基于機械攪拌式光照發酵罐的紫球藻高產藻紅蛋白培養條件優化*

陳曉倩，劉永宏，黃炳耀

(廣西中醫藥大學海洋藥物研究院，廣西南寧 530200)

0 引言

藻紅蛋白是一種具有高度熒光特性和光穩定性的藻膽蛋白，是極好的天然色素和熒光劑，可以廣泛應用在醫療衛生、食品、化妝品以及染料等行業[1-4]。此外，藻紅蛋白還可以作為優良的蛋白質來源，添加在食品、藥品以及動物飼料中[1,3]。在大多數紅藻中，藻紅蛋白可占藻膽蛋白的70%以上[5]，其中以紫球藻(Porphyridiumcruentum)的含量最高，因此紫球藻是生產藻紅蛋白的優質材料。在紫球藻的類囊體膜上，藻紅蛋白與其他3種藻膽蛋白聚合形成高度有序的超分子復合體，即藻膽體(Polyunsaturated Fatty Acids,PBSs)[6-9]。在自然狀態下，PBSs結構完整，并與類囊體膜結合緊密，這時紫球藻呈現紫紅色[10-12]。當受到外界脅迫時，作為儲藏蛋白的藻紅蛋白與連接器多肽分離并從PBSs上降解下來[6]，用作氮源以供藻類生存。在此過程中，紫球藻開始褪色，嚴重時細胞呈現黃綠色。因此，普遍認為生長環境因素會影響紫球藻藻紅蛋白的積累。有研究發現，氮鹽含量對藻紅蛋白的積累有顯著的影響，高氮對其有抑制作用[13，14]；另外，低光條件下的細胞需要更多的藻膽蛋白用來吸收更多的光能，因此低光能刺激藻膽蛋白的合成與積累[15，16]。

目前，實驗室多采用搖瓶、充氣等方式進行紫球藻的培養，但這些常用培養方式均存在平行性差、可控性不佳的缺點。小型普通機械攪拌式光照發酵罐是實驗室常見發酵裝置，可控性好、技術條件成熟，僅需對光源進行調整就可用來培養光合微生物，大大增加了設備的利用率。為避免實驗室內培養紫球藻的一系列不良因素影響，本研究選用容量為10 L的小型機械攪拌式光照發酵罐作為培養紫球藻的光生物反應器，采用單因素法(分別以攪拌速率、光照強度、氮濃度、NaCl濃度作為單一變量因子)[17，18]，對紫球藻發酵生產藻紅蛋白的條件進行優化，確定最佳生產條件，為紫球藻藻紅蛋白的工業化生產提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料

紫球藻藻種由山東大學(威海)提供，由本實驗室進行擴大培養。

微量元素營養液的配制參考文獻[18-20]，具體配方為2 mmol/L FeCl3·6H2O，7 mmol/L MnCl2，1 mmol/L ZnCl2，1 mmol/L CoCl2·6H2O，1 mmol/L CuSO4·5H2O，1 mmol/L (NH4)6Mo7O2，2 mmol/L EDTA-2Na。

人工海水培養基(Artificial Seawater,ASW) 的配制參考文獻[18-20]，具體配方為0.74 g/L CaSO4，0.8 g/L KCl，2.6 g/L MgCl2·6H2O，1.9 g/L MgSO4，1 mL f/2維生素母液，1 mL微量元素營養液。

f/2維生素母液參考市面所售品牌MwVin的維生素溶液配方，具體配方為0.5 mg/L 維生素B12，100 mg/L鹽酸硫胺素，0.5 mg/L生物素。

1.2 方法

1.2.1 紫球藻培養

共設置4組實驗，每組實驗均以ASW作為基礎培養基，NaNO3作為氮源，用NaCl調整培養基鹽度。各組的培養溫度均為25℃，通氣量為120 L/h。

攪拌速率組：本組培養基的氮濃度均為5 mmol/L，NaCl濃度為30‰，光照強度為5 000 Lx，以攪拌速率為可變條件設置5個實驗小組，攪拌速率分別為50，100，150，200，250 r/min。

光照強度組：本組培養基的氮濃度均為5 mmol/L，NaCl濃度為30‰，攪拌速率為200 r/min，以光照強度為可變條件設置5個實驗小組，光照強度分別為2 000，4 000，5 000，6 000，8 000 Lx。

氮濃度組：本組培養基的NaCl濃度均為30‰，光照強度為5 000 Lx，攪拌速率為200 r/min，以氮濃度為可變條件設置5個實驗小組，氮濃度分別為2，4，6，8，10 mmol/L。

NaCl濃度組：本組培養基的氮濃度均為5 mmol/L，光照強度為5 000 Lx，攪拌速率為200 r/min，以NaCl濃度為可變條件設置5個實驗小組，NaCl濃度分別為10‰、20‰、30‰、40‰、50‰。

1.2.2 藻紅蛋白相對含量的測定方法

迄今為止，已經從紫球藻中分離純化出兩種藻紅蛋白，B-藻紅蛋白和b-藻紅蛋白，其中以B-藻紅蛋白含量最多且最為穩定[19]。B-藻紅蛋白和b-藻紅蛋白均在545 nm處有一主要吸收峰[21]，所以一般以藻體蛋白粗提液在545 nm處的吸光度代表藻紅蛋白的相對含量。

測定方法參考文獻[18]。每天固定時間取樣一次，每次取不同實驗組的藻液5 mL作為測試樣品。樣品于5 000 r/min條件下離心5 min，除去上清，藻細胞沉淀使用3 mL 0.01 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(pH值為7.0)進行懸浮。然后使用超聲波細胞粉碎機進行藻細胞破碎，超聲功率50 W，工作時間7 s，間歇時間5 s，循環30次。破碎完畢后，對樣品進行離心(5 000 r/min，10 min)，所得上清液即為藻紅蛋白測試液。然后使用分光光度計測其在545 nm處的吸光度，最后以每107個細胞所對應的吸光度作為藻紅蛋白相對含量的評定標準。

2 結果與分析

2.1 攪拌速率對紫球藻藻紅蛋白含量的影響

紫球藻可產生大量胞外多糖，具有一定的黏性，當攪拌速率過低時會導致藻體沉積，而速率過高時會對藻體造成機械損傷[22]，所以攪拌速率過低和過高均會影響紫球藻生長和藻紅蛋白的積累(圖1)。在培養期內，比較各組藻紅蛋白的產量，大致呈現150 r/min組>100 r/min組>200 r/min組>50 r/min組>250 r/min組的趨勢；在培養的4—7 d內，各組藻紅蛋白的合成速率最快。在收獲時(第9天)，150 r/min組的藻紅蛋白產量最高。另外，當設置攪拌速率為50 r/min時，前期培養過程中藻體易沉積，生長速度緩慢，氮源消耗也較緩慢，所以在后期其藻紅蛋白產量較其他組有所上升；而攪拌速度過高時，藻紅蛋白的積累會受到一定抑制。綜上所述，在生產紫球藻藻紅蛋白時，攪拌速率建議使用150 r/min。

圖1 攪拌速率對紫球藻藻紅蛋白含量的影響

2.2 光照強度對紫球藻藻紅蛋白含量的影響

由圖2可知，紫球藻藻紅蛋白的含量與光照強度呈反比。光照較弱時，紫球藻藻紅蛋白的產量較高；光照較強時，其積累量卻會相對降低。本實驗中，各組藻紅蛋白的積累量情況是2 000 Lx組>4 000 Lx組>5 000 Lx組>6 000 Lx組>8 000 Lx組，收獲時，2 000 Lx組藻紅蛋白產量最高。紫球藻為光合自養生物，藻紅蛋白為其重要的捕光色素蛋白，當光照強度改變時，紫球藻自身會做出相應改變來適應環境變化。本研究中，當光照強度為2 000 Lx時，紫球藻藻紅蛋白含量最高，此時藻體顏色最深；隨著光強增加，藻紅蛋白含量降低。盧曉等[23]、陳偉洲等[24]在研究紅藻門的江蘺時也發現藻紅蛋白隨光強變化有相似的情況，這或許是因為低光下細胞需要更多的藻膽蛋白以便吸收更多的光能，所以更能刺激藻膽蛋白的合成與積累[14，15]。

圖2 光照強度對紫球藻藻紅蛋白含量的影響

2.3 氮濃度對紫球藻藻紅蛋白含量的影響

由圖3可知，各實驗組藻紅蛋白含量總體呈現8 mmol/L組>10 mmol/L組>6 mmol/L組>4 mmol/L組>2 mmol/L組的變化趨勢，在收獲時8 mmol/L組藻紅蛋白產量最高。在培養過程中，低氮組(2，4 mmol/L組)的藻紅蛋白產量先增加，后因為氮源的消耗其含量逐漸降低(藻液顏色變淺)；而6，8，10 mmol/L組藻紅蛋白含量隨培養時間逐漸升高(藻液顏色變深)。在一定氮濃度范圍內(2—8 mmol/L)，藻紅蛋白含量與氮濃度成正比，但過高氮濃度(10 mmol/L)并不能有效提高藻紅蛋白含量，該結果與前人已公布的研究結果[13-16]基本一致。因此，在以NaNO3為氮源生產紫球藻藻紅蛋白時，其氮濃度建議使用8 mmol/L。

圖3 氮濃度對紫球藻藻紅蛋白含量的影響

2.4 NaCl濃度對紫球藻藻紅蛋白含量的影響

紫球藻對鹽度適應性較強，淡水、海水中均能生長，但當前關于NaCl濃度對紫球藻藻紅蛋白含量影響的研究較少。從本研究結果可以看出(圖4)，在培養期內，各組藻紅蛋白的產量從高到低依次為20‰組>10‰組>30‰組>40‰組>50‰組，收獲時，20‰組藻紅蛋白產量最高。這說明紫球藻生產藻紅蛋白需要適宜的NaCl濃度，濃度過低或過高對其積累都有一定程度的抑制。因此，在生產紫球藻藻紅蛋白時，NaCl濃度建議使用20‰。

圖4 NaCl濃度對紫球藻藻紅蛋白含量的影響

3 結論

本試驗利用攪拌式光照發酵罐培養紫球藻生產藻紅蛋白時發現，以攪拌速率、光照強度、氮濃度和NaCl濃度作為單一變量因子，藻紅蛋白分別在150 r/min的攪拌速率、2 000 Lx的光照強度、8 mmol/L的氮濃度、20‰的NaCl濃度條件下積累量達到最高值。此外，從成本效益上看，上述發酵條件也是較優的選擇:20‰的NaCl減少了原料的使用，150 r/min的攪拌速率和2 000 Lx的光照強度使發酵過程中的能源損耗較低。本研究為單因素實驗分析，為得到更加合理的生產方案，還需在此基礎上進一步使用多因素分析，確定最佳生產條件，為紫球藻藻紅蛋白的開發利用奠定基礎。