藻類色素蛋的資源開發和應用研究

陶 冉,位正鵬,崔 蓉,李鈺金

(1.榮成出入境檢驗檢疫局,山東榮成 264300; 2.山東省海洋食品營養研究院,山東榮成 264309)

藻類色素蛋的資源開發和應用研究

陶 冉1,位正鵬2,＊,崔 蓉1,李鈺金2

(1.榮成出入境檢驗檢疫局,山東榮成 264300; 2.山東省海洋食品營養研究院,山東榮成 264309)

大海是一個寶庫,蘊含著大量的海洋生物,其中各種顏色的藻類蘊含著豐富的蛋白質資源,是食品理想的蛋白源,但是人類目前所利用的僅為其中很少的一部分。作為藻類捕光色素的藻膽蛋白是藻類蛋白中的主要成分,是一種水溶性色素蛋白。藻膽蛋白所包含的藻紅蛋白、藻藍蛋白以及別藻藍蛋白均具有一定的熒光特性,并分別呈現紅色、藍色和紫羅蘭色的熒光,因此藻膽蛋白也是理想的天然色素添加劑。近年來由于合成色素添加劑所存在的一些隱患問題以及出現的一系列問題使得尋求天然色素添加劑尤為重要。而藻膽蛋白作為一種蛋白質同時又具有色素特征而深受食品加工業青睞,但是由于自身有一定的缺點,因此如何利用海藻色素蛋白是目前海藻加工業的一個熱點問題,本文從藻膽蛋白的組成、光譜特性、穩定性和應用等方面進行簡單論述。

海藻,蛋白質,藻膽蛋白,天然色素

海藻是海洋中分布最廣的生物,從微小的單細胞生物到長達數十米的巨藻,種類繁多,約 1000種。海藻的蛋白質含量由于品種不同而有所差異。一般來說,棕海藻的蛋白質含量 (干重 3%～15%)比綠海藻或者紅海藻(干重 10%～47%)低[1-2]。除了裙帶菜的蛋白質含量為 11%～24%外,大部分被工業開發的棕海藻蛋白質含量均低于干物質的 15%,但是藻類多糖和藻膠含量高。許多綠海藻,例如石莼屬,其蛋白質含量為干物質的 10%～26%。紅海藻的蛋白質含量更高。甘紫菜蛋白含量為干物質的 47%,而紅毛藻蛋白質則達到了 45%,海水馴化的螺旋藻甚至達到了 65%以上,這些藻類的蛋白質含量比大豆還要高,因此大海是一個豐富的蛋白質寶庫。深海海藻蛋白質含量受季節影響。對法國大西洋沿岸的掌狀紅皮藻屬的品種蛋白質含量進行全年監測,結果發現這種海藻的蛋白質含量為干重的 9%～25%。冬季末和春季的蛋白質含量最高,夏季含量最低[3];實驗發現石莼這個品種的蛋白質含量也受季節影響,主要是因為夏秋季節藻類繁殖比較快,蛋白質積累速度相對比較慢。

1 氨基酸

1.1 一般氨基酸

許多研究人員對海藻蛋白的氨基酸組成進行研究,并與雞蛋及大豆蛋白的氨基酸組成進行對比。天冬氨酸和谷氨酸是大部分海藻蛋白最主要的氨基酸。Munda報道,棕海藻中天冬氨酸和谷氨酸分別占總氨基酸的 22%和 44%[4],在綠海藻U lvarigida和 U lvarotundata這兩個品種中分別占 26%和 32%[5]。紅海藻中天冬氨酸和谷氨酸的含量相對較低。將海藻蛋白與大豆蛋白及雞蛋蛋白的氨基酸組成進行比較推測其營養價值,Pal m aria pal m ata的亮氨酸、纈氨酸和蛋氨酸必需氨基酸含量比較高,這些氨基酸的含量與卵清蛋白接近。另外,異亮氨酸和蘇氨酸的含量接近于豆類蛋白。除組氨酸含量低外, Porphyratenera的必需氨基酸組成非常接近于豆類蛋白。U lvapertusa中纈氨酸、亮氨酸和賴氨酸是含量比較高的必需氨基酸,其組氨酸含量與豆類蛋白及雞蛋蛋白質接近[6]。

1.2 特殊氨基酸

海藻蛋白除含有一般的氨基酸外,還含有一些具有特殊功能性的氨基酸。海藻尤其是紅藻和綠藻植物,含有多種具有生理功能的氨基酸,如:有降壓以及調節血脂平衡作用的褐藻氨酸、曾被用作驅蟲劑而因與神經系統有傷害而停用的的海人草酸[7]、興奮中樞神經系統導致記憶喪失的現在是貝毒的一種的軟骨藻酸[8]、可以促進大腦發育、改善充血性心力衰竭的牛磺酸[9]等,可以作為人類及動物食品蛋白的補充以及海洋藥物研究。由于其高蛋白質含量和特殊的氨基酸組成,紅海藻作為一種潛在食物蛋白資源引起廣泛關注。在歐洲,海藻已被開發成一種新型的功能性食品,尤其是高蛋白含量的品種。

2 色素蛋白-藻膽蛋白

大部分海藻中含有重要的捕光色素蛋白,即藻膽蛋白 (Phyeobiliproteins,PBP),主要包括藻紅蛋白(Phycoerythrin,PE)、藻藍蛋白 (Phyeocyanin,PC)、別藻藍蛋白 (Allophycocyanin,APC)和藻紅藍蛋白(Phyeoerythrocyanin,PEC)四種,但是經過氨基酸序列和免疫交叉結果分析顯示 PEC屬于 PC[10]。三種蛋白 PE、PC和APC分別呈現紅色、藍色和紫羅蘭色的熒光。

藻紅蛋白是藻膽蛋白紅色素的主要成分,主要由海藻的紅藻產生,多數紅藻產生的為 R型,其他藻類的則為 B型[11],藻紅蛋白達到色素蛋白質含量的50%以上。R-藻紅蛋白是由脫輔基寡聚蛋白與開鏈的四吡咯發色團共價結合而成,組成寡聚蛋白的亞基有α、β、γ等,通常紅藻中的藻紅蛋白是以 (α β)6γ形式存在,結合在亞基半胱氨酸殘基上的色素分子有藻紅膽素 (PEB)和藻尿膽素 (PUB),由于色素分子的存在,藻紅蛋白在可見光區 480～570nm波段有較強的吸收,其在 498nm和 565nm有特征吸收峰,而在 540nm有吸收肩或吸收峰,據此把 540nm處有吸收肩的稱為 I型,540nm處有吸收峰的稱為 II型[10],其熒光發射峰在 580nm左右,而也有學者認為吸收肩峰在 535nm[12]。藻藍蛋白和別藻藍蛋白是藍色素的主要成分,主要在藍藻中存在,尤其是螺旋藻、藻藍蛋白和別藻藍蛋白僅有α、β亞基組成,一般認為藻藍蛋白以 (α β)3和 (α β)6形式存在,而別藻類蛋白僅以 (α β)6形式存在[13]。螺旋藻 PC和 APC的可見吸收峰分別在 620nm和 650nm處,室溫熒光發射峰分別在 646nm和 657nm左右[14-16]

3 藻膽蛋白的應用

3.1 熒光探針

藻膽蛋白的三種主要成分各自具有特征激發光譜,因此可以制成熒光試劑,其中藻紅蛋白熒光強度比常用的熒光素強 30倍,其檢測靈敏度可提高 5～10倍,近年來藻膽蛋白熒光探針的開發尤為引人注目[17]。由于藻紅蛋白γ亞單位的穩定作用,熒光特性較為理想,是最為常用的熒光探針,因此研究也比較多,可以用于熒光顯微檢測、熒光免疫檢測、雙色或多色熒光分析,在臨床診斷和生物工程研究中有廣泛用途。以往常用的放射性同位素標記因半衰期短、需要防護、廢物處理困難等缺點正在被熒光標記法所取代。美國的 Sigma公司、Molecular Probe公司和德國的 Boehringer公司都推出了自己的產品。我國一些科研機構也對藻膽蛋白進行了研究:北京大學生命科學院利用藻藍蛋白單體與純化的DFI抗體進行偶聯,偶聯物再純化得到藻藍蛋白標記的抗體,為熒光探針。中科院化工冶金研究所和中科院海洋研究所等單位也進行了藻膽蛋白的熒光標記物和診斷試劑的研制,對診斷試劑和診斷試劑盒(熒光試劑的篩選、標記、檢測技術等)進行了研究,有望得到用于取代其它熒光標記以及酶標記的一種技術和一種普及型藻膽蛋白標記乙肝病毒表面抗原診斷試劑盒。

3.2 光敏劑

腫瘤光動力治療 (Photodynamic therapy,PDT)又稱腫瘤光化學治療,是光敏劑結合光照治療腫瘤的新手段。其基本原理是利用光敏劑在一定波長的光照下,產生單線態氧等活性氧組分,這些分子可對生物大分子(蛋白質和DNA分子)產生破壞作用,可直接進入腫瘤細胞。研究人員經過大量實驗證實,藻紅蛋白熒光量子產率極高,對游離組織的殺傷力強,是一種理想的光敏劑[18-20],其介導的光敏反應能夠有效地殺傷腫瘤細胞,起到治療腫瘤的作用,而藻紅蛋白由于其優良的光學活性,成為開發藻膽蛋白光敏劑中研究的熱點。也有研究發現,藻藍蛋白對一些癌細胞有抑制作用。

3.3 天然色素

色素是食品添加劑的一個重要組成部分,它可以改善食品色澤,是食品加工中決定食品質量的關鍵因素之一。目前,隨著食品、化妝品及醫藥工業的發展,人們對食用色素的需求量不斷增大。食用色素分為人工合成色素和天然色素兩種。合成色素具有色澤鮮艷,著色力強,穩定性好,易于溶解調色,成本較低等優點,但合成色素多數有毒性,甚至有致癌、致畸等嚴重后果。而天然色素則有合成色素所沒有的優點:a.絕大多數天然色素無毒副作用,安全性高;b.天然植物色素具有一定的營養作用。很多天然色素含有人體必需的營養物質或本身就是維生素或具有維生素性質的物質。如β-胡蘿卜素,它既是維生素A的前體物質,具有維生素A的生理活性,又有著良好的著色雙重功能,因此廣泛應用于營養品生產和食品的加工中;c.天然色素具有一定的藥理功能。有些天然色素具有保健防病等功效,如紅花黃色素,不但可著色,還可用于治療心血管系統疾病;d.天然色素著色色調比較自然,更接近于物質本身的顏色[21]。

藻紅蛋白由于有天然的紅色,而藻藍蛋白具有天然的藍色,別藻藍蛋白具有天然的紫羅蘭色,因此適合作為天然色素添加劑,例如紫球藻中含有豐富的藻紅蛋白,已成為具有較高商業價值的天然色素蛋白,它有很好的著色能力且無毒,在食品軟飲料和化妝品中廣泛應用;同時由于藻藍蛋白有較高的營養,別藻藍蛋白含有8種人體必需的氨基酸,可以作為食品營養添加劑[22]。由于藻膽蛋白熒光試劑和光敏劑的應用研究而忽略了其作為食品色素的研究,但仍有少量學者和食品工作者對其進行了研究,而藻藍蛋白和別藻藍蛋白具有很高的營養價值,因此在食品和食品添加劑方面研究比較多。日本油墨公司開發出名為 Lina Blue A的鈍頂螺旋藻藻藍蛋白產品作為食物色素和化妝品生產,已在美國和日本廣泛銷售[23]。

3.4 保健作用

80年代以來,日美等國科學家發現,藻藍蛋白是一種重要的生理活性物質,能促進免疫系統功能,抵抗各種疾病,有學者證實藻藍蛋白可以促進動物對鐵的利用。張成武教授發現藻藍蛋白能促進射線照射的小鼠恢復造血功能。因螺旋藻含有大量藻藍蛋白,因此螺旋藻現在已被開發成多種保健食品以及化妝品。

4 藻膽蛋白的穩定性研究

有學者經過 pH對藻紅蛋白穩定性的影響發現藻紅蛋白溶液在酸性條件下為紫粉色,中性時為粉紅色,堿性時為淺紅色。pH為 7時,在藻紅蛋白溶液特征吸收峰的光吸收值最大,顏色最好,pH小于 4或者大于 10的時候,藻紅蛋白結構被破壞[24];別藻藍蛋白在 pH=8時最穩定,pHlt;5或 gt;9時易變性[25];而藻藍蛋白在 pH=4時藍色最明顯,但是最穩定卻是在 pH5～8,當 pHlt;4或 gt;10時都會發生不同程度的變性[26];因此,藻膽蛋白作為食品天然色素添加劑和營養添加劑要注意酸堿度的影響。

溫度是蛋白質變性的一個重要因素,因此,藻膽蛋白也不例外,經過研究發現常溫下藻膽蛋白比較穩定,30～50℃加熱 30min對藻膽蛋白的顏色影響不大,60℃加熱 30min后顏色變淺,80℃加熱 20min后變淡了,因此,作為高營養天然色素添加劑應將溫度控制在 60℃以下,而且時間盡量短[27]。乙醇對蛋白質也有一定的影響,經過研究發現,乙醇濃度在 15%以下時藻藍蛋白的保存率達到 83.3%,因此對藻藍蛋白作為酒飲料的營養添加劑適合添加到低度酒中,現在已經有螺旋藻啤酒 (綠啤)以及螺旋藻營養型白酒研發出來并銷售了。

經過對NaCl對藻膽蛋白的影響研究,發現藻膽蛋白在 NaCl溶液中比較穩定,當 NaCl濃度達到20mg/mL時,對藻膽蛋白有加強作用,另外檸檬酸和苯甲酸鈉對藻膽蛋白的影響很小,幾乎可以忽略不計[28],這對藻膽蛋白在食品中的添加有利。

藻紅蛋白溶液分別經短時間可見光、紫外光、紅外光短時間照射后,藻紅蛋白的吸收光譜特征變化很小,蛋白條帶變化也很小,溶液顏色幾乎沒有變化;而藻紅蛋白溶液經微波加熱 20s,藻紅蛋白的特征吸收峰消失,蛋白條帶變淡,藻紅蛋白溶液顏色也變淡。而藻藍蛋白和別藻藍蛋白由于缺少γ亞單位的穩定作用,因此對光照的穩定性略低于藻紅蛋白,強光照射時間不要太長。

藻膽蛋白這些缺點也使得其在應用方面有諸多限制,這些因素也是絕大多數天然色素添加劑的共同缺點。

5 藻膽蛋白的來源

藻膽蛋白是大量出現于紅藻(Cyanophyceae)、藍綠藻 (Rhodophyceae)和隱藻 (Cryptophyceae)中的捕光色素蛋白[17,29],其中藻紅蛋白是藻膽蛋白中的一個主要成分,只出現于紅藻和部分藍藻中,主要存在于紅藻中如紫球藻、多管藻、珊瑚藻和紅毛藻,尤其多管藻和紅毛藻含量豐富,雖然在這些藻中也有藻藍蛋白,但是相比藻紅蛋白含量比較低,經過淡水浸泡即可導致藻體破壁,紅色粗蛋白溶液即可析出。紫菜也可以作為藻紅蛋白的提取原藻,采用單細胞藻光生物反應器生產藻紅蛋白具有廣闊的商業前景。藻藍蛋白是天然藍色素的資源寶庫,在所有的藍藻和紅藻中都有,但在體積較大的海藻中含量較少,在螺旋藻中含量異常豐富。

6 應用前景

藻類蛋白在大海中含量豐富,可以作為某些食品中的蛋白質添加劑,提高食品中的蛋白質含量,提高食品中的特殊氨基酸的含量;藻膽蛋白成分具有天然的色素,因此可以作為食品優良的天然色素添加劑,也可以應用到化妝品以及染料等工業中;還是一種重要的生理活性物質,可制成食品和藥品用于醫療保健上,又可制成熒光試劑用于臨床醫學診斷和免疫化學及生物工程等研究領域中。此外,藻膽蛋白還是一種最具開發潛力的光敏劑。目前對藻膽蛋白的基礎研究取得了一些重要的進展,同時由于其廣泛的應用前景,已成為各學科的研究熱點,備受人們的關注。

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Resource developm ent and application of algalpigm ent protein

TAO Ran1,W EI Zheng-peng2,＊,CUI Rong1,L IYu-jin2
(1.Rongcheng Entry-Exit Inspection And Quarantine Bureau,Rongcheng 264300,China; 2.ShandongMarine Food Nutrition Research Institute,Rongcheng 264309,China)

The sea is a b ig m ine w ith m any m a rine b iology.And a ll kinds of colored a lgae a re rich in p rote in resources.which is a kind of p e rfec tp rote in m a te ria l for food indus try.But now only a sm a llp a rt is used for food.The p hycob ilip rote in which is light-ha rves ting p igm ent for a lgae is dom inant in a lga lp rote ins.And it’s a wa te r-solub le p rote in.The p hycob ilip rote in cons is t of p hycoe rythrin,p hycocyanin and a llop hycocyanin.And they take on red,b lue and p ansy resp ec tive ly.The p hycob ilip rote in is a lso a kind of p e rfec t na tura l p igm ent add itive.Because of the hidden and gene rant troub les tha t b rought by synthe tic p igm ents s ince these yea rs,sea rching for na tura lp igm ents becom es m ore and m ore i mp ortant.The p hycob ilip rote in is favored by food p roduce r because of the cha rac te ris tic of p rote in and p igm ent.But it has som e defec ts.How to m ake in full use of these num e rous p rote in resources is a hot sp ot in a lgae indus try.The comp os ition,sp ec troscop ic p rop e rty,sus ta inab ility and app lica tion of a lga l p rote in was reviewed in this p ap e r.

a lgae;p rote in;p hycob ilip rote in;na tura lp igm ents

TS201.2+1

A

1002-0306(2010)04-0377-04

2009-04-08 ＊通訊聯系人

陶冉(1983-),女,碩士研究生,主要從事水產品檢驗監管方面的工作。