目前国内外虾青素研究的进展_施安辉

《生物工程进展》1999,Vol.19,No.1

目前国内外虾青素研究的进展

施安辉　萧海杰

(山东大学微生物系,济南,250100)

摘要　该文综述了当前国内外虾青素的生产技术,红法夫酵母发酵生产虾青素的条件优

化,及虾青素在水产养殖中的应用。关键词　虾青素　酵母发酵　水产养殖　　虾青素(astaxanthin),全称为3,3p-二羟基—B胡萝卜素—4,4p—酮,属于酮式类胡萝卜素。它广泛存在于生物界中,特别是水生动物中的虾、蟹、鱼和鸟类的羽毛。例如,火烈鸟的羽毛中就存在有大量的虾青素,在大马哈鱼的肉中,虾青素占类胡萝卜素的70%左右,有的甚至高达99.8%。虾青素的色泽为粉红色,具有较强的抗氧化性、水不溶性和亲脂性,易溶于氯仿、丙酮、苯、和二硫化碳,氧化后即为虾红素(as-tacene)。当前虾青素的获得主要是:从水产品的加工工业的废弃物中提取,培养藻类生产和利用某些酵母菌生产。近年来,F.Hoff-mann-latoche已完成了全反式虾青素的人工合成,并被批准用于大马哈鱼的饲料添加剂。　　一、从水产品加工工业的废弃物中提取虾

青素

　　当前,国外螯虾加工工业每年有1000万吨的甲壳纲水产品的废弃物,据美国报道,他们采用聚合剂提取系统从螯虾的废弃物中提取虾青素、虾青素酯和虾红素,其产率高达153Lg/g(废弃物)。这些物质或以游离的形式存在,或与蛋白质、脂类等结合的形式存在。据分析,虾青素约占提取的类胡萝卜素的90%以上。应注意的是,废弃物中的石灰质成分不利于虾青素的提取,在提取前应尽量地除去石灰质。近来,挪威海洋渔业工业采用青贮法处理废弃物的技术。经过青贮处理后,回收率提高了10%,虾青素的纯度也大大地提高了。饲喂实验

[1,2]

证明,用青贮技术处理的废弃物饲喂红鳟鱼,虾青素的消化吸收率和在肌肉中的累积率均有很大的提高。青贮过程中加入有机或无机酸,虾青

素的释放量提高,这是因为酸破坏了虾青素与蛋白质或骨骼部分的结合,从结合状态游离出来。

从水产加工的废弃物中提取虾青素的工艺技术如下:

首先,把废弃物置于双层乙烯袋中,于零下70℃保存,用时粉碎成膏状物,即为螯虾粗粉。按重量比1∶1加大豆油于粉碎的螯虾中,搅拌均匀,并用铅铂把容器围起来避光。40～50℃加热,不断地搅拌,最后加热到90℃停止,利用低温离心(0℃,11000r/min,10p),收集虾青素的油溶液分成双相的上层清液,用分液漏斗分离,记录色素溶液的体积,用分光光度计来分析色素油提取物的光谱特征,在485nm处测定最大光吸收。虾青素油溶液的消光系数E为155,用下面的公式计算虾青素的量:

虾青素(Lg/g废弃物)=AD/100×GdE式中:A:最大波长处的吸收值;D:回收的油体积(ml)×稀释倍数;G:螯虾废弃物(mg);d:细胞宽度(1cm);E:消光系数。　　二、培养藻类生产虾青素

在藻类中有不少的种类也能生产虾青素,如雨生红球藻(Haematococcuspluvialis),就是很重要的虾青素产生菌。该藻类既能进行自养,也能够进行异养生活。在培养过程中,若氮

[4]

源缺乏,则在藻体内积累虾青素;若在培养中添加二价亚铁离子,虾青素的合成能力也显著增加,并伴有细胞形态上的变化,由营养细胞变成胞囊。据报道蓝光可以诱导类胡萝卜素和虾青素的生物合成。目前,国外优良的雨生红球藻体中虾青素一般约占类胡萝卜素总量的90%以上,而且光照密度、光照时间以及光的性质多会影响虾青素的积累。实验证明,该藻的虾青素产量与光质量成正比(光质量=光密度×光照时间),持续光照比间断的光照效果好。　　三、利用酵母菌生产虾青素

目前,国外主要利用红法夫酵母(PhaffiaRhodozyma)为菌种发酵生产虾青素。该菌种最早由Phaff等人于1970年在美国的阿拉斯加的高山上和日本北海道一带山区落叶树的渗出液中分离到的。后经Miller鉴定并命名为新属范菲亚属,1976年Andrews等人发现它能够生产虾青素,1980年Johnson把发酵培养菌体用于鲑鳟鱼和鲟鱼饲料中,并获得良好的效果。

红法夫酵母生产虾青素的条件为:碳源为葡萄糖、纤维二糖;氮源为硫酸铵;兼性好氧,间断通气;最适培养温度为20～22℃;最适pH值为5.0。供氧速率要高于30mmol/h,否则,低于此值时,细胞的产量和虾青素的产量都明显下降。氧气浓度达到30mmol/h时,再继续提高通气量,虾青素的产量提高不大[6,7]。

红法夫酵母形成虾青素的途径属于生长偶联型,试验得知,低氧和高浓度的葡萄糖能影响虾青素的产量。向培养基中添加西红柿汁时,虾青素的合成能力大大提高,这是因为西红柿中含有虾青素合成的前体物质,前体物质直接进入细胞,促进了虾青素的形成。

最近,国外有人从保加利亚酸牛奶中分离到一株深红酵母(Phodotoralarubra),与红法夫酵母相比,在同样的培养条件下虾青素产量高80倍,且营养要求粗放,生产速度快,完全可以代替红法夫酵母用于工业生产。[5]

四、粘红酵母突变株BF-6发酵虾青素工艺条

件的研究　　我们高产虾青素菌株的选育课题组,利用我们从葡萄园土壤中分离的粘红酵母BF-6(虾青素的产量1.38mg/g干细胞)为始发菌株,经紫外线和EMS诱变处理,最终获得Rhodotoru-laglutinis突变株BF-6,虾青素的最高产量为1.3mg/g干细胞。以BF-6为发酵菌株,探讨了碳源、氮源、温度、通氧率、维生素和添pH值、加前体物质对虾青素的影响,其结果为:6%的葡萄糖为最佳碳源,若浓度超过7%以上,虾青素的累积反而下降,以12%的糖蜜代替葡萄糖进行发酵,虾青素的产量为1.25mg/g干菌体。

酵母膏为氮源对BF-6累积虾青素影响明显,酵母膏的加入量为10mg/100ml,100mg/100ml,1000mg/100ml时,虾青素的累积量分别为1.26mg/g干细胞,1.28mg/g干细胞,1.40mg/g干细胞,硫酸铵和尿素为氮源时,对BF-6菌株的生长和虾青素的累积均无明显的影响。

pH在5.2～5.5之间,最适合BF-6菌株的生长和虾青素的累积。所以,发酵过程要不断回调pH值。BF-6菌株最适宜的生长和虾青素的累积的温度为29—30℃,在发酵过程中,溶氧值不低于35mmol/lh否则,虾青素的累积量减少,而B-胡萝卜素的含量增加。

同时,我们也探讨了在发酵液中添加前体物质番茄汁(含有虾青素合成的前体物质番茄红素),随着番茄汁加入量的增加,虾青素的累积量也有所提高,最高可达1.43mg/g干细胞,若在发酵液中适量添加胡萝卜素浓缩汁,虾青素的产量最高可达1.39mg/g干细胞。　　五、虾青素在水产养殖中的作用

近十年来,随着国内外水产养殖事业的发展,虾青素的需求量越来越大,例如,人工养殖大鲑鱼1978年全世界不足10000吨,1987年达到15000吨,而到1990年则猛增到20000

吨。国外从1980年开始就实验把红法夫酵母添加到鲑鱼、鲟鱼类的饲料中,获得了理想的饲喂效果,鲑鱼和鲟鱼食用了经破碎细胞壁的红发夫酵母后,虾青素的累积使得皮肤和肌肉呈红色[9],这种鱼色泽鲜艳,口味好,在欧美市场很受青睐,其价格也比普通的鱼高出许多。进入90年代,欧洲、美国和加拿大,鲑鱼和鲟鱼养殖业发展迅速,据测定,红鲑鱼的虾青素含量一般在5～20mg/g公斤鲜重,而虾青素喂养的一般量在40～150mg/公斤,按年养殖二十万吨鲑鱼计算,每年需虾青素8～32吨[10]。

目前,我国沿海一带正在大力发展对虾、蟹子等的人工养殖,湖沼一带进行龙虾、红鲤鱼等的人工养殖。为了提高以上水产品的品质,提高被养殖物种的抗病能力,利用红法夫酵母作为饵料,有着很重要的经济意义。我们的课题组以我们分离选育的粘红酵母为菌种,进行中试生产虾青素,进行对虾饲养实验,也获得了生长发育较快、色泽鲜艳的初步效果。

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