Effect of flashing light from blue light emitting diodes on cell growth and astaxanthin production of Haematococcus pluvialis

To conserve energy in the production of astaxanthin by the green alga Haematococcus pluvialis, we utilized intermittent flashing light from blue light emitting diodes (LEDs) and investigated the effects of the incident light intensity (2-12 micromol m(-2) s(-1)), duty cycle (17-67%) and frequency (25-200 Hz) of flashing on the cell growth and astaxanthin production. In the above ranges, the final astaxanthin concentration under illumination by flashing light was significantly higher than that obtained under illumination with continuous light at the same incident intensity. For example, flashing light at an incident intensity of 8 micromol m(-2) s(-1) gave the same final astaxanthin concentration that was obtained under continuous light illumination at 12 micromol m(-2) s(-1), thus reducing energy consumption by 1/3. We therefore conclude that flashing light from blue LEDs is a promising illumination method for indoor algal cultivation using photobioreactors.     

Fed-batch culture under illumination with blue light emitting diodes (LEDs) for astaxanthin production by Haematococcus pluvialis

To increase the cell concentration and the accumulation of astaxanthin, the effects of the fed-batch addition of 10-fold-concentrated medium to supply nutrients, as well as illumination with blue light emitting diodes (LEDs), on cell growth and accumulation of astaxanthin were studied for the cultivation of Haematococcus pluvialis. Using the fed-batch addition method, the cell concentration increased above 1 mg-dry cell/cm3, and under illumination with blue LEDs, the astaxanthin concentration reached approximately 70 microg/cm3. This method was much simpler to operate than the medium replacement method in operation and enabled us to attain a higher total yield of astaxanthin.     

混合培养对雨生血球藻虾青素产量的影响

研究了不同光照强度及添加不同葡萄糖量进行混合培养对雨生血球藻虾青素产量的影响.研究表明,单位体积培养液虾青素产量因光照强度和葡萄糖添加量不同而不同,在光照强度为2500lx以及葡萄糖添加量为3g/L时,虾青素产量最高.光照强度和葡萄糖添加浓度对虾青素产量具有交互影响.通过中心组合试验,确定混合培养条件下达到最高虾青素产量所需要的葡萄糖添加量及光照强度分别为3.1616g/L和2605.66lx.此时的虾青素产量为41.06mg/L,是自养培养时的2.02倍.     

Effects of nutrient supply methods and illumination with blue light emitting diodes (LEDs) on astaxanthin production by Haematococcus pluvialis

In order to increase the cell concentration and the accumulation of astaxanthin, the effects of nutrient concentration, pH, illumination and methods of supplying nutrients were studied for the cultivation of Haematococcus pluvialis. The replacement of media to avoid the deficiency of nutrients increased the cell concentration above 1 mg-dry cell cm(-3) without induction of astaxanthin accumulation. Illumination with blue light emitting diode lamps and nutrient starvation induced accumulation of astaxanthin, and the interactive effects of these two increased the astaxanthin concentration to 76 mug cm(-3).     

外源乙烯利对雨生红球藻中虾青素积累的影响

本实验初步研究了一定浓度范围的乙烯利对雨生红球藻积累虾青素的影响。在对数生长期的藻液中分别加入一系列不同浓度的乙烯利溶液,然后转入胁迫培养(25℃,24h5000lux连续光照+营养盐饥饿),诱导细胞内虾青素的合成积累。在诱导过程中显微观察不同浓度乙烯利处理后细胞形态和色素积累的变化,并定期取样进行虾青素含量的测定。结果表明,添加0.05ml/L的乙烯利可以促进雨生红球藻积累虾青素,处理后的藻细胞比对照组的藻细胞提前17d完全变红,虾青素产量比对照提高了92.1%,达18.6mg/L藻液。另外还发现0.1ml/L的乙烯利对雨生红球藻积累虾青素有明显的抑制作用。高浓度的乙烯利(≥0.15ml/L)处理对雨生红球藻细胞存在致死作用。     

Effective utilization of transmitted light for astaxanthin production by Haematococcus pluvialis

A new cultivation method, in which physiological responses of Haematococcus pluvialis to different intensities and wavelengths of illuminating light are utilized, is proposed. In this method, light transmitted through a cultivation vessel illuminated from the opposite side was utilized for the early-phase cultivation of H. pluvialis in another inoculated vessel that was located behind the cultivation vessel, to save time required for the growth of cells. After harvesting cells from the front vessel, the vessel that was originally behind was shifted to the position of the front vessel. The abrupt increase in light intensity caused by shift of the position induced the effective accumulation of astaxanthin. These procedures for inoculation, shift of vessels and harvest were repeated using two vessels arranged in series along the light path. After four repeated cycles of cultivation (840 h from the start of cultivation), using 2.5 cm thick vessels, astaxanthin production per unit volume and the astaxanthin content were higher than obtained in a batch cultivation with two 2.5 cm vessels.     

叔丁基对羟基茴香醚对雨生红球藻虾青素积累和psy基因表达量的影响

研究胁迫培养条件下,在对数生长期的雨生红球藻Haematococcus pluvialis LUGU藻液中添加不同质量浓度叔丁基对羟基茴香醚(butyl hydroxyanisole,BHA)对其影响,并分别对细胞生物量、虾青素积累量以及八番茄红素合成酶psy基因表达量进行了测定。结果表明,BHA质量浓度为2 mg/L时,虾青素积累量显著提高,最大含量可达29.03 mg/g,是对照组(14.30 mg/g)的2.03倍。而在相同的BHA诱导条件下,初始藻细胞的不同生长状态对细胞生长及虾青素合成也有很大影响:处于对数后期(14 d)的细胞其最大虾青素含量可达29.3 mg/g,分别是对数前期、中期和稳定期的2.93、1.01倍和1.73倍。实时荧光定量聚合酶链式反应分析显示,虾青素合成关键基因psy的表达受BHA的影响,当对数后期(14 d)添加2 mg/L BHA时,psy基因相对表达水平为对照9.2倍。结果表明,适当质量浓度BHA不仅能够显著提高虾青素合成关键酶基因psy的表达水平,并且明显促进了微藻细胞内虾青素积累量,为虾青素产业化提供了一种有效的策略。     

雨生红球藻转化条件及虾青素积累的研究

在单因素试验基础上,选择转化光照强度、转化温度和转化时间为自变量,虾青素含量为响应值,利用Box-Behnken实验和响应面分析法,对转化条件进行优化。结果表明,在温度29.92℃,pH值10,光照7203.95lx的条件下转化10.6d,虾青素含量可达（33.796±1.556）mg/L,与未优化转化条件时相比,提高了0.99倍。     

响应面法优化雨生红球藻虾青素的超声提取工艺

以雨生红球藻为原料,选取乙酸乙酯∶乙醇(v/v,1∶1)为提取溶剂,采用超声法提取虾青素,固定液料比为100∶1,以超声功率、超声时间和超声温度为因子,虾青素提取率为评价指标,在单因素实验的基础上,利用响应面法对提取条件进行优化。三因素对虾青素提取率的影响顺序为:时间>温度>功率。优化得到的最佳提取条件为:超声功率200W、时间30min、超声提取温度25℃,在此条件下提取率可达1.045%,与预测值1.05%相近,表明模型可用。      

High efficiency production of astaxanthin in an airlift photobioreactor

In photobioreactors, photosynthetic microorganisms are exposed to certain light/dark cycles caused by light intensity distribution and mixing inside the photobioreactor. In this study, Haematococcus pluvialis was cultivated in an airlift and a bubble column photobioreactor, and the cell growth and astaxanthin production were compared to clarify the effects of liquid circulation.     

茴香醚对雨生红球藻(Haematococcus pluvialis LUGU)虾青素积累的影响

利用不同诱导条件促进雨生红球藻Haematococcus pluvialis积累虾青素已成为虾青素生产和研究的热点。实验研究了不同质量浓度的茴香醚(BHA)对胁迫培养条件下雨生红球藻Haematococcus pluvialis LUGU生长和虾青素积累的影响。结果表明,2 mg/L的BHA能够显著提高虾青素的含量,最大含量可达29.03 mg/g,比对照组(14.30 mg/g)提高到2.03倍。而在相同的茴香醚诱导条件下,初始藻细胞的不同生长状态对细胞的生长及虾青素的合成也有很大的影响:处于对数生长期后期(14 d)的细胞更有利于虾青素的积累,其最大虾青素含量达到29.3 mg/g,分别比前期、中期和稳定期提高到2.9、1.01和1.72倍。实验表明茴香醚是虾青素诱导的有效诱导子,本研究也可为两阶段法诱导生产虾青素提供依据。      

胺鲜酯提高雨生红球藻(Haematococcus pluvialis LUGU)虾青素含量的作用

探究添加不同浓度的胺鲜酯（diethyl aminoethyl hexanoate,DA-6）在雨生红球藻Haematococcus pluvialis LUGU培养过程中对生物量、虾青素含量、活性氧（ROS）水平以及叶绿素浓度的作用。结果表明,0.1 mmol/L DA-6可以略微增加生物量（0.52 g/L）,但相对于同一天对照组,可以显著（p<0.05）提高虾青素含量,最大含量可达24.94 mg/g,是对照组（16.43 mg/g）的1.52倍,此时藻细胞内ROS水平以及叶绿素浓度相比于对照组均出现了降低。研究表明,DA-6诱导可以促进虾青素含量的提高,这为虾青素产业化生产提供了一种有效的策略。      

黄腐酸对雨生红球藻(Haematococcus pluvialis LUGU)虾青素积累的影响

通过形态学以及18S r RNA的分析,筛选鉴定出了一株新的雨生红球藻Haematococcus pluvialis LUGU,并以其作为研究对象,研究了不同质量浓度的黄腐酸(FA)对胁迫培养条件下细胞生长和虾青素产量的影响。结果表明,5 mg/L和10 mg/L的FA不仅促进了藻细胞的生长(生物量浓度分别比对照组增加了4.26%和10.58%),而且能够显著提高虾青素的含量(最大含量分别达到20.82和12.23 mg/L)。其中,5 mg/L的FA诱导效果最为明显,虾青素产量(37.46 mg/g)比对照组(20.90 mg/g)提高79.23%。实验表明,黄腐酸在适当浓度下能够显著促进藻细胞内虾青素的积累,可作为一种有效的诱导子应用于虾青素的生产。      

可切换亲水溶剂提取虾青素及其纳米粒抗氧化性探究

采用单因素以及正交试验优化了可切换亲水溶剂N-N二甲基环己胺(DMCHA)从雨生红球藻中提取虾青素的工艺,并将虾青素使用酰化羧甲基壳聚糖自聚体进行纳米包埋,探究虾青素纳米自聚体的抗氧化性。结果表明,在提取温度35℃,提取时间24 h,提取料液比1:20 g/mL条件下,虾青素提取率最高,达到氯仿甲醇提取的总虾青素含量的85.48%,虾青素纳米自聚体的虾青素载量可达到392 μg/mL。抗氧化性实验证明,在不同pH变化下,虾青素纳米自聚体比虾青素溶液更加稳定;55℃放置24 h条件下,虾青素纳米自聚体羟基自由基清除率仍可保持在40%,证明虾青素纳米自聚体可以有效维持虾青素的氧化稳定。     

胁迫条件下褪黑素诱导雨生红球藻虾青素合成

雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)在胁迫条件下可大量积累虾青素,已成为天然虾青素的主要来源。通过解析外源褪黑素(Melatonin,MLT)调控雨生红球藻在缺氮联合高光照胁迫条件下的防御效应,以期建立虾青素高效合成的技术体系。结果表明,胁迫条件下外源MLT的诱导显著促进了虾青素的积累,最高质量分数达到32.37 mg/g,较对照组增加了2.25倍。此外,外源MLT提高了胞内NO和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)的含量,同时上调了虾青素合成关键酶基因dxs和chy的表达水平。研究表明,外源MLT诱导高光缺氮胁迫下雨生红球藻中虾青素的高效合成可能与MLT调控藻细胞内的NO、MAPK含量和虾青素合成关键酶基因dxs和chy的表达水平相关。     

超声波联合研磨破壁法提取雨生红球藻中虾青素的工艺研究

在比较研究并确定破壁方法与溶解试剂的基础上,利用超声辅助提取方法探索不同条件下从雨生红球藻中提取虾青素的效果,并通过响应面法进一步优化提取工艺参数。结果表明,采用液氮研磨破壁处理,以乙酸乙酯-乙醇(v/v:1∶2)作为提取溶剂在超声时间18mins、超声温度39℃、液料比9∶50(mL/mg)、超声功率200 W条件下进行震荡超声处理,最后于40℃水浴振荡20 mins,虾青素提取率可达85.1%。     

雨生红球藻对戚风蛋糕品质的影响及其虾青素稳定性

为提高戚风蛋糕的营养价值和烘焙品质，本研究将雨生红球藻添加至戚风蛋糕中。采用高效液相色谱仪和气相色谱仪等对雨生红球藻营养成分进行测定，利用全自动色差仪、质构仪等探索不同添加量雨生红球藻对戚风蛋糕色泽和质构等的影响，并探讨了戚风蛋糕抗氧化活性及烘焙对雨生红球藻中虾青素的影响。结果表明:本批次雨生红球藻中虾青素含量为20.93±0.41 mg/g DCW，总糖、蛋白质和脂肪酸含量分别为25.56%±0.94%、19.97%±0.13%和27.11%±0.25%。雨生红球藻的添加改善了戚风蛋糕的色泽，使其呈现橙红色，使戚风蛋糕的硬度、弹性和咀嚼性逐渐增大，抗氧化活性逐渐增强，蛋糕比容在添加量为2.0%时达到最大。当藻粉添加量为4.0%时，蛋糕对DPPH和羟基自由基的清除率比对照组分别提高了119.92%和9.17%。焙烤后虾青素含量显著降低，损失率达到49.37%~62.17%。并且随着添加量的增加，蛋糕出现了一定的藻腥味，影响了蛋糕的风味。因此，雨生红球藻适宜添加量为1.0%~2.0%，不仅改善了戚风蛋糕的品质也提升了其营养价值。     

雨生红球藻中虾青素含量快速测定方法

雨生红球藻中虾青素以虾青素单酯、二酯以及少量游离虾青素的形式存在,为了准确测定虾青素含量,通常需要将提取的虾青素酯水解转化为游离虾青素,再利用HPLC进行定量,操作耗时,不利于生产过程的快速监测。基于系统研究分光光度法直接测定细胞提取物中的混合虾青素含量和提取-酶解-HPLC法测定的关系,发现分光光度法估算的虾青素含量与HPLC法测定的准确含量之间具有良好的线性关系(r2=0. 997)。基于此建立了雨生红球藻虾青素快速测定方法,并对提取条件进行了优化。雨生红球藻粉(约5 mg)利用1 m L二甲基亚砜和6 m L丙酮进行1次提取,准确定容后,测定474 nm处的吸光度,根据吸光度与HPLC法虾青素含量间线性关系计算雨生红球藻中虾青素的含量。该方法操作简单,仅需10～20 min,测定准确,适于生产和流通环节的所需要的快速测定领域。     

雨生红球藻源虾青素对糖尿病小鼠的降糖作用及其机制

通过尾静脉注射四氧嘧啶（45⁵0 mg/kg BW iv）建立小鼠高血糖模型,研究雨生红球藻源虾青素（astaxanthin,ASX）对四氧嘧啶高血糖小鼠血糖的调节作用。分别以雨生红球藻源虾青素粉（虾青素含量为2%）25、100 mg/kg连续灌胃高血糖小鼠14 d,在末次灌胃后摘眼球取血测定血糖、胰岛素、SOD、GSH-Px的活性和MDA水平;肝、肾组织称重并测定SOD、GSH-Px的活性和MDA水平。结果表明,雨生红球藻源虾青素可缓解高血糖模型小鼠体重降低的趋势,减少饮水量和摄食量;雨生红球藻源虾青素可显著降低四氧嘧啶高血糖小鼠的血糖值（p<0.05）以及极显著提高血清中胰岛素的含量（p<0.01）,增强血清中的SOD（p<0.05）和GSH-Px（p<0.01）的活性,抑制了肾脏和肝脏中的MDA水平。结果表明,提高血清和肝肾组织的抗氧化能力,增加机体内的胰岛素水平可能是雨生红球藻源虾青素降血糖的机制之一。      

虾青素酯对高脂高糖饮食致小鼠胰岛素抵抗的影响

目的:研究虾青素酯对小鼠高脂高糖饮食(HFD)导致胰岛素抵抗的影响。方法:采用高脂高糖饲养的方法建立胰岛素抵抗小鼠模型,雄性C57小鼠随机分为6组:正常组(低脂低糖饲料)、模型组(HFD)、溶剂对照组、藻油来源虾青酯组、丁酸虾青素双酯组和硬脂酸虾青素双酯组。灌胃剂量为50 mg/(kg·bw),连续灌胃60 d后,检测空腹血糖、葡萄糖耐受量、血清胰岛素水平、血清内毒素(LPS)水平,生物可接受率以及粪便短链脂肪酸含量,小肠组织切片观察小肠形态。结果:丁酸虾青素双酯能显著降低胰岛素抵抗小鼠的血清胰岛素和LPS的含量(P<0.05),改善糖耐量及胰岛素抵抗(P<0.01);改善小肠形态,显著增加小肠绒毛长度和绒毛长度与隐窝深度比值(P<0.05);明显提高粪便中短链脂肪酸的含量。结论:丁酸虾青素双酯可显著改善高脂高糖饮食导致的小鼠胰岛素抵抗反应,效果优于天然藻油来源虾青素和硬脂酸虾青素双酯,作用机制可能与其改善肠屏障保护功能和调节肠道菌群产物LPS和短链脂肪酸有关。