基本信息
- 项目名称：
- 天然虾青素的微藻生产及应用--高产雨生红球藻的调控因子优化及其在观赏鱼养殖中的应用
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 虾青素（astaxanthin）具有强大的抗氧化功能和多种卓越的生理特性，在水产养殖、保健品、化妆、医药等诸多行业具有广泛应用前景。雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）被公认为是天然虾青素的最佳来源，开发该微藻已成为近年来虾青素生产的研发热点之一。针对当前国际上虾青素的微藻生产之研发及产业化过程中普遍存在的产率低、提取困难、生物利用率低等关键技术难题，本项目以高产雨生红球藻的应用开发为出发点，在其营养方式、培养模式及胁迫条件等生态调控上均实现多项重要突破。在国际上首次采用混合营养条件下的半连续培养模式；较之国内传统方法，本项目所获虾青素产率增加近3倍；采用氮缺乏胁迫方法促进营养细胞积累虾青素，极大降低孢子比例，有效降低了虾青素提取的生产成本，而且提高藻粉的生物利用率。在以上研究基础上，开展该优质微藻的光生物反应器培养和观赏鱼着色等应用研究，以期为雨生红球藻规模化培养及其在水产养殖中的应用提供前期基础。基于本项目的多项创新和特色，项目研究成果在第13届国际生物技术大会等国内外学术会议宣读和展示，相关科研成果已在一系列重要中英文刊物上发表。
- 详细介绍：
- 虾青素具有强大的抗氧化功能和卓越的着色能力，在水产养殖、医药、保健品等诸多行业具有广泛的应用前景。雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）被公认为自然界中天然虾青素的最佳来源，已成为近年来虾青素生产的研究热点之一。目前，生长速度慢，产率低、厚壁孢子破壁难度大，藻粉生物利用率低等问题是开展雨生红球藻生产虾青素面临的主要难题，这也是目前优质天然虾青素的市场价格不断走高的重要原因之一。 本作品以雨生红球藻应用开发为前提，重点开展其积累虾青素的营养方式、培养模式以及胁迫方式等生态调控研究，并在以上研究基础上开展该微藻的光生物反应器培养及观赏鱼生物着色等应用研究。 本研究首先通过添加有机碳源和微量稀土元素，较深入开展雨生红球藻的营养条件研究，结果表明：醋酸钠在混合营养及异养培养条件下均优于丙二酸钠，且在混合营养条件下雨生红球藻细胞干重和虾青素含量分别较光合自养提高25%和21%。当Ce3+浓度为0.1 mg/L时，藻生长的促进效果最明显，细胞密度较对照组提高34%；当Ce3+浓度为1 mg/L时，单个细胞内虾青素积累量（3.2%）较对照组提高167%。混合营养条件下的半连续培养研究表明，20%和30%的更新率均能显著促进生长，其生物量分别较一次培养增加2.2和3.7倍。不同更新率下（20%和30%）的藻粉总产量、藻粉产率、虾青素总产量及虾青素产率等指标均显著高于一次培养，且各更新率下的细胞存活率显著高于一次培养，其中20%更新率组的藻粉产率最高，达1.32 g/L；20%、30%更新率组的虾青素产率最高，分别达到21.08 mg/L和22.94 mg/L。氮缺乏的胁迫效果研究表明，氮胁迫能使雨生红球藻孢子比例下降到35%以下，为提高藻粉的生物利用率提供了新思路。总之，以上营养条件及生产模式的优化为提高雨生红球藻藻粉产量具有重要的意义。 在上述研究基础上，开展了雨生红球藻的高密度培养研究。利用光生物反应器培养雨生红球藻，能使藻细胞获得快速生长，提高生物量，并大大缩短胁迫周期（仅需4天），提高了培养效率，能够有效降低大规模生产成本。 最后，开展了雨生红球藻作为天然虾青素添加剂在观赏鱼养殖方面的应用研究，探讨虾青素生物吸收效率。结果表明：实验组（400 mg/kg）鱼皮肤和鱼鳞中的虾青素含量分别比对照组提高87.9%和52.2%，总类胡萝卜素含量则分别比对照组高67.9%和63.3%。同时，鱼体的生长及机体抗氧化能力等指标，较对照组均有显著提高。本项目在雨生红球藻藻粉对观赏鱼着色效果方面的研究结果，为虾青素在天然饲料添加剂领域中的应用提供了前期基础。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目前，虾青素产率低、厚壁孢子破壁难度大，藻粉生物利用率低等问题是国内外开展雨生红球藻生产虾青素面临的主要难题，后者进而抑制了天然虾青素的规模化生产及其相关应用。本作品拟通过开展高产雨生红球藻的虾青素积累的生态调控技术优化（培养基、营养方式、培养模式等），提高产率，降低孢子比例，开发优质微藻，进而在培养模式及观赏鱼着色等应用研究开展前期研究，促进我国该领域研发水平的提高。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品以雨生红球藻应用开发为前提，重点开展其积累虾青素的多个生态调控因子优化及其着色应用研究，符合国际该领域研发趋势和生产需求。系统开展多个微量组分添加实验；比较多种营养方式作用；于国际上首次开展混合营养半连续条件下微藻积累虾青素研究；尝试通过多种途径实现游动细胞积累虾青素，以期解决破壁技术难题，提高生物吸收效率。同时，据此开展其对观赏鱼着色及生理机能研究，使作品兼具重要的现实开发意义。
应用价值和现实意义
- 目前，天然虾青素主要用于水产养殖、保健品行业，其全球年需求量达数十万吨，总价值超过2.5亿美元。随着虾青素纯化技术提高，其在化妆、医药等行业的前景更为广阔。作品所获藻粉孢子比例显著降低，为提高藻粉的生物利用率提供新思路。同时，雨生红球藻营养条件及生产模式的优化为优质藻粉的规模化生产提供了重要基础。其在水产方面的研究，可望直接推动我国大陆与台湾观赏鱼饲料产业的发展。
学术论文摘要
- 本课题以雨生红球藻应用开发为出发点，重点开展其积累虾青素的营养条件、胁迫环境以及生产方式等生态调控条件研究，并开展该微藻的光生物反应器培养及观赏鱼生物着色等应用研究。结果表明，醋酸钠添加效果均优于丙二酸钠，混合营养培养优于光合自养培养；以1.0 g/L醋酸钠为碳源的混合营养为最佳营养方式；添加1 mg/L Ce3+，单细胞虾青素含量较对照组提高了167%。于国际首次开展混合营养半连续培养：20%、30%更新率均能显著促进生长，生物量分别增加2.2、3.7倍，藻粉及虾青素总产量、产率及细胞存活率等均显著高于一次培养。此外，采用氮缺乏的新胁迫方式，孢子比例显著下降（35%）。光生物反应器培养实验表明，胁迫周期大大缩短（仅需4 d），降低规模生产成本。最后，开展虾青素的观赏鱼应用研究。实验组鱼皮肤和鱼鳞中的虾青素含量分别较对照组提高87.9%和52.2%，总类胡萝卜素分别较对照组高67.9%和63.3%，鱼体生长及机体抗氧化能力等较对照组均有显著提高。该研究成果为虾青素在天然饲料添加剂领域中的应用提供了前期基础。
获奖情况
- [1] Effects of iron electrovalence and species on growth of Haematococcus pluvialis and astaxanthin production[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2009, 27(2). (doi: 10.1007/s00343-008-0176-3) [2] Comparison of mixotrophic and hotoautotrophic growth of Haematococcus pluvialis for the production of astaxanthin. The Thirteenth International Biotechnology Symposium and Exhibition, 12-17, October, Dalian, China, 2008. (doi:10.1016/j.jbiotec.2008.07.1357) [3] 稀土元素Ce对雨生红球藻生长及虾青素积累的影响[J]. 海洋科学, 2008, 32(9): 37-41.[4] 利用光生物反应器培养雨生红球藻的研究初探[J]. 海洋科学,已接收. [5]“雨生红球藻培养法生产天然虾青素的优化研究”获某省第九次水产饲料科技研讨会会议论文二等奖（2008）.
鉴定结果
- 作品受到多位知名专家鼓励与好评，一致认为本作品创新性突出，应用水平较高。项目获2008-2009年度本校学生课外学术科技作品竞赛一等奖、第九届“挑战杯”某省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
参考文献
- [1]Fábregas J, Otero A, Maseda A, et al. Two-stage cultures for the production of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis[J]. Biotechnology, 2001, 89(1): 65-71. [2]Lorenz R T and Cysewski G R. Commercial potential for Haematococcus microalgae as a natural source of astaxanthin [J]. Tibtech, 2000, 18: 160-167. [3]Miki W. Biological functions and activities of animal carotenoids[J]. Pure and Applied Chemistry, 1991, 63(1): 141-146. [4]Naguib Y M A. Antioxidant activities of astaxanthin and related carotenoids[J]. Journal of Agriculture and Food Chemistry, 2000, 48(4): 1150-1154. [5]Sarada R, Tripathi U, Ravishankar G A. Influence of stress on astaxanthin production in Haematococcus pluvialis grown under different culture conditions[J]. Process Biochemistry, 2002, 37: 623-627. [6]蔡明刚, 王杉霖, 李文权, 等. 天然虾青素在水产养殖业中的应用研究进展[J]. 台湾海峡, 2003, 22(3): 377-385. [7]蔡明刚, 王杉霖. 利用雨生红球藻生产虾青素的研究进展[J]. 台湾海峡, 2003, 22(4): 537-544.
同类课题研究水平概述
- 目前，生长速度慢，产率低、厚壁孢子破壁难度大，藻粉生物利用率低等问题是开展雨生红球藻生产虾青素面临的主要难题。其中，培养基组分、营养方式、培养模式、胁迫方式等调控因子的改良是国内外学者致力提高雨生红球藻和虾青素产量的主要研究方向；此外，破壁技术改进、生物利用率以及改善雨生红球藻来源的虾青素在水产养殖上的应用也多为国内外学者所关注。总体而言，国内利用雨生红球藻生产天然虾青素的技术已取得一定进展，但较之国际先进水平仍亟待提高。 国内外对雨生红球藻培养基中常量组分研究比较充分，但对微量组分的研究较少。已知添加适量稀土元素Ce3+对某些淡水微藻的生长促进作用，但却未见有关稀土元素对雨生红球藻生长及虾青素积累影响的报道。此外，有研究表明有机碳源可促进微藻生长及虾青素积累，其种类及最适浓度仍待明晰。 根据所提供碳源形式的不同，雨生红球藻的培养方法可分为光合自养培养、异养培养和混合营养培养三种。目前生产上多采用前者。然而，新近研究发现，在原始培养基中添加某些有机碳源使藻类进行混合营养培养，能明显加速虾青素积累，但其结论仍不一致。培养模式方面，目前基本一次性培养，但新近研究表明，半连续模式能使红球藻以恒定生长速率连续生产，可提高藻粉产率，同时可将微藻中虾青素的积累时间提前，从而降低孢子比例，提高生物利用率。目前，开展营养条件和培养模式二者联合研究的思路，国际上尚未见报道。胁迫条件影响着虾青素的积累量及藻细胞孢子比例。传统胁迫方式主要为高光、高温等，导致细胞大量死亡，同时形成后壁孢子，不利生物吸收或虾青素提取。有研究表明，雨生红球藻营养细胞亦能够大量积累虾青素，但其机制和程度尚有多处未知。 在生产方面，目前雨生红球藻商业化生产普遍采用封闭式光生物反应器。其中，国外研究重点已转移至反应器结构改进及培养参数（通气速率、质量传输速率等）优化，而国内则仍集中在少数反应器的应用上。 在应用方面，作为水产养殖的着色饲料添加剂是当前虾青素的最主要应用。目前，国内外学者在虾青素着色效果和生理功能方面的研究结果已较为一致，但有关饲料中添加虾青素促进鱼体生长的原因尚无定论，有待进一步研究。同时，主要针对的多为鲑鱼等养殖鱼类，在观赏鱼方面的应用仍十分匮乏。 （限于字数，略去参考文献）
