李燦良,鐘 敏,胡雪瓊,李雁群
(廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院,廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,水產(chǎn)品深加工廣東普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東湛江524088)
從富油新綠藻提取葉綠素的研究
李燦良,鐘敏,胡雪瓊,李雁群*
(廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院,廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,水產(chǎn)品深加工廣東普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東湛江524088)
為了探討利用微藻生產(chǎn)天然食用色素葉綠素可能性及其工藝條件,以富油新綠藻為研究對(duì)象,首先研究通過(guò)提高培養(yǎng)基氮源含量來(lái)提高藻細(xì)胞葉綠素含量,然后針對(duì)提取溶劑配方、提取劑的用量、提取時(shí)間、提取溫度等工藝條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分析提取工藝參數(shù)對(duì)葉綠素提取效果的影響,對(duì)超聲波輔助提取做了探討,最后通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)提取條件進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,丙酮∶乙醇=1∶3的混合溶劑、溶劑用量為鮮藻泥質(zhì)量的8倍、提取溫度45℃、提取時(shí)間8h的工藝條件可以獲得滿意的提取效果。實(shí)驗(yàn)表明,在本文的微藻培養(yǎng)條件和優(yōu)化的葉綠素提取條件下,富油新綠藻的葉綠素提取率可以達(dá)到53.69mg/g(藻干物質(zhì)),實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明超聲波處理對(duì)于富油新綠藻的葉綠素提取沒(méi)有促進(jìn)作用。
綠藻,富油新綠藻,葉綠素
葉綠素是脂溶性卟啉類(lèi)化合物,色澤鮮艷,是所有綠色植物的基本化學(xué)物質(zhì),是優(yōu)質(zhì)、食用安全的天然色素,廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和日用化學(xué)工業(yè)[1-2]。目前,葉綠素主要從竹葉、苧麻葉、蠶砂等原料中提取。由于綠色素的需求量大,葉綠素的生產(chǎn)量不能滿足對(duì)綠色素的市場(chǎng)需求,許多食品和藥品仍然還在使用化學(xué)合成的綠色素。因此,開(kāi)發(fā)葉綠素的生產(chǎn)原料、增加葉綠素的供應(yīng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
近年來(lái),微藻在能源、食品等多方面應(yīng)用的研究廣泛開(kāi)展起來(lái)[3-4]。綠藻門(mén)微藻大多葉綠素含量高,因此,利用微藻生產(chǎn)葉綠素將具有良好的前景。不僅如此,在利用微藻作為油脂和蛋白質(zhì)資源方面,如果能在生產(chǎn)中先提取葉綠素,可以增加微藻的價(jià)值,降低微藻在食品、化工、能源等領(lǐng)域應(yīng)用的成本,增加收益[5]。
在傳統(tǒng)的以高等植物葉子或蠶沙為原料的葉綠素提取工藝中,一般用丙酮、甲醇、乙醇等溶劑,或者用這些溶劑的混合溶劑為提取劑[6-8],這種工藝提取設(shè)備較為簡(jiǎn)單、操作容易、設(shè)備投入相對(duì)較低、生產(chǎn)能力也較大,所以得到廣泛的采用。此外,一些新工藝也逐步得到關(guān)注,如超臨界CO2提取工藝[9-10]、超聲波輔助提取技術(shù)也被應(yīng)用到葉綠素的提取工藝中[11]。但是,超臨界CO2工藝要求材料必須先經(jīng)過(guò)干燥,而葉綠素是熱敏性色素,因此只能采用諸如冷凍干燥等低溫干燥工藝,這必然大幅度增加生產(chǎn)成本。超聲波輔助有助于提取過(guò)程中的質(zhì)量傳遞,特別是有利于葉綠素從大尺寸的顆粒材料中提取出來(lái),但是,大規(guī)模工業(yè)化超聲波輔助設(shè)備除了設(shè)備復(fù)雜以外,存在超聲波在物料中的傳遞障礙和梯度分布容易造成局部過(guò)熱等問(wèn)題,所以其在葉綠素等熱敏性成分提取中的應(yīng)用也受到一定的影響。從微藻中提取葉綠素作為食品添加劑的研究少有報(bào)道,以綠藻為原料生產(chǎn)的葉綠素也尚未見(jiàn)上市。富油新綠藻是綠藻門(mén)微藻,在國(guó)外用來(lái)作為鮑魚(yú)飼料,具有食用安全性的潛力,葉綠素含量高,近幾年本實(shí)驗(yàn)室利用其高產(chǎn)油脂能力開(kāi)展研究,然而,在油脂提取之前提取葉綠素,充分利用資源,提高微藻原料的附加值具有重要意義。微藻作為單細(xì)胞生物,與高等植物有所不同。微藻和高等植物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)有較大的差異,在其材料的顆粒大小和混合流動(dòng)狀態(tài)以及溶劑的滲透性等方面都有自身的特點(diǎn)。因此,從微藻中提取葉綠素與傳統(tǒng)工藝中有何差異,值得研究。本文擬研究從富油新綠藻中提取葉綠素的工藝條件,比較溶劑、溫度、提取時(shí)間、超聲波等工藝條件對(duì)提取效率的影響,以期為開(kāi)發(fā)利用微藻生產(chǎn)葉綠素的工藝提供參考數(shù)據(jù)。
1.1材料與儀器
藻種富油新綠藻Neochloris oleoabundans,從美國(guó)德克薩斯大學(xué)(奧斯丁)藻種保存中心引入,本實(shí)驗(yàn)室保存;丙酮、無(wú)水乙醇、95%乙醇、NaNO3、NaCl、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4、CaCl2、FeCl3均為分析純,購(gòu)自湛江市林達(dá)化學(xué)試劑公司。
TDL-5-A型低速臺(tái)式離心機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠;WFJ 7200型可見(jiàn)分光光度計(jì)尤尼柯上海儀器有限公司;HWS-24型電熱恒溫水浴鍋上海-恒科學(xué)儀器有限公司;QHZ-98B型全溫度光照振蕩培養(yǎng)箱太倉(cāng)市華美生化儀器廠;98-2型磁力攪拌器上海司樂(lè)儀器有限公司;FA1004型精密電子天平等。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1藻細(xì)胞收獲富油新綠藻接種于裝有1000mL改良SE培養(yǎng)基的大錐形瓶中培養(yǎng),通入含5%CO2的空氣、連續(xù)光照、用磁力攪拌器攪拌,在室內(nèi)通過(guò)空調(diào)、通風(fēng)和取暖器調(diào)節(jié)室溫使培養(yǎng)液溫度穩(wěn)定在28~30℃,培養(yǎng)7d,將微藻培養(yǎng)液在3300×g離心10min,傾去上清液,得到濕藻細(xì)胞(簡(jiǎn)稱藻泥)作為原材料用于葉綠素提取實(shí)驗(yàn)。
1.2.2藻生物量測(cè)定藻培養(yǎng)液或藻泥懸浮液中藻生物量的測(cè)定采用參考文獻(xiàn)[12]的方法,即先將樣品適當(dāng)稀釋,再測(cè)600nm波長(zhǎng)下的光密度OD600,以O(shè)D600× 0.4之積為細(xì)胞生物量(g/L,細(xì)胞干物質(zhì)質(zhì)量)。
1.2.3葉綠素提取直接測(cè)定微藻培養(yǎng)液中的葉綠素含量的方法,取微藻培養(yǎng)液2mL于離心管中,3300×g離心10min,棄上清得微藻細(xì)胞,加2mL丙酮,振蕩混勻,在4~10℃放置24h,3300×g離心10min,上清液即為葉綠素提取液,用于葉綠素含量測(cè)定;
葉綠素提取條件實(shí)驗(yàn)中葉綠素含量測(cè)定方法,稱取一定質(zhì)量的藻泥于提取容器中(離心管或三角瓶),添加提取劑(提取劑的配方和用量按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件定)制成懸浮液,在設(shè)定溫度下振蕩浸提一定時(shí)間,取懸浮液于離心機(jī)中3300×g離心10min,取上清液即為葉綠素提取液,用于葉綠素含量測(cè)定。
1.2.4葉綠素含量測(cè)定葉綠素提取液分別在663、645nm測(cè)定光密度值,提取液中葉綠素含量按Becker的方法計(jì)算[13]。
葉綠素含量(mg/L)=20.21×OD645+8.02×OD663
式中:OD645—提取液在波長(zhǎng)645nm時(shí)的光密度;OD663—提取液在波長(zhǎng)663nm時(shí)的光密度。
1.2.5培養(yǎng)基氮源量對(duì)綠藻細(xì)胞中葉綠素含量的影響用改良的SE培養(yǎng)基,其中氮源(NaNO3)含量分別為10、20、25、30mmol/L,在1000mL三角瓶中裝液量為800mL,控制室溫以維持培養(yǎng)液溫度在28~30℃,以1vvm的流量通入含5%(v/v)CO2的空氣,5000lux強(qiáng)度的人工燈光連續(xù)光照,磁力攪拌,每天按照1.2.2測(cè)培養(yǎng)液中藻的生物量并按照1.2.3和1.2.4的方法測(cè)葉綠素含量。
1.2.6不同提取劑配方對(duì)葉綠素提取效果的影響先按照表1配制提取劑,然后各稱取1.00g藻泥,加30mL表1中相應(yīng)提取劑,置于50mL離心管中,在30℃恒溫箱中振蕩浸提,在2、4、6、12、24h分別取樣2mL,離心,取上清液測(cè)OD663和OD645,計(jì)算提取液中的葉綠素含量。
表1 提取劑配方Table.1 The formulas of extraction solvents
1.2.7提取劑用量對(duì)提取葉綠素效果影響各稱取1.00g藻泥,分別按藻泥質(zhì)量(g)∶提取液體積(mL)為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶30的提取劑用量添加前步實(shí)驗(yàn)得出的最好配方的提取劑,置于40mL離心管中,在30℃恒溫箱中振蕩浸提12h,取懸液2mL,離心,取上清液測(cè)葉綠素含量。
1.2.8提取溫度對(duì)葉綠素提取效果影響按照上兩步實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的提取劑配方、提取劑用量,取1.00g藻泥加提取劑,分別在20、30、40、50、60℃條件下提取12h,測(cè)量提取液葉綠素。
1.2.9超聲波處理對(duì)葉綠素提取效果影響分別取200mg藻泥置于4個(gè)5mL容積的薄壁離心管中,加1mL提取劑,在冰浴中,進(jìn)行超聲波處理,處理時(shí)間分別為10、30、45、60min,然后按照優(yōu)化的提取劑、提取劑用量和提取溫度提取12h,測(cè)量提取液的葉綠素含量。
1.2.10正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用4因素3水平(L34)正交設(shè)計(jì)表,對(duì)提取溫度、提取劑用量和提取時(shí)間的參數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)的因素和水平安排如表2所示,按照正交表安排實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)做3個(gè)重復(fù),用重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
表2 正交設(shè)計(jì)因素水平表Table.2 The factors and levels in the orthogonal design
2.1培養(yǎng)基氮源量對(duì)綠藻細(xì)胞中葉綠素含量的影響
培養(yǎng)基氮源含量對(duì)細(xì)胞生物量的影響結(jié)果如圖1所示,在微藻的培養(yǎng)過(guò)程中藻細(xì)胞的生物量變化符合單細(xì)胞微生物生長(zhǎng)規(guī)律,氮源含量的高低影響了微藻生長(zhǎng)的進(jìn)程,但是在第7d藻生物量基本相同,總生物量沒(méi)有隨氮源量的不同而變化,這表明在實(shí)驗(yàn)的濃度范圍內(nèi)氮源是足夠的,而其他營(yíng)養(yǎng)素的不足限制了生物量的增長(zhǎng)。
圖1 在不同含氮培養(yǎng)基中細(xì)胞生物量隨培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)Fig.1 The biomass increased with cultivation time in the medium congtaining different nitrogen concentration
氮源含量對(duì)細(xì)胞葉綠素含量的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2,從圖中可見(jiàn)10~25mmol/L之間氮源濃度增加提高了葉綠素含量,在25mmol/L的氮源濃度條件下葉綠素含量達(dá)到最大,而30mmol/L的氮源濃度條件下細(xì)胞的葉綠素含量反低于25mmol/L。參考文獻(xiàn)[12]的結(jié)果表明,在3~20mmol/L的氮源濃度范圍內(nèi),隨著氮源濃度的增加藻細(xì)胞的葉綠素含量也增加。結(jié)合圖2所示的結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果,說(shuō)明可以將氮源濃度進(jìn)一步提高到25mmol/L以提高藻細(xì)胞的葉綠素含量。綠藻作為靠葉綠素進(jìn)行光合作用的單細(xì)胞植物,可期望用于生產(chǎn)葉綠素。在作為能源、飼料等用途的培養(yǎng)中可以兼顧葉綠素的生產(chǎn)來(lái)選用培養(yǎng)基配方或培養(yǎng)條件。
圖2 在不同含氮培養(yǎng)基中細(xì)胞中葉綠素的含量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.2 The cell chlorophyll content varied with cultivation time in the medium congtaining different nitrogen concentration
2.2提取劑配方對(duì)葉綠素提取效果的影響
提取劑配方對(duì)葉綠素提取效果的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。葉綠素為脂溶性色素,提取劑的極性對(duì)提取效率有很大影響。實(shí)驗(yàn)所用的提取劑配方不同,提取劑的極性、滲透能力都不一樣,結(jié)果表明丙酮∶乙醇=1∶3的混合溶劑得到最好的提取效果,因此可以選用此溶劑作為提取劑。從提取率隨提取時(shí)間的變化可見(jiàn),提取時(shí)間在2~12h時(shí),隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng),綠藻中的葉綠素提取率快速增加,而從12~24h則未見(jiàn)明顯增加。葉綠素提取是由細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外擴(kuò)散的過(guò)程,因此可以認(rèn)為經(jīng)過(guò)12h的浸提葉綠素基本能夠從細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)散到細(xì)胞外,即12h可以基本完成葉綠素的提取,所以提取時(shí)間可以確定為12h。
表3 不同配方提取劑提取葉綠素的效果Table.3 The chlorophyll extraction effect of different solvents
2.3提取劑用量對(duì)葉綠素提取效果的影響
以丙酮∶乙醇=1∶3的混合溶劑為提取劑,用不同的提取劑用量在30℃下提取12h,測(cè)量葉綠素提取效果,結(jié)果見(jiàn)圖3。從結(jié)果可見(jiàn),提取劑用量(體積,mL)為藻泥質(zhì)量(g)的5倍增加到10倍時(shí)葉綠素提取率提高明顯,但是提取劑用量增加到10倍以上后葉綠素提取率不再提高,說(shuō)明10倍的提取劑用量已經(jīng)足夠。提取劑的用量越高,溶劑回收的負(fù)擔(dān)越大,生產(chǎn)成本必然提高,因此提取劑用量應(yīng)適當(dāng)。
2.4提取溫度對(duì)葉綠素提取效果的影響
用丙酮∶乙醇=1∶3的混合溶劑,提取劑用量(mL)為藻泥重量的10倍,在20~60℃范圍內(nèi)的不同溫度下提取12h,葉綠素提取效果見(jiàn)圖4。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),在20℃的溫度下綠藻葉綠素提取率較低,在20~40℃之間,葉綠素提取率逐步提高,40~50℃時(shí)提取率達(dá)到了最高,為51.54mg/g;50℃之后,葉綠素提取率有下降的趨勢(shì)。較高的提取溫度可以加速葉綠素?cái)U(kuò)散速度,能提高提取效率。但是葉綠素對(duì)熱不穩(wěn)定,在高溫下容易發(fā)生分解,提取溫度過(guò)高葉綠素得率反而下降。所以,提取溫度的確定既要考慮提取速率又要考慮葉綠素的穩(wěn)定性,采用40~50℃比較合適。
圖3 提取劑用量對(duì)葉綠素提取效果的影響Fig.3 The effects of solvent quantities on the chlorophyll extraction
圖4 提取溫度對(duì)葉綠素提取效果的影響Fig.4 The effects of temperatures on the chlorophyll extraction
2.5超聲波處理對(duì)葉綠素提取效果的影響
超聲波處理對(duì)葉綠素提取效果的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由結(jié)果可見(jiàn),超聲波處理10、30、45、60min后綠藻葉綠素提取率都比不進(jìn)行超聲波處理的要低。可見(jiàn),超聲波輔助提取在本實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有促進(jìn)作用的效果。因此,從節(jié)約生產(chǎn)成本考慮,以不采用超聲波輔助提取為好。
表4 超聲波處理對(duì)葉綠素提取的作用Table.4 The effect of ultrasonication on the chlorophyll extraction
有文獻(xiàn)報(bào)道超聲波有利于葉綠素的提取,可以提高提取效率,縮短提取時(shí)間[14],但綠藻中葉綠素提取研究還未見(jiàn)報(bào)道。超聲波處理過(guò)程中,樣品溫度升高,雖然有利于物質(zhì)的擴(kuò)散傳遞,但是葉綠素具有熱不穩(wěn)定性,容易造成分解。超聲波頻率高,穿透能力強(qiáng),對(duì)于從顆粒大、結(jié)構(gòu)緊密的材料中提取目標(biāo)物質(zhì)是有利的,但是富油新綠藻作為單細(xì)胞微藻,材料顆粒小,超聲波不能發(fā)揮促進(jìn)提取的作用,相反如使用不當(dāng)造成提取溫度升高還反會(huì)促進(jìn)葉綠素分解。這可能是本實(shí)驗(yàn)在用超聲波處理時(shí),沒(méi)有取得更好提取效果的原因。
2.6正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
正交設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由極差分析可見(jiàn),溫度是影響更加明顯的因素,提取劑用量的影響次之,提取時(shí)間的影響最小。從各因素對(duì)結(jié)果的影響趨勢(shì)看,提取溫度為45℃時(shí)可以獲得最大的提取率,而40℃和50℃的提取溫度下提取率都更低,說(shuō)明溫度太低提取不盡,溫度太高葉綠素分解也可能增加。提取劑用量從6~8倍提取率增加較大,但是提取劑用量從8~10倍的提取率增加不明顯,提取劑用量的增加會(huì)增加溶劑蒸餾的負(fù)擔(dān),因此,提取劑用量可以采用藻泥重量的8倍作為提取劑用量。從提取時(shí)間的影響看,實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)提取效果沒(méi)有明顯的影響,提取時(shí)間達(dá)到8h已經(jīng)足夠,增加提取時(shí)間并不能增加提取效率,這時(shí)實(shí)驗(yàn)的其他因素的作用顯得更加重要,所以,看上去10h和12h提取時(shí)間獲得的提取率反更少。從提取效果和生產(chǎn)成本綜合來(lái)考慮,從富油新綠藻提取葉綠素的工藝條件可以采用A2B2C1即45℃的提取溫度,8倍于藻泥質(zhì)量的提取劑用量和8h的提取時(shí)間。用A2B2C1條件做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到的葉綠素提取率為53.69mg/g。
表5 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析Table.5 The experiment results and analysis of orthogonal design
適當(dāng)增加培養(yǎng)基的氮源含量可以提高富油新綠藻細(xì)胞葉綠素含量,在以硝酸鈉為氮源的情況下,氮源濃度為25mmol/L為宜;在葉綠素提取過(guò)程中,提取劑用丙酮∶乙醇為1∶3的混合提取劑效果較好,提取劑的體積用量以微藻生物量質(zhì)量數(shù)的8倍為宜,提取溫度45℃可以獲得較高的提取效率又可以避免發(fā)生葉綠素的嚴(yán)重的熱分解,提取時(shí)間8h可以充分完成提?。怀暡ㄝo助不能增加富油新綠藻的葉綠素提取效率,使用不當(dāng)還可能降低葉綠素得率,因此不必采用超聲波輔助的提取工藝;采用優(yōu)化的提取工藝條件從富油新綠藻中可以提取葉綠素達(dá)到53.69mg/g(對(duì)藻干物質(zhì))。
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Study on the extraction of chlorophyll from a green microalga
LI Can-liang,ZHONG Min,HU Xue-qiong,LI Yan-qun*
(College of Food Science and Technology,Guangdong Ocean University,Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety,Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution,Zhanjiang 524088,China)
In order to study the possibility of the production of natural edible pigment chlorophyll from green microalgae,and to investigate the procession conditions of that production,the effects of nitrogen source contents in the medium on the chlorophyll content of the microalgal cell were investigated,and the effects of the solvent formulas,solvent quantities,extraction time,extraction temperature and ultrasonication on the chlorophyll extraction were studied.The results indicated that a satisfied extract rate could be obtained when 8 times of a complex solvent composed of acetone and ethanol at a ratio of 1∶3 based on the microalgal biomass was utilized and the extraction was performed at 45℃for 8h.At that procession conditions,53.69mg/g(by dry cell weight)of chlorophyll had been extracted from the green microalga Neochloris oleoabundans.
green microalga;Neochloris oleoabundans;chlorophyll
TS201.1
B
1002-0306(2015)04-0199-05
10.13386/j.issn1002-0306.2015.04.035
2014-02-11
李燦良(1990-),男,本科,研究方向:食品科學(xué)與工程。
李雁群(1963-),男,博士,教授,研究方向:食品生物技術(shù)。
國(guó)家十二五農(nóng)業(yè)領(lǐng)域項(xiàng)目子課題(2011BAD14B03-06);廣東省國(guó)際合作項(xiàng)目(2011B050400027);廣東海洋大學(xué)引進(jìn)人才啟動(dòng)項(xiàng)目。