（制糖工程专业论文）螺旋藻胞外多糖累积规律的研究.pdf

摘要 摘要 螺旋藻胞外多糖是一种珍贵的生物活性多糖。本文以提高螺旋藻胞外多糖产 量为目标，在气升式磁处理光生物反应器中进行螺旋藻培养。通过光照、营养源、 微量元素、磁场处理等化学和物理条件对螺旋藻生长及其胞外多糖影响的研究， 探讨螺旋藻生长及其胞外多糖的分泌特性，综合出一条螺旋藻胞外多糖高产的实 用技术路线。主要研究内容及结果如下： ( 1 ) 光照对螺旋藻及其胞外多糖影响的研究 在4 2 0 k l x 的光照强度范围内，系统地研究了光照强度对螺旋藻生长、细胞 形态、藻体颜色及胞外多糖积累的影响规律。结果表明，提高光照强度不仅有利 于提高细胞生物量，同时能促进胞外多糖的分泌，也加速藻体的衰老。光照强度 为2 0 k l x 的生长速率和胞外多糖的分泌量分别是1 0 k l x 的两倍和三倍。 同时研究了不同颜色( 波长) 的光照对螺旋藻生长及胞外多糖的影响，发现 红光有利于螺旋藻的生长；绿光则能明显刺激螺旋藻胞外多糖的分泌。 ( 2 ) 营养源及生长条件对螺旋藻及胞外多糖影响的研究 分别研究了氯化铵、尿素、硝酸钠等不同氮源对螺旋藻生长及胞外多糖分泌 的影响。结果表明，无机氮源硝酸钠的效果最好。进一步对不同浓度硝酸钠下螺 旋藻的生长速率、色泽以及胞外多糖分泌的研究发现，低氮培养优于高氮，在 1 2 5 9 l 浓度下螺旋藻仍能维持较好的生长状态并有较多的胞外多糖分泌。 钙盐、镁盐以及温度对螺旋藻生长及其胞外多糖影响的研究结果表明，适当 的较高温度( 4 0 。c ) 下多糖的分泌量有所增加；较低浓度的钙离子有利于螺旋藻 胞外多糖的积累，而镁盐则是增加离子浓度时才促进多糖的积累。 ( 3 ) 微量元素的富集以及对螺旋藻胞外多糖影响的研究 螺旋藻对c r 、z n 、s e 三种微量元素的富集试验表明，螺旋藻对三种元素均 有明显的富集作用，且它们之间也有相互影响。进一步研究表明，硒对螺旋藻生 长及其胞外多糖都有影响，而且都存在一个最适值。 ( 4 ) 磁处理培养对螺旋藻胞外多糖分泌影响的研究 利用改进的外循环磁处理光生物反应器进行螺旋藻的分批培养，磁处理空间 的磁场强度在8 4 0 0 k a m 范围内调节。结果表明，在4 0 k a m 以下范围内，磁 华南理工大学工学硕士学位论文 处理有利于螺旋藻细胞生物量的积累，以2 4 k a m 的磁场对提高比生长速率最为 有效。场强高于4 0 k a m 艏螺旋藻的生长受到影响，8 0 k a m 融上时生长受到明 显按豢，但却熊到激螺旋藻骢辨多糖的分泌。实验还发现在螺旋藻对数生长期进 行磁处理效果最好。藻液经短期的磁处理，在离开磁场后能恢复较理想的生长状 态，这憝捷裹螺旋藻骢努多糖累较量又不降低生携基产獭静有效方法。 关键词：鳔旋溱；培养；磁场；警集；胞井多糖 a b s t r a c t t h ee x o p o l y s a c c h a r i d e s ( e p s ) o f 勋i r u l i n a i so n eo f v a l u a b l eb i o a c t i v e p o l y s a c c h a r i d e s i no r d e rt og a i nah i g h e ry e i l do fe p s ，a na i r l i f tp h o t o b i o r e a c t o r w i t hm a g n e t i ct r e a t m e n tw a su s e df o rt h ec u l t i v a t i o no fs p i r u l i n a t h eb i o m a s sa n d e p sa c c u m u l a t i o n si nt h ec u l t i v a t i o nw e r es t u d i e db yi n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c t so f c u l t u r a lc o n d i t i o n s ，s u c ha si l l u m i n a t i o n ，n u r t u r e s ，t r a c ea c t i v ee l e m e n t s ，m a g n e t i c t r e a t m e n to nt h eg r o w t ha n de p se x c r e t i n go fs p i r u l i n a ap r a c t i c a lt e c h n o l o g yf o r p r o d u c i n g e p sw i t hh i g h y i e l dw a s r a i s e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e f f e c to fi l l u m i n a t i o no nt h eg r o w t ha n de p s o f s p i r u l i n a t h ee f f e c t so fl i g h ti l l u m i n a t i o no f4 2 0 k l xo nt h eg r o w t h ，m o r p h o l o g y ，c o l o r a n de p so f 印i r u l n aw e r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y i t w a sf o u n dt h a ta h i g h e r i l l u m i n a t i o nl i g h t i n gr e s u l t e di nm o r eb i o m a s sa n de p sf o rt h es p i r u l i n ap r o d u c t ， b u tp r o m o t e dt h ec e l l ss e n e s c e d t h es p e c i f i cg r o w t hr a t ea n de s po fs p i r u l i n aa t 2 0 k l xw e r et w ot i m e sa n dt h r e et i m e so ft h a ta t1 0 k l xr e s p e c t i v e l y s e v e r a lw a v e l e n g t h sw e r eu s e df o rt h ec u l t i v a t i o no fs p i r u l i n a i tw a sf o u n d t h a tt h em o s tu s e f u ll i g h ti sr e dl i g h tf o rp r o d u c i n gm o r eb i o m a s so fs p i r u l i n a ，b u t g r e e nl i g h ti st h em o s ta f f e c t i v el i g h tf o re x c r e t i n gm u c h e p so fs p i r u l i n a ( 2 ) e f f e c t so fn u t r i m e n ta n dc u l t u r a lc o n d i t i o n so nt h eg r o w t ha n de s p o f s t , i r u l i n a a m m o n i u mc h l o r i d e ，u r e aa n ds o d i u mn i t r a t ew e r eu s e da sn i t r o g e nr e s o u r c e s i nt h ec u l t i v a t i o no f s p i r u l i n a i tw a sf o u n dt h a ti n o r g a n i cn i t r o g e ni sr a t h e re a s yt o u s eb ys p i r u l i n aa n dn a n 0 3i sab e t t e rn i t r o g e nf o rs p i r u l i n a t h e ns o m ef a r t h e r i n v e s t i g a t i o n so nt h es p e c i a lg r o w t hr a t e ，c o l o ro fc e l l sa n de s po f 印i r u l i n aw e r e c a r r i e do u tw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fn a n 0 3 i tw a sc o n f i r m e dt h en o r m a l g r o w t hs t a t eo fs p i r u l i n ac a nb ek e p tu n d e r al o w e rn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n ( 1 2 5 9 l ) a n dg i v em u c he s po f s p i r u l i n a t h e s t u d y o ft h ee f f e c t so fc a “m 9 2 + a n dt e m p e r a t u r eo nt h e s p i r u l i n a c u l t i v a t i o nw a sa l s ou n d e r t a k e n i tw a s p r o v e d t h a tal i t t l eh i g h e rt e m p e r a t u r e ( 4 0 0 c ) i s a p p r o p r i a t et og a i ne p s a l o w e rc o n c e n t r a t i o no fc a + i sg o o df o rs t i m u l a t i n gt h e a c c u m u l a t i n go fe p s a n di tc a nb ed o n eb yah i g h e rc o n c e n t r a t i o no f m g “c o n t r a r i l y h i 华南理工大学工学硕士学位论文 r 3 ) b i o a c c u m u l a t i o no ft r a c ee l e m e n t sa n dt h ee f f e c to fs e ( i v ) o nt h ee p s t h eb i o a c c u m u l a t i o no fs p i r u l i n at oc r 、z n 、s ew a sa l s os t u d i e d i tw a sf o u n d t h a ta no ft h e s et r a c ee l e m e n t sc a nb ee n r i c h e db ys p i r u l i n a a n dt h e ya r ei n t e r a c t i o n e a c ho t h e ri nb i o a c c u m u l a t i o n a sw e l la ss e ( i v ls h o w e di t ss t i m u l a t i o nt ot h e g r o w t h o f s p i r u l i n a a n dt h e a c c u m u l a t i n g o fe p s ，a n dt h e r ei sa o p t i m u m c o n c e n t r a t i o no fs e ( i v lf o re a c hi n t e n t i o n ( 4 ) e f f e c to fm a g n e t i ct r e a t m e n to nt h eg r o w t ha n de p so fs p i r u l i n a b a t c hc u l t i v a t i o no f s p i r u l i n aw a sc a r r i e do u t i na na i r l i f tp h o t o b i o r e a c t o rw i t h m a g n e t i ct r e a t m e n tu n d e rt h em a g n e t i ci n d u c t i o no f8 - 4 0 0 k a m i tw a sp r o v e dt h a ta l o w e r m a g n e t i ci n t e n s i t y ( r 4 0 k a m ) i sg o o df o ri m p r o v i n gt h eb i o m a s so fs p i r u l i n a 2 4 k a mw a st h e o p t i m u m c o n d i t i o nf o r i m p r o v i n g t h e g r o w t h r a t ea n dt h e m a x i m u m c e l l c o n c e n t r a t i o n a h i g h e rm a g n e t i c t r e a t m e n t r 8 0 k a m ) m i g h t r e s t r a i nt h e g r o w t ho fs p i r u l i n a ，t h o u g hi t c o u l ds t i m u l a t et h e e x c r e t i n go fe p s o b v i o u s l y i tw a sa l s of o u n dt h a tt h eb e s tm a g n e t i ce f f e c tt o o kp l a c ei nl o g a r i t h m i c g r o w t hp h a s e t r e a t i n gu n d e rah i g h e rm a g n e t i cf i e l df o raw h i l et h e nm o v i n go u t ， t h es p i r u l i n ac a nr e s u m et ot h ep e r f e c tg r o w i n gs t a t e t h i si so n eo ft h ee f f i c i e n c y w a y sf o rg e t t i n gm o r ee p s a n db i o m a s s d u r i n gt h ec u l t i v a t i o n k e yw or d s ：s p i r u l i n a ；c u l t i v a t i o n ； m a g n e t i c t r e a t m e n t ；e n r i c h m e n t ； e x o p o l y s a c c h a r i d e s ( e p s ) i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：乞划日期：炒多年占月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 本学位论文属于 不保 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 瓦：埘 研耙 年解密后适用本授权书。 日期：妒5 年月如日 日期：弘。乡年乡月 第一章绪论 第一章绪论 螺旋藻( s p i r u l i n a ) 是一种低等微型蓝藻，因其含有大量的蛋白，达干重 的7 0 【2 】【3 1 ，很早就被用来作为食物缺乏时的应急食物【4 1 。螺旋藻富含人体所需 的大多数氨基酸，能够满足人体生存的需要【5 】。这种蓝藻不但营养丰富而均衡， 而且极易被消化吸收，其消化率高达8 6 以上【6 】，在人口爆炸、食物资源不足的 今天，螺旋藻因其优良的营养特性而得到更多的重视。近年来，螺旋藻的其它丰 富的生理活性成分也相继被广泛利用，包括b 一胡萝b 素、叶绿素、n 、v 一亚麻 酸、维生素、微量元素、藻蓝蛋白，螺旋藻多糖【”，这些成分都具有重要的医疗 保健价值。在螺旋藻各类活性成分中，尤其引人注目的是占2 0 3 0 的螺旋藻 多糖。螺旋藻多糖是从螺旋藻中分离、纯化的一种水溶性多糖，是一种抗辐射的 有效物质，可调节人体生理功能，促进细胞新陈代谢，增强机体免疫力，具有抑 癌、抗肿瘤及抗衰老、抗菌等保健作用。因此，大规模养殖螺旋藻、充分利用其 各个活性成分，成为令科学家感兴趣的课题。 1 1 螺旋藻形态学、分类学和生理学研究 螺旋藻是一种多细胞的丝状蓝藻【8 】。其丝状体或毛状体的螺旋形状是螺旋藻 属的特征，这种形状只在一种液体环境或培养基中存在。由于细胞中充气液泡的 存在，螺旋藻的丝状体常在水面上形成一层浮游垫【9 l 。 藻丝长5 0 5 0 0 微米，宽3 8 微米i l0 1 。丝状体上有无粘性的鞘覆盖，而许多 蓝藻细胞有这种鞘，这也许就是螺旋藻细胞上没有细菌和其他微生物附着的原 因。 由于蓝藻形态多变，因而分类十分困难。目前，已有两种主要类型得到描述： 钝项螺旋藻( s p i r u l i n a p l a t e n s i s ) 和极大螺旋藻( s p i r l i n am a x i m a ) 1 1 】。 螺旋藻可生长在土壤、沼泽、淡水、盐水、海水及温泉中【12 1 。这种蓝藻种 群是专一的，在含碱极高的湖中生长极为茂盛，在盐浓度超过2 0 9 l 的碱性湖泊 中生长的藻类主要是由螺旋藻组成。螺旋藻生长的最佳p h 值范围为8 3 1 0 3 ， 而且这种蓝藻还能耐受p h 值的逐渐变化。培养基中的高盐浓度为防止其他类型 的藻类污染提供了一个保护手段【l 引。 碳酸氢钠是螺旋藻的生长培养基中主要的盐类成分n 4 】，其浓度为0 2 m o l l 。 钠、钾是必需的，在钾钠比低于5 时生长最佳。 大多数科学家一直认为，螺旋藻像大多数蓝藻一样是专性光合自养生物，但 目前也有报道螺旋藻在有葡萄糖添加的培养条件下生长效果良好m 】。在光照下， 媾南璞王大学工学硕士学位论文 螺旋藻还骤二轼纯璇，并溺纯或璇水纯合扬。螺旋藻的巍合作髑的主鼙产物为糖 原。螺旋藻通避霹氮酶催他的反庞霹定潮还簌空气中酶氮”“。 在实验室袈 牛下，螺旋藻的簸佳生长温度为3 5 3 7 。c 。螺旋藻可以耐受耜当 投蝼匏瀑度，袭1 5 。c 鞠4 04 c 条终下均可以壤葬，对藻丝并不遮成揍密，瞧不影 确冀光会箨瘸硼。 表l ，l 螺旋藻矜豹拖学组成 t a b l e1 - 1 。c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs p i r u l i n as p r a yd r i e d 稳蛋自7 0 必雾戴基酸 异亮氨酸 亮氨酸 簇氨黢 荦硫氮酸 苯霭鳃酸 苏氨酸 色氨酸 缬氨黢 4 1 3 5 + 8 0 莲o o 铬 2 1 7 3 9 5 4 1 7 l 。1 3 6 薄磐甏氨纂酸 添氨黻 精氨黢 天冬氯酸 胱氨蔽 谷爨酸 俎氨簸 麓餐酸 旌鬣酸 5 8 2 5 9 8 6 4 3 o 6 7 8 9 4 l 。0 8 2 9 7 3 1 8 脂魏 脂髓酸 月桂酸 疼豆慧法黧 檫撬羧 s 。了o 2 2 9 m g k g 6 4 4 m g k g 2 1 1 4 1 m g l k g 稼桶滴酸 2 0 3 5 m g k g 棕桐斌漓酸 2 5 6 5 m g k g 毽塑黧。 。2 i 王懋题垄墨 2 第一章绪论 油酸 3 0 0 9 m g k g 亚油酸 1 3 7 8 4 m g l k g y 一皿麻酸 1 1 9 7 0 m g k g 壁二垩邃墼璺呈! 毽逝 微量元素 钙 1 3 1 5 m g k g 磷8942mgkg 铁 5 8 0 m g k g 钠412mgkg 氯他物4400mgkg 谈 1 9 1 5 m g k g 锰 2 5 m g k g 释 3 3 9 m g k g 旦一。一。 ! i 垒q q 堕g 丛g 碳水亿舍糖 鼠李糖 葡聚糖 环多醇 葡萄耱胺和胞壁酸 糖原 9 0 0 1 5 0 2 5 0 2 0 0 o 。5 0 唾遂鳇壁墓宣 q ：q 丝。 维生素 类胡萝h素4000mg，kg 3 - 胡萝 、索 1 7 0 0 m g k g 叶黄索 1 6 0 0 m g k 空 d-泛酸钙050mgkg 叶酸 3 5 0 。o o m g k 袋 纤维醇 1 1 8 o o m g k g 尼克骥 3 0 0 m g k g 核黄索40oomg瓜g 骧黢素 5 5 m g k g 兰望塑 1 2 q 熙墨堑 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ - - _ _ - _ _ - ：_ = = = i 二：口一 1 2 螺旋藻化学、生物化学研究 爵前对螺旋藻生化成分进行的分析普遍认为螺旋藻富含丰富的营养元素。表 3 当空堡三奎兰三兰堡圭耋堡兰兰 1 - 1 列出了s a n t i l l a n 对墨西哥s o s a t e x c o c o 公司生产的螺旋藻化学组成进行的全 面分析的结果d s 。 脱水的螺旋藻粉含有5 5 7 0 的粗蛋白质”1 。相i d 诧_ t ，干燥后的整个鸡蛋 白的蛋白质含量为4 7 ，啤酒酵母为4 5 ，干黄豆粉为3 7 ，奶粉为3 6 ，干 花生为2 7 ，鸡肉为2 0 2 4 ，牛肉为1 8 2 1 ，鱼为1 5 2 2 ，新鲜鸡蛋为1 4 8 ， 鲜牛奶为3 9 。蛋白质中氨基酸成分是均衡的，氮氨酸、色氨酸和其他氨基酸 的浓度等于或略高于酪蛋白中各种氨基酸的浓度。 相同生物量的螺旋藻与栅列藻( s c e n e d e s m u s ) 相比，其维生素b 1 含量是后 者的3 倍，胡萝h 素含量是后者的2 倍 2 0 1 。 螺旋藻中也存在亚油酸和亚麻酸，每1 0 0 克干物质高达1 克。胆固醇含量每 1 0 0 克3 2 5 毫克。4 克螺旋藻藻粉，也即1 汤匙，只含有1 3 毫克胆固醇和3 6 千卡的热量，而相同量的鸡蛋却含有3 0 0 毫克胆固醇和8 0 千卡的热量。这就是 螺旋藻粉用于补充食物中的蛋白质而又能减肥的原因。根据日本的材料，建议的 平均剂量为2 4 小时2 8 5 克，连续数天可见效【2 “。 螺旋藻缺少具有纤维素的细胞壁，因此易于消化，其蛋白质的同化率非常高： 在1 8 小时后，可消化和同化其8 5 以上的蛋白质，可作为很好的营养补充品1 2 2 。 由螺旋藻( 印i r u l i n a ) 可提供高达1 0 0 蛋白质的食品，其产生的生长速率可 与几种动物类的标准饮食相比。对怀孕的老鼠的喂含实验表明：对胎鼠无副作用， 也没有出现胎鼠畸型，性活动也未受影响。对多代老鼠的研究表明：用这种食物 喂养动物，没有出现不正常和病理反应【2 ”。 1 3 螺旋藻胞外多糖的研究进展 1 3 1 螺旋藻多糖的分类 螺旋藻多糖因其所在位置不同，而被分为胞内多糖，囊鞘多糖和释放性多 糖，这三种多糖都具有很好的生物学意义。囊鞘多糖英文称s l i m ep o l y s a c c h r i d e 又称c p s ，这样直译或许还有一定缺陷，因为螺旋藻藻丝体外层是没有囊鞘结构 的，这也是为什么螺旋藻不易被别的生物所感染的原因，所谓的s i l m e p o l y s a c c h i d e ，应该是集结于藻丝体表面，但又未形成囊结构的那一部分。目前 国内学术界对螺旋藻多糖的研究大多集中在胞内多糖，从提纯方法上看，大多是 从培养液中滤出藻细胞或者是用螺旋藻干粉进行抽提，这样所得的多糖应该是胞 内多糖和囊鞘多糖的混合物。但是根据国内大多数文献报道，这样抽提所得的多 糖经柱层析纯化后大多存在单一的分子量，这样所得的结论有二：一、囊鞘多糖 和胞内多糖的含量相差极其悬殊，二、这两种多糖具有相似的分子量。关于结论 一，国外学者研究认为 2 4 1 ，胞内多糖和囊鞘多糖在含量上不相上下，甚至在相 4 第一章绪论 对的珞养条释下，囊鞘多耩静含麓还会大于貔内多糖。襁们的分离方法是，将滤 出的藻丝体在低于6 0 的情况下进行长达5 - 6 个小时的温浴，离心后的沉淀进 行胞内多糖的提取，上清液富含囊鞘多糖。这种撼取方法如果进行适当的改良， 应该可以馒囊鞘多耱的季导率进一步的掇意。关于结论二，如果这两静多糖秘含量 并非相麓悬殊，那么根据实验结果它们应该有相似的分子量，很其化学结构如何 爨骞德逡一步考察谂涯。潞蕤藻瓣囊鞘多糖秘释蔽多糖合称为怒辫多糖，嚣内静 张成武等人曾经通过将藻细胞滤除，对所得媾养液进行提糖，耐得到了这种分泌 馁的释放多糖，同时他们缎现这萃串臆舞多糖龟同样其有稚常好的生物学意义。根 据上述论述，螺旋藻多糖程定位、分类、抽提方式上，仍褥要冀深层次更细致的 研究。 3 2 胞外多糖豹研究方法和透禳 螺旋藻多糖跟箕链臻旋藻蛋鑫、蠡，胡萝卜素等一样，都属予可黻被有效稠溺 的细胞产物，成该都可以在培养过程中进行强的性的富集。如前所述，螺旋藻可 溶径多糖广泛分布予藻俸缁胞内外，那么根舔所需藻多糖的种类进行对藻俸语的 明确的培养，则不仅能够使培养成本降低，有效的利用这釉蓝绿藻，鞭且能够最 终提高螺旋藻多糖的提取率。众所周知，螺旋藻多糖因其含量较小，提纯难度较 大，但生物意义较大谣显德茏为珍贵。 对一种细胞产物进行培养富集，首先就应该搞滴该种物质对细胞本身的意义 博在，它在蝈藏孛是露侮产生，又翔秘发生僚雳瓣。两螺旋藻多耱对藻缨魏本身 具有相当特殊的生命意义。螺旋藻多糖，尤其是胞外多糖的产生，在很大程度上 缘于营养、物瓒、纯学等因索造成的细脆对生长平衡的维将与修复，或者可以说， 它很多时候是一种应激产物，它在坚硬于燥、有抗生索等极端的环境下对藻体细 胞起着保护的作用。从营养角度来讲，在氮缺乏或磷酸盐缺乏时，胞外多糖会相 应较多羹豹产袅；从| 纯学受疫寒谤，较大供碳量，会搜多糖较多熬释放到缨戆羚 去：从物理角度来讲，当藻细胞聚结成团，总表面积减小，则胞外多糖的分泌量 迄会减夺。 有研究者发现1 25 】，海难蓝绿藻的结簇或沉淀与藻体细胞的疏水性有关，而 这种疏水性又楚由胞筛多糖的构成决定的。有些蓝绿藻能合成含脂肪羧和蛋白的 异型硫酸化胞辨多糖，这些杂合物就决定了藻俸细腿具存一定的蘸承性，大多数 海生蓝绿藻都比较容易因为产生胞外多糖而形成絮状细胞簇。蓝绿藻的能量合成 与测弱姣羧予慰光能戆裁瘸，藻续戆毽魏岁 多糖懿产生焉絮结并沉淀，为蝰葬滚 这种悬浊体系鞭好地接触巍并利用营养创造了有利条件。 国外有一份关于各释臻养条佟对骠旋藻象物鬣戮及憨的臆外多耱产量的影 响 2 5 1 现列于袭1 - 2 。 5 华南理_ = 大学工学硕士学位论文 表1 - 2 各种培养条件对螺旋藻生物量及胞外多糖的影响 t a b l e i 2e f f e c to fc u l t u r eo rt h eb i o m a s sa n de p sp r o d u c t 标准培养基 硝酸钠1 2 5 9 l 硝酸钠4 9 l 咒硝酸钠 凭氯纯钠 磷酸氢= 钾l g l 光磷酸氯二钾 3 0 飙表中可以看到，z a r r o u k 撂难墙棼( 磷羧钠2 5 9 l ) 帮增舶裁爨到4 。0 9 l 对总的胞外多糖量没有明照的影响，而减少氮源或卷无氮源则能使多糖含量显著 增热。增麴磷源薄多糖量没有显萋影羲，无磷深巅便多褡禽量有裙当程度静灞粕。 可以推断胞外多糖是氮源限制性产物，同时也是磷源限制性产物。 1 3 3 螺旋藻多糖的构成 螺旋藻因为没有明显的细胞核，所以又被作为蓝细菌的一支，其多糖的单糖 构成与其缝微璧魏采源戆多糖存一定鹣不嚣。营走，螺旋藻多糖禽有戊糖秘藤酸， 而其他原核生物的多糖则没有。熊次，螺旋藻多糖的单糖组成复杂，通常含有六 个成六令淤上瓣单耱，蠢其德缯蘩或徽藻静多糖梅绒逶常酃禳简单，这胃艉与螺 旋藻低等的进化水平有关。这种嶷杂的组成，也使其结构星得相对复杂，目前仍 没有一个准确的数据可以描述此种多糖的链接形式，有报道认为螺旋藻多糖是由 1 5 种多糖相互链接弼成( 2 ”。 螺旋藻多糖的结构如此复杂，那么培养条件的改变，收获时间的先后，是否 会影薅该秘多耱瓣梅艘程? 嚣蔫黠螺旋藻多耱数揍皴分橱，在熬俸上基本鞣嗣， 但仍有定出入，比如邓时锋等 2 7 1 在文章中提到他们所用的螺旋藻多糖分子量 为1 3 糟6 ，主要宙葡萄耩( 6 7 彳) 、者藻耱( 1 6 + 8 ) 、葡萄糖醛酸( 1 5 5 ) 组成并含9 种羝基酸；t o s h i y u k ik a j i 簿认为【2 引，钝顶螺旋藻分泌豹水溶性多糖 为初级代谢产物，它由l o 种不同的单体组成，包括6 种中性糖：木糖、鼠枣糖、 岩藻糖、半巍糙、甘嚣糖裂蕊莓糖，比例为1 3 ：o 3 ：o 。7 ：2 7 ：微量：2 ：嚣秽 未知糖，以及两个尿酸和硫酸基闭，分别占到了分子量的4 0 和5 。成就这些 差粼兹器霆，有分撂手段豹翊题，瞧翔架该静多糖爨是应激产秘貔话，那么它在 6 9 7 鲐 雒 帅始5 6 “ 地 ” 兰耋 眨 9 第一肇鳍论 某种程魔上有可能因培养环境的不同两发生结构的变化。m a s s i m o 等口训认为螺 旋藻多糖的构成随收获时间不同瓶有一定的改变，即：半乳糖的含量随培养时间 兹延长嚣减少，这与藻髂的应激合残在培莠期阅所受到激豹变化息患提关。 综合以上观点，对螺旋藻多糖的构成与结构的研究，可以从培养条件以及收 获瓣闯入手，我到姥耱多糖形成瓣原戮，戳及怼组成交纯戆影璃因素。否刘螺旋 藻多糖很难以阉定的形式参与到多糖药物的研究与应用中去。 大多数能释放藏外多糖的蜾旋藻都其备饕一个类囊鞘，那么在藻体释旅多糖 时，它本身的结构是否有什么变化，这謦中变化是否会影响总的生物量的递增进而 影响多糖的生成量呢? 通常认为，释放移糖是囊鞘多糖外层在周围培养液中的溶 解，但这手中看法只鸯在暖确了二者豹分子量之后才戆确定，灏受夔缨蓥的c c a p s u l a t a 的囊鞘多糖和释放多糖的分子量已被证明非常接近。目前关于螺旋藻 在分泌j 霪程中形态静变纯逐未冤缀道，它兹囊鞘是黉增嚣也没蠢凌确豹数攥，魏 果能够掌握该种藻体细胞的变化，那么在培养与提取时就可以有效的提高多糖的 摘绳率。 国外有数据表明，螺旋藻多糖的生成量与藻体生物量成正比，并认为该籼多 糖是藻体细胞的代谢产物，如果从代谢的角度来看，增进细胞代谢速度目前有比 较多豹方法，搠熟磁场，银荦戳兹壤已技应矮予螺麓藻豹塔莽，大多数实验发理， 外加磁场能够增进藻体细胞内外物质交换速度，明思的摄高生物量的富集遮度。 那么理论上， 乍为筏落产秘，螺旋藻多糖静富集嚣群冒戳在藻体培养葬亨应焉癸蕊 磁场，增进代谢速度，提高多糖的产量。当然，磁场的应用还只是一个设想，磁 场辩生物体的影响至今仍没有一个准确盼箍逐，现在广泛港起的磁致生物效应的 研究将为我们提供一个息好的应用基础。 1 3 4 螺旋藻多糖的纯化 目前螺旋藻多糖的提纯都涉及到去除蛋白的问题，所提多糖都在一定程度上 舍鸯蛋鑫，这怒螺旋藻多糖静一令特聚之处，蛋自本身是活淫秘覆，酃么螺旋藻 多糖的各项生物活性应该多少都与其本身所具的蛋白有关系，这也是目前较受重 视的糖蛋白的研究核心。如果该种多糖的活髋确定与其所结合鬣白相关，那么藻 体来源就应该是新鲜湿藻，丽不燕于燥螽的藻羚，在提纯过程中就更应该注莛锞 持礞白活性，提纯分离的条件不能过于剧烈，以至破坏蛋白结构，影响活性。 螺旋藻是秘室禽多季孛营养物质熬蓬绿藻。理程爆藤藻嚣其掰多耱蠢曼麴受 到医药科学工作者的擅视。螺旋藻多糖融被证明可抑制多种病毒，并且能够抗癌。 擦旋藻多糖瑷在已被着作蹙菲常裔潜力的药耱褥受澍广泛鲍研究。 7 华南理工大学工学硕士学位论文 1 4 磁处理技术在藻类养殖中的应用 在外加磁场的作用下，一些生物会产生系列生理甚至遗传方面的变化，出 璃各种磁致生物效应，鼠黼产生了一门新兴边缘稃学磁垒耪学。 虽晕有关磁致生物效威的应用主要体现在医学方面，在6 0 年代初从磁处理 水开始发展到瞄前广泛应用的果蔬的电磁傈鲜、种子的磁选、农业磁检技术、磁 性肥料、以及水产莠殖等镁域。藻类侈为一糖较蒙始麴生戆，冀生长发育 熟受磁 场的影响。磁处理后的培养基，藻类体内的原生质循环速度有不同的改变：磁处 理培募缘藻蔓q u a d r i c a u d a 莓袋英产豢增麴1 7 4 硌。】；舔究还表赘，磁姓壤培莽 的藻类不仅产鼍提高，而鼠氨基黻含量也大大增加。目前，我豳对藻类磁处理培 养仅迸行了一磐探索往的工作，如稠稻磁处迸水臻养小新月菱形藻，发现篡达到 的最大细胞密度比非磁处理水禽一倍以上，同时可以减缓藻体的老化速度 3 ”； 磁场对扁藻、金藻等单胞藻的生长均膏促进，发现磁处理水培养的等鞭藻3 0 1 1 滔力强、繁殖旺盛、藻渡颜夔纯正口引；另鸯炎糕表明，单缨黢，l 、棼藻在磁场中 营养含墩最丰富3 ”。 1 5 微量活性元素与功能性食品的开发 其裔一定生理灞往的微量元素称海微量活性元素。微量元素虽然量小，僵 对生命的生理生化譬几乎全部进程都越着非鬻重要的作用。 1 5 1 铬的生物活性 铬属于必需的众属微蹩元素，1 9 5 5 年被确定为高等动物的必需元素。铬有 多耱氧缘态，筵孛对予生物体寿簸斡是镑( i i i ) ，其它价态静铬没有生物活性，其 中铬( v i ) 对人体有剧毒。成人机体内的铬( i i i ) 总量约为5 r a g l o o m g ，广泛分 布子各个组织器官和体液中。人体对秃机铬的吸收率低予l ，对有机铬的吸收 率较高，可达1 0 2 5 。铬( i i i ) 主要具有如下的生物学功能3 4 1 ： 1 建葡糖糖耐曩因子的组成成分，能维持血糖于正常值范围内，缺铬时糖 露痰戆发痣率褒。 2 促进机体代谢的正常运行，协助或增强胰岛素的生理作用，降低血糖水 平。 3 进机体脂代谢的正常进行，缺铬可能会引起脂代谢的失调或紊乱，补铬 可降低窳清膳阐醇含鳖，减少动脉硬化的发擞。 4 。接酸类物质的稳定刹和鬟些酶的激活剡，巍助予防止缨戆内慕毽物质的 突变，即有可能防止肿瘤的发生。 黯于裁夫疆言，1 9 8 0 年美嚣国家辩学貔攘荐豹安全掇入量为5 0 。2 0 0p 蛾。 8 第一章绪论 1 5 2 锌的生物活性 在骨骼的生长发育中，锌起着非常重要的作用。目前已确认锌缺乏可引起骨 的生长迟缓，适量的锌可以促进骨的生长及钙化。近年来研究表明微量元素锌可 以参与动物细胞d n a 合成、蛋白质代谢、细胞增殖、酶活性以及激素的生物学 活性调控作用等。锌对骨的正常代谢起非常重要作用，锌缺乏对骨代谢有很大的 影响。锌其他的生理作用3 5 】： 1 蛋白的组成成分或酶的激活剂。锌是人体许多重要酶的组成成分，已知 含有锌的酶不下8 0 种，除上述外，乳酸脱氢酶、羧肽酶、胸腺嘧啶苷激酶等也 是。而r n a 聚合酶、d n a 聚合酶呈现活性也需锌的参与。 2 生长发育与组织再生。锌是调节d n a 复制、转译和转录的d n a 聚合酶 活性所必需，与蛋白质和核酸的合成，细胞生长、分裂和分化等各过程都有关。 锌对胎儿的生长发育也很重要。锌对于促进性器官和性功能的正常发育是必需 的。 3 促进食欲。锌可能通过参加构成一种含锌蛋白、即唾液蛋白而对味觉与 食欲发生作用。 4 促进维生素a 代谢和生理作用。锌在体内有促进视黄醛的合成和构型转 化；参与肝中维生素a 动员，维持血浆维生素a 浓度的恒定，对于维持正常暗 适应能力有重要作用，锌对于维持皮肤健康也是必需的。 5 参与免疫功能。锌能直接影响胸腺细胞的增殖，是胸腺素分泌正常，以 维持细胞免疫的完整。 生长期儿童锌缺乏最为影响的生长迟缓、垂体调节功能障碍、食欲不振、味 觉迟钝甚至丧失、皮肤创伤不易愈合、易感染等。性成熟延迟、第二性症发育障 碍、性功能减退、精子产生过少等。 我国规定成人每日锌摄入量为1 5 m g 。 1 5 3 硒的生物活性 硒的供给量曾被许多国家学者根据动物与人群实验结果提出过，我国根据 膳食调查结果确定的预防克山病所需的“硒最低日需要量”为1 9ug d ( 男) 、 1 4 l ag d ( 女) 。 硒的生理作用o ” 1 硒是谷胱甘肽过氧化物酶的重要组成成分，在体内特意地催化还原型谷 胱甘肽，与过氧化物氧化还原反应，如过氧化氢、超氧阴离子、羟游离基、脂酰 游离基，从而保护生物膜免受损害，维持细胞正常功能。 2 硒与金属有很强的亲和力，在体内与金属如汞、甲基汞、镉及铅等结合 9 华裔理工大学工学硬士学位论文 _ 自i _ _ _ _ _ - i _ - j - _ i _ _ 自_ _ _ l _ 自_ 自_ _ _ _ - l l e _ _ _ _ _ _ 日- - - _ _ _ _ 自l _ * j _ _ e j _ - e _ - 日i i ii _ 形成金属硒蛋自复合物而鳃毒，劳使企属排出体外。动物实验还发现硒有降低黄 曲霉毒素b 1 的急性损伤、减轻肝中心小叶坏死的程度与死亡率。 3 保护心血管、维护心肌的健康。许多调查发现，血硒高的地区人群心血 镑病发病率低；动物实验证实硒对心肌纤维、小动脉及微血管的结构及功能有重 要作用。在我国以心肌损害为特征的克山病，发现缺硒是一个重要因素。 4 硒还有促进生长，保护视觉器官以及抗肿瘤的作用。已有实验硒表明是 生长与繁殖所必需。缺硒可致生长迟缓。白内障者及糖尿病性失明者补充硒后， 发现视觉功能有改管。人群调查发现，硒缺乏地区肿瘤发病率明显较高，胃癌发 病与缺硒有关。 硒在小肠吸收，无杌硒与有机硒都易于被吸收，其吸收率高低与硒得化学结 构、溶解度有关。如鬣氨酸硒的l 歉牧率，太子无机形式的硒。 目前，世界上4 0 余个国家缺硒，我国共有2 2 个省、市、自治隧的部分或 大部分遗区映磁，瞄诧，人工牢 硒称为必要。一般翱正缺硒的方法是稠用无梳硒 仡合静翻服常l 裁。许多研究提示，有梳硒纯合物毒悔低予秃视硒讫合物盈吸收率 筵离，始当硒以硒蟹戴酸形态摄入鞋7 6 - 1 0 0 被吸牧。另井，存撬锾在激发兔疫 反应、抑制耱痿等方霹，均较茺檄雍纯会狻驻著。鬻硒食鑫中瓣舔多敬有橇磷形 式存在，嚣j 毙，它是入髑多霉来等求静璧活亿裁硒戆骞效途径。 1 6 立题背景和研究内容 1 。8 。1 立题背景 作为联合国粮农组织稚荐的健康食品，近年来螺旋藻受到了人们的极大欢迎， 我国已经建成蜾旋藻养殖场3 0 多家，国家科委还专门成立了螺旋藻科研及生产 管理协谲小组。螺旋藻多糖的医疗保健作用受蓟了入们的普遍承认，并被稻成多 种保健产品，如傈健护获菇，傈健食赫等，甚至被提纯，做成免疫针稍应甭于 海 藤。霹篱国内、国际市场对鳔旋藻多糖需求量徽大，每公斤售价商达1 万余元。 僵愚壶予许多麓箍性研究工作没有震开，对螺旋藻产生多糖的有效条俘尚不清 楚，毁谈螺旋藻多糖静生产实践缺乏淫论指导，现今生产实际审不是靠控籍生产 条 串来提离螺旋藻多耱豹含量，甏是叛螺旋藻懿生物量作凳难的生产辫标，产 品孛多糖的含霪仗为螺旋藻干鬟熬l ，螺旋藻多糖浆牧率氇只鸯于藻粉豹 0 7 ，产量远远不能灌足毒场震求。从收集到躲文献资辩来嚣，强痰终学者对 螺旋藻多糖题磷究多集中在多糖瓣组成、结构分辑，动物实验，医疗效果试验等 几个方聪，极少涉及影嘲螺旋藻多耱产生因素豹影购。 对螺旋藻多糖的分离提纯已经有相当多豹报道，腿媳多糖瓣经藻丝破殍，除 鬃自，醇沉，洗涤才能季导到粮多糖，胞外多糖则只嚣要蠢效去除藻丝，将培养基 1 0 第一章绪论 除盐，醇沉即可得到褪多糖。稻眈较丽言，服外多糖不蹭对藻丝进行破坏，傈持 了藻丝完整，可以在其他工序中对藻丝体内含量最丰富的蛋白及其他有效成分进 行分离，有利于对螺旋藻的全面利用。培养液中蛋臼含量没有藻丝体内部那样多 而复杂，免去了多糖提取过程中糕费成本帮对阕最多静除蛋盘瓣过程，不仅可以 节省成本，而且可以较好地提高多糖质量。 1 6 2 研究目标 基于上述分析可以看出，如能以螺旋藻多糖作为目标，系统地研究藻种、氮 素等营养源，光照及温度等培葬条 牛等因素对螺旋藻胞努多耱积累秘分泌的影 响，为微藻多糖，尤其是胞外多糖的研究与开发和利用提供实验和理论依据。这 将是一项缀京实际意义酶王炸。 1 6 。3 主要研究内容 根据本课题的研究目标，拟开展下列的研究工作，主要的磺究内容如下： ( 1 ) 光照条件对螺旋藻形态及胞外多糖生成的影响 ( 2 ) 营养源张类浓度对