综述：微藻类胡萝卜素增产策略及其新兴应用的研究进展

《Antioxidants》：Advances in Synthetic Strategies for Microalgal Carotenoid Enhancement and Emerging Applications Peipei Xu, Yurong Wang, Chunli Luo, Anqi Xue, Hong Du and Jing Chen

这篇综述聚焦于利用微藻平台生产高价值天然类胡萝卜素的生物技术策略及其新兴应用。文章系统总结了通过CRISPR/Cas9、环境调控（如光、氮、盐度）及两阶段培养等策略提升产量，并详细阐述了类胡萝卜素在抗氧化、抗炎、抗癌、视力保护等方面的健康效益，以及在医药、食品、化妆品和水产养殖等领域的应用。文中涵盖的关键微藻包括雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）、盐生杜氏藻（Dunaliella salina）、普通小球藻（Chlorella vulgaris）等，是了解该领域最新研究进展与产业化挑战的全面指南。

　　

1. 引言

类胡萝卜素是一类由植物和微生物天然合成的红、橙、黄色色素，因其强大的抗氧化能力、抗炎潜力、视力保护作用以及对人类健康的贡献而备受关注。目前，类胡萝卜素主要通过化学合成和植物提取获得，但成本相对较高。而微藻凭借其快速生长、高色素累积能力和广泛的环境适应性，成为了生产天然类胡萝卜素的可持续高产平台。本文综述了近年来在提高类胡萝卜素产量方面的生物技术进展，并聚焦于其在医药、化妆品、食品等领域的创新应用。

2. 微藻中的类胡萝卜素

类胡萝卜素主要分为胡萝卜素和叶黄素两大类。几种主要的微藻源类胡萝卜素各有特色：

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  微藻虾青素：雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）是天然的虾青素工业首选，其在胁迫条件下积累虾青素的能力超过50 mg/g（干重5%以上），但生长缓慢且易污染。小球藻（Chlorella zofingiensis）作为一种有前途的工程化平台，通过补糖、氮剥夺和高光诱导，虾青素产量可达36.79 mg/L。微拟球藻（Nannochloropsis spp.）虽然产量较低，但其可联产β-胡萝卜素、岩藻黄质和维生素E等，具备生物炼制潜力。
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  微藻β-胡萝卜素：盐生杜氏藻（Dunaliella salina）是首个成功的商业化β-胡萝卜素生产平台，在胁迫条件下可积累超过14%干重的β-胡萝卜素。虾青素和β-胡萝卜素合计占全球类胡萝卜素收入的35%，市场价值巨大。然而，高产通常依赖于高盐、高光等胁迫条件，导致能耗和生产成本较高。
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  微藻叶黄素与其他叶黄素：叶黄素是一种对人类眼部健康至关重要的二羟基叶黄素。普通小球藻（Chlorella vulgaris）是商业规模生产叶黄素的常用物种。四星藻（Asterarcys quadricellulare）是高产菌株，可合成高达28.7 mg/g的叶黄素。条斑紫菜（Pyropia yezoensis）等红藻也显示出生产叶黄素的潜力。商业化挑战主要在于胁迫诱导的高能耗以及新兴物种提取工艺的不成熟。
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  类胡萝卜素合成途径：微藻中类胡萝卜素的生物合成是一个高度保守的过程。起始于两种C₅前体——异戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP），它们主要通过质体定位的甲基赤藓糖醇4-磷酸（MEP）途径合成。限速步骤由八氢番茄红素合成酶（PSY）催化。番茄红素经番茄红素ε-环化酶（ε-LCY）或番茄红素β-环化酶（β-LCY）环化，分别形成α-胡萝卜素和β-胡萝卜素，再经羟基化、环氧化和酮基化等修饰，生成虾青素、叶黄素、岩藻黄质等有价值的类胡萝卜素。

3. 类胡萝卜素的经济价值

类胡萝卜素因其独特的结构赋予的生物活性而具有高经济价值，使其在天然食用色素、营养保健品和饲料添加剂中广泛应用。虾青素是市场上最昂贵的类胡萝卜素之一，营养品级价格估计超过6000美元/公斤。全球虾青素市场在2022年估值约15亿美元，预计到2028-2030年将增长至24-28亿美元。叶黄素市场预计到2024年价值3.577亿美元，而整个类胡萝卜素全球市场预计到2028年将达到25亿美元。目前，类胡萝卜素的生产公司主要集中在相对发达的经济地区，如美国、欧洲和东南亚。

4. 微藻类胡萝卜素途径工程

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  基因编辑技术：CRISPR/Cas9系统是提高微藻类胡萝卜素产量的有力工具。在雨生红球藻中，基于CRISPR/Cas9过表达或激活PSY，可使胁迫下的虾青素产量提高300%。在盐生杜氏藻中，敲除ε-LCY和玉米黄质环氧化酶（ZEP）可使玉米黄质积累增加60%。在普通小球藻中，共表达GGPP合酶（GGPPS）和β-LCY可使β-胡萝卜素增加5倍。
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  环境因素：高强度光照产生的过量活性氧（ROS）可激活ROS依赖的MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）级联反应，上调b-ZIP转录因子和类胡萝卜素合成基因（如PSY、LCYB）。在雨生红球藻中，蓝光显著提高了虾青素含量，并上调BKT基因表达11.7倍。氮饥饿通过调节TOR（雷帕霉素靶蛋白）激酶，解除对类胡萝卜素基因簇的抑制，激活类异戊二烯的生物合成。在高盐条件下培养的盐生杜氏藻可产生8.7 mg/L β-胡萝卜素。高温（30–35 °C）促进热激因子（HSF）与PSY启动子结合，使类胡萝卜素产量提高18.3%。然而，维持胁迫环境能耗高，且胁迫解除后产量可能回落。
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  培养机制：
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    光自养培养：利用光能和CO₂。提高盐生杜氏藻培养时的光强，可使其β-胡萝卜素积累达到17.7 mg/g干重。
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    异养发酵：依赖于有机碳同化实现高细胞密度生产。例如，在补充30 g/L葡萄糖的条件下，小球藻虾青素产量可达12.5 mg/L。
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    混合营养培养：结合光合作用和有机碳同化。通过碳酸氢盐强化的光混合营养，盐生杜氏藻可产生32.0 mg/L β-胡萝卜素。
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    两阶段培养：将生物量生长与产物积累解耦。在雨生红球藻中，营养充足的生长阶段后进行氮剥夺并结合高光照，可触发虾青素积累至30 mg/g干重，比单阶段培养提高四倍。

5. 微藻类胡萝卜素的新兴应用

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  医药应用：
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    抗氧化机制：微藻类胡萝卜素（如虾青素、岩藻黄质、叶黄素、玉米黄质）可清除活性氧（ROS）。临床研究表明，虾青素可显著改善药物性肝损伤，使丙氨酸氨基转移酶（ALT）降低38%，丙二醛（MDA）降低29%，同时使总抗氧化能力提高24%。
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    抗炎作用：虾青素可抑制IκBα的磷酸化，阻止NF-κB复合物进入细胞核，从而减少UVB照射下人类皮肤细胞的炎症基因转录。临床补充虾青素可降低代谢综合征患者的部分血液炎症标志物。叶黄素和玉米黄质可抑制视网膜色素上皮细胞的炎症。
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    抗癌潜力：体外研究表明，10–50 μM的虾青素处理可引发肝癌细胞G2/M期阻滞和线粒体凋亡。岩藻黄质通过ROS介导的p38 MAPK激活和内在凋亡抑制人结肠癌细胞（HCT-116）。在仓鼠中，补充虾青素可通过抑制血管生成和抑制炎症微环境来抑制DMBA诱导的口腔癌发生。
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  食品应用：β-胡萝卜素（主要来自盐生杜氏藻）作为维生素A原和天然色素，已成功应用于功能性食品。虾青素（来自雨生红球藻）的深红色素作为生物活性成分用于饼干和白巧克力等产品，增强蛋白质稳定性和抗氧化能力。叶黄素（来自原壳小球藻）以2–6%干重掺入面包时，可赋予稳定的金黄色。玉米黄质（常与叶黄素共提取）用作植物奶和营养棒中针对视网膜的功能性色素。
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  化妆品应用：虾青素被认为是最高效的天然单线态氧淬灭剂，活性约为维生素C的100倍，并能抑制紫外线诱导的过氧化和NF-κB/COX-2通路以缓解炎症和光老化。从三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）中提取的岩藻黄质可靶向皮肤色素酶，并吸收UVA和UVB光谱，实现光保护和美白双重功能。来自微藻的叶黄素和玉米黄质可有效阻断30–40%的蓝光，缓解数字屏幕引起的眼周细纹。来自盐生杜氏藻的β-胡萝卜素可提供维生素A原活性，促进角质形成细胞更新并增强表皮屏障。
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  其他潜在应用：
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    水产养殖：在饲料中添加微藻虾青素可提高幼体存活率、肉质和外部着色。一项饲喂试验表明，摄入来自雨生红球藻虾青素的大西洋鲑存活时间延长了1.7倍。
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    废水处理与生物柴油：接种栅藻（Scenedesmus sp.）的光生物反应器系统可从城市废水中去除超过95%的氮和88%的磷，同时细胞内类胡萝卜素积累高达干重的2.1%。将富含虾青素的雨生红球藻生物质全细胞整合到生物柴油合成中，可使每公斤虾青素强化生物柴油的生产成本降低18%。

6. 未来展望

尽管微藻类胡萝卜素展现出巨大应用潜力，但要实现更广泛的商业化，仍需解决几个瓶颈：通过基于合成生物学的菌株工程提高产量，使色素合成与胁迫诱导的生长抑制解耦；开发经济环保的下游提取技术，减少对有机溶剂的依赖；实施循环生物炼制方法，实现生物质残渣的价值化和废物流的再利用。应对这些跨学科挑战对于充分实现微藻类胡萝卜素作为可持续下一代健康产品的潜力至关重要。