本发明涉及生物技术领域对生物材料的开发提取，特别是涉及破壁乳杆菌超临界co2静态与动态协同提取虾青素的方法，属于真菌生物技术领域。
背景技术
虾青素是一种叶黄素类胡萝卜素，广泛存在于各种微生物和海洋动物体内，比如一些藻类、酵母和细菌的细胞中，或甲壳动物的外壳中。虾青素的化学名称为3,3′‐二羟基‐4,4′‐二酮基β‐胡萝卜素，分子式c40h52o4，摩尔质量为596.86g/mol。虾青素属于不饱和的酮式类胡萝卜素，包括两个终端环和一个多烯烃链。虾青素不仅存在立体异构体、自由态和酯化态的形式，虾青素还存在几何异构体。
虾青素具有较强的抗肿瘤、抗衰老、防治糖尿病、预防心脑血管疾病等功能，并具有延缓人体衰老的功效，对人类的疾病具有很好的防治和治理效果。因此，虾青素将在药物和保健品行业具有潜在的应用价值。然而，虾青素在提取应用方面存在一些问题，具体如下：(1)天然提取的虾青素产率低、纯度低，生产周期长；(2)虾青素的疏水性强，在整个虾青素分子中只存在两个亲水性集团；(3)虾青素分子极度不稳定，其高度不饱和链，对光、氧、热不稳定，易降解。以上问题给虾青素提取带来很大麻烦。近30年来，研究人员尝试通过化学修饰等方法对虾青素进行合成和改性，来达到增强其稳定性和体内溶解度的目的。美国食品与药品管理局(fda)禁止添加化学合成的虾青素至食品中。因此，不论是从经济应用方面考虑，还是从药用安全方面考虑，通过合适的方法从生物来源提取虾青素，提高虾青素的提取率都具有重要意义。
中国发明专利cn105695550a公开了一种高密度培养植物乳杆菌生产虾青素的方法。具体为将植物乳杆菌接种于包含蔗糖、糖蜜、硫酸铵、α‐蒎烯和维生素b12的发酵培养基中培养，培养过程中根据生长状况采用中间补料结合阶段控制ph值；当发酵培养基中残糖浓度低于10g/l时，补加营养培养基继续培养，ph值控制方法为延迟期和对数早期将ph控制在6.0～6.5，对数中期及每次补料后5h之内将ph控制在7.0～7.5，其余阶段将ph控制在4.5～5.0。在60～72h后结束发酵，最终生物量和虾青素产量分别可达735mg/l和32g/l。此方法制备的富含虾青素乳杆菌，生长周期短，成本低。
传统方法多通过化学提取法从藻类或者虾壳等原料中提取出虾青素，应用最多的是雨生红球藻，利用溶剂丙酮、甲醇、二甲基亚砜等浸泡或萃取，离心分离，水洗涤等步骤提取出虾青素。然而，采用化学提取法制备虾青素存在一系列的问题。由于，水产品自身易腐败变质，产品的纯度不高，且生产工艺复杂，有溶剂残留，难以用于工业化。
随着超临界萃取技术的发展成熟，利用超临界co2提取虾青素越来越受到重视。通过超临界装置即可完成提取工作，且无溶剂残留，适合工业化。目前应用最多的是对雨生红球藻破壁后的虾青素提取，但类方法存在一些问题，如雨生红球藻积累虾青素的条件需严格控制，生长周期较长，且细胞壁很厚，破壁提取虾青素难度大。目前工业生产中，雨生红球藻厚壁孢子细胞的破壁方法有机械破壁法、化学法破壁、酶法破壁等。机械破壁法是指采用胶体磨、研磨、高压均质等机械进行破壁，虽然破壁效率高，但耗能高，生产成本极高，再对虾青素进行提取，更加大了生产成本。在超临界装置提取方面，现有技术多是将超临界流体从萃取釜下方通入，同时通入夹带剂，夹带剂能增大目标提取物在超临界流体中的溶解度。在萃取釜中，目标物质溶解在超临界流体中，被超临界流体从萃取釜上端带出。在分离釜泄压，提取物析出。在此过程中，超临界流体和夹带剂瞬间喷过萃取釜，带走溶出的目标物，不能深入细胞内部，有大量超临界流体和夹带剂并未与目标物质完全接触，使得超临界流体和夹带剂消耗很大，为提高提取率，耗时较长。
中国发明专利申请cn104557649a使用超临界装置从虾壳中提取虾青素，1000g虾壳粉，萃取时间1小时，得到920mg虾青素，提取率为9.2％，提取率不高。
中国发明专利申请cn106467479a提供一种从雨生红球藻提取虾青素的方法，该方法使用球磨破壁，二氯甲烷和甲醇提取，虾青素的提取率可达95％。但是该方法存在有大量有毒机溶剂残留，不能广泛推广，难以商业化应用。
中国发明专利cn105695550a公开了一种高密度培养植物乳杆菌生产虾青素的方法。本专利针对这种富含虾青素的植物乳杆菌，提供一种植物乳杆菌细胞球磨破壁方法，对球磨破壁后的乳杆菌利用超临界co2对虾青素进行静态和动态提取，形成本发明技术。
技术实现要素：
为克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种操作步骤简单、除乙醇外无需其他任何有机溶剂、提取率高、成本低且易于工业化生产的从乳杆菌提取虾青素的方法，全过程绿色、低耗能。
本发明依据中国发明专利cn105695550a制备的富含虾青素乳杆菌为提取原料，球磨破壁后，结合改进后的超临界co2装置提取虾青素，具有很好的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
破壁乳杆菌超临界co2静态与动态协同提取虾青素的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将干燥的植物乳杆菌加入乙醇，球磨破壁后得乳杆菌菌浆，作为提取原料；
2)将硅藻土与乳杆菌菌浆混合，加入萃取釜，将萃取釜安装在超临界co2装置中；
3)控制超临界co2装置气密性，设置超临界萃取温度设为35‐60℃，超临界萃取压力设为10‐40mpa，超临界co2从萃取釜上方流入，当超临界萃取温度和超临界萃取压力到达设定值且稳定后，关闭阀v)，切断萃取釜和分离釜；利用高压，使超临界co2和共溶剂乙醇充分与提取物接触，进入未破壁完全的细胞溶解虾青素，高压和共溶剂乙醇提高虾青素在超临界co2中的溶解度，加压增溶静态提取10‐60min，打开阀v3接通萃取釜和分离釜，经高压，虾青素被超临界co2带到分离釜，打开分离釜下的开关v7，收集虾青素；
4)关闭分离釜开关v7，打开阀v2、阀v4，使co2经分离釜、阀v4、流量计、水冷机、二氧化碳储罐、高压泵、第一热油泵、阀v2、萃取釜、阀v3、第二热油泵、分离釜循环，持续在萃取釜中从上到下通入超临界co2，带走步骤3)未被提取的虾青素，控制动态协同提取时间为10‐60min；打开分离釜下的开关v7，收集虾青素。
为进一步实现本发明目的，优选地，步骤1)中，所述的干燥的植物乳杆菌是将发酵好的乳杆菌用95％乙醇脱水两次、无水乙醇脱水一次，每次20分钟，脱水至干燥状态。
优选地，步骤1)中，所述的球磨为湿法球磨，是将干燥的植物乳杆菌、乙醇和球磨珠加入球磨罐中进行磨损；球磨转速设为400‐750r/min；球磨珠和球磨罐均为氧化锆材质，球磨珠按粒径分成a球16mm、b球13mm、c球11mm、d球9mm、e球5.5mm；球磨珠选自不同粒径中至少两种，每种粒径的球磨珠为一个或多个；所述干燥的植物乳杆菌与球磨珠的质量比为0.5‐1。
优选地，所述的湿法球磨的球磨破壁时间设为0.5‐3小时。
优选地，步骤1)中，干燥的植物乳杆菌与乙醇的质量比为0.5‐2.5。
优选地，步骤2)中，所述硅藻土作为防结剂和支撑体，所述乳杆菌菌浆和硅藻土的质量比为0.3‐1。
优选地，步骤3)中，所述超临界萃取温度设为40‐50℃；所述超临界萃取压力设为10‐20mpa。
优选地，步骤3)中，所述超临界co2装置包括co2钢瓶、流量计、水冷机、高压泵、第一热油泵、萃取釜、第二热油泵、分离釜、二氧化碳储罐；co2钢瓶通过管道依次经压力表、阀v1、流量计、水冷机、二氧化碳储罐和高压泵接入第一热油泵，高压泵和第一热油泵之间设有安全阀和压力表；第一热油泵通过一路管道依次经阀v2、压力表、阀v5、安全阀连接萃取釜的上端；萃取釜下端通过一路管道依次经阀v3连接第二热油泵的一端；第二热油泵的另一端通过管道，依次经压力表、阀v6和安全阀接入分离釜的上端，分离釜的下端设有阀v7；分离釜的上端还通过管道连接至阀v1与流量计连接的管道上。
优选地，所述加压增溶静态提取20‐50min。
优选地，步骤4)所述动态协同提取时间为20‐40min。
步骤3)加压增溶静态萃取过程中，超临界co2流体在萃取釜以上进下出的方式通入，共溶剂乙醇和乳杆菌一起加入萃取釜，在静态萃取阶段，隔离萃取釜和分离釜，利用高压，使超临界co2和共溶剂乙醇充分与提取物接触，可以进入未破壁完全的细胞溶解虾青素样品，高压和共溶剂乙醇可提高虾青素在超临界co2中的溶解度，经高压，虾青素被超临界co2带到分离釜析出。
步骤4)中，动态提取阶段持续在萃取釜中从上到下通入超临界co2，带走前一阶段未被提取完全的虾青素样品。
与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果是：
(1)采用植物乳杆菌作为提取虾青素的生物材料，培养周期短、成本低，虾青素含量较高，约为乳杆菌干重的2％，细胞壁较雨生红球藻薄，相对容易破壁；
(2)设备简单，一次性投入低，操作方便，可连续生产，虾青素提取效率高，适于工业化；
(3)操作从破壁到超临界co2提取，都在乙醇体系下进行，虾青素经超临界co2提取后无水乙醇被带走，虾青素无任何有机溶剂残留，全过程无毒绿色，适于商业化应用；
(4)超临界co2流体流经萃取釜的方向为从上到下，高压增溶静态萃取结合超临界co2动态协同提取，提取效率提高。
附图说明
图1为本发明用于协同提取虾青素的超临界co2装置的结构示意图；
图中示出：co2钢瓶1、流量计2、水冷机3、高压泵4、第一热油泵5、萃取釜6、第二热油泵7、分离釜8、二氧化碳储罐9、阀v1、阀v2、阀v3、阀v4、阀v5、阀v6、阀v7。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例进一步对本发明进行说明，实施例中所提及的内容并非对本发明的限定。
本发明所用菌种为植物乳杆菌保藏号为atcc8014，购自美国标准生物品收藏中心(atcc)。根据中国专利申请(公开号cn105695550a)实施例1，发酵72h后得细胞干重32g/l，虾青素产量735mg/l，虾青素占菌干重2％。
本发明的超临界co2装置如图1所示，包括co2钢瓶1、流量计2、水冷机3、高压泵4、第一热油泵5、萃取釜6、第二热油泵7、分离釜8、二氧化碳储罐9、阀v1、阀v2、阀v3、阀v4、阀v5、阀v6和阀v7。co2钢瓶1通过管道依次经压力表、阀v1、流量计2、水冷机3、二氧化碳储罐9和高压泵4接入第一热油泵5，高压泵4和第一热油泵5之间设有安全阀和压力表；第一热油泵5通过一路管道依次经阀v2、压力表、阀v5、安全阀连接萃取釜6的上端；萃取釜6下端通过一路管道依次经阀v3连接第二热油泵7的一端；第二热油泵7的另一端通过管道，依次经压力表、阀v6和安全阀接入分离釜8的上端，分离釜8的下端设有阀v7。分离釜8的上端还通过管道连接至阀v1与流量计2连接的管道上。
本发明实施例中，球磨为湿法球磨，是将干燥的植物乳杆菌、乙醇和球磨珠加入球磨罐中进行磨损；球磨转速设为400‐750r/min；球磨珠、球磨珠均为氧化锆材质，球磨珠按不同规格分别编号为a、b、c、d、e，粒径分别为a球16mm、b球13mm、c球11mm、d球9mm、e球5.5mm；干燥的植物乳杆菌与球磨珠的质量比为0.5‐1。
实施例1
破壁乳杆菌超临界co2静态与动态协同提取虾青素的方法，包括以下步骤：
将发酵好的乳杆菌用95％乙醇脱水两次、无水乙醇脱水一次，每次20分钟，脱水至干燥状态。
称取110g干燥后的乳杆菌的菌粉，按菌粉和球磨珠质量比为0.6，取球磨珠6a、12b、18c共183.4g(例：6a表示取a规格的球磨珠6个，以此类推)，菌粉和乙醇的质量比为1称取乙醇，混合后加入到球磨罐，空冷机温度设为5℃，球磨机转速设为700r/min，经球磨机破壁2小时。完成后，用18目的筛子过滤得到菌浆，加入150g二氧化硅混合均匀后倒入萃取釜6。
组装好萃取釜，确认超临界co2装置的气密性后，将萃取釜6安装在超临界装置，打开总开关、第一热油泵、第二热油泵、水冷机开关。设置水冷机3温度为6.5℃，提取温度40℃，萃取压力20mpa，打开co2钢瓶1阀门、阀v1、阀v2、打开高压泵4开关。在加压过程中，超临界co2从上方流入萃取釜6，装置升至所设压力后，关闭阀v2和高压泵4，微微打开阀v3，让萃取釜压力表示数不会明显减小，使萃取釜的压力不会明显变化且含虾青素样品的溶液可在萃取釜底部流入分离釜8中，此时为高压增溶静态提取阶段，30min后，打开阀v7，收集分离釜8中的虾青素样品。
因在静态提取阶段打开阀v7取样时压力会减小，收集完之后关闭阀v7，打开阀v2和高压泵4，萃取釜压力表示数增至20mpa后，打开阀v4，关闭阀v1，使co2经分离釜8、阀v4、流量计2、水冷机3、二氧化碳储罐9、高压泵4、第一热油泵5、阀v2、萃取釜6、阀v3、第二热油泵7、分离釜8循环，超临界co2持续从上到下流经萃取釜6，将样品虾青素带到分离釜中，泄压后虾青素样品被分离出来，动态协同提取30min，打开v7，可在分离釜中得到虾青素样品。
将收集后的虾青素样品密闭避光置于冰箱。发酵乳杆菌，虾青素占乳杆菌干重的2％，110g干菌含虾青素2.2g，60min时实验得到约2.02g虾青素，虾青素的提取率为91.8％。
实施例2
破壁乳杆菌超临界co2静态与动态协同提取虾青素的方法，包括以下步骤：
将发酵好的乳杆菌用95％乙醇脱水两次、无水乙醇脱水一次，每次20分钟，脱水至干燥状态。
称取110g干菌，按菌粉和球磨珠质量比为1，取球磨珠1a、2b、8c、14d、82e共110.0g(例：6a表示取a规格的球磨珠6个，以此类推)，菌粉和乙醇的质量比为0.5称取乙醇，混合后加入到球磨罐，空冷机温度设为5℃，球磨机转速设为400r/min，经球磨机破壁3小时。完成后，用18目的筛子过滤得到菌浆，加入110g二氧化硅混合均匀后倒入萃取釜6。
组装好萃取釜，确认超临界co2装置的气密性后，将萃取釜6安装在超临界装置，打开总开关、第一热油泵、第二热油泵、水冷机开关。设置水冷机3温度为6.5℃，提取温度50℃，萃取压力10mpa，打开co2钢瓶1阀门、阀v1、阀v2、打开高压泵4开关。在加压过程中，超临界co2从上方流入萃取釜6，装置升至所设压力后，关闭阀v2和高压泵4，微微打开阀v3，让萃取釜压力表示数不会明显减小，使萃取釜的压力不会明显变化且含虾青素样品的溶液可在萃取釜底部流入分离釜8中，此时为高压增溶静态提取阶段，10min后，打开阀v7，收集分离釜8中的虾青素样品。
因在静态提取阶段打开阀v7取样时压力会减小，收集完之后关闭阀v7，打开阀v2和高压泵4，萃取釜压力表示数增至10mpa后，打开阀v4，关闭阀v1，使co2经分离釜8、阀v4、流量计2、水冷机3、二氧化碳储罐9、高压泵4、第一热油泵5、阀v2、萃取釜6、阀v3、第二热油泵7、分离釜8循环，超临界co2持续从上到下流经萃取釜6，将样品虾青素带到分离釜中，泄压后虾青素样品被分离出来，动态协同提取50min，打开v7，可在分离釜中得到虾青素样品。
将收集后的虾青素样品密闭避光置于冰箱。发酵乳杆菌，虾青素占乳杆菌干重的2％，110g干菌含虾青素2.2g，60min时实验得到约1.6g虾青素，虾青素的提取率为72.7％。
实施例3
破壁乳杆菌超临界co2静态与动态协同提取虾青素的方法，包括以下步骤：
将发酵好的乳杆菌用95％乙醇脱水两次、无水乙醇脱水一次，每次20分钟，脱水至干燥状态。
称取90g干菌，按菌粉和球磨珠质量比为0.6，取球磨珠8b、6c、24d共150.0g(例：6a表示取a规格的球磨珠6个，以此类推)，菌粉和乙醇的质量比为0.7称取乙醇，混合后加入到球磨罐，空冷机温度设为5℃，球磨机转速设为650r/min，经球磨机破壁2小时。完成后，用18目的筛子过滤得到菌浆，加入210g二氧化硅混合均匀后倒入萃取釜6。
组装好萃取釜，确认超临界co2装置的气密性后，将萃取釜6安装在超临界装置，打开总开关、第一热油泵、第二热油泵、水冷机开关。设置水冷机3温度为6.5℃，提取温度50℃，萃取压力22mpa，打开co2钢瓶1阀门、阀v1、阀v2、打开高压泵4开关。在加压过程中，超临界co2从上方流入萃取釜6，装置升至所设压力后，关闭阀v2和高压泵4，微微打开阀v3，让萃取釜压力表示数不会明显减小，使萃取釜的压力不会明显变化且含虾青素样品的溶液可在萃取釜底部流入分离釜8中，此时为高压增溶静态提取阶段，30min后，打开阀v7，收集分离釜8中的虾青素样品。
因在静态提取阶段打开阀v7取样时压力会减小，收集完之后关闭阀v7，打开阀v2和高压泵4，萃取釜压力表示数增至22mpa后，打开阀v4，关闭阀v1，使co2经分离釜8、阀v4、流量计2、水冷机3、二氧化碳储罐9、高压泵4、第一热油泵5、阀v2、萃取釜6、阀v3、第二热油泵7、分离釜8循环，超临界co2持续从上到下流经萃取釜6，将样品虾青素带到分离釜中，泄压后虾青素样品被分离出来，动态协同提取30min，打开v7，可在分离釜中得到虾青素样品。
将收集后的虾青素样品密闭避光置于冰箱。发酵乳杆菌，虾青素占乳杆菌干重的2％，90g干菌含虾青素1.8g，60min时实验得到约1.68g虾青素，虾青素的提取率为93.3％。
中国发明专利申请cn104557649a使用超临界装置从虾壳中提取虾青素，1000g虾壳粉，萃取时间1小时，得到920mg虾青素，提取率为9.2％，提取率低。
中国发明专利申请cn106467479a提供一种从雨生红球藻提取虾青素的方法，该方法使用二氯甲烷和甲醇提取，虾青素的提取率可达95％。但是该方法存在有大量有毒机溶剂残留，不能广泛推广，难以商业化应用。
本发明在优化条件下虾青素样品的提取率在90％以上，静态提取时，在高压、共溶剂、超临界co2下，虾青素可与提取剂充分接触，增大溶解度，配合动态协同提取可提取出绝大部分游离虾青素和虾青素油，且在乙醇体系下进行，结束后乙醇被co2带走，使虾青素样品无任何有机溶剂残留，装置简单、操作方便，适于商业化。
上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明权利要求的保护范围之内。