自然界有大部分甲壳类动物、鲑鱼、鸟的羽毛和肉冠中存在的美丽色素，使这些动物看起来是绚丽的红色。
可是这种色素却被称作“虾青素”，为什么呢？含有虾青素的动物（从左到右、从上到下依次为鲑鱼，新孵化鲑鱼，火烈鸟，磷虾，龙虾，雉鸡，北极虾，螃蟹，鹦鹉）
1938年，德国化学家理查德·库恩(Richard Kuhn)最早从龙虾体内提取并鉴定出了这种色素。在活体的虾中，虾青素与蛋白质结合，其光学特性发生改变而呈现出蓝色（所以叫虾青素）；在加热之后，蛋白质变性释放出虾青素才显示出红色。
虾青素分子的化学结构
看似红红火火的鸟类羽毛和水生动物体内仅含有极微量的虾青素。而且，无论是鸟类、甲壳动物还是鱼类都不具备合成虾青素的能力，其食物链中的初级生产者——藻类才是虾青素的终极来源。在微藻中，雨生红球藻（Haematococcuspluvialis）的虾青素含量尤其突出，可达到干重的4%以上。
一般认为，藻类形成虾青素与其抗氧化胁迫有关。当藻细胞处于高光、营养缺乏、高盐等环境胁迫时，虾青素的生物合成途径被激活。由藻类中重要的光合色素β-胡萝卜素开始，在羟化酶和酮化酶的作用下形成虾青素分子。在藻细胞内，虾青素不仅可以直接清除超氧自由基，还能吸收一定量的蓝光，对光合系统起到遮光保护作用，如同“遮阳伞”。同时，虾青素的生物合成过程也消耗大量的氧分子，从而有效避免超氧自由基的形成(延伸阅读：Han et al., 2013 )。
显微镜下的雨生红球藻细胞
虾青素分子中的11个共轭双键赋予其超强的抗氧化能力，达到维生素E的500倍，所以作为营养品一经问世即风靡全球。其亲脂性的结构使得其嵌入细胞膜的脂质双分子层中发挥功能，除了抗氧化活性外，还表现出一系列丰富的生物活性，例如提高免疫力、抗衰老、缓解疲劳等。另外，在鱼虾贝类人工养殖产业中，虾青素也被用作着色剂添加到鱼饵饲料中，使得人工养殖的水产品拥有野生动物一样的色泽和品质。
虾青素的生物活性
人们试图通过化学合成的方法获得虾青素。虽然已经实现虾青素的人工化学合成，但是化学合成品与天然虾青素表现出不同的立体异构性：化学合成的虾青素是（3R，3’R），（3R，3’S）和（3S，3’S）三种异构体的混合物，而天然虾青素主要是（3S，3’S）类型的异构体，其抗氧化活性高于其他两种类型的异构体。再加上化学合成过程中其他中间体和化学试剂的残留，也带来了安全隐患。
天然虾青素如何生产呢？
有人从水生动物中提取，如生活在南极洲水域的磷虾成为近年各国竞相捕捞的资源，但每年近1亿吨的捕捞量给南极生态系统带来的负面影响不容忽视。
另一条途径是培养产虾青素的藻类，不仅能够持续生产天然虾青素，还可同时消耗二氧化碳，起到碳减排的作用。
在所有已知的藻类中，前文提到的雨生红球是目前天然虾青素最主要的来源。当环境条件适合时，雨生红球藻的细胞呈现出绿色，但是当细胞处于胁迫条件时，开始大量积累虾青素。水生所的胡强和韩丹翔团队认为，雨生红球藻之所以能积累大量虾青素，是因为这种生物具有将虾青素酯化的能力。游离的虾青素分子含有两个β-紫罗酮环上含有两个羟基，研究发现在雨生红球藻中90%以上的虾青素分子的羟基上连有1-2个脂肪酸分子，形成化学性质更加稳定的虾青素酯，并储存于“脂肪体”中。正是虾青素的酯化，以及从其合成场所——内质网——运输到脂肪体中，有效地缓解了虾青素合成过程中的产物反馈抑制作用，使得细胞能大量合成虾青素酯 (延伸阅读：Chen et al. 2015)。
由于其卓越的虾青素合成能力，雨生红球藻自被发现以来迅速地引起生物技术领域的关注。
近年来，我国的天然虾青素产业发展非常迅猛，雨生红球藻生物质产量已超过欧美各国，跃居全球首位。然而，在快速发展之后，我国乃至全球的天然虾青素产业进入瓶颈期，面临着包括产品形态单一、企业创新动力不足等问题，而究其根本是因为高昂的生产成本导致产品价格居高不下（大约是7000美元/千克），普通百姓消费不起，严重制约了这一产业的发展。
水生所藻类生物技术与生物能源中心自2013年成立以来就致力于雨生红球藻和天然虾青素生产技术与工艺的研发。研究团队建立了雨生红球藻多性状高通量筛选平台，获得了一系列生长速度、虾青素含量、细胞壁等经济性状得到改良的突变体。团队提出的“异养高密度培养——光自养适应——胁迫诱导”偶联的培养模式，和传统的“两步法”，即低光培养积累生物量，高光诱导虾青素积累的培养模式相比，不仅通过发酵技术解决了雨生红球藻培养细胞密度低的问题，还率先在异养和胁迫诱导之间引入光自养适应的步骤，促进藻细胞光合系统和光保护机制的重建，提高了异养培养细胞在胁迫条件下的适应性，从而显著提高了虾青素的产率（延伸阅读：Zhang et al. 2016）。
除了生长较慢以外，影响雨生红球藻产量的另一个重要因素是来自一种真菌（Paraphysodermasedebokerense）的威胁（见视频）。本研究中心不仅对藻类—真菌互作开展了一系列基础生物学的研究，还通过筛选获得了能够抑制真菌而对藻类无负面影响并且使用安全的化合物，成功地实现了培养体系中真菌的污染控制。该项技术将帮助更多的雨生红球藻企业解决生产中的瓶颈问题。
我们有足够的理由相信，随着科技的进步、产业的升级，这种神奇美丽的色素将在食品、饲料、大健康领域发挥更广泛的作用，走入寻常百姓家。
作者： 韩丹翔，贾其坤 来源：中国科学院水生所
