藻類色素蛋的資源開發(fā)和應(yīng)用研究

陶 冉,位正鵬,崔 蓉,李鈺金

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

藻類色素蛋的資源開發(fā)和應(yīng)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(yàn)檢疫局,山東榮成 264300; 2.山東省海洋食品營養(yǎng)研究院,山東榮成 264309)

大海是一個(gè)寶庫,蘊(yùn)含著大量的海洋生物,其中各種顏色的藻類蘊(yùn)含著豐富的蛋白質(zhì)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(lán)蛋白以及別藻藍(lán)蛋白均具有一定的熒光特性,并分別呈現(xiàn)紅色、藍(lán)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(xiàn)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(zhì)同時(shí)又具有色素特征而深受食品加工業(yè)青睞,但是由于自身有一定的缺點(diǎn),因此如何利用海藻色素蛋白是目前海藻加工業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)問題,本文從藻膽蛋白的組成、光譜特性、穩(wěn)定性和應(yīng)用等方面進(jìn)行簡單論述。

海藻,蛋白質(zhì),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(xì)胞生物到長達(dá)數(shù)十米的巨藻,種類繁多,約 1000種。海藻的蛋白質(zhì)含量由于品種不同而有所差異。一般來說,棕海藻的蛋白質(zhì)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(zhì)含量為 11%～24%外,大部分被工業(yè)開發(fā)的棕海藻蛋白質(zhì)含量均低于干物質(zhì)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(zhì)含量為干物質(zhì)的 10%～26%。紅海藻的蛋白質(zhì)含量更高。甘紫菜蛋白含量為干物質(zhì)的 47%,而紅毛藻蛋白質(zhì)則達(dá)到了 45%,海水馴化的螺旋藻甚至達(dá)到了 65%以上,這些藻類的蛋白質(zhì)含量比大豆還要高,因此大海是一個(gè)豐富的蛋白質(zhì)寶庫。深海海藻蛋白質(zhì)含量受季節(jié)影響。對法國大西洋沿岸的掌狀紅皮藻屬的品種蛋白質(zhì)含量進(jìn)行全年監(jiān)測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種海藻的蛋白質(zhì)含量為干重的 9%～25%。冬季末和春季的蛋白質(zhì)含量最高,夏季含量最低[3];實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石莼這個(gè)品種的蛋白質(zhì)含量也受季節(jié)影響,主要是因?yàn)橄那锛竟?jié)藻類繁殖比較快,蛋白質(zhì)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(jìn)行研究,并與雞蛋及大豆蛋白的氨基酸組成進(jìn)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(bào)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(gè)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(jìn)行比較推測其營養(yǎng)價(jià)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(zhì)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(diào)節(jié)血脂平衡作用的褐藻氨酸、曾被用作驅(qū)蟲劑而因與神經(jīng)系統(tǒng)有傷害而停用的的海人草酸[7]、興奮中樞神經(jīng)系統(tǒng)導(dǎo)致記憶喪失的現(xiàn)在是貝毒的一種的軟骨藻酸[8]、可以促進(jìn)大腦發(fā)育、改善充血性心力衰竭的?；撬醄9]等,可以作為人類及動(dòng)物食品蛋白的補(bǔ)充以及海洋藥物研究。由于其高蛋白質(zhì)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(guān)注。在歐洲,海藻已被開發(fā)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(lán)蛋白 (Phyeocyanin,PC)、別藻藍(lán)蛋白 (Allophycocyanin,APC)和藻紅藍(lán)蛋白(Phyeoerythrocyanin,PEC)四種,但是經(jīng)過氨基酸序列和免疫交叉結(jié)果分析顯示 PEC屬于 PC[10]。三種蛋白 PE、PC和APC分別呈現(xiàn)紅色、藍(lán)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(chǎn)生,多數(shù)紅藻產(chǎn)生的為 R型,其他藻類的則為 B型[11],藻紅蛋白達(dá)到色素蛋白質(zhì)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(fā)色團(tuán)共價(jià)結(jié)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(jié)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(qū) 480～570nm波段有較強(qiáng)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(jù)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(fā)射峰在 580nm左右,而也有學(xué)者認(rèn)為吸收肩峰在 535nm[12]。藻藍(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白是藍(lán)色素的主要成分,主要在藍(lán)藻中存在,尤其是螺旋藻、藻藍(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白僅有α、β亞基組成,一般認(rèn)為藻藍(lán)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?zé)晒獍l(fā)射峰分別在 646nm和 657nm左右[14-16]

3 藻膽蛋白的應(yīng)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(fā)光譜,因此可以制成熒光試劑,其中藻紅蛋白熒光強(qiáng)度比常用的熒光素強(qiáng) 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(fā)尤為引人注目[17]。由于藻紅蛋白γ亞單位的穩(wěn)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(biāo)記因半衰期短、需要防護(hù)、廢物處理困難等缺點(diǎn)正在被熒光標(biāo)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(chǎn)品。我國一些科研機(jī)構(gòu)也對藻膽蛋白進(jìn)行了研究:北京大學(xué)生命科學(xué)院利用藻藍(lán)蛋白單體與純化的DFI抗體進(jìn)行偶聯(lián),偶聯(lián)物再純化得到藻藍(lán)蛋白標(biāo)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(jìn)行了藻膽蛋白的熒光標(biāo)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(biāo)記、檢測技術(shù)等)進(jìn)行了研究,有望得到用于取代其它熒光標(biāo)記以及酶標(biāo)記的一種技術(shù)和一種普及型藻膽蛋白標(biāo)記乙肝病毒表面抗原診斷試劑盒。

3.2 光敏劑

腫瘤光動(dòng)力治療 (Photodynamic therapy,PDT)又稱腫瘤光化學(xué)治療,是光敏劑結(jié)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(chǎn)生單線態(tài)氧等活性氧組分,這些分子可對生物大分子(蛋白質(zhì)和DNA分子)產(chǎn)生破壞作用,可直接進(jìn)入腫瘤細(xì)胞。研究人員經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí),藻紅蛋白熒光量子產(chǎn)率極高,對游離組織的殺傷力強(qiáng),是一種理想的光敏劑[18-20],其介導(dǎo)的光敏反應(yīng)能夠有效地殺傷腫瘤細(xì)胞,起到治療腫瘤的作用,而藻紅蛋白由于其優(yōu)良的光學(xué)活性,成為開發(fā)藻膽蛋白光敏劑中研究的熱點(diǎn)。也有研究發(fā)現(xiàn),藻藍(lán)蛋白對一些癌細(xì)胞有抑制作用。

3.3 天然色素

色素是食品添加劑的一個(gè)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(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。目前,隨著食品、化妝品及醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)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(qiáng),穩(wěn)定性好,易于溶解調(diào)色,成本較低等優(yōu)點(diǎn),但合成色素多數(shù)有毒性,甚至有致癌、致畸等嚴(yán)重后果。而天然色素則有合成色素所沒有的優(yōu)點(diǎn):a.絕大多數(shù)天然色素?zé)o毒副作用,安全性高;b.天然植物色素具有一定的營養(yǎng)作用。很多天然色素含有人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)或本身就是維生素或具有維生素性質(zhì)的物質(zhì)。如β-胡蘿卜素,它既是維生素A的前體物質(zhì),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(yīng)用于營養(yǎng)品生產(chǎn)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(tǒng)疾病;d.天然色素著色色調(diào)比較自然,更接近于物質(zhì)本身的顏色[21]。

藻紅蛋白由于有天然的紅色,而藻藍(lán)蛋白具有天然的藍(lán)色,別藻藍(lán)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(yè)價(jià)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(yīng)用;同時(shí)由于藻藍(lán)蛋白有較高的營養(yǎng),別藻藍(lán)蛋白含有8種人體必需的氨基酸,可以作為食品營養(yǎng)添加劑[22]。由于藻膽蛋白熒光試劑和光敏劑的應(yīng)用研究而忽略了其作為食品色素的研究,但仍有少量學(xué)者和食品工作者對其進(jìn)行了研究,而藻藍(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白具有很高的營養(yǎng)價(jià)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(fā)出名為 Lina Blue A的鈍頂螺旋藻藻藍(lán)蛋白產(chǎn)品作為食物色素和化妝品生產(chǎn),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(xué)家發(fā)現(xiàn),藻藍(lán)蛋白是一種重要的生理活性物質(zhì),能促進(jìn)免疫系統(tǒng)功能,抵抗各種疾病,有學(xué)者證實(shí)藻藍(lán)蛋白可以促進(jìn)動(dòng)物對鐵的利用。張成武教授發(fā)現(xiàn)藻藍(lán)蛋白能促進(jìn)射線照射的小鼠恢復(fù)造血功能。因螺旋藻含有大量藻藍(lán)蛋白,因此螺旋藻現(xiàn)在已被開發(fā)成多種保健食品以及化妝品。

4 藻膽蛋白的穩(wěn)定性研究

有學(xué)者經(jīng)過 pH對藻紅蛋白穩(wěn)定性的影響發(fā)現(xiàn)藻紅蛋白溶液在酸性條件下為紫粉色,中性時(shí)為粉紅色,堿性時(shí)為淺紅色。pH為 7時(shí),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(shí)候,藻紅蛋白結(jié)構(gòu)被破壞[24];別藻藍(lán)蛋白在 pH=8時(shí)最穩(wěn)定,pHlt;5或 gt;9時(shí)易變性[25];而藻藍(lán)蛋白在 pH=4時(shí)藍(lán)色最明顯,但是最穩(wěn)定卻是在 pH5～8,當(dāng) pHlt;4或 gt;10時(shí)都會(huì)發(fā)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(yǎng)添加劑要注意酸堿度的影響。

溫度是蛋白質(zhì)變性的一個(gè)重要因素,因此,藻膽蛋白也不例外,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)常溫下藻膽蛋白比較穩(wěn)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(yǎng)天然色素添加劑應(yīng)將溫度控制在 60℃以下,而且時(shí)間盡量短[27]。乙醇對蛋白質(zhì)也有一定的影響,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),乙醇濃度在 15%以下時(shí)藻藍(lán)蛋白的保存率達(dá)到 83.3%,因此對藻藍(lán)蛋白作為酒飲料的營養(yǎng)添加劑適合添加到低度酒中,現(xiàn)在已經(jīng)有螺旋藻啤酒 (綠啤)以及螺旋藻營養(yǎng)型白酒研發(fā)出來并銷售了。

經(jīng)過對NaCl對藻膽蛋白的影響研究,發(fā)現(xiàn)藻膽蛋白在 NaCl溶液中比較穩(wěn)定,當(dāng) NaCl濃度達(dá)到20mg/mL時(shí),對藻膽蛋白有加強(qiáng)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(jì)[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(jīng)短時(shí)間可見光、紫外光、紅外光短時(shí)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(jīng)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(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白由于缺少γ亞單位的穩(wěn)定作用,因此對光照的穩(wěn)定性略低于藻紅蛋白,強(qiáng)光照射時(shí)間不要太長。

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

5 藻膽蛋白的來源

藻膽蛋白是大量出現(xiàn)于紅藻(Cyanophyceae)、藍(lán)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(gè)主要成分,只出現(xiàn)于紅藻和部分藍(lán)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(lán)蛋白,但是相比藻紅蛋白含量比較低,經(jīng)過淡水浸泡即可導(dǎo)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(xì)胞藻光生物反應(yīng)器生產(chǎn)藻紅蛋白具有廣闊的商業(yè)前景。藻藍(lán)蛋白是天然藍(lán)色素的資源寶庫,在所有的藍(lán)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(yīng)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(zhì)添加劑,提高食品中的蛋白質(zhì)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(yōu)良的天然色素添加劑,也可以應(yīng)用到化妝品以及染料等工業(yè)中;還是一種重要的生理活性物質(zhì),可制成食品和藥品用于醫(yī)療保健上,又可制成熒光試劑用于臨床醫(yī)學(xué)診斷和免疫化學(xué)及生物工程等研究領(lǐng)域中。此外,藻膽蛋白還是一種最具開發(fā)潛力的光敏劑。目前對藻膽蛋白的基礎(chǔ)研究取得了一些重要的進(jìn)展,同時(shí)由于其廣泛的應(yīng)用前景,已成為各學(xué)科的研究熱點(diǎn),備受人們的關(guān)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(lián)系人

陶冉(1983-),女,碩士研究生,主要從事水產(chǎn)品檢驗(yàn)監(jiān)管方面的工作。