利用光生物反應(yīng)器培養(yǎng)雨生紅球藻的研究初探
摘要:用光生物反應(yīng)器與光照培養(yǎng)箱兩種培養(yǎng)容器培養(yǎng)雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis),對(duì)雨生紅球藻在兩種容器培養(yǎng)過程中細(xì)胞生長、pH值、溶解氧(DO)及蝦青素積累情況進(jìn)行比較,同時(shí)比較不同接種密度對(duì)光生物反應(yīng)器培養(yǎng)效果的影響。實(shí)驗(yàn)表明,光生物反應(yīng)器中藻細(xì)胞的調(diào)整期較短,接種1 d后即進(jìn)入指數(shù)生長階段,在脅迫階段則僅需4 d即達(dá)到蝦青素含量的峰值;將pH值控制在偏堿性條件下(7.75±0.10)有利于藻細(xì)胞更好生長;營養(yǎng)培養(yǎng)階段DO相對(duì)飽和度上升至80%,而在脅迫階段則迅速降
低,最低值小于6%;較高的接種密度(2.3×104個(gè)/mL)具有較短的營養(yǎng)培養(yǎng)周期(7 d),且因接種密度變化對(duì)脅迫周期長短無明顯影響(均為4 d),選用較高的接種密度可望降低工業(yè)生產(chǎn)成本。
關(guān)鍵詞:雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis);蝦青素;光生物反應(yīng)器;培養(yǎng);積累
中圖分類號(hào):Q935文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-3096(2010)10-0083-07
蝦青素(astaxanthin)是一種紅色的酮式類胡蘿卜素,因其強(qiáng)抗氧化能力而具有抗癌、增強(qiáng)免疫、抗紫外線、著色等功效[1~6]。天然蝦青素具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和開發(fā)前景,且需求量不斷增加[2,3]。雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis)是一種單細(xì)胞綠藻,其蝦青素含量約占細(xì)胞干質(zhì)量的1.5%~3.0%,被公認(rèn)為天然蝦青素的濃縮體[2]。目前,如何利用雨生紅球藻實(shí)現(xiàn)蝦青素高產(chǎn)已成為國際研究的熱點(diǎn)。然而,雨生紅球藻生長緩慢、易受污染,且生長適宜溫度較低等特點(diǎn)使得雨生紅球藻的大規(guī)模高密度培養(yǎng)受到限制[7,8]。為進(jìn)行藻細(xì)胞的大體積生產(chǎn),國外學(xué)者普遍采用封閉式光生物反應(yīng)器[9~11]。
光生物反應(yīng)器是一種微藻培養(yǎng)設(shè)施或裝置,目前主要分開放式光生物反應(yīng)器和封閉式光生物反應(yīng)器兩大類。前者結(jié)構(gòu)簡單、投資成本低、技術(shù)要求較低,但卻存在培養(yǎng)條件難以控制、易受環(huán)境污染等缺點(diǎn),比較不適合雨生紅球藻的大規(guī)模培養(yǎng)。后者能較好地控制培養(yǎng)環(huán)境,保護(hù)微藻不受周圍環(huán)境的污染,實(shí)現(xiàn)高細(xì)胞密度培養(yǎng)[9,12]。近年來,封閉式光生物反應(yīng)器發(fā)展迅猛,國外學(xué)者關(guān)于利用封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)雨生紅球藻的研究報(bào)道已有不少,且主要集中在立柱式、平板式和管狀式等3大類型,其研究重點(diǎn)已從反應(yīng)器的應(yīng)用轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及培養(yǎng)參數(shù)(通氣速率、質(zhì)量傳輸速率研究等)的優(yōu)化[9,10,13~18]。國內(nèi)研究則多數(shù)集中在少數(shù)反應(yīng)器的應(yīng)用上[19~21],總體而言,國內(nèi)研究廣度和深度不及國外。
光強(qiáng)、攪拌速率、通氣速率、pH、溶解氧(DO)、接種密度等均可影響雨生紅球藻生長。雨生紅球藻對(duì)pH的緩沖能力較弱,培養(yǎng)過程中營養(yǎng)鹽和CO2的消耗將逐漸升高藻液pH[22,23],從而影響藻細(xì)胞生長。培養(yǎng)過程中細(xì)胞密度逐漸增加,細(xì)胞容易發(fā)生貼壁、沉降,反應(yīng)器的攪拌和充氣系統(tǒng)可在一定程度上緩解上述現(xiàn)象。充氣速率高低也將影響藻生長,充氣可對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生懸浮作用,并補(bǔ)充溶解氧,但若體系溶氧過高,細(xì)胞生長則會(huì)受抑制[7,24,25]。此外,選擇恰當(dāng)?shù)慕臃N密度有利于使?fàn)I養(yǎng)鹽利用與細(xì)胞生長維持在較佳的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),進(jìn)而縮短培養(yǎng)周期并提高最終蝦青素含量。
針對(duì)上述影響因素,本文對(duì)雨生紅球藻培養(yǎng)過程中的細(xì)胞生長情況、蝦青素、總?cè)~綠素、pH值、DO變化及不同接種密度對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)的影響進(jìn)行了初步研究。
圖1為不同培養(yǎng)條件下,雨生紅球藻的細(xì)胞生長曲線圖。由圖1可知,光生物反應(yīng)器(接種密度為2.3×104個(gè)/mL)與光照培養(yǎng)箱中三角燒瓶(約100 mL)的培養(yǎng)效果不同:前者中藻細(xì)胞調(diào)整期較短,接種1 d后即進(jìn)入指數(shù)生長狀態(tài),7 d后,藻液顏色顯著加深(圖2a,b),細(xì)胞密度達(dá)3.04×105個(gè)/mL,為初始密度(2.3×104個(gè)/mL)的15倍,是三角燒瓶最大藻密度(2.54×105個(gè)/mL)的1.2倍;平均生長速率為0.37 d?1,明顯高于利用太陽光進(jìn)行室外大體積(10 L)培養(yǎng)的平均生長速率(0.10 d?1)[26];Kaewpintong等[9]利用對(duì)鼓泡塔式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)雨生紅球藻(NIES 144),其細(xì)胞平均生長速率為0.36 d?1,與本實(shí)驗(yàn)相近?？梢?雨生紅球藻在該光生物反應(yīng)器中能達(dá)到快速生長的效果。
2.1.2 pH值對(duì)營養(yǎng)階段細(xì)胞生長的影響實(shí)驗(yàn)中,光生物反應(yīng)器中的pH值自動(dòng)控制在7.75±0.10,三角燒瓶中pH值不控制。圖3為三角燒瓶中雨生紅球藻營養(yǎng)階段的pH變化曲線。由圖3可知,藻液pH值隨培養(yǎng)時(shí)間逐漸升高,7 d后超過9.0,達(dá)9.35,可見雨生紅球藻在培養(yǎng)過程中是逐漸產(chǎn)堿的,該現(xiàn)象與其他研究報(bào)道[22,27]相符。已有研究認(rèn)為,紅球藻游動(dòng)細(xì)胞可以耐受比較廣的pH值范圍,在pH為5.0~10.0之間可以存活并旺盛生長,相對(duì)而言,pH值為7~8時(shí)對(duì)細(xì)胞生長更有利一些[23]。
