CN106906138B - 一种雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的装置及方法，该装置由支架、诱导组件和热交换设备组成；诱导组件包括依次叠置的调温层、诱导层和光照层；调温层为具有进液口和出液口的密封壳体，调温层的进液口和出液口分别与热交换设备连接；诱导层由透明材料制成，其呈屉形结构或是顶上可打开的盒形结构，诱导层内设有混合耙，混合耙由耙头和耙柄组成，耙头上设有软毛；光照层为若干阵列排列的光源，诱导层与光照层间设有采用透明材料制成的隔离板。该装置结构简单、操作方便，可极好的控制诱导中环境条件，使藻在高浓度下进行诱导，且诱导环境可控，不受到外界环境的影响，避免了目前虾青素诱导设备昂贵和占地面积过大的不足。

Description

一种雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的装置及方法

技术领域

本发明涉及微生物应用技术领域，主要涉及到一种诱导雨生红球藻生产虾青素的装置及基于这种装置的诱导方法。

背景技术

虾青素(3，3′-二羟基-4，4′-二酮基-β，β′-胡萝卜素，C₄₀H₅₂O₄)是一种广泛存在于自然界中的一种类胡萝卜素。虾青素比普通类胡萝卜素具有更强的抗氧化活性，高于β-胡萝卜素10倍以上，是维生素E的550倍；其次，虾青素是唯一能够穿透血脑屏障的类胡萝卜素，因而在抗衰老、抗肿瘤、提高免疫力、预防心脑血管疾病方面有着显著作用，有被开发成为抗肿瘤药物的潜能。对天然虾青素生物学功能和药理药效研究表明它是一种安全健康的天然色素，在日本、美国、欧盟、加拿大，虾青素已被批准为安全的人类食品添加剂，用于食品的着色、保鲜、营养补充及用作珍贵鱼类和甲壳类动物和家禽的饲料添加剂，并且已经取得相应的商业化成功。

虾青素广泛存在于海洋环境生物中，如虾及蟹类中，然而在动物中虾青素都是通过食物链从摄取的食物中获得。之前天然虾青素来源于磷虾油、小龙虾油和红法夫酵母，这些来源的虾青素含量只在0.15％到0.4％之间，不能满足市场高效利用的需求。然而，雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)藻源的虾青素是100％左旋(3S-3'S)结构，具有最强的生物学活性。其积累量最高可达藻细胞干重的10.0％，因此被认为是自然界中天然虾青素浓缩的工具。

在大规模利用雨生红球藻生生产虾青素时，一般把生产过程分为营养生长阶段和虾青素诱导积累阶段。在目前的虾青素诱导积累阶段，通常会将收获的藻液稀释，施加诱导因子，然后在开放跑到池或密闭的反应器中完成诱导工作。采用跑到池进行诱导，通常会占用大量的场地；而诱导过程环境的不可控，通常会带来各种污染，严重的甚至会导致诱导失败。在密闭的光生物反应器中进行诱导，稀释的藻液通常会导致昂贵反应器的大量使用；而密闭反应器诱导通常在室外利用太阳光进行诱导，其诱导虽然比开放跑到池中诱导受到环境影响小，但还是会导致不同批次产品质量不稳定及不同批次诱导时间有差异。此外，这两种诱导形式都不能够保证诱导工作全年稳定进行。

鉴于此，本发明提出了一种新的反应器以及基于这种反应器的雨生红球藻细胞的诱导方式。通过这种方式，雨生红球藻的诱导可以在高浓度下进行，雨生红球藻的诱导积累虾青素可以全年稳定进行生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种诱导环境可控、制造成本低、占地面积小的雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的装置及方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的方案为：

一种雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的装置，所述装置由支架、诱导组件和热交换设备组成，诱导组件设置于支架上；所述诱导组件包括依次叠置的调温层、诱导层和光照层；所述调温层为具有进液口和出液口的密封壳体，其具有良好的导热性，调温层的进液口和出液口分别与热交换设备连接；诱导层由透明材料制成，其呈屉形结构或是顶上可打开的盒形结构，诱导层内设有混合耙，所述混合耙由耙头和耙柄组成，耙头上设有软毛；光照层为若干阵列排列的光源，诱导层与光照层间设有隔离板，所述隔离板采用透明材料制成。

该装置，结构简单、操作方便，可极好的控制诱导中环境条件，使藻在高浓度下进行诱导，且诱导环境可控，不受到外界环境的影响，避免了目前虾青素诱导设备昂贵和占地面积过大的不足。

优选地，所述光源为蓝光或蓝光和白光的混合光，且光强大于400μmol/m².s；更佳地，光强大于1000μmol/m².s；最佳地，所述光强为诱导层内部实际的光强而非光源发出的光强，为此，可以在诱导层内部设置光强测量装置。这样的胁迫条件有利于增加诱导效果，提高产量。

优选地，所述诱导层和隔离板由透明的树脂材料或玻璃组成。

优选地，所述诱导层的高度不超过5cm，隔离板的厚度不超过5mm。此规格的装置透光效果好，诱导效率高。

优选地，所述诱导层中设有若干温度传感器，其与热交换设置的控制系统电连接。通过设置于诱导层中的温度传感器可以使该装置的温度控制更准确，更有利于不同批次诱导条件的统一性。

一种雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的方法，所述方法包括以下步骤：

1)取培养到至少95％细胞处于不动细胞阶段的雨生红球藻，沉降后将藻细胞清洗浓缩，弃上清液后备用；

2)向步骤1)的浓缩液中加入营养限制的培养基和诱导因子，混匀后分装至权利要求1-5任一项所述的装置的诱导层中；

3)设置诱导层温度25-35℃，设定光照强度和培养时间进行强光诱导，培养过程中拉动混合耙对细胞进行周期性的混合；

4)培养结束后收集藻细胞。

通过该方法，雨生红球藻细胞可以在高浓度下进行诱导转红，雨生红球藻的诱导积累虾青素可以全年无休持续稳定的进行生产；可以实现稳定、高效应用雨生红球藻生产虾青素的目的。

优选地，所述步骤1)中清洗时使用灭菌水、消毒并中和后的水或用0.22μ过滤器过滤后的水。

优选地，所述步骤1)浓缩的倍率为1～500倍。该方法对于浓缩1～500倍的深藻液均有较好的诱导效果。

优选地，所述方法还包括在对离心设备和诱导层在使用前进行消毒的步骤，通过紫外光照射、化学药剂对诱导层进行消毒。消毒后可以避免杂菌的影响，提高产品的品质。

优选地，所述步骤2)中分装的诱导层中的藻细胞的厚度为0.5-2cm。

本发明提出的雨生红球藻诱导虾青素装置，结构简单、操作方便，可极好的控制诱导中环境条件，使藻在高浓度下进行诱导，且诱导环境可控，不受到外界环境的影响，避免了目前虾青素诱导设备昂贵和占地面积过大的不足。而基于该装置的诱导方法使雨生红球藻细胞可以在高浓度下进行诱导转红，雨生红球藻的诱导积累虾青素可以全年无休持续稳定的进行生产。以其达到稳定、高效应用雨生红球藻生产虾青素的目的。

附图说明

图1是本发明的装置的结构示意图；

图2是混合耙的结构示意图；

其中：1、调温层，2、诱导层，3、光照层，21、混合耙。

具体实施方式

为了使本领域技术人员可以更好地理解本发明的发明构思，从而对本发明的保护范围作出更清楚地限定，下面结合附图对本发明进行详细说明。

一种雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的装置，所述装置由支架、诱导组件和热交换设备组成，支架用于安放相关部件，支架上可以安装整个装置或整个装置的受力部位，诱导组件设置于支架上，热交换设备为可调节温度的装置。所述诱导组件由从下至上依次叠置的调温层1、诱导层2和光照层3组成；所述调温层1为具有进液口和出液口的密封壳体，该壳体只有进、出液体口这两个开口，其他地方为密封的结构，其具有良好的导热性；更佳地，温层也具有良好的透光性，即其是采用导热性和透光性好的密封材料制成；调温层1工作时内部流动的是制冷剂，其进液口和出液口分别与热交换设备连接，从而使热交换设备内的蓄热剂(如制冷剂)可以与调温层1内不断循环制冷或制热，制冷剂选择水、亲水性树脂融入水中形成的制冷剂以及其它的一些制冷液体。诱导层2由透明材料制成，呈屉形结构或顶上是可打开的盒形结构，其可以是一体成型的也可以是由若干块板粘合而成的；诱导层2中还设有若干温度传感器，其与热交换设置的控制系统电连接，从而使该装置对于诱导温度的控制更加精准。

诱导层2内设有混合耙21以用于诱导层内的物料混合，所述混合耙21由耙头和耙柄组成，耙头上设有软毛，软毛可以对诱导层内的物料起到搅拌混合的作用，耙柄可从诱导层前面的面板中间小孔伸出，耙柄与面板结合较为紧密不会导致物料在搅动的时候外溢，耙头的长度与诱导层内宽度相等或略短1-5mm，通过抽动靶子，耙头可在诱导层中向着或远离诱导层前面的面板水平移动，从而可以带动诱导层中的浓藻液搅动；混合耙21的运动可人工抽动，也可与自动装置相连，定时抽动。光照层3为若干阵列排列的光源，诱导层2与光照层3间设有隔离板，光源可以设置于隔离板上，隔离板采用透明的树脂材料或玻璃制成；光源可以是植物生长灯、LED灯带、太阳灯、LED灯泡、灯管、灯盘等光源。

调温层1、诱导层2和光照层3可以是同一个装置的不同部位，也可以是将具有以上功能的部件依次组装安放在一起的；并且每个装置中的诱导组件可以是阵列排列的，即每一层可以有若干个，总共可以有若干层。

在一些较佳实施例中，所述光源为蓝光或蓝光和白光的混合光，且光强大于400μmol/m².s，更佳地，光强大于1000μmol/m².s；最佳地，所述光强为诱导层内部实际的光强而非光源发出的光强，为此，可以在诱导层2内部设置光强测量装置。更佳地，所述诱导层2的高度不超过5cm，隔离板的厚度不超过5mm。

一种雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的方法，所述方法包括以下步骤：

1)镜检绿色培养阶段的雨生红球藻藻细胞，确保至少95％以上的细胞都是不动细胞(绝大部分(95％以上)处于不动细胞阶段，甚至可以是厚壁孢子阶段)，待藻类沉降后将藻细胞浓缩，去掉上清，清洗一次并离心浓缩后备用，清洗时使用灭菌水、消毒并中和后的水或用0.22μ过滤器过滤后的水；

2)向步骤1)的浓缩液中加入少量营养限制的培养基和其它诱导因子，混均后手动或自动分装到上述装置的诱导层中；

3)设置诱导层温度25-35℃，更佳地，维持在25℃-30℃之间，设定光照强度和培养时间进行强光诱导，培养过程中拉动混合耙对细胞进行周期性的混合，以使诱导层中的细胞可以混合均匀，交换接受光照；

4)培养结束后收集藻细胞，通过特制的铲子(铲子口是扁平、整齐，有一定硬度和弹性的塑料材质制成)，将诱导后的藻细胞收集。

对于步骤1)中的离心机和步骤2)中的诱导层，在使用前均通过紫外光照射、化学药剂等方式进行消毒。

在另一些实施例中，所述步骤1)中诱导培养中的藻细胞浓度可以是初次离心前的1倍、2倍、3倍、4倍、5倍、10倍、20倍甚至是50倍、100倍、200倍、500倍；更佳地，所述步骤2)中分装的诱导层中的藻细胞的厚度为0.5-2cm。

具体实施例和试验结果

调温层、诱导层由0.5cm厚度的玻璃胶粘制造，调温层与诱导层同底面长宽。调温层为内部高度为1cm的玻璃缸，其进出水口与热交换机相连；诱导层厚度为5cm，内部有温控探头、混合耙，诱导层内的温控探头与热交换机相连，从热交换机出来的水温度不超过16℃。光源层由30w的植物生长灯提供照光。

取培养了20d的雨生红球藻镜检，发现95％以上的藻细胞处于不动细胞阶段，甚至有少量细胞处于厚壁孢子阶段。将藻用碟式离心机离心，用消毒水清洗离心后，补加无N、P的培养基并加入总体积5％的无水乙醇，在洁净的环境中，将藻液分装到诱导装置中，诱导层中藻浆的厚度为0.5cm。离心前的藻细胞干重为0.95g/L，诱导装置中藻细胞浓度为25.34g/L。培养中控制诱导温度为25℃-30℃，每30min抽动一次耙子，每次来回运动5次。在诱导中取样观察藻细胞的状态，直到藻细胞完全变红，诱导结束。

对照试验

采用直径为10cm的柱式反应器，将藻离心清洗后，其浓度稀释三倍，同样加入缺N、P的培养基和5％浓度的乙醇，用同样根数的30w植物生长灯作为光源，试验结果如下：

虽然最终虾青素的浓度实验组比对照组略低，但是总虾青素产率实验组几乎是对照组的1倍。此外，在诱导过程中使用的培养液和诱导剂都大为减少。最关键的是，诱导时间大为减少。该装置结构简单，很便于大规模进行工厂化生产，在控制生产条件和洁净度后，该生产几乎可以预料的稳定进行下去。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (8)

1.一种雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)取培养到至少95%细胞处于不动细胞阶段的雨生红球藻，沉降后将藻细胞清洗浓缩，弃上清液后备用；

2)向步骤1)的浓缩液中加入营养限制的培养基和诱导因子，混匀后分装至雨生红球藻高浓度诱导虾青素积累的装置的诱导层中；分装的诱导层中藻细胞的厚度为0.5-2cm，营养限制的培养基为缺N、P培养基，诱导因子为总体积5％的无水乙醇；其中，所述装置由支架、诱导组件和热交换设备组成，诱导组件设置于支架上；其特征在于，所述诱导组件包括依次叠置的调温层、诱导层和光照层；所述调温层为具有进液口和出液口的密封壳体，其具有良好的导热性，调温层的进液口和出液口分别与热交换设备连接；诱导层由透明材料制成，其呈屉形结构或是顶上可打开的盒形结构，诱导层内设有混合耙，所述混合耙由耙头和耙柄组成，耙头上设有软毛；光照层为若干阵列排列的光源，诱导层与光照层间设有隔离板，所述隔离板采用透明材料制成；

3)设置诱导层温度25-35℃，设定光照强度和培养时间进行强光诱导，培养过程中拉动混合耙对细胞进行周期性的混合；

4)培养结束后收集藻细胞。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中清洗时使用灭菌水、消毒并中和后的水或用0.22μ过滤器过滤后的水。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)浓缩的倍率为1～500倍。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在对离心设备和诱导层在使用前进行消毒的步骤，通过紫外光照射或化学药剂对诱导层进行消毒。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源为蓝光或蓝光和白光的混合光，且光强大于400μmol/m².s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述诱导层和隔离板由透明的树脂材料或玻璃组成。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述诱导层的高度不超过5cm，隔离板的厚度不超过5mm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述诱导层中设有若干温度传感器，其与热交换设置的控制系统电连接。