磁场处理对螺旋藻生长及胞外多糖的影响

2007, Vol. 28, No. 01 食品科学 ※工艺技术94 未褐变的百分率在0.88左右徘徊，所以，抗坏血酸浓 度一定时，氯化钠和柠檬酸对护色效果差异不显著。 从图5和6中可以看出，氯化钠浓度在－1到1 (0.5%～1.5%)范围内，柠檬酸浓度增加，板栗仁未褐变 的百分率增加；柠檬酸浓度在－1到1范围内，随着氯化 钠浓度的上升，板栗仁未褐变的百分率增加速度上升。 当氯化钠浓度一定时，随着柠檬酸浓度的上升， 板栗仁未褐变的百分率增加速度加快；当柠檬酸浓度一 定时，氯化钠浓度升高，板栗仁未褐变的百分率增加 的速度加快。 2.3最佳值求取 分别对回归方程求对X1、X2、X3偏导数，并令 偏导数等于0，可以求到极值为X1=0.54、X2=0.86、 X3=1.013。因而由回归方程估计得抗坏血酸为0.54%； 柠檬酸为0.86%；氯化钠为1.013%时板栗仁的护色效果 最佳。 2.4护色实验 将响应面分析法(RSM)应用于板栗仁护色配方的优 化，获得了良好的感官效果。用响应面分析实验结果 明：护色液中抗坏血酸、柠檬酸和氯化钠的值分别为 0.54%，0.86%，1.013%时，浸泡30min后，在室温 放置3d，仍可保持板栗仁的金黄色。 3 结 论 板栗仁的最佳护色，即将板栗仁于0.54%抗坏 血酸、0.86%柠檬酸和1.013%氯化钠混合液中浸泡 30min。 参考文献： [1] 黎继烈, 陈永安, 唐松元, 等. 板栗产品的褐变及护色方法研究[J]. 林业科技通讯, 2001(10): 10-12. [2] 盖钧镒. 实验统计方法[M]. 北京: 中国农业出版社, 2003. [3] 王福堂. 板栗栽培贮藏与加工[M]. 北京: 中国农业出版社, 1993. [4] 杨昌举. 食品科学概论[M]. 北京: 中国人民大学出版社, 1999. [5] BOX G E P, HUNTER W G, HUNTER JS. Statistics for experimenters: an introduction to design. data analysis and model building[M]. New York: John Willey and Sons, 1990. [6] MONTGOMERY D C. 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Bioprocess Eng, 1998, 18: 463-466. 收稿日期：2005-10-26 基金项目：广东省自然科学基金资助项目(31347) 作者简介：郑必胜(1966-)，男，副教授，博士，研究方向为天然活性产物制备与功能应用。 磁场处理对螺旋藻生长及胞外多糖的影响 郑必胜，郭祀远，尤 珊 (华南理工大学轻化工研究所，广东 广州 510640) 摘 要：系统研究外加磁场作用对螺旋藻生长及其胞外多糖分泌的影响。研究发现，在40kA/m以下范围内，磁 处理有利于螺旋藻细胞生长及生物量的积累，并当磁场强度为24kA/m时比生长速率最高。磁场强度高于40kA/m后 螺旋藻的生长受到一定抑制，达到80kA/m以上时生长受到明显抑制，400kA/m以上则基本停止生长。在较高的磁 场强度下螺旋藻生长缓慢但却有利于螺旋藻胞外多糖的分泌。螺旋藻对数生长期进行磁处理效果最好。 关键词：螺旋藻；培养；磁场；胞外多糖 Effects of Magnetic Treatment on Biomass and EPS of Spirulina ZHENG Bi-sheng，GUO Si-yuan，YOU Shan (Institute of Light Industry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China) Abstract ：The effects of magnetic treatment on the biomass and excreting of exo-polysaccharides(EPS) of Spirulina were studied systematically. It proved that a lower magnetic intensity(≤40kA/m) is good for improving the biomass of Spirulina but the growth 95※工艺技术 食品科学 2007, Vol. 28, No. 01 rate restrained as magnetic intensity higher than 40kA/m. 24kA/m is the optimum condition for improving the growth rate and the maximum-cell-concentration. The higher the magnetic intensity, the stronger the restraint is when the magnetic intensity is higher than 80kA/m. The growth stops almost when the magnetic intensity is higher than 400kA/m. Although the growth of Spirulina is restrained at the higher intensity magnetic treatment, it could stimulate the excretion of EPS obviously. It was also found that the optimum magnetic effect takes place in logarithmic growth phase. Key words：Spirulina；cultivation；magnetic field；EPS of Spirulina 中图分类号：O622.4 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2007)01-0094-05 螺旋藻(Spirulina)是一种具有营养保健功能的低等 微型蓝藻[1]，蛋白质含量高，达干重的70%[2-3]，而且 富含人体所需的大多数氨基酸，能够满足人体生存的需 要[4]。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86%以上[5]。近年来，螺旋藻中 丰富的生理活性成分相继被广泛利用，包括β-胡萝卜 素、叶绿素、α、γ-亚麻酸、维生素、微量元素、 藻蓝蛋白，螺旋藻多糖[6]，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。 电磁辐射对生物体会产生一定的作用和影响。生物 体受到外界磁场的作用会产生相应的磁生物效应。近年 来，磁场对生物的影响日益受到人们的重视，磁场生 物效应在生物技术、农业等领域得到广泛的应用。已 有的研究表明，适当的磁场作用可以有效促进螺旋藻的 生长和生物量的提高。本研究系统探讨了磁场对螺旋藻 生长及螺旋藻胞外多糖分泌的影响及规律，并对其作用 机理进行探讨，以期找到一种强化微藻功能化培养并大 大提升微藻产品附加值的方法。 1 材料与方法 1.1材料 钝顶螺旋藻藻种 华南师范大学生命科学院。 1.2仪器 紫外可见光分光光度计(UV-2102PC型) 尤尼柯(上 海)仪器有限公司；光照度计(ZDS-10型) 上海市嘉定 学联仪表厂；霍尔数字磁强计(CTS24型) 上海虹益仪 器厂。 1.3螺旋藻培养方法及装置 螺旋藻培养采用改进的4L气升式外环流磁处理光生 物反应器(见图1)，其中磁处理装置采用可调恒定磁场， 磁极间距2cm。磁场强度测定采用霍尔效应数字磁强计 测定。接种浓度在OD560=0.2左右，Zarrouk改良培养 基。pH维持在8.5～11左右，光强4klx，24h连续照 射。采用SN9900型空气泵鼓入空气，气速32L/h。控 温在30℃。 图1 气升式循环磁处理光生物反应器 Fig.1 Air-lift photobioreactor with circular magnetic treatment 1.4胞外多糖的提取 在OD560值达到1.6左右时收获藻体，用300目滤布 滤出藻丝，取培养基用0.45μm微孔滤膜进一步去除残 留藻体，以截留分子量8000的超滤膜进行超滤，除掉 盐离子，并将体积浓缩至原来的1/10，加3倍95%乙 醇沉淀多糖，离心分离，沉淀即为粗多糖。 1.5多糖测定 粗多糖加水溶解，定容至50ml，再用氯仿-正丁 醇混合溶液萃取洗涤残留蛋白，取1ml上清液以苯酚- 硫酸法测定总糖含量[7]，以葡萄糖为，折算系数 为0.9。 2 磁场对螺旋藻生长的影响 2.1磁场强度对螺旋藻生长的影响 4L气升式外环流磁处理光生物反应器中，接入螺 旋藻，调节在不同的磁场强度下培养。为了较系统地 研究，将试验分别在三个磁强段进行，即将磁处理分 别为40kA/m以内的低强度磁场、40～80kA/m中等强度 磁场、80～480kA/m较高强度磁场。 螺旋藻在0～80kA/m范围内的磁处理培养试验结果 得到螺旋藻的对数生长曲线，结果如图1、2所示。 2007, Vol. 28, No. 01 食品科学 ※工艺技术96 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 20406080100120140160 0kA/m 8kA/m 16kA/m 24kA/m 32kA/m 40kA/m l g ( A / A 0) 时间(h) 图1 磁场处理螺旋藻培养的对数生长曲线(0～40kA/m) Fig.1 Log-growth curve of Spirulina in magnetic-field with 0～40kA/m A.藻液的OD值；A0.初始OD值。 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 20406080100120140160180 0kA/m 48kA/m 64kA/m 80kA/m l g ( A / A 0) 时间(h) 图2 磁场处理培养螺旋藻的对数生长曲线(40～80kA/m) Fig.2 Log-growth curve of Spirulina in magnetic-field with 40～80kA/m A.藻液的OD值；A0.初始OD值。 根据图1、2得出在0～80kA/m范围内磁场处理下 螺旋藻培养的比生长速率，结果如图3所示。 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0 0 8 162432404856647280 比 生 长 速 率 ( 1 / h ) 磁场强度(kA/m) 图3 磁场对螺旋藻比生长速率的影响(0～80kA/m) Fig.3 Effects of magnetic-field with 0～80kA/m on the specific growth rate of Spirulina 由图1～3可知，磁处理可以显著地影响螺旋藻的 生长。其中当磁场为0～40kA/m，能够提高螺旋藻的生 长速率，有效的刺激螺旋藻生物量的积累。并且提高 最大细胞浓度；当磁场为40～80kA/m时，螺旋藻比生 长速率下降，最大细胞浓度迅速下降。当采用24kA/m 的磁场处理时，最有利于螺旋藻的生长，比生长速率 最大并且达到较高的最大细胞浓度，螺旋藻的比生长速 率是未采用磁场处理培养的两倍，是磁场刺激螺旋藻生 物量增加的最佳条件。 由实验结果可得出，采用循环磁处理促进螺旋藻生 长的磁感强度范围为0～40kA/m，其中以24kA/m为最佳。 实验还采用了80～400kA/m强度的磁场进行对螺旋 藻进行磁处理培养，并得到螺旋藻在不同磁场处理下培 养的对数生长曲线，结果如图4所示。 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 50 100 150 l g ( A / A 0) 时间(h) 图4 磁场处理的螺旋藻的对数生长曲线(80～400kA/m) Fig.4 Log-growth curve of Spirulina in magnetic-field of 80～400kA/m A.藻液的OD值；A0.初始OD值。 0kA/m 80kA/m 160kA/m 240kA/m 320kA/m 400kA/m 在实验中发现80kA/m以上的磁场明显的抑制了螺 旋藻生长。如图4所示，80～160kA/m的磁场处理下螺 旋藻生长缓慢，比生长速率下降明显，最大细胞浓度 是未加磁场处理培养的1/4。240～320kA/m磁场处理 下，螺旋藻生物量的累积速度明显降低。400kA/m的磁 场处理下，螺旋藻基本停止生长。另外，通过实验发 现，将受强磁场处理而受抑制的螺旋藻取出磁场，在 正常条件下，螺旋藻又可以逐渐恢复生长。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， 这是提高螺旋藻胞外多糖累积量又不降低生物量产出的 有效方法。 2.2磁处理方式对螺旋藻生长的影响 本实验的目的是探讨不同磁处理方式对螺旋藻影响 效果。保持磁场强度一定时，分别以诱导期、对数期、 平衡期、全过程进行磁处理培养。磁场强度为24kA/m， 光照5klx，连续照射。根据所得监测结果作出螺旋藻在 不同磁处理条件下的对数生长曲线，结果如图5。 由图5可看出，磁处理对螺旋藻生长的刺激主要发 生在生长对数期，只在这段生长期进行磁处理就会得到 良好的效果，同全程处理的效果基本相同。另一方面， 生长平衡期和诱导期采用磁处理对螺旋藻的生物量的累 积影响不大。 2.3磁场对螺旋藻胞外多糖的影响 97※工艺技术 食品科学 2007, Vol. 28, No. 01 已有报导磁处理能影响螺旋藻的各种主要营养成分 蛋白质含量和氨基酸组成，以及微量元素的含量[8]。本 实验利用气升试外环流磁处理光生物反应器培养螺旋 藻，着重研究磁场对螺旋藻胞外多糖的影响。 实验采用了温度30℃，光照5klx，全过程磁处理 的方法，分别考察了8～40kA/m，48～80kA/m，80～ 400kA/m各阶段强度的磁场对螺旋藻胞外多糖的影响。 根据所得数据以各阶段胞外多糖量平均值对磁场强度做 图，结果如图 6。 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 20 40 60 80 100 l g ( A / A 0) 时间(h) 图5 磁处理方式对螺旋藻生长的影响 Fig.5 Effects of magnetic treatment on the growth of Spirulina A.藻液的OD值；A0.初始OD值。 未处理 全过程 对数期 平衡期 诱导期 35 30 25 20 15 10 5 0 0 8～40 48～80160～400 胞 外 多 糖 ( m g / L ) 磁场强度(kA/m) 图6 磁场强度对胞外多糖的影响 Fig.6 Effects of magnetic treatment on the product of EPS 未处理 全过程 对数期 平衡期 诱导期 由图6可看出，8～40kA/m和48～80kA/m阶段的 磁处理相比未加磁场处理的培养，螺旋藻胞外多糖有相 对的提高，这与本阶段螺旋藻生物量的明显提高是一致 的。胞外多糖是螺旋藻的分泌性代谢产物，螺旋藻生 长速度提高，代谢频率提高，胞外多糖就会有相应的 提高。 在160～400kA/m范围内磁场处理时，螺旋藻胞外 多糖的平均得率提高到30mg/L，这是在已有文献报道中 未曾见到的。螺旋藻胞外多糖的产生，在很大程度上 缘于营养、物理、化学等因素造成的细胞对生长平衡 的维持与修复，或者可以说，它很多时候是一种应激 产物，它更多的在不适状态下分泌，以对藻体自身进 行保护。高强度的磁场抑制了螺旋藻的生长，这对螺 旋藻而言，属于极端的物理环境，在这种环境下螺旋 藻自身可能出现了代谢紊乱，导致应激产物胞外多糖的 大量分泌。 3 机理探讨 3.1磁场处理的促进作用机理 光合作用是利用光能，以二氧化碳和水为原料生产 有机化合物的过程[9]，总结果是氧化和还原，过程中水 被氧化，它所释放出的电子被用于将二氧化碳还原成碳 水化合物[10]，即： 6CO2+6H2O+光能 = (HCHO)6+6O2 对于螺旋藻光合作用进行的快慢可以从两方面得到反 映：一是藻液的pH值变化快慢，二是放氧量的增加。螺 旋藻培养液中的碳源主要以游离的CO2、HCO3－、CO32－ 三种形式存在，它们之间存在着以下的平衡关系[11]： CO2+H2O H2CO3 H++HCO3－ H++HCO3－ 对于某一培养基而言其含碱量是一定的，在无外部 pH控制的情况下，这种平衡的变化可从pH值变化得到 反映。随着光合作用的进行，无机碳素日渐减少，水 体的缓冲能力受到破坏，导致pH值上升，因此，pH 上升的快慢可作为螺旋藻光合作用进行程度的一个标 志。另外，溶解氧浓度的变化也是藻类养殖中衡量光 合作用程度的一个重要参数[12]。 12 11.5 11 10.5 9.5 9 8.5 8 0 50 100 150 p H 时间(h) 图7 磁场处理对螺旋藻生长过程中 pH的影响 Fig.7 Effects of magnetic-field on the pH of Spirulina culture 0kA/m 24kA/m 控温在35℃，接种浓度为OD560=0.2，在强度为 24kA/m的磁场处理下采用4.0L气升式外环流磁处理光生 物反应器分批培养螺旋藻，采用酸度计每天定时测量藻 液pH值变化，用测氧仪测定藻液中溶解氧变化。藻液 pH值变化及藻液溶解氧曲线如图7和8所示。 从图7可看出，磁处理可提高藻液pH值，使其尽 快进入螺旋藻生长的最佳范围。由图7、8可见，在其 2007, Vol. 28, No. 01 食品科学 ※工艺技术98 4.2 4.1 4 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 0 50 100 150 溶 解 氧 ( m g / L ) 时间(h) 图8 外加磁场处理对螺旋藻培养液溶解氧的影响 Fig.8 Effect of magnetic-field of dissolved oxygen 0kA/m 24kA/m 他条件相同时，有无磁场处理时溶解氧的量有所不同， 加磁场处理时，藻液溶解氧量在生长旺盛期始终高于非 磁处理培养。以上两种现象均说明磁处理可促进螺旋藻 对碳源等营养的吸收，从而加快光合作用的进行，加 速螺旋藻的生长。 3.2磁场处理的抑制效应机理 磁场对生物体的影响可分为刺激、抑制和无影响三 种。磁场一方面可以促进细胞分裂和增殖；另一方面， 当磁场超过一定值时，又能抑制细胞的生长，本实验 发现40kA/m以上的磁场处理抑制螺旋藻的生长，这种 抑制效应可能是由于下面一些原因引起的。 3.2.1磁场力的作用 生物体内存在一定量的金属原子，尤其是过渡金属 Fe、Mn、Co、Cu、Mo等是作为酶的活性中心的一 部分存在的，这些金属在磁场中受到磁力的作用，导 致了酶的活性变化[12]。 生物体中电子的传递、离子的扩散与自由基等带电 体的运动，都会受到洛伦兹力的影响。高强度的磁场 会干扰这些电子或离子的传递与运输，从而导致生物体 代谢紊乱，并进一步抑制生物体的生长。 3.2.2生物膜的渗透性变化 培养基中的带电离子如Na+、K+、Cl+因为受磁场的 影响而改变了它们的对生物膜的渗透能力，因而影响了 生物体内的代谢作用、生物化学过程和膜电位变化等。 4 结 论 4.1磁处理对螺旋藻的生长具有较大的影响，磁场强 度在0～40kA/m范围内，可明显加速螺旋藻的生长，而 在大于40kA/m则不利于螺旋藻生长，80kA/m以上产生 明显抵制，400kA/m时螺旋藻基本停止生长。 4.2高强度的磁场虽然不利于螺旋藻的生长，但螺旋 藻处于极端的物理环境，螺旋藻会自我保护性的分泌释放 胞外多糖。本文确定在对数生长期进行短期的160kA/m的 处理，是保证螺旋藻生长同时刺激螺旋藻分泌胞外多糖 的最适条件。 参考文献： [1] CHUNG P, POND W C, KINGSBURG J M, et al. 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