不同培養(yǎng)模式對微藻Chlorella vugaris代謝與蛋白質組分的影響

李昌靈 ， 楊海麟 ， 李宇佶 ， 王 武 *

（1.江南大學 教育部工業(yè)微生物技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.懷化學院 生命科學系，湖南 懷化418008）

小球藻屬綠藻門 （Chlorophyta），小球藻屬（Chlorolla），是一類普生性單細胞微藻[1]。小球藻廣泛分布于淡水和海水中。小球藻除利用光能和無機碳（如CO2和碳酸鹽等）進行光合自養(yǎng)以外，還可利用一種或多種有機物作為能源和碳源在黑暗中生長[2-3]，即進行異養(yǎng)發(fā)酵。小球藻富含油脂、蛋白質、碳水化合物、維生素、食用纖維、微量元素和其它生物活性物質[4]，具有降血壓、降血脂，抗動脈粥樣硬化，增強免疫力，抗腫瘤以及抗病毒感染等保健功能[5]。小球藻為具保健功能的健康食品，其促進健康主要營養(yǎng)組分之一為蛋白質或氨基酸[6]。蛋白質質量分數(shù)是評價小球藻營養(yǎng)價值的主要因素之一。小球藻細胞中蛋白質質量分數(shù)為16.0%~58.0%，且不同營養(yǎng)因素及培養(yǎng)條件影響蛋白生物合成[7-8]。小球藻生長和細胞組分（如，蛋白和油脂等）不僅受到培養(yǎng)基中營養(yǎng)元素調控，而且受到環(huán)境條件影響。目前，營養(yǎng)方式對小球藻油脂合成研究較多[2，9-10]。而營養(yǎng)方式影響小球藻細胞生物合成蛋白及氨基酸的研究報道較少。作者研究考察3種發(fā)酵方式對小球藻細胞生長、蛋白質及氨基酸合成的影響，以探索通過改變營養(yǎng)方式調控小球藻胞內蛋白含量及氨基酸組分的實現(xiàn)手段。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小球藻（Chlorella vugaris）藻株 C9-JN2010：作者所在實驗室從海水中分離并經(jīng)過人工選育獲得；培養(yǎng)基為修改Chu's Medium （MCM）培養(yǎng)基組分（mg·L-1）[11]；Nile red Sigma-Aldrich 公司產(chǎn)品；過硫酸鉀：愛建德固賽（上海）引發(fā)劑有限公司產(chǎn)品。

YXQ-LS-50S1型立式壓力蒸汽滅菌器：上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠產(chǎn)品；ZHWY200B型搖床：上海智城分析儀器制造有限公司產(chǎn)品；DHP-2000型電熱恒溫培養(yǎng)箱：天津市華北實驗有限公司產(chǎn)品；水平層流凈化工作臺：蘇州潔凈技術研究所產(chǎn)品；分析天平：梅特勒-托利多儀器有限公司產(chǎn)品；F-4600熒光分光光度計，U3900紫外分光光度計：日立公司產(chǎn)品；1100 HPLC：美國安捷倫公司產(chǎn)品。

1.2 實驗方法及步驟

1.2.1 種子培養(yǎng)方法 挑取平板上培養(yǎng)藻株至含有1.0 mL dd H2O的2 mL離心管中，混合均勻。分別取適量藻接種于含有50.0 mL MCM培養(yǎng)基的250 mL三角燒瓶中，置于恒溫光照搖床中振蕩培養(yǎng)（培養(yǎng)條件為：25±1 ℃，光照強度 4 000 lux，光暗周期為 16 h∶8 h，pH 為 7.0）。

1.2.2 自養(yǎng)、混養(yǎng)與異養(yǎng)培養(yǎng)實驗 分別在1.0 L MCM中添加2.0 g NaHCO3進行自養(yǎng)培養(yǎng)和添加5.0 g葡萄糖進行異養(yǎng)及混養(yǎng)培養(yǎng)。將藻種接種于裝有150 mL MCM的500 mL搖瓶中，調整pH為7.0，初始接種量干重為0.155 g/L，于溫度為25±1℃，光強為4 000 lux，光暗周期為16 h∶8 h條件下自養(yǎng)和混養(yǎng)培養(yǎng)4 d。異養(yǎng)時用黑布包裹好避光培養(yǎng)。每天取樣一次，進行相關參數(shù)的檢測。

1.2.3 生物量及比生長速率檢測 藻生物量及比生長速率采用修改的Wang[12]等方法測定。取藻液用無菌水進行10倍梯度稀釋，于680 nm波長測定稀釋樣品吸光值，另取各稀釋藻樣8 000 r/min離心5 min后，收集沉淀于恒溫箱80℃干燥至恒重并稱干重，并建回歸方程，并分別根據(jù)式1和式2計算其生物量和μ。

式（2）中：X1是第一次取樣時（t1）生物量，X2是第二次取樣時（t2）生物量。

1.2.4 蛋白質質量分數(shù)及氨基酸分析 HPLC法測定蛋白質含量及氨基酸組成分析。色譜條件為：采用OPA FUOC柱前衍生化，柱溫 40℃（250×4.6 mm，5 um，ODSHYPERSIL），流動相為A相和B相（表1），流量為1.0 mL/min，分別于338 nm和262 nm（Pro，Hypro）檢測。

表1 氨基酸分析儀所用流動相Table 1 Mobile phase for analysis of amino acids by HPLC

1.2.5 氮質量濃度測定 采用APP-UV法（GB11894-89）測定總氮。收集40 mL藻液于8 000 r/min離心5 min，取上清，分別在波長220 nm和275 nm測定吸光值，根據(jù)標準曲線建立回歸方程，氮質量濃度（mg/L）=5.966 6（A220nm-2*A275nm）-0.035 8，r2=0.999 6），計算氮質量濃度。

1.2.6 磷質量濃度測定 采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）測定總磷含量。收集40 mL藻液于8 000 r/min離心5 min，取上清，于波長690 nm測定吸光值，根據(jù)標準曲線建立回歸方程，磷質量濃度（mg/L）=0.646 5 A690nm-0.008 5，r2=0.999 6，計算磷質量濃度。

1.2.7 總糖測定 培養(yǎng)液中總糖濃度測定采用3，5-二-硝基水楊酸-分光光度法[13]。收集40 mL藻液于8 000 r/min離心5 min，取上清，按總糖測定方法標準步驟操作，于540 nm下測定吸光值，根據(jù)標準曲線建立回歸方程，糖質量濃度 （mg/L）=1.07 A540nm-0.043 9，r2=0.999 8，計算 Glc 質量濃度。

1.2.8 數(shù)據(jù)分析 采用Excell和Origin軟件進行統(tǒng)計分析，每個實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 自養(yǎng)、異養(yǎng)、混養(yǎng)模式對小球藻生長的影響

分別于異養(yǎng)、混養(yǎng)及自養(yǎng)方式下培養(yǎng)小球藻，其生長效果見圖1。3種培養(yǎng)方式對小球藻生長影響較大。異養(yǎng)條件下，小球藻在96 h進入穩(wěn)定期，后期由于有機碳源不足導致細胞開始死亡。而混養(yǎng)條件下，在96 h培養(yǎng)基中有機碳含量接近零，后期藻生物量不降反升。相比較，自養(yǎng)小球藻利用無機碳的速率較慢導致細胞生長速度也更慢。在混養(yǎng)條件下，藻細胞更容易積累生物量，在168 h生物量可達1.5 g/L，而自養(yǎng)條件下藻生物量最低僅為0.73 g/L。同樣，藻細胞在混養(yǎng)時，比生長速率和生物量產(chǎn)率在 96 h均最高， 分別為 0.526 d-1和 0.318 mg/（L·d）。混養(yǎng)時生物量最高，為自養(yǎng)時的2.16倍。作者結果支持混養(yǎng)小球藻能更有效積累生物量[9，14]。小球藻在光暗條件轉換過程中，能快速切換自養(yǎng)到異養(yǎng)代謝，反之亦然[15]。

圖1 自養(yǎng)、混養(yǎng)和異養(yǎng)培養(yǎng)模式對C.vulgaris C9-JN2010的生長的影響Fig.1 Effect of autotrophic，heterotrophic and mixotrophic culturemodelson growth ofChlorella vulgaris C9-JN2010

混養(yǎng)方式下小球藻生物量積累更高，可能混養(yǎng)條件下藻細胞既可通過異養(yǎng)途徑快速利用葡萄糖進行生長繁殖，當培養(yǎng)基中糖不足時，又可通過光合自養(yǎng)固定空氣中CO2，進一步合成細胞生長繁殖所需糖類、氨基酸、蛋白質及核酸等有機物從而促進藻生物量積累。微藻自養(yǎng)培養(yǎng)時主要通過獲取光能用于自身生長，而光能不足難以維持細胞最優(yōu)生長。在沒有光照時異養(yǎng)培養(yǎng)，適宜的碳源對藻獲得高生物量非常重要。Haass和Tanner報道了小球藻擁有一套誘導型己糖運輸途徑利用葡萄糖[16]。大量研究表明Chlorella sp.不但能夠利用單糖（如，葡萄糖、果糖、半乳糖和甘露糖等），而且能夠利用二糖（如蔗糖和乳糖），而不同糖的利用速率不一導致藻細胞產(chǎn)率和生物量濃度的差異較大[17-20]。一般異養(yǎng)小球藻生物量約為自養(yǎng)的3-5倍[10，19]。甚至有研究報道小球藻異養(yǎng)時還能利用甘油，主要在藻細胞生長后期，培養(yǎng)基中速效糖被消耗完之后會誘導微藻代謝機制發(fā)生改變，藻細胞會利用甘油、一些有機酸，甚至是復雜糖類作碳源[21]。混養(yǎng)時微藻可同時進行異養(yǎng)和自養(yǎng)或單獨進行異養(yǎng)或自養(yǎng)[22]，當有機碳出現(xiàn)可改變小球藻異養(yǎng)和自養(yǎng)的代謝途徑[23]。因而，混養(yǎng)不是光合自養(yǎng)與異養(yǎng)簡單的結合。此外，Cheirsilp和Torpee研究發(fā)現(xiàn)光照也可促進藻細胞生長積累生物量[24]。

2.2 不同培養(yǎng)模式下小球藻葉綠素質量分數(shù)與C/N利用效率比較

不同培養(yǎng)方式顯著影響藻細胞葉綠素含量，見圖2。在0~24 h，異養(yǎng)、混養(yǎng)和自養(yǎng)培養(yǎng)方式下，葉綠素含量均隨著藻細胞生長增加，在24 h均達到最高值分別為 20.8、25.6、32.1 mg/g。24 h 后，葉綠素含量開始下降，尤其是異養(yǎng)條件下，于168 h降為最低是3.8 mg/g，在自養(yǎng)條件下葉綠素下降較慢，最終穩(wěn)定在25 mg/g左右。研究報道自養(yǎng)有利于葉綠素合成，而混養(yǎng)和異養(yǎng)不利于葉綠素積累[24-26]。Boussiba和Vonshak認為氮是用于連續(xù)合成色素蛋白質所必需的元素[27]。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因為：一方面，小球藻細胞在光合自養(yǎng)時，碳利用主要通過光合途徑卡爾文循環(huán)途徑固定CO2，進一步形成合成各種所糖類、需氨基酸和蛋白質及核酸等，需要合成大量光合色素來捕獲足夠能量。若氮源限制出現(xiàn)后，異養(yǎng)和混養(yǎng)能直接利用培養(yǎng)基中葡萄糖等碳源生長繁殖，不需要光合作用固定CO2而抑制光合色素合成；另一方面，自養(yǎng)光合色素合成需要大量氮，培養(yǎng)基中氮含量過低不利于色素合成[28]。

3種培養(yǎng)方式下，小球藻對Glc和氮的利用效果見圖3和表2。混養(yǎng)時小球藻利用糖和氮速率最快，在120 h時糖濃度接近零，其糖利用率和消耗速率分別為 99.7%和 0.598 g/（L·d）。 至 96 h，氮質量濃度降為0.5左右，其利用率與利用速率分別為99.9%和 13.98 mg/（L·d）。

圖2 自養(yǎng)、混養(yǎng)和異養(yǎng)培養(yǎng)模式對C.vulgaris C9-JN2010胞內光合色素質量分數(shù)的影響Fig.2 Effect of autotrophic，heterotrophic and mixotrophic cultures models on content of chlorophyll in cell C.vulgaris C9-JN2010

表2 自養(yǎng)、異養(yǎng)及混養(yǎng)條件下C.vulgaris C9-JN2010利用葡萄糖和氮效率Table 2 Efficiency of consuming Glc and nitrogen in the culture media by C.vulgaris C9-JN2010 in autotrophic，heterotrophic and mixotrophic cultures models

圖3 自養(yǎng)、異養(yǎng)及混養(yǎng)培養(yǎng)模式下C.vulgaris C9-JN2010消耗糖與氮的曲線Fig.3 Curves of consuming glucose and nitrogen by C.vulgaris C9-JN2010 in autotrophic，heterotrophic and mixotrophic cultures models

2.3 3種培養(yǎng)方式對藻體蛋白質質量分數(shù)及氨基酸組分的影響

小球藻C9-JN2010在自養(yǎng)條件下蛋白質質量分數(shù)最高為52.1%，但蛋白產(chǎn)率卻在混養(yǎng)時最高為0.097 g·L-1·d-1（表 3）。自養(yǎng)小球藻蛋白質含量高于Mitra[9]等人報道，而混養(yǎng)與異養(yǎng)則稍低。一般地，小球藻內蛋白質、油脂及糖質量分數(shù)分別為51%~58%、14%~22%和12%~17%[5]。主要原因是自養(yǎng)培養(yǎng)時，藻生物量過低導致最后蛋白質產(chǎn)量低。當?shù)狈Χ汲渥銜r，微藻細胞通過碳代謝進入乙酰輔酶A使脂肪酸積累被激活，或碳參與把糖類或蛋白質轉化為脂肪酸[29-30]，導致蛋白質質量分數(shù)降低。

3種培養(yǎng)方式下，小球藻均含18種氨基酸，且8種必需氨基酸比例高，約占總氨基酸質量分數(shù)的40.0%（表3）。另外，在異養(yǎng)和混養(yǎng)條件下小球藻所有氨基酸比例基本相似，與自養(yǎng)時相比，其中Cyss、Thr、Tyr和 Met差異顯著，Cys-s質量分數(shù)分別高為 78.57%， 而 Thr、Tyr及 Met分別低 21.6%、27.59%和33.33%（表4）。可能原因為不同培養(yǎng)方式下碳利用方式和途徑不同導致小球藻一些氨基酸代謝產(chǎn)生差異。García等認為混養(yǎng)條件下細胞內光合成分含量依賴于異養(yǎng)/自養(yǎng)代謝的比重[31]。

表3 自養(yǎng)、異養(yǎng)及混養(yǎng)培養(yǎng)模式下培養(yǎng)藻細胞蛋白質質量分數(shù)及產(chǎn)率Table 3 Content and productivity of protein from the algae biomass cultivated in autotrophism，heterotrophism and mixotrophism

表4 自養(yǎng)、異養(yǎng)及混養(yǎng)培養(yǎng)模式下藻細胞氨基酸質量分數(shù)及組成Table 4 Content and components of amino acids from the algae cell cultivated in autotrophism，heterotrophism and mixotrophism

續(xù)表4

3 結語

考察了自養(yǎng)、異養(yǎng)及混養(yǎng)條件下小球藻蛋白質及氨基酸合成效果。混養(yǎng)藻細胞生長更佳，生物量高達1.5 g/L，為自養(yǎng)時2.16倍，而自養(yǎng)時更有利于色素和蛋白質合成，其質量分數(shù)分別高達25 mg/g和52.1%。自養(yǎng)藻蛋白質質量分數(shù)高于Mitra[9]等人報道，而混養(yǎng)與異養(yǎng)則稍低，但混養(yǎng)時蛋白質產(chǎn)率卻最高為0.097 g/（L·d）。3種方式培養(yǎng)小球藻均含18種氨基酸，且必須氨基酸質量分數(shù)超過40.0%。異養(yǎng)和混養(yǎng)小球藻各氨基酸比例基本相似，與純自養(yǎng)培養(yǎng)小球藻相比，Cys-s、Tyr和Met比例差異最顯著，為作者首次報道。自養(yǎng)能有效提高蛋白質含量，而混養(yǎng)可顯著提高蛋白質產(chǎn)率。營養(yǎng)方式顯著影響小球藻蛋白質合成及氨基酸組成，籍此可營養(yǎng)方式是小球藻實現(xiàn)一些重要氨基酸積累策略。后續(xù)將優(yōu)化混養(yǎng)小球藻蛋白及氨基酸合成代謝調控策略，預期獲得更高的蛋白質產(chǎn)率和提高一些氨基酸質量濃度。

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