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蓝藻多糖应用于食品工业论文

 论文栏目:食品工业论文     更新时间:2015-1-14 16:05:20   

蓝藻又称蓝绿藻,是一种多元化的光合自养生物(约有2,000种已知物种),分布广泛,物种丰富。已有文献报道33个属的蓝藻在其生命周期中能够分泌多糖[1]。蓝藻多糖根据其在细胞中的分布可分为:贮藏多糖,细胞外被多糖。细胞外被多糖又分为细胞壁多糖、荚膜和粘液层多糖和分泌到培养基中的水溶性多糖。蓝藻多糖的生理功能已被广泛研究,其最明显的功能是可以作为细胞与周围环境之间的保护边界层。对于念珠藻属的某些种类,胞外多糖可以帮助细胞克服干旱或半干旱地区的干燥或低水活性和盐碱地等的恶劣环境,是耐干燥机制的关键组成部分[2]。蓝藻多糖可以在一些重要的代谢过程中发挥特殊的作用,如在Nostoccordubensis中,异形胞周围的粘液层在固氮过程中,蓝藻多糖可以保护固氮酶不被氧气钝化。蓝藻多糖可以将重金属固定在活细胞或干细胞上,来减轻重金属的毒性,因而蓝藻可以耐受高浓度的重金属。蓝藻多糖被广泛地用作胶凝剂、稳定剂、增稠剂和乳化剂[3],主要应用在食品以及涂料、胶卷和药品中,并可以应用在三次采油中,已经成为了一种新型的多糖资源。结合本实验室在蓝藻多糖方面的研究工作,本文对蓝藻多糖在食品工业中的应用展开综述。

1蓝藻的多样性

蓝藻在生态和生理上对极端环境有极强的适应性。与其它物种相比,蓝藻的成功存活无疑是整个群体的许多特征作用的结果。蓝藻的形态具有多样性,其可以是单细胞(例如色球藻)或丝状体(通常由营养细胞组成,例如发菜),还可以形成大的或小的菌落。蓝藻胞外多糖可以保持菌落的结构多样性,如形成粘液或坚固的鞘。蓝藻在生长周期中能够形成高度特化的细胞即异形胞和厚壁孢子,有助于生物体固氮以及适应恶劣的环境。由于其生态多样性及其在多种生态系统中的重要性,蓝藻表现出代谢多样性来适应环境。蓝藻是一群能产生许多天然的或人工的精细化学品或新能源的生物体,并且可以用来生产食品、饲料、药品和生物肥料。首先,蓝藻细胞可以进行光合作用,一方面利用小的物质(如CO2,H2O)和太阳能来生产有机化合物和许多生物技术产品的初级产品;另一方面,也会减少大气中CO2的排放[4]。同时,固氮蓝藻可以利用太阳光作为其唯一的能量来源来固定碳和氮,从而产生生物肥料。蓝藻与其他微藻类一样,可以为BOD提供氧气而且还可以合成营养物质,如它可以将氮和磷转化为生物质,从而减少水体的富营养化。

2蓝藻多糖的构效关系

一般情况下,蓝藻多糖为杂多糖,在其重复单元中,存在着几种不同的单糖,在嗜热蓝藻Mastigocladustaminosus中发现了15种不同的单糖中的10种。蓝藻多糖中最常见的单糖是葡萄糖,其次分别为半乳糖、甘露糖和鼠李糖,而最常见的戊糖则为木糖。每种糖的摩尔比不同,有时同种糖类的摩尔比也会随着生长条件的不同而不同。大多数情况下,葡萄糖是最丰富的单糖。而在少数情况下也有一些含有甲基或氨基官能团的单糖,如氨基糖(如N-乙酰吡喃半乳糖)、甲基糖(如3-O-甲基戊糖、3-O-甲基脱氧己糖、4-O-甲基己糖)及其它的稀有糖类(4-O-[1-羧乙基]甘露糖)。此外,大多数蓝藻的一个重要成分为糖醛酸。由于其阴离子性质,多糖中存在酸性糖,而同时存在两种酸性单糖的可能性大约为50%[5]。在进行定量分析时,葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸对总酸性糖的相对贡献在各种多糖中是不同的。蓝藻多糖与细菌多糖最明显的不同是大多数的蓝藻多糖有阴离子性质,并且包含两种不同的糖醛酸。其次,大多数的蓝藻多糖,无论是在单糖或单体的数量上,还是在结合类型的多样性上都是非常复杂的,这就形成了更为复杂的重复单元,以及各种不同的大分子结构。在一些原核多糖中存在着硫酸酯基[6]。多糖的另外一个重要的物理化学性质是存在多肽或其他无糖组分,如有机取代基(例如乙酰、丙酮酰、丁二酰基)或无机取代基(例如硫酸或磷酸基团)。由N.Calcicola产生的多糖中的多肽含有大量的氨基酸,因此该多糖具有疏水性。若除去多糖中的蛋白质分子,可以大大减少其水溶液的粘度及粘附能力。当乙酰基以及脱氧糖(如岩藻糖和鼠李糖)上连接酯基时,会明显影响多糖的乳化性能,这是由于这些小分子的亲脂性特征,否则多糖会有很高的亲水性,而鼠李糖含量高的多糖却不表现出任何特殊的乳化活性。蓝藻多糖中的乙酰基能够阻碍其与阳离子结合,但会促进凝胶溶胀,当含有海藻酸钠凝胶珠时,其结构非常稳定。这些分子上的电荷可以通过糖醛酸残基(通常是葡萄糖醛酸或丙酮酸),像酮缩醇一样连接到中性糖上。多糖有许多带电部分(例如,糖醛酸、硫酸或磷酸基团、丙酮酸缩酮),通常在金属离子存在时会形成稳定的凝胶,此性质用于去除污水中的有毒金属是很有前景的[7]。蓝藻多糖水溶液的流变性的研究非常多,大多认为多糖的粘度依赖于其剪切速率。所有的多糖都有假塑性。然而,如果将它们的粘度对剪切速率的依赖性与同浓度的黄原胶相比,其差别就非常明显。聚球藻BG0011产生的多糖与同浓度的黄原胶相比,其剪切稀化现象更为明显而且粘性也很低。在非常低的浓度时,钝顶螺旋藻多糖表现出假塑性,而且其溶液粘度随着离子强度的增加而显著降低。由Cyanothecastrains和Cyanospiracapsulata产生的多糖的水溶液有相当大的流变性范围。事实上,可以根据流动性的不同来区分多聚物,其中一些多聚物的流变性与黄原胶相似,甚至比黄原胶还好,而另外一些多聚物表现出明显的剪切稀化现象,该性质在某些应用中有特殊的用处。其它关于黄原胶和Cyanospiracapsutata产生的多糖的对比,着重于粘度对pH、氯化钠浓度以及温度的依赖,由此可见蓝藻多糖的发展前景非常大。

3影响蓝藻多糖产量的因素

每种蓝藻合成多糖的能力都应进行仔细的测定,以便于优化多糖的生产。目前已经有许多种蓝藻多糖日产量的报道,但是大多数都是在小型培养设备中培养得到的,而且都不是以多糖产量最大化为目标进行的研究。研究结果表明,除了蓝螺藻和某些蓝杆藻(Cyanothece)菌株之外,其他蓝藻多糖的生产率都很低[8]。我们研究发现,发菜细胞在生长周期内,胞外多糖与细胞生长曲线一致,培养结束时胞外多糖含量最高。其它的一些品种,如蓝藻BH68K、N.Calciola和席藻J-l,从指数生长期的后期开始,多糖分泌量显著增加,这表明蓝藻多糖是一种典型的次生代谢产物,而当多糖的分泌与生物质平行时,可能被视为初级代谢产物。多糖释放的动力学过程是不同进程之间复杂的动态平衡过程,即表皮毛的伸长和厚壁孢子的发芽。多糖的合成主要是由于鞘的形成,而且反向进程(如毛状体破碎和厚壁孢子的分化),会促使菌株向培养基中释放多糖。在蓝藻的培养中,多糖的产量取决于C:N比、光强度、温度和硫、铁、磷酸以及钾的浓度变化。在营养缺乏的条件下,尤其是在缺乏硝酸盐和硫酸盐的情况下,聚球藻会产生大量的表多糖,而在特殊培养条件下,只有在藻蓝蛋白丰富时,才会分泌多糖,这表明富含藻蓝蛋白和藻红蛋白的集球藻的代谢途径不同。更重要的是,可以通过改变生长条件来控制多糖取代物的形成。关于通过优化培养条件来提高多糖产量的研究,主要着重于氮限制和营养缺陷的影响。当席藻生长在明暗交替,不通风,不含磷的条件下时,其多糖产量会显著下降。同样,当培养基中的P和N含量增加,而缺少结合氮时,在标准生长条件下的产量会减少三分之一。我们在无氮培养基中,研究了复合碳源对发菜细胞胞外多糖产量的影响,在添加4g/L葡萄糖和2g/L乙酸钠时,在无氮培养基中培养7d,胞外多糖产量达到879.6mg/L,这说明介质中的结合氮对胞外多糖的组成物有质的影响,但对胞内多糖却没有影响。然而,不同种类的蓝藻因其生理上的差异,此结果也会不同。例如,当缺乏金属离子时,多糖分泌量增加,含阳离子的螯合剂对细胞的作用更加明显。同样,当限制或缺乏氮元素时,光合色素减少,光合效率下降,蓝藻会降解细胞内的含氮化合物,从而引起氮气的减少,多糖分泌量增加。

4蓝藻多糖在食品工业中的应用

蓝藻多糖具有多种生物学功能,如免疫调节、抗病毒、抗肿瘤、抗氧化等[9],是一种非常有前景的可再生资源。蓝藻多糖是由微生物菌种培养得到的,因其培养环境可控,产量高且稳定,所以与其他来源的多糖相比,具有明显的优势。例如,与黄单胞菌多糖相比,蓝藻多糖在许多方面的特性非常优越。最近研究表明,多糖易于形成稳定的凝胶、纤维、薄膜、液晶以及稳定的悬浮液和乳液,特别适于应用在食品工业中。多糖应用在食品工业之前,必须认真研究其物理特性。蓝藻多糖的重要特性包括低浓度时的高粘度,高假塑性(剪切变稀),产品质量,悬浮性能,对盐的稳定性以及温度、pH值范围。为了向工业应用提供科学依据,未来的研究应着重于以下几个方面:(1)不同水溶液中流变性质的改变,产品结构的变化,化学组成与物理特性之间的关系,尤其是变稠或形成凝胶的能力;(2)多糖混合物表现出的协同凝胶化作用;(3)多糖与食品成分如蛋白质、脂质和金属离子的相互作用;(4)物理因素如pH值、温度的范围以及对光的稳定性。然而,从目前的研究来看,蓝藻多糖的物理特性有高度的种类或菌株特异性,所以无论是从蓝藻的分类、形态还是其生态栖息地等各方面,都不能将这些特性进行全面的概括。生物产品从培养、收获、加工到最终的销售,会涉及到很多程序,因此存在着很多可以改进的地方。蓝藻多糖生产的第一步中,开发具有成本效益的培养过程是非常重要的。尽管管状光生物反应器系统的成本较高,但是其产量非常高,并且其高密度培养也会降低收获成本。在培养技术的改进过程中,需确保生物产品的最大转换基质。异养发酵过程不需要光,其细胞密度和产量可以大大增加,所以此种方法是可行的[10]。异养发酵生产蓝藻多糖的过程,可以借鉴黄原胶的生产方法。蓝藻多糖的结构功能,物理化学性质,生产情况以及菌株的改善等方面在工业应用中的发展十分显著,这既可以通过分离和筛选有适当特性的自发突变体来实现,又可以通过基因工程,即可以应用多糖产品的基因信息来修改一些物理化学性质来实现[11]。通过对光合自养产生脂肪酸的微藻的研究证明,可以将人体的葡萄糖转运基因引入藻类,使藻类能够进行异养生长,这表明传统的发酵技术可以用于越来越多的微藻的工业化生产。

5总结

蓝藻是一种多元化的产氧原核生物,广泛分布在不同的栖息地(从水生到陆生,从北极到南极)。由于蓝藻对环境的生态适应性,其生长过程中的代谢途径表现出极大的多样性。因此,蓝藻可以产生多种生物活性物质即初级和次级代谢物,而其中的多糖在学术界和工业中都得到了广泛的关注。从技术上说,多糖很容易从培养液中获得;从化学组成和结构构象上来说,蓝藻多糖为杂多糖,由6~10个单糖(例如,中性糖、脱氧糖、糖醛酸、氨基糖、甲基糖)组成。与其它微生物聚合物相比,蓝藻多糖具有阴离子性质,其中许多含有两种不同的糖醛酸而且单糖或单体的数目及连接类型也非常复杂,因此产生了更为复杂的重复单元和大分子结构。蓝藻多糖中存在多肽分子或其它的非糖组分,如有机取代基(如乙酰基、琥珀酰基)或无机取代基(如硫酸或磷酸基团),这些取代基可以修改或决定食品重要的物理特性。这些结构和构象特征使得蓝藻多糖具有多种物理和化学性质,具有很好的工业应用特性。但目前蓝藻多糖规模化生产还存在许多问题,为缩短现有知识与蓝藻多糖的规模化生产之间的差距,我们仍需要不断的努力。对不同环境或培养条件下的蓝藻多糖的研究将使人们更好地了解蓝藻的代谢过程,这对于生产新的有商业价值的产品是十分必要的。总之,蓝藻多糖在食品行业中的应用仍处于起始阶段,一旦大规模的产品研制成功,这个机会将成为现实。

作者:于海峰 杨丹丹 单位:齐鲁工业大学 山东省微生物工程重点实验室 

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