小球藻的功能及应用

小球藻的功能及应用

小球藻是一种常见的绿色藻类。它属于绿藻科的绿藻纲和蛋囊藻科，已得到广泛的养殖。在良好条件下生长的小球藻,其藻粉具有很高的应用价值,蛋白质含量可达63.60%,同时还含有一些糖类和脂肪,其中不饱和脂肪酸的含量较高,且含有二十二碳六烯酸(DHA)小球藻具有特殊的功能成分———小球藻活性生长因子(CGF),也叫小球藻精,它主要由氨基酸、核苷酸、多糖、蛋白质、维生素等功能性成分组成目前小球藻已广泛应用于食品添加剂、动物饲料、美容以及医药保健等领域。在美国和日本将小球藻作为优良食品和动物饲料添加剂已有30多年的历史1微纤维与多糖的交织氮小球藻细胞直径约为3μm~4μm,细胞壁厚度约为21nm,其质量占干重的13.6%。小球藻的细胞壁较厚,且十分坚硬,成分较复杂,这给破壁带来了巨大的困难。通过电镜观察,发现小球藻的细胞壁是由两相体系构成:微纤维和基质。其中直径约为3nm~5nm的微纤维不规则地交织在连续网络状的细胞壁上,将整个基质包围。这些微纤维贯穿了整个细胞壁,当它们交织的时候,会沿着两个不同的方向延伸,其夹角近似为直角。基质的外表面是颗粒状的,通过电镜检测和酶处理显示,这些颗粒主要分布在细胞壁外表面和细胞壁内表面。Northcote等小球藻细胞壁蛋白含量高于一般的植物细胞,这些蛋白可能是功能蛋白,也有可能在代谢过程中参与了细胞壁的合成,或者两者都有。一些蛋白质(其中部分蛋白质以糖蛋白的形式存在)与半纤维素交联在一起,并和多糖共同构成了大部分基质。小球藻细胞壁中半纤维素的酸水解产物为半乳糖、甘露糖、木糖、阿拉伯糖和鼠李糖。小球藻细胞壁的微纤维的结构几乎包含了所有多糖,与α—纤维素化学组成相似。它主要是由葡萄糖聚合物、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖和鼠李糖构成的。2小球藻物理破壁技术目前,对于小球藻破壁,物理破壁方法主要有:研磨法、机械匀浆法、交替冻融法、超声波破碎法、高压均质法。2.1施力以加大力量破碎细胞研磨法是将小球藻放入到研钵中,加入石英砂(使得研磨更加充分),再利用钵杵对其施加外力,在外力的作用下使得细胞壁破碎。胡开辉等研磨法虽然操作简单,但从结果可以看出,常规研磨法对小球藻破壁效果不理想。液氮研磨能够达到理想的破壁率,但是其成本过高,研磨时小球藻容易溅出,因而不适合应用于大规模生产。2.2机械匀浆法的破壁效果机械匀浆破壁法是利用高速组织捣碎机将细胞破碎,其原理依然是对细胞施加剪切力,使其破壁。胡开辉等Doucha等短时间机械匀浆法不能达到良好的破壁效果,长时间机械匀浆虽然能达到良好的破壁率,但是能耗很大。同时,一方面,温度上升会导致一些小球藻成分变性;另一方面,匀浆时产生的强大剪切力也能使一些小球藻成分变性。所以,虽然机械匀浆法能达到一定的破壁率,但是由于能耗大和易破坏细胞内活性物质两方面原因,使得其在工业化生产中不够理想。2.3细胞破碎和死亡交替冻融交替冻融使细胞破碎的原理是直接将藻液置于低温环境中,细胞内外环境中的绝大多数水形成冰晶,冰晶的形成产生了膨胀压,导致细胞产生机械损伤,同时未发生冻结的胞内残存液,由于在冻结过程中冰晶的析出致使溶质浓缩,电解质升高、渗透压改变、pH改变、蛋白变性等,而溶解又会使细胞发生溶胀,最终使细胞破碎和死亡交替冻融具有适用于高密度藻体破壁,操作简便,不受外源性杂质污染,并且设备简单,能源消耗低,适合较大规模生产。但每次冻融需要消耗大量时间。2.4细胞内部和表面采后出现裂缝超声波破碎法应用超声波加热使细胞内的极性物质,特别是水分子吸收了微波能后,会产生大量的热量,从而使细胞内的温度迅速上升,细胞质就会膨胀及液态水汽化产生的压力将会把细胞膜和细胞壁冲破,形成了许多微小的孔洞,进一步的加热,就会导致细胞内部和细胞壁水分减少,细胞收缩,表面出现裂缝。孔洞或裂纹的存在使胞外溶剂极容易进入细胞内,溶解并释放胞内产物超声波破碎法的优点是具有较高细胞破壁率,同时破壁所用的时间很短。但在处理过程中会产生局部高温现象,容易导致细胞内蛋白质变性、不饱和脂肪酸氧化等问题,所以超声波破碎必须在冰浴的条件下进行,不太适合大规模提取。另外,不同微藻对超声波的敏感度不同,这是由其本身结构决定的2.5高压均质器裂高压均质法是利用高压迫使悬浮液通过针形阀,由于突然减压和高速冲击撞击造成细胞破裂,在高压均质器中,细胞经历了高速造成的剪切、碰撞和由高压到常压的突变,从而造成细胞壁的破坏,细胞膜随之破裂,胞内产物得到释放。钟瑞敏等高压均质法对小球藻破壁的效果比较好,但在操作中会产生大量的热,对一些生物活性物质产生了破坏。3小球藻生物化学小球藻生化破壁法是利用生物过程或者化学过程对小球藻进行破壁的方法。目前主要有酶解法和病毒法。3.1酶法小球藻的细胞壁主要成分是纤维素,采用纤维素酶能够有效的去除小球藻的细胞壁,达到良好的破壁效果。3.1.1纤维素酶降解纤维素的机理纤维素酶是由内切葡聚糖酶(C后来的研究发现,这种协同作用必须是在3种酶共同存在下才有催化活性,Lars等随着时间推移,人们对纤维素酶降解纤维素机理的研究越来越深入,一些新的观点逐步被提出并证实。如:氢键断裂是纤维素酶降解过程的初始、限速步骤;存在氧化性降解过程等3.1.2酶法：破壁试验Hyeon-SooCho等何扩等3.1.3酶解破壁技术酶解法是在较温和的环境下对小球藻进行破壁处理,不会像物理破壁法那样产生大量的热量,因此不容易导致细胞内物质变性,对于提取胞内物质十分有益。酶解法破壁的破壁率很不错,能达到80%以上,基本能够满足工业化需求。酶解法是利用纤维素酶水解细胞壁,其速率取决于酶活,通常情况下酶解法要消耗不少时间,同时,在酶解的过程中,伴随着胞内物质释放,染菌的风险也在加大。3.2细菌细胞的降解PBCV-1是一种小球藻病毒,在它侵入宿主细胞过程中,通过不可逆的、特异性的受体识别,吸附到小球藻细胞上,并在吸附位点将细胞壁消解掉。这说明病毒本身具有降解细胞壁的能力。张维娟等4好的破壁方法需要规避的弊端从目前的情况看来,全球范围内破壁的方法多种多样,虽然大部分方法可以达到一定的破壁率。但不可否认的是,这些方法都存在不可忽视的弊端。因此,好的破壁方法一定需要尽可能规避这些弊端。一些新的破壁方法也就逐渐进入人们研究范围。4.1小球藻壁主要成分在酶解过程中,大多数实验是直接利用纤维素酶进行破壁,但由于小球藻细胞壁成分并不仅为纤维素,还有其他物质。所以,可以尝试采用复合酶解法进行破壁。Northcote等4.2发酵法与微生物的关系发酵法将微生物接种到含有小球藻的发酵培养基中,使得微生物在发酵过程中产生的纤维素酶能够直接作用于小球藻,最终导致小球藻破壁。其中能够产生纤维素酶的微生物主要有木霉(Trichoderma)、青霉(Penicillum)、镰刀菌(Fusrium)、链霉菌属(Streptomyces)、纤维素诺卡氏菌(NocardiaCellulans)、芽孢杆菌属(Bacillus)以及纤维单胞菌属(Cellulomonas)等发酵法的本质依然是利用纤维素酶分解细胞壁,与酶解法不同的是,发酵法不用直接加入纤维素酶,而是利用发酵反应产生的纤维素酶。利用发酵法进行破壁,不仅成本比酶解法低,而且小球藻细胞壁还能作为微生物生长的部分碳源,起到了一举两得的作用,同时还能达到较高的破壁率。发酵法还可以与微生物固定化技术、发酵培养基分批补料技术以及连续培养技术一起应用。唯一的不足是,发酵法伴随着微生物发酵反应整个过程,所以破壁要消耗不少时间。4.3解能力和扩散特性超临界流体是指物质在温度、压力高于临界温度和临界压力时所形成的可压缩性高密度流体,其密度接近液体,黏度接近气体,具有与液体相近的溶解能力和与气体相近的扩散特性。超临界流体细胞破碎技术是将高压CO超临界流体细胞破壁技术是近几年发展起来的全新的一种破壁技术,Kyoung等超临界流体技术广泛应用于微藻内生物活性物质的提取,能够使提取效率大大提升。但是,目前还没有人探究采用此方法时小球藻的破壁效率。超临界流体法最大不足在于设备一次性投资较高,随着超临界流体理论的逐步完善和设备制造工艺水平的不断提高。相信在不久的将来能够应用在小球藻破壁中。4.4小球藻破