虾青素有关生产技术工艺学术论文
虾青素是一种具有超强抗氧化活性的次生类胡萝卜素，在药品、食品和化妆品等领域具有广泛的应用价值。下面小编给大家分享虾青素有关生产技术工艺学术论文，大家快来跟小编一起欣赏吧。
虾青素有关生产技术工艺学术论文篇一
虾青素产业化现状分析
摘要系统介绍近年来利用生物技术规模化生产虾青素的几种主要方法，如雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)培养法、法夫酵母(Phaffia rhodozyma) 发酵法、虾壳浸提法、小球藻(Chlorella zofingiensis)培养法等，以期推动国内虾青素的产业化进程。
关键词虾青素;雨生红球藻;法夫酵母;虾壳浸提
中图分类号Q178.53文献标识码A文章编号 1007-5739(2011)22-0047-03
虾青素(3，3′-二羟基-4，4′-二酮基-β，β′-胡萝卜素，C40H52O4)是一种具有超强抗氧化活性的次生类胡萝卜素，在药品、食品和化妆品等领域具有广泛的应用价值。国际上已具备的虾青素生产工艺主要有化学合成和生物技术提取2种，化学合成的虾青素在结构、功能、应用和安全性等方面较天然虾青素均逊色不少，而天然虾青素的商业化生产存在成本高、产量低等问题，导致价格居高不下，因而无法与化学合成的虾青素竞争。美国、瑞典和以色列已进入天然虾青素的规模化生产，澳大利亚、日本、新加坡、葡萄牙等国家的大公司已在积极地开发，我国则起步较晚，这方面研究开展的也相对较少，今后应加大研究力度。目前，国内利用生物技术规模化生产天然虾青素的方法主要有2种：雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)大池培养法和法夫酵母(Phaffia rhodozyma)工业发酵法。由于技术难度高及受藻种或菌种本身的问题等限制，使天然虾青素的产量有限，远远不能满足市场需求。因此，利用各种生物技术大规模生产天然虾青素一直是国内外普遍关注的热点问题。该文对近年来虾青素的产业化现状进行系统分析，以期提高我国虾青素产业化发展水平。
1雨生红球藻培养法
雨生红球藻能在胁迫条件下迅速合成并大量积累虾青素，被公认为自然界中生产天然虾青素最理想的工具。近年来，利用雨生红球藻高效生产天然虾青素已成为国内外研究的热点，但由于技术要求高，生产工艺复杂，国内雨生红球藻的培养技术尚处于实验室研究阶段，目前主要集中在高产藻株筛选、高密度培养条件优化和诱导调控手段多样化等方面。一方面，科学家们将高等植物中常用的诱变育种技术借鉴到低等藻类上。孙延红等[1]用EMS成功诱变2株快速生长的藻株，然后将其中一株用紫外线处理后，发现其总生物量、单细胞虾青素产量和虾青素总产量分别增加68%、28%和120%;Peng等[2]也证明利用紫外线和EMS诱变是一种筛选高产藻株的有效方法。另一方面，近年来陆续开展了很多关于雨生红球藻高效积累虾青素的诱导条件研究，其中包括温度、光照、pH值、盐胁迫、紫外线、x射线、γ射线、激光辐射、重金属离子、NTG、叠氮化合物、稀土元素等诱导手段或因子对雨生红球藻中虾青素积累的影响。孟春晓等[3]研究也发现一定浓度的茉莉酸(茉莉酸甲酯)、水杨酸、脱落酸、乙烯利等多种植物激素均能诱导雨生红球藻大量积累虾青素。
由于生物反应器能解决雨生红球藻在自然条件下生产虾青素的很多问题，例如温度、二氧化碳、光照等，因而国内外在这方面的研究方兴未艾。Zhang等[4]开发出一套成功运用在螺旋藻(Spirulina)和小球藻(Chlorella zofingiensis)养殖上的“两段一步法”雨生红球藻养殖系统，该系统模拟自然环境中的开放水池，能大大提高虾青素生产效率并节约成本。Masojidek等[5]研究也表明，他们开发的“两步法”光生物反应器可以使雨生红球藻的虾青素产量增加30%~50%。由此看出，国际上成功的虾青素生产模式均采用两阶段生产方式，即先采用封闭式光生物反应器培养系统实现细胞的高密度营养生长，克服污染问题，再采用流行的开放池系统在胁迫条件下使细胞积累虾青素。魏东等[6]介绍位于美国夏威夷的Aquasearch 公司和Cyanotech 公司的规模化生产技术。Aquasearch 公司核心技术是采用常规的开放式跑道池，Cyanotech 公司则采用封闭的“平台”式光生物反应器系统。目前，国内利用雨生红球藻生产天然虾青素的研究趋势也是两步培养法，蔡明刚等[7]和董庆霖等[8]曾介绍虾青素的两阶段分步生产方法，即第一阶段优化培养条件，获得较高的藻细胞生物量;第二阶段进行诱导调控，使游动细胞转化为不动细胞，从而大量合成虾青素。由于雨生红球藻对环境敏感，容易受原生动物和细菌污染，很难建立稳定、高效的生产技术体系。因此，国内外专家学者普遍认为，如果要实现利用雨生红球藻生产天然虾青素的产业化，关键是开发促进雨生红球藻高密度培养和虾青素积累调控的关键技术。
刘伟等[9]针对雨生红球藻规模化培养中的工艺流程、生物污染、温度控制、溶氧解析和pH值稳定等问题，建立可用于雨生红球藻规模化生产的3种不同类型的光生物反应器(柱式、管道、生物幕)，并构建一套二步规模化培养工艺流程。他们认为生物污染防治是该藻规模化培养时遇到的最大难题，因而研究构建的生物幕光生物反应器采用细胞固定化技术，使雨生红球藻脱离水相，从而杜绝轮虫、原生动物、藻类等生物污染问题。他们还针对传统的管道光生物反应器的一些缺陷，通过改变管道结构布局和气体交换模式，以适应红球藻对pH 值和溶氧的要求。
叶勇等[10]比较三角瓶和气升式光生物反应器培养下797株雨生红球藻的生长和营养盐吸收，结果发现：在气升式光生物反应器中消耗较少的营养盐却可得到较多的生物量，说明用气升式光生物反应器大量培养雨生红球藻在生产上是可行的。沈渊等[11]用光生物反应器与光照培养箱2种培养容器培养雨生红球藻，对雨生红球藻在2种容器培养过程中细胞生长、pH值、溶解氧(DO)及虾青素积累情况进行比较，同时比较不同接种密度对光生物反应器培养效果的影响，其研究结果也为工业生产提供了依据。
开展雨生红球藻室外大体积培养研究是实现雨生红球藻的大规模开发利用的必要条件。李晓梦等[12]针对雨生红球藻大体积室外培养开展实验，对不同品系藻株、不同营养方式、胁迫条件等对雨生红球藻生长及虾青素积累进行初步研究。结果表明：加入醋酸钠的混合培养基可以提高虾青素产量，明显高于光合自养方式;同时混和营养方式能缩短胁迫时间，较传统培养基有明显的优越性，因而具有广泛的应用前景。
孟春晓等[13]系统总结和介绍国内利用雨生红球藻分离提取天然虾青素的最新方法，如常规溶剂法、改良高压液相色谱法、超高压法、酶法、微波法等。云南绿A生物工程有限公司的万庆家等[14]研究低温超高压法将雨生红球藻孢子破壁并提取其虾青素的工艺条件。利用超高压法破壁并提取雨生红球藻中虾青素，具有工艺简单、提取时间短、转移率高等优点。选择食用油作为提取溶剂经济环保，低温提取可以避免高温对虾青素的影响。超高压提取只在升压阶段的短暂时间内消耗很少的电能，保压和卸压时均不消耗能量，设备的损耗和能耗都很小，因而降低生产成本。该研究为推动雨生红球藻生产虾青素的工业化进程提供了重要依据。
2法夫酵母发酵法
董庆霖等[9]认为就生产技术而言，雨生红球藻培养法和法夫酵母发酵法都有各自的优势和不足。前者，藻细胞虾青素含量高，但细胞生长慢，生物量低;后者恰好相反，酵母细胞虾青素含量低，而细胞繁殖速度快，生物量高。孙乃霞等[15]概述国内外在红法夫酵母高产菌株育种及生产工艺优化方面的方法和研究进展，并对今后利用红法夫酵母进行虾青素商业化生产的方向进行展望。为提高虾青素产量，一个重要的方法就是进行诱变筛选，优化育种，选用合适的诱变剂及特殊筛选方法是提高诱变效果的关键所在。谢虹等[16]通过紫外线―氯化锂复合诱变筛选虾青素高产的法夫酵母菌株，然后采用优化后的发酵条件，虾青素产量较原始发酵条件的产量提高20.4%。李利君等[17]以亚硝酸钠作为筛选剂选择性分离法夫酵母虾青素高产菌株，结果表明：亚硝酸钠是良好的虾青素高产菌株筛选剂，亚硝酸钠的存在可以使法夫酵母的生长与虾青素产量相偶联。在分离培养基中加入5 000 μmol/L亚硝酸钠可有效地淘汰虾青素低产突变株及野生型菌株，从而提高虾青素高产菌株的筛选效率。龚玉娇等[18]首次采用协同诱变，即紫外线(UV)和亚硝基胍(NTG)相结合的方法成功选育虾青素高产酵母菌株，并且生长周期短，最适的生长温度提高，是适宜南方高温环境发酵工程应用的优良菌株。
杨劲松[19]以菠萝汁、西红柿汁为主要原料，用法夫酵母XYV3发酵生产虾青素。通过对法夫酵母XYV3的虾青素摇瓶发酵条件包括接种量、促进剂、培养基主要组分的优化，得到适宜培养基组分及发酵条件。倪辉等[20]为选择一种适合法夫酵母发酵虾青素的工业碳源，分别以麦芽糖浆、果葡糖浆、标准糖浆3 种淀粉糖为碳源做发酵试验，最终确定标准糖浆为最适于培养法夫酵母产虾青素的碳源。肖安风等[21]对比研究乙醇、乙酸钠、乳酸钠、柠檬酸、甘油5种糖代谢产物对法夫酵母产虾青素的影响。结果表明：乙酸钠、乳酸钠和柠檬酸对法夫酵母产虾青素有一定的促进作用，而乙醇、甘油对其作用不明显。谢虹等[22]分别进行接种时间、摇床转速、接种量和装液量对法夫酵母细胞生产虾青素摇瓶发酵过程影响的试验，通过初步确定发酵的基本条件，为进行法夫酵母高产虾青素菌种的筛选以及发酵培养基的优化奠定基础。蹇华丽等[23]将红法夫酵母与环状芽孢杆菌混合培养，可使环状芽孢杆菌在生长的同时产酶并逐渐溶解酵母细胞壁，从而提取虾青素。通过对红法夫酵母与环状芽孢杆菌两阶段混合培养条件的优化，总结红法夫酵母产虾青素及酶法破壁提取的适宜工艺。结果表明，两阶段混合培养破壁提取虾青素效果较好，而所采用的培养基为无碳培养基加入葡萄糖，相对廉价，进一步对其培养工艺进行优化改造及开发更加廉价的培养基原料，极有望实现虾青素提取工业化。宋超等[24]为提高虾青素产量，以红法夫酵母为出发菌株，也对其合成虾青素的条件进行优化，从而为虾青素的工业化生产奠定基础。贾立壮等[25]利用高通量微生物筛选技术获得高产虾青素的红法夫酵母菌株，通过菌种选育、发酵工艺优化和控制、产物分离纯化等技术创新，成功开发红法夫酵母天然虾青素的产业化技术。
3虾壳浸提法
刘宏超等[26]总结从虾壳中提取虾青素的方法，介绍碱提法、油溶法、有机溶剂法和超临界CO2萃取法、虾青素酶法、复合工艺发等等。超临界CO2萃取法具有无毒无害、溶解能力强、溶剂残留少、产品具有纯度高等一系列的优点，越来越受到人们的重视，但由于设备前期投资大、生产技术要求高，目前用于大规模工业生产尚存在一定困难。杜云建等[27]采用低温稀碱浸提法从虾壳中浸提天然虾青素，通过单因素试验和正交试验探讨最佳的提取工艺条件。从虾壳中提取虾青素对虾壳的预处理很重要，可以采用低温研磨，也可采用超声波破碎等方法处理，使虾壳的碳酸钙与虾青素分离，有利于虾青素的溶出。提取时可以采用不同提取方法的联合使用，如稀碱法成本低，提取时间短，可以用其初步提取原料中的虾青素，然后粗提的产物应用超临界流体萃取法进一步提纯。
4其他方法
王艳等[28]综述近年来国内外在小球藻虾青素生物合成方面的研究进展，包括虾青素合成有关的诱导条件、虾青素合成过程中的生理变化、虾青素合成途径以及合成酶表达的分子调控等方面，并对小球藻的产业化前景进行展望。耿予欢等[29]比较不同培养基、不同培养条件对极地雪藻的生长与虾青素累积的影响，但该研究离工业化生产还相距甚远。
5小结
综上所述，随着水产养殖和食品医药等工业的迅猛发展，国内外对天然虾青素的需求量越来越大，雨生红球藻培养法、法夫酵母发酵法以及虾壳浸提法都具备实现天然虾青素产业化的潜力，但都普遍存在虾青素产量低、成本高等缺点，目前尚无法满足大规模商业化生产的需要，关键问题仍是亟需建立切实可行的技术方案，如进一步优化雨生红球藻高密度培养和诱导调控模式，选育高产的酵母菌株等。
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