不同培養條件對螺旋藻生長的影響

摘 要：為優化螺旋藻生長條件、提高螺旋藻品質，本研究采用單因素試驗培養，測定螺旋藻的光密度值與干物質含量，探究不同培養條件（光照時間、pH值、氯化鈉濃度、搖瓶次數和葡萄糖濃度）對螺旋藻生長的影響。結果表明，螺旋藻生長的適宜條件為光暗周期比12∶12，pH值9.0，鹽濃度0.1 mol/L，葡萄糖濃度3.0 g/L，以及增加螺旋藻的搖瓶次數。

關鍵詞：螺旋藻；光照時間；pH；生長條件

中圖分類號：TM923.34 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1038（2024）06-0054-06

DOI：10.19590/j.cnki.1008-1038.2024.06.011

Effects of Different Culture Conditions on the Growth of Spirulina

GUO Wenzhu1， ZHANG Yanchun1，2， LI Jinge3， HU Jing1， WANG Xuebin1*， ZHANG Jianying1*

（1. College of Life Sciences， Linyi University， Linyi 276000， China; 2. College of Biological Engineering， Tianjin University of Science and Technology， Tianjin 300457， China; 3. College of Biological Science

and Technology， Yili Normal University， Yining 835000， China）

Abstract： In order to optimize the growth conditions and improve the quality of Spirulina， this experiment used single factor tests， determined the optical density value and dry matter content of Spirulina， and explored the effects of different culture conditions （light time， pH， sodium chloride concentration， flask shake times and glucose concentration） on the growth of Spirulina. The results showed that the suitable conditions for the growth of Spirulina were： the light-dark cycle ratio was 12∶12， the pH was about 9.0， the salt concentration was 0.1 mol/L， and the glucose concentration was 3.0 g/L， as well as increasing the number of shake flasks for Spirulina.

Keywords： Spirulina; light time; pH; growth conditions

收稿日期：2023-12-11

基金項目：山東省一流課程（2019年-126號，人體及動物生理學）；山東省中央引導地方科技發展資金項目（YDZX2023081）；臨沂大學博士科研啟動項目（LYDX2020BS025）；臨沂大學《人體解剖生理學》“課程思政”示范課程（K2021SZ174）

第一作者簡介：郭雯竹（1999—），女，在讀碩士，研究方向為食品工程

*通信作者簡介：王學斌（1966—），男，教授，博士，主要從事生理學及神經生物學方面的教學與研究工作

張建營（1989—），男，講師，博士，主要從事動物生理及動物營養方面的教學與研究工作

螺旋藻（Spirulina）又被稱作節旋藻（Arthrospira），屬于藍藻門顫藻科螺旋藻屬，藍綠色，形態細如絲線，呈現規則的彎曲螺旋狀，作為天然藻體添加到食品中能夠增強機體免疫力，有促進造血的功能；同時含有熒光素、細菌綠素等天然色素，常被應用于化妝品、生態環境、水產和醫藥領域中[1-3]。研究指出，1 g螺旋藻的營養成分含量，相當于1 kg蔬菜和水果的營養總和[4- 5]。螺旋藻富含氨基酸、維生素、礦物質、蛋白質等營養素，食用時口感獨特，近年來備受關注[6]，同時被世界食品協會和FAO譽為“人類最理想和最優秀的食品”以及“21世紀的最佳食品”[7-8]。據研究，其蛋白質干質量高達60%以上[9]，所含的飽和脂肪酸很少，游離脂肪酸占總脂質的70%～80%，亞麻酸含量高達人乳的500倍。碳水化合物含量為15%～20%，螺旋藻幾乎含有所有維生素，同時也是硫胺素、核黃素、煙酸、生育酚等維生素的良好來源[10-11]。

研究發現，螺旋藻在培養過程中，培養環境中的光、熱、水和礦物質營養元素影響螺旋藻的質量[12-13]。目前市面上對螺旋藻的需求量極大，據統計在微藻類市場中占據70%，在我國有一百多家螺旋藻的相關企業[14-15]。但是，目前在市場上由于螺旋藻的生產加工還缺乏一定的技術水平，甚至一些商家銷售低質量產品，市場與需求的不平衡導致優質、高質螺旋藻供不應求[16]，因此，需要繼續利用科學手段研究螺旋藻的培養和加工。本研究從光照、pH值、搖瓶次數、營養鹽濃度和葡萄糖濃度，了解不同的培養條件對螺旋藻生長的影響，優化生長條件以期提高螺旋藻品質。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

螺旋藻種，購買于中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫。

葡萄糖、氯化鈉、鹽酸、氫氧化鈉，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；螺旋藻培養基（Spirulina medium，SP），主要成分為NaHCO3 13.61 g/L、Na2CO3 4.03 g/L、K2HPO4 0.50 g/L、NaNO3 2.50 g/L、K2SO4 1.00 g/L、NaCl 1.00 g/L、MgSO4·7H2O 0.20 g/L、CaCl2·2H2O 0.20 g/L、FeSO4·7H2O 0.01 g/L及A5微量金屬溶液1 mL/L混合而成。

1.1.2 儀器與設備

pH計（PHS-3C），上海儀電科學股份有限公司；分光光度計（S2600A），上海精科實業有限公司；電子分析天平（WTB5003），深圳市海川科學儀器有限公司；高壓滅菌鍋（YM75FG），上海三申醫療器械有限公司；滅菌超凈工作臺（SW-CJ-2FD），鄭州安晟科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 光照素對螺旋藻生長的影響

利用SP培養基分別培養三組（A1、B1、C1）藻液，每組各吸取30 mL、吸光度為0.658的藻液，進行LED燈照射培養。設定反應溫度條件為室溫，光照強度3 000 lx，每天定時搖瓶3次，實驗周期為7 d。其中，A1組作為對照組，光暗周期比為12∶12；B1組進行全天24 h照射培養；C1組采用不透光的黑暗處理。

1.2.2 pH對螺旋藻生長的影響

取五組（A2、B2、C2、D2、E2）藻液，每組30 mL、吸光度為0.485的藻液。每天固定時間使用2.0 mol/L鹽酸溶液和2.0 mol/L氫氧化鈉溶液對其進行pH的調節，使pH值處于同一個值，制作pH梯度。其中A2組pH 6.0，B2組pH 7.0，C2組pH 8.0，D2組pH 9.0，E2組pH 10.0。實驗周期為7 d。

1.2.3 搖瓶次數對螺旋藻生長的影響

取120 mL、吸光度為0.660的藻液，均量加入A3、B3、C3、D3四組，每組30 mL。設定A3組不搖瓶，靜置培養；B3組每天9點搖晃1次；C3組每天9、21點共搖晃兩次；D3組每天9、15、21點共搖晃3次，搖晃時，順時針晃15 s。實驗周期為7 d，用于搖瓶次數與螺旋藻培養情況的測定。

1.2.4 氯化鈉濃度對螺旋藻生長的影響

取150 mL、吸光度為0.326的藻液，將其分為四組（A4、B4、C4、D4、E4），每組30 mL。分組為A4組氯化鈉濃度為0 mol/L，B4組氯化鈉濃度為0.1 mol/L，C4組氯化鈉濃度為0.2 mol/L，D4組氯化鈉濃度為0.3 mol/L，E4組氯化鈉濃度為0.4 mol/L。實驗周期為7 d，用于氯化鈉濃度與螺旋藻培養情況的測定。

1.2.5 葡萄糖濃度對螺旋藻生長的影響

取150 mL、吸光度為0.491的藻液，分組A5、B5、C5、D5、E5，每組30 mL。分組為A5組葡萄糖濃度為0 g/L，B5組葡萄糖濃度為1.0 g/L，C5組葡萄糖濃度為2.0 g/L，D5組葡萄糖濃度為3.0 g/L，E5組葡萄糖濃度為4.0 g/L。實驗周期為7 d，用于不同葡萄糖濃度與螺旋藻培養情況的測定。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 螺旋藻生物量的測定

光密度值（optical density，即OD值），表示被檢測的物質吸收的光密度是入射光強度與透射光強度之比的常用對數值，用OD表示，OD=l g（1/trans），其中trans為檢測物質的透光值，因此光密度值又被稱作透光率[16-17]，Xue等[18]研究表明，螺旋藻在常溫常壓下，在560 nm下的生物量與光密度值呈現良好的線性關系。因此，實驗中可通過藻液OD值反映螺旋藻干物質含量的積累，直觀表征螺旋藻的生長情況[19]。在測量時，使用攪拌棒對螺旋藻藻液進行攪拌，使螺旋藻在藻液中分布均勻。用移液槍移取等量藻液，每天在固定時間使用紫外分光光度計在560 nm處測定OD560值，為保證研究結果的科學性，設計生物學重復3次，取平均值，連續實驗共測7 d，并根據結果記錄螺旋藻的生長狀況。

1.3.2 標準曲線的繪制

參考李永強等[19]研究利用光密度值（OD）與螺旋藻干物質含量（c）之間的關系，繪制標準曲線。以光密度OD值為縱坐標，螺旋藻干物質量做橫坐標，計算得出標準回歸方程：OD=1.280c+0.183 1，相關系數R2=0.997 3。實驗利用螺旋藻的干物質含量的總體變化，可以清晰地算出不同條件下螺旋藻的生長變化狀況。

1.4 數據處理

采用Origin 2017進行數據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 光照時間對螺旋藻生長的影響

如表1可知，在三組實驗中，A1對照組光暗周期比為12∶12時，螺旋藻干物質的含量最大，在培養到第7天時相比于培養的第1天，干物質含量增加了0.981 g/L。B1組全天光照螺旋藻干物質量增加了0.674 g/L，C1組不透光黑暗處理下的樣本中干物質含量減少了0.17 g/L。這表明不同的光照條件下，螺旋藻的長勢受光暗周期的影響。光暗周期比設定在12∶12時，螺旋藻的長勢較全光照和暗處理的兩組更好，說明此設定較為適合螺旋藻的生長。光照強度作為人工培養螺旋藻過程中的關鍵因素，關系到生長速率、生物量、甚至是螺旋藻藻體的純度和藻藍蛋白的積累[20-22]。根據吸光度檢測到的干物質比重，認為不同光照時間會對螺旋藻的干物質含量產生影響，與Wang等[23]的研究結果相似。原因可能是螺旋藻吸收的光能一部分作用于光合作用，一部分作用于耗散作用，當吸收的光能過量時，出現了耗能，使細胞中所含的活性氧化基團含量升高造成了細胞破壞，導致了光抑制現象的出現[21]。研究發現在強光及高溫雙重因素的作用下，螺旋藻體很快就會死亡[24-25]。因此，螺旋藻與綠色植物相同，螺旋藻生長需光合作用與呼吸作用提供代謝產物才能維系正常的生存。

2.2 pH值對螺旋藻生長的影響

由表2可知，相比于第一天，第7天不同樣品組中干物質含量均出現了上升趨勢，并且各組最終含量也出現了明顯差異，其中，A2組增加了0.337 g/L，B2組增加了0.425 g/L，C2組增加了0.567 g/L，D2組增加了0.956 g/L，E2組增加了0.851 g/L。在五組試驗中，pH=9（D2組）干物質含量的變化最大，實驗第7天的干物質含量相比實驗第一天增加了0.956 g/L，且在所有樣品組干物質含量最高。因此，在第7天pH為9.0時干物質含量變化最大，隨著培養時間的延長螺旋藻干物質含量不斷上升，因此，螺旋藻的最適生長pH為9.0，與曹婕等[26]的研究結果一致，穩定且合適的pH環境影響螺旋藻正常生長，而且可以防止雜菌對其造成污染。

2.3 搖瓶次數對螺旋藻生長的影響

由表3知，實驗中吸光度與螺旋藻干物質含量的變化，可以看出不同的搖瓶次數對螺旋藻生長產生了不同的影響。設置在不搖瓶（A3組）螺旋藻干物質增加了0.801 g/L，每日搖瓶1次（B3組）增加了0.941 g/L，每日搖瓶兩次（C3組）增加了0.993 g/L，每日搖瓶3次（D3組）增加了1.063 g/L。由此可以看出，隨著搖晃次數的增加，螺旋藻中的干物質含量呈現增加的趨勢，因此認為增加搖晃次數可能會促進螺旋藻的生長，隨時進行通氣震蕩有助于螺旋藻形成良好的長勢。同時，在實驗中發現，搖瓶次數關系到螺旋藻的團聚度，減少搖瓶次數時，螺旋藻出現結塊和沉淀現象，可能會抑制生長。

2.4 氯化鈉濃度對螺旋藻生長的影響

表4顯示了氯化鈉濃度對螺旋藻生長的影響。由表可知，分析吸光度與螺旋藻干物質含量的關系發現，當A4組即氯化鈉濃度為0 mol/L時，螺旋藻干物質增加量為1.083 g/L，B4組即氯化鈉濃度為0.1 mol/L時，增加量為1.090 g/L，C4組即氯化鈉濃度為0.2 mol/L時，增加量為1.081 g/L，D4組即氯化鈉濃度為0.3 mol/L時，增加量為0.866 g/L，E4組即氯化鈉濃度為0.4 mol/L時，增加量為0.677 g/L。與Markou等[27]研究不同鹽濃度影響頓頂節旋藻生物量得出的結果相符，據此分析得不同的鹽濃度會對螺旋藻的生長起到一定的影響。同時，研究發現較高的鹽濃度對螺旋藻的生長具有抑制作用，不利于其生長。

2.5 葡萄糖濃度對螺旋藻生長的影響

葡萄糖濃度對螺旋藻生長的影響見表5。

由表5可知，當A5組即葡萄糖濃度為0 g/L時，螺旋藻干物質增加量為1.063 g/L；B5組即葡萄糖濃度為1.0 g/L時，增加量為1.141 g/L；C5組即葡萄糖濃度為2.0 g/L時，增加量為1.203 g/L；D5組即葡萄糖濃度為3.0 g/L時，增加量為1.369 g/L；E5組即葡萄糖濃度為4.0 g/L時，增加量為1.101 g/L。其中，葡萄糖濃度為3.0 g/L時，螺旋藻干物質量的增加量最多，這與田華等[28]研究得出的增添葡萄糖溶液對螺旋藻生長影響的結果相似。因此，在培養螺旋藻時加入適量葡萄糖更有利于螺旋藻生長，并且能夠起到促進螺旋藻的生長作用，但是隨著葡萄糖濃度的進一步升高，螺旋藻干物質含量呈現下降趨勢，因此認為有必要控制葡萄糖添加量處在一定范圍之內。

3 結論

本研究考察了光照時間、pH值、搖瓶次數、氯化鈉濃度和葡萄糖濃度五個關鍵因子對螺旋藻生長的影響。通過對比不同培養條件下螺旋藻的生長變化趨勢，結果表明，在本實驗設置培養條件中，光暗周期比為12∶12，pH值約為9.0，鹽濃度0.1 mol/L，葡萄糖濃度為3.0 g/L，以及增加螺旋藻的搖瓶次數時，螺旋藻干物質含量較高，生長得更好。因此，可在培養螺旋藻的過程中，調整光暗周期，設定合適的堿性環境，增加一定量的營養鹽以及葡萄糖營養素。除此之外，螺旋藻的生長不僅受到光強度的影響，而且因光的色值不同反應各異[29]。因此，在尋求螺旋藻最佳生長狀況時，需要綜合考慮以上培養條件之間的相互作用，特別是在生產實踐中，盡可能選擇適宜的養殖方式、干凈的養殖環境，控制由于外界培養條件導致的減產、減質，從而提高螺旋藻的抗逆性。總體而言，環境條件的改變更為直觀地影響螺旋藻的生長發育，控制優化培養條件能夠有效地提升螺旋藻生產率，對螺旋藻的工業生產提供支撐。

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