螺旋藻及其培养

—、 《中国食品添加剂》 China Food Additives 1996 No．3 进 口甘草及浸膏作为原料。 日本新品种开发，着重在强调天然和高 甜度，最近推出的一个新品种叫索马甜 (他灵 蛋 白质 (TP))为蔗 糖 的 3000倍 ～2000 倍，台湾地区已批准使用， 日本、英、美、 澳大利亚和国际卫生组织正审批中。索马甜 是一种甜味物质，从西非植物果 实中提取， 比蛋清还易消化，不需要允许摄人量，具有 惊 人 的 增 香 效 果 (薄 荷 10倍， 留 兰 香 5～ 7倍， 巧 克 力、苹 果、 柠 檬、橙 2 倍)。英国已引种。 我国甜味剂 “九 五”的发展方针 作为食 品工 业， “九五 ”要点： 一 是基础原料工业，添加剂也在内；二 是进入一 日三餐方便营养食品；三是满足不 同人群的需要特殊营养食品。 食品添加剂的发展重点是天然营养多功 能 。主要指用高新分 离技 术、生物技术改造 现 有产 品，发 展具有 中 国特 色 的 食 品 添 加 剂，参与国际竞争。 甜 味剂的开发 ，正 面向特殊 人群 。我 国 有 1500～ 2000万糖尿病人；有 950o万高血 脂病人，有 3亿人患龋齿。作 为无糖 的食 品，如低聚糖和糖醇应为首选。我国已批准 使用 的高甜度甜味剂 阿力 甜，其甜度 600 ( 倍，三氯蔗糖 650倍，今后对甜味剂 的选择从安全 和价格方面要 求会更加苛刻 。 目前我国甜味剂工业的生产和销售已经有 一 定规模，主要品种 营养性 甜味剂、糖 醇 类、山梨醇年产 5万吨；木糖、木糖醇 6000 吨；高甜度甜味剂糖精 1万吨，甜蜜素 1．6 万吨，甜菊糖甙 700多吨，其它还有少量阿 斯 巴甜、安 赛 蜜。 1995年 甜 味剂 出 口木 糖、木糖醇 5000多 吨，甜菊糖 500吨，甜 蜜素 4000吨。从上述高甜度甜味剂的消费结 构看，国内消费的甜味剂大量的是糖精和甜 蜜 素，这和国家 的产 业政策不相符 ，作为行 业应提倡 天然甜味剂 为发展方 向。但市 场机 制决定了合成甜味剂价低，具有竞争力。因 此除 了加 强宣传力度 以外 ，还应 做好 天然高 甜度甜味剂提高质量、降低成本的工作。做 到不仅在政策上扶植天然甜味剂，而且天然 甜味剂 自身要能有竞争力。例如最近全国食 品添加剂化技术委员会新批准两个高甜 度甜味剂：阿力甜 (系氨基酸甜味剂)、三氯 蔗糖均属天然原料合成，甜度又高，国际卫生 组织已批准推荐使用，今后 会有 较好 的发 展前景。此外前面谈到的索马甜是一种纯天 然蛋 白质，含 19种氨基 酸，无任何毒 性， 而消化吸收好，在食品中添加，用量甚微， 还有增香作用， 因此可能有更好的发展 前 景。 (华南理工大学轻4~_x-研究所 广州，510641) 螺旋藻 (Spirulina)足地球上最早出现 的光合生物之一，它是一种多细胞 丝状微 藻，属蓝藻门，其丝状体或毛状体的螺旋状 是螺旋藻属的特征。藻丝长50～ 500pm2~ 香港大学植物学系。 ， 东 右 ，直径 约为 1～ 12pm。 人类食 用这类微藻的历史 已有几百年 ， 早期人们主要将螺旋藻制成饼干状食物来满 足 自身的食物需要或动物的饲料 需要。后 来，由于注意到螺旋藻具有蛋 白质含量高、 一 17 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国食品添加剂》 China Food Additives l996 No．3 氨基酸比例平衡，并含有多种维生素和微量 元素等营养物质，易于消化，其单位产量远 高于农作物等优点，因此，引起人们开发和 利用它的兴趣。 自从 l968年世界上第一个 螺旋藻工厂在 墨西哥 Texcoco湖 畔建 成 以 来，世界上不少国家都先后建立了螺旋藻生 产基地，产量逐 年增加 。 目前 ，世界年产量 达 2000吨左 右， 产地 主要 分 布 于 乍得 、墨 西哥 、美 国、秘 鲁、 泰 国、 印度、 菲律 宾 、 日本、以色列及中国等地 ’”。 对螺旋藻的研究除了大规模培养和分离 外，还包括 深加 工技术 和应用开发 。 目前世 界上 已有 五十多个 国家批 准使 用螺旋藻作为 食品或食品添加剂。近几十年来，美国、日 本和德国等国家对螺旋藻进行了大量医疗保 健功能 的试验 。研究证 实，螺 旋藻有较 强的 抗辐射 能力 和提 高机体 免疫力作 用 ’¨ ； 此外，综合各国学者 的研 究结果来看，螺 旋藻及其抽提物对肝病、慢性胰 腺炎、糖 尿病、青光眼、白内障、恶性贫血、胃溃疡 及肥胖症等都有有益效果 。随着研 究的 深入 ，螺旋 藻应用领域 逐 渐扩展，从最 初的 营养型食品扩大到食 品添加剂、医疗保健、 化妆品和精细化工等产品已达几十种之多 本首先讨论螺旋藻的化学组成和营 养特性，在此基础上，重点探讨螺旋藻的培 养方法，并主要介绍了高细胞密度的培养新 。 — — 一 一 、 螺旋藻的化学组成和营养 1．化学组 成 经过 国内外学 者多方位 的深入研 究后 证 实 ¨～∞， 螺 旋藻 的 主 要 成 分 为： 蛋 白 质 50～ 70％；碳水化合物 l9％；色素 6％；脂 类 4％；纤维素 3％；灰分 3％ 具体结果将分别 阐述。 (1)蛋 白质 通过对墨西哥所生产 的螺 旋藻进行 分 析，可以知道其 氨基 酸的成分如 l所 示。 表 1 螺旋藻蛋 白质 中氨基酸的组成 (2)碳 水化合物 螺旋藻中的碳水化合物主要 由葡萄糖、 果糖、蔗糖、甘油和几个多元醇所组成 (3)维生素 螺 旋藻 中的维 生素成分如表 2所示 。 表 2 螺旋藻中维生素的组成 (4) 脂肪酸 螺旋藻中最主要的脂肪酸如表 3所示。 (5) 色素 螺旋藻中的色素可分为三类，见表 4。 l8 ～ 表 3 螺旋藻 中主要脂肪酸含量 脂 肪酸 含量 (％ 丁重 ) 亚 油酸 一 亚 麻酸 1．24 1．04 维普资讯 http://www.cqvip.com —＼ 《中国食品添加剂 China Food Additives 1996 No．3 表 4 螺旋藻中的色素类型 色素 含量 叶绿 素 a 类胡萝 卜素和叶黄素 藻监素和类藻监蛋 白 占活 细胞 重量 的 1．7％ 占有机 休 重量 的 0．5％ 约 占细 胞 内蛋 白质 的 20％ 2．营 养 微藻的营养类型可分为四类： (1)光合 自养型：在光照下生长，C0 作 为唯一碳源 同化 为细 胞结构 ，生 长所需能 量仅 仅来 自光 。 (2) 营养缺 陷型： 由于 发生 代 谢 障 碍 ，生长时至少需加 入一种较低浓 度的有机 物，但这有机物不足作为碳源和能源。 (3)混 合营 养型 ：生 长在 光 照 和 C0 存在 下，还必须加入至 少一种有机底物 ，这 种底物能进行光合代谢。 (4)异养型：能利用一种或多种有机 物作为能源和碳源。C0 可要可 不要，生 长能在黑 暗L}J进行。 对于 异养型还有一种特 殊情 况 ，光被 需 要用来同化底物，但所需强度远低于光合 13 养型，这种类型可称为光合异养型。 对螺旋 藻而 吉 ，一般 认为它与大多数 蓝 藻一样是一种专性光合 自养生物，以光作为 能量还原 C0 ，同化成碳 水化合物。但是， 有报道谈到葡萄糖能促进螺旋藻生长 Ⅲ， 同时，通过同位素 ’4C追踪表明，50％ 的葡 萄糖转变为螺旋藻的细胞结构。进一步的研 究还表 明，螺 旋藻光合异养 时的生长速率高 于光合 13养，说明螺旋藻具有一定的异养能 力。 ． 从氮源上看，螺旋藻主要通过固氮酶的 催 化反应 固定 和还原空气 中的氮。同时它也 能利用铵盐 中的 NH 作 为 氮源，但 氮 的 浓度 不能 大 于 100rag／1。 在 pH8．4左 右 时， 尿素也可以作为氮源被利用，但浓度必须低 于 1．5g／1 。此外，其细胞L}J的藻青蛋 白也 可以作为一种储备氮源 。 关 于 盐 类 的 作 用， 有 关 研 究 表 明， NaHC0 是 螺 旋 藻 生 长 L}J的 主 要 盐 类 成 分，能维持螺旋藻生长必备的碱 性条件 和 pH 值， NaHCO 的 浓 度 在 0．2M 为 适。 Na 和 K 足 螺 旋 藻 生 长 必 需 的 元 素， 但 Na 和 K 的 比例 直接 影 响 螺 旋 藻 的 正 常 生 长 ，通 常 K 和 Na 的 比值 小 于 5时 螺 旋藻生 长较好。 二、螺旋藻的培养 螺旋藻 的培 养可分 为实验 室培养 和商 业 化 的大规模培 养两大类 。 1．实验 室培养 用于螺旋藻实验室培养的培养基分为淡 水 和海水两种 ，故在培养基 的选择j 有所 区 别 ，同时根据所要 达到的 口的又有保藏和， 长培 养基之分 。 日前 常用 的 培养 基 有 ：改 良型 SAG 培 养基、改良型 Zarouk培养基和合成型培养 基等 。 (1)培养条件 pH 值 ：螺 旋 藻 的最 佳 生 长 pH值 范 围 为 8．3～ 11．0。 当 pH 值大于 11．0时 ，将 不 利于 生长。 温度 ：螺旋藻 的最 佳 生 长温 度 在 35～ 37℃ 。但 足 ， 当温度 升 至 39℃ 并 维 持 儿 小时，仍不影响其正常的代谢功能。这说明 螺旋藻具有较 好的耐热性 。 光 照： 当营养和温度 正常的情 况下，光 照就成为影响螺旋藻生长的一个重要因素， 在室外培养 。光源 主要 足太 阳光 ，故其 受天 气情况的影响，同时还与细胞密度及培养池 的深浅等 因素有 关。在实验 室L}J，一般使用 冷白光源，如荧光灯作光源，生长培养所需 光强度约为 3700～ 4000Lux，维持培养时为 l 100Lux左右。螺旋藻的生长不仅受光强度 的影Ⅱ向，而且 因光的品质 (色值)不 同，反 应各异 “∞。本文作者在对螺旋藻光合异养 培 养的研究 L}J也 发现 。在 光合 异 养 过程 L}J， 螺旋藻对光的依赖性远低于其光合 自养过 程 。 一 19 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives l996 No．3 (2)连续培养 对能进行光合合成的生物进行连续培 养 主要 用于生物体 的生 物 化学 和 生长 的 研究 ， 其优点足增加产率，同时提高培养细胞的密 度 和便 于控制质量 。 2．大规模培养 本世纪四十年代 初，在德 国为了用硅藻 生产脂类，第一次提出了藻类光合合成的大 规模培养 “ 。到五十年代初，美国华盛顿 Carnegie研究所的科学家对光合 自养型微藻 的大规 模培 养进 行 了更 系统 的研 究 “ 。 日 前 ，螺旋藻的大规模 培 养 已得 到广 泛 重 视， 其主要方法分为封闭武池和封闭式光合生物 反 应器。 (1)封 闭式池 封 闭式池 为 一 个 长方形 ，深 度 约 为 10 厘米左右的池子，使用搅拌器和塑料挡板来 加强水的流动，它既可以暴露于空气中，又 可 以 用 塑 料 薄 膜 复 盖 其 上 。 其 面 积 在 500～ 5000m2范 围内。 (2)封 闭式生物 反应器 封 闭式 生物 反应 器 可 分 为 五 类： 管 道 式光生物反应器 、垂 直玻 璃 柱式 、盖 槽式 、 垂直蜂窝状翼片式反应器和光纤光合式生物 反应器 。 对于大规模培养螺旋藻来说，产率较高 的约为 400～ 500mg干重／1。 3．高细胞 密度培养 高细胞密度培养足一项相对较新颖的微 藻培养方法，它主要适用于异养生物培养； 具有产率高、成本低、产品纯度高等优点， 特别适用于一些高价值产品的提取。 高细胞密度培养可以分类为分批流加式 培养和连续培养。 (1)分批流加式培养 分批流加式培养的优点是通过限制底物 浓度消除了底物的抑制作用，从而使培养物 处于最佳生长状态。这种系统操作简便，在 生 化工业 L}J已得 到广泛应用。 一 2O 一 日前，分批流加式培养主要用于酵坶菌 干¨ 细 菌 的培 养， 其 最 高 细 胞 密 度 可 达 200g／1。 分批 流加式培养 主要 存在的 问题 足：供 氧不足、过热的排除和高粘度使生产 L}J细胞 密度难 以达到实验室 水平。 (2)连续培 养 连续培养可用于异养型生物高细胞密度 的培养 ，主要足通过稀释 度的控制来 限制底 物的浓度，从而消除底物的抑制作用，使细 胞的生 长处 于较佳状态 。连续培 养 系统有好 儿种类型，日前其培养细胞干重浓度可达到 l00g／1以上 (细菌和酵母菌)。连续培养现 在主要也足 用于酵母菌 和微生物培 养，例如 单细胞蛋 白的生产 、啤酒 的生产等 。 尽 管高细胞密度培养 技术和设备有 了较 大的发展，但针对微藻培养的工 作罕 见报 道。直到最近几年才见到有关这方 面 的文 章 。Feng Chen“ 对小 球 藻 在 以醋 酸 为碳 源的异养过程中，对其高细胞密度培养进行 了探讨，证实对具有异养型能力的微藻进行 高细胞密度培养足可行的，但足，对螺旋藻 的异养化 和高密度培 养仍 未 见报 道， 因此 ， 这将是一项很有发展潜力的螺旋藻培养新方 法 。 三 、结论和展望 现有的关于螺旋藻培养的研究都足限于 光合 自养生长。螺旋藻的商业化规模培养都 是以池养为主，其缺点是环境条件难控制， 对天气 的依 赖性 强 (尤 其 足 光强度 及 温 度)，从 而使 螺 旋藻 的产 率较 低 (10～ 20T／ha／Y)。 如何有效地提高螺旋藻的大规模培养的 产量和其 中有用成分的含量等，是从事螺旋 藻研究 的科技工作者所 关心的重要 问题 。目 前，对该问题的探讨虽已开展，但从所取得 的成 果来看仍不是很理 想。 研究表明，螺旋藻不足专性 自养生物， 它还具 定的光合异养能力，因此，利用较 维普资讯 http://www.cqvip.com — 、 《中国食 品添加剂》 China Food Additives 1996 No．3 成熟的酵母菌和细菌高细胞培养技术和刚起 步的微藻异养高细胞密度培养的方法对螺旋 藻进行光合异养能力和光合异养高细胞密度 培 养不但 足可行 的，而且 对发展我 国螺 旋藻 生产的规模和提高其中有用成分的含量都具 有重大 的现实意义 。螺旋 藻培养技术 的进步 和发展将带来显著的经济效益和光明的应用 前景 。螺旋藻不仅 足 “二 十一 世纪的理想食 品”，而且 存生产 医药 、生 化 制 品、食 品 添 加剂等高附加值产品方lfl『将有无量的发展前 途 。 参 考 文 献 l Furst，P T．Spirulina，Human Nature，l978，60：60—65 2 Ciferri O．Spirulina，111e edible microorganism，M icrobiological Reviews，1983，47：551—578 3 Ciferri 0，Tiboni O．，Annual Reviews of M iorobiology，1985，39， 503—526 4 阮继红，郭宝江等，遗传学报，l99l，l0(2】：27-30 5 刘力，E，郭宝江等，海洋科学，199l，(6)：44—48 6 张义明，Steven F．ChaR．，螺旋藻的生态特性及其高细胞密度培养的初步探讨，华南理_L人学学报 ， l995，23(期号待排 ) 7 Switzer L．Spkulina， w0rid Food Revolution Los Angeles．California：Bantam Books．19踟 8 Quillet M．，mnnales de la Nutrition et de l’Alknentation，l975， 29：553—56l 9 Boussiba S．，Richmond A|，Archives of M icrobiology，l979。l20：l55一l59 0 Kenyon C．N．et a1．，Archiv fur M ikrobiologie，l972，83：216—236 l O~awa T．et a1．，J．Ferment Technol，l970，48：36l— l67 2 Pinnan Soong，Al鼬 biomass，l980：97一 ll3 3 Sanny Boussiba，Am0s E Richmond，Arch．M icrobiol，l980．125：l43一 l47 4 Miguel olaivola et ．，Applied phycology，1990，(2)：97—104 5 Harder R．，V0n W itsh H．，Ber．Deulsohe Bot，Ges．，l954,60：l46一 l52 6 Burien J．S．，Al到 Culture from Laboratory to 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