专利摘要
本发明属于微生物的培养,特别是指一种利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法。包括种子液的制备、发酵培养、发酵结束后的发酵液中提取岩藻黄素等步骤,本发明解决了现有技术中存在的光养条件下平滑菱形藻的生物量浓度、岩藻黄素产率、岩藻黄素含量低等问题。具有所制备的平滑菱形藻干燥藻粉中岩藻黄素的含量高,岩藻黄素的产率高,较大型海藻来源的岩藻黄素更安全,在提高生产效率、降低生产成本的同时,大大降低了培养过程中的污染风险等优点。
权利要求
1.利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法,其特征在于包括如下步骤:
A、种子液的制备
将活化好的平滑菱形藻置于无菌种子培养基中异养培养3-9天制成种子液,使平滑菱形藻细胞处于对数生长期;
B、发酵培养
将步骤A中的种子液按照体积比为3%-20%的接种量转接入无菌发酵培养基中,在光照条件下通气培养制备发酵液,培养基装量为20%-80%,培养温度20℃-30℃,培养周期4-12天;
所述的种子培养基及发酵培养基包括如下含量范围的原料:
NaCl 10g/L-32g/L;Na
所述的光照强度为不超过200μmol·m
所述的平滑菱形藻选自平滑菱形藻(Nitzschia laevis)UTEX 2047、平滑菱形藻(Nitzschia laevis)CCMP559、或平滑菱形藻(Nitzschia laevis)CCMP 1092;
C、从步骤B发酵结束后的发酵液中提取岩藻黄素。
2.根据权利要求1所述的利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法,其特征在于所述的步骤B中的发酵培养基置于生物反应器内,生物反应器选用三角瓶或柱式光生物反应器。
3.根据权利要求1所述的利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法,其特征在于光照所用的光源包括但不局限于太阳光、荧光灯灯光、LED灯灯光或其组合。
4.根据权利要求2所述的利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法,其特征在于采用三角瓶时将其置于光照摇床中震荡培养,摇床转速为100转/分钟-240转/分钟;采用柱式光生物反应器时通入无菌空气培养,通气量为1-3升/分钟。
5.根据权利要求1所述的利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法,其特征在于所述的种子培养基及发酵培养基中的氮源选用如下含量的原料:NaNO
6.根据权利要求1或2所述的利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法,其特征在于步骤B中的发酵培养基置于柱式光生物反应器内,在光照强度为5-200μmol·m
说明书
技术领域
本发明属于微生物的培养,特别是指一种利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法。
背景技术
岩藻黄素(Fucoxanthin),又称岩藻黄质、褐藻素,主要来自大藻、硅藻及金藻等大型海藻和微藻,是一种天然的类胡萝卜素,参与光合作用中光系统II的反应。因其具有独特的丙二烯结构,岩藻黄素是一种具有强抗氧化性的活性分子。近年来研究发现,岩藻黄素在细胞、动物以及人体都证实具有多种功能活性,包括抗氧化、抗炎症、抗癌、抗肥胖、抗糖尿病、抗血管生成和抗疟等生理活性,且对肝脏、脑部血管、骨骼、皮肤和眼睛等器官具有保护作用。综合以上功能,岩藻黄素是一种具有广阔保健食品和药物开发前景的天然产物,岩藻黄素的市场容量500吨,10%含量的岩藻黄素浸膏价格即高达40000元/公斤,因此具有巨大的市场价值。
岩藻黄素的功效中减肥方面的显著作用使其受到越来越多的关注,它可以通过抑制脂肪细胞的生成和加速脂肪分解代谢两条途径达到减肥的效果。目前市场上岩藻黄素主要是通过裙带菜(Undariapinnatifida)、海带(Laminaria japonica)等大型海藻中提取获得。但是上述方法存在着大型海藻在细胞壁厚、多糖类物质含量高、纯化困难和海洋污染等问题,且大型海藻中岩藻黄素含量极低(仅为干重的0.01%-0.07%),综上所述,岩藻黄素的产品质量在一定程度上难以保证,并且下游分离纯化的难度加大,因其对提取分离纯化有更高的技术要求,从而导致高纯岩藻黄素价格昂贵,进一步限制了岩藻黄素的应用。
相对大型海藻而言,海洋微藻是岩藻黄素更好的替代来源。目前市场上大型海藻中提取的浓缩岩藻黄素的含量普遍低于1%,而一些海洋微藻细胞中岩藻黄素含量即高达0.6%,是大型海藻的近100倍。硅藻为分布广泛的海洋微藻,在海洋、淡水及潮湿的表面上均广泛存在,一般依靠光能合成自身所需的养分。平滑菱形藻(Nitzchia laevis)为一种单细胞藻类,属于硅藻门(Bacillariophyta)。
利用平滑菱形藻生产岩藻黄素的研究较少。申请人通过检索发现,申请号为201310329269.X的专利文献中公开了一种提高硅藻中岩藻黄素产率的培养方法,该专利过优化培养基,添加番茄提取物在一定程度上促进合成了岩藻黄素,后期采用光照处理最终使得小环藻达到7.77mg/(L·d)的岩藻黄素产率,其中提出平滑菱形藻可用于光照培养生产岩藻黄素,但是该文献仅公开了利用小环藻制备岩藻黄素的方法、步骤及工艺条件。并未公布采用其他菌种可进行岩藻黄素的生产,同时其中也并未相关的培养条件、光照强度、培养基组成、生物量浓度等培养结果以及岩藻黄素含量和产率等一系列关键技术信息。Guo及本申请中的设计人通过筛选,获得能够合成岩藻黄素的数株硅藻,发现小环藻Cyclotellacryptica CCMP 333的岩藻黄素含量可达0.77%,是十余株微藻中最适合岩藻黄素生产藻株,但其生物量浓度和岩藻黄素产率较低,工业化应用仍然困难。其中所用培养条件下,平滑菱形藻Nitzschia laevis UTEX 2047在光照自养条件下生产岩藻黄素,其含量(占细胞干重)高达0.7%,但生物量浓度<0.2g/L,产率仅为0.06mg/(L·d),而此论文中并未对其进行培养条件的优化(Guo,et al.,2016)。因此有必要通过优化培养基组成及培养条件等技术手段,提高光养条件下平滑菱形藻的生物量浓度和岩藻黄素产率,同时进一步提高岩藻黄素含量。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法,通过优化培养条件能够实现高产制备岩藻黄素。
本发明的整体技术构思是:
1、利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法,其特征在于包括如下步骤:
A、种子液的制备
将活化好的平滑菱形藻置于无菌种子培养基中异养培养3-9天制成种子液,使平滑菱形藻细胞处于对数生长期;
B、发酵培养
将步骤A中的种子液按照体积比为3%-20%的接种量转接入无菌发酵培养基中,在光照条件下通气培养制备发酵液,培养基装量为20%-80%,培养温度20℃-30℃,培养周期4-12天;
所述的种子培养基及发酵培养基包括如下含量范围的原料:
NaCl 10g/L-32g/L;Na2SiO3·9H2O 30mg/L-700mg/L;MgSO4·7H2O 1.09g/L-2.18g/L;CaCl2·2H2O 0.1g/L-0.27g/L;KH2PO4 0.031g/L-0.062g/L;K2HPO4 0.00375g/L-0.0075g/L;FeCl3·6H2O 0.291mg/L-0.582mg/L;MnCl2·4H2O 0.025mg/L-0.246mg/L;ZnCl20.031mg/L-0.311mg/L;CoCl2·6H2O 0.0114mg/L-0.0228mg/L;Na2MoO4·2H2O 0.012mg/L-0.024mg/L;H3BO3 3.06g/L-30.56g/L;(NH4)6MO7O24·4H2O 0.028mg/L-0.278mg/L;Tris-buffer 0.089g/L-0.892g/L;H2SO4 1.64μg/L-16.4μg/L;vitamin B12 1.5g/L-15×10
所述的光照强度为不超过200μmol·m
所述的平滑菱形藻选自平滑菱形藻(Nitzschia laevis)UTEX 2047(购自美国德克萨斯大学奥斯汀分校微藻保藏库,Culture Collection of Algae at The Universityof Texas at Austin,简称UTEX)、平滑菱形藻(Nitzschia laevis)CCMP559(购自美国海洋微藻和微生物保藏中心,National Center for Marine Algae and Microbiota,简称NCMA)、或平滑菱形藻(Nitzschia laevis)CCMP 1092(购自美国海洋微藻和微生物保藏中心,National Center for Marine Algae and Microbiota,简称NCMA),其中优选平滑菱形藻(Nitzschia laevis)UTEX 2047。
C、从步骤B发酵结束后的发酵液中提取岩藻黄素。
因从发酵液中分离平滑菱形藻细胞以及从平滑菱形藻细胞中提取岩藻黄素属于现有技术,申请人在此不再赘述。
本发明中各步骤的具体技术方案如下:
为便于工业发酵过程的进行,所述的培养基置于生物反应器内,生物反应器选用三角瓶或柱式光生物反应器。
其中的光照光源可以采用多种形式,均不脱离本发明的实质,优选的技术方案是,光照所用的光源包括但不局限于太阳光、荧光灯灯光、LED灯灯光或其组合。
光照培养的培养条件是,采用三角瓶时将其置于光照摇床中震荡培养,摇床转速为100转/分钟-240转/分钟;采用柱式光生物反应器时通入二氧化碳体积含量低于5%的无菌空气培养,通气量为3升/分钟。
为提高岩藻黄素的产率及含量,优选的培养条是,发酵培养基中的氮源选用如下含量的原料:NaNO3 1g/L;蛋白胨1g/L,光照强度为30μmol·m
更为优选的培养条件是,所述的种子培养基及发酵培养基中还包括如下含量范围的原料:葡萄糖5-40g/L。
更进一步的优选技术方案是,选用柱式光生物反应器,在光照强度为5-200μmol·m
本发明中的涉及的检测方法如下:
1、平滑菱形藻细胞干重的测定
接种后每隔24小时取3mL发酵液,在转速为3000转/分钟的条件下离心5分钟,ddH2O洗涤后重新离心,重复2次;将发酵液滤至预称重的滤纸上,放入80℃真空干燥箱中烘干至恒重。
2、岩藻黄素的检测
目前申请人未发现岩藻黄素检测的国家或者企业标准,主要通过紫外可见吸光法(UV法)和高效液相色谱仪(HPLC)检测,因UV法特异性差,易受其他色素的干扰,因此HPLC法是岩藻黄素目前较好的检测手段。本申请参照Guo等人的研究,并在其基础上进行改进,具体如下:
称取20mg冻干后的藻粉,低温研磨后加入5mL无水乙醇震荡提取10分钟,离心(条件为温度4℃、转速3000转/分钟、时间5分钟)收集上清,沉淀中重新加入3mL无水乙醇震荡提取,直至藻粉呈白色。收集提取液,在温度4℃、转速为12000转/分钟的条件下离心10分钟,取上清氮气吹干,再加入1mL无水乙醇溶解色素,过膜后高效液相色谱仪(HPLC)分析,整个过程避光条件下进行。
3、HPLC分析方法
高效液相色谱仪waters2695,配置PDA检测器,检测波长450nm,选用C18反相柱(250mm×4.6mm×5mm)。流动相为:A相为纯乙酸乙酯,B相为乙腈:甲醇:水=84:2:14,C相为纯甲醇,采用梯度洗脱,流动相均采用HPLC级。
梯度洗脱条件如下:
本发明所具备的实质性特点和取得的显著技术进步在于:
1、本发明首次提出利用平滑菱形藻通过规模化发酵方法生产岩藻黄素,经申请人实验证实,所制备的平滑菱形藻干燥藻粉中岩藻黄素的含量高(至少可达0.7-1.0%,最高可达1.38%,较现有技术提高97.1%),岩藻黄素的产率高(至少可达1.02mg/(L·d),最高可达9.88mg/(L·d),较现有技术提高163.7倍)。
2、本发明提供的方法具有应用于工业化生产岩藻黄素的潜力。一是优化培养条件后平滑菱形藻的岩藻黄素含量大大提高;二是岩藻黄素产率远高于目前报道的所有硅藻和其他藻类。
3、本发明所获得的平滑菱形藻粉,在不受外界条件限制下可以稳定实现连续工业化生产的基础上,能够从培养基的源头控制重金属、多氯联苯等海洋常见污染物,较大型海藻来源的岩藻黄素更安全。
4、相对其他微藻培养生产岩藻黄素,生产周期大大缩短,最短可4天结束发酵,在提高生产效率、降低生产成本的同时,大大降低了培养过程中的污染风险。
附图说明
图1是平滑菱形藻在自养(光养无糖)和混养(光照条件下培养基中添加5g/L葡萄糖)初始浓度条件下的生长曲线。
从图中可见,其中自养的生物量浓度极低,6天后生物量仅为0.5g/L,而混养条件下的生物量是自养的5倍以上。
图2是平滑菱形藻在自养(光养无糖)和5g/L葡萄糖初始浓度下的岩藻黄素的含量(即岩藻黄素/冻干藻粉的质量比)及产率的比较。
从图中可见,其中A代表光养无糖,M代表光养5g/L葡萄糖:混养不仅生物量显著提高,岩藻黄素含量同时显著提高,最高可达1.2%,而自养仅为1.0%;岩藻黄素产率也高于自养条件(自养为1.02mg/(L·d)),最高达4.59mg/(L·d)。
图3是平滑菱形藻在不同光照强度的生长曲线。
由图中可见,混养条件下低光强更有利于平滑菱形藻生物量,光照强度为5μmol·m
图4是不同光照强度对平滑菱形藻细胞中岩藻黄素含量和产率的影响。
由图中可见,低光强利于平滑菱形藻生长的同时,也利于岩藻黄素的积累。光照强度为5μmol·m
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步描述,但不作为对本发明的限定,本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准,任何依据说明书做出的等效技术手段替换,均不脱离本发明的保护范围。
实施例1
平滑菱形藻自养培养
生产菌种选用平滑菱形藻(Nitzschia laevis)UTEX 2047(购自美国德克萨斯大学奥斯汀分校微藻保藏库,Culture Collection of Algae at The University of Texasat Austin,简称UTEX)。
工艺步骤如下:
A、将活化后生产菌种的平滑菱形藻接种在置于摇瓶中的无菌种子培养基中异养培养3天制成种子液,种子液中平滑菱形藻细胞处于对数生长期;
B、以250mL锥形瓶为培养容器,转入发酵培养基培养基100mL并灭菌。按体积比为10%的接种量将步骤A中的种子液接入无菌发酵培养基中进行摇床自养培养制备发酵液,培养条件如下:光照强度为30μmol·m
C、从步骤B发酵结束后的发酵液中提取岩藻黄素:
培养结束后收集发酵液,离心洗涤,冷冻干燥。
种子培养基包括如下含量的原料:
NaCl 10g/L;Na2SiO3·9H2O 60mg/L;MgSO4·7H2O 2.18g/L;CaCl2·2H2O 0.27g/L;KH2PO4 0.062g/L;K2HPO4 0.0075g/L;FeCl3·6H2O 0.582mg/L;MnCl2·4H2O 0.246mg/L;ZnCl2 0.311mg/L;CoCl2·6H2O 0.0228mg/L;Na2MoO4·2H2O 0.024mg/L;H3BO3 30.56g/L;(NH4)6MO7O24·4H2O 0.278mg/L;Tris-buffer 0.892g/L;H2SO4 16.4μg/L;vitamin B12 15×10
发酵培养基在种子培养基的基础上还包含如下含量的原料:NaNO3 1g/L、蛋白胨1g/L,pH=8.5。
实施例2
平滑菱形藻混养培养
实施例2与实施例1的区别在于,实施例2中的种子培养基与发酵培养基中还包含有如下含量的原料:葡萄糖5g/L,其余内容与实施例1相同。
实施例1、2的效果分析:
平滑菱形藻在自养和混养条件下比较,混养培养生长状态较佳,混养生物量最高达2.68g/L,自养仅为0.70g/L(见图1)。如图2,自养岩藻黄素含量为1.0%,混养最高为1.2%。计算得混养条件下岩藻黄素产率高于自养,最优产率为4.59mg/(L·d)。
实施例3
平滑菱形藻混养培养
实施例3与实施例2的区别是种子培养基与发酵培养基中还包含有如下含量的原料:葡萄糖20g/L,生产菌种选用平滑菱形藻(Nitzschia laevis)CCMP 559(购自美国海洋微藻和微生物保藏中心,National Center for Marine Algae and Microbiota,简称NCMA),其余内容同实施例2。
实施例3的效果分析:
本实施例中的生产菌种生长状态较佳,生物量最高达2.88g/L。自养岩藻黄素含量为0.9%。计算得本实施例中的生产菌种发酵生产岩藻黄素产率高于自养,最优产率为4.32mg/(L·d)。
实施例4
实施例4与实施例2的区别在于生物反应器选用250mL柱式光生物反应器,同时在步骤B中辅以光照强度为5μmol·m
实施例5-8
实施例5-8与实施例4的区别在于实施例5-8的步骤B中的光照强度依次分别为15、30、50和70μmol·m
实施例4-8的效果分析:
参见图3和图4,进行光照处理辅助培养,光照强度为5-200μmol·m
实施例9
实施例9与实施例4的区别在于:实施例9中生产菌种选用平滑菱形藻(Nitzschialaevis)CCMP1092(购自美国海洋微藻和微生物保藏中心,National Center for MarineAlgae and Microbiota,简称NCMA),步骤B中通气量为1升/分钟,种子液按照体积比为3%的接种量转接入无菌发酵培养基中,在光照条件下通气培养制备发酵液,培养基装量为80%,培养温度25℃,培养周期12天;所述的种子培养基及发酵培养基包括如下含量范围的原料:NaCl 32g/L;Na2SiO3·9H2O 410mg/L;MgSO4·7H2O 2.18g/L;CaCl2·2H2O 0.1g/L;KH2PO4 0.031g/L;K2HPO4 0.0055g/L;FeCl3·6H2O 0.291mg/L;MnCl2·4H2O 0.025mg/L;ZnCl2 0.031mg/L;CoCl2·6H2O 0.0180mg/L;Na2MoO4·2H2O 0.012mg/L;H3BO3 16.1g/L;(NH4)6MO7O24·4H2O 0.278mg/L;Tris-buffer 0.089g/L;H2SO4 9.4μg/L;vitamin B12 15×10
实施例9效果分析:
岩藻黄素含量为1.21%,岩藻黄素产量为9.1mg/(L·d)。
实施例10
实施例10与实施例4的区别在于:实施例9中生产菌种选用平滑菱形藻(Nitzschialaevis)CCMP1092(购自美国海洋微藻和微生物保藏中心,National Center for MarineAlgae and Microbiota,简称NCMA),种子培养基与发酵培养基中葡萄糖浓度为40g/L,种子液按照体积比为20%的接种量转接入无菌发酵培养基中,在光照条件下通气培养制备发酵液,通气量3L/min(其中空气:二氧化碳比例为95:5),培养基装量为20%,培养温度30℃,培养周期4天;所述的种子培养基及发酵培养基包括如下含量范围的原料:NaCl 10g/L;Na2SiO3·9H2O 30mg/L;MgSO4·7H2O 1.09g/L;CaCl2·2H2O 0.16g/L;KH2PO4 0.062g/L;K2HPO4 0.00375g/L;FeCl3·6H2O 0.582mg/L;MnCl2·4H2O 0.112mg/L;ZnCl2 0.031mg/L;CoCl2·6H2O 0.0228mg/L;Na2MoO4·2H2O 0.024mg/L;H3BO3 3.06g/L;(NH4)6MO7O24·4H2O0.140mg/L;Tris-buffer 0.892g/L;H2SO4 16.4μg/L;vitamin B12 1.5g/L;biotin 25×10
实施例10效果分析:
岩藻黄素含量为1.11%,岩藻黄素产量为7.8mg/(L·d)。
实施例11
实施例11与实施例10的区别在于:种子培养基与发酵培养基中葡萄糖浓度为20g/L,种子液按照体积比为14%的接种量转接入无菌发酵培养基中,在光照条件下通气培养制备发酵液,通气量3L/min(其中空气:二氧化碳比例为98:2),培养基装量为40%,培养温度20℃,培养周期7天;所述的种子培养基及发酵培养基包括如下含量范围的原料:NaCl 22g/L;Na2SiO3·9H2O 700mg/L;MgSO4·7H2O 1.66g/L;CaCl2·2H2O 0.27g/L;KH2PO4 0.045g/L;K2HPO4 0.0075g/L;FeCl3·6H2O 0.431mg/L;MnCl2·4H2O 0.246mg/L;ZnCl20.151mg/L;CoCl2·6H2O 0.0114mg/L;Na2MoO4·2H2O 0.018mg/L;H3BO3 30.56g/L;(NH4)6MO7O24·4H2O0.028mg/L;Tris-buffer 0.451g/L;H2SO4 1.64μg/L;vitamin B12 0.1g/L;biotin 2.5g/L;氮源0.2g/L-7g/L;pH=6-9,所述氮源选用如下质量份数的原料组成:氨基酸:蛋白水解物:硝酸钠:氯化铵=2:2:1:2;所述的光照强度为不超过100μmol·m
实施例11效果分析:
岩藻黄素含量为1.11%,岩藻黄素产量为7.8mg/(L·d)。
利用光照培养平滑菱形藻生产岩藻黄素的方法专利购买费用说明
Q:办理专利转让的流程及所需资料
A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。
1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2:按规定缴纳著录项目变更手续费。
3:同时提交相关证明文件原件。
4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q:专利转让变更,多久能出结果
A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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