利用微藻提取類胡蘿卜素方法研究進(jìn)展

許穎穎,王晚晴,2,華　威,2,劉文慧,2,田朝玉,程艷玲,2，*

(1.北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院,北京 100023;2.生物質(zhì)廢棄物資源化利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100023)

?

利用微藻提取類胡蘿卜素方法研究進(jìn)展

許穎穎1,王晚晴1,2,華威1,2,劉文慧1,2,田朝玉1,程艷玲1,2，*

(1.北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院,北京 100023;2.生物質(zhì)廢棄物資源化利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100023)

近年來,人工合成類胡蘿卜素的生物學(xué)效應(yīng)和安全性備受質(zhì)疑,微藻作為天然類胡蘿卜素的最佳來源受到人們廣泛的關(guān)注。在由微藻生產(chǎn)類胡蘿卜素的過程中,提取技術(shù)是影響其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文首先介紹常見的高產(chǎn)類胡蘿卜素微藻藻種,然后綜述了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于微藻類胡蘿卜素的各種提取方法以及最新研究進(jìn)展,對(duì)其中能夠?qū)崿F(xiàn)微藻培養(yǎng)和類胡蘿卜素提取同時(shí)進(jìn)行的原位萃取法進(jìn)行重點(diǎn)闡述。最后對(duì)微藻類胡蘿卜素的未來發(fā)展方向提出建議。

微藻,類胡蘿卜素,提取方法

類胡蘿卜素是一類脂溶性的類異戊二烯化合物,廣泛存在于各種植物、動(dòng)物和微生物中,作為生物體內(nèi)的天然抗氧化劑,發(fā)揮重要的生理功能。有研究表明,類胡蘿卜素具有預(yù)防和治療人類疾病以及改善人體健康狀況的功效,如預(yù)防心血管疾病,治療癌癥,改善視力,增強(qiáng)人體免疫力等。近年來,類胡蘿卜素在醫(yī)藥、食品、保健品、化妝品以及飼料行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,其全球市場(chǎng)需求量以每年2.9%的速度增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2017年可達(dá)到1000萬(wàn)t[1]。然而,這些商品化的類胡蘿卜素大多源于化學(xué)合成,其生物學(xué)效應(yīng)和安全性一直受到人們的質(zhì)疑[2-3]。隨著人們健康意識(shí)的不斷加強(qiáng),從天然原料中獲得的類胡蘿卜素受到越來越多的消費(fèi)者歡迎。

近年來,微藻作為生產(chǎn)生物燃料的可持續(xù)和可再生資源受到越來越多的關(guān)注。然而,微藻生物燃料技術(shù)不成熟、生產(chǎn)成本過高,至今未獲產(chǎn)業(yè)化突破。有學(xué)者將目光逐漸轉(zhuǎn)移到微藻其它高附加值產(chǎn)物的生產(chǎn)研究中。微藻被認(rèn)為是具有商業(yè)價(jià)值的天然類胡蘿卜素的最佳來源,從微藻中提取類胡蘿卜素具有明顯的優(yōu)勢(shì):首先,微藻生長(zhǎng)迅速,易培養(yǎng),適合大規(guī)模養(yǎng)殖;其次微藻代謝合成的色素種類很多,如β-胡蘿卜素、葉黃素、蝦青素等,而且這些色素的生物活性和抗氧化性已被證實(shí);最后,微藻生長(zhǎng)不受季節(jié)影響,不爭(zhēng)耕地和淡水資源,而且微藻適應(yīng)性強(qiáng),一些藻種在污水中也可以生長(zhǎng)繁殖[4-5]。因此,研究并開發(fā)微藻中的類胡蘿卜素,既可擴(kuò)大天然類胡蘿卜素來源,又可提高藻種的利用價(jià)值,從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

然而,就目前的情況來看,過高的生產(chǎn)成本是制約微藻類胡蘿卜素商業(yè)化生產(chǎn)的首要問題。利用微藻生產(chǎn)類胡蘿卜素需要經(jīng)過微藻的培養(yǎng)、藻體的采收以及提取純化三個(gè)階段。其中,藻體的采收和類胡蘿卜素的提取是決定生產(chǎn)成本高低的關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外已發(fā)表的文獻(xiàn)對(duì)微藻類胡蘿卜素的各種提取技術(shù)進(jìn)行總結(jié),旨在為微藻類胡蘿卜素的進(jìn)一步研究開發(fā)提供一定的參考。

表1　不同微藻類胡蘿卜素種類及含量Table 1　Carotenoid contein in carotenoid-rich microalgae

1　常見的高產(chǎn)類胡蘿卜素微藻藻種

對(duì)微藻作為類胡蘿卜素源的研究始于20世紀(jì)60年代,到目前為止所發(fā)現(xiàn)的富含類胡蘿卜素的微藻主要來自綠藻門,包括:小球藻Chlorella,柵藻Scenedesmus,衣藻Chlamydomonas,杜氏藻Dunaliella,Muriellopsis以及紅球藻Haematococcus等。在這些藻種中,杜氏鹽生藻Dunaliellasalina和雨聲紅球藻Haematococcuspluvialis已經(jīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)β-胡蘿卜素和蝦青素。常見產(chǎn)各種類胡蘿卜素的藻種及其含量如表1所示。

2　微藻類胡蘿卜素提取方法

近年來,如何有效地從微藻原料中提取類胡蘿卜素成為各國(guó)學(xué)者研究和探索的重點(diǎn)內(nèi)容。從微藻中獲得類胡蘿卜素通常需要經(jīng)過如下步驟:藻體收集→干燥處理→細(xì)胞破碎→提取操作。然而,藻體收集、干燥、細(xì)胞破碎需要消耗大量能量,導(dǎo)致成本偏高。一些學(xué)者改進(jìn)傳統(tǒng)的提取方法,將微藻的采收、破壁、提取結(jié)合起來或是省去微藻干燥步驟,從而簡(jiǎn)化操作步驟,減少能量消耗,降低生產(chǎn)成本。目前,常用來提取微藻中類胡蘿卜素的方法主要有:有機(jī)溶劑提取法、加壓溶劑提取法、超臨界/亞臨界流體萃取法、原位萃取法、雙水相萃取法等。

2.1有機(jī)溶劑提取法

傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取法是目前微藻類胡蘿卜素提取常用的方法之一。然而,一些高產(chǎn)類胡蘿卜素的藻種,像小球藻Chlorella,柵藻Scenedesmus,Muriellopsis等,它們的細(xì)胞壁十分堅(jiān)硬,破壁困難,常常導(dǎo)致類胡蘿卜素提取不完全。因此,在微藻類胡蘿卜素提取之前,需要進(jìn)行細(xì)胞破壁操作,或是采用一些輔助提取手段,將微藻細(xì)胞破壁過程與提取操作同時(shí)進(jìn)行。Cerón等[15]從柵藻ScenedesmusAlmeriensis中提取葉黃素時(shí),比較5種不同的藻體破壁前處理方法(氧化鋁研缽法、球磨法、氧化鋁球磨法、超聲波破碎法、氧化鋁球磨法結(jié)合超聲破碎法)對(duì)柵藻葉黃素提取率的影響。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞破碎處理對(duì)葉黃素提取率具有很大的影響,最佳的細(xì)胞破碎方法是采用氧化鋁球磨法處理5 min,其提取率達(dá)到98%,而未破碎的細(xì)胞中葉黃素的提取率僅為40%。Deenu等[16]優(yōu)化了超聲輔助90%乙醇提取小球藻粉Chlorellavulgaris中葉黃素工藝條件,在超聲功率為35 kHz、超聲強(qiáng)度56.58 W/cm2、提取溫度37.7 ℃、提取時(shí)間5 h,固液比31 mL/g最優(yōu)條件下,提取的葉黃素含量為(3.16±0.03)mg/g。趙曉燕等[17]對(duì)變頻微波輔助有機(jī)溶劑(乙酸乙酯∶乙醇=1∶2;v/v)提取雨生紅球藻Haematococcuspluvialis中的蝦青素提取條件進(jìn)行優(yōu)化,最佳液料比、提取溫度、提取時(shí)間分別為200∶1、45 ℃、20 min,蝦青素提取率為36.88%,該研究顯示變頻微波輔助混合有機(jī)溶劑萃取可快速提高雨生紅球藻中蝦青素提取率。表2總結(jié)了微藻破壁常用的幾種方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

表2　微藻細(xì)胞不同破壁方法比較[18-19]Table 2　Comparison of different methods for breaking microalgae cells[18-19]

微藻中的類胡蘿卜素主要以游離和脂肪酸酯兩種形式存在[20]。而采用有機(jī)溶劑提取出的類胡蘿卜素往往還存在葉綠素、油脂等雜質(zhì)。這些物質(zhì)的存在會(huì)影響提取出的類胡蘿卜素的純度,對(duì)后續(xù)操作產(chǎn)生影響。對(duì)類胡蘿卜素樣品進(jìn)行皂化處理,不僅可以將結(jié)合態(tài)的類胡蘿卜素釋放出來,提高游離態(tài)類胡蘿卜素含量,而且能夠有效去除葉綠素、油脂等雜質(zhì),從而使提取的類胡蘿卜素樣品純度更高[21]。皂化試劑一般選用KOH的甲醇溶液或水溶液,可以在室溫下皂化,也可以對(duì)樣品進(jìn)行適當(dāng)加熱處理,縮短皂化時(shí)間;皂化結(jié)束后用正己烷或石油醚等極性偏小的有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取;最后萃取產(chǎn)物再經(jīng)水洗去除KOH。但皂化會(huì)對(duì)類胡蘿卜素產(chǎn)生破壞,降低類胡蘿卜素的提取量,因此應(yīng)嚴(yán)格控制皂化條件,盡可能避免皂化帶來的損失。Cerón等[15]提出了一種適合工業(yè)化生產(chǎn)柵藻ScenedesmusAlmeriensis葉黃素的提取工藝,并對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化。這種方法主要包括三個(gè)步驟:細(xì)胞破碎,堿處理,溶劑提取。優(yōu)化結(jié)果表明,先采用氧化鋁球磨法處理藻粉5 min,再用4% w/v KOH溶液處理100 g/L藻體5 min,最后用與樣品相同體積的正己烷萃取,萃取次數(shù)為6次，葉黃素的回收率可達(dá)95%。

如果采用傳統(tǒng)的提取方法,在提取微藻類胡蘿卜素之前,需要進(jìn)行采收和干燥等步驟,從而使生產(chǎn)成本增加。Kang等[22]采用一種新的溶劑提取方法從雨生紅球藻Haematococcuspluvialis中提取游離的蝦青素。該方法共分為2個(gè)階段,在第一階段他們用十二烷從雨生紅球藻培養(yǎng)液中提取蝦青素及蝦青素酯,然后將十二烷與含有細(xì)胞碎片的培養(yǎng)基分離;第二階段是將十二烷與相同體積的0.02 mol/L NaOH-甲醇溶液不斷混合,在此過程中十二烷相中的蝦青素及其酯不斷轉(zhuǎn)移到甲醇相中,蝦青素酯在甲醇相中通過皂化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成游離的蝦青素,最后通過分離操作將兩相分開,十二烷相可以繼續(xù)循環(huán)使用。兩個(gè)階段蝦青素的提取率分別在95%和85%以上。與其他提取方法相比,該法可以省去微藻采收環(huán)節(jié),操作簡(jiǎn)單,低能耗,具有很高的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。然而由于有機(jī)溶劑具有一定的揮發(fā)性和毒性不利于人體健康和環(huán)保,因此,可以采用綠色溶劑植物油取代傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取微藻中的類胡蘿卜素。Kang等[23]使用常見的幾種植物油(大豆油、玉米油、葡萄籽油、橄欖油)提取雨生紅球藻中的蝦青素。在常溫下,取相同體積的植物油與雨生紅球藻培養(yǎng)液混合,強(qiáng)力攪拌使藻細(xì)胞破碎,靜置使兩相分層,植物油將藻細(xì)胞中的蝦青素萃取出來,藻細(xì)胞留于下相,油相的回收率可達(dá)到88%以上。該法綠色環(huán)保,能夠有效地保持油脂的穩(wěn)定性和天然性。提取完畢后,可以采用吸附的方法將微藻類胡蘿卜素與植物油分離。Baharin[24]采用兩種大孔吸附樹脂吸附棕櫚油中的類胡蘿卜素,吸附完畢后將吸附劑與棕櫚油分離,最后使用索氏提取法使吸附劑上的類胡蘿卜素解吸附。

2.2加壓溶劑萃取法

加壓溶劑萃取(pressurized liquid extraction,PLE),也稱加速溶劑萃取(Accelerated Solvent Extraction,ASE)是一種新型的樣品前處理技術(shù),目前已在農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[25]。其原理是在溫度(50～200 ℃)及高壓(500～3000 psi)的條件下,物質(zhì)的溶解度和溶質(zhì)的擴(kuò)散效率會(huì)相應(yīng)提高,從而達(dá)到增加提取率的目的[26]。與其他提取法相比,PLE具有萃取時(shí)間短、溶劑用量少、提取效率高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。Castro-puyana等[27]采用PLE法從富油新綠藻Neochlorisoleoabundans中提取類胡蘿卜素,同時(shí)比較PLE法與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑法對(duì)類胡蘿卜素提取率的高低。結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用100%乙醇在100 ℃提取20 min的條件下類胡蘿卜素的提取率為32.6%,遠(yuǎn)高于采用含有0.1%(w/v)二丁基羥基甲苯的丙酮提取,其提取率僅為28.3%。

盡管PLE法能夠獲得較高的類胡蘿卜素提取率,然而Grima等[14]學(xué)者認(rèn)為,由于該方法需要較高的提取溫度,而高溫會(huì)使微藻樣品中的葉綠素變成具有毒性的脫鎂葉綠酸,同時(shí)提取的類胡蘿卜素的活性也會(huì)受到影響,因此采用PLE法萃取微藻中的類胡蘿卜素存在一定的缺陷。Jaime等[28]利用PLE法從雨生紅球藻Haematococcuspluvialis中提取類胡蘿卜素,并對(duì)不同溫度(50,100,150,200 ℃)下提取的類胡蘿卜素的抗氧化活性加以比較。結(jié)果表明,在100%乙醇提取20 min的條件下,溫度越高,類胡蘿卜素提取率越高,而提取物的抗氧化活性隨之降低。

然而,Cha等[29]比較PLE法與傳統(tǒng)溶劑浸提法、索氏提取法、超聲輔助提取法對(duì)小球藻Chlorellavulgaris中類胡蘿卜素、葉綠素a和葉綠素b以及葉綠素衍生物脫鎂葉綠素a和脫鎂葉綠酸a含量的影響。他們發(fā)現(xiàn)與其它提取方法相比,PLE法顯示出對(duì)類胡蘿卜素和葉綠素更好的提取效果;同時(shí)還發(fā)現(xiàn),采用PLE法當(dāng)提取溫度160 ℃時(shí),提取物中的脫鎂葉綠酸a含量最小,僅為(0.01±0.00)mg/g,而傳統(tǒng)溶劑浸提法、索氏提取法、超聲輔助提取法脫鎂葉綠酸a的含量分別為0.85±0.09、5.15±0.59、(2.15±0.71)mg/g。他們推測(cè)這是由于高溫(>110 ℃)會(huì)使葉綠素酶失活,而其他提取方法是在溫度為20～80 ℃較溫和的條件下操作,葉綠素酶具有活性,加速了葉綠素轉(zhuǎn)變?yōu)槊撴V葉綠酸。因此,采用PLE法提取微藻中的色素是非常有前景的提取技術(shù)。

2.3超臨界/亞臨界流體萃取法

超臨界流體萃取法(Supercritical fluid extraction,SFE)是一項(xiàng)環(huán)境友好型綠色提取技術(shù),是以超臨界流體為溶劑,從待提物中萃取可溶性組分的分離操作。由于超臨界流體具有低粘度和良好的擴(kuò)散性能,使得提取效率更快速有效。通過改變超臨界流體的密度可以有選擇的提取微藻中的活性成分,提取完畢后,通過升高溫度或降低壓力,使超臨界流體變成普通氣體逸出,提取出的類胡蘿卜素?zé)o溶劑殘留,提取后的藻粉也可進(jìn)一步利用。超臨界流體具有非燃性、無(wú)毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),因此生產(chǎn)的產(chǎn)品安全性更高。

Kitada等[30]采用超臨界CO2萃取小球藻Chlorellavulgaris中的類胡蘿卜素和葉綠素,研究了提取壓力、溫度、夾帶劑(乙醇和丙酮)對(duì)提取物中色素含量的影響,并與傳統(tǒng)的索氏提取法進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn),最佳的提取壓力和溫度為50 MPa和80 ℃;超臨界CO2萃取法可以有選擇性的萃取葉黃素,但提取率低,而加入7.5%的乙醇作為夾帶劑可以有效的提高提取物中葉黃素的含量,但同時(shí)也提高了葉綠素的含量,導(dǎo)致提取的葉黃素純度較低;與SFE法相比,索氏提取法對(duì)色素的提取率最高。對(duì)此,有學(xué)者提出一種更有效的解決辦法。Bing等[31]采用超臨界流體抗溶劑法(Supercritical fluids extraction anti-solvent)從微綠球藻Nannochloropsisoculata索氏提取法的粗提物中提取純化玉米黃素。結(jié)果顯示,玉米黃素的純度為93.8%。該方法既具有傳統(tǒng)有機(jī)溶劑提取法和SFE法的優(yōu)勢(shì),同時(shí)又有效的避免了有機(jī)溶劑的毒性、提取物純度低等缺點(diǎn),因此在微藻類胡蘿卜素領(lǐng)域具有很大的發(fā)展空間。

亞臨界流體萃取法(Sub-critical fluid extraction)是利用亞臨界流體作為萃取劑,通過分子擴(kuò)散過程將萃取物料中的脂溶性成分轉(zhuǎn)移到液態(tài)萃取劑中,再通過減壓蒸發(fā)過程使萃取劑與目標(biāo)產(chǎn)物分離的一種新型萃取技術(shù)。亞臨界流體是一種處于超臨界狀態(tài)邊緣的流體,其壓力超過臨界點(diǎn)壓力,溫度低于臨界值,是一種高壓液體。與超臨界流體相比,亞臨界流體所需溫度更低,接近常溫,無(wú)需加熱設(shè)備,在設(shè)備投資和能源消耗上更經(jīng)濟(jì)可行。并且相同壓力的亞臨界CO2比超臨界CO2密度更高,溶解能力更強(qiáng)。目前,利用亞臨界流體萃取法從微藻中提取類胡蘿卜素的研究較少,只有黃星歆等[32]做過相關(guān)研究。他們采用超聲強(qiáng)化亞臨界CO2技術(shù)提取小球藻中的葉黃素,并對(duì)最佳工藝條件進(jìn)行探究,最后確定最佳工藝條件為:萃取溫度25 ℃,萃取壓力11 MPa,流體流量30 kg/h,夾帶劑無(wú)水乙醇用量1.5 mL/g,萃取時(shí)間3 h,超聲功率750 W,在此條件下,提取的葉黃素含量為68.85 mg/100 g小球藻粉。

2.4原位萃取法

原位萃取法(In situ extraction)是指將藻液與具有生物相容性的有機(jī)溶劑不斷混合,將類胡蘿卜素不斷萃取至有機(jī)溶劑相,同時(shí)微藻細(xì)胞仍然不斷合成類胡蘿卜素,實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)與類胡蘿卜素提取同時(shí)進(jìn)行,從而省去微藻采收環(huán)節(jié),提高類胡蘿卜素產(chǎn)量,降低生產(chǎn)成本的目的。

Hejazi等[33]將原位萃取法應(yīng)用于杜氏鹽生藻Dunaliellasalinaβ-胡蘿卜素的生產(chǎn)中。鹽藻細(xì)胞在正常條件下培養(yǎng)后,轉(zhuǎn)移到如圖1所示的生物反應(yīng)器中,強(qiáng)光照射誘導(dǎo)其產(chǎn)生大量的β-胡蘿卜素,同時(shí)不斷地向藻液底部注入十二烷,十二烷通過水相的過程將藻細(xì)胞中的β-胡蘿卜素萃取出來,最后十二烷在泵的作用下從上相重新回到底部繼續(xù)循環(huán)。實(shí)驗(yàn)證明:在強(qiáng)光照射和十二烷的存在下,杜氏藻仍然能夠存活(>47 d),然而細(xì)胞生長(zhǎng)變得緩慢,β-胡蘿卜素的提取率大于55%。Kleinegris等[34]對(duì)原位萃取法應(yīng)用于鹽藻的作用機(jī)制進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn):鹽藻細(xì)胞與水-有機(jī)相界面的接觸導(dǎo)致細(xì)胞死亡,細(xì)胞死亡和隨后的細(xì)胞破裂導(dǎo)致類胡蘿卜素的釋放使提取過程能夠有效的進(jìn)行。

原位萃取法雖然可以省去傳統(tǒng)提取法繁瑣的操作步驟,然而,Kleinegris等[35]研究發(fā)現(xiàn)采用原位萃取法提取杜氏藻β-胡蘿卜素的體積產(chǎn)量較低,為8.3 mg/L-1·d-1,而傳統(tǒng)的提取方法產(chǎn)量為13.5 mg/L-1·d-1。此外,兩相溶劑的乳化現(xiàn)象以及生物反應(yīng)器中氧氣的不斷積累會(huì)抑制鹽藻的生長(zhǎng),強(qiáng)光照射會(huì)使β-胡蘿卜素降解。這些缺點(diǎn)都阻礙了原位萃取法的進(jìn)一步發(fā)展。

圖1　原位萃取裝置示意圖Fig.1　Schematic overview of sparged set-up注:圖中1代表培養(yǎng)基和十二烷兩相,2代表十二烷相, 3代表培養(yǎng)基,4代表齒輪泵, 5代表十二烷氣泡,6代表磁力攪拌器。

2.5雙水相萃取法

雙水相萃取(Aqueous two-phase extraction,ATPE)起始于20世紀(jì)60年代,是一項(xiàng)非常具有研發(fā)前景的固液分離技術(shù)。與一般的水-有機(jī)物萃取原理相似,利用樣品在兩相系統(tǒng)間分配行為的差異進(jìn)行分離。ATPE系統(tǒng)在生物活性物質(zhì)提取和分離方面具有廣泛的應(yīng)用前景。目前,用ATPE法提取類胡蘿卜素的研究較少,只有Cisneros等[36]做過相關(guān)的研究,他們采用采收后的小球藻Chlorellaprotothecoides來研究葉黃素在PEG-磷酸鹽雙水相系統(tǒng)中的分配行為,首先采用小球藻濕重30%的乙醇提取藻泥中的葉黃素,然后用22.9%(w/w)PEG 8000和10.3%(w/w)磷酸鹽在pH7.0組成的雙水相系統(tǒng)萃取粗提物中的葉黃素,結(jié)果顯示絕大部分葉黃素分布于上相,藻細(xì)胞碎片分布于下相,葉黃素的產(chǎn)率在81.0%±2.8%。該方法的應(yīng)用為微藻類胡蘿卜素提取方法的研究開發(fā)提供了更廣闊的思路。

3　展望

微藻中類胡蘿卜素含量高、種類豐富而且微藻具有培養(yǎng)周期短、培養(yǎng)條件易控制、可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)成為良好的類胡蘿卜素來源。然而,利用微藻制備類胡蘿卜素卻是一個(gè)高成本的投入過程,嚴(yán)重制約了微藻類胡蘿卜素產(chǎn)品的研究開發(fā)。目前,微藻中類胡蘿卜素的提取主要采用機(jī)械破壁結(jié)合有機(jī)溶劑法,該法操作簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),但需要消耗大量的能量和有機(jī)溶劑。近年來伴隨著一些新的提取技術(shù)的研究,正如上文所提到的超聲提取法、微波提取法、加速溶劑提取法等都能夠在不同程度上有效地提高類胡蘿卜素的提取率,縮短提取時(shí)間以及減少溶劑消耗。但他們?cè)诓僮鬟^程中都不可避免的使用有機(jī)溶劑,不利于環(huán)保。而超臨界/亞臨界流體萃取法符合“綠色化學(xué)”所倡導(dǎo)的理念,生產(chǎn)的類胡蘿卜素產(chǎn)品安全性高,但該法對(duì)設(shè)備要求較高,類胡蘿卜素的提取率要低于溶劑法。上述的這些方法均需要對(duì)藻體進(jìn)行采收,這無(wú)疑增加了生產(chǎn)成本,而原位萃取法則可以有效地避免采收過程,能夠?qū)崿F(xiàn)微藻培養(yǎng)與類胡蘿卜素提取的同步進(jìn)行,從而減少能源消耗,降低生產(chǎn)成本,但該方法還處于發(fā)展階段,存在提取率低等問題。綜上所述,盡管人們對(duì)微藻類胡蘿卜素的提取已做出了廣泛深入的研究,也取得了一定的進(jìn)展,但目前還沒有一種方法可以同時(shí)具有高提取率、通用、快速、環(huán)保、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

因此,為了提高類胡蘿卜素產(chǎn)量,降低生產(chǎn)成本,將來對(duì)微藻類胡蘿卜素的開發(fā)應(yīng)主要集中在以下幾個(gè)方面:一是篩選生長(zhǎng)快速、類胡蘿卜素含量高的經(jīng)濟(jì)藻種;二是采用合適的提取方法,簡(jiǎn)化提取步驟,優(yōu)化提取工藝,降低生產(chǎn)成本,在不斷改進(jìn)現(xiàn)有方法缺陷的基礎(chǔ)上,研究開發(fā)新的技術(shù),實(shí)現(xiàn)微藻類胡蘿卜素的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn);三是利用現(xiàn)代基因工程技術(shù),對(duì)微藻藻株進(jìn)行改造,推進(jìn)微藻類胡蘿卜素的工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程。相信隨著各類新型藻種的開發(fā)以及微藻類胡蘿卜素提取工藝的不斷完善,微藻類胡蘿卜素大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)并不遙遠(yuǎn)。

[1]Venil CK,Zakaria ZA,Wan AA. Bacterial pigments and their applications[J]. Process Biochemistry,2013,48(7):1065-1079.

[2]Hof KHVH,G?rtner C,Wiersma A,et al. Comparison of the bioavailability of natural palm oil carotenoids and syntheticβ-carotene in humans[J]. Journal of agricultural and food chemistry,1999,(4):1582-1586.

[3]Gill GKCBS. Production and Characterization of Microbial Carotenoids as an Alternative to Synthetic Colors:a Review[J]. International Journal of Food Properties,2011,14(3):503-513.

[4]Ahmed F,Fanning K,Netzel M,et al. Profiling of carotenoids and antioxidant capacity of microalgae from subtropical coastal and brackish waters[J]. Food Chemistry,2014,165:300-306.

[5]Kleinegris DM,Janssen M,Brandenburg WA,et al. Two-phase systems:Potential for in situ extraction of microalgal products[J]. Biotechnol Advances,2011,29(5):502-507.

[7]Mogedas B,Casal C,Forján E,et al. Beta-carotene production enhancement by UV-A radiation in Dunaliella bardawil cultivated in laboratory reactors.[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering,2009,108(1):47-51.

[8]Abe K,Hattori H,Hirano M. Accumulation and antioxidant activity of secondary carotenoids in the aerial microalga Coelastrella striolata var. multistriata[J]. Food Chemistry,2007,100(2):656-661.

[9]武昌俊,唐欣昀. 光照對(duì)杜氏鹽藻突變?cè)逯闦eal生長(zhǎng)和積累玉米黃素的影響[J]. 食品科學(xué),2012,03:199-202.

[10]Liau BC,Hong SE,Chang LP,et al. Separation of sight-protecting zeaxanthin from Nannochloropsis oculata by using supercritical fluids extraction coupled with elution chromatography[J]. Separation and Purification Technology,2011,78(1):1-8.

[11]Song YK,Cha KH,Song DG,et al. Optimization of pressurized liquid extraction of zeaxanthin from Chlorella ellipsoidea[J]. Journal of Applied Phycology,2012,24(4):725-730.

[12]Sánchez JF,Fernández JM,Acién FG,et al. Influence of culture conditions on the productivity and lutein content of the new strain Scenedesmus almeriensis[J]. Process Biochemistry,2008,43(4):398-405.

[13]Inbaraj BS,Chien JT,Chen BH. Improved high performance liquid chromatographic method for determination of carotenoids in the microalga Chlorella pyrenoidosa[J]. Journal of Chromatography A,2006,1102(1-2):193-199.

[14]Fernández-Sevilla JM,Acién Fernández FG,Molina Grima E. Biotechnological production of lutein and its applications[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2010,86(1):27-40.

[15]Cerón MC,Campos I,Sánchez JF,et al. Recovery of lutein from microalgae biomass:development of a process for Scenedesmus almeriensis biomass[J]. Journal of agricultural and food chemistry,2008,56(24):11761-11766.

[16]Deenu A,Naruenartwongsakul S,Sang MK. Optimization and economic evaluation of ultrasound extraction of lutein from Chlorella vulgaris[J]. Biotechnology and Bioprocess Engineering,2013,18(6):1151-1162.

[17]趙曉燕,陳軍,陳鋒亮,等. 變頻微波法輔助萃取雨生紅球藻中蝦青素的研究[J]. 食品科技,2014,03:188-193.

[18]Günerken E,Hondt ED,Eppink MHM,et al. Cell disruption for microalgae biorefineries[J]. Biotechnology Advances,2015,33:243-260.

[19]鐘韻山,徐仰倉(cāng),荊柏林,等. 小球藻破壁技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 食品研究與開發(fā),2014,14:120-124.

[20]Amorim-Carrilho KT,Cepeda A,Fente C,et al. Review of methods for analysis of carotenoids [J]. Trac Trends in Analytical Chemistry,2014:49-73.

[21]Granado F,Olmedilla B,Gil-Martinez E,et al. A fast,reliable and low-cost saponification protocol for analysis of carotenoids in vegetables[J]. Journal of Food Composition and Analysis,2001,14(5):479-489(11).

[22]Kang CD,Sim SJ. Selective extraction of free astaxanthin from Haematococcus culture using a tandem organic solvent system[J]. Biotechnology Progress,2007,23(4):866-871.

[23]Kang CD,Sim SJ. Direct extraction of astaxanthin from Haematococcus culture using vegetable oils[J]. Biotechnol Lett,2008,30(3):441-444.

[24]Baharin BS,Latip RA,Che Man YB,et al. The effect of carotene extraction system on crude palm oil quality,carotene composition,and carotene stability during storage. J Am Oil Chem Soc,2001,78(8):851-855.

[25]Santoyo S,Rodríguez-Meizoso I,Cifuentes A,et al. Green processes based on the extraction with pressurized fluids to obtain potent antimicrobials from Haematococcus pluvialis microalgae[J].Lwt Food Science and Technology,2009,42(7):1213-1218.

[26]Gong J,Xu L,Yang Y,et al. Sequential ASE extraction of alkylphenols from sediments:Occurrence and environmental implications[J]. J Hazard Mater,2011,192(2):643-650.

[27]Castro-Puyana M,Herrero M,Urreta I,et al. Optimization of clean extraction methods to isolate carotenoids from the microalga Neochloris oleoabundans and subsequent chemical characterization using liquid chromatography tandem mass spectrometry.[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry,2013,405(13):4607-4616.

[28]Jaime L,Rodríguez-Meizoso I,Cifuentes A,et al. Pressurized liquids as an alternative process to antioxidant carotenoids' extraction from Haematococcus pluvialis microalgae[J]. Lwt Food Science and Technology,2010,43:105-112.

[29]Cha KH,Lee HJ,Song YK,et al. Optimization of pressurized liquid extraction of carotenoids and chlorophylls from Chlorella vulgaris.[J]. J Agric Food Chem,2010,58(2):793-797.

[30]Kitada K,Machmudah S,Sasaki M,et al. Supercritical CO2extraction of pigment components with pharmaceutical importance from Chlorella vulgaris[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology,2009,84(5):657-661.

[31]Liau BC,Shen CT,Liang FP,et al. Supercritical fluids extraction and anti-solvent purification of carotenoids from microalgae and associated bioactivity[J]. Journal of Supercritical Fluids,2010,55(1):169-175.

[32]黃星歆,丘泰球. 超聲強(qiáng)化亞臨界CO2萃取小球藻中葉黃素的研究[J]. 食品工業(yè)科技,2010,31(04):212-215.

[33]Hejazi MA,Holwerda E,Wijffels RH. Milking microalga Dunaliella salina for beta-carotene production in two-phase bioreactors.[J]. Biotechnology and Bioengineering,2004,85(5):475-481.

[34]Kleinegris DM,van Es MA,Janssen M,et al. Phase toxicity of dodecane on the microalga Dunaliella salina[J]. Journal of Applied Phycology,2011,23(6):949-958.

[35]Kleinegris DM,Janssen M,Brandenburg WA,et al. Continuous production of carotenoids from Dunaliella salina[J]. Enzyme Microb Technol,2011,48(3):253-259.

[36]Cisneros M,Benavides J,Brenes CH,et al. Recovery in aqueous two-phase systems of lutein produced by the green microalga Chlorella protothecoides[J]. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci,2004,807(1):105-110.

Research advances in utilization of microalgae for carotenoids production

XU Ying-ying1,WANG Wan-qing1,2,HUA Wei1,2,LIU Wen-hui1,2,TIAN Chao-yu1,CHENG Yan-ling1,2,*

(1.Biochemical Engineering College,Beijing Union University,Beijing 100023,China;2.Beijing Key Laboratory of Biomass Waste Resource Utilization,Beijing 100023,China)

In recent years,the biological effects and safety of synthetic carotenoids have been disputed. People’s attention has been attracted by microalgae,the best resource of natural carotenoids. In the process of utilizing microalgae for carotenoids production,extracting technology becomes one of the key steps in promotion and application of microalgae carotenoids. In this paper,microalgae specises which have high content carotenoids were introduced,and different extracting methods on carotenoids from microalgae and the latest research progress in China and abroad were reviewed. The in situ extraction in which cultivating microalgae and extracting carotenoids could be carried out simultaneously was particularly discussed. Finally,the future trends of microalgae carotenoids was proposed.

microalgae;carotenoids;extraction

2015-05-13

許穎穎(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：生物活性物質(zhì)分離技術(shù)，E-mail:15101632931@163.com。

程艷玲(1972-)，女，博士，副教授，研究方向：生物活性物質(zhì)分離與生物能源，E-mail:cheng1012cn@aliyun.com。

北京市教委及北京市自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目(KZ201411417038)；“863計(jì)劃”課題(2014AA022002)；國(guó)家國(guó)際科技合作課題(2014DFA61040) ；北京市科委項(xiàng)目(Z141109004414002，Z121100001312010)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)03-0375-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.070