利用雨生红球藻和红发夫酵母代谢过程中的协同效应提高虾青素产量

【摘要】：本研究对红发夫酵母和雨生红球藻单独培养过程中细胞内的代谢通量进行了分析。结果表明:红发夫酵母通过糖酵解途径(EMP)代谢葡萄糖,但丙酮酸到乙酰 CoA 的反应效率较低,有 20.2%(稳定生长阶段)到 48.6%(生长阶段)的丙酮酸未能被有效利用而被分泌到细胞外;相比之下,雨生红球藻主要通过磷酸戊糖途径(PP)代谢葡萄糖,丙酮酸是合成虾青素的前体物质异戊烯焦磷酸(IPP)的底物之一。丙酮酸的通量增加 1,则 IPP 的通量就能提高 0.8,因此,两种微生物在代谢上具有潜在的互补性。 在代谢通量分析的基础上,将雨生红球藻和红发夫酵母进行混合培养,使两种微生物在代谢过程中产生协同效应。红发夫酵母代谢过程中产生的丙酮酸和CO_2 以及雨生红球藻光合作用过程中释放的 O_2 分别被二者作为底物吸收利用。雨生红球藻和红发夫酵母细胞内的碳代谢流流向虾青素合成方向的通量分别比单独培养提高了 4 倍和 2.2 倍,促进了细胞的生长和虾青素的合成,生物量和虾青素产量都有了显著的提高。 单因素实验和多因素正交实验优化混合培养控制条件的实验结果表明:混合培养过程中细胞生长和虾青素合成的最佳培养基组成和控制条件是不同的。从提高虾青素产量的角度来讲,最佳条件是:培养基组成:Glucose 3g/l, NaNO_3250mg/l, Phosphate 125mg/l, CaCl_2·2H_2O 10mg/l, MgSO_4·7H_2O 30mg/l,FeSO_4·7H_2O 5mg/l;pH:6,温度:28℃,通气量(转速):110rpm,光照强度:120μmol photons/m2·s。 为进一步提高虾青素产量,又进行了两步(段)混合培养技术的研究:第一步优化培养基组成和培养条件,促进细胞的生长以提高生物量;第二步在生物量达到相对稳定的阶段,添加葡萄糖和氯化钠并提高光照强度,控制细胞的生长并促进虾青素的大量合成,虾青素产量大幅度提高,最高达到 62.1mg/l。因此两步混合培养技术为天然虾青素的商业化生产提供了一个新的技术平台。