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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 天然蝦青素的微藻生產(chǎn)及應(yīng)用--高產(chǎn)雨生紅球藻的調(diào)控因子優(yōu)化及其在觀賞魚養(yǎng)殖中的應(yīng)用
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡(jiǎn)介：
- 蝦青素（astaxanthin）具有強(qiáng)大的抗氧化功能和多種卓越的生理特性，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、保健品、化妝、醫(yī)藥等諸多行業(yè)具有廣泛應(yīng)用前景。雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）被公認(rèn)為是天然蝦青素的最佳來源，開發(fā)該微藻已成為近年來蝦青素生產(chǎn)的研發(fā)熱點(diǎn)之一。針對(duì)當(dāng)前國(guó)際上蝦青素的微藻生產(chǎn)之研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化過程中普遍存在的產(chǎn)率低、提取困難、生物利用率低等關(guān)鍵技術(shù)難題，本項(xiàng)目以高產(chǎn)雨生紅球藻的應(yīng)用開發(fā)為出發(fā)點(diǎn)，在其營(yíng)養(yǎng)方式、培養(yǎng)模式及脅迫條件等生態(tài)調(diào)控上均實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)重要突破。在國(guó)際上首次采用混合營(yíng)養(yǎng)條件下的半連續(xù)培養(yǎng)模式；較之國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)方法，本項(xiàng)目所獲蝦青素產(chǎn)率增加近3倍；采用氮缺乏脅迫方法促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞積累蝦青素，極大降低孢子比例，有效降低了蝦青素提取的生產(chǎn)成本，而且提高藻粉的生物利用率。在以上研究基礎(chǔ)上，開展該優(yōu)質(zhì)微藻的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)和觀賞魚著色等應(yīng)用研究，以期為雨生紅球藻規(guī)?；囵B(yǎng)及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供前期基礎(chǔ)?；诒卷?xiàng)目的多項(xiàng)創(chuàng)新和特色，項(xiàng)目研究成果在第13屆國(guó)際生物技術(shù)大會(huì)等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議宣讀和展示，相關(guān)科研成果已在一系列重要中英文刊物上發(fā)表。
- 詳細(xì)介紹：
- 蝦青素具有強(qiáng)大的抗氧化功能和卓越的著色能力，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、醫(yī)藥、保健品等諸多行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）被公認(rèn)為自然界中天然蝦青素的最佳來源，已成為近年來蝦青素生產(chǎn)的研究熱點(diǎn)之一。目前，生長(zhǎng)速度慢，產(chǎn)率低、厚壁孢子破壁難度大，藻粉生物利用率低等問題是開展雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素面臨的主要難題，這也是目前優(yōu)質(zhì)天然蝦青素的市場(chǎng)價(jià)格不斷走高的重要原因之一。 本作品以雨生紅球藻應(yīng)用開發(fā)為前提，重點(diǎn)開展其積累蝦青素的營(yíng)養(yǎng)方式、培養(yǎng)模式以及脅迫方式等生態(tài)調(diào)控研究，并在以上研究基礎(chǔ)上開展該微藻的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)及觀賞魚生物著色等應(yīng)用研究。 本研究首先通過添加有機(jī)碳源和微量稀土元素，較深入開展雨生紅球藻的營(yíng)養(yǎng)條件研究，結(jié)果表明：醋酸鈉在混合營(yíng)養(yǎng)及異養(yǎng)培養(yǎng)條件下均優(yōu)于丙二酸鈉，且在混合營(yíng)養(yǎng)條件下雨生紅球藻細(xì)胞干重和蝦青素含量分別較光合自養(yǎng)提高25%和21%。當(dāng)Ce3+濃度為0.1 mg/L時(shí)，藻生長(zhǎng)的促進(jìn)效果最明顯，細(xì)胞密度較對(duì)照組提高34%；當(dāng)Ce3+濃度為1 mg/L時(shí)，單個(gè)細(xì)胞內(nèi)蝦青素積累量（3.2%）較對(duì)照組提高167%。混合營(yíng)養(yǎng)條件下的半連續(xù)培養(yǎng)研究表明，20%和30%的更新率均能顯著促進(jìn)生長(zhǎng)，其生物量分別較一次培養(yǎng)增加2.2和3.7倍。不同更新率下（20%和30%）的藻粉總產(chǎn)量、藻粉產(chǎn)率、蝦青素總產(chǎn)量及蝦青素產(chǎn)率等指標(biāo)均顯著高于一次培養(yǎng)，且各更新率下的細(xì)胞存活率顯著高于一次培養(yǎng)，其中20%更新率組的藻粉產(chǎn)率最高，達(dá)1.32 g/L；20%、30%更新率組的蝦青素產(chǎn)率最高，分別達(dá)到21.08 mg/L和22.94 mg/L。氮缺乏的脅迫效果研究表明，氮脅迫能使雨生紅球藻孢子比例下降到35%以下，為提高藻粉的生物利用率提供了新思路?？傊?，以上營(yíng)養(yǎng)條件及生產(chǎn)模式的優(yōu)化為提高雨生紅球藻藻粉產(chǎn)量具有重要的意義。 在上述研究基礎(chǔ)上，開展了雨生紅球藻的高密度培養(yǎng)研究。利用光生物反應(yīng)器培養(yǎng)雨生紅球藻，能使藻細(xì)胞獲得快速生長(zhǎng)，提高生物量，并大大縮短脅迫周期（僅需4天），提高了培養(yǎng)效率，能夠有效降低大規(guī)模生產(chǎn)成本。 最后，開展了雨生紅球藻作為天然蝦青素添加劑在觀賞魚養(yǎng)殖方面的應(yīng)用研究，探討蝦青素生物吸收效率。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)組（400 mg/kg）魚皮膚和魚鱗中的蝦青素含量分別比對(duì)照組提高87.9%和52.2%，總類胡蘿卜素含量則分別比對(duì)照組高67.9%和63.3%。同時(shí)，魚體的生長(zhǎng)及機(jī)體抗氧化能力等指標(biāo)，較對(duì)照組均有顯著提高。本項(xiàng)目在雨生紅球藻藻粉對(duì)觀賞魚著色效果方面的研究結(jié)果，為蝦青素在天然飼料添加劑領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了前期基礎(chǔ)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目前，蝦青素產(chǎn)率低、厚壁孢子破壁難度大，藻粉生物利用率低等問題是國(guó)內(nèi)外開展雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素面臨的主要難題，后者進(jìn)而抑制了天然蝦青素的規(guī)模化生產(chǎn)及其相關(guān)應(yīng)用。本作品擬通過開展高產(chǎn)雨生紅球藻的蝦青素積累的生態(tài)調(diào)控技術(shù)優(yōu)化（培養(yǎng)基、營(yíng)養(yǎng)方式、培養(yǎng)模式等），提高產(chǎn)率，降低孢子比例，開發(fā)優(yōu)質(zhì)微藻，進(jìn)而在培養(yǎng)模式及觀賞魚著色等應(yīng)用研究開展前期研究，促進(jìn)我國(guó)該領(lǐng)域研發(fā)水平的提高。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本作品以雨生紅球藻應(yīng)用開發(fā)為前提，重點(diǎn)開展其積累蝦青素的多個(gè)生態(tài)調(diào)控因子優(yōu)化及其著色應(yīng)用研究，符合國(guó)際該領(lǐng)域研發(fā)趨勢(shì)和生產(chǎn)需求。系統(tǒng)開展多個(gè)微量組分添加實(shí)驗(yàn)；比較多種營(yíng)養(yǎng)方式作用；于國(guó)際上首次開展混合營(yíng)養(yǎng)半連續(xù)條件下微藻積累蝦青素研究；嘗試通過多種途徑實(shí)現(xiàn)游動(dòng)細(xì)胞積累蝦青素，以期解決破壁技術(shù)難題，提高生物吸收效率。同時(shí)，據(jù)此開展其對(duì)觀賞魚著色及生理機(jī)能研究，使作品兼具重要的現(xiàn)實(shí)開發(fā)意義。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 目前，天然蝦青素主要用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、保健品行業(yè)，其全球年需求量達(dá)數(shù)十萬(wàn)噸，總價(jià)值超過2.5億美元。隨著蝦青素純化技術(shù)提高，其在化妝、醫(yī)藥等行業(yè)的前景更為廣闊。作品所獲藻粉孢子比例顯著降低，為提高藻粉的生物利用率提供新思路。同時(shí)，雨生紅球藻營(yíng)養(yǎng)條件及生產(chǎn)模式的優(yōu)化為優(yōu)質(zhì)藻粉的規(guī)?；a(chǎn)提供了重要基礎(chǔ)。其在水產(chǎn)方面的研究，可望直接推動(dòng)我國(guó)大陸與臺(tái)灣觀賞魚飼料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本課題以雨生紅球藻應(yīng)用開發(fā)為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)開展其積累蝦青素的營(yíng)養(yǎng)條件、脅迫環(huán)境以及生產(chǎn)方式等生態(tài)調(diào)控條件研究，并開展該微藻的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)及觀賞魚生物著色等應(yīng)用研究。結(jié)果表明，醋酸鈉添加效果均優(yōu)于丙二酸鈉，混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)優(yōu)于光合自養(yǎng)培養(yǎng)；以1.0 g/L醋酸鈉為碳源的混合營(yíng)養(yǎng)為最佳營(yíng)養(yǎng)方式；添加1 mg/L Ce3+，單細(xì)胞蝦青素含量較對(duì)照組提高了167%。于國(guó)際首次開展混合營(yíng)養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)：20%、30%更新率均能顯著促進(jìn)生長(zhǎng)，生物量分別增加2.2、3.7倍，藻粉及蝦青素總產(chǎn)量、產(chǎn)率及細(xì)胞存活率等均顯著高于一次培養(yǎng)。此外，采用氮缺乏的新脅迫方式，孢子比例顯著下降（35%）。光生物反應(yīng)器培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，脅迫周期大大縮短（僅需4 d），降低規(guī)模生產(chǎn)成本。最后，開展蝦青素的觀賞魚應(yīng)用研究。實(shí)驗(yàn)組魚皮膚和魚鱗中的蝦青素含量分別較對(duì)照組提高87.9%和52.2%，總類胡蘿卜素分別較對(duì)照組高67.9%和63.3%，魚體生長(zhǎng)及機(jī)體抗氧化能力等較對(duì)照組均有顯著提高。該研究成果為蝦青素在天然飼料添加劑領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了前期基礎(chǔ)。
獲獎(jiǎng)情況
- [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對(duì)雨生紅球藻生長(zhǎng)及蝦青素積累的影響[J]. 海洋科學(xué), 2008, 32(9): 37-41.[4] 利用光生物反應(yīng)器培養(yǎng)雨生紅球藻的研究初探[J]. 海洋科學(xué),已接收. [5]“雨生紅球藻培養(yǎng)法生產(chǎn)天然蝦青素的優(yōu)化研究”獲某省第九次水產(chǎn)飼料科技研討會(huì)會(huì)議論文二等獎(jiǎng)（2008）.
鑒定結(jié)果
- 作品受到多位知名專家鼓勵(lì)與好評(píng)，一致認(rèn)為本作品創(chuàng)新性突出，應(yīng)用水平較高。項(xiàng)目獲2008-2009年度本校學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)、第九屆“挑戰(zhàn)杯”某省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。
參考文獻(xiàn)
- [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]蔡明剛, 王杉霖, 李文權(quán), 等. 天然蝦青素在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 臺(tái)灣海峽, 2003, 22(3): 377-385. [7]蔡明剛, 王杉霖. 利用雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素的研究進(jìn)展[J]. 臺(tái)灣海峽, 2003, 22(4): 537-544.
同類課題研究水平概述
- 目前，生長(zhǎng)速度慢，產(chǎn)率低、厚壁孢子破壁難度大，藻粉生物利用率低等問題是開展雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素面臨的主要難題。其中，培養(yǎng)基組分、營(yíng)養(yǎng)方式、培養(yǎng)模式、脅迫方式等調(diào)控因子的改良是國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力提高雨生紅球藻和蝦青素產(chǎn)量的主要研究方向；此外，破壁技術(shù)改進(jìn)、生物利用率以及改善雨生紅球藻來源的蝦青素在水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應(yīng)用也多為國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。總體而言，國(guó)內(nèi)利用雨生紅球藻生產(chǎn)天然蝦青素的技術(shù)已取得一定進(jìn)展，但較之國(guó)際先進(jìn)水平仍亟待提高。 國(guó)內(nèi)外對(duì)雨生紅球藻培養(yǎng)基中常量組分研究比較充分，但對(duì)微量組分的研究較少。已知添加適量稀土元素Ce3+對(duì)某些淡水微藻的生長(zhǎng)促進(jìn)作用，但卻未見有關(guān)稀土元素對(duì)雨生紅球藻生長(zhǎng)及蝦青素積累影響的報(bào)道。此外，有研究表明有機(jī)碳源可促進(jìn)微藻生長(zhǎng)及蝦青素積累，其種類及最適濃度仍待明晰。 根據(jù)所提供碳源形式的不同，雨生紅球藻的培養(yǎng)方法可分為光合自養(yǎng)培養(yǎng)、異養(yǎng)培養(yǎng)和混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)三種。目前生產(chǎn)上多采用前者。然而，新近研究發(fā)現(xiàn)，在原始培養(yǎng)基中添加某些有機(jī)碳源使藻類進(jìn)行混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)，能明顯加速蝦青素積累，但其結(jié)論仍不一致。培養(yǎng)模式方面，目前基本一次性培養(yǎng)，但新近研究表明，半連續(xù)模式能使紅球藻以恒定生長(zhǎng)速率連續(xù)生產(chǎn)，可提高藻粉產(chǎn)率，同時(shí)可將微藻中蝦青素的積累時(shí)間提前，從而降低孢子比例，提高生物利用率。目前，開展?fàn)I養(yǎng)條件和培養(yǎng)模式二者聯(lián)合研究的思路，國(guó)際上尚未見報(bào)道。脅迫條件影響著蝦青素的積累量及藻細(xì)胞孢子比例。傳統(tǒng)脅迫方式主要為高光、高溫等，導(dǎo)致細(xì)胞大量死亡，同時(shí)形成后壁孢子，不利生物吸收或蝦青素提取。有研究表明，雨生紅球藻營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞亦能夠大量積累蝦青素，但其機(jī)制和程度尚有多處未知。 在生產(chǎn)方面，目前雨生紅球藻商業(yè)化生產(chǎn)普遍采用封閉式光生物反應(yīng)器。其中，國(guó)外研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及培養(yǎng)參數(shù)（通氣速率、質(zhì)量傳輸速率等）優(yōu)化，而國(guó)內(nèi)則仍集中在少數(shù)反應(yīng)器的應(yīng)用上。 在應(yīng)用方面，作為水產(chǎn)養(yǎng)殖的著色飼料添加劑是當(dāng)前蝦青素的最主要應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在蝦青素著色效果和生理功能方面的研究結(jié)果已較為一致，但有關(guān)飼料中添加蝦青素促進(jìn)魚體生長(zhǎng)的原因尚無定論，有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，主要針對(duì)的多為鮭魚等養(yǎng)殖魚類，在觀賞魚方面的應(yīng)用仍十分匱乏。 （限于字?jǐn)?shù)，略去參考文獻(xiàn)）
