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编号:10497132
光照和培养时间对紫球藻细胞脂肪酸含量的影响
http://www.100md.com 《中国海洋药物》 2000年第1期
     作者:温少红 王长海

    单位:(烟台大学海洋生化工程研究所,烟台,264005)

    关键词:紫球藻;脂肪酸AA EPA

    中国海洋药物000114 摘 要:紫球藻中高不饱和脂肪酸含量丰富,AA与EPA二者之和可达总脂肪酸的46.6%。不同生长时期的紫球藻脂肪酸组成不同。光强不仅影响藻体中类脂的含量,而且影响着各种脂肪酸在总脂肪酸中的比例。

    EFFECT OF LIGHT AND CULTURE TIME ON THE AFTTY ACIDS COMPOSITION OF PORPHYRIDIUM CRUENTUMPUFA

    Wen Shaohong Wang Changhai

    (Institute of Marine Biochemical Engineering, Yantai University, Yantai, 264005)
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    ABSTRACT:Cells of Porphyridium cruentum were rich in polyunsaturated fatty acides. The sum of AA and EPA was up to 46.6% of total fatty acids. The fatty acids composition of P. Cruentum in different growth time was not the same. Light could influence not only the lipids content of the cell but also its fatty acids composition.

    KEY WORDS:Porphyridium cruentum, Fatty acids, Arachidonic acid, Eicosapentaenoic acid.▲

    引言
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    紫球藻(porphyridium cruentum)是一种比较原始的单细胞红藻,分布于海水、咸水、淡水及潮湿的土壤之中,由Naegeli 于1849年首次发现。它属于红藻门、原红藻纲、紫球藻目、紫球藻科,藻细胞呈球型,外被粘质的鞘膜,因而常常多个细胞不规则地聚集成一团生长[1]。紫球藻具有较强的抗盐性,能在含盐量高达3.5%~4.6%的环境证正常生长此时其他杂藻的生长则受到抑制,其生长的pH范围为5.3~8.3[2]

    紫球藻中含有丰富的高不饱和脂肪酸(DUFA),主要是花生四烯酸(AA)和廿碳五烯酸(EPA),其含量超过了在鱼油中的含量,且易提取[3]。AA和EPA都是重要的人体必需不饱和脂肪酸,是前列腺素及衍生物的前列环素、凝血烷、白三烯的天然前体,这类化合物在广泛的生理过程中起着重要的调节作用[4]。从紫球藻中提取高度不饱和脂肪酸,其产品不象鱼油制品那样含有胆固醇,特性可维持恒定,不会有鱼腥味,没有杀虫剂和重金属的污染,产量也较高。
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    有研究表明,环境因子对紫球藻的生长及其生化组成上有较大的影响[5]。通过对于环境因子的影响作用的研究,不仅可以寻求最佳的培养条件,提高生物量及细胞内特定生化组分的含量;而且对于要求获得高活性物质的细胞,必须考虑生长和积累的关系,寻求两者的最佳结合点,不仅要有快的生长速率,而且要有该物质高的胞内含量,从而获得较高的终产量。由于光照是影响紫球藻代谢活动的重要因素之一,它不仅影响着藻的生长,还影响着代谢产物的积累;因此,本实验主要考察了不同生长时期紫球藻中脂肪酸的分布和光强对紫球藻生长以及脂肪酸分布的影响。

    1 材料与方法

    1.1 藻种

    紫球藻(Porphyrodium crentum),原种由中国科学院海洋研究所提供,实验用藻株系经本实验室分离纯化和筛选的纯种。

    1.2 培养基
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    优化的海水培养基配方[7]:在灭菌海水中分别添加KH2PO4,0.03g/L;NaNO3,1.5g/L;NaHCO3,4.0g/L;VB1,0.9mg/L;VB12,3.0μg/L;自然pH。

    1.3 接种物和接种

    取对数期的培养液,以3500r/min 转速、离心15min,以培养液悬浮后接种。

    1.4 培养方法

    1.4.1紫球藻的摇瓶培养

    在室温为22℃±0.5℃,光强分别为0.12mw/cm2、2.57mw/cm2和14.01mw/cm2的条件下,在摇瓶中对紫球藻培养16d后,分析其脂肪酸组成。
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    1.4.2紫球藻的光生物反应器培养

    反应器系本实验室研制的42L内环流气升光生物反应器。反应器用蒸汽进行灭菌处理,培养基用100℃、20min 煮沸的海水配制后装罐。以12支40w 的荧光灯为光照系统,通过照明灯的数目调切光照强度,工作体积(V)为32.0L,定期补充无菌的海水保持培养体积的相对恒定;培养温度为24℃,温度自动控制;pH、溶解氧值(DO)自动记录。定时取样,并进行相应的测定和分析。

    1.5 紫球藻脂肪酸的提取(氯仿—甲醇法)[6]

    取一定量紫球藻藻液,离心收集藻体沉淀,加入10ml 甲醇,混匀,再加入5ml 氯仿、1滴20%MgCl2 溶液,搅动5min,封口,室温放置24小时。减压抽滤,用2ml 氯仿洗涤沉淀2~3次,合并滤液并离心。吸出上层液体,下层氯仿层中加入10ml 0.1%NaCl 溶液,和缓倒转振摇试管数次,1500r/min 离心5min。弃上层,下层加少许水硫酸钠干燥,减压抽滤,收集滤液。60℃减压蒸馏出其中的氯仿及甲醇,干燥称重。计算藻体粗脂肪含量。
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    1.6 脂肪酸的测定(气相色谱法)

    1.6.1样品处理

    将氯仿—甲醇提取物通过苯—乙醚(1:1)溶液和0.5mol/l氢氧化钾—甲醇溶液甲酯化,加水后上机分析。

    1.6.2色谱条件

    日本岛津9A气相色谱仪,连氢火焰检测器,PEG-2mm60m 毛细管色谱柱,载气:N2,流速90ml/min,柱温180℃~230℃,气化室和检测室温度:180℃。归一化计算EPA和AA的含量,由数据处理机直接打印出。

    2 结果与讨论

    2.1 紫球藻的光生物反应器培养

    2.1.1紫球藻的光生物反应器培养
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    图1显示的是紫球藻的光生物反应器内的生长情况。可见,在气升式光生物反应器内紫球藻生长繁殖速度较快,其生物量的平均增长速度为0.213OD/d,与摇瓶静置培养相比较,藻体细胞的生长速度提高了4倍左右。并且在培养的第1d至第6d之间,藻体细胞一直处于对数生长状态。

    培养时间(d)

    图1 紫球藻的生长曲线

    2.1.2培养时间对紫球藻脂肪酸分布的影响

    对不同生长时期紫球藻细胞中的脂肪酸分布进行了考察,结果如表1所示。

    表1 不同生长时期紫球藻的脂肪酸分布(占总脂肪酸的%) 脂肪酸

    培养时间(d)
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    1

    2

    4

    6

    12∶0

    14∶0

    14∶1

    15∶1

    16∶0

    16∶1

    16∶2

    18∶0

    18∶1
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    18∶2

    18∶3

    20∶2

    20∶3

    20∶4(AA)

    20∶5(EPA)

    AA+EPA

    不饱和/饱和

    1.67

    7.61

    1.79

    0.87

    25.4
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    3.44

    0.92

    1.02

    0.98

    4.25

    0.78

    1.37

    1.91

    13.7

    23.3

    37.0

    1.49

    1.95
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    6.27

    1.43

    1.07

    29.1

    3.04

    0.73

    1.14

    0.78

    4.34

    0.94

    0.99

    1.35

    14.1
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    27.3

    41.4

    1.45

    1.77

    6.25

    1.42

    0.70

    25.0

    3.00

    tr

    0.82

    1.34

    3.84
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    tr

    4.11

    0.92

    22.5

    22.3

    44.8

    1.79

    2.00

    4.29

    0.96

    0.63

    27.5

    3.06
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    tr

    0.42

    0.94

    4.35

    tr

    4.81

    0.69

    22.9

    23.7

    46.6

    1.82

    注:tr,含量很少

    可见,不同生长时期紫球藻中的脂肪酸含量有所不同,各种脂肪酸在总脂肪酸中的含量按由大到小的顺序依次为:16∶0〉20∶5〉20∶4〉14∶0〉18∶2〉16∶1〉20∶3〉14∶1〉12∶0〉20∶2〉18∶0〉18∶1〉16∶2〉15∶1〉18∶3。
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    紫球藻类脂中PUFA含量丰富,其中AA和EPA的含量都比较可观,二者均可达脂肪酸总量的20%以上。另外,培养时间对PUFA的含量和比例有较大的影响;紫球藻中AA的含量在对数期末较高,而EPA的含量则在培养的第二天达到最大,二者之和也是在对数期末达最大值;在对数期内,紫球藻类脂中不饱和脂肪酸的比例随时间的增加先下降后上升,对数期末脂肪酸的不饱和度较高,如图2,图3。

    培养时间(d)

    图2不同时期藻总脂肪酸中AA、EPA含量

    培养时间(d)

    图3 培养时间对不饱和和脂肪酸/饱和脂肪酸的影响
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    2.2 光强对紫球藻脂肪酸的合成和分布的影响

    为探讨光强对紫球藻脂肪酸的合成和分布的影响,在其它培养条件一致、光强分别为0.12mw/cm2、2.57mw/cm2和14.01mw/cm2条件下,在摇瓶中对紫球藻的脂肪酸合成情况进行了观察,结果见表2

    表2 光强对紫球藻脂肪酸的合成和分布的影响 指标

    平均光照强度

    低(0.12mw/cm2)

    中(2.57mw/cm2)

    高(14.01mw/cm2)
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    藻体细胞密度(OD)

    0.45

    0.85

    1.25

    类脂含量(占细胞干重%)

    5.01

    6.49

    10.36

    脂肪酸 12∶0

    14∶0

    14∶1

    15∶1

    16∶0
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    16∶1

    16∶2

    18∶0

    18∶1

    18∶2

    18∶3

    20∶2

    20∶3

    20∶4(AA)

    20∶5(EPA)

    AA+EPA

    不饱和脂肪酸/饱和脂肪酸

    1.87
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    3.67

    0.63

    1.01

    28.3

    3.09

    0.51

    1.22

    1.66

    4.70

    0.80

    0.66

    0.66

    21.9
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    18.5

    40.4

    0.612

    2.39

    3.62

    0.51

    0.87

    24.0

    3.42

    0.65

    1.17

    4.47

    5.01
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    0.99

    1.07

    1.07

    17.6

    27.2

    44.8

    0.495

    2.52

    3.57

    0.67

    1.55

    21.3

    2.46
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    0.91

    1.27

    1.2

    4.65

    1.07

    2.00

    1.55

    18.3

    22.9

    41.2

    0.503

    由于紫球藻是一种光能自养型生物,其在暗处几乎不生长,同时由于紫球藻细胞中的类脂主要存在于光合器官—叶绿体的膜结构中[8],因此,适当地增大光强,不仅可以提高细胞的光合作用效率、促进紫球藻的生长,而且还能刺激细胞内叶绿体的形成并提高其脂肪酸的含量。因此,随着光强的增大,紫球藻生物量迅速增加;从表2可见,高光强培养的紫球藻OD值是中等光强培养的1.47倍,是低光强培养下的2.78倍,说明增大光强能够促进紫球藻的生长;而藻体中类脂的含量也随光强的增大而增大,高光强培养的紫球藻细胞中类脂的含量可达生物量的10.36%,是低光强培养下的2.1倍。
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    此外,不同光强下培养的紫球藻,其类脂的脂肪酸成分有所不同,弱光有利于AA的合成,中等光强下的培养有利于EPA的积累;但是,在本实验条件下,不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比例随光强变化不大。研究过程史们还注意以,除光强外,培养温度、压力、培养基成分等环境因素对紫球藻脂肪酸的合成和积累也有较大的影响。为进一步提高紫球藻类指的含量、充分利用紫球藻丰富的PUFA资源,需结合藻体内脂肪酸的代谢途径,对以上因素加以细致考察。这方面的工作正在进行中。

    3 结论

    处于对数生长期末的紫球藻含有丰富的PUFA,含量可达脂肪酸总量的46.6%。增大光强既能促进藻的生长,也有利于类脂的合成和PUFA的积累。■

    基金项目:国家“九五”科技攻关资助项目(编号:96-C02-04-05)

    参考文献
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    [1]Ott FD. A review of the synonyms and the taxonomic positions of the red algal genus Porphyridium Naegeli 1849. Nova Hedwigia, 1972,23:237

    [2]Pringsheim E G and Pringsheim O. The growth requirments o Porphyriedium cruentum: with remark on the ecology of brackish water algae, J of Ecology, 1949,37:54

    [3]温少红,王长海,鞠宝,两种紫球藻细胞中AA、EPA及色素提取的研究,中国海洋药物,1999,18(2):28

    [4]Ahern, T J. et al. Arachidonic acid production by the red alga Porphyidium cruentum, Biotech Bioeng, 1983,25:1057

    [5]无锡轻工业学院编.食品分析.中国轻工业出版社,1994:114

    [6]Nichols B W and Appleby R S. The distribution and biosynthesis of arachidonic acid in algae, Phytochemistry Vol. 1969,8:1907

    收稿日期:99—09—30, 百拇医药