CN104789501A - 葛仙米的气相规模化培育方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在空气中规模化培育以葛仙米为代表的念珠藻属的生产系统，它利用葛仙米的藻种能粘着在由营养液长期湿润的培育基质上，在一定光照和温度的空气环境中能快速生长，同时完成光合和固氮的双重作用，达到高产的目的。该法比传统的液相培育法，具有产量高，操作简便，节水，成本低，特别适合规模化生产。由此可以推广葛仙米等念珠藻属的大量生产，其单产可超过我国杂交水稻数十倍，实现其为全社会普遍享用的高级营养食品，对国家的粮食安全具有重要意义。

Description

葛仙米的气相规模化培育方法

技术领域：本发明涉及一种新型的规模化培养念珠藻属的生产系统，特别涉及葛仙米的气相规模化培育方法。

背景技术：

葛仙米是念珠藻属(Nostoc Vauch)中的拟球状念珠藻(Nostoc sphaeoides Kützing)的俗称，它属于蓝藻门(Cyanophyta)，蓝藻纲(Cyanophyceae)，念珠藻目(Nostocales)，念珠藻科(Nostocaceae)，念珠藻属(Nostoc)。该属中还有发菜和地木耳两类。葛仙米是目前世界上能人工培育的念珠藻属中的佼佼者。本发明提出培养以葛仙米为代表的念珠藻属(Nostoc)的气态生产系统。以下叙述仅以葛仙米为代表。

野生葛仙米主要产于我国湖北鹤峰县水稻田中，是一种兼具光合和固氮双重作用的珍珠状藻类植物。它既可固定空气中的氮气，最终合成机体的蛋白质；又可通过光合作用吸收CO₂形成碳水化合物并放出O₂；

它有药食两用功能，我国的文字记载已有1700多年，从晋朝开始便是宫廷御膳。葛仙米是理想的高蛋白保健食品。它的营养极为丰富，其干物质的蛋白质含量高达50％以上，高于大豆，牛肉和鸡肉；氨基酸品种较齐全，结构较合理，基本符合FAO/WHO推荐的标准。粗脂肪为5.34-8.11％，它富含不饱和脂肪酸，可以作为肥胖病人和糖尿病人的膳食。总糖为24.19％，其中8-12％为可抗辐射抗癌的活性多糖。还富含10％可抗癌防癌的藻蓝蛋白、丰富的维生素C(其干重100克含量高达521毫克)，比柑橘高15倍，近于鲜枣。此外，还含有丰富的高于一般植物的叶绿素、B_类胡萝卜素、B族维生素和多种有益于健康的微量元素等。它虽营养虽极为丰富，但却属于素食食品，无疑将可成为一种新型的人类食品，并由此开发出一系列保健食品。它丰富的藻蓝蛋白和多糖，还可以开发医用，化工和美容产品。作为食品，它的口感很好，类似珍珠奶茶中的“珍珠”，但它十分脆嫩。其成品外形如灿烂的珍珠，颇为美观。它既可生食，也能搭配在任何菜肴中。若做熟食，炒，汤，羹，蒸都可。还可做成色拉，珍珠奶茶，冰淇淋，饮料等。它的食疗和药用价值显而易见，兼具治病滋补和延年益寿的功效。中国历代将其作为御膳和药食两用的美味佳肴文字记载数不胜数。因其珍珠状生物体是连续生长的，所以可以根据需要在不同生长期随时收获不同直径的群体。由于收获的是藻类活体，故能在冰箱中保存较长时间而不易变质。如做成干品，则可随时放入水中浸泡恢复原来灿烂的珍珠状。

鹤峰县当地野生葛仙米的年产量为一吨左右，由于珍贵，当地农民每年会争相采捞，它在古代作为贡品，近代供出口。近年因化肥和杀虫剂的大量使用，和过量的采收致使野生产量逐年减少，面临灭绝的危险。

近年来，经中国科学院水生生物研究所和其他单位的联合开发，已经研制出相关的光生物反应器，以及生产配方，实现了实验室内的小规模水箱培养，形成了较为成熟的生产工艺，使葛仙米成为目前世界上念珠属中能人工培育的主要品种，经科技部联合中科院鉴定，其产量达到200g/m²/d(鲜重)。

上述水箱中的人工培育方法是模拟野生葛仙米生长在水稻田中的环境，包括光强，温度，水中的营养和气体成分而设计的光生生物反应器。其藻种主要采用湖北鹤峰的野生黑色葛仙米通过实验室多代培养并扩种，一般采用人工匀浆破碎的藻群体的藻丝片段为起点，再在实验室内逐级放大的方式进行培养。当藻种在实验室中培养到约0.1-0.2mm直径时，再放置到营养液水箱中，在一定光照和温度控制下，水箱底部灌注过滤空气，使形成气泡上升，从而带动藻种在水中随气泡不停地上下运动而生长。

该方法创新了一种不受自然条件影响的人工连续培育葛仙米的方法，而且可以采用批量的小体积水箱容器作光生反应器达到规模培育的效果。这为葛仙米的研究和人工培育开创了新的路子。不足之处是该产品产量低，技术要求和成本高，很难普及和产业化。

发明内容：

与目前的人工培育方法根本不同之处是，本方法的光生反应器不是将葛仙米藻种在液相水中培育，而是在气相的空气中培育。

我们知道念珠藻属的发菜和地木耳，在自然状态下也都是在空气中生长的；而葛仙米的生长在自然状态下大部分在水中生长，例如在水稻田和水塘中生长。因此目前采用的人工培育方法也是沿袭用“液相的水培法”。我们在用水培法培育的过程中，发现个别葛仙米粘附在贴近水面以上部分的物体上，只要能保持其充分的营养液湿润，显示其在空气中的生长比在水中明显长得快。由此现象我们发明了一种新型的葛仙米气相规模化培育法(简称气培法)。“本草纲目拾遗”一书是我国最早有“葛仙米”一词的文献记录：(葛仙米)生湖广沿溪山穴中石上，遇大雨冲开穴口，此米随流而出，土人捞出，初取时如小鲜木耳，紫绿色......干则名为天仙米，亦名“葛仙米”(赵学敏，清乾隆1765年)。诚如此文所述，原始葛仙米是生长在空气中的石上，而非水中。葛仙米藻球体能分泌黏性胶质能使它容易粘附予石上或其他适宜的物体上。

我们的试验证明用气培法培育葛仙米，与水培法相比，十分明显的是，其生长速度快，产量高，成本低，用水少，操作简单，特别适于规模化生产。

具体实施方法：

本发明提供了规模化气培法培育葛仙米的封闭式光生物系统及其九个培育条件两部分：

现分别叙述如下：

一，规模化气相培育葛仙米的封闭式气相光生物系统：

1，工作原理和结构的描述：

(1)工作原理：葛仙米气培法的原理是其藻种能粘着在由营养液长期湿润的培育基质上，在一定光照和温度的空气环境中能正常生长，同时完成光合和固氮的双重作用。由于在空气环境中其二氧化碳，氮气，光照和养分的供应比在液体中更充分，其生长速度此在水培法中要明显地快。

(2)系统的结构：

其封闭式光生物系统的结构是在封闭透明暖房内，顶部设置平行间隔刚性塑料管，塑料管上悬挂白色蓄水布料，作为葛仙米的培育基质床，葛仙米藻种粘着在该基质床上，由上述横向塑料管的开口和置于平行悬挂布料间的喷雾头同时供应营养液，以保证基质床长期被营养液湿润，能使葛仙米藻种在基质床上快速生长；培育基质材料是白色的蓄水布料，或其他白色或透明的海绵体，塑料制品，天然或人工的蓄水材料。这里仅以白色的蓄水布料为例。透明暖房的材料除了地板是白色瓷砖，其他四围壁和房顶的材料都是透明玻璃或透明塑料。这里仅以透明玻璃暖房为例。

这里以一个该系统的生产车间结构来描述说明，为便于计算产量，我们以133平方米面积(约合0.2亩)建造一个长方形的玻璃暖房，作为气培法培育葛仙米的封闭式光生物系统。为了获得充分的自然光照，除了底部是由白色瓷砖铺地，其他四围壁和房顶均是透光玻璃。其暖房的长X宽X高＝15X8.9X4米。整个暖房在生产培育过程中是封闭灭菌的，除了开始播种时需人员进入操作。生产培育过程中，人员一般不需进入。如特殊需进入观察和操作，人员必须要穿戴全封闭的灭菌隔离服。

在长度方向上，每隔15-20公分悬挂高X宽＝3.5X1.5米的白色布料或其他蓄水材料(以下叙述仅用布料为例)，作为葛仙米的培育基质床。在悬挂布料时，藻种已粘附在上面(具体操作在“藻种的培育和接种”中描述)。其布料的宽度可在1.0-2.0米之间，这样的布料需排满整个暖房的长度和宽度方向。

其布料的顶部需悬挂在一根能定时供营养液的水平塑料管路上，该管子上等距离开孔(约5-10cm距离开孔，孔径为2-5mm)，使营养液能定时从每个孔中流至悬挂的布料上。整个玻璃房内在悬挂布料的中间和上方需间隔布置能转动的细小雾滴喷头，能定时喷洒营养液细雾(雾滴大小为30-50目)，使直接喷到布料上，并使整个玻璃房内的湿度一直保持在饱和状态，以保证整个布料长期保持在蓄满营养液的湿润状态。

在布料顶部的塑料管路和雾滴喷头的营养液均由水泵由营养液储存箱内抽取供应，由垂直布料上下滴的营养液集聚在底部水槽中，布料底部同样浸泡在水槽中，用以保持底部布料的湿润。水槽集聚的营养液定期由水泵抽回储存箱，该循环的营养液在返回储存箱前需经紫外线灭菌，并补充营养液成分，以供营养液的循环使用。

二，九个培育条件，包括

1，藻种的培育和播种；2，培育基质的选择标准；3，光照系统和光强控制；

4，空气的过滤消毒通风，补充二氧化碳；5，温度控制；6，营养液的组分制备；

7，灌溉和废液处理系统；8，农业物联网监控系统：9，葛仙米的收获：

以下分别叙述九个培育条件：

1，藻种的培育和播种：

藻种的培育：葛仙米可以通过释放藻殖段进行繁殖。通常藻殖段可以通过对(藻体)原植体的人工匀浆获得的丝状体，在培养基中培育并繁殖成微小原植体-藻种。但匀浆的方法对丝状体有机械的损伤，而且人工匀浆的方法只适合于实验室少量的藻殖段培育。

对藻种的大量培育是通过对葛仙米藻体所处营养液中环境培育因子的改变，例如光，温度和营养盐的成分改变，对葛仙米原植体用营养盐缺失的培养基，或在正常营养基中较长时间低温(如5℃)或黑暗的环境下存放，都能人工诱导藻殖段的大量分化释放；在葡萄糖或蔗糖存在的异样培养条件下，藻殖段的分化率可达到90％以上。藻殖段经过新鲜营养液中正常条件下培育约1-2周后，即可获得大量的藻种。

藻种的播种：其藻种的播种是将浓度高的藻种先稀释在新鲜营养剂中，达到适于接种的浓度；把作为葛仙米的培育基质床的白色布料(前述长X宽＝＝3.5X1.5米的布料)预先在营养剂中浸湿；再在含藻种的稀释营养剂中过水浸湿一次，使藻种附着在布料的正反两面；

再垂直悬挂布料於玻璃暖房顶部的水平塑料管路上，通过上述管路和喷雾头灌溉营养液至布料培养基质，开始葛仙米的气态规模化培育；

2，该法对培育基质的选择要求：需有充分的亲水性，能储存一定的水分，无毒抗霉，适于悬挂，需白色或透明的，有一定的承重强度，需适合葛仙米藻种粘合在上面生长；它们可以是布料，海绵体，塑料制品，或其他天然或人工材料。

3，光照系统和光强控制：葛仙米整个培育过程不需要强光，它只需要自然漫射光或冷白荧光，光强在2-8Klx范围内。通常只需保持白天12小时光照，晚上不需光照。在白天若满足上述光强，可不用人工光源。光强太强时，可以启动玻璃屋顶上的可伸缩遮阳设备。一般白天，特别在阴天或冬天，在车间的中央和近地部位，自然光照强度会显示不足，需用灯光作补充光源。常用光源为防水日光灯，节能灯或发光两极管。这些灯分别布置在全部悬挂布料的中间部位，布置密度从悬挂布料由上向下逐渐增加。整个培育区的光强和光频，需由定点分布的传感器和编制程序进行自动控制。

4，空气的过滤消毒通风，补充二氧化碳：

培育葛仙米对环境的空气要求高，其培育车间需设在空气清新并无污染的环境，要求远离工业区和交通繁忙地区。

葛仙米在光生物反应器的整个培育过程中，都需要进行光合作用，吸收二氧化碳释放氧气；其固氮的作用也需要吸收氮气；所以整个玻璃暖房需保持新鲜空气和适当浓度的二氧化碳供应。输入室内的空气在进入风扇前须经过空气净化系统，以过滤空气中的杂藻和有害成分。最简单的过滤材料是用定期更换的多层消毒棉花。此空气同时需由二氧化碳气体储气罐加入1-3％二氧化碳气体，以保证暖房内葛仙米光合作用所需的二氧化碳浓度。

在车间玻璃暖房长度方向两侧的玻璃幕墙上布置一定密度供气排气管路和风扇，一侧的供气管路和风扇为将房外的新鲜空气输入室内，另一侧排气管路和风扇将房内的空气输出室外，以使车间内培育区内的单向风速保持在1-2级(1-2米/秒)。

5，温度控制：葛仙米的生长温度范围为10-35℃，最佳培育温度在15-28℃左右，温度由室内的空调装置和装有温度传感器自动反馈设备，实现温度的自动控制。夏天温度太高时，可以启动玻璃屋顶上的可伸缩遮阳设备。通常在冬天低于5℃和夏天高于30℃需要用空调。

6，营养液组分，制备，灌溉和废液处理系统：

葛仙米规模化培育必须有大量稳定的优质水供应，以作为配置营养液的水源。一般大多采用当地自来水或无污染的泉水。所以选址时需要预先检验水质，以保证优质水的稳定供应。

营养液供应系统主要设营养液配置池，将配好的营养液母液与经过滤的自来水混合调匀，再由水泵将营养液输送至车间内各营养液供应管路，以直接供培育葛仙米用。

培养液组分：目前培育葛仙米的营养液组分配方较多，它们大多是由藻类配方演变而来。这里仅例举一典型营养液组分配方如下：

7，废液处理系统：营养液经一次灌溉培育基质(布料)后滴下，经水槽管路由水泵回收，该营养液废水，其营养盐成分已缺失，但它不含有重金属和有机溶剂等有害物质。为了提高营养液的利用率，可以将营养液过滤灭活，再补充营养盐，达到循环使用营养液的目的。实现节能环保。

8，农业物联网监控系统：

利用现代农业物联网技术实现对工厂培育参数的自动监控：

对影响葛仙米生长发育的关键参数，例如温度，湿度，光照，CO₂，O₂浓度，气流速度，营养液导电率EC，酸碱度值PH，生产现场视频等，用现代农业物联网技术，在生产现场布设各类传感器，通过电脑，软件，互联网和手机，以实现对生产现场进行实时远程精准监控。

目前国内市场上已有很多农业物联网专业公司，可以根据客户的要求，直接提供现成的物联网交钥匙工程。因此避免了昂贵的研发成本。本项目需要监控的参数都是常规的，布设的传感器数量少，需要传递的数据量，相对的物联网技术的投资成本也不高，而此法能实现葛仙米的高产高效益，采用此一新技术从科学性可行性和经济性考虑无疑都是合宜的。

9，葛仙米的收获和产量估算：

通常藻种接种于布料上后，经60天左右培育，葛仙米会重叠堆积生长于培育基质布料上，其单颗葛仙米直径会达到6-10毫米。为使其最终收获的葛仙米都成单个球形颗粒，需把重叠堆积生长于布料上的葛仙米剥离下来，再放入营养液中按传统的液相法培育约15天，使葛仙米在营养液中滚动分散成单个球形，直至最后捞出收获。

由于此法培育葛仙米，能使葛仙米的各培育参数优化，生长速度明显加快，加上其立体静止的高密度生产方式，能使产量明显增加。预计其产量会此水培法增加3-5倍以上。

该法比传统的液相培育法，具有产量高，操作简便，节水，成本低，特别适合规模化生产。由此可以推广葛仙米等念珠藻属的大量生产，其单产可超过我国杂交水稻数十倍，实现其为全社会普通享用的高级营养食品，同时对国家的粮食安全具有重要意义。

Claims (10)

1.葛仙米的气相规模化培育方法，包括气相规模化培育葛仙米的封闭式光生物系统及其九个培育条件，其特征为：

A.葛仙米的藻种能粘着在由营养液长期湿润的培育基质上，在一定光照和温度的空气环境中能正常生长，同时完成光合和固氮的双重作用；

B.其封闭式光生物系统的结构是在封闭透明暖房内，顶部设置平行间隔刚性塑料管，塑料管上悬挂白色蓄水基质材料，作为葛仙米的培育基质床，葛仙米藻种粘着在该基质床上，由上述横向塑料管的开口和置于平行悬挂基质材料间的喷雾头同时供应营养液，以保证基质床长期被营养液湿润，使葛仙米藻种在基质床上快速生长；

C.培育基质材料是白色蓄水布料，或其他白色或透明的海绵体，塑料制品，天然或人工的蓄水材料；透明暖房的地板是白色瓷砖，其他四围壁和房顶的材料都是透明玻璃或透明塑料。

2.权利要求1所述的葛仙米的气相规模化培育方法，其特征为：

其藻种的培育是通过对葛仙米藻体所处营养液中光，温度和营养盐成分的改变，人工诱导葛仙米原植体释放大量藻殖段；藻殖段经过新鲜营养液中正常培育约1-2周后，即可获得大量的藻种；

其藻种的播种是将浓度高的藻种先稀释在新鲜营养剂中，将作为培育基质床的布料预先在营养剂中浸湿后，再在含藻种的稀释营养剂中过水浸湿一次，使藻种附着在布料的正反两面；再悬挂布料於玻璃暖房顶部的水平塑料管路上，通过上述管路和喷雾头灌溉营养液至布料培养基质，开始葛仙米的气态规模化培育。

3.权利要求1所述的葛仙米的气相规模化培育方法，其特征为：

该法对培育基质材料的要求是，需有充分的亲水性，能储存一定的水分；无毒抗霉，；适于悬挂；需白色或透明的基质，有一定的承重强度，适合葛仙米藻种粘合在上面生长；它们可以是布料，海绵体，塑料制品，或其他天然或人工材料。

4.权利要求1所述的葛仙米的气相规模化培育方法，其特征为：

葛仙米整个培育过程只需要自然漫射光或冷白荧光，光强在2-8Klx范围内；通常只需保持白天12小时光照，晚上不需光照；光强太强时，可以启动玻璃屋顶上的可伸缩遮阳设备；在阴天或冬天白天，在车间的中央和近地部位，自然光照强度会显示不足，需用灯光作补充光源；常用光源为防水日光灯，节能灯或发光两极管；这些灯分别布置在全部悬挂布料的中间部位，布置密度从悬挂布料由上向下逐渐增加。

5.权利要求1所述的葛仙米的气相规模化培育方法，其特征为：

培育地点需在空气清新并无污染的环境，要求远离工业区和交通繁忙地区；输入暖房内的空气在进入风扇前须经过空气净化处理，以过滤空气中的杂藻和有害成分；最简单的过滤材料是用定期更换的多层消毒棉花；此空气同时需由二氧化碳气体储气罐加入1-3％二氧化碳气体，以保证暖房内葛仙米光合作用所需的二氧化碳浓度；

在玻璃暖房车间长度方向两侧的玻璃幕墙上布置一定密度供气排气管路和风扇，一侧的供气管路和风扇为将房外的新鲜空气输入室内，另一侧排气管路和风扇将房内的空气输出室外，以使车间内培育区内的单向风速保持在1-2级。

6.权利要求1所述的葛仙米的气相规模化培育方法，其特征为：

葛仙米的生长温度范围为10-35℃，最佳培育温度在15-28℃左右，室内的空调装置和装有温度传感器自动反馈设备，以实现温度的自动控制；夏天温度太高时，可以启动玻璃屋顶上的可伸缩遮阳设备；通常在冬天低于5℃和夏天高于30℃需要用空调。

7.权利要求1所述的葛仙米的气相规模化培育方法，其特征为：

葛仙米规模化培育必须有稳定的优质水供应，以作为配置营养液的水源；一般采用当地自来水或无污染的泉水，选址时需要预先检验水质，以保证优质水的稳定供应；

营养液供应系统主要设营养液配置池，将配好的营养液母液与经过滤的自来水混合调匀，再由水泵将营养液输送至车间内各营养液供应管路，以直接供培育葛仙米用；

培养液组分：目前培育葛仙米的营养液组分配方较多，它们大多是由培育藻类配方演变而来，这里仅例举一典型营养液组分配方如下：

8.权利要求1所述的葛仙米的气相规模化培育方法，其特征为：

其营养液经一次灌溉培育基质后滴下，经水槽管路由水泵回收，该营养液废水中营养盐成分已缺失，但它不含有重金属和有机溶剂等有害物质；为了提高营养液的利用率，可以将营养液过滤灭活，再补充营养盐，达到循环使用营养液的目的。

9.权利要求1所述的蓝藻葛仙米的气相规模化培育方法，其特征为：

对影响葛仙米生长发育的关键参数，例如温度，湿度，光照，CO₂，O₂浓度，气流速度，营养液导电率EC，酸碱度值PH，生产现场视频等，用现代农业物联网技术，在生产现场布设各类传感器，通过电脑，软件，互联网和手机，以实现对生产现场进行实时远程精准监控。

10.权利要求1所述的蓝藻葛仙米的气相规模化培育方法，其特征为：

藻种接种于布料上后，经60天左右培育，葛仙米会重叠堆积生长于培育基质布料上，其单颗葛仙米直径会达到6-10毫米；为使其最终收获的葛仙米都成单个球形颗粒，需把重叠堆积生长于布料上的葛仙米剥离下来，再放入营养液中按传统的液相法培育约15天，使葛仙米在营养液中滚动分散成单个球形，直至最后捞出收获。