具有发展盐藻产业的一定优势，比如盐资源极其丰富，北方大量荒漠戈壁等非耕地可利用，且光照充足，可实现季节生产，多年微藻研究工作的积累和螺旋藻、小球藻等微藻产业的发展，为盐藻产业未来发展培训了一大批科研和生产技术人员。
从市场需求看，仅以天然β-胡萝卜素取代合成β-胡萝卜素的部分市场需求，即有数倍于当前产业盐藻产业规模的空间。但如果把产业目标定位在高附加值的保健品生产，期望暴利而去开拓这个新项目，以老俞个人的观点，恐怕最终失望的可能性很大。
依据产品特点和自身实力，找好企业定位，由此设计项目规模、工艺路线和产品类型，建立投资门槛和技术门槛，制定企业发展的计划，控制发展节奏，说起来都已经是大路的不能再大路的套话了，但事实上按这个套路去做的却也是寥寥无几。
当然还是希望盐藻这个本该在中国早发展起来的产业，后发制人，继续发扬中国人做什么都能做成白菜价的风格和能力，能短期内把这个产业推进到世界第一的位置。
有很多朋友非常关注养殖技术工艺，建设养殖场等具体的问题，这些东西以后会慢慢提上来，大家一起参与探讨。
俞建中博士系列藻类科普文章链接：
