類球紅細菌應用進展

陳 琳， 李祖明

(北京聯(lián)合大學 應用文理學院，北京 100191)

類球紅細菌應用進展

陳 琳， 李祖明*

(北京聯(lián)合大學 應用文理學院，北京 100191)

類球紅細菌(RhodobacterSphaeroides)屬光合細菌，是目前研究最深入的光合微生物之一，具有多種代謝方式。不僅能夠產(chǎn)生類胡蘿卜素、輔酶Q10、超氧化物歧化酶、5-氨基乙酰丙酸和氫氣，而且能夠降解農(nóng)藥殘留、有機廢水和多環(huán)芳烴等有毒有害物質(zhì)，應用領域十分廣泛。本文綜述了類球紅細菌在食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、氫氣生產(chǎn)等領域中的應用進展，并對類球紅細菌的應用前景進行展望。

類球紅細菌；應用；進展

類球紅細菌屬于紫色非硫細菌，是目前研究最深入的光合微生物之一[1]，能在多種條件下生長，如有氧、無氧、黑暗等[2]。類球紅細菌不僅可以產(chǎn)生輔酶Q10[3]、類胡蘿卜素[4]、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)[5]、5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic, ALA)[6]、氫氣[7]和D-阿洛酮糖[8]等，還能降解農(nóng)藥殘留[9]、有機廢水[10]和多環(huán)芳烴(Polyaromates aromatic hydrocarbons, PAHs)[11]等，還可以固定二氧化碳和氮氣以及補救放射性污染[1]?？梢?，類球紅細菌應用領域十分廣泛，已經(jīng)成為一種具有巨大的工業(yè)化開發(fā)潛力的微生物[12]。

1 類球紅細菌在食品領域的應用

1.1 功能食品

輔酶Q10是一個內(nèi)生酶輔助因子，在人類所有活細胞中都能產(chǎn)生，分布在細胞膜上，是一種強力的抗氧化膳食補充劑[13]。Kien等[3]篩選出一種生產(chǎn)輔酶Q10的類球紅細菌突變株KACC 91339P，其輔酶Q10的產(chǎn)量達到8.12 mg/g DCW。SOD屬于金屬酶類，可以通過催化超氧陰離子自由基的歧化反應，有效地清除體內(nèi)的超氧陰離子自由基，實現(xiàn)抗氧化的功能[14]，從而應用于功能食品中，如生產(chǎn)SOD功能蘋果[15]。李祖明等[5]用類球紅細菌3575生產(chǎn)SOD，其SOD的收率提高11.5%。類胡蘿卜素作為維生素A原，具有抗氧化功能，可用于生產(chǎn)保健食品；Chen等[4]用類球紅細菌生產(chǎn)類胡蘿卜素，其產(chǎn)量達到17.245 mg/L。

1.2 食品添加劑

番茄紅素屬于類胡蘿卜素，最早從番茄中分離制得，具有營養(yǎng)與著色雙重作用，在許多國家被作為食品添加劑廣泛應用于食品色素領域；李德和等[16]從類球紅細菌中提取番茄紅素并用響應面法對番茄紅素的提取條件進行優(yōu)化，使番茄紅素提取量達到9 326.48 μg/g。D-阿洛酮糖屬于D-果糖的差向異構(gòu)體，可以作為甜味劑用于減肥食品中[17]。張龍濤等[8]篩選出生產(chǎn)D-阿洛酮糖的類球紅細菌突變株SK011，其D-阿洛酮糖的產(chǎn)率達到6.54%。

1.3 食品安全

農(nóng)藥殘留是食品安全問題的重要因素之一，如何解決農(nóng)藥殘留問題以獲得無農(nóng)藥殘留的食品越來越受到人們的重視。研究發(fā)現(xiàn)，微生物降解是解決食品農(nóng)藥殘留問題的有效措施之一[18]。類球紅細菌作為一種農(nóng)藥殘留降解菌，能有效地降低農(nóng)藥殘留，有利于食品安全。它可以降低草莓表面殘留的敵敵畏，使敵敵畏的安全間隔期縮短[9]。還可以在不產(chǎn)生有毒降解產(chǎn)物的條件下，快速降解水中敵敵畏，對斑馬魚起一定的保護作用[19]。

2 類球紅細菌在醫(yī)藥領域的應用

類胡蘿卜素是一類生物活性物質(zhì)，可以預防癌癥以及一些與生活方式有關(guān)的疾病，如冠心病、老年黃斑變性[20]。李祖明等[21]從類球紅細菌中提取類胡蘿卜素并采用正交試驗對其提取條件進行了優(yōu)化，優(yōu)化后提取率較優(yōu)化前提高了74.8%。輔酶Q10是氧化磷酸化鏈的重要組成部分，能作為一種抗氧化物，防止脂質(zhì)過氧化和清除超氧化物[22]；可以用來防止藥物的副作用以及治療心血管疾病、癌癥、牙齦疾病和高血壓[23]；還有助于預防和治療線粒體疾病[24]。李祖明等[25]采用正交實驗優(yōu)化了酶法輔助超聲波法提取類球紅細菌輔酶Q10的提取條件，優(yōu)化后提取率較優(yōu)化前提高了91.9%。SOD作為一種生物體重要的細胞防御系統(tǒng)，具有抗衰老、抗腫瘤、抗輻射和消炎作用，已被用作藥品添加劑，廣泛應用于醫(yī)學領域[26]。Kho等[27]已經(jīng)證明類球紅細菌中含有多種SOD，如銅超氧化物歧化酶和鋅超氧化物歧化酶等。移位蛋白(Translocater protein, TSPO)是一種跨膜蛋白，存在于細菌、哺乳動物等多種生物中，可參與膽固醇運輸、卟啉運輸以及凋亡信號傳導，具有神經(jīng)保護作用，是防治癌癥和神經(jīng)炎癥等疾病的關(guān)鍵性物質(zhì)，能從類球紅細菌中獲得表達和純化[28]。

3 類球紅細菌在氫氣生產(chǎn)領域的應用

氫氣既能作為一種原材料生產(chǎn)其他化學物質(zhì)，又是一種環(huán)境友好型燃料，即“綠色”氫氣，供給能源[29]。目前，每年平均生產(chǎn)約5 000億m3的氫氣，其中96%的氫氣是在化石原材料的基礎上通過部分氧化來生產(chǎn)的[29]。然而，在未來的幾十年里，化石資源將越來越稀缺。因此，開發(fā)更有效的方法來生產(chǎn)“綠色”氫氣以滿足人們對于這一重要物質(zhì)的需求是目前研究的一個熱點?！熬G色”氫氣可以通過一系列的方法生產(chǎn)，如使用可再生電力電解水、利用太陽能裂解水、生物質(zhì)氣化以及光發(fā)酵[30]。其中光發(fā)酵產(chǎn)氫速率快，可使氫氣成為較便宜的能源載體，是一種有效的制氫方法[31]。大量研究發(fā)現(xiàn)，類球紅細菌已經(jīng)成為一種光發(fā)酵產(chǎn)氫的有效菌種[32]。Laocharoen等[7]發(fā)現(xiàn)類球紅細菌KKU-PS5可以利用葡萄糖、蘋果酸等物質(zhì)生長和產(chǎn)氫；在以蘋果酸作為碳源的條件下，該菌株產(chǎn)氫的最優(yōu)條件為pH 7.0、FeSO44 mg/L、溫度30 ℃、光照強度6 klux，在此最優(yōu)條件下，最大產(chǎn)氫量可達1 330 mL H2/L。

4 類球紅細菌在農(nóng)業(yè)領域的應用

5-氨基乙酰丙酸(ALA)在吡咯生物合成中起到重要的作用，能被用作生物可降解除草劑、殺蟲劑和植物生長促進劑[33]。類球紅細菌生物合成ALA產(chǎn)率高，過程簡單，工業(yè)化潛力巨大，已經(jīng)受到國內(nèi)外研究者及產(chǎn)業(yè)界極大關(guān)注[34]。Kars等[6]篩選出1株可以進行ALA合成的類球紅細菌突變菌O.U.001，在添加維生素B12和乙酰丙酸的條件下，該突變株能使ALA產(chǎn)量達到67.4 μmol/L。Tanaka等[34]通過一系列誘變育種以及培養(yǎng)條件優(yōu)化，最終篩選出1株可以進行ALA生物合成的類球紅細菌突變菌CR-720，該菌株ALA的產(chǎn)量從2 mmol/L提高到了52 mmol/L。

類球紅細菌可應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中。羅克汀(LycogenTM)是一種從類球紅細菌突變株WLAPD911中提取的商業(yè)用類胡蘿卜素[35]，含有鏈孢紅素[36]、ξ-類蘿卜素等物質(zhì)，可以用作海水羅非魚的飼料補充劑，提高海水羅非魚的體液免疫，增加該魚的肌肉重量、比生長速率和飼料轉(zhuǎn)化率，改善其生長性能[35]。

5 類球紅細菌在環(huán)境領域的應用

多環(huán)芳烴(PAHs)是一類對環(huán)境有嚴重污染的有機物，到目前為止，已有200多種PAHs被發(fā)現(xiàn)[37]。類球紅細菌菌肥施用于被PAHs污染的農(nóng)田土壤中，可以促使土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)活化，進而去除土壤中的PAHs，為修復被PAHs污染的土壤提供技術(shù)借鑒。焦海華等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在麥田土壤中分別噴施和根施類球紅細菌的菌肥后，該土壤中總PAHs的濃度分別降低21.1%和27.1%。

甘薯是一種世界上最重要的主食作物之一，可用于工業(yè)化生產(chǎn)淀粉制品。1噸甘薯經(jīng)過淀粉提取、分離和干燥后，平均產(chǎn)生6 m3甘薯淀粉廢水；大量的甘薯淀粉廢水已經(jīng)在一些亞洲國家產(chǎn)生了嚴重的環(huán)境問題[38]。甘薯淀粉廢水屬于高濃度有機廢水，含有蛋白質(zhì)、維生素和無機鹽等物質(zhì)，可以為類球紅細菌的生長提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)[10，38]。韓慶莉等[10]通過正交試驗優(yōu)化，得到較優(yōu)的類球紅細菌的培養(yǎng)條件為pH 7.0、轉(zhuǎn)速200 r/min、接種量7.5%、溫度35 ℃、甘薯淀粉廢水稀釋度60%，在此條件下培養(yǎng)24 h，類球紅細菌濃度可達到6.7 × 109cfu/mL，與LB 培養(yǎng)液(6.9×109cfu/mL) 相比，沒有顯著性差異。表明類球紅細菌可以利用甘薯淀粉廢水進行生長繁殖，實現(xiàn)廢水資源化，進而改善環(huán)境。

6 類球紅細菌在其他領域的應用

類球紅細菌可以用來生產(chǎn)聚羥基丁酸酯，該物質(zhì)是生產(chǎn)可降解塑料的必需原料；類球紅細菌還可以產(chǎn)生吸光物質(zhì)，用于構(gòu)建光子捕獲模型，也可以用來補救放射性污染[1]。從類球紅細菌突變株WLAPD911中提取的羅克汀可以作為一種抗增色作用的物質(zhì)，改善由α-促黑激素引起的色素沉著，應用于化妝品中[39]。

7 展 望

類球紅細菌是一種多功能的兼性紫色非硫細菌，具有在多種環(huán)境條件下生長的能力，可以產(chǎn)生多種有益物質(zhì)如類胡蘿卜素、SOD、ALA和輔酶Q10等，還可以降解農(nóng)藥殘留、有機廢水和PAHs等，因此類球紅細菌已被廣泛應用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等多個領域。類球紅細菌也是高效產(chǎn)氫的有效菌種。目前，大多數(shù)研究者對類球紅細菌的研究主要集中在改善氫氣生產(chǎn)、光合作用機制以及生物活性物質(zhì)如類胡蘿卜素、輔酶Q10、SOD和ALA等的制備及功能。隨著對類球紅細菌的深入研究，其生物活性物質(zhì)的功能將進一步被挖掘，光發(fā)酵產(chǎn)氫機制將進一步解析，其在食品安全領域的應用將不斷拓展，具有更廣闊的應用前景。

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Advances in Application ofRhodobactersphaeroides

CHEN Lin, LI Zu-ming

(Coll.ofArts&Sci.ofBeijingUnionUni.,Beijing100191)

Rhodobactersphaeroidesbelongs to photosynthetic bacteria, it is one of the most intensively studied photosynthetic microorganisms, and has a variety of metabolic ways. Its application fields are very wide. It is not only capable of producing a variety of beneficial substances including carotenoids, coenzyme Q10, superoxide dismutase, 5-aminolevulinic acid, and hydrogen, but also could degrade many poisonous and harmful substances, such as pesticide residues, organic waste water, and polycyclic aromatic hydrocarbons. In this paper,R.sphaeroideswas briefly introduced. The application progress ofR.sphaeroidsin foods, medicine, agriculture, environment, and hydrogen production were summarized. Finally, the wide application outlook ofR.sphaeroidesalso was prospected.

Rhodobactersphaeroides; application; advances

北京市教委面上項目(KM201311417007)

陳琳 男，碩士研究生。研究方向為食品資源貯藏與加工中營養(yǎng)與活性成分穩(wěn)定性研究。E-mail:443629709@qq.com

* 通訊作者。男，教授，碩士生導師。主要從事食品科學與安全方面的教學與科研工作。E-mail:zmli20130522@163.com

2015-07-04；

2015-08-19

Q939.9

A

1005-7021(2016)03-0105-04

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.03.020