スピルリナ栽培の成長因子

1序文

スピルリナ, also known としてArthrospira, is のfilamentous blue-green prokaryotic organism 7–400 µm long, 30–45 µm wide, と7–10 µm でdiameter (as shown でFigure 1). It mainly grows でtropical とsubtropical regions とalkaline lakes. It has のliving history の3.5 billiにyears とis one ののoldest lifeforms にearth [1,2].

There are more than 50 species のspirulina, but only two species, Arthrospiramaxima とArthrospiraplatensis, are cultivated にa large scale internationally. スピルリナとits extracts are widely used でfoods, feeds とcosmetics because のtheir rich nutrients, containing 60%–70% protein, 25% essential amino acids, 4% vitamins, etc., とvarious ingredients have certain biological activities, such as anti-oxidatiにとimproving human immunity [3–5].  

この数年間、多くの研究者が発見した体外動物実験を通じてスピルリナその抽出が一連の生物学的機能性を人体に锖など炎症を抑える、anti-tumor、免疫力强化脂肪肝であることが予防(6−8)でスピルリナ素晴らしい潜在能力を持っていますでバイオと医療市場分野だ。現在は『のworld』に所属#39;sスピルリナ消費は年間数千トン以上の平均[9]。spirulina&として#39の栄養とヘルスケア機能は、より多くの消費者の注目を集めている、その市場の需要も年々増加しています。 しかし、スピルリナの栽培コストの高さ、単位面積当たりの収量の低さ、および得られた製品の深刻な微生物汚染から、コストを削減し、単位面積当たりの収量を増加させるための栽培技術の改良が研究課題となっています。

スピルリナは光合成が強く、成長と繁殖が速く、環境適応性が高く、収穫が容易という特徴があります。単叢または連続栽培が可能ですが、成長率や成分含有量は栄養素、文化環境、地域などの条件と密接に関係しています。 一般的に、od560 nmが0.8(約0.34 g/ l)であればスピルリナ培養液は収穫できますが、収穫中に細胞破壊により栄養素が失われることがあります[10]。 したがって、影响理解、最も大きかっおよび勢力パターン促成栽培の技术がスピルリナ要件を許可するに係るスピルリナ規制栽培目標(の高収益など、営養剤浓缩など)、によって神は合理的有効スピルリナ成長率とコンテンツ成分の高品质・ハイリスク・ハイリターンスピルリナを得た。

現在、多くの報告がありますスピルリナの生物学的機能、しかし、その栽培条件に少ないと少ない詳細なレポート。例えば、tian qiyang[11]は、スピルリナの成長に対する窒素源の影響を研究しました。その結果、同濃度の硫酸アンモニウムは酢酸アンモニウムよりスピルリナ細胞の成長を促進することが分かったが、その理由は解明されなかった。さらに、この研究は収量のみに焦点を当てており、栽培コストは考慮されていない。 本研究では、スピルリナの生育に影響を与える要因と、それに関連するコストや収量などの問題を検討し、低コスト、高収量、高品質のスピルリナ栽培のための理論的指針を提供する。

2スピルリナの成長に影響を与える要因

2.1窒素ソース

スピルリナの主成分はタンパク質で、含有量の50 ~ 70%を占める。窒素源はタンパク質合成の主な原料である。培地中の窒素源の形態および含有量はスピルリナの成長およびタンパク質含有量に大きな影響を与え、窒素源の違いはスピルリナの成長に異なる影響を与えます。現在、一般的に使用される窒素源には、尿素、グルタミン酸ナトリウム、ナノ3およびnh4cl、酢酸アンモニウムなどがあります。 表1は、異なる窒素源とその濃度がスピルリナの最終収量に与える影響を示しています。例えば、尿素7.5 mmol/ l、ナノ3 15 mmol/ lをチューブ型光バイオリアクター中の窒素源として使用し、ph 9.5、温度32°cの条件下で8 dの単一バッチ培養を行った。スピルリナ細胞の収量はそれぞれ486 mg/(l .d)と515 mg/(l .d)であった[12]。尿素濃度はnano3濃度の半分であったが、両者で栽培したスピルリナの最終収率は類似しており、尿素を窒素源として使用した場合のスピルリナの成長率と収率が高いことが示された。尿素濃度が200 mg/ lを超えると、成長率は徐々に低下した。主な原因は[17、18]:

(1) 各尿素分子は2つの窒素原子を供給しますが、nano3は1つの窒素原子しか供給しません;(2)アルカリ性の条件下で、尿素は培養液の中で自然にアンモニアに加水分解することができます。(3) spirulina&#硝酸塩の吸収は、まず硝酸塩に還元され、酵素の作用によってアンモニアに変換される必要があります。さらに、この還元プロセスはエネルギーを消費する。(4)窒素源の濃度が高すぎると、過剰な窒素が有毒なアンモニウムイオンに変わり、細胞の成長を阻害する。グルタミン酸ナトリウム濃度未満の・1 g / L培地の成長率を増進させることが出来るの内容についてスピルリナなどのタンパク质やβ-carotene、がの濃度が1 g / L,を超える成長率が減り代謝が限られているため容量[11]。

(1) nh4hco3は尿素やナノ3に比べて安価であり、安価である。(2)培養液のph値と炭素源を調整することができます;(3)生成したアンモニアはワムシの増殖を抑制する。 bao yiluら[13]は、1バッチでスピルリナを栽培し、培地中のnh4hco3の適正濃度は5.0 mmol/ lで、最終的なスピルリナ収量は260 mg/ lに達しました。しかし、nh4hco3の濃度が5.0 mmol/ lを超えるとスピルリナの成長と再生が阻害され、崩壊して死んでしまいました。 したがって、栽培プロセス中に異なる窒素源を組み合わせることにより、スピルリナの最終収量を効果的に増加させることができます。

炭素源2.2

スピルリナは、光合成微生物で、co2を炭素源として利用し、光条件下でエネルギーや炭素含有化合物を生産することができます。また、光がなくても、有機または無機炭素源を用いて、リノレン酸や多糖類などの炭水化物を合成することができる。 現在、スピルリナの炭素源としては、ブドウ糖、ラクトース、エタノールなどの単純な有機化合物が一般的に使用されています。異なる炭素源がスピルリナの成長とその成分含有量に与える影響は大きく異なります。例えば、文化条件に強度5.0 klxの炭素光源1 g / Lの濃度が、単一のバッチ文化が行われエタノールを使用して、単一のブドウ糖と酢酸炭素筋量の文化によって14日間条件の強度5.0 klxの炭素光源1 g / Lの濃度が、最終2.17セル藻を象徴的では2.05 195 g / Lで、それぞれこれは、二酸化炭素を炭素源とした光独立栄養培養の細胞密度(1.57 g/ l)の1.2 ~ 1.4倍であった。 

全脂肪酸中のリノレン酸の含有量は23.6%(グルコース)、24.2%(酢酸)、24.5%(エタノール)である。エタノールと酢酸は、炭素源としてグルコースよりも多くのglaを生成する。その主な理由は:(1)スピルリナは酢酸やエタノールを脂肪形成の前駆体であるアセチル補酵素aに直接変換することができます[19];(2)グルコース代謝の有機副産物は、特定の濃度でスピルリナの成長と再生を阻害する可能性がある[14]。すなわちアセチル補酵素a [19];(2)グルコース代謝の有機副産物は、特定の濃度でスピルリナの成長と再生を阻害する可能性がある[14]。

スピルリナの成長速度は、同じ炭素源の異なる濃度にも影響されます。例えば、tian huaら[20]は、スピルリナをzarrouk培地と4 klx光の混合養液で栽培した場合、炭素源としてのグルコース濃度は3 g/ lが最適であったことを示しています。9日後、スピルリナの乾燥重量は対照群(ブドウ糖なし)の1.29倍でした。しかし、ブドウ糖濃度が4 g/ lを超えると、スピルリナの成長速度が制限されます。主な理由は、(1)ブドウ糖は、スピルリナ細胞の生理代謝酵素の活性を活性化し、スピルリナの光合成を強化し、光飽和値を増加させることができ、それによってより高いスピルリナバイオマスを生産する;(2)制御基であるスピルリナは光合成独立栄養体であり、hco3-が主な炭素源である。反応hco3−→co32−+ oh−は、培養液のphを大きく変化させ、スピルリナの成長速度を阻害する。しかし、オープンな工業用スピルリナ農業システムでは、細菌と藻類の間に複雑な競争があることは注目に値する。有機炭素源を追加すると、確立された細菌と藻類のバランスが崩れる可能性があり、さらなる研究が必要である。

近年の地球温暖化は、主に化石燃料の燃焼によって発生するco2などの温室効果ガスが原因です。二酸化炭素を炭素源とし、大気中のco2排出量を削減する光合成微生物の育成が注目されている[21]。Ogbondaら。[22]強化螺旋型光バイオリアクターで栽培さも高くなり0.44にCO2浓度の栽培g /(この魚雷)と光量60μmol / 50日間(m2.s)らせん光バイオリアクター強化。スピルリナ細胞の濃度は最大12.8 g/ lに達し,20日から50日の間にco2消費率が90%を超えた。しかし、過剰なco2もスピルリナの成長に一定の抑制効果を持っていました。hco3-は、水溶液中の二酸化炭素の主要な形態であり、スピルリナ栽培のための重要な無機炭素源である。培養液のphを調整することにより、スピルリナの成長速度と最終収量を制御することで、co2濃度を効果的に制御することができます[21]。そのため、スピルリナ栽培の炭素源としてco2と他の有機炭素を合理的に組み合わせることができ、大きな収量を得ることができるだけでなく、大気中のco2排出量を削減することができます。

2.3 phと温度

phと温度はスピルリナの栽培に大きな影響を与えます。スピルリナの成長速度はphと温度によって放物線的に変化する。スピルリナは、ph 9 ~ 10、温度30°cの培養液条件下で、最速の成長速度と最高のタンパク質含有量を得ることができます[1,22]。成長とスピルリナと細胞形態の再生に影響を与えることに加えて,phと温度もスピルリナの内容と活性に影響を与える' s活性成分を。 ismaielabら[23]によると、スピルリナ中のフィコビリタンパク、クロロフィル、カロチンの含有量は、培地のphが8.5で最も高く、それぞれ91、10.6、2.4 mg/gに達した。スピルリナも抗酸化作用が高いpHが9.0ときフリーラジカルを能力、還元物質とchelating容量は567% 250%の支配権を206%グループ(250 BHTμg)。

スピルリナの栽培中、hco3-と栄養素の消費と代謝物の生産は、培養液のphを上昇させ、温度を上昇させた。スピルリナの生産量が減少した主な原因は培養液中の遊離アンモニウムの生産であった。 そのため、窒素源および炭素源としてnh4hco3を使用した培地では、ph値がスピルリナへの栄養素の供給を制御する重要な役割を果たします。栽培過程では、培地のph値や温度変化を極力抑え、スピルリナの生育を抑制します。

2.4光源

光源は、光合成微生物の成長と再生のための主要なエネルギー源です。スピルリナは光合成微生物であるため、光源もスピルリナの成長と再生に影響を与える最も重要な要素の1つです。光源の波長、光持続時間、光強度はスピルリナの成長率や成分含有量に大きな影響を与えます。スピルリナの最終的な収量は、光の強度が増すにつれて増加します。 グルコースを炭素源として使用した場合、スピルリナの最終収量は、2.0、3.5、5.0 klxの光強度で14日間栽培した場合、それぞれ1.24 g/ l、1.61 g/ l、1.95 g/ lである[19]。shiら[1]は、透明なガラスタンクで栽培した場合、スピルリナの成長速度は光の波長の増加に伴って徐々に増加し、最適な光源波長は赤色光、最適な光源時間は8 h/dであることを明らかにしました。赤色光(620 - 630 nm)、青色光(465 - 475 nm)、緑色光(522 - 532 nm)で18 d栽培した結果、スピルリナの最終収量はそれぞれ1.35 g、1.18 g、1.08 g/ lであった。赤色光下で栽培したスピルリナの最終収量は、対照群(無光)と比較して56.69%増加しました。

光の時間はスピルリナの最終収率にも大きな影響を与えた。1日あたり0 ~ 12時間照射した18 dでは、照射時間が8 h/d未満のときにスピルリナ収量が徐々に増加し、その後は有意差が認められなかった。最大収率は1.44 g/ lで、8 h/dの点灯時に得られ、対照群より67.64%高い。光源はスピルリナ成分の含有量に大きな影響を与えます。0 - 9時間紫外線下で栽培した場合、スピルリナの脂肪含有量は対照群(紫外線なし)と比較して29.5%増加した。vonshakらは、光強度がスピルリーナの飽和光強度を超えると、光抑制が起こると報告している[25]。xia jianrongらは[26]、高濃度のco2で栽培されたスピルリナは、高照度に対する耐性を高め、光阻害を低下させることを示した。 のため、コンテナや敷設する際、室内外での池におけるスピルリナ栽培はCO2浓度の調整収穫を引き続きスピルリナて,OD650 nm値文化解決策は、左右される一定範囲内を確保する光量が文化液のなかで最大を得てスピルリナのペースで成長を遂げている。

2.5 Rotifer汚染

ワムシは藻類だけを食べる原生動物だ。彼らは環境に適応し、無性生殖と性生殖の両方を行う強力な能力を持っています。これはスピルリナの栽培にとって重大な危険である。 ワムシによる汚染が非常に深刻な場合、スピルリナの生産量が急激に減少するか、1日で完全に失われることもあります。現在、ワムシの藻類培養の汚染を減らすために使用される主な2つの方法があります:(1)物理的な予防方法、消毒、微細多孔質ろ過などを含むが、抑制効果は比較的低い;(2)化学的防除法:化学薬品(トルエン、キシレン、尿素など)を用いてワムシの増殖を抑制し、より抑制効果がある。 化学物質の人工合成は、藻類の商業栽培に一定の安全性リスクをもたらすため、現在の研究の中心は天然阻害剤である[27-29]。

例えば、黄ら[28]は、マトリン、マトリン、マトリンが、繊毛酸テトラヒメナ(ciliate tetrahymena thermophila)に対する毒性が強く、コストが比較的低いことを発見した。24時間LC50値が0.175、それぞれ0.061、213μg / L,だ。1.76 ~ 213μg / L熟(植物殺虫剤)を減らすことができる番号ワムシまた比较的繁殖力の増強に毒性成长著しいは全くなかったスピルリナ細胞や光合成葉緑素;0.003~0.006 mg/ l混合液(ビターベッチエキスとカワインの質量比1:9)は、3 d以内のワムシの増殖を有意に抑制することができ、9 dではすべてのワムシが死亡し、スピルリナの最終収量やフィコシアニン含有量に有意な影響は認められなかった[10]。 培地中のnh4hco3濃度が200 mg/ lを超えると、ワムシの成長と繁殖を著しく阻害する。24時間後には1 ml当たり52頭から6頭に減少し、48時間後には0頭になった。その理由は、作り出されたアンモニアが細胞外のグルタミン酸の含有量を増加させ、ワムシの急性中枢神経系中毒を引き起こしたからかもしれない[28]。または遊離アンモニアはワムシ細胞に直接的な毒性作用を持つかもしれない。

2.6独立栄養成長阻害剤

独立栄養成長阻害剤(英:autotrophic growth inhibitors)は、スピルリナの培養中に産生される高分子多糖類(分子量100 kda以上)、スピルリナの死骸、その崩壊によって放出されるアミンなどの代謝物である。スピルリナの生育を著しく阻害し、直接放出することで水生植物の死滅や藻類の開花などの環境問題を引き起こす可能性があります。 

スピルリナculture solutiにreused contains macromolecular polysaccharides, which can cause のgrowth rate のspirulina にdecrease によって23% compared to fresh culture solution, nutrient salt absorptiにto decrease によってmore than 35%, protein content to decrease によって15%, とchlorophyll content to decrease by 35% [13]. のmain reasons are as follows: (1) inhibitors can increase のhydrophobicity のthe cell surface, leading to cell flocculatiにand sedimentation; (2) the effect のreducing chlorophyll content on photosynthesis; (3) reducing the activity のantioxidant system enzymes and nitrate reductase; (4) other microbial contamination [29]. In order to improve the reuse rate のthe culture solution and reduce the environmental pollution caused by the culture solution, membrane separation technology and adsorbent adsorption are commonly used methods to remove organic matter からthe spirulina culture solution.  yuら[30]は、100 kdaの限外ろ過膜でろ過した培地のスピルリナの成長率が、無ろ過培地のスピルリナより30%高く、新鮮培地に近いことを見いだしました。wangら[31]は、培養液をマクロポーラス吸着樹脂s-8で処理し、細胞外多糖類を62%減少させ、スピルリナの増殖率を39.4%増加させた。また、培養液中からスピルリナ細胞外多糖類や細胞外タンパク質を分離・抽出する技術の開発が急務となっています。

2.7微量元素

セレン、ヨウ素、銅、亜鉛、マンガンなどの微量元素もスピルリナの成長に一定の影響を与えます[32]。 スピルリナのような微細藻類は、ほとんどの金属に対して生物濃縮効果を持つ。低濃度の金属はスピルリナの成長に一定の促進効果があり、特殊な用途のスピルリナを育てることができます。しかし、高濃度の金属は細胞膜の透過性を損なうことからスピルリナに対して毒性がある。表2に、スピルリナの成長を促進・阻害する微量元素の濃度を示します。 セレンは、ヒトの生命や代謝に欠かせないグルタチオンペルオキシダーゼの一部であり、正常な細胞代謝を維持し、様々な疾患を予防・治療する機能を持っています。

有機セレンは毒性が低く生物活性が高く、人体にとってセレンの重要な供給源である。セレンは主に有機セレン(例えばセレノプロテイン)の形をしているので、無機セレンは、スピルリナの濃縮効果によって有機セレンに変換することができる。 セレン濃度が0.1 mg/ ml未満の場合、スピルリナの成長を促進すると同時に、スピルリナ中のフィコシアニン(c-pc)およびカロチンの含有量を増加させることができます[33]。しかし、0.2 mg/ ml以上のセレン濃度は毒性があり、スピルリナ死に直接つながる可能性がある。 セレンを少量添加すると累積濃度が1 mg/ mlに達し、スピルリナの成長を促すことができる。スピルリナのセレン含有量は、1.3 mg/gに達することがあります[39]。

2.8など

栽培環境はスピルリナの成長とその成分の含有量にも一定の影響を与えます。tolgalら[40]によると、透明なインキュベーターで10日間栽培した結果、スピルリナの収量は0.99 g/ lに達したが、タンパク質含有量はわずか33.4%と低くなった。ポリ袋や池で栽培した場合,収率は0.5 g/ l程度で,タンパク質含有量はそれぞれ54.5%,58.3%であった。その主な理由は:(1)透明なインキュベーターでは、スピルリナの成長が速く、窒素源が急速に消費され、タンパク質の合成が制限され、その結果、スピルリナのタンパク質含有量が低くなります。(2)密閉容器は屋外の池に比べて温度変化が小さく、管理が容易である。 培地はスピルリナの成長と再生に重要な栄養素です。例えば、mg2 +は酵素活性を活性化して多糖類の合成を促進し、k +とna +は細胞膜内外の浸透圧を維持する。

shiら[1]は、最適なスピルリナ培地の組成と含有量を得るために、5因子4レベル直交実験を行いました。主な栄養素の濃度は、nahco3 10 g/ l、nano3 2 g/ l、kh2po4 0.6 g/ l、mgso4・7 h2o 0.2 g/ l、k2so4 1.2 g/ lである。ビタミンもスピルリナの成長と内容に一定の効果を持っています。例えば、zhang shaobinらは、0.1 ~ 5 mg/ lのビタミンb5がスピルリナの成長を促進し、最大の促進効果は0.5 mg/ lであると報告している。培養9日後、培養液のod560 nmは0.9を超え、フィコシアニンの含有量は最大0.02 mg/ mlに達した。調査[42]によると、海水で栽培されたスピルリナの多価不飽和脂肪酸とシトクロム含有量は、淡水で栽培されたスピルリナよりも有意に高いことが示されています。予備的な推測では、これは以下の理由によって引き起こされる。

(1) 海水にはミネラル分が豊富に含まれている。(2)海水は緩衝性が良く、ph変化が遅い。(3)海水はco2濃度が高い。しかし、具体的な理由については、さらに検討する必要があります。

3概要と展望

スピルリナ粉栄養が豊富で、一定の生物学的活性を持っています。people&の改善と相まって#39の生活水準と健康意識の強化、それに対する需要が徐々に増加しています。しかし、現在、スピルリナ企業は、高い栽培コスト、単位面積当たりの収量の低さ、ワムシの深刻な捕食、生成物の微生物汚染の深刻さなどの課題に直面しており、スピルリナの生産量が少なく、使用が制限されています。また、スピルリナは、21世紀の理想的な食品として、将来の循環型農業に欠かせないものとなっています。今後のスピルリナ栽培では、生産コストの削減、収量の増加、環境汚染リスクの抑制が主要な研究課題となります。

人口の急速な増加に伴い、海洋資源の開発や新たな海洋食品の生産が課題となっており、海水を用いたスピルリナの養殖技術の向上が急務となっています。窒素源と炭素源の種類と濃度、co2濃度、光の波長、独立栄養成長阻害剤はスピルリナ細胞の成長速度に大きな影響を与えるパラメータです。 の栽培技術を向上させるスピルリナは上記のパラメータから始めます低コストで高収量のスピルリナ栽培技術を追求する。スピルリナの例では、室内に育成し、スピルリナ細胞の成長率は调整タイプ及び窒素濃度はソースを操作することで軽かった波長およびCO2浓度、などなど、一定の物質trichoderminに加えること侵攻のワムシを抑制しできる制作費をつぎ込み、を減らして収益率を増やし环境污染のリスクも下げることがあります。

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