【doc】新疆盐湖区域养殖盐藻与提取β,β—胡萝卜素研究

【doc】新疆盐湖区域养殖盐藻与提取β,β—胡萝卜素研究 新疆盐湖区域养殖盐藻与提取β,β—胡萝 卜素研究 第18卷第2期新疆]_=学院V【.18No.2 l007年6月JOURNAlOFXINJIANGINS'I'I1'u1,EOFTECHNOLOGYJu..I997 新疆盐湖区域养殖盐藻与提取 I3,I3一胡萝I,素研究 — 垒生高兰.叶枫胡惠玲王维竦安永新艾沙 (新疆工学院化学工程乐鸟鲁未齐830008) sN#.(】L 1毛 摘要结舍新疆盐湖区域气候条件和资源情况建立了一套盐藻养殖和提取13,S胡 萝卜紊的工艺方法.对盐藻中p,口一胡萝卜紊的功能和积累机制进行了讨论. 关键词;ptB磐l卜主 中图法分类号0629.4 0前言 干埴氓, 盐藻(DunalieIlasalina)是单细胞藻类,属于绿藻门(chlorophyta),团藻目(VolvocaIes). 盐藻细胞呈圆随圆形,横向4,10t*m,纵向6,15t*m,有两根鞭毛,无硬的多糖细胞壁,原生质 体外面由一层薄的弹性膜包裹.这使盐藻细胞能适应外界盐度的变化而产生的渗 透压变化:细 胞大小和形状能够迅速变化.该膜还具有特殊的功能:当外界NaCI浓度由0.1M增加至饱和 的5.5M时细胞内NaCI浓度始终不超过0.1M,细胞内甘油浓度则按比例线性增加以建立渗 透压平衡.细胞膜两侧NaC[和甘油的浓度梯度非常高,对二者不通透.盐藻作为一 种特殊 的生物,能在高盐度水体中生长繁殖,免去了其它藻类竞争的问题.更由于其能大量积累p.口 胡萝素,增加了我们研究其采集太阳能转化为有价值产品的兴趣.新疆有面积在1kin上 的湖泊139个,半数以上是盐湖南疆地区太阳总幅射量平均为145kcal/em.year.并有大量 不适宜耕种常规作物的土地.同时t新疆对盐藻养殖又有夏季炎热高温和蒸发量大的不利因 素.本文研究新疆自然条件是否适于养殖盐藻. p,p胡萝素(B,~-carotene,C…H)的主要用途是食品色素和饲料添加剂.由于它原来就 是人类和动物正常食物的构成部分,在安全性上优于那些非自然的外来异物色素.一些黄色和 红色的含氮色素被怀疑是可能的致癌物.口,口-胡萝素在低浓度下是黄色,较高浓度下是红 色.一分子口,胡萝素在人体内或动物体内分解为两分子维生素A.作为维生素A源,pt口 胡萝素具有重要的营养学和医学价值.哺乳动物自身不能合成维生素A和口,pr胡萝素t 只能从食物中摄取.过量的维生素A有毒性,毒性水平因人而异,不宜过多地直接服用.口,胡 萝素进人人体后被贮存在肝脏,根据需要由调节机制控制转化为维生素A流行病学的研究 明,肺癌等一些癌症的发病率与饮食及血清中口,口r胡萝素含量呈负相关关系作为抗氧化 剂,p,口一胡萝素保护有机体不受单重态原子氧和自由基的侵害t增强人类和动物体免疫力t 延缓衰老,预防癌症和一些循环系统疾病等这样一些功能得到了一定程度的证实. 对p,B-胡萝 素的需求日益增加,最近,几家生产该产品的国外公司相继宣布提价和扩产. :紧牌1.224警姗项目. 新疆工学院】997午第】8卷 l实验部分 1.1盐藻养殖 经过筛选.采用来自西藏扎布耶盐湖的盐藻品系.经过连续三个冬季露天越冬试验,该品 系的盐藻能在20C以下冻结lr的2,2.5MNaC1盐水中存活.养殖液组成:l一3MNaC[, 10raMNaNO3,0.2mMKH2PO,1mMKCl,5raMMgSO',0.2mMCaC12,30raMNaH— CO3,2Mironiccitrate,MNa2EDTA,5MMnC1,1MCuCt2,1MZnC12,1MCoCI2 附表给出了不同盐度下的盐藻生物量 附表不同盐度下的盐藻生物量(10cells/mL) 培养天数N aC[浓度(M) O51O15 0.70.10.10.15O2 2.90.1081.21.35 430.1060.91.1 550.1O.45O.70.7 新疆钠硝石矿平均含NaC1l8,NaNO8,NaSO4(w),这些水溶性成分都是盐藻养 殖液的有效成分.可否用新疆钠硝石矿代替工业硝酸钠作为盐藻养殖液的氮源?将该矿石破碎 溶解后的水溶液经过折算配人盐藻养殖液进行了养殖试验,与正常培养液养殖的盐藻相比较, 未见异常. 新疆艾比湖水含NaC16,9(因湖区位置及季节而异),MgSO一1,MgCI21.5,Ca— SO1.5(w),也是盐藻养殖液的有效成分.在不添加任何其它物质的情况下,将盐藻接种人 湖水水样中,盐藻能够存活,细胞活动良好,但生长繁殖非常缓慢,生物量几乎不增加,按培养 液配方加入含氮,磷,钾,碳物质后,生长繁殖速度有所提高.将各种微量元素按配方补齐后,达 到正常的生长繁殖速度. 室外养殖池的建造主要考虑要有适宜的养殖盐水深度,我们采用20,30cm水深.超过此 深度后,入射的太阳光能的绝大部分已被吸收掉,所剩无几.池底采取防渗漏措施,即铺上一层 防渗塑料膜,再铺上一层土保护它.夏季炎热高温,蒸发量大,如不采取调控温度和盐度的措 施,养殖池水面会结成盐壳,盐壳下面水温会高达40C,而导致盐藻死亡.补充冷淡水(10, 12c)一般可以达到控制温度和盐度的双重目的.夏季需要对盐度和温度作经常性的监控. 当养殖池中生物量达到较高水平例如达到7o万个/mL以后,如不及时采收会造成养料 的浪费.对絮凝法,过滤法和机械离心法分别进行了试验,当用硫酸铝作絮凝剂时,絮凝法采集 盐藻的效率较高,但盐藻细胞被裹人絮凝团块中,提取p,B一胡萝b素的效率大为降低,即使采 用酸解絮团的措施也无济于事.用硅藻土作助滤剂以板框式压滤机采收盐藻,效果较好.但板 框的频繁拆装,使工作量增加而有效采收时间减少,使用分离因数大于3s00的高速碟片式离 ,7天生心机,盐藻采收率可达到75,未被采收的盐藻随盐水循环使用,夏季经过5物量恢 复到原来水平.机械离心法得到的藻糊含杂质量少,易于处理.此法的另一优点是可以采用连 第2期罗金生等:新疆盐湖区域养殖盐藻与提取p,p胡箩}索研究 续排渣式高速碟片离心机实现连续操作 1.2提取p,8胡萝h素 由于pt8胡萝素易发生光氧化,所有操作均在较暗光线和氮气保护下进行.从Im.盐藻 养殖液获得湿糊255g,用丙酮萃取三次.使用搅拌式萃取器.萃取液加人等体积石油醚(沸点 范围6o,90C),充分混合后加人等体积水.充分混合后静置分层.上层石油醚层用水洗4次 以除去残余的丙酮.下层为含丙酮的水相,再用石油醚萃取,如此重复3次.在上述过程中p,8 胡萝素从丙酮中转人石油醚中.在低于40C温度下减压蒸发所得石油醚溶液,以少量乙醇 溶解固体残余物,加入浓氢氧化钾溶液使KOH最终浓度为5,10(w),在黑暗中搅拌皂 化两小时.用石油醚对皂化液进行液一液萃取3,4次.石油醚萃取液用水洗5次以除去混杂 的碱,叶绿素降解物和脂肪酸.减压蒸发该石油醚溶液(先经过无水硫酸钠干燥脱水),获得暗 红色结晶2.55克.按GB8821,88测得uV—Vis(环已烷中)吸收峰为340,455,483nm, A一/A一】4.9,A/A-二1.16,确认为p,胡萝素.与曲线对照,p,13-胡萝素含量 为73.4. 2讨论 通过实验研究,在新疆自然条件下养殖盐藻和提取8,B_胡萝素的工艺方法和工艺条件 已经初步建立.存在的问题是盐藻细胞中的口,p胡萝素含量平均水平有待进一步提高.在实 验中观察到,在不同时间和不同的养殖池中及在同一样品的不同细胞中,分别呈现绿色,黄绿 色,黄色,橙色,红色和紫红色,反映了胡萝素积累的不同程度.同一样品中不同细胞有不同 颜色,反映它们处于不同的生长阶段.不同时阔,不同养殖池中盐藻细胞的胡萝素含量差异 则反映了不同的生长条件,但我们对此缺乏规律性的认识.为此又查阅了一些近期的文献和扩 大了文献查阅的范围,获得了进一步的认只. p,口胡萝素在植物细胞中的作用主要有两种作用.一是参与光合作用过程,在植物细胞 的采光系统和光合反应中心都有它的存在.二是抗光氧化保护作用,对这种保护作用的机制有 不同的认识.一种观点认为,大量积累的8,胡萝素存在于叶绿体类囊体外的脂质小体中, 不能对类囊体中寿命很短的单重态原子氧和激发态叶绿素等产生有效的影响,其保护功能在 于吸收兰光使达到类囊体的光强度减弱..另一种观点认为胡萝素与叶绿素共存于细胞采 光系统及光合反应中心的色素一蛋白质复合体中,参与光合过程各种光化学反应,包括淬灭 重态原子氧和转移激发态叶绿素能量..在我们看来,这两种观点可互补植物合成胡萝素 的路径是": CO,+H,OCarbohydratesGluCOSePyruvateAc,CoAHMG—CoAMVA IDPDMADPGDPFDPGGDPPhytoenePhytofuene?一CaroteneNeu r0sp0rene>Lycopene>ptCarotene=>~,~--Carotene 其中Ac—CoAaeetyleoenzymeA;HMG,CoA}hydroxymethylglutaryl—coenzymeA; MVA}mevalonicacid;IDPisopenteny[diphosphate;DMADP:dimethylallyldiphosphatei GDP}geranyldiphosphate;FDP}farnesyldiphosphate;GGDP:geranylgerany[diphospha te; 新疆工学院1997年第18卷 ,一CaroteFte Ca101e1]e:7?8-7,8一te1YahyuFO一 使用对上述路径有抑制或阻断作用的若干不同类型和不同浓度的抑制剂,路径中的主要 中间产物量的变化曾截舰测到". 为什么盐藻有比一般植物高街多的积累p,p胡萝h素的能力呢?,p_胡萝素是在代谢 过中生,与细胞中特剐l苛的甘油含量有关吗?Golbeck等指出,HMGR(hydroxymethyl gluraryicoenzytfleAreduetase)是类异戊二烯(isopenoid,如IDI)生物台成的调节酶,甘油有 助于维持其活性.".1.ers等对胡萝h素积累机制提出,一是在限制生长(高盐度,氮缺乏或硫 缺乏)及高的光强度条件下,细胞分裂减少,未分裂细胞继续合成p,p一胡萝素,或8,p胡萝 素降{桦速率减低.二是编码胡萝素产生酶(carot?.g?cenzynle8)或控制因子的基因被激 活,使胡萝h素r生梅的活性增加或被重新台成.Shaish等使用一套诱导变异的程序可使盐 藻细胞累S.p胡萝h索能力大g度提高.给我们进一步研究提供了启发. 结论:适当的盐藻品系}在新疆露天越冬,新疆钠硝石和盐湖水可用于养殖盐藻新疆 盐湖区域其璃开发盐藻资源的潜力. 参考文献 1i.ers,A.-BienertY.,Zamier-A.,Photoinductionot"massive0 Dunalieliabardaw[1,PlantPhyslo[,1590,93:389 2ShaisntA,Ben— AmulZ,A.,Avron,M.,InMelhodsinEnzymology.Vo1.213:Carotenoids,ed.byPack cr.L,Aca~eancr'rcssLSan|J[egoJ,1992.43g,444 3Fr+mk,H.,Cogdell,R.J.,inCarotenoidsinPhotosynthesis,ed.byYoung,A.,Britton,G.,Ch apmanand HaI](Lon0.on),1g93,252,326 4Brilton,G.,ibtd..1993,?{,126 5(;oibeck,J.it.,Mauley,K.M.,Newberry,G.A.,Detectionof3hydroxy一3一methylgl— JtarylCOOn zynLAre~uclase(HMGR)activityinDunalle1]asaiina,PlantPhysiol,1985,77(Sup.)'48~4 8 STUDY0NCULTIVAT10N0FDUNALIEILA SALINAANDEXTRACT10N0F ,—CAR0TENEINTHESALTLAKE AREAS0FXINJIANG,CHINA LuoJinshenget.al (Dept.ChemicalEngineeringUrumqi830008) Abstract Amth0dofcuItivati.1]Dullaltellasalinaandextraeti0nB,口一carotenejnthesaItlakesar casofXinjiang,China,isdeveloped,ThelocalnitratineandtheAibiLake'swatercadbe used{(1】thepurpose.TheusedspeciesofDunaliellasurvivewinterunder一20Coutdoor. .1heitltlCtiOllandbiosyrtthesispathwayof口,carotenearediscussed. KeyWordsDunalie[[aSalina口;口一carotene (本文责任编辑陈勇)