光语带你认识微藻 第五篇——雨生红球藻

图6.以色列Algatech公司位于内盖夫沙漠中的管道式雨生红球藻养殖基地

光语带你认识微藻

 

第五篇——雨生红球藻

 

单位:上海光语生物科技有限公司

微信公众号:Leadingtec

作者:俞建中(微信号:Scophy117

 

本篇只讲雨生红球藻及养殖模式,虾青素的内容另有介绍。

英文单词请外行继续忽略,内行早就忽略了。

 

本篇引用图片多数引自网络,我尽可能的加以标注出处。

 

雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)这名字来源,猜测可能是一场雨后,一些低洼的地方形成积水,藻在水洼中生长繁殖,随着水的不断蒸发,盐度上升,藻细胞开始富集虾青素,变成了红色,由此而得名(如图1所示),拉丁文中雨的单词就是pluvia。(卖红球藻虾青素保健品的时候,绝对可以提下雨生红球藻乃雨神降福于人间的哏,如果真有人采用,请转账广告创意费至光语公账或老俞微信)

 

图1. 自然环境中石头坑里的雨生红球藻,水洼干涸后形成红色藻痂(By K. Chekanov et al., 2006)
图1. 自然环境中石头坑里的雨生红球藻,水洼干涸后形成红色藻痂(By K. Chekanov et al., 2006)

 

需要再重复下雨生红球藻的分类知识:它属于绿藻门(Chlorophata)、绿藻纲(Chlorophyceae)、 团藻目(Volvocales)、红球藻科(Haematococcaccae)、红球藻属(Haematococcus)。重申一些容易被误解的地方:(1)它是一种绿藻,不是红藻;(2)严格按照拉丁种名翻译,它应该叫雨生血球藻。(前面的篇幅已经上过红球藻的图了,如欲再看,烧香点蜡请度娘和谷哥吧)

 

生物学特性还得说,这是建立养殖模式的前提。

按着学界前辈的说法,雨生红球藻细胞可以分成四个阶段(或四种类型),英文分别叫macrozooids (or zoospores), microzooids, palmella, and hematocysts (or aplanospores),按着这英文词,我都不知道用哪些中文词来对应。

首先,macrozooids 按字面就是“大孢子”的意思,又叫游动孢子(zoospores),这个阶段的特征是,球形/椭球型/珍珠型的营养细胞(繁殖体),有两根鞭毛,杯状色素体,含有若干个淀粉核。在良好的营养及环境因子条件下,这类细胞占主体,如图2-A所示。

而当环境或培养条件趋向不利生长时,“大孢子”会失去鞭毛变成一个不会游动的“不定孢子,palmella”(如图2-B),而后成为“不动孢子,aplanospores”(如图2-C),细胞壁变得厚硬坚实,并可以进一步积累虾青素(如图2-D)。

图2.雨生红球藻细胞的几种形态 (by M.R. Shah et al.,2016)
图2.雨生红球藻细胞的几种形态 (by M.R. Shah et al.,2016)

 

图3. 雨生红球藻繁殖的示意图(by Dirk Fiedler)
图3. 雨生红球藻繁殖的示意图(by Dirk Fiedler)

 

雨生红球藻的繁殖以无性生殖(营养生殖)为主,有性繁殖较为少见。带鞭毛的游动孢子是快速动并具有繁殖力的细胞,能够分裂成2-8小细胞(甚至到16或32个),繁殖的过程参看图3,就不做具体解释了。刚从母体(配子母细胞)“出生”的雨生红球藻的小种子(配子细胞)被称为“小孢子”(microzooids),个头较小,游动快。

在逆境中,雨生红球藻细胞转变成不动孢子,同时伴随着类胡萝卜素的积累(尤其是虾青素),细胞变成红色。而当不动孢子重新又回到顺境时,它又能恢复成游动孢子,形成循环(如图4)

图4. 雨生红球藻不动孢子进入繁殖周期的示意图 (from algaecan.com)
图4. 雨生红球藻不动孢子进入繁殖周期的示意图
(from algaecan.com)

 

有必要指出的是:以游动孢子进行繁殖是雨生红球藻最适宜的方式,从不动孢子再恢复到游动孢子,是个“艰难漫长”的过程,拿不动孢子去做繁殖,妥妥的生产事故;另外,即使在游动孢子的阶段,细胞中也可能存在虾青素而略显红色,这个大家平时在网络上看到的图就有显示。

 

因为雨生红球藻这个生物学特性,对养殖生产来讲,最具优势的方式就是前期保持良好的繁殖培养条件,快速增加培养液中的细胞密度,然后制造逆境(比如增加光强、增加盐度、加入氧化物质等),让细胞富集虾青素,生产中所谓的两步法就是这概念(其实其他几个“步法”,不管是凌波微步、八步赶蝉还是魔族耶识步,走位再风骚也逃不开这些基本原理)。

雨生红球藻养殖模式,有以下的几类。

第一种是开放池模式,如位于美国夏威夷的Cynotech公司就采用这种方式,国内也有几家公司曾采用该模式。开放池建造与运行成本相对低廉,但是生产稳定性和产品中虾青素含量不稳定(1~3%),生产效率不高。

图5. Cynotech公司的开放池可用于养殖雨生红球藻
图5. Cynotech公司的开放池可用于养殖雨生红球藻

 

第二种模式是现在应用最普遍的管道式反应器,采用玻璃管道为养殖容器,采用这种模式有以色列的Algatech公司和我国云南石林的爱生行和云彩金可等许多公司。这种模式具有很大的优势,在云南等地区几乎可以实现全年不间断生产,而且藻粉产品中虾青素含量高(>4%)且稳定。在国内,雨生红球藻产业在最近几年发展迅猛,大小企业已有十多家,可以说是国内发展最快、技术水平最高的一个品种。(当然,有时老俞也奇怪,项目落地前,某些老板怎么不看看地点选的对不对?不预期一下市场未来发展?)

图6.以色列Algatech公司位于内盖夫沙漠中的管道式雨生红球藻养殖基地
图6.以色列Algatech公司位于内盖夫沙漠中的管道式雨生红球藻养殖基地

 

图7.位于云南石林的爱生行公司和云彩金可公司的管道式雨生红球藻养殖基地
图7.位于云南石林的爱生行公司和云彩金可公司的管道式雨生红球藻养殖基地

 

另外还有其他的一些模式,属于早期的有些设计。比如yamaha公司的室内管道系统,真心高大上,估计成本更加高大上(图8);另外如富士公司的室内反应器,外观是一个罐子,内部什么结构未知(图9);同样是富士公司做的反应器,像一口倒扣的锅,非常的有喜感。

雨生红球藻在上世纪八十年代的时候,即被日本科学家证实可以异养发酵,而后却一直没大的进展,也就最近三、四年的事,这项技术被中国的科学家突破,不仅可以高效实现游动孢子繁殖,并可以在发酵罐内就实现一定量的虾青素积累,而且!据说已经逐步进入生产应用了!

图8.Yamaha公司的室内管道系统
图8.Yamaha公司的室内管道系统
图8.Yamaha公司的室内管道系统
图8.Yamaha公司的室内管道系统

 

图9.位于瑞典的室内养殖系统(富士旗下,具体公司名忘了……)
图9.位于瑞典的室内养殖系统(富士旗下,具体公司名忘了……)

 

图10. 富士公司位于美国夏威夷的反应器系统
图10. 富士公司位于美国夏威夷的反应器系统

 

最后来谈谈采收加工的问题,采收加工总体而言,采用的多是成熟的化工或食品设备,偷懒就不上图了

采收而言,富集了虾青素的雨生红球藻不动孢子个头大密度也比较高,通过静置即可沉降下来,实现固液体分层;如果量比较大,用某些离心机就可以实现连续或者批次的规模采收,获得藻浆或湿藻泥。

相对来说,不动孢子细胞壁非常厚实,为了方便后续提取虾青素的需要,需要将湿藻泥进行破壁处理,利用高压均质等设备可实现。提取之前,一般需要对物料进行干燥,真空、喷雾和薄片干燥等技术均可根据需求采用。而提取虾青素,或者用传统的化学试剂提取法,也就是各种坛坛罐罐,或者用高大上的二氧化碳超临界法,还是坛坛罐罐,这块非老俞专长,就不多说了。

雨生红球藻养殖一度被认为是技术难度很高的工作,因此虾青素价格曾一度在2万美元每公斤左右或更高(按折纯品计算),而短短4-5年的功夫,价格几乎拦腰砍了!

我大中华果有昊天庇佑,凡国人上手的东西,总能做成白菜价,白菜也有白菜的好处,飞入寻常百姓家的必须是白菜。(感慨完毕,本篇结束!)

 

 

俞建中

2016年12月19日

 

俞建中博士系列藻类科普文章链接:

光语带你认识微藻 第一篇——什么是微藻

光语带你认识微藻 第二篇——微藻的商业化开发和应用

光语带你认识微藻 第三篇——微藻培养简介

光语带你认识微藻 第四篇——紫球藻

光语带你认识微藻 第五篇——雨生红球藻

光语带你认识微藻 第六篇——虾青素与其功效

光语带你认识微藻 第七篇——盐藻与β-胡萝卜素

光语带你认识微藻 第八篇——地木耳、发菜和葛仙米

光语带你认识微藻 第九篇——微藻与不饱和脂肪酸

光语带你认识微藻 第十篇——裸藻(Euglena)

光语带你认识微藻 第十一篇——螺旋藻(一)

光语带你认识微藻 第十二篇—— 小球藻

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