螺旋藻的分類、分類及生物學(xué)特性

螺旋藻的分類、分類及生物學(xué)特性

螺旋體是地球上使用最早的低等植物。它是從太陽能中轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì)。自20世紀(jì)60年代科學(xué)家在非洲乍得湖發(fā)現(xiàn)螺旋藻以來,因其營養(yǎng)價值豐富而被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和世界食品協(xié)會譽為“2l世紀(jì)最佳營養(yǎng)源”,并在許多國家和地區(qū)受到重點研究,在功能性食品、醫(yī)藥、動物飼料等的開發(fā)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。近年來的研究還表明,螺旋藻在環(huán)境保護和生物能源的開發(fā)等方面也具有光明的應(yīng)用前景。1生長習(xí)性及分布螺釘生物學(xué)特性1.1形態(tài)特征螺旋藻誕生于30多億年前,由于與細(xì)菌一樣沒有真正的細(xì)胞核,所以又稱為藍(lán)細(xì)菌。其實,螺旋藻在生物學(xué)的分類地位上屬于藍(lán)藻門、藍(lán)藻綱、段殖體目、顫藻科中的螺旋藻屬,共包括30多種,現(xiàn)在通常應(yīng)用于國內(nèi)外大規(guī)模生產(chǎn)的是鈍頂螺旋藻(S.platensis)、極大螺旋藻(S.maxima)和鹽澤螺旋藻(S.subsalsa),是一類古老而低等的原核水生藻類。螺旋藻的藻絲體長200～500μm,寬5～10μm,在顯微鏡下呈疏松或緊密的有規(guī)則的螺旋彎曲狀,形如鐘表發(fā)條而得名。實驗室中,螺旋藻藻絲的螺旋狀形態(tài)僅見于液體培養(yǎng)基中,而在固體培養(yǎng)基中由于肽聚糖層的脫水作用,導(dǎo)致了螺旋藻細(xì)胞僵硬度的變化,藻絲常失去螺旋狀而變?yōu)橹本€形。藍(lán)藻類細(xì)胞無色素體,色素分布在原生質(zhì)體外部的色素區(qū),藍(lán)綠色。藻體表面不具膠質(zhì)鞘,不易被微生物附著,細(xì)胞內(nèi)有氣泡,上浮性好。細(xì)胞或藻絲頂部常不尖細(xì),橫壁常不明顯,頂細(xì)胞圓形,外壁不增厚。1.2生長習(xí)性及分布螺旋藻主要分布于熱帶、亞熱帶地區(qū)淡水及鹽堿性湖泊中,自然環(huán)境中螺旋藻主要分布于中非乍得湖、墨西哥特西科科湖和我國云南永勝程海湖,適于高溫堿性環(huán)境。螺旋藻的適宜生長溫度一般在28℃～35℃,15℃和40℃分別為其最低和最高生長溫度,而其喜溫和耐熱品系可在35℃～40℃下培養(yǎng)。螺旋藻生長的適宜pH為8.3～10.3,當(dāng)pH為11時,仍然生長良好。研究發(fā)現(xiàn),鈍頂螺旋藻在含鹽濃度為20～70g/L的水中生長最佳。螺旋藻是嚴(yán)格的光能自養(yǎng)型藻類,靠陽光和吸收水中的CO2進(jìn)行光合作用,光合能力極強,高等植物的光能利用率通常是5%～6%,而螺旋藻的光能利用率高達(dá)l8%,光合效率達(dá)43%,是一般農(nóng)作物的3倍以上。螺旋藻生長繁殖迅速,適合于不同地區(qū)或季節(jié)的室內(nèi)外大量養(yǎng)殖,生長周期極短,正常生長周期僅11h,如果條件處于最佳狀態(tài),最快增殖速度為4h一次。1.3化學(xué)成分螺旋藻的化學(xué)組成具有高蛋白、低脂肪、低糖類的特點,并含有多種維生素及微量元素,營養(yǎng)價值極高。螺旋藻的蛋白質(zhì)含量高達(dá)60%～70%,是大豆的2倍,牛肉的3.5倍,雞蛋的4倍,且其所含人體必需氨基酸的種類齊全、組成合理。螺旋藻的脂肪含量一般為干重的5%~6%,其中70%～80%為不飽和脂肪酸(UFA),尤其是亞麻酸的含量高達(dá)人乳的500倍。螺旋藻纖維素含量為2%~4%,細(xì)胞壁主要是由膠原蛋白和半纖維素組成,人體對其的吸收率高達(dá)95%以上。螺旋藻的維生素和礦物質(zhì)含量也極其豐富,前者包括維生素B1、B2、B6、B12、E和K等;后者包括鋅、鐵、鉀、鈣、鎂、磷、硒、碘等微量元素,螺旋藻的生物鋅與鐵的比例基本與人體生理需要一致,最容易被人體吸收。除此之外,螺旋藻內(nèi)的藻藍(lán)蛋白(C-PC)、藻多糖(PSP)、γ-亞麻酸甲酯(GLAME)、β-胡蘿卜素、葉綠素a等活性成分對動物的許多機能具有調(diào)節(jié)作用。2發(fā)展生物酶基因,實現(xiàn)基因表達(dá)及復(fù)合化的基2.1藻種選育目前,螺旋藻新藻種的培育方法主要有物理或化學(xué)誘變、單克隆分離和基因工程等。Von-shak提出了選擇螺旋藻優(yōu)良藻種的標(biāo)準(zhǔn):抗高光抑制、較廣溫度適應(yīng)范圍、耐高滲透壓、較強光合作用、忍受高氧濃度。其中,基因工程育種因具有較強的目的性,具有較廣闊的前景。螺旋藻轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)的建立需要以下條件:將外源基因?qū)寺菪?、避免螺旋藻核酸酶的降解、外源DNA的穩(wěn)定存在(有獨立的轉(zhuǎn)移起始位點(oriT)或整合到受體的基因組)、選擇標(biāo)記的表達(dá)。譚維娜首次嘗試了以螺旋藻作為轉(zhuǎn)基因受體表達(dá)乙肝表面抗原,初步探索了研制轉(zhuǎn)基因螺旋藻口服乙肝疫苗的可行性。2.2有效成分提取方法據(jù)報道,最新的螺旋藻成分提取方法主要有融凍法、鹽析法、酶解法、熱水浸提法、超聲法和超臨界CO2流體技術(shù)等多種方法,提取的成分包括螺旋藻蛋白質(zhì)、多糖和葉綠素等。近年來,超臨界CO2流體技術(shù)作為一種替代傳統(tǒng)萃取工藝的新技術(shù),受到越來越多的矚目。這種萃取技術(shù)具有高效、便捷等特點,有利于實現(xiàn)工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)。同時,該技術(shù)可同時對螺旋藻多種成分進(jìn)行分離和提取,且在萃取過程中無溶劑殘留、無污染并能很好地防止有效成分氧化。目前,國內(nèi)外超臨界CO2流體技術(shù)在螺旋藻提取領(lǐng)域的研究尚處于實驗室階段,還無法應(yīng)用于工廠的批量化生產(chǎn),今后有必要進(jìn)行深入探討。3在環(huán)境保護中的應(yīng)用3.1用于食品加工目前,利用螺旋藻開發(fā)出了多種多樣的食品,均是將螺旋藻干粉或提取液原料添加到常規(guī)食物或飲料中制成,各有特色。已報道的產(chǎn)品主要有醬油、酸奶、果凍、飲料及面條等。王宏等在面粉中添加螺旋藻干粉制成了營養(yǎng)均衡、具有保健功能的面條。試驗證明,螺旋藻面條的營養(yǎng)價值和感官評分均高于普通面條。趙強強在醬油制曲中添加2%螺旋藻干粉,對制曲過程無明顯影響,成曲略帶藻綠色,但無藻腥味。醬油成品的醬香及酯香濃郁,含有多種活性物質(zhì),提高了醬油的保健功能。3.2用于醫(yī)學(xué)研究螺旋藻中脂肪酸含量較低,其中對人體十分有益的不飽和脂肪酸占很大比例。螺旋藻富含多種生物活性成分,如β-胡蘿卜素、藻膽蛋白、γ-亞麻酸和內(nèi)源性酶等,對人體健康非常有益。另外,螺旋藻含鐵量高達(dá)580～646mg/kg?？茖W(xué)家正嘗試用螺旋藻來降低動物體內(nèi)的膽固醇含量、減少癌癥發(fā)病率、增強免疫力、強化腸乳酸桿菌的功效、緩解腎內(nèi)毒素、促進(jìn)微量礦物質(zhì)的吸收,減肥和克服營養(yǎng)不良等。Hirahashi研究報道,經(jīng)熱水抽提的螺旋藻多糖可提高自然殺傷細(xì)胞(NK細(xì)胞)的殺傷能力。研究證實,螺旋藻多糖能提高受輻射小鼠的存活率,有效增加造血干細(xì)胞的相對數(shù)量。但是,美國國立衛(wèi)生研究院和國家醫(yī)學(xué)圖書館認(rèn)為目前還沒有確切的科學(xué)證據(jù)可以證明螺旋藻具有“保健功能”。3.3用作飼料添加劑螺旋藻因其含有豐富的蛋白質(zhì)和氨基酸,并富含多種微量元素,現(xiàn)已作為飼料添加劑被廣泛應(yīng)用于動物飼料中,有研究者報告了這種新型綠色飼料添加劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用。王偉等的研究表明,添加4%的螺旋藻———黃秋葵精粉可提高南美白對蝦的生長性能。劉華忠等在進(jìn)行螺旋藻對雞免疫機能的影響研究時發(fā)現(xiàn),在1日齡的肉仔雞日糧中添加2%的螺旋藻干粉可增強機體免疫力。黃禮光等報道,螺旋藻可提高仔豬的生產(chǎn)性能。3.5螺旋藻在生長繁殖過程中需要用于環(huán)境保護吸收和消耗水體環(huán)境中的氮、磷等營養(yǎng)元素以及降解水中有機物,并且具有生長繁殖快、高光效、適應(yīng)性強的特點。螺旋藻的這些特性提示,利用廢水養(yǎng)殖螺旋藻,一方面可使水體得以凈化,減輕水體的富營養(yǎng)化程度;另一方面也可以得到高附加值的螺旋藻產(chǎn)品。因而將螺旋藻用于廢水處理是一項很好的生物治污措施。陳慈美等利用生活污水培養(yǎng)螺旋藻的研究表明,當(dāng)螺旋藻在生活污水中培養(yǎng)10d,對污水中化學(xué)需氧量(COD)去除率可達(dá)91%,NH4+-N、NO-3-N和P043--P去除率分別為97%、97%和57%。此外,螺旋藻在進(jìn)行光合作用的過程中,吸收空氣中的二氧化碳,合成有機物,并放出氧氣,促進(jìn)了空氣中“溫室氣體”的轉(zhuǎn)化,維持了大氣中的碳氧平衡,具有不可忽視的生態(tài)保護意義。韓國科學(xué)家用甲基磺酸乙酯培育出了一種編號為M2OCJK3的螺旋藻菌,它對二氧化碳的固定率可穩(wěn)定在21.8g/dm2,比廣為人知的CJ590型螺旋藻高13%。3.4用作生物能源早在20世紀(jì)70年代,由于石油危機的發(fā)生,對于清潔、無污染、可再生的生物能源的關(guān)注已經(jīng)成為熱點,尤其是生物氫能的制備。許多國家紛紛投入大量的人力和物力研究生物制氫技術(shù),積累了大量