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作者：俞建中博士（微信號(hào)：Scophy117）
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（文中來源于網(wǎng)絡(luò)或他人的圖片，版權(quán)歸原作者所有，本文僅用于科普宣傳，不涉及任何商業(yè)利益，本系列所有前篇及后篇均遵守此規(guī)則，他人如有轉(zhuǎn)引，敬請尊準(zhǔn)！）
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（以下正文）
因?yàn)椴煌貐^(qū)的翻譯和商業(yè)名稱的問題，首先列個(gè)中英對照的表格，對本文中提到的相關(guān)稱呼進(jìn)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(gè)名詞解釋
第一段簡單介紹一下藻藍(lán)蛋白相關(guān)的背景知識(shí)。
（一）藻膽素（phycobilin）
藻膽素是一類由4個(gè)吡咯環(huán)通過甲烯基連接成直鏈結(jié)構(gòu)的發(fā)色團(tuán)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(lán)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(gè)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(lán)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(gè)復(fù)合物質(zhì)我們稱之為藻膽蛋白，通常一個(gè)藻膽蛋白中含有8個(gè)以上藻膽素。結(jié)合藻藍(lán)膽素的藻膽蛋白就稱為藻藍(lán)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(lán)蛋白。藻膽蛋白在細(xì)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(lán)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(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白，再往內(nèi)是葉綠素，整個(gè)結(jié)構(gòu)就是個(gè)一個(gè)捕光天線，能量傳遞的順序也遵循這個(gè)順序。
藻藍(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白的區(qū)別主要在于藻膽藍(lán)素連接的蛋白不同，表現(xiàn)在理化屬性上，藻藍(lán)蛋白最大吸收峰是620nm，而別藻藍(lán)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(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白）的結(jié)構(gòu)是類似的。以藻藍(lán)蛋白為例，藻藍(lán)蛋白為兩個(gè)亞基組成異二聚體蛋白，兩個(gè)亞基稱為α和β，其中α亞基聯(lián)結(jié)了一個(gè)藻藍(lán)膽素，β亞基聯(lián)結(jié)了兩個(gè)藻藍(lán)膽素，這樣三個(gè)二聚體蛋白首尾相連，就成為一個(gè)三聚體的甜甜圈式結(jié)構(gòu)，也存在兩個(gè)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(lán)蛋白是伸出來的天線（6-8摞），別藻藍(lán)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(gè)結(jié)構(gòu)還有藻紅蛋白的參與，和藻藍(lán)蛋白摞在一起，位于遠(yuǎn)離別藻藍(lán)蛋白一端，如圖6所示。
商業(yè)產(chǎn)品所謂的藻藍(lán)蛋白，作為食品原料級別是包括了藻藍(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白的混合物。單純的別藻藍(lán)蛋白通常開發(fā)作為熒光試劑。
三、藻藍(lán)蛋白生產(chǎn)
以藍(lán)藻誕生為基準(zhǔn)的話，藻藍(lán)蛋白作為藍(lán)藻進(jìn)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(shí)段的絕大部分進(jìn)程。藻藍(lán)蛋白是藍(lán)藻實(shí)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(lán)藻是藻藍(lán)蛋白最大的來源，藻藍(lán)蛋白（含別藻藍(lán)蛋白）在藍(lán)藻細(xì)胞中占很大的比例，以螺旋藻為例，最高可占細(xì)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(lán)蛋白的含量能夠進(jìn)一步提高。
除了一些試劑級產(chǎn)品，從螺旋藻中提取藻藍(lán)蛋白是目前藻藍(lán)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(shí)現(xiàn)了利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)在大腸桿菌中表達(dá)出藻藍(lán)蛋白，但是類似技術(shù)要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有很長一段路要走。同時(shí)美國FDA在去年也通過了來源于一種紅藻Galdieria sulphuraria的藻藍(lán)蛋白產(chǎn)品的一般性安全認(rèn)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(huì)專門寫一篇。
以螺旋藻藻藍(lán)蛋白規(guī)模生產(chǎn)為例，從工藝上講簡單分為以下幾個(gè)步驟。
（1）破壁：提取的第一步需要把藻的細(xì)胞壁打開。常見的破壁技術(shù)可分兩類，物理手段如高壓、機(jī)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(lán)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(lán)蛋白的穩(wěn)定，需要對水溫進(jìn)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(lán)蛋白通常用利用鹽析/蛋白質(zhì)等電點(diǎn)絮凝等方法先分離出來獲得粗品。
（4）純化：粗品需要進(jìn)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(gè)階段有諸多的技術(shù)創(chuàng)新，誕生了很多新設(shè)備，而且因?yàn)閷Ξa(chǎn)品純度要求的不同，在應(yīng)用中工藝設(shè)計(jì)的差異會(huì)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(gè)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(lán)蛋白的商業(yè)應(yīng)用
（一）食品添加劑——色素
藻藍(lán)蛋白是自然界少有的可食用的藍(lán)色色素，而且是絢麗的寶石藍(lán)色。美國FDA于2013/2014年對藻藍(lán)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(lán)蛋白制品《食品添加劑 藻藍(lán)》的國家標(biāo)準(zhǔn)也與2021年3月開始實(shí)施（GB 1886.309-2020），因而這些年藍(lán)色的食品也變的越來越多見。
（二）化妝品
藻藍(lán)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(lán)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(dòng)脈硬化/降血脂、抗菌/抗病毒、免疫調(diào)節(jié)、神經(jīng)保護(hù)、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?yàn)榉ㄒ?guī)的問題，以健康食品或藥品形式體現(xiàn)的藻藍(lán)蛋白制品還未能面世，多數(shù)研究還處在功效實(shí)驗(yàn)或臨床研究階段。
另外特別涉及一個(gè)方面是藻藍(lán)蛋白在光動(dòng)力治療方面的應(yīng)用。用口語解釋就是：藻藍(lán)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(gè)電子實(shí)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(xì)胞的損傷乃至死亡，利用這個(gè)原理，就可以把藻藍(lán)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(xì)胞，達(dá)到癌癥治療的效果。
（4）生化試劑
藻膽蛋白，包括藻藍(lán)蛋白、別藻藍(lán)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(qiáng)、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(lán)蛋白）在一些細(xì)胞生物學(xué)研究手段，如熒光流式細(xì)胞術(shù)、熒光顯微鏡、單細(xì)胞分析、熒光激發(fā)細(xì)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(lán)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(lán)蛋白的科學(xué)研究論文數(shù)量，共計(jì)2200多篇，在近些年呈現(xiàn)快速上升的趨勢，可見這個(gè)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(lán)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(lán)蛋白生產(chǎn)企業(yè)，均生產(chǎn)色素級螺旋藻藻藍(lán)蛋白，因客觀原因，未能統(tǒng)計(jì)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(lán)蛋白的生產(chǎn)技術(shù)，并有相應(yīng)產(chǎn)品供應(yīng)。
藻藍(lán)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(lán)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(lán)色這個(gè)區(qū)塊，藻藍(lán)蛋白是最具優(yōu)勢的產(chǎn)品，而且食品界利用藻藍(lán)蛋白有針對性的開發(fā)出來很多新穎的食品，比如藍(lán)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(jìn)一步的發(fā)展空間。
藻藍(lán)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(lán)蛋白領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，從基礎(chǔ)研究以及臨床試驗(yàn)的結(jié)果為依據(jù)，雖然目前為法規(guī)所局限，藻藍(lán)蛋白開發(fā)作為健康食品和藥品也只是時(shí)間問題。這個(gè)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(shí)地的做出來，海有多“藍(lán)”就看你藻藍(lán)蛋白上多少量。
俞建中博士系列藻類科普文章《光語帶你認(rèn)識(shí)微藻》第一輯鏈接：
光語帶你認(rèn)識(shí)微藻 第二篇——微藻的商業(yè)化開發(fā)和應(yīng)用
光語帶你認(rèn)識(shí)微藻 第三篇——微藻培養(yǎng)簡介
光語帶你認(rèn)識(shí)微藻 第六篇——蝦青素與其功效
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俞建中博士系列藻類科普文章《光語帶你認(rèn)識(shí)微藻》第二輯鏈接：
光語帶你認(rèn)識(shí)微藻（第二輯）第一篇 共生藻之蟲黃藻
光語帶你認(rèn)識(shí)微藻（第二輯）第二篇 顆石藻（Coccolithophores）
光語帶你認(rèn)識(shí)微藻（第二輯）第三篇 佐芬根色綠球藻