葛仙米的培養(yǎng)與利用

劉羽鑫 王文林 陳小蘭 向守曲 彭未娟 張玉芹 侯孟君 戴小川 陶敏

摘 ?要：葛仙米味道鮮美，食藥俱佳，極具經(jīng)濟(jì)價值，然而受到自然條件與環(huán)境污染的制約，其產(chǎn)地和產(chǎn)量極小，自然產(chǎn)量無法滿足需求。該文通過綜述近15年的研究成果，對葛仙米的營養(yǎng)成分和利用價值、自然生長條件、人工培養(yǎng)條件進(jìn)行分析，總結(jié)其培養(yǎng)的最佳環(huán)境，為進(jìn)一步完善葛仙米人工培養(yǎng)技術(shù)、提高產(chǎn)量提供參考。

關(guān)鍵詞：葛仙米 ?利用 ?生長環(huán)境 ?培養(yǎng)條件

中圖分類號：S567 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（c）-0211-05

葛仙米學(xué)名擬球狀念珠藻（Nostoc sphaeroids）隸屬于藍(lán)藻門（Cyanophyta）藍(lán)藻目（Cyanophyceae）念珠藻屬（Nostoc）[1]。其味道鮮美、營養(yǎng)豐富，深受人民群眾的喜愛。但是受自然分布及產(chǎn)量的影響，野生的葛仙米資源量遠(yuǎn)達(dá)不到需求，因此人工培養(yǎng)技術(shù)受到眾多關(guān)注。但由于葛仙米獨特的生長需求，其人工培養(yǎng)體系尚未完全成熟，如何防止葛仙米成體解體、雜菌污染、營養(yǎng)條件如何配置等問題還有待完善，特別是對于葛仙米培養(yǎng)條件的研究，大多進(jìn)行單因子比較試驗，比如溫度、光照、pH等[2-15]，然而培養(yǎng)體系內(nèi)各種因子的相互影響，造成最優(yōu)的組合條件存在較大爭議[8-16]。該文對近15年來關(guān)于葛仙米的研究和技術(shù)進(jìn)行分析，綜述其營養(yǎng)成分和利用價值、自然生長條件以及人工培養(yǎng)條件，重點探討環(huán)境條件對葛仙米生長的影響，為葛仙米人工培養(yǎng)體系的優(yōu)化、提高其產(chǎn)量提供參考。

1 ?葛仙米營養(yǎng)成分與分析

葛仙米的營養(yǎng)成分與利用如下。

葛仙米營養(yǎng)豐富（見表1）。以藻體干重計，其中蛋白質(zhì)占28%～52%，粗脂肪占5%～8%，糖類24%，灰分10%～15%，碳水化合物為12%，總?cè)~綠素為31%。葛仙米含有約15～17種氨基酸，其中7種人體必需氨基酸約占總氨基酸含量的10%～44%[17]，因而被用作氨基酸補品的原料。較高的精氨酸（Arg）含量顯著提升了葛仙米的鮮味[17]。

此外，葛仙米還含有豐富的無機鹽類，如Ca、Mg等。其維生素含量高，尤其是VitC含量高達(dá)500～550mg/100g（見表1），遠(yuǎn)超一般的食物。同時葛仙米高含量的VitB2可以代替蛋、奶等動物性食品來補充人體中VitB2含量。

葛仙米多糖含量高達(dá)24.2%，且胞外多糖干重含量可達(dá)80%[18]，在植物多糖含量比例中位居前列[19]。葛仙米多糖為大分子物質(zhì)，是一種水溶性多糖[20]，具有抗脅迫、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、降血脂、抗病毒和抗菌活性的作用，同時具有一定程度的耐鹽性和耐酸性[21-24]。另有研究表明，葛仙米多糖在體外具有良好的保濕性和吸水性，可在肌膚表現(xiàn)形成膜層用以隔絕灰塵鎖住水分[21，25]，同時可抵御紫外線侵害[26]，因此可用于生產(chǎn)化妝品。另外，還有研究表明葛仙米提取物具有誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞凋亡的能力，但是對于葛仙米抗癌作用與提高機體免疫能力的強度還有待更深入的研究[23，27，28]。

2 ?葛仙米的生長與培養(yǎng)條件

由于對生長環(huán)境的嚴(yán)苛要求，葛仙米產(chǎn)量一直不高。農(nóng)田中施肥、撒藥等人為作用以及大氣污染、溫室效應(yīng)等導(dǎo)致適合葛仙米生長的環(huán)境越來越少。常用農(nóng)藥[29]不但對葛仙米生長、光合作用、呼吸作用有明顯抑制作用，還可破壞葛仙米膜結(jié)構(gòu)和功能[30]。氯化肥、銨態(tài)氮肥、除草劑、尿素的濫用同樣是導(dǎo)致葛仙米產(chǎn)量減少的原因[29，30]。部分產(chǎn)區(qū)數(shù)年間葛仙米產(chǎn)量銳減80%[31，32]，僅能滿足當(dāng)?shù)匦枨?，有些地區(qū)甚至已經(jīng)絕跡。為滿足市場所需，從20世紀(jì)80年代開始，葛仙米的人工培養(yǎng)技術(shù)的開發(fā)研究就得到了眾多學(xué)者的關(guān)注，對其生長環(huán)境、培養(yǎng)條件等方面展開了研究[33]，通過不斷的實驗摸索，葛仙米人工培育的技術(shù)也逐漸完善，目前可以通過室內(nèi)培養(yǎng)和室外培養(yǎng)來養(yǎng)殖葛仙米，其室內(nèi)培養(yǎng)年均產(chǎn)量可達(dá)到2170.8kg[34-36]。

雖然葛仙米成功實現(xiàn)了室內(nèi)培養(yǎng)，但是其缺點也很明顯：成本消耗大、能量利用率低、藻體易解體且所含營養(yǎng)成分均比野生的葛仙米低[35]。室外培養(yǎng)方式為跑道式培養(yǎng)池養(yǎng)殖，雖然能養(yǎng)殖出葛仙米但由于葛仙米群體極易破裂，受外界條件影響大，產(chǎn)量也不高[36]。因此其培養(yǎng)技術(shù)條件尚存在優(yōu)化提高的空間。對其自然生長環(huán)境以及培養(yǎng)條件的研究，對于培養(yǎng)技術(shù)的優(yōu)化有重要意義。

2.1 自然分布環(huán)境與生長周期

葛仙米主要分布于湖北鶴峰的走馬坪鎮(zhèn)，同時在貴州、四川、陜西、廣西（北流）、廣東（仁化）、湖北（房縣）、江西（井岡山）、山東（煙臺）以及浙江（千島湖）等地均有發(fā)現(xiàn)[2，31，34，37]。這些區(qū)域地處亞熱帶，年日均氣溫12.5℃～21.1℃;年均降雨量多大于1000mm。日照較為充足，如湖北鶴峰年均日照時數(shù)為1342h，貴州岑鞏縣凱本鄉(xiāng)為1275h，四川雙河鎮(zhèn)、土黃鎮(zhèn)、清溪鎮(zhèn)等地也均大于1000h，充足的光照時間為葛仙米的生長發(fā)育提供了有利的保障;偏好偏酸水環(huán)境，如走馬鎮(zhèn)葛仙米生長區(qū)水源的pH值為6.2～6.3[29];喜好含磷量豐富的土壤環(huán)境，以主產(chǎn)區(qū)湖北鶴峰走馬鎮(zhèn)為例，水稻土總磷含量279～1354mg/kg，有效磷51～270mg/kg（平均含量177mg/kg）[3]。因此葛仙米自然分布的環(huán)境要點為水量豐沛、日照充足、偏酸性水源與含磷豐富的土壤。

以葛仙米主要現(xiàn)產(chǎn)區(qū)湖北鶴峰的走馬坪鎮(zhèn)為例，每年11月份水稻收割后，稻田中灌溉水的深度大約為5～10cm時，藻絲聚集為藻體。到了次年2月，藻體增長為直徑約為1～2cm，并由淺綠轉(zhuǎn)變?yōu)樯罹G，此時的藻體富有硬度和彈性不易戳破。4月中旬至下旬藻體增大至2～3cm時即可收獲[16，38]。5月之后隨著水稻秧苗的栽種，葛仙米的生長環(huán)境受到影響，稻田之中便罕覓其跡[31]。因此秋季到翌年春季的低溫季節(jié)是葛仙米生長季節(jié)。

2.2 影響因素與培養(yǎng)條件

2.2.1 溫度

溫度對于藻類的生長與代謝活動具有重要的的影響作用。有研究發(fā)現(xiàn)葛仙米生長耐受溫幅為4℃～36℃[39]，在5℃～35℃范圍內(nèi)葛仙米光合速率和生長率隨溫度升高而增強[4]，但高溫狀態(tài)下藻體光合作用強度隨時間增長逐漸降低，較低溫有利于葛仙米光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)生理性的保持[35]。在形態(tài)生理上，低溫造成藻體黃化，葉綠素含量減少，藻絲松散;高溫會使藻體內(nèi)蛋白質(zhì)和酶的活性降低甚至失活，造成藻體死亡。另外念珠藻的固氮能力也與溫度有著密切關(guān)系，溫度通過調(diào)節(jié)固氮酶的活性從而影響固氮速率[16]?？傮w來看，低溫（10℃～20℃）狀態(tài)下有利于葛仙米的生長[39]，而高溫（>30℃）不利于葛仙米生長，與自然狀態(tài)下葛仙米的生長繁殖溫度需求吻合。

2.2.2 pH

水體的pH對于藻類的生理活動和演替也起著重要的作用，每種藻類都有其適宜的pH范圍。pH會影響藻類對營養(yǎng)物質(zhì)如礦物質(zhì)以及微量元素的吸收速率，同時對藻體內(nèi)的生化反應(yīng)的發(fā)生和反應(yīng)速率均有明顯的控制作用[4]。人工培養(yǎng)環(huán)境下葛仙米生長最適pH為6.0～7.5，且pH為7.0時，葛仙米的葉綠素含量以及藻體內(nèi)各種營養(yǎng)物質(zhì)（可溶性糖、可溶性蛋白）的生產(chǎn)效率達(dá)到最高[2，39]。這與自然狀態(tài)下偏酸的pH需求有所不同，在較穩(wěn)定的培養(yǎng)條件下，葛仙米表現(xiàn)出更強的酸堿適應(yīng)性，通過酸堿平衡體系維持人工培養(yǎng)基中性環(huán)境對提高葛仙米產(chǎn)量和營養(yǎng)價值較為有利。

2.2.3 光強與光質(zhì)

光照強度可影響葛仙米的產(chǎn)量。自然狀態(tài)下葛仙米群體表層細(xì)胞對內(nèi)層有遮光作用，可以抵御高強光照射，但在人工培養(yǎng)條件下強光會抑制葛仙米的生長，需通過加遮光網(wǎng)等方式減弱光照[30]。

不同波段的光對葛仙米的影響也非常顯著。紫外輻射能抑制異形胞形成從而抑制藻殖段的分裂[29]，妨礙葛仙米的增殖，同時促進(jìn)葛仙米產(chǎn)生紫外吸收色素，提高其對紫外線的耐受性[16]。劉樹文等[5]分別對培養(yǎng)在pH值為7的BG110中的葛仙米施加白光、紅光、藍(lán)光照射，經(jīng)對照后發(fā)現(xiàn)可溶性糖的含量發(fā)生顯著差異，其大小順序為紅光>白光>藍(lán)光。從葛仙米的產(chǎn)量及營養(yǎng)價值來說，中等光照下，減小紫外輻射，增大紅光照射較為有利。

2.2.4 鹽脅迫

當(dāng)葛仙米生長環(huán)境中NaCl的濃度高于0.2mol·L-1時，葛仙米藻殖段的分裂能力將受阻;隨著NaCl的濃度升高，其藻殖段的核型也會變得不規(guī)則，其紅色自發(fā)熒光消失。而大群體在高鹽度情況下（2.0mol·L-1）其紅色自發(fā)熒光保持但核型依舊受到影響[33]。說明高鹽濃度會直接損傷葛仙米的染色體。同時高濃度鹽脅迫使葛仙米體內(nèi)的脫落酸（abscisic acid，ABA）含量增加從而提高葛仙米的抗旱能力但其光合作用中PSⅠ、PSⅡ活性減弱[6，7，12]，抑制藻體的光合作用強度。維持系統(tǒng)中較低的鹽含量，對于穩(wěn)定葛仙米產(chǎn)量非常重要。

2.2.5 營養(yǎng)元素及其含量

葛仙米原植體的形態(tài)建成與氮源有關(guān)，其過程在充氣和有硝態(tài)氮存在的情況下較快。無氮充氣條件下，最后形成的原植體多為球形，而在靜止有氮的條件下，形成的原植體多為狹長形[16]。邱昌恩等[8]研究表明在BG110培養(yǎng)基中外加氮源（NaNO3）條件下，NaNO3濃度小于1.5g·L-1時葛仙米正常生長，NaNO3濃度大于1.5g·L-1時葛仙米生長受到明顯抑制。以上研究均表明，無氮或者低氮濃度更有利于葛仙米的生長與球體形成，可能與氮濃度的增加會破壞氮磷平衡從而抑制葛仙米藻殖段的分裂有關(guān)。但對于最佳硝態(tài)氮濃度，眾多研究存在分歧，可能是由于常用氮源NaNO3并非最佳氮源。

磷元素作為植物生長發(fā)育必需的大量元素，影響著植物的生長及產(chǎn)量。植物通過吸收土壤中的有效磷來維持體內(nèi)的磷元素。土壤中磷元素含量的高低可以影響葛仙米藻殖段的形成，在無磷狀態(tài)下藻類幾乎無法生存，低濃度下（0～1.0mol·L-1）葛仙米的生長速率與磷濃度呈正比，但當(dāng)磷元素高于5mol·L-1時，葛仙米生長受阻[13]。

除了氮磷營養(yǎng)元素外，鈣離子含量也是限制葛仙米生長的重要因素[39]。無鈣條件下葛仙米群體破裂導(dǎo)致鮮重、干重下降，隨著鈣濃度的增加，123μmol·L-1時葛仙米鮮重增長速率達(dá)到最快，980μmol·L-1時干重增長速率到達(dá)最快，且存活率為100%[15]。但陳爍等[9]研究發(fā)現(xiàn)10mmol·L-1鈣濃度培養(yǎng)基中葛仙米成球百分?jǐn)?shù)比無鈣培養(yǎng)基高，光合速率比無鈣條件下高51%。同時鈣離子還可以緩解鹽脅迫對葛仙米固氮能力的減弱[10]。但如果鈣濃度繼續(xù)提升，葛仙米體內(nèi)的超氧化物歧化酶（SOD）、多酚氯化酶（PPO）以及苯丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（PAL）的活性會降低[11]，致使藻體老齡化解體，并促進(jìn)雜藻生長[10]。

無機碳的濃度能影響藻類的生長以及對氮磷的利用， 藻類主要通過CO2、HCO3-等途徑吸收無機碳[13]。劉樹文等[14]測試CO2、Na2CO3兩種不同形式的碳對葛仙米生理影響發(fā)現(xiàn)，CO2單獨作為碳源時葛仙米的生長速率，光合色素含量以及蛋白質(zhì)含量都高于Na2CO3作為碳源時的葛仙米。但是當(dāng)以Na2CO3作為碳源時向水體中通入CO2，其葛仙米的生理活性將達(dá)到最強。

因而在培養(yǎng)基中保持相對較低的硝態(tài)氮、適宜的有效磷和鈣離子含量、合適的碳源，對于葛仙米的生長有利。

2.2.6 水分與培養(yǎng)基形態(tài)

藍(lán)藻對于水分缺失的耐受性強。葛仙米失水速率與藻體大小呈反比[16]，自由水散失80%后，其光合作用強度上升，在失水90%時達(dá)到最高，繼續(xù)脫水其值急劇下降[33]。自然脫水7d內(nèi)重新吸水加以光照葛仙米活性恢復(fù)，脫水7個月后加以吸水和光照活性也能緩慢恢復(fù)，但生理狀態(tài)遠(yuǎn)不如以前。因此在選擇葛仙米種源時，盡量選擇未脫水，或自然脫水不超過一周的、較大的個體。

盡管在固態(tài)和液態(tài)培養(yǎng)基中均能生長，但葛仙米在液體培養(yǎng)狀態(tài)下更接近野生葛仙米的生長形態(tài)[40]，但是如果室內(nèi)培養(yǎng)的溫度過高或培養(yǎng)基配置不當(dāng)，葛仙米在液體培養(yǎng)基中將很難聚集成體，將以懸浮物的形式存在[33]。

3 ?結(jié)論

葛仙米的自然生長條件較為苛刻，受到產(chǎn)地光照、降雨、溫度、水質(zhì)、土壤磷含量及化肥和農(nóng)藥的影響，產(chǎn)地少，產(chǎn)量低。為滿足市場所需，葛仙米的人工培養(yǎng)技術(shù)得到了較為充分的研究，但其最佳培養(yǎng)條件仍存在一定爭議。通過綜述近15年的研究成果，從生長狀態(tài)、藻體形態(tài)、營養(yǎng)成分等方面出發(fā)，葛仙米種源應(yīng)盡量選擇未脫水，或自然脫水不超過一周的、較大的個體，以液體培養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)基應(yīng)在普通藻類培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上削減氮濃度，維持適中的鈣濃度（0.9～10mmol·L-1）、磷濃度（0～5mol·L-1左右）以及鹽濃度（<2.0 mol·L-1），選用合適的碳源（如Na2CO3與CO2的混合碳源），控制在較低溫（10℃～20℃）、中性pH、中等光照條件下進(jìn)行，條件允許的情況下還可盡量減小紫外輻射，增大紅光比例。

盡管關(guān)于葛仙米的研究較多，但其利用價值與人工養(yǎng)殖技術(shù)還需進(jìn)深入研究。葛仙米多糖等活性成份的功能與應(yīng)用具有廣闊的前景，尤其是在提高機體免疫力與腫瘤治療中的作用機制方面有深度探討的必要。此外，在自然條件與養(yǎng)殖條件中均有無法有效克服的群體破裂解體現(xiàn)象，可以通過進(jìn)一步的試驗研究理清發(fā)生機理，以有效延長其生產(chǎn)季節(jié)。最后作為可生物固氮的藻類，葛仙米對培養(yǎng)環(huán)境中氮源和碳源的需求形態(tài)與一般的藍(lán)藻不同，最佳碳氮源篩選工作也是今后研究的一個較為重要的內(nèi)容。

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