杜氏藻的特性及其开发应用前景

杜氏藻的特性及其开发应用前景

杨淑芬1,夏燕青2,戴 静1

(1.兰州大学资源环境学院,甘肃兰州730000;2.中国科学院兰州地质研究所,甘肃兰州730000)

摘要:综述了杜氏藻的基本特性及其开发应用的现状和前景。由于杜氏藻体内含有大量的 -胡萝卜素、蛋白质、甘油、氨基酸、脂肪、碳水化合物、维生素等多种营养成分,以及其独特的生理特性,在医药、食品、养殖业、化工、轻工等领域得到越来越广泛的应用和重视。

关键词:杜氏藻;多种营养成分;应用现状和前景

中图分类号:S932.7 文献标志码:A 文章编号:1005-8141(2009)03-0241-04

C haracteristics and Application Foreground o f Dunaliella Sp.

YANG Shu-fen 1,XIA Yan-qing 2,DAI Jing 1

(1.College of Earth and Environmental Science,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China;nzhou Ins titute of Geology,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China)

Abstract:An review on Dunaliella sp. s basic characteristics combined with i ts present situation and prospect was stated in the paper.As Dunaliella sp.was composed of plenty of -carotene,protein,glycero,amino acid,carbohydrate,vitami n and some other nutritional components,added to the particular physiological characteristics,it was widely used in medicine,foodstuff,culturist,chemical industry,ligh t industry et al,and that i t palyed a more and more importan t role in these fields.

Key words:Dunaliella sp.;multiplicate and nutritional composi tion;application actuali ty and foreground

收稿日期:2009-01-06;修订日期:2009-02-17

第一作者简介:杨淑芬(1982-),女(白族),云南省大理人,硕士研究生,主要从事油气地球化学和生烃模拟的研究工作。

杜氏藻(Dunaliella sp.)又称 盐藻!,是1983年由法国人杜纳尔(Dunal)在地中海沿岸盐池中发现的。杜氏藻是一类极端耐盐的单细胞真核绿藻,隶属绿藻门(Chlorophy ta)、团藻目(Volvocales)、多毛藻科(Poly blepharidaceae)、杜氏藻属(Dunaliella,Teodoresco)[1],是目前世界上最耐盐的光合生物,主要生活在盐湖、盐田

以及海洋等高盐环境中[2]

,在微藻产业中占有重要的地位。本文主要以杜氏藻(D.salina)为例,研究了杜氏藻的生理生化特性及其开发应用前景。杜氏藻及其制品在食品、药品和化工等市场上拥有巨大潜力,开发前景广阔。

1 杜氏藻的基本特性1.1 形态特征

杜氏藻是单细胞的浮游植物,属于绿藻门、绿藻纲、团藻目、多毛藻科、杜氏藻属。其藻体为卵圆形、椭圆形或梨形,长18∀28 m,宽9.5∀14 m,运动时体形有变化,在不同的盐度、光照、温度等环境下其形态变化较大。这是因为杜氏藻没有纤维质的细胞壁,外形随环境变化而改变,蛋白核及淀粉粒也随环境不同而有变化的缘故[3]。杜氏藻细胞前段一般呈凹陷状,在凹陷处有两条等长的鞭毛,鞭毛比细胞长约1/3;藻体

内有一杯状色素体,色素体内的色素主要是叶绿素和类胡萝卜素(以 -胡萝卜素为主)。在生活条件不良时产生血红素,藻体呈红色。在色素体内靠近基部有一个较大的蛋白核,细胞上部有一红色眼点。在不同介质和环境中生长的盐藻,其色素颜色和细胞内含物均有所不同[4]。杜氏藻在生长期间以无性繁殖为主,藻体在运动中纵裂为二,各形成一个新体。分裂旺盛时,显微镜下常可见到4∀8个新个体同时形成。分裂期藻体较小,常呈绿色;成熟后个体结合成合子,合子呈球形,比藻体大,有光滑的薄壁,每一合子进行减数分裂,最终产生16个游动孢子[5]

。

1.2 细胞组成

杜氏藻无细胞壁,细胞灰分含量低于其它绿藻,蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素含量相对较高。在正常生长条件下的绿色细胞中的蛋白质含量占细胞干重的50%∀60%,碳水化合物占12%∀40%,脂类占6%∀10%[6],杜氏藻蛋白质中包括全部氨基酸并以赖氨酸、精氨酸、丙氨酸、甘氨酸、蛋氨酸、氨羟丁氨酸为主。杜氏藻的脂肪含量与硅藻相近,其脂质中含有多种脂肪酸,不饱和脂肪酸占有优势[4,7]。在不同的品系和生长条件下,杜氏藻细胞中的各种生化组分可产生较大的变化,不同培养条件下的杜氏藻脂肪酸的组成变化见表1。

由表1可见,脂肪酸中月桂酸、棕榈酸、花生酸、山嵛酸在高盐环境下含量显著增加,而豆蔻酸、棕榈油

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酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸在低盐度下含量较高,因此盐度对杜氏藻的细胞组成影响很大。与所有绿藻一样,杜氏藻色素有叶绿素a和叶绿素b、胡萝卜素以及叶黄素类色素,色素总量占细胞干重的3%∀6%,其中叶黄素和 ∀胡萝卜素有多种立体异构体。色素总量随生活条件的变化而改变,细胞颜色可从绿色、黄绿色、铜黄色到紫红色,色素总量在生长旺盛期达到最大值。

表1 不同盐度下培养杜氏藻(D.s alina)的脂肪酸组成(%)[4]

脂肪酸10%25%

NaCl NaCl

脂肪酸

10%25%

NaCl NaCl

月桂酸(12∃0) 1.88 4.06油酸(18∃1)15.6013.02

豆蔻酸(14∃0) 3.54 1.86亚油酸(18∃2)9.13 5.86

棕榈酸(16∃0)20.5035.71亚麻酸(18∃3)20.6713.37

棕榈油酸(16∃1) 5.06 2.98花生酸(20∃0) 1.71 2.29

硬脂酸(18∃0) 5.42 4.16山嵛酸(22∃0)9.359.73 1.3 营养成分

杜氏藻细胞的有机成分与其它绿藻基本相似,但其组成的相对丰度又有自己的特征。杜氏藻体内的 -胡萝卜素和极性脂类含量很高[8,9],其中 -胡萝卜素的含量可达8%∀12%,见表2。杜氏藻中甘油含量也很高,甘油参与渗透压的调节,直接与生长环境中的NaCl浓度呈正相关。很早就有人提议用杜氏藻来生产甘油,因为藻体内积累的甘油浓度最高可达生物量的50%。杜氏藻与嗜盐细菌相同,体内的蛋白质中酸性氨基酸含量偏高,色氨酸含量高,但缺乏氨基乙磺酸和脯氨酸。在另一杜氏藻品种(D.bardawil)中,还发现了稀有氨基酸,如磷酸丝氨酸和鸟氨酸。

表2 杜氏藻(D.s alina)的营养成分[10]

成分水分蛋白质脂肪碳水化合物灰分 -胡萝卜素维生素C 含量(%) 3.4038.769.9415.32 6.8211.36 4.36 1.4 生长环境

杜氏藻的耐盐性和对pH的耐受性范围极广,可在pH值5∀11的范围内生长。除NaCl以外,杜氏藻对其它金属如Mg、Li、C u、Pb等也有很强的耐受能力[11,12]。因此,杜氏藻的分布范围很广,在淡水、咸水甚至盐土中均可生长。

1.5 生态环境因子对杜氏藻生长发育的影响

温度:在自然环境中,温度是影响杜氏藻发育的主要因素。在适宜的温度条件下,杜氏藻分裂旺盛,生长速度很快,但温度过高或过低都会显著抑制其生长。一般单细胞绿藻生长的适宜温度范围上限为35%左右,下限为5∀8%左右,而盐藻有更宽的适应范围。

D.salina可耐受-35%的低温,在-8%的温度下仍可进行光合作用;在50%高温下经过30min,仍有一部分D.salina存活。D.salina最适宜生长的温度范围为20∀40%[13]。

光照:杜氏藻是一种光合自养生物,通过光合作用固定C O2生长。光照是最重要的环境因子之一,也是其主要的能量来源。光强对藻体的浓度有影响,浓度低时光透射强,藻体吸收的能量大,细胞生长的最适光强就低,所以低浓度培养液要求的光强较弱,高细胞密度时则需要强光照。光强与培养深度有关,液层越厚,光强就越弱,生长速度就越慢。目前培养盐藻主要是用于生产 -胡萝卜素。 -胡萝卜素在细胞内存在于中性脂质小滴中,位于内囊体片层之间,形成一层屏障,可有效地滤掉紫外线,避免紫外线对细胞的杀伤作用,所以强光照有利于 -胡萝卜素的合成和积累。在其它条件适宜时,光照越强,单位细胞 -胡萝卜素含量越高,但光照太强对杜氏藻的生长不利[4]。

气体条件:影响和制约杜氏藻生长发育的气体主要是CO2。杜氏藻与其它绿色植物一样,在进行光合作用时SO2在暗反应阶段经固定与还原,形成了光合作用的基础产物,再转化为脂肪、蛋白质及其它物质。培养液中如果缺乏C O2,会限制杜氏藻的生长。

营养盐:营养盐是杜氏藻生长发育过程中必需的矿质元素。按其存在于藻体中的数量,分为大量元素和微量元素两类。大量元素有碳、氢、氧、磷、氮、钾、钙、镁、硫、铁等10余种,其中以碳素和氮素最为重要。微量元素包括钼、锌、硼、碘等。天然海水中含有盐藻所需要的各种营养元素,但在盐藻的人工培养过程中,由于盐藻细胞的大量繁殖,对营养元素的需求量大大增加,因此需要及时补充所需的营养元素才能维持杜氏藻的正常生长发育。另一方面,如果某种营养元素的量高于盐藻的需求量时也会对盐藻产生毒害作用,从而抑制其生长。因此,在微藻培养过程中需要根据培养对象的需求,采用理想的配方,优化藻细胞生长繁殖培养液,提高其培养效率[4]。

盐度:盐藻对外界盐度的变化有特殊的生理适应性,原因是其胞液中含有大量甘油。甘油是一种低分子量的中性溶质,在细胞中即使积累很高的浓度也不会伤害酶的活性。因此,盐藻通过合成和分解甘油来调节渗透压,以适应外界盐度的极大变化。刘建国等研究表明,盐藻细胞生长的适宜盐度为120(2.04mol/L NaCl)。然而,上述盐度低于盐藻在自然界占绝对优势的实际盐度。Brock曾指出,杜氏藻常在盐度高于200的盐湖中占优势的原因不是因为这种盐度最适宜其生长,而是它比其它藻类更能忍受高盐度。需要指出的是,盐藻生长的最适条件与积累 -胡萝卜素的最适条件不同,有利于盐藻积累 -胡萝卜素的高盐、低氮和强光均是不利于藻生长的条件。因此,在生长中可采用二阶段培养法来解决这一矛盾,即先在适宜盐藻

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