大规模培养雨生红球藻

Ξ ∃ 中国科学院实验海洋生物学开放研究实验室资助。 (报告编号: 286) © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
《中国海洋药物》杂志 2001 年第 5 期 (总第 83 期)
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coccus) 。 [11] 它具有特殊的生物学性质, 即在 弱光、氮磷丰富的环境中以游动的绿色营养
高光强 (90～ 400Λm o l·m - 2 ·s- 1) 是细 胞内虾青素合成最重要的诱导条件, 通常光照 强度越高, 类胡萝卜素的产量越高[12]。研究发
1. 3 氧化压力 溶解氧和多种活性氧分子都可有效地诱
导细胞内积累虾青素, 说明虾青素在细胞内 起着抗氧化剂的重要作用, 能够淬灭由强光 和过度氧化产生的多种活性氧, 防止活性氧 对细胞的伤害[14, 27 ]。如高浓度N aA c 和 F e2+ 的存在, 可使细胞成熟期缩短至 6～ 7 d, 虾青 素的积累量可高达 65p g cell, 这也是目前最 有效 的 诱 导 方 法 之 一。 据 推 测, Fe2+ 通 过 Fen ton 反应产生羟基自由基, 羟基自由基作 为一种活性氧, 为诱导状态下的细胞积累虾 青素提供一种氧化压力。很可能 Fe2+ 的加入 活化了类胡萝卜素合成的酶系统[28、29 ]。
雨 生红球藻 (H aem a tococcus p luv ia lis) 被公认为自然界中生产天然虾青素的最好生
物, 近 10 年来国际上对其细胞生长、虾青素 的积累条件等进行了大量研究, 个别国外大
公司和研究机构已建立了成功的工业化生产 模式, 产品供不应求。本文就上述领域的研究 进展和现状进行简要综述, 以期推动国内天 然虾青素的产业化进程。 1 雨生红球藻的生物学特性和虾青素积累 的诱导条件
而增加[17～ 19 ]。 也有人认为虾青素的形成是光 保护过程的结果[20]。但也有研究表明, 在黑暗
细胞存在, 而在不利生存的条件下, 则以厚壁 的不动细胞存在, 同时在细胞内积累大量的
中盐胁迫 (mM 级 N aA c) 条件下雨生红球藻 也可合成虾青素, 说明虾青素的合成不依赖于
虾青素而呈红色。 细胞周期中不同阶段的细 光照, 但高光照是最佳的诱导条件。 可能光合
雨 生红球藻 (H aem a tococcus p luv ia lis) 是一种淡水的单细胞绿藻, 在分类学上属于 绿 藻 门 ( Ch lo rop ha ta )、绿 藻 纲 ( Ch lo ro2 p hyceae )、团 藻 目 (V o lvoca les)、红 球 藻 科 (H aem a tococcaceae)、红 球 藻 属 (H aem a to2
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度, 又如何促使不动细胞快速、大量积累虾青 即可收获。成熟的细胞经沉降、离心浓缩和高
素, 是提高虾青素生产效率、降低成本的技术 压均质 (> 700ba r) , 90% 以上的细胞均已破
关键, 已成为目前国际上应用研究的热点。
碎, 再经低温喷雾干燥后生产出藻粉。生产流
高 积 累 量[14、16、22～ 24 ]。 在 盐 胁 迫 条 件 下, 如
0. 8%N aC l 或高浓度 N aA c 也可导致虾青素 的积累[25、26 ]。 在黑暗异养条件下, 不同氯化
(a) 生长中的营养细胞 (b) 红色的不动细胞 图 1 雨生红球藻细胞周期中不同阶段的细胞形态。 (a)V egeta tive g row ing cells; (b) haem a tocysts.
关键词: 虾青素; 雨生红球藻; 诱导条件; 光生物反应器; 产业化 中图分类号: R 931. 711 文献标识码: A 文章编号: 100223461 (2001) 0520004205
Production of na tura l a staxan th in by ma ss cultiva tion of
近 10 年来的研究表明, 雨生红球藻营 养细胞的最适生长温度为 25～ 28℃, 最适光 强为 30～ 50Λm o l·m - 2·s- 1, 最适 pH 为中 性 至 微 碱 性, 可 利 用 N aA c 进 行 混 合 营 养[12]。而高光照、高温、营养盐 (氮、磷) 饥饿、 盐胁迫 (N aC l、N aA c 等) 和氧化压力 ( 活性 氧、氧自由基和溶解氧) 等许多环境条件都可 诱导细胞内虾青素的积累, 它们统称为诱导 条件或胁迫条件, 无一例外的都是细胞生长 和分裂的抑制条件, 并具有协同作用[11、13、14 ]。 1. 1 高光照和高温
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大规模培养雨生红球藻生产天然虾青素的 研究进展和产业化现状∃Ξ
魏东, 臧晓南 (青岛海洋大学 海洋生命学院, 青岛 266003)
摘 要: 本文综述了近 10 年来国际上在雨生红球藻的生物学特性、细胞内积累天然虾青素的诱导条件方面
的研究进展, 以及应用光生物反应器大规模培养雨生红球藻工业化生产天然虾青素的现状, 并对国内虾青素 的产业化前景进行了展望。
由于雨生红球藻特殊的生物学性质, 其 生长繁殖和虾青素的积累明显分为两个截然
为叶绿体的光保护剂起重要作用, 并且在一定 范围内虾青素的积累量随温度和光强的升高
不同的生理阶段, 这与盐藻积累 Β2胡萝卜素 十分类似。因此, 如何提高营养细胞的生长密
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美国的 Cyano tech 和 A qua sea rch 等几家大 公司能够实现规模生产, 不可避免地形成产品
的价格和生产技术的垄断。
2. 1 A qua sea rch 生产模式
位 于 美 国 夏 威 夷 的 A qua sea rch 公 司 ( h t tp: ∥www. aqua sea rch. com ) , 其生产模 式分为两个阶段, 核心技术是在全封闭的管 道式光生物反应器中进行营养细胞的繁殖。 每个反应器单元由平行的塑料管组成, 管径 18～ 41cm , 养殖体积为 900～ 25, 000 L , 有效 光照面积为 34～ 100m 2。 管道内的藻液由桨 叶、离心泵和气升管组成的动力系统推动, 液 流 的雷诺准数 2×103～ 2 ×105。 从海面下 600m 处抽取冷海水进行 反 应 器 表 面 的 冷 却, 控制养殖温度在 15～ 25℃之间。 反应器
胞形态见图 1。 因此, 雨生红球藻积累虾青 作用通过光合电子传递链中的质体醌与虾青
素, 是细胞抵抗环境胁迫、维持种群生存的一 素的生物合成相偶联[21]。
种保护措施[11 ]。
1. 2 营养盐饥饿和盐胁迫
氮饥饿、磷饥饿以及氮饥饿与高光强相
结合可显著促进细胞内虾青素的合成, 并可
在人工控制下通过培养基配方的优化而保持
虾青素 (a staxan th in) 是一种红色的天然 类胡萝卜素, 具有清除氧自由基的强大能力, 其抗氧化活性是维生素 E 的 550 倍、类胡萝 卜 素的 10 倍, 被誉为“超级抗氧化剂”[1～ 4], 对人体绝对安全[5～ 8], 目前主要作为人类的 高级保健食品、药品, 以及水产养殖动物和家 禽、家畜的饲料添加剂, 国际市场价格高于每 公斤 3000 美金, 市场前景非常广阔[9、10 ]。
因此, 培养雨生红球藻生产虾青素, 在藻种、光
生物反应器的设计、细胞高密度培养条件、虾
青素积累的生态调控技术等方面具有相当的
技术难度。 目前, 国际上成功的生产模式都采
用了两阶段生产方式, 即先采用封闭式光生物
反应器培养系统实现细胞的高密度营养生长、
克服污染问题, 再采用流行的开放池系统在胁
迫条件下使细胞积累虾青素。当前世界上只有
雨生红球藻对环境变化非常敏感, 指数生 程图见图 wenku.baidu.com。该生产模式在 1～ 9 月份的生物
长期短, 在营养生长期内抵抗细菌和原生动物 量面积产率为 9～ 13g·m - 2·d- 1, 虾青素的
污染的能力很差, 而在极端环境下则又失去繁 含量约占藻粉干重的 0. 7%～ 3. 4% , 含水量
殖能力, 不易建立稳定、高效的生产技术体系。 约为 5% 。 [10]
ha em a tococcus p luvia lis: research advances and curren t situa-
tion of industr ia l iza tion
W E I Dong, ZAN G X iao 2nan (C olleg e of M a rine L if e S ciences, O cean U n iv ersity of Q ing d ao, Q ing d ao 266003) Abstract: In terna t iona l resea rch advances and cu rren t situa t ion of indu st ria liza t ion in the la st decade on the b io log ica l cha racter and inducing cond it ion s of na tu ra l a staxan th in accum u la2 t ion in H aem a tococcus p luv ia lis cells a re review ed in p resen t p ap er. Cu rren t situa t ion of m a ss cu lt iva t ion of H aem a tococcus p luv ia lis fo r indu st ria l p roduct ion of na tu ra l a staxan th in by u se of p ho tob io reacto rs is described. T he indu st ria liza t ion p ro sp ect of a staxan th in in Ch ina is a l2 so p ropo sed. Key words: A staxan th in; H aem a tococcus p luv ia lis; Inducing cond it ion s; Pho tob io reacto r; Indu st ria liza t ion
此外, 在营养细胞培养液中添加细胞分 裂抑制剂长春灭瘟碱 (vinb la stin) , 可抑制细 胞分裂并启动虾青素的积累[ 25 ]。
现, 在强光下叶绿体外的类胡萝卜素可扩展到 整个细胞, 覆盖整个叶绿体以进行遮挡, 光合
2 大规模培养雨生红球藻生产虾青素的产 业化现状
作用活性显著降低, 同时虾青素酯占总类胡萝 卜素的比例可高达 99% [15、16 ]。因此, 虾青素作
物 (0. 1%N aC l、M gC l2) 都可诱导不动细胞和 类胡萝卜素的形成, 但盐的诱导将导致细胞 密度的显著降低[21、22、25 ]。
F ig 1. Cell m o rp ho logy in d ifferen t stage of
life cycle of H aem a tococcus p lun ia lis.
图 2 雨生红球藻商业化生产天然 虾青素的一般生产流程
F ig. 2 T yp ica l p rocess flow sheet fo r the comm eri2 ca l p roduction of na tu ra l a staxan th in by H aem a2 tococcu s.
A qua sea rch 公司的产品分为雨生红球 藻 软 胶 囊 (A staFacto rTM ) 和 藻 粉 (N u t rax2 anTM )。A staF acto rTM 产品于 1999 年 12 月被 美国 FDA 批准, 允许在美国销售以作为人 类营养保健食品的虾青素来源, 产品的功效 定位主要在强化免疫系统功能、抗癌、保护视