利用雨生红球藻生产天然色素.doc

利用雨生红球藻生产天然色素虾青素文章来源：猪与禽更新时间：2002-12-26 11:25:00点击数： 2162评论本文王飞 温刘发（华南农业大学动物科学学院，广州，510642） 天然色素是从天然原料中取得并加以精制的产品，主要作为食品添加剂，使食品具有更好的自然新鲜色。天然食用色素的原料都是再生资源，不受资源枯竭的限制，而且许多天然色素本身就是或含有人体需要的某种营养物质；有的天然色素如虾青素，还对某些疾病具有一定的疗效。 目前广大消费者对于肉鸡肤色和蛋黄颜色有着严格的要求，黄色几乎成了衡量肉鸡和鸡、鸭蛋质量的最重要指标。为了满足广大消费者的消费心理，饲养者对饲料生产者提出了新的要求，希望提供“双黄”饲料。因此饲料着色剂有着广阔的发展前景。鉴于目前对使用合成色素的限制越来越严格，而消费者的营养、安全和健康意识逐渐增强，在许多国家都已立法禁止人工色素的使用，所以天然色素的使用将越来越普及。 虾青素属于类胡萝卜素，是甲壳类动物，如虾、蟹、和三文鱼的主要色素。人工合成的虾青素作为食品添加剂虽然已由美国的食品和药品管理局（FDA）批准，但价格十分昂贵，每千克达20002500美元；此外，人工合成虾青素的过程可能被其它有害物质污染，产品中还含有非天然的异构体，因此人们对天然虾青素的兴趣很高。目前比较有前景的天然虾青素的生产来源是甲壳类动物的壳、酵母菌和微藻类（雨生红球藻Haematococcus pluvialis）。酵母菌细胞内的虾青素的含量（005细胞干重）远低于红球藻（2细胞干重），因此利用红球藻进行虾青素的工业化生产，引起了各国科学家的高度重视。虾青素的生理功能 虾青素具有很强的抗氧化功能，能清除体内由紫外线照射产生的自由基，调节降低由光化学引起的危害，对紫外线引起的皮肤癌有很好的疗效。虾青素的抗氧化功能高于斑蝥黄质（Canthaxanthin）、玉米黄质（Zeaxanthin）等其它类胡萝卜素，能抑制生物膜被氧化。虾青素还能显著促进淋巴结抗体的产生，特别是能促进与体内T细胞有关的抗原的抗体的产生。虾青素与脂肪酸结合形成的酯比脂肪酸与其它类胡萝卜素形成的酯稳定，不易被氧化。 虾青素在某些条件下对抗脂肪氧化的保护作用比-胡萝卜素高10倍，比维生素E高100倍，故又称超级维生素E。虾青素对鱼类的生长繁殖有重要作用，促进鱼卵受精，减少胚胎发育的死亡，促进个体生长，增加成熟速度和生殖力。 科学家在高原的雪地藻类中发现次生类胡萝卜素有光保护功能，这些次生类朗萝卜素与蛋白质结合形成复合体，能减少强光的伤害。同样虾青素对红球藻本身也有保护作用，使得红球藻能适应某些极端环境，如高温、营养缺乏等条件。红球藻在强光照射下，其中的虾青素颗粒由原来的细胞核附近移到细胞壁周围；在强光照射被取消时则回到细胞核附近。若长时间强光照射，虾青素则迅速积累。虾青素的应用 虾青素目前主要用作三文鱼的饲料添加剂。三文鱼的鲜红的肉色是非常重要的质量指标，但三文鱼自身并不能合成虾青素，必须从其食物中获得。人工养殖的三文鱼如不添加虾青素，则肉成白色，品质下降。 二十世纪八十年代，主要应用人工合成的斑蝥黄质作为三文鱼养殖的饲料添加剂。研究表明，用虾青素作为三文鱼的着色剂，效果明显优于其它色素，能更有效地被三文鱼利用。虾青素除了影响三文鱼的肉色外还能改善三文鱼的生理功能，对三文鱼的生长具有明显的促进作用。Nakano等发现，用添加虾青素的饲料来喂三文鱼，其体内维生素A的含量比没喂的高20倍以上，不但增加了三文鱼的营养价值，而且有利于提高三文鱼的抗病能力。 将虾青素运用于家禽的饲粮中，是否能取得理想的效果，目前并无明确的定论，还需作进一步深入细致的研究。虾青素的化学特性及来源虾青素的化学特性 虾青素的化学系统名为（IUPAC），相对分子量为59686。纯虾青素是暗红棕色粉末，熔点224度，不溶于水，能溶于大多数有机溶剂。虾青素的化学结构是由四个异戊二烯单位以共轭双键形式连接，两端又有二个异戊二烯单位组成六节环结构。 虾青素的来源 （l）化学合成 瑞士Hoffmann-La Roche公司成功地合成了虾青素并投入市场，商品名为CarophyllPink。目前人工合成的虾青素仍然是三文鱼饲料色素添加剂的主要来源。 （2）甲壳类动物 甲壳类动物的甲壳中含有虾青素，但含量很低，并且这些甲壳中灰分、几丁质的含量较高，限制了虾青素的提取和利用。 （3）微藻 雨生红球藻（Haenatcoccus pluvialis）细胞内虾青素含量很高，超过细胞干重的2；血红裸藻（Euglena sanguinea）中虾青素双酯的含量达细胞干重的070，此外绿藻（Eremosphaera viridis）、小球藻（Chlorella spp）、Botryococcus braunil在不利条件下能生产虾青素。但这些微藻生长缓慢、需要较长的生长周期。(4)原生动物 Gymnodinium、Strombidium和Favella ehrenbergii等原生动物中也有虾青素，但它们自身不能会成虾青素，没有商业价值。由此可以预言，开发红球藻培养生产虾青素技术具有广阔的发展前景和巨大的商业价值。雨生红球藻内虾青素的合成 红球藻细胞内的虾青素 虾青素在红球藻细胞内合成和积累会影啊其产量。Sprey认为次生类胡萝卜素可以在叶绿体中合成，并且可像广大高等植物的叶绿素一样参与光和作用。但是，Santos和Mesquita通过电镜观察发现，虾青素不是在细胞器内，而是在细胞内质网外面的透明质内合成。合成的虾青素质粒最初以颗粒形式存在于核周质附近，没有生物膜，互相也不容易融合。成熟的虾青素呈各种形状，包括长丝状、棒状和颗粒状。 虾青素的积累 红球藻在最适生长条件下，藻细胞产生叶绿素A、叶绿素B以及初生类胡萝卜素，特别是-胡萝卜素和叶黄素。这时藻细胞为绿色，呈椭圆形，细胞生长率很高。当营养条件受到限制或在不利环境下，红球藻的光合速率与光合作用产物利用速率不平衡，导致碳水化合物的积累，脂肪酸和类胡萝卜素的增加，特别是虾青素的快速积累。这时红球藻的细胞变大，颜色也由绿色变为红色。 虾青素的含量及合成速率在红球藻的生活周期中显著不同。虾青素的积累速率在游动细胞和不动细胞中是一样的，游动细胞虾青素的含量下降是因为它的合成速率低于细胞的分裂速度。任何因素，如不利的生长条件和细胞分裂抑制物的产生等，都可引致细胞分裂速度下降，从而导致个体细胞内虾青素的快速积累。根据红球藻分批培养的结果，发现虾青素的生成速率在红球藻的不同生长阶段是不同的，红球藻生长后期的虾青素积累明显高于生长早期。 外界条件对细胞虾青素积累的影响 许多环境如光照、营养等都可以影响虾青素的形成，这些因素常常通过细胞内综合代谢而发生作用。 （1）光照度 光照度不但对红球藻的生长是一个非常重要的因素，而且对红球藻虾青素的合成也是很重要的。普遍认为光照度对红球藻的生长，特别是对红球藻内虾青素的合成是必需的。相反，也有人认为虾青素的合成可以在黑暗中进行，只是虾青素的合成速率在光照条件下比黑暗条件下高7倍。强光对红球藻的生长不利，特别是在红球藻的生长早期，强光显著地抑制红球藻的生长诱导促进虾青素的合成。红光比蓝光对红球藻的生长有利，而蓝光对虾青素的积累有利。 （2）温度温度对红球藻虾青素的生物合成的影响与光照度很相似，较高的温度可以促进虾青素的生物合成。据Tjahjono等报道，在30条件下，红球藻的产量比20培养条件高25倍。但是，Borowitzka认为，最适合红球藻光合自养的温度在2528之间。温度高于30时，红球藻的生长受到抑制。所以，较高的温度促进细胞内虾青素含量的增加，适用于红球藻培养的后期。 （3）溶解氧 较低的溶解氧（50）有利于红球藻自养生长，而饱和的溶解氧则有利于红球藻的异养生长。溶解氧对红球藻虾青素含量的影响尚有待研究。 （4）PH值 PH值对对红球藻虾青素细胞含量的影响目前尚未有详细报道。一般认为，最适合于红球藻生长的pH值为中性至微碱性，虽然红球藻在pH=11的条件下仍然可以生长和成活，但其生长速率很低。 （5）培养液的流体剪切力的影响 通过对搅拌速度对红球藻的生长和虾青素的影响的研究，发现如果流体剪切力高于0.05NM，则会阻碍红球藻的生长，促进虾青素的合成。 （6）培养基的优化 醋酸盐是应用于红球藻混合培养的比较好的碳源，它除了容易被红球藻利用于生长外，也很容易被红球藻吸收参与虾青素的合成。 对于氮源的需求，科学家有不同意见，大多数认为低浓度的氮源对虾青素的合成有利。 但Goodwin报道，如果红球藻在含有醋酸盐的培养基中，高浓度的氮源有利于虾青素的合成；此外，较高的亚铁离子浓度有利于虾青素的合成；低浓度的磷酸盐可以促进虾青素的合成，但并不显著抑制红球藻的生长。 （7）环境条件的优化 除了对培养基的优化，其他环境条件如温度、PH、光照、溶解氧的优化组合对于提高红球藻虾青素的生长率也非常重要。但是适于红球藻生长与虾青素合成的条件往往是互相矛盾的，即当环境条件如温度，PH值、光照、溶解氧、培养基成分和浓度有利于红球藻生长时，虾青素的合成速率通常较低；而虾青素快速合成的时期发生在不利于红球藻生长的环境条件下。 可采用分步培养的方法生产虾青素：首先利用红球藻的最优生长条件促使红球藻细胞于物质增加，然后改变条件使红球藻能快速合成虾青素。虾青素的大规模生产 室外大地培养 目前利用红球藻进