專利名稱：單胞綠藻的培養(yǎng)及食品制造技術(shù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是提供一種單胞綠藻的培養(yǎng)及食品制造技術(shù)方法，尤指其可提供營養(yǎng)價值高且具經(jīng)濟價值的食物，以解決世界上糧荒的問題。
人類有史以來人口的成長本來很緩慢，至近年來由于生長速度逐漸形成人口爆炸的趨勢，根據(jù)聯(lián)合國的人口調(diào)查，至今人口已超過五十億，而年增加率為1.9%，按此比例增加結(jié)果2001年的人口將達到70億之多。聯(lián)合國人口調(diào)查機構(gòu)的報告指出，目前全世界人口的10～15%陷入營養(yǎng)不良，而其中半數(shù)是饑餓狀態(tài)，原因之一是人口分布及糧食生產(chǎn)的不平衡。就如1985年在印度、埃塞俄比亞的大饑荒即引起數(shù)十萬甚至數(shù)百萬人以上的死亡。而且亞洲地區(qū)的人口占世界的50%，然而其糧食生產(chǎn)量卻僅有28%，除了歐洲及北美洲以外的地方，現(xiàn)有糧食都無法自給自足，日本糧食的自給率為70～75%，其余是依賴換算約75萬噸的蛋白質(zhì)輸入補足其數(shù)，實際輸入相當(dāng)于85萬噸的糧食，我國除稻米外也必須由國外進口糧食以補不足。
糧食生產(chǎn)足夠與否歸因于利用太陽能生產(chǎn)的綠色農(nóng)作物(植物)的光合成量，人類以及所有動物的糧食，來自綠色植物的光合成作用將太陽能轉(zhuǎn)換成植物性糧食，再將這些糧食飼養(yǎng)家畜轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)源，因此所有的糧食來源均來自于太陽能。利用單胞綠藻為糧食的來源供給東南亞地區(qū)慢性饑餓的方法值得考慮。最近也有利用石油來合成蛋白的研究正在發(fā)展，但石油本身只能供應(yīng)今后30～40年就逐漸枯竭，為解決蛋白質(zhì)源的缺乏，培養(yǎng)單胞綠藻是最值得研究的。
單胞綠藻是屬于綠藻類的一種單細胞藻類，因其葉綠體含有葉綠素a及b，且其光合作用的方式與高等植物相同，所以在植物生理學(xué)的研究上，早在二十世紀(jì)初葉已有以單胞綠藻做光合作用的研究，其體積非常微小(直徑約為2～8μm)，非肉眼所能見，外表呈圓球狀，必須在放大600倍以上的顯微鏡下才能看見，因此在單胞綠藻繁殖旺盛的地方，只是呈現(xiàn)著一片混濁的綠色液體而已。由于其個體如此微小，所以它的名稱是由希臘語的Chloras(意為綠色)，附加拉丁語的ela(意為微小)為接尾詞合并而成，意為綠色的小東西。單胞綠藻種類很多，分布亦很廣，在淡水池塘、水溜、溝中均可發(fā)現(xiàn)，常見的種類有Chlorella vulgaris，C.pyrenoidosa，C.ellipsoidea等種，在海邊亦有單胞綠藻的存在，如C.pyrenoidosa，C.minu-tissima等。
單胞綠藻是以無性分裂生殖繁衍，具體地說，即當(dāng)單胞綠藻的細胞成熟時，其內(nèi)部的細胞質(zhì)便會分裂形成四個或八個子細胞(autospores)，待其生長成熟，外部細胞膜便破裂而成為獨立的單胞綠藻，而且只要在有水、陽光和植物生長所必須的養(yǎng)分如碳、氧、磷、鉀、鎂、硫和鐵等，便能不斷地增殖，在適宜的環(huán)境下，自子細胞成熟以至再分裂，所需要的時間約二十個小時即可完成。若以每天分裂一次成四個子細胞來計算，十天后可達106個，三十天后則可增加至1018個之多，然而實際上，在水中的細胞濃度愈高則陽光被水中細胞吸收遮蔽而無法達到水面表面積3/4倍的錐形底部分，故增殖比率與陽光照射的面積成正比，此與細菌的繁殖不同。
由于單胞綠藻不僅具有快速的增殖能力，且早在第一次世界大戰(zhàn)時德國學(xué)者已開始研究，認(rèn)為可以把它作為今后糧食與飲料來源，以解決世界人口不斷增加而造成農(nóng)產(chǎn)品不足及缺乏蛋白質(zhì)的厄運。然而此項工作卻因戰(zhàn)爭而受挫，直到第二次世界大戰(zhàn)后才開始設(shè)置試驗工廠，從事大量培養(yǎng)的研究。
基于此，為了提供人類充足且具經(jīng)濟價值的食物，本發(fā)明人不斷地積極研究、試驗，今終開發(fā)成功了本發(fā)明，用以在具有經(jīng)濟條件下獲致高營養(yǎng)價值的食物。
本發(fā)明的主要目的是提供一種單胞綠藻的培養(yǎng)及食品制造技術(shù)方法，選取最佳的藻菌后于常溫下經(jīng)試管培養(yǎng)，至一定程度后接種至瓶子內(nèi)并加入培養(yǎng)劑作室內(nèi)培養(yǎng)，室內(nèi)培養(yǎng)至一定程度后再轉(zhuǎn)移至室外的培養(yǎng)池作室外培養(yǎng)以形成單胞綠藻，而后分離雜質(zhì)，將分離出來的純單胞綠藻置于貯存槽內(nèi)，以離心機清洗、再以高速分離機分離濃縮單胞綠藻，并利用高速遠心噴霧干燥機作干燥處理，并檢查其粒度分布情形，同時再檢查各營養(yǎng)成分及衛(wèi)生狀況，達到標(biāo)準(zhǔn)后即予真空包裝成產(chǎn)品。
本發(fā)明所提供的培養(yǎng)技術(shù)及制造方法，經(jīng)配合下列附圖予以作進一步的說明后，便有更詳細的了解，但以下所述的僅用以解釋本發(fā)明的較佳實施例，并非企圖對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡有在相同的發(fā)明精神下所作有關(guān)本發(fā)明的任何修飾或變更，仍應(yīng)包括在發(fā)明意圖保護的范疇。


圖1為顯示顯微鏡下的綠藻(X600倍)，右下角為綠藻單一細胞的結(jié)構(gòu)圖;
圖2為顯示單胞綠藻生活史圖;
圖3為顯示本發(fā)明制造流程圖。
圖號說明(1)試管中選種(5)脫水處理(2)室內(nèi)培養(yǎng)(6)殺菌處理(3)室外培養(yǎng)(7)噴霧干燥處理(4)收集液(8)真空包裝成產(chǎn)品單胞綠藻為一種最簡單的單細胞植物，體積非常微小，需用顯微鏡放大600倍才可看到，如圖1所示，外形呈球狀、橢圓形或菱形等，常單獨或集合成群生活;但不能游動，外有細胞壁，內(nèi)含細胞質(zhì)包藏一核及杯狀的葉綠體，在葉綠體內(nèi)有一個明顯的淀粉核(如圖1右下角所示)。
單胞綠藻(unicellular Chlorella)在地球上分布很廣，庭院中的養(yǎng)魚池或是金魚缸內(nèi)、池沼、貯水池內(nèi)，只要水色呈青綠色者，幾乎是單胞綠藻的大族群，也有些繁殖于畜舍邊或陰濕地面、石頭、樹木表面及冰雪寒冷地區(qū)等，普通生活如淡水中，目前已發(fā)現(xiàn)的約有十余種，其中較普遍的有C.pyrenoidosa，C.ellipsoidea，C.vulgaris，C.miniarta等。在近海的河口的海水中，亦有一些種類的單胞綠藻生于其中，通常稱為海洋綠藻，有時亦可在海岸邊發(fā)現(xiàn)其存在，就字義上而言，生長混有鹽份的水中的單胞綠藻并不能算是海洋綠藻，但是有些十分適應(yīng)海水者也可適應(yīng)于鹽水中，在海灣中經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)有C.pyrenoidosa，C.ellipsoidea及C.minutissima等三種，而其它則較少見。
綠藻綱的植物體內(nèi)含有的植物色素與高等植物相同，如葉綠素a及b，葉紅素(胡蘿卜素)(carotene)、葉黃素(花青素)(xanthophyll)等，并可營光合作用，因此很早即被利用于研究光合作用實驗植物，其球形單細胞的藻體被纖維素及半纖維素所形成的細胞膜所包覆。
培養(yǎng)單胞綠藻可稱之為園藝無土栽培(水耕栽培)的一種高經(jīng)濟價值的作物，于適當(dāng)?shù)纳L環(huán)境中，其對太陽能的利用率達10%，乃其它作物所不及，況且其為單細胞植物，整個藻體皆可供食用，毫無浪費之處，又其所含蛋白質(zhì)高達55%以上，比黃豆20～30%多，且其氨基酸組成及含量都較聯(lián)合國人口調(diào)查機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)為高;又其維生素及葉綠素的含量亦極高，更含有生長素(Chlorella Growth Factor簡稱C G F)，具有促進微生物及動植物發(fā)育乃至幫助人體抗?jié)冃缘男Ч?是開發(fā)潛力極高的蛋白質(zhì)資源之一。單胞綠藻浮生于水層中，與干苔、水綿、石莼等同屬于綠藻類，只要有空氣、水及二氧化碳與一些必須的化學(xué)元素，藉光合作用就能迅速地繁殖。然而因其營養(yǎng)需求及生長條件較為簡單即能迅速地繁殖而且其營養(yǎng)成份極高，又含有許多特殊成份，故早就為科學(xué)家所重視。
如圖2所示，單胞綠藻的生活史分為Dn、Da、D～L、L1、L2、L3、L4等七個階段，圖上空白箭頭表示需要日光照射稱之為明反應(yīng)，而黑箭頭表示不需要日光能的生長稱之為暗反應(yīng)，圖的大小為發(fā)育過程中細胞容積，黑色圓環(huán)表示葉綠藻含有量。
在日光照射下，Da、Dn、D～L細胞在此過程中較難分裂為一個新個體，故分裂Dn細胞需L3細胞置于暗處供給空氣才能分裂為Dn細胞。Dn至L2～L3期間細胞容積漸大，此為成長期(growing phase)，當(dāng)繼續(xù)成長至L4，細胞內(nèi)蛋白質(zhì)增加造成核質(zhì)并隨即分裂為四個子細胞，此為成熟過程(ripening process)，此過程需要日光，L3～L4期間屬于暗細胞期并得以成熟，稱為成熟期(maturing phase)，成熟的細胞分裂為Dn孢子，稱之為分裂期(dividing phase)，進行光合作用的周期乃由Dn開始至L3，而以Da至D～L中間最旺盛。
影響綠藻生長的因素有光線、溫度、攪拌、水深及酸堿值。光能在光合作用中轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的效率，除了溫度之外，就光的本身來說有光強度、波長的分布及照射時間等三個因子，對藻體生育有效的光，僅限于波長域400～700mμ的可見光。
綠藻生長于水中，故水溫對其生長有很大的影響，影響綠藻生長的溫度效果為將溫度提高使光飽和現(xiàn)象發(fā)生，如此光強度提高則光能利用率也會提高。綠藻可依溫度而分為低溫種、中溫種及高溫種等三種，但它們不能很明顯地區(qū)別，只能在其高溫限度下才有區(qū)別，本發(fā)明在綠藻選種方面盡量希望選定可耐高溫的品種，若提高綠藻的培養(yǎng)溫度則可提高其增殖(生長)率，但若能量變換效率提高至某一限度時則綠藻會突然死亡，此致死的溫度在高溫種約為42℃左右。
在培養(yǎng)綠藻的過程中，必須設(shè)有攪拌的裝置，其主要的作用有三(一)使培養(yǎng)液中氮-磷-鉀及其它營養(yǎng)成分均勻分布，以達到充分吸收的效果。(二)可以使綠藻得到間歇性的照射效果以提高光能利用效率。(三)攪拌的最大目的是防止綠藻細胞沉淀，綠藻細胞的比重約為1.02，它的大小只有2～8μm而已。在30分鐘至1小時的靜置下也不易沉淀，必須長時間的靜置才會徐徐的沉降至水底，在沉降狀態(tài)下細胞互相粘著，不發(fā)生光合作用也不產(chǎn)生生氧氣，一旦培養(yǎng)液中所存的氧氣不夠呼吸作用時，藻細胞就會死亡，死細胞當(dāng)然不會有增殖的現(xiàn)象。因此若缺少攪拌作用時會引起綠藻細胞沉淀而死亡，為了避免此種弊端，本發(fā)明在培養(yǎng)過程中設(shè)置攪拌裝置是必要的。
培養(yǎng)液的深度與其中綠藻細胞的濃度影響到入射光能否完全被綠藻所吸收利用。入射光若能完全被吸收利用時，在直線增值期的培養(yǎng)下，綠藻的生長量與光線照射面積相等時，則液深不一定有關(guān)系。
一般單胞綠藻最適合于生長在pH6微酸性的培養(yǎng)液中，而酸堿值對單胞綠藻的影響又可分為內(nèi)在與外在兩種性質(zhì)，內(nèi)因性即藻種本身的性質(zhì)，而所謂外因性即培養(yǎng)液pH的影響，其對綠藻的生長率影響很大。培養(yǎng)液的酸堿值的高低會影響到二氧化碳的利用率，若培養(yǎng)液是酸性時，一氧化碳以游離的性質(zhì)存在，則單胞綠藻能在光合作用下充分利用碳素源，若培養(yǎng)液為堿性時，則二氧化碳會形成重碳酸離子，單胞綠藻無法利用。
本發(fā)明供給綠藻的碳源可直接加入空氣中的二氧化碳，或可用冰醋酸、有機酸、葡萄糖、果糖等單糖類培養(yǎng)，甚至蔗糖的雙糖類均可培養(yǎng)，然而以利用有機酸糖類培養(yǎng)二氧化碳的生長更為快速。
如圖3所示，本發(fā)明所提供的單胞綠藻的培養(yǎng)及食品制造技術(shù)方法，包括有下列制造步驟一、試管中選種在常溫下生長至一定程度后，隔離光線使之不再生長，保存作為室內(nèi)培養(yǎng)的種源。
二、室內(nèi)培養(yǎng)于常溫下進行，加入碳源及培養(yǎng)劑，于生長至一定程度后移至室外培養(yǎng)。
三、室外培養(yǎng)將室內(nèi)培養(yǎng)后的藻菌移至室外培養(yǎng)，定時補足培養(yǎng)劑并予以攪拌以供藻菌充分吸收及防止藻菌沉淀，另加入碳源，并供給適量的陽光及溫度、檢查藻菌的新鮮度、檢查藻菌的生長情況，進一步培養(yǎng)出單胞綠藻。
四、收集液;
五、脫水處理;
六、殺菌處理;
七、噴霧干燥處理;
八、真空包裝成產(chǎn)品。
其中選種時是于顯微鏡下選取圓形或橢圓形的最佳品系藻菌，其大小約2～8μm，于常溫下經(jīng)試管培養(yǎng)；室內(nèi)培養(yǎng)是將試管培養(yǎng)后的藻菌分裝至小瓶子中，加入水、培養(yǎng)劑(以氮、磷、鉀混合而成)、空氣及二氧化碳并予以攪拌，調(diào)整光源對藻菌的照射及溫度以作室內(nèi)培養(yǎng)，初期時以50cc的小瓶盛裝，約七天后以500cc的中瓶盛裝，再約七天后以2000cc的大瓶盛裝，于室內(nèi)培養(yǎng)時是在15～25℃的室溫時生長最適當(dāng)，且良好的酸堿度為pH7～9，于室內(nèi)培養(yǎng)生長至一定程度后將藻菌移至室外于直徑2～45公尺的水泥培養(yǎng)池繼續(xù)作室外培養(yǎng)，由室內(nèi)移至室外培養(yǎng)池時是選擇于午后日光漸趨減弱之時，以使綠藻細胞適應(yīng)醋酸及二氧化碳的混營方式，并經(jīng)由十二小時以上不受強光直射的調(diào)節(jié)代謝機能時間，以達到較高的轉(zhuǎn)移成活率;并定時補足培養(yǎng)劑以供藻菌吸收，并供給適量的陽光及溫度、檢查藻菌的新鮮度、檢查藻菌的生長情況，進一步培養(yǎng)出單胞綠藻，所供的陽光量是依據(jù)水深情況而定，故必須注意培養(yǎng)池的深度，使陽光得以射入水面以下的藻菌范圍供充分吸收;待藻體長成后予以收集，再以離心機脫水處理，同時檢查其密度及新鮮度，并施予殺菌處理及噴霧干燥處理，最后再真空包裝成產(chǎn)品，本發(fā)明所用的噴霧干燥機是借著離心力的回轉(zhuǎn)(約10，000～12，000RPM)所制成，入口溫度為145～150℃，出口溫度為85～90℃，原液由噴孔進入干燥室中，由濃稠狀的液態(tài)，自頂部散布而下，約6～10秒即形成粉末。
大量培養(yǎng)單胞綠藻時所需的養(yǎng)分有碳、氮、磷、鉀、鎂、硫、鐵。由于在大量培養(yǎng)綠藻時需要高濃度的碳源，若僅將空氣通入培養(yǎng)液中，其效果并不十分理想，因此在本發(fā)明中對于室外的異營生長的綠藻必須利用有機酸(如檸檬酸、醋酸等)來作為碳源，并可在光照情況下繁殖得很好，若將異營培養(yǎng)轉(zhuǎn)移至日光下，將導(dǎo)致進入混營生長而且增進了綠藻細胞生長。再者，因為綠藻細胞無法從大氣中吸收氮，故必須以氮的化合物補充之，于本發(fā)明中是以KNO3或尿素來作為氮源，而尿素會經(jīng)由CO(NH2)2+H2O→CO2+2NH4以氨的形態(tài)而被利用。
通常對綠藻細胞組成，本發(fā)明是在培養(yǎng)液中添加少量磷、鉀、鎂、硫、鐵，因為在工業(yè)生產(chǎn)中是以地下水來培養(yǎng)，不需要特別再添加微量元素來促進生長。因為磷是以H2PO4-為綠藻所吸收，故采用KH2PO4作為鉀與磷的來源。鉀是以K的型態(tài)供應(yīng)，如存在于KNO3及KH2PO4;缺少K時細胞尚未發(fā)育成熟即行分裂，而這些子細胞將失去其分裂的功能。鎂來源則來自MgSO4·7H2O的化合物，其對葉綠素的成份很重要而且對酵素的活性也有關(guān)聯(lián);缺乏鎂雖不致于立即影響綠藻的生長，但細胞中葉綠素會變黃且失去其分裂的功能，當(dāng)細胞中缺少Mg時，其細胞核仍可分裂，然而細胞數(shù)目卻不會增加。細胞若缺硫時將停止生長且不再分裂，故生長過程中以添加硫酸鎂MgSO4·7H2O與硫酸鐵FeSO4·7H2O為硫的來源。一般而言，鐵屬于微量元素，F(xiàn)e對色素與酵素的活性極為重要，可以穩(wěn)定細胞的生長，在大量培養(yǎng)時雖使用含有鐵的地下水卻嫌不足。以FeSO4·7H2O或FeCl3來做為鐵源，并添加了金屬絡(luò)合離子(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid簡稱E.D.T.A)以固定鐵，當(dāng)其濃度為37ppm時，使鐵的相對濃度約為10ppm以適合綠藻的生長。
由以上所述可知，本發(fā)明是具有首創(chuàng)新穎性及實用性而有產(chǎn)業(yè)上的利用價值，因此已符合了專利法的發(fā)明要件，現(xiàn)依法提出申請，并請賜準(zhǔn)專利為盼。
權(quán)利要求
1.一種單胞綠藻的培養(yǎng)及食品制造技術(shù)方法，包括以下的制造步驟一、試管中選種；包含分離、純化、增殖及品種選擇；二、室內(nèi)培養(yǎng)；于常溫下進行，提供培養(yǎng)劑、碳源，于生長至一定程度后移至室外培養(yǎng)；三、室外培養(yǎng)，將室內(nèi)培養(yǎng)后的藻菌移至室外培養(yǎng)，定時補足培養(yǎng)劑并予以攪拌以供藻菌充分吸收及防止藻菌沉淀，另加入碳源，并供給適量的陽光及溫度、檢查藻菌的新鮮度、檢查藻菌的生長情況，進一步培養(yǎng)出單胞綠藻；四、收集液；五、脫水處理；六、殺菌處理；七、噴霧干燥處理；八、真空包裝成產(chǎn)品。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的單胞綠藻的培養(yǎng)及食品的制造技術(shù)方法，其中該培養(yǎng)劑是以氮、磷、鉀、鎂、硫所組成，且該培養(yǎng)劑的酸堿值是在pH6為最佳。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的單胞綠藻的培養(yǎng)及食品的制造技術(shù)方法，其作室內(nèi)培養(yǎng)時所用的碳源是直接以空氣中的二氧化碳加入的，而室外培養(yǎng)所用的碳源是以含二氧化碳的醋酸培養(yǎng)基。
4.依據(jù)權(quán)利要求1所述的單胞綠藻的培養(yǎng)及食品的制造技術(shù)方法，其由室內(nèi)移至室外培養(yǎng)池時是選擇于午后日光漸趨減弱之時，以使綠藻細胞適應(yīng)醋酸及二氧化碳的混營方式，并經(jīng)由十二小時以上不受強光直射的調(diào)節(jié)代謝機能時間，以達到較高的轉(zhuǎn)移成活率。
全文摘要
本發(fā)明涉及單胞綠藻的培養(yǎng)及食品制造技術(shù)方法，是選取最佳的藻種后于常溫下試管培養(yǎng)，至一定程度后接種至瓶子內(nèi)并加入培養(yǎng)劑及照射人工光線作室內(nèi)培養(yǎng)，培養(yǎng)至一定程度后再轉(zhuǎn)移至室外的培養(yǎng)池培養(yǎng)以形成充實的單胞綠藻，而后分離雜質(zhì)，將分離出來的純單胞綠藻置于貯存槽，以離心機清洗殘余培養(yǎng)藥量和其它雜質(zhì)，再濃縮和干燥處理，并檢查其粒度分布情形和各營養(yǎng)成分及衛(wèi)生狀況，達到所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)后，真空包裝成產(chǎn)品。
文檔編號C12N1/12GK1111282SQ9410496
公開日1995年11月8日 申請日期1994年5月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月3日
發(fā)明者謝德源 申請人:臺灣綠藻工業(yè)股份有限公司