利用雨生红球藻生产虾青素的研究进展及其产业化现状

利用雨生红球藻生产虾青素的研究进展及其产业化现状沈建新,韦金河(江苏省农业科学院,江苏南京210014)摘要:本文综述了国内外雨生红球藻培养及虾青素积累的研究进展,介绍了利用雨生红球藻生产虾青素的产业化现状,并对国内虾青素的产业化前景进行了展望,以期推动国内雨生红球藻生产虾青素的产业化进程。

关键词:虾青素;雨生红球藻;产业化中图分类号:Q93 文献标识码:A 文章编号:1002-1302(2007)03-0196-04(上接第195页)的酯酶、过氧化物酶同工酶的影响也有待深入研究。

参考文献:[1]于明革,杨洪强,刘高峰,等.壳聚糖对黄瓜萌芽种子及幼苗生理生化特性的影响[J].山东农业大学学报:自然科学版,2004,35(1):47-50.[2]王 洁.壳聚糖在绿色蔬菜生产上的应用[J].广西园艺,2004(3):50-52.[3]盛彦清,陈繁忠,傅家谟,等.壳聚糖和黄腐酸在草菇中的应用试验[J].中国食用菌,2003,23(5):20-21.[4]沈 萍,范秀荣,李广武.微生物学实验指导[M].北京:高等教育出版社,1999:215.[5]王 艳.产壳聚糖酶菌株的初步筛选[J].中国微生态学杂志,2003,15(5):259-261.[6]Ya m as h ita.E ff ect of ch itosan-deacetylati on degree on t h e p roducti on of ch it ooli gsacchari des by Bac ill u s s p.Ch it osanse[J].K ich i n K it osan Kenkyu,1999,5(2):148-149.[7]邱昌恩.6-BA对平菇和香菇菌丝体两种同工酶的影响[J].微生物学杂志,2002,22(4):89-92.[8]王秀奇,秦淑媛,高天慧,等.基础生物化学实验[M].北京:高等教育出版社,1999:227-232.[9]季维智,宿 兵.遗传多样性研究的原理与方法[M].杭州:浙江科学技术出版社,1999:52-68.[10]赵 莉,曲延英,岳丕昌,等.新疆两种粉虱的酯酶和过氧化物酶同工酶的比较研究[J].植物保护,2002,28(4):17-19. [11]朱宝成,王俊刚,燕克勤,等.紫孢侧耳、糙皮侧耳及其融合菌株的同工酶分析[J].遗传,1995,17(4):37-39.[12]詹秋文,胡绪同.高粱与苏丹草酯酶同工酶分析[J].生物学杂志,2005,22(4):18-20.虾青素是一种类胡萝卜素含氧衍生物,呈鲜红色。

它广泛存在于自然界中,也是海洋动物体内主要的类胡萝卜素之一。

以往研究表明,虾青素具有强大的清除氧自由基的能力,其抗氧化性是类胡萝卜素的10倍、维生素E的550倍,被誉为 超级氧化剂 [1-2]。

虾青素能够增加水生动物的着色;促进鱼卵受精,降低胚胎的死亡率,促进个体生长并加快成熟速度[3];提高母鸡产卵率,增加鸡蛋黄色素含量[4];提高人体免疫力,延缓皮肤衰老,维护眼睛及中枢神经系统健康等多种生理功能。

虾青素具有广泛的应用价值,不仅可以用作水产养殖的饲料添加剂和人类食品添加剂,在药品、化妆品和营养保健品等领域也具有很大的应用潜力。

收稿日期:2007-05-14作者简介:沈建新(1964 ),男,江苏无锡人,副研究员,主要从事农业科技与财务管理工作。

Te:l(025)84391488。

目前,虾青素的生产工艺主要有化学合成和生物提取两种。

化学合成的虾青素在结构、功能及安全性等方面都不及天然的虾青素。

动物和人体试验结果表明,天然虾青素没有任何致病效应或毒副作用,对人体绝对安全无害[5]。

虾青素的生物来源主要有三种[6]:一是从甲壳类动物中提取。

由于甲壳中含有较高水平的灰分和几丁质,较低水平的蛋白质和其他营养成分,这极大地限制了虾青素的提取和再利用。

二是利用酵母菌生产虾青素。

真菌中虾青素的含量很低,而且发酵成本也很高。

三是利用藻类生产。

雨生红球藻(H ae m atococcus p luvialis)细胞内天然虾青素的含量相对较高。

据报道,在特定条件下,雨生红球藻可以积累占其干重1%以上的虾青素,且所含虾青素的结构与养殖对象所需一致,被公认为天然虾青素的最好生物来源[7]。

因此,利用雨生红球藻生产虾青素已成为国内外虾青素研究的热点[8-9]。

但是,利用雨生红球藻生产虾青素的技术仍有待完善,尤其在雨生红球藻养殖、虾青素积累及其提取等方面还存在着技术难题。

本文主要介绍近年来上述问题的研究进展及其产业化现状,以期推动国内雨生红球藻生产虾青素的产业化进程。

1 雨生红球藻的生物学特性雨生红球藻在分类学上属于绿藻门(Chloropha ta)绿藻纲(Chlorophyceae)团藻目(Vo l v oca les)红球藻科(H ae m atococcaccac)红球藻属(H ae m atococcus)。

它是一种单细胞微藻,也是自然界中天然虾青素含量最高的生物。

雨生红球藻具有特殊的生物学性质,其生活周期中主要有两种细胞类型,即进行营养生长的绿色游动细胞和累积虾青素的红色不动细胞。

在有利的生长条件下,它以绿色的游动细胞存在;而在不利的环境下,细胞生长趋于缓慢,由游动细胞转化为不动细胞,同时大量累积虾青素而使细胞呈现出红色。

2 雨生红球藻的培养和虾青素的生产以往的试验结果表明,雨生红球藻营养生长的最适光强为30~50 m o l/(m2 s),最适温度为25 ~28 ,最适p H值为中性至微碱性[10]。

强光照、高温、营养缺乏、盐胁迫及氧化胁迫等许多不利的环境条件,都可以诱导雨生红球藻细胞内虾青素的积累。

据文献报道,细胞生物量和虾青素累积量与培养基、培养条件以及藻种(品系)有关[11-12]。

雨生红球藻营养生长的适宜条件与虾青素累积所需条件不同,在某些方面甚至相反[13-14]。

虾青素的大量积累总是发生在不适于生物量积累的营养或环境胁迫条件下,虾青素积累与生物量积累之间的矛盾是限制利用雨生红球藻生产虾青素的根本问题。

当前,国内外的研究主要集中在雨生红球藻培养和虾青素累积两个阶段的培养条件选择和控制上。

2.1 营养盐的影响氮是雨生红球藻生长的必需因素,氮缺乏会引起其细胞内大量累积虾青素。

虾青素的合成量与氮的含量密切相关,O rosa等的研究结果显示,Na NO3浓度为0、0.15、0.25、0.5g/L时,雨生红球藻每个细胞的虾青素合成量分别为24.5、5.5、0.6和0 pg[15];但是Boussi b a等认为,虾青素合成不能没有氮,氮的存在是虾青素积累的必要条件[16]。

雨生红球藻营养生长只需要中等浓度的磷(0.1g/L K2H PO4)。

有研究表明,磷缺乏会引起虾青素积累,但其作用不如氮显著[17-18];Boussiba 等[13]的试验结果显示,在磷缺乏的胁迫条件下,虽然细胞分裂停止,但是虾青素的积累可以一直持续到细胞分裂停止后21d,这说明此条件下虾青素的积累可能不只与细胞分裂停止有关。

Boro w itzka等报道,高磷同样具有促进雨生红球藻细胞内虾青素合成的作用[11]。

在培养基中加入适量的碳源,有利于雨生红球藻的营养生长。

庄惠如等的试验结果表明,与其他碳源相比,乙酸钠更适于维持雨生红球藻的混合培养及异养生长[19]。

但Orosa等指出,碳源加入过多,反而会抑制雨生红球藻的生长[8]。

充足的碳源对雨生红球藻细胞内虾青素的积累同样重要[20]。

关于维生素对雨生红球藻生长的影响,已有研究结果很不一致。

金传荫等报道在培养基中加入一定量的维生素B1、B2,具有促进雨生红球藻生长的作用[21]。

但Fabregas等的研究表明,维生素对雨生红球藻生长的作用不显著[22]。

张英等的试验结果显示,适量的维生素B1、B12能够促进雨生红球藻生长、提高胁迫下该藻的存活率以及诱导虾青素的积累[23]。

据报道,雨生红球藻中虾青素的合成也与其细胞内的活性氧有关,较低水平的溶解氧有利于雨生红球藻的自氧生长,而饱和溶解氧更有利于其异氧生长[24]。

此外,溶解氧和多种活性氧分子都可以有效诱导细胞内虾青素的合成和积累[18,20,25,26]。

虾青素在细胞内可能起着抗氧化的作用,清除环境胁迫和过度氧化产生的活性氧,防止活性氧对细胞产生伤害[27-28]。

Kobayash i等的研究结果显示,高浓度的二价铁离子具有促进雨生红球藻细胞内虾青素积累的作用,当碘化钾同时存在时,这种促进作用受到抑制[29]。

二价铁离子与醋酸盐同时加入时,二价铁离子能够加强醋酸盐对虾青素合成的诱导作用[27]。

H ar ker等研究表明,二价铁离子影响虾青素积累的效果不如氮、磷营养盐显著[18]。

2.2 环境的影响许多试验结果表明,弱光有利于雨生红球藻细胞的营养生长;高光强是虾青素合成最重要的诱导条件,能够诱导细胞内快速累积虾青素;在一定的光强范围内,虾青素的积累量随着光强的升高而增加;但是光强过高,会导致雨生红球藻大量死亡[16,18,30,31]。

雨生红球藻细胞内虾青素合成的诱导因子可能是光合反应引起的氧化胁迫,而不是光照本身[20,32]。

光照并不是虾青素合成的必要条件,在异氧条件下(即没有光照),雨生红球藻细胞仍能合成虾青素[34]。

雨生红球藻适宜在低温环境下生长。

关于雨生红球藻适宜的生长温度,不同的报道差异较大[10,31,34,35]。

一般认为,温度升高,有利于雨生红球藻细胞内虾青素的积累[25,35];T ri p athi等报道,35 的培养温度可以促进各种营养条件下虾青素的累积[35]。

T j a hjono等的研究结果显示,培养温度为30 时,雨生红球藻的虾青素积累量是20 时的3倍[25],高温促进了活性氧的产生,而活性氧累积诱导虾青素的合成;另外,也可能是高温抑制了雨生红球藻细胞的正常分裂,从而提高了细胞内虾青素的相对含量。

盐度的适当增加可以促进雨生红球藻细胞的孢子形成和虾青素积累[18,36]。

Sarada等研究表明,培养液中N a C l的浓度不能大于0.1%,否则会导致雨生红球藻大量死亡[37]。

在盐胁迫条件下,虾青素大量累积的同时,伴随着细胞分裂的停止,这暗示了Na C l 可能是通过阻止细胞分裂而提高虾青素含量的。

关于红球藻生长的适宜p H值,一般认为,红球藻适宜在中性或稍碱性条件下生长[38-39];Sarada等的试验结果表明,在培养液p H值为7.0时,可以获得最大的细胞产量,而且虾青素的产量也得到显著提高[37]。

3 利用雨生红球藻生产虾青素的产业化现状与展望作为天然色素和生物活性物质,虾青素具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力,近年来受到了极大地重视。