LED調光和補氮聯合策略提高兼養三角褐指藻的岩藻黃素産量

轉自：微藻技術與産業

華南理工大學在海洋微藻生産岩藻黃素研究方面取得重要突破——LED調光和補氮聯合策略提高兼養三角褐指藻的岩藻黃素産量

岩藻黃素（Fucoxanthin）是一種廣泛存在于海洋藻類的類胡蘿蔔素，占整個生物圈中所有類胡蘿蔔素含量的10%以上。岩藻黃素具有抗癌、抗肥胖、預防糖尿病及阿爾茲海默症等功效，在生物醫藥和功能食品領域具有重要應用價值。目前商業化岩藻黃素的主要來源是海帶、裙帶菜等大型褐藻，這類原料中岩藻黃素含量極低（僅約爲幹重的0.01%），提取困難、加工成本高且産物純度低，難以滿足日益增長的市場需求。海洋矽藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）生長速度快，可進行自養和兼養培養，自養下其岩藻黃素含量高達幹重的1%~6%，是大型海藻的上百倍。三角褐指藻來源的岩藻黃素藻油已獲得美國FDA認證，作爲肝髒脂肪控制的膳食補充劑，是國際市場的新寵。

目前，三角褐指藻的培養主要在自養條件下進行，生物量濃度低、培養時間長，不利于高效生産岩藻黃素。前人研究表明，三角褐指藻在兼養條件下生物量幹重可達3~15 g/L，但類胡蘿蔔素含量通常隻有幹重的0.5%~0.7%。開發三角褐指藻在兼養條件下快速生長及高效積累岩藻黃素的關鍵技術是目前亟待突破的瓶頸。

華南理工大學魏東教授課題組系統研究了三角褐指藻響應不同光質與補氮策略的特性，建立了兩階段兼養培養技術，實現了岩藻黃素在該藻中的高效積累。研究論文“Improving fucoxanthin production in mixotrophic culture of marine diatom Phaeodactylum tricornutum by LED light shift and nitrogen supplementation”近期發表在國際生物工程期刊Frontiers in Bioengineering and Biotechnology。

該研究先在搖瓶中優化了三角褐指藻的兼養培養條件，發現在較高接種密度（1×10⁷cells/mL）和較低光照強度（20 μmol/m²/s）下，有利于三角褐指藻生物量和岩藻黃素積累。在紅藍混合光（6:1）和純藍光照射下，可分别達到最大生物量濃度（5.53 g/L）和最高岩藻黃素含量（16.28 mg/g）。因此，在第一階段采用紅藍混合光（6:1）用于促進細胞生長，在第二階段采用加強藍光及補氮操作，用于促進生物量及岩藻黃素積累。通過轉換光質和補氮的兩步法操作，三角褐指藻在第二階段獲得了最高生物量濃度（6.52 g/L）和岩藻黃素産率（8.22mg/L/d）。與第一階段相比，每個細胞内岩藻黃素含量（pg/cell）提升了12%。對岩藻黃素合成途徑中關鍵基因的轉錄水平的qRT-PCR分析表明，在第二階段中編碼八氫番茄紅素合成酶（PSY）、玉米黃質環氧化酶（ZEP）和岩藻黃素–葉綠素複合蛋白體b （FCPb）的基因轉錄水平顯著上調，而編碼紫黃素環氧化酶（VDE）的基因轉錄水平顯著下調，結果顯著提升了岩藻黃素含量。

圖2 兩步法兼養培養三角褐指藻的生産性能與岩藻黃素合成途徑中關鍵基因轉錄水平調控

本研究開發的兩步法培養工藝，岩藻黃素産率是目前報道的最高水平，爲今後利用三角褐指藻規模光發酵生産岩藻黃素奠定了新技術基礎。研究亮點：

高接種密度和低光強培養有利于兼養三角褐指藻生物量及岩藻黃素積累；
兼養條件下紅藍混合光（6:1）可以促進三角褐指藻生物量的積累；
兼養條件下藍光可以顯著提高三角褐指藻胞内岩藻黃素的含量；
LED調光和補氮聯合策略可以獲得最高岩藻黃素産率8.22 mg/L/d；
在兩步法兼養培養中岩藻黃素合成關鍵基因顯著上調促進了岩藻黃素合成。

【論文出處】

RunqingYang, Dong Wei. Improving fucoxanthin production in mixotrophic culture of marine diatom Phaeodactylum tricornutum by LED light shift and nitrogen supplementation. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. doi: 10.3389/fbioe.2020.00820.

【作者】楊潤青（博士生）、魏東（教授）

【魏東教授簡介】

華南理工大學食品科學與工程學院教授、博士生導師。研究方向爲生物轉化和營養工程——面向功能食品、環境修複和廢棄物資源化利用的工業生物技術，主要包括：

1、圍繞工業生物技術的核心内容，針對富含生物活性物質和高效環境修複的微藻（酵母）優良種質，建立“組學”（Omics）技術平台，在轉錄組、代謝組（脂組）、細胞組、藻際微生物組水平上，重點探索營養與環境因子對微藻與藻際微生物的作用機制、微藻光合作用和光發酵過程中碳氮磷高效生物轉化及代謝調控機制的基礎科學問題；

2、在應用技術上，着重開發微藻與藻際微生物組培養系統、微藻高密度（光）發酵、微藻戶外大規模培養技術及其在生物轉化積累植物蛋白、油脂、生物活性物質（類胡蘿蔔素、胞外多糖、藻膽蛋白）方面的調控技術，爲微藻生物活性物質的開發、環境修複、三廢（廢水、廢氣、廢渣）處理與資源化利用、生物餌料和生物飼料配料、生物能源的開發解決産業化關鍵技術。

已承擔國家級、省部級、市級科研項目和企業委托項目30餘項，發表論文140餘篇、申報專利24件（授權10件）。現任中國藻業協會理事、中國海洋與湖沼學會海洋生物技術分會理事和藻類分會理事。Energy Conversion and Management (Q1, 2019 IF 8.208)、Critical Reviews in Biotechnology (Q1, 2019 IF 8.108)、BioresourceTechnology (Q1, 2019 IF 7.539)、Journalof CO₂ Utilization (Q1, 2019 IF 6.193)等26個SCI國際期刊審稿人，澳大利亞阿德萊德大學博士論文評審人。教育部全國萬名優秀創新創業導師人才庫首批入庫導師；華南理工大學創業導師；國家人社部認證的創業咨詢師。