盐藻工厂化养殖技术与产品开发

摘要

盐藻是一种光能转化率高、生产繁殖快、适于养殖的单细胞藻。本文从养殖地域的选择、藻种的选育、培养介质、室外养殖设施、培养方式、培养条件的控制、敌害防治及采收等方面对盐藻的工厂化养殖技术做了全面介绍。在产品开发方面,介绍了盐藻粉的营养成分和氨基酸组成,介绍了盐藻粉软胶囊的的三项功能试验结果,试验结果表明盐藻粉具有抗辐射、调节免疫和抑制肿瘤的作用;还对盐藻胡萝卜素的几种产品形式及营养评价做了简要介绍。最后,本文对盐藻工厂化养殖中存在的问题做了简要讨论,对盐藻胡萝卜素产业的发展前景做了展望。

张俊杰1  郭连城1  崔志强2隋丽英1

     (1 中盐制盐工程技术研究院   2 中盐国本盐业有限公司)

关键词:盐藻 工厂化养殖 产品开发

前言

盐藻是一种光能转化率高、生产繁殖快、适于养殖的单细胞藻。盐藻体内富含多种结构特异的活性物质,其药理作用使之成为其它物质难以替代的、对人体有益的营养制品。尤其是经实验证明的这些活性物质在防治心血管疾病、抑制肿瘤、抗辐射等方面的良好效果,更引起业内的关注。目前盐藻的开发研究主要侧重于提高工厂化养殖效率、将盐藻制成健康食品、饲料和提取高附值的化工产品等方面。

1.  盐藻的工厂化养殖技术

1.1 盐藻养殖地域的选择

盐藻是一种极端生物,它可以存活于盐度范围很宽的海水、卤水中。就其商业养殖来说,其目的是追求单位水体中藻的最大生物量和盐藻细胞中的最高胡萝卜素含量。盐藻的适宜温度范围在25~32℃,在此温度下藻体可快速地生长繁殖;高的光强和长时间的光照有利于胡萝卜的积累;另外工厂化养殖盐藻的卤水需求量较大,所以盐藻培养需要选择具有高光强辐射、较高温度、干旱少雨和可提供廉价卤水的地方。而盐场具有充足的卤水资源,因此就国内来说,在日照时间长、四季有风且单日降雨量小于30mm的盐场区域养殖盐藻是不错的选择。同时要考虑盐藻养殖池要建在地势平坦、排水便利的地方。

1.2 藻种的选育

盐藻品系的选择,主要取决于养殖盐藻的目的。例如以生产健康食品为主的的养殖工厂,目前主要选择D.Salina和D.bardawill。因为不同的藻种品系,其体内积累天然胡萝卜素量的差异很大。上述两种品系在室外开放式培养时,通过条件调控,可得到单位水体中较高的胡萝卜素产量。

藻种选育是工业化盐藻养殖的关键技术和重要环节。养殖厂要建立良好的保种试验室和相应规模的现场保种室。藻种的来源,可购买优良的单克隆藻种,但最好的途径是在当地卤水中或培养池中选择活力强、β-胡萝卜素含量高的藻体,经单细胞培养成为藻种。这些藻种在养殖过程中再经反复筛选,最终驯化成为生产用的优良藻种。此藻种严格培养在条件良好的保种试验室内。生产时,将这些藻种先移入现场保种室内扩养,然后再将其扩大到户外养殖地中。现场保种室的藻种一定要取自保种试验室,不能在现场保种室的池中自行留种培养,以免“杂藻”增多,造成藻种“不纯”而影响产量。

除在自然界“选种”外,还可利用遗传诱变等方法选育藻种。如利用紫外光照射对藻种进行诱变,突变后的藻株经驯化培育,从中筛选出胡萝卜素积累含量高的藻体,进而培养成优良藻种。藻种的选育工作要贯穿养殖始终,长期进行;使养殖工厂有自己的优势““种子”,这样才能使生产赢在起跑线上。

1.3 培养介质

培养介质的组成直接关系到户外大面积养殖的效果,以生产β-Carotene为目的的盐藻工厂化养殖需要大量的高盐度卤水。用淡水加盐的办法也可使培养液达到所需要的盐度,但会使养殖成本大幅增加。澳大利亚的两家公司采用盐湖中卤水来配制培养基,我们采用自然海水浓缩后的卤水来配制培养基,是较佳选择。

表1为海水浓缩后的卤水组成分析,由此表得知卤水中所含的各种金属元素基本能满足盐藻生长的需要,只需添加N、P、C等元素。

表1  卤水水质分析

取样

日期

盐度

(°Be´)

 (mg/l)

(g/l)

Cu

Zn

Fe

Mn

Co

Ca2+

Mg2+

K+

Cl

SO42-

1988.4.14

18.5

0.004 0.259 0.244 0.112 0.004 1.00 9.42 2.62 122.63 10.81
1988.5.19

15

0.006 0.132 0.003 0.299 0.004 1.11 7.66 2.82 104.49 11.62
1988.6.24

9

0.0046 0.080 5.050 0.850 0.002 1.01 4.30 5.33 240.49 6.32
1989.3.24

20.4

0.0032 0.072 0.146 0.394 0.004 0.76 12.61 3.60 132.32 20.66
1989.9.24

18

0.0028 0.038 0.254 0.128 0.002 1.52 9.07 3.49 114.20 15.19
1990.4.12

20.6

0.006 0.042 0.38 0.31 0.006 1.10 10.22 3.01 136.90 16.99
1990.5.20

21.1

0.011 0.090 0.019 0.306 0.002 0.98 10.78 3.14 148.58 20.51

1.4 室外养殖设施

室外养殖设施主要包括现场分析测定试验室及养殖用池。测定试验室备有显微镜、分光光度计、分析天平、快速水份测定仪及常用的玻璃器皿、药品等。通过对培养池内藻液进行采样分析,为现场培养管理提供依据。养殖示意图见图1:

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                图1  养殖示意图

 养殖用池包括保种室、中继培养室(见图2)、生产培养池(见图3)、储水池和回水池。保种室是现场保种的主要场所,为现场扩种提供种源。中继培养室是现场扩种的主要场所,为生产培养池提供大量的藻种。生产培养池是一个独立的室外生产系统。每个培养池都安装有搅拌装置,设有过道和排水沟。生产池底要求平滑,不渗漏。储水池是整个养殖生产用卤的源头,其中储存的水为中高度卤水。回水池是用来储存、处理盐藻采收后的分离液的场所。经处理后的分离液可循环使用。从成本角度考虑,如处理后的养殖用水无法被用于晒盐,就更要考虑其循环使用问题。

室外大量培养时,往往会由于藻体沉降、水温分层、营养物分布不均等现象影响藻体的生长。特别是在光照强烈时,藻体放氧速率增大,水体中溶氧增高,高光和高溶氧限制了藻体的生长,这时常需要搅拌培养液来消除上述不利影响。搅拌可使培养池的藻体均匀受光,增加藻体光合效率。微藻养殖搅拌的方式有多种,如推进器,梯轮,水泵及重力流相结合,空气悬浮装置及喷射装置等。由于盐藻细胞无细胞壁,极易被破坏,故而搅拌方式不易猛烈,采用梯形轮以温和的速度搅拌可以得到良好的效果。

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图2 中继培养室

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图3 生产培养池

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图4 养殖基地全景

1.5 室外盐藻培养

1.5.1 培养方式的选择

培养方式可采用批次培养、半连续培养或连续培养的方法。选用批次培养方法时,培养介质及接种可以得到很好地控制,但比较费时费力,不适宜大面积养殖。目前世界上盐藻的工厂化养殖多采取半连续培养或连续培养的方法,如澳大利亚采用的是连续生长采收的方法,而我们及美国Cyanotech公司则采取的是半连续采收的方法。实现盐藻培养生产胡萝卜素,必须完成两个生物过程,一是藻细胞的繁殖生长,二是藻细胞中胡萝卜素的积累。胡萝卜素的积累是盐藻在胁迫条件下生长完成的。藻细胞繁殖生长与细胞内胡萝卜素积累的最佳条件并不一致。目前有两种生产方法:一种方法是双阶段培养方法。第一阶段是在培养池中提供适宜快速生长的条件下进行生物量积累;第二阶段是将藻体转入到高盐、低氧、强光照等生长胁迫条件下的培养池中进行胡萝卜素的积累。两个养殖阶段分别采取调控盐度、营养盐、水深等条件进行养殖管理。这种方法培养的藻体中胡萝卜素含量较高。另外一种方法是选择一个藻体生长和胡萝卜素积累可同时兼顾的条件进行培养,这种方法使藻生长和积累胡萝卜素均处于亚适当条件下,确保单位时间内胡萝卜素产量最高。养殖过程在同一培养池中进行。在养殖初期,调控盐度,营养盐等条件,使藻细胞快速达到一定密度。然后尽快提高养殖卤水浓度,并调控营养盐,使之促进藻细胞积累胡萝卜素。

1.5.2 培养条件的控制

盐藻的生长和胡萝卜素的积累受到多种环境因素的影响。对于以生产胡萝卜素为目的的盐藻养殖更需加强对盐藻养殖条件的选择与控制。

在自然条件下进行开放式的盐藻培养,光强和温度是不以人们意志为转移的,这需要我们选择适宜的地点和季节来获取最佳光照和温度。目前能够控制的培养条件主要有盐度、营养组分、PH等。

盐度:盐藻可在0.3M到饱和的NaCl基液中生长,但其最佳生长的盐度为1~2M。随着盐度增加,盐藻的生长速率逐渐减慢,而胡萝卜素含量逐渐增加,因此需要选择一个合适的盐度在单位时间内获得最大胡萝卜素产量。此外,对盐度的选择还应考虑到盐度对敌害生物的抑制作用,盐度越高,敌害生物越少。

户外大面积培养时,由于一般养殖池较浅且面积大,因此培养介质的蒸发量较大,造成培养介质盐度升高,从而限制藻体生长。在我们的实践中,当日光充足时,生产池中介质盐度每天增高3°Be´,因此需要泵入淡水以降低培养基的盐度。生产季节有时发生降雨,若没有苫盖措施,培养基将会变淡,如果盐度降低较大,会导致其他生物的繁殖生长加快,对盐藻产生不利的影响,因此需要添加高盐度卤水或原盐来提高培养基的盐度。

氮、磷:盐藻可以利用硝酸盐、铵盐及尿素作为氮源。有的学者认为硝酸盐是盐藻生长最好的氮源,而有些学者则认为是尿素,而铵盐是不太好的氮源,高浓度的铵盐会给藻细胞造成毒害,尤其是当高PH时。

盐藻可吸收利用HPO42-或H2PO4,在体内以多磷酸盐形式积累。当高光和

生长受到限制时,藻体内积累大量胡萝卜素。我们可以通过对N、P浓度控制来限制藻体生长,从而达到积累胡萝卜素的目的。氮浓度在0.5~5mM时有利于藻细胞的增殖,在0.5mM有利于细胞胡萝卜素积累。磷浓度在0.1~0.25M时对盐藻细胞生长、蛋白质合成与β-胡萝卜素积累的促进作用最大。

碳:盐藻可吸收利用CO2及HCO3。高盐高温条件下,可溶性CO2减少,碳的缺乏限制藻类生长,这需要通入CO2或补加NaHCO3盐藻适宜生长的NaHCO3浓度为10mM。

PH:基质PH不仅可直接影响细胞的生长、代谢,还会引起培养基中的成分发生变化从而间接影响藻细胞的生长代谢。盐藻生长的适宜PH为7~9,PH过低,降低培养基中无机碳总量;PH过高,会造成一些钙盐如碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙等沉淀从而引起藻细胞的絮集。生产中一般都采用通入CO2的方式调节PH,这样不但不会使PH波动剧烈,还会为藻体补充钙源。

1.5.3 敌害防治

户外养殖藻类经常遇到的一个问题是来自其他生物的影响。微藻极易被细菌、真菌、病毒、原生动物等感染,还易被一些原生动物、甲壳动物、轮虫等吞食。对于高盐度下( >2M NaCl)盐藻的养殖,培养池中其他生物主要有少量嗜盐细胞、纤毛虫、卤虫、阿米巴幼虫、真菌以及杜氏藻类属的其他种类如D.viridis。对盐藻养殖危害最大的是吞食它的卤虫、纤毛虫等。

消除其他生物危害的方法主要是采取超前预防,一是保持种源纯洁干净;二是培养池及培养基均需消毒处理;三是适当提高培养基的盐度,使大多数生物不能存活;四是在养殖过程中,随时监测养殖池中敌害生物的状况,尤其在高温季节,微生物的污染更为严重。一旦发现敌害生物,就把培养池中的培养液全部抛掉,对培养池进行彻底消毒,更换新的培养基重新进行接种。因此,现场保种室要有大量的藻种储备,以保证及时提供藻种,避免养殖中断。

1.6 盐藻的采收

由于盐藻个体仅为10~15µm,且其培养介质的盐度又很高,藻体比重与培养液比重非常接近,因此分离的难度很大。再加上单位培养液中藻的生物量相对很低,因此采收的效率直接决定着养殖的成本和产量。采收也就成为盐藻养殖生产的一个关键环节。根据最终产品的不同,目前采收方法主要有两种:

1.6.1 离心机分离

该方法采用高速碟片离心机,在生产中连续处理盐藻培养液。分离培养液后得到的藻糊,经除盐、干燥后可得到藻粉制品。该设备操作简单,对产品无污染,对藻体损害小,是目前较好的方法。但该法设备投资高,生产中电耗高。

1.6.2 气浮分离法

该法采用自有技术利用气浮设备分离藻液。分离后得到的稀藻糊,经洗涤除盐、离心脱水、干燥后用以提取天然胡萝卜素。用植物油提取可得到天然胡萝卜素油溶液产品。用超临界CO2或溶剂萃取可得到高含量天然胡萝卜素浸膏,进一步精制后可得到天然胡萝卜素晶体。天然胡萝卜素浸膏广泛用于食品、化妆品等行业。气浮采收及提取胡萝卜素的工艺如图5:

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 图5  气浮采收及提取胡萝卜素工艺示意图

该法工艺稳定,所得产品用途较广。但气浮分离中水量消耗大,同时为提高采收率而添加的絮凝剂残留在提取后的藻渣中,对藻渣的进一步应用造成一定影响。

2.盐藻制品开发

2.1盐藻粉成份及其评价

2.1.1盐藻粉组成:

盐藻粉含有丰富的天然胡萝卜素、蛋白质、生物多糖、脂肪、叶绿素,多种维生素及矿物质,具有较高的营养价值。其组成分析如下表2:

2.1.2 盐藻粉营养评价

盐藻粉中的天然胡萝卜素含量为12%。β-胡萝卜素的顺式异构体含量高达50%。因此,盐藻粉中天然胡萝卜素的生物功能是优于合成品的。胡萝卜素是维生素A的前体,在体内可根据生理需要而转换成维生素A(十分安全,无副作用)。可治疗维生素A缺乏症,如夜盲症,皮肤角质化等。研究也表明,天然胡萝卜素具有清除氧自由基的作用。

盐藻粉中含有10%的多种生物多糖,其中的以木糖、鼠李糖和已糖醛酸为主的硫酸多糖经动物实验表明,具有抗病毒、抗炎、提高免疫及抗癌作用。

盐藻粉中蛋白质含量为15~30%,含有人体所需的必需氨基酸,其氨基酸的组成见表3。

从表3可见,盐藻粉的蛋白质中不但氨基酸种类齐全,而还含有对人体有益的牛磺酸。此外,还有二萜、叶酸、亚麻酸等多种生物活性物质及人体所需的矿物质。目前盐藻粉已被作为一种新的生物资源,广泛应用于保健食品和化妆行业及海珍品饲料添加剂。

2.1.2.1盐藻粉的抗辐射作用

利用盐藻粉制成的软胶囊具有抗辐射功能。试验以165mg/KgBW、500mg/KgBW、1500mg/KgBW剂量的盐藻粉软胶囊灌胃给予小鼠38天,辐射后中、高剂量组白细胞总数高于辐射对照组,差异有显著性(P<0.05),并且中剂量组40天存活率高于辐射对照组,差异有显著性(P<0.05)。中、高剂量组50天存活率高于辐射对照组,差异有显著性(P<0.05)。表明该产品有抗辐射作用。

2.1.2.2 盐藻粉的免疫调节作用

利用盐藻粉制成的软胶囊具有免疫调节功能。试验经口给予小鼠不同剂量的盐藻粉软胶囊17天~23天后,在迟发型变态反应耳肿胀法中剂量组与对照组相比差异有显著性(P<0.05),足趾增厚法中,低、中、高三个剂量组与对照组相比明显增强,各剂量组差异均有显著性(P<0.05)。抗体生成细胞试验中,低、中剂量组与对照组相比抗体生成细胞明显增加(P<0.05)。其它各剂量组试验均未见免疫抑制现象。检验结果表明,该产品具有免疫调节作用。

2.1.2.3 盐藻粉的抑制肿瘤作用

利用盐藻粉制成的软胶囊具有抑制肿瘤的功能。试验经口给予小鼠不同剂量的盐藻粉软胶囊20天后,各剂量组荷瘤小鼠瘤重与对照组相比均有明显差异(P<0.05)。小鼠碳廓清试验,NK细胞活性测定,均未见免疫抑制作用,表明该产品有抑制肿瘤作用。

2.2 盐藻胡萝卜素产品及评价

2.2.1盐藻胡萝卜素产品形式

2.2.1.1盐藻胡萝卜素油溶液

盐藻糊用植物油浸取,可制成0.5~20%的油溶液和油悬浮液。这类产品可制成口服液等健康产品,也可用于油基食品的添加;也可作为提胡萝卜素晶体的原料。

2.2.1.2盐藻胡萝卜素晶体

该产品可用于加工微胶囊制品。但由于其价格昂贵,使用不方便,故在食品、药品领域应用较少。

2.2.1.3盐藻胡萝卜素微胶囊

目前国内外主要用β-环糊精包复胡萝卜素,以提高其稳定性、溶解度和生物利用度。我院研究出的盐藻胡萝卜素微胶囊产品,解决了胡萝卜素的稳定性和分散性问题,同时可防止储存过程的损失。该法使用阿拉伯胶和变性淀粉等壁材,将乳化液喷雾干燥后制成几微米到几百微米粒度的微胶囊干粉。该产品含胡萝卜素1%,复水性良好,适于添加到饮料、冲剂、糕点、药品中;下游产品厂家使用方便。该产品生产工艺简单,产品易于保存。

2.2.1.4盐藻提取物

超临界二氧化碳萃取技术具有无毒、无害、无残留、无污染、惰性环境可避免产物氧化和萃取温度低等优点,适用于食品、活性物质和热敏性质分离提取。利用超临界CO2提取技术从盐藻中提取胡萝卜素,工艺简单,萃取率高,速度快;而且具有无溶剂残留、产品色味纯正等优点。由该工艺萃取的β-胡萝卜素提取率可达95%以上。而且其顺式β-胡萝卜素的含量可达80%。利用该提取物开发下游产品,可大大改善产品品质。

2.2.2盐藻胡萝卜素评价

盐藻胡萝卜素具有很高的色价和较高的药用效果。这使得其在医疗和食品领域具有良好的开发前景。联合国粮农组织( FAO) 、世界卫生组织(WHO) 以及联合国食品添加剂委员会(JECFA) 一致推荐认可β- 胡萝卜素为无毒、有营养的食品添加剂。美国食品及药物管理局( FDA)确认其为营养保健品。天然胡萝卜素在我国已成为食品添加剂,被允许添加到口服液,蔬菜汁中,国内外很多厂家已将其添加到人造黄油、奶酪、果汁、饮料、食盐等食品中。我院研制的胡萝卜素油溶液具有抗癌、抗辐射的效果也被医学试验所证明。这使得盐藻胡萝卜素产品的开发具有了良好的基础。国外已有添加胡萝卜素的化妆品。另有实验表明盐藻胡萝卜素能改善SCO造成的记忆障碍,有促进记忆作用,能通过调节自由基而发挥抗老化作用,有抗衰老作用,有阻抑动脉粥样硬化作用。

3.问题及讨论

3.1根据目前的户外养殖技术水平,培养池中盐藻细胞的密度超过8×105cells/ml后就难以增殖,所以高质量的藻种对养殖总效率也起着关键作用。应运用生物技术和基因工程方法,改进提高藻种品质,培育出高产、高胡萝卜素含量的品种;应用光生物反应器技术进行大量藻种制备和提高一次扩种数量。这样可以在有效时间内取得最大的收获。

3.2 由于在户外大规模养殖过程中人工无法对温度进行调控,所以在对于养殖区域选择时,温度等气象条件要予以仔细评估。这将会对全年单位面积产量产生极大影响。如选址区域气象条件不适宜,会导致年产量过低,成本大幅提高,进而影响工厂的正常运行。

3.3盐藻采收是目前影响盐藻生产整体效率的一个限制性因素。现有的各种方法都存在一定的局限性。因此,在工厂化养殖过程中除需加强生产管理、调度外,还需进一步加强盐藻生物量采收的科研工作,以期找到一种适宜的方法。这是关系到盐藻工厂化培养前途的关键因素之一。

3.4 盐藻进一步开发的潜在优势

盐藻藻体没有细胞壁,本身就利于人体吸收。盐藻中无机元素含量高,各元素间含量比例适宜做为人体无机元素的补充。盐藻还含有大量的不饱和脂肪酸、VE、叶绿素、硒、天然蛋白等抗氧化物质。盐藻中胡萝卜素其反、顺式比例按近1:1,而且还含有多糖。这些抗氧化物质和胡萝卜素的异构体结构,均有较强的生理活性。这些功效成分,既是进一步开发的基础,也会成为产品开发的热点。

4.前景展望

综上所述,盐藻制品因其具有抗氧化、抗癌及提高免疫力等功能,已广泛用于营养保健,医药业和畜牧、水产养殖业等领域。还可从盐藻中提取具有药用价值或化工用途的物质。盐藻作为生物质燃料的研究已在进行。盐藻的开发与利用一直久为关注。盐藻工厂化养殖技术仍有许多工作可做。当前最主要的是通过提高养殖技术和生产效率进一步降低成本。盐藻的工厂化养殖将会成为有经济前景的生产方式。

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