海洋红酵母菌活化培养虾青素工艺及其研究进展

◎ 王福强，张艾青，刘希凤，徐衍胜，谢 虹，任伟伟

（山东畜牧兽医职业学院，山东 潍坊 261061）

虾青素属于类胡萝卜素，纯品呈粉红色，具有特定的着色功能[1]，广泛存在于虾、鱼、蟹、鸟类羽毛和某些微生物中。虾青素主要用作鱼类和虾蟹等甲壳类动物及家禽的饲料添加剂，它可作为激素促进鱼卵受精，减少胚胎发育的死亡率，提高母鸡的产蛋率，促进个体蛋鸡健康生长。虾青素的生产方式主要有人工合成和生物合成两种，人工合成虾青素成本高、投资大、污染严重，而且同天然虾青素在结构、功能、应用及安全性等方面差别显著[2]。叶伟庆等[3]从湛江特呈岛、东海岛及水产品市场采集海泥、红树叶、花、果、土壤、带鱼、章鱼和鱿鱼等样品中分离出4株海洋红酵母菌，其中胶红酵母ZJD2发酵培养产生的虾青素含量达到155.86 μg·g-1，为虾青素生物合成研究提供了新思路。虽然虾青素的生物合成是进行虾青素商业生产开发的另一条重要途径[4]，但野生型酵母虾青素细胞产率比较低，往往无法满足当前产业化需求。针对酵母发酵虾青素产量低的问题，本文旨在讨论研究虾青素发酵工艺技术，综述海洋红酵母菌发酵生产虾青素工艺，以期为虾青素在生产中高效应用提供理论依据和参考。

1 虾青素发展现状

虾青素以特其特殊化学性质和生物学优势被称为“超级抗氧化剂”，其作用机理是通过分子中的共轭结构淬灭有害氧、羟基及共轭不饱和双键清除自由基[5]。英法、日本等国家许可其作为膳食营养补充剂，国内市场有用作饲料添加剂的虾青素产品，市场主要由外国生物公司垄断。据统计，虾青素在全球的类胡萝卜素市场中占据第二位，2015年年产值已经达到2.5亿美元，虾青素市场前景广阔。目前，约占市场份额97%的虾青素产品皆为化学合成，缺乏竞争力，而通过基因工程培养、诱变筛选高产菌株、调整发酵工艺等方法是目前研究的热点。

2 虾青素合成法影响因素分析

2.1 菌种筛选

菌种是虾青素高产的关键因素，它相当于虾青素的“合成工厂”。生物发酵生产具有发酵条件容易控制、发酵培养基简单稳定、室内操作不受气候条件影响、适应工厂化生产等优点。王宇光等[6]从海南天然海域筛选到一株高产类胡萝卜素的海洋红酵母菌株，利用紫外诱变筛选的方法处理菌株后细胞生物产量可达87.55 g·L-1，虾青素含量可达 520 μg·g-1，为下一步海洋红酵母工程菌的构建提供受体菌。查阅文献资料，本课题组从海水中分离到一株产生虾青素的海洋红酵母菌，原始酵母菌株生长缓慢，虾青素产量较低，经过一系列的菌种纯化、诱导[7]、筛选、最终选育出一株高产虾青素酵母菌株。

2.2 培养方式

虾青素的产量和转化率与培养基的成分和发酵条件有关。蒋兴龙等[8]研究发现，不同补料工艺对法夫酵母菌株生产虾青素影响很大。其中，采用恒pH补料工艺，法夫酵母菌株可以获得最高的虾青素产量，而采用脉冲补料工艺则不适用，因菌而异。童应凯等[9]通过碳源、氮源及主要营养与环境条件等对海洋红酵母产菌量的影响试验，以及蔗糖、蛋白胨、酵母膏等的正交试验，海洋红酵母的产菌量可达9.7亿个/mL，比优化前发酵培养基产菌量（5.6亿个/mL）提高了73.2%，比单因素试验结果（8.1亿个/mL）提高了19.8%。连续发酵虽然能提高生产效率，但提取工艺复杂，容易染菌，对工艺要求高，本文通过对海洋红酵母菌特性的研究，确定了分批发酵的培养方式。

2.3 培养条件

培养基的营养成分和培养因素均会影响虾青素的生成，如碳源、氮源、微量元素、培养温度、pH值和溶氧等。通过对培养条件的初步研究，确定最佳培养条件，实验研究发现，氧气在红酵母虾青素的生物合成中与产量成正比。进一步研究发现，温度对酵母菌的生长和虾青素的合成都有显著影响，温度升高，有利于酵母菌体的生长，但虾青素产量反而降低，推测虾青素合成酶在较低温度下活性更高。

3 结语

随着经济的发展和人们对医药保健的重视不断提高，全球市场虾青素的需求巨大，各学者争相研究，文献研究报道很多，但多数停留在小试和中试阶段。今后开发低廉的培养原料、稳定优异的高产菌株、简便适用的生产工艺，以及先进的提取纯化技术来降低生产成本，仍是虾青素生物合成研究的重要内容。本研究以海洋红酵母菌为研究对象，探讨其发酵工艺，为虾青素生物合成开发提供技术支持。