海洋紅酵母菌活化培養蝦青素工藝及其研究進展

◎ 王福強，張艾青，劉希鳳，徐衍勝，謝 虹，任偉偉

（山東畜牧獸醫職業學院，山東 濰坊 261061）

蝦青素屬于類胡蘿卜素，純品呈粉紅色，具有特定的著色功能[1]，廣泛存在于蝦、魚、蟹、鳥類羽毛和某些微生物中。蝦青素主要用作魚類和蝦蟹等甲殼類動物及家禽的飼料添加劑，它可作為激素促進魚卵受精，減少胚胎發育的死亡率，提高母雞的產蛋率，促進個體蛋雞健康生長。蝦青素的生產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、污染嚴重，而且同天然蝦青素在結構、功能、應用及安全性等方面差別顯著[2]。葉偉慶等[3]從湛江特呈島、東海島及水產品市場采集海泥、紅樹葉、花、果、土壤、帶魚、章魚和魷魚等樣品中分離出4株海洋紅酵母菌，其中膠紅酵母ZJD2發酵培養產生的蝦青素含量達到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行蝦青素商業生產開發的另一條重要途徑[4]，但野生型酵母蝦青素細胞產率比較低，往往無法滿足當前產業化需求。針對酵母發酵蝦青素產量低的問題，本文旨在討論研究蝦青素發酵工藝技術，綜述海洋紅酵母菌發酵生產蝦青素工藝，以期為蝦青素在生產中高效應用提供理論依據和參考。

1 蝦青素發展現狀

蝦青素以特其特殊化學性質和生物學優勢被稱為“超級抗氧化劑”，其作用機理是通過分子中的共軛結構淬滅有害氧、羥基及共軛不飽和雙鍵清除自由基[5]。英法、日本等國家許可其作為膳食營養補充劑，國內市場有用作飼料添加劑的蝦青素產品，市場主要由外國生物公司壟斷。據統計，蝦青素在全球的類胡蘿卜素市場中占據第二位，2015年年產值已經達到2.5億美元，蝦青素市場前景廣闊。目前，約占市場份額97%的蝦青素產品皆為化學合成，缺乏競爭力，而通過基因工程培養、誘變篩選高產菌株、調整發酵工藝等方法是目前研究的熱點。

2 蝦青素合成法影響因素分析

2.1 菌種篩選

菌種是蝦青素高產的關鍵因素，它相當于蝦青素的“合成工廠”。生物發酵生產具有發酵條件容易控制、發酵培養基簡單穩定、室內操作不受氣候條件影響、適應工廠化生產等優點。王宇光等[6]從海南天然海域篩選到一株高產類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胞生物產量可達87.55 g·L-1，蝦青素含量可達 520 μg·g-1，為下一步海洋紅酵母工程菌的構建提供受體菌。查閱文獻資料，本課題組從海水中分離到一株產生蝦青素的海洋紅酵母菌，原始酵母菌株生長緩慢，蝦青素產量較低，經過一系列的菌種純化、誘導[7]、篩選、最終選育出一株高產蝦青素酵母菌株。

2.2 培養方式

蝦青素的產量和轉化率與培養基的成分和發酵條件有關。蔣興龍等[8]研究發現，不同補料工藝對法夫酵母菌株生產蝦青素影響很大。其中，采用恒pH補料工藝，法夫酵母菌株可以獲得最高的蝦青素產量，而采用脈沖補料工藝則不適用，因菌而異。童應凱等[9]通過碳源、氮源及主要營養與環境條件等對海洋紅酵母產菌量的影響試驗，以及蔗糖、蛋白胨、酵母膏等的正交試驗，海洋紅酵母的產菌量可達9.7億個/mL，比優化前發酵培養基產菌量（5.6億個/mL）提高了73.2%，比單因素試驗結果（8.1億個/mL）提高了19.8%。連續發酵雖然能提高生產效率，但提取工藝復雜，容易染菌，對工藝要求高，本文通過對海洋紅酵母菌特性的研究，確定了分批發酵的培養方式。

2.3 培養條件

培養基的營養成分和培養因素均會影響蝦青素的生成，如碳源、氮源、微量元素、培養溫度、pH值和溶氧等。通過對培養條件的初步研究，確定最佳培養條件，實驗研究發現，氧氣在紅酵母蝦青素的生物合成中與產量成正比。進一步研究發現，溫度對酵母菌的生長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，但蝦青素產量反而降低，推測蝦青素合成酶在較低溫度下活性更高。

3 結語

隨著經濟的發展和人們對醫藥保健的重視不斷提高，全球市場蝦青素的需求巨大，各學者爭相研究，文獻研究報道很多，但多數停留在小試和中試階段。今后開發低廉的培養原料、穩定優異的高產菌株、簡便適用的生產工藝，以及先進的提取純化技術來降低生產成本，仍是蝦青素生物合成研究的重要內容。本研究以海洋紅酵母菌為研究對象，探討其發酵工藝，為蝦青素生物合成開發提供技術支持。