藻类色素蛋的资源开发和应用研究

陶 冉,位正鹏,崔 蓉,李钰金

(1.荣成出入境检验检疫局,山东荣成 264300; 2.山东省海洋食品营养研究院,山东荣成 264309)

藻类色素蛋的资源开发和应用研究

陶 冉1,位正鹏2,＊,崔 蓉1,李钰金2

(1.荣成出入境检验检疫局,山东荣成 264300; 2.山东省海洋食品营养研究院,山东荣成 264309)

大海是一个宝库,蕴含着大量的海洋生物,其中各种颜色的藻类蕴含着丰富的蛋白质资源,是食品理想的蛋白源,但是人类目前所利用的仅为其中很少的一部分。作为藻类捕光色素的藻胆蛋白是藻类蛋白中的主要成分,是一种水溶性色素蛋白。藻胆蛋白所包含的藻红蛋白、藻蓝蛋白以及别藻蓝蛋白均具有一定的荧光特性,并分别呈现红色、蓝色和紫罗兰色的荧光,因此藻胆蛋白也是理想的天然色素添加剂。近年来由于合成色素添加剂所存在的一些隐患问题以及出现的一系列问题使得寻求天然色素添加剂尤为重要。而藻胆蛋白作为一种蛋白质同时又具有色素特征而深受食品加工业青睐,但是由于自身有一定的缺点,因此如何利用海藻色素蛋白是目前海藻加工业的一个热点问题,本文从藻胆蛋白的组成、光谱特性、稳定性和应用等方面进行简单论述。

海藻,蛋白质,藻胆蛋白,天然色素

海藻是海洋中分布最广的生物,从微小的单细胞生物到长达数十米的巨藻,种类繁多,约 1000种。海藻的蛋白质含量由于品种不同而有所差异。一般来说,棕海藻的蛋白质含量 (干重 3%～15%)比绿海藻或者红海藻(干重 10%～47%)低[1-2]。除了裙带菜的蛋白质含量为 11%～24%外,大部分被工业开发的棕海藻蛋白质含量均低于干物质的 15%,但是藻类多糖和藻胶含量高。许多绿海藻,例如石莼属,其蛋白质含量为干物质的 10%～26%。红海藻的蛋白质含量更高。甘紫菜蛋白含量为干物质的 47%,而红毛藻蛋白质则达到了 45%,海水驯化的螺旋藻甚至达到了 65%以上,这些藻类的蛋白质含量比大豆还要高,因此大海是一个丰富的蛋白质宝库。深海海藻蛋白质含量受季节影响。对法国大西洋沿岸的掌状红皮藻属的品种蛋白质含量进行全年监测,结果发现这种海藻的蛋白质含量为干重的 9%～25%。冬季末和春季的蛋白质含量最高,夏季含量最低[3];实验发现石莼这个品种的蛋白质含量也受季节影响,主要是因为夏秋季节藻类繁殖比较快,蛋白质积累速度相对比较慢。

1 氨基酸

1.1 一般氨基酸

许多研究人员对海藻蛋白的氨基酸组成进行研究,并与鸡蛋及大豆蛋白的氨基酸组成进行对比。天冬氨酸和谷氨酸是大部分海藻蛋白最主要的氨基酸。Munda报道,棕海藻中天冬氨酸和谷氨酸分别占总氨基酸的 22%和 44%[4],在绿海藻U lvarigida和 U lvarotundata这两个品种中分别占 26%和 32%[5]。红海藻中天冬氨酸和谷氨酸的含量相对较低。将海藻蛋白与大豆蛋白及鸡蛋蛋白的氨基酸组成进行比较推测其营养价值,Pal m aria pal m ata的亮氨酸、缬氨酸和蛋氨酸必需氨基酸含量比较高,这些氨基酸的含量与卵清蛋白接近。另外,异亮氨酸和苏氨酸的含量接近于豆类蛋白。除组氨酸含量低外, Porphyratenera的必需氨基酸组成非常接近于豆类蛋白。U lvapertusa中缬氨酸、亮氨酸和赖氨酸是含量比较高的必需氨基酸,其组氨酸含量与豆类蛋白及鸡蛋蛋白质接近[6]。

1.2 特殊氨基酸

海藻蛋白除含有一般的氨基酸外,还含有一些具有特殊功能性的氨基酸。海藻尤其是红藻和绿藻植物,含有多种具有生理功能的氨基酸,如:有降压以及调节血脂平衡作用的褐藻氨酸、曾被用作驱虫剂而因与神经系统有伤害而停用的的海人草酸[7]、兴奋中枢神经系统导致记忆丧失的现在是贝毒的一种的软骨藻酸[8]、可以促进大脑发育、改善充血性心力衰竭的牛磺酸[9]等,可以作为人类及动物食品蛋白的补充以及海洋药物研究。由于其高蛋白质含量和特殊的氨基酸组成,红海藻作为一种潜在食物蛋白资源引起广泛关注。在欧洲,海藻已被开发成一种新型的功能性食品,尤其是高蛋白含量的品种。

2 色素蛋白-藻胆蛋白

大部分海藻中含有重要的捕光色素蛋白,即藻胆蛋白 (Phyeobiliproteins,PBP),主要包括藻红蛋白(Phycoerythrin,PE)、藻蓝蛋白 (Phyeocyanin,PC)、别藻蓝蛋白 (Allophycocyanin,APC)和藻红蓝蛋白(Phyeoerythrocyanin,PEC)四种,但是经过氨基酸序列和免疫交叉结果分析显示 PEC属于 PC[10]。三种蛋白 PE、PC和APC分别呈现红色、蓝色和紫罗兰色的荧光。

藻红蛋白是藻胆蛋白红色素的主要成分,主要由海藻的红藻产生,多数红藻产生的为 R型,其他藻类的则为 B型[11],藻红蛋白达到色素蛋白质含量的50%以上。R-藻红蛋白是由脱辅基寡聚蛋白与开链的四吡咯发色团共价结合而成,组成寡聚蛋白的亚基有α、β、γ等,通常红藻中的藻红蛋白是以 (α β)6γ形式存在,结合在亚基半胱氨酸残基上的色素分子有藻红胆素 (PEB)和藻尿胆素 (PUB),由于色素分子的存在,藻红蛋白在可见光区 480～570nm波段有较强的吸收,其在 498nm和 565nm有特征吸收峰,而在 540nm有吸收肩或吸收峰,据此把 540nm处有吸收肩的称为 I型,540nm处有吸收峰的称为 II型[10],其荧光发射峰在 580nm左右,而也有学者认为吸收肩峰在 535nm[12]。藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白是蓝色素的主要成分,主要在蓝藻中存在,尤其是螺旋藻、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白仅有α、β亚基组成,一般认为藻蓝蛋白以 (α β)3和 (α β)6形式存在,而别藻类蛋白仅以 (α β)6形式存在[13]。螺旋藻 PC和 APC的可见吸收峰分别在 620nm和 650nm处,室温荧光发射峰分别在 646nm和 657nm左右[14-16]

3 藻胆蛋白的应用

3.1 荧光探针

藻胆蛋白的三种主要成分各自具有特征激发光谱,因此可以制成荧光试剂,其中藻红蛋白荧光强度比常用的荧光素强 30倍,其检测灵敏度可提高 5～10倍,近年来藻胆蛋白荧光探针的开发尤为引人注目[17]。由于藻红蛋白γ亚单位的稳定作用,荧光特性较为理想,是最为常用的荧光探针,因此研究也比较多,可以用于荧光显微检测、荧光免疫检测、双色或多色荧光分析,在临床诊断和生物工程研究中有广泛用途。以往常用的放射性同位素标记因半衰期短、需要防护、废物处理困难等缺点正在被荧光标记法所取代。美国的 Sigma公司、Molecular Probe公司和德国的 Boehringer公司都推出了自己的产品。我国一些科研机构也对藻胆蛋白进行了研究:北京大学生命科学院利用藻蓝蛋白单体与纯化的DFI抗体进行偶联,偶联物再纯化得到藻蓝蛋白标记的抗体,为荧光探针。中科院化工冶金研究所和中科院海洋研究所等单位也进行了藻胆蛋白的荧光标记物和诊断试剂的研制,对诊断试剂和诊断试剂盒(荧光试剂的筛选、标记、检测技术等)进行了研究,有望得到用于取代其它荧光标记以及酶标记的一种技术和一种普及型藻胆蛋白标记乙肝病毒表面抗原诊断试剂盒。

3.2 光敏剂

肿瘤光动力治疗 (Photodynamic therapy,PDT)又称肿瘤光化学治疗,是光敏剂结合光照治疗肿瘤的新手段。其基本原理是利用光敏剂在一定波长的光照下,产生单线态氧等活性氧组分,这些分子可对生物大分子(蛋白质和DNA分子)产生破坏作用,可直接进入肿瘤细胞。研究人员经过大量实验证实,藻红蛋白荧光量子产率极高,对游离组织的杀伤力强,是一种理想的光敏剂[18-20],其介导的光敏反应能够有效地杀伤肿瘤细胞,起到治疗肿瘤的作用,而藻红蛋白由于其优良的光学活性,成为开发藻胆蛋白光敏剂中研究的热点。也有研究发现,藻蓝蛋白对一些癌细胞有抑制作用。

3.3 天然色素

色素是食品添加剂的一个重要组成部分,它可以改善食品色泽,是食品加工中决定食品质量的关键因素之一。目前,随着食品、化妆品及医药工业的发展,人们对食用色素的需求量不断增大。食用色素分为人工合成色素和天然色素两种。合成色素具有色泽鲜艳,着色力强,稳定性好,易于溶解调色,成本较低等优点,但合成色素多数有毒性,甚至有致癌、致畸等严重后果。而天然色素则有合成色素所没有的优点:a.绝大多数天然色素无毒副作用,安全性高;b.天然植物色素具有一定的营养作用。很多天然色素含有人体必需的营养物质或本身就是维生素或具有维生素性质的物质。如β-胡萝卜素,它既是维生素A的前体物质,具有维生素A的生理活性,又有着良好的着色双重功能,因此广泛应用于营养品生产和食品的加工中;c.天然色素具有一定的药理功能。有些天然色素具有保健防病等功效,如红花黄色素,不但可着色,还可用于治疗心血管系统疾病;d.天然色素着色色调比较自然,更接近于物质本身的颜色[21]。

藻红蛋白由于有天然的红色,而藻蓝蛋白具有天然的蓝色,别藻蓝蛋白具有天然的紫罗兰色,因此适合作为天然色素添加剂,例如紫球藻中含有丰富的藻红蛋白,已成为具有较高商业价值的天然色素蛋白,它有很好的着色能力且无毒,在食品软饮料和化妆品中广泛应用;同时由于藻蓝蛋白有较高的营养,别藻蓝蛋白含有8种人体必需的氨基酸,可以作为食品营养添加剂[22]。由于藻胆蛋白荧光试剂和光敏剂的应用研究而忽略了其作为食品色素的研究,但仍有少量学者和食品工作者对其进行了研究,而藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白具有很高的营养价值,因此在食品和食品添加剂方面研究比较多。日本油墨公司开发出名为 Lina Blue A的钝顶螺旋藻藻蓝蛋白产品作为食物色素和化妆品生产,已在美国和日本广泛销售[23]。

3.4 保健作用

80年代以来,日美等国科学家发现,藻蓝蛋白是一种重要的生理活性物质,能促进免疫系统功能,抵抗各种疾病,有学者证实藻蓝蛋白可以促进动物对铁的利用。张成武教授发现藻蓝蛋白能促进射线照射的小鼠恢复造血功能。因螺旋藻含有大量藻蓝蛋白,因此螺旋藻现在已被开发成多种保健食品以及化妆品。

4 藻胆蛋白的稳定性研究

有学者经过 pH对藻红蛋白稳定性的影响发现藻红蛋白溶液在酸性条件下为紫粉色,中性时为粉红色,碱性时为浅红色。pH为 7时,在藻红蛋白溶液特征吸收峰的光吸收值最大,颜色最好,pH小于 4或者大于 10的时候,藻红蛋白结构被破坏[24];别藻蓝蛋白在 pH=8时最稳定,pHlt;5或 gt;9时易变性[25];而藻蓝蛋白在 pH=4时蓝色最明显,但是最稳定却是在 pH5～8,当 pHlt;4或 gt;10时都会发生不同程度的变性[26];因此,藻胆蛋白作为食品天然色素添加剂和营养添加剂要注意酸碱度的影响。

温度是蛋白质变性的一个重要因素,因此,藻胆蛋白也不例外,经过研究发现常温下藻胆蛋白比较稳定,30～50℃加热 30min对藻胆蛋白的颜色影响不大,60℃加热 30min后颜色变浅,80℃加热 20min后变淡了,因此,作为高营养天然色素添加剂应将温度控制在 60℃以下,而且时间尽量短[27]。乙醇对蛋白质也有一定的影响,经过研究发现,乙醇浓度在 15%以下时藻蓝蛋白的保存率达到 83.3%,因此对藻蓝蛋白作为酒饮料的营养添加剂适合添加到低度酒中,现在已经有螺旋藻啤酒 (绿啤)以及螺旋藻营养型白酒研发出来并销售了。

经过对NaCl对藻胆蛋白的影响研究,发现藻胆蛋白在 NaCl溶液中比较稳定,当 NaCl浓度达到20mg/mL时,对藻胆蛋白有加强作用,另外柠檬酸和苯甲酸钠对藻胆蛋白的影响很小,几乎可以忽略不计[28],这对藻胆蛋白在食品中的添加有利。

藻红蛋白溶液分别经短时间可见光、紫外光、红外光短时间照射后,藻红蛋白的吸收光谱特征变化很小,蛋白条带变化也很小,溶液颜色几乎没有变化;而藻红蛋白溶液经微波加热 20s,藻红蛋白的特征吸收峰消失,蛋白条带变淡,藻红蛋白溶液颜色也变淡。而藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白由于缺少γ亚单位的稳定作用,因此对光照的稳定性略低于藻红蛋白,强光照射时间不要太长。

藻胆蛋白这些缺点也使得其在应用方面有诸多限制,这些因素也是绝大多数天然色素添加剂的共同缺点。

5 藻胆蛋白的来源

藻胆蛋白是大量出现于红藻(Cyanophyceae)、蓝绿藻 (Rhodophyceae)和隐藻 (Cryptophyceae)中的捕光色素蛋白[17,29],其中藻红蛋白是藻胆蛋白中的一个主要成分,只出现于红藻和部分蓝藻中,主要存在于红藻中如紫球藻、多管藻、珊瑚藻和红毛藻,尤其多管藻和红毛藻含量丰富,虽然在这些藻中也有藻蓝蛋白,但是相比藻红蛋白含量比较低,经过淡水浸泡即可导致藻体破壁,红色粗蛋白溶液即可析出。紫菜也可以作为藻红蛋白的提取原藻,采用单细胞藻光生物反应器生产藻红蛋白具有广阔的商业前景。藻蓝蛋白是天然蓝色素的资源宝库,在所有的蓝藻和红藻中都有,但在体积较大的海藻中含量较少,在螺旋藻中含量异常丰富。

6 应用前景

藻类蛋白在大海中含量丰富,可以作为某些食品中的蛋白质添加剂,提高食品中的蛋白质含量,提高食品中的特殊氨基酸的含量;藻胆蛋白成分具有天然的色素,因此可以作为食品优良的天然色素添加剂,也可以应用到化妆品以及染料等工业中;还是一种重要的生理活性物质,可制成食品和药品用于医疗保健上,又可制成荧光试剂用于临床医学诊断和免疫化学及生物工程等研究领域中。此外,藻胆蛋白还是一种最具开发潜力的光敏剂。目前对藻胆蛋白的基础研究取得了一些重要的进展,同时由于其广泛的应用前景,已成为各学科的研究热点,备受人们的关注。

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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 ＊通讯联系人

陶冉(1983-),女,硕士研究生,主要从事水产品检验监管方面的工作。