海洋紅酵母菌活化培養(yǎng)蝦青素工藝及其研究進(jìn)展

◎ 王福強(qiáng)，張艾青，劉希鳳，徐衍勝，謝 虹，任偉偉

（山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261061）

蝦青素屬于類(lèi)胡蘿卜素，純品呈粉紅色，具有特定的著色功能[1]，廣泛存在于蝦、魚(yú)、蟹、鳥(niǎo)類(lèi)羽毛和某些微生物中。蝦青素主要用作魚(yú)類(lèi)和蝦蟹等甲殼類(lèi)動(dòng)物及家禽的飼料添加劑，它可作為激素促進(jìn)魚(yú)卵受精，減少胚胎發(fā)育的死亡率，提高母雞的產(chǎn)蛋率，促進(jìn)個(gè)體蛋雞健康生長(zhǎng)。蝦青素的生產(chǎn)方式主要有人工合成和生物合成兩種，人工合成蝦青素成本高、投資大、污染嚴(yán)重，而且同天然蝦青素在結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用及安全性等方面差別顯著[2]。葉偉慶等[3]從湛江特呈島、東海島及水產(chǎn)品市場(chǎng)采集海泥、紅樹(shù)葉、花、果、土壤、帶魚(yú)、章魚(yú)和魷魚(yú)等樣品中分離出4株海洋紅酵母菌，其中膠紅酵母ZJD2發(fā)酵培養(yǎng)產(chǎn)生的蝦青素含量達(dá)到155.86 μg·g-1，為蝦青素生物合成研究提供了新思路。雖然蝦青素的生物合成是進(jìn)行蝦青素商業(yè)生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的另一條重要途徑[4]，但野生型酵母蝦青素細(xì)胞產(chǎn)率比較低，往往無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化需求。針對(duì)酵母發(fā)酵蝦青素產(chǎn)量低的問(wèn)題，本文旨在討論研究蝦青素發(fā)酵工藝技術(shù)，綜述海洋紅酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)蝦青素工藝，以期為蝦青素在生產(chǎn)中高效應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

1 蝦青素發(fā)展現(xiàn)狀

蝦青素以特其特殊化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)優(yōu)勢(shì)被稱(chēng)為“超級(jí)抗氧化劑”，其作用機(jī)理是通過(guò)分子中的共軛結(jié)構(gòu)淬滅有害氧、羥基及共軛不飽和雙鍵清除自由基[5]。英法、日本等國(guó)家許可其作為膳食營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有用作飼料添加劑的蝦青素產(chǎn)品，市場(chǎng)主要由外國(guó)生物公司壟斷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蝦青素在全球的類(lèi)胡蘿卜素市場(chǎng)中占據(jù)第二位，2015年年產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到2.5億美元，蝦青素市場(chǎng)前景廣闊。目前，約占市場(chǎng)份額97%的蝦青素產(chǎn)品皆為化學(xué)合成，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，而通過(guò)基因工程培養(yǎng)、誘變篩選高產(chǎn)菌株、調(diào)整發(fā)酵工藝等方法是目前研究的熱點(diǎn)。

2 蝦青素合成法影響因素分析

2.1 菌種篩選

菌種是蝦青素高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，它相當(dāng)于蝦青素的“合成工廠”。生物發(fā)酵生產(chǎn)具有發(fā)酵條件容易控制、發(fā)酵培養(yǎng)基簡(jiǎn)單穩(wěn)定、室內(nèi)操作不受氣候條件影響、適應(yīng)工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。王宇光等[6]從海南天然海域篩選到一株高產(chǎn)類(lèi)胡蘿卜素的海洋紅酵母菌株，利用紫外誘變篩選的方法處理菌株后細(xì)胞生物產(chǎn)量可達(dá)87.55 g·L-1，蝦青素含量可達(dá) 520 μg·g-1，為下一步海洋紅酵母工程菌的構(gòu)建提供受體菌。查閱文獻(xiàn)資料，本課題組從海水中分離到一株產(chǎn)生蝦青素的海洋紅酵母菌，原始酵母菌株生長(zhǎng)緩慢，蝦青素產(chǎn)量較低，經(jīng)過(guò)一系列的菌種純化、誘導(dǎo)[7]、篩選、最終選育出一株高產(chǎn)蝦青素酵母菌株。

2.2 培養(yǎng)方式

蝦青素的產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率與培養(yǎng)基的成分和發(fā)酵條件有關(guān)。蔣興龍等[8]研究發(fā)現(xiàn)，不同補(bǔ)料工藝對(duì)法夫酵母菌株生產(chǎn)蝦青素影響很大。其中，采用恒pH補(bǔ)料工藝，法夫酵母菌株可以獲得最高的蝦青素產(chǎn)量，而采用脈沖補(bǔ)料工藝則不適用，因菌而異。童應(yīng)凱等[9]通過(guò)碳源、氮源及主要營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境條件等對(duì)海洋紅酵母產(chǎn)菌量的影響試驗(yàn)，以及蔗糖、蛋白胨、酵母膏等的正交試驗(yàn)，海洋紅酵母的產(chǎn)菌量可達(dá)9.7億個(gè)/mL，比優(yōu)化前發(fā)酵培養(yǎng)基產(chǎn)菌量（5.6億個(gè)/mL）提高了73.2%，比單因素試驗(yàn)結(jié)果（8.1億個(gè)/mL）提高了19.8%。連續(xù)發(fā)酵雖然能提高生產(chǎn)效率，但提取工藝復(fù)雜，容易染菌，對(duì)工藝要求高，本文通過(guò)對(duì)海洋紅酵母菌特性的研究，確定了分批發(fā)酵的培養(yǎng)方式。

2.3 培養(yǎng)條件

培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分和培養(yǎng)因素均會(huì)影響蝦青素的生成，如碳源、氮源、微量元素、培養(yǎng)溫度、pH值和溶氧等。通過(guò)對(duì)培養(yǎng)條件的初步研究，確定最佳培養(yǎng)條件，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，氧氣在紅酵母蝦青素的生物合成中與產(chǎn)量成正比。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)酵母菌的生長(zhǎng)和蝦青素的合成都有顯著影響，溫度升高，有利于酵母菌體的生長(zhǎng)，但蝦青素產(chǎn)量反而降低，推測(cè)蝦青素合成酶在較低溫度下活性更高。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)醫(yī)藥保健的重視不斷提高，全球市場(chǎng)蝦青素的需求巨大，各學(xué)者爭(zhēng)相研究，文獻(xiàn)研究報(bào)道很多，但多數(shù)停留在小試和中試階段。今后開(kāi)發(fā)低廉的培養(yǎng)原料、穩(wěn)定優(yōu)異的高產(chǎn)菌株、簡(jiǎn)便適用的生產(chǎn)工藝，以及先進(jìn)的提取純化技術(shù)來(lái)降低生產(chǎn)成本，仍是蝦青素生物合成研究的重要內(nèi)容。本研究以海洋紅酵母菌為研究對(duì)象，探討其發(fā)酵工藝，為蝦青素生物合成開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持。