微藻高值化利用及其理论研究进展.pdf

覆毽In第三届海洋生物高技术论坛2 0 0 5 ．0 8 ．1 9 - 2 3微藻高值化利用及其理论研究进展潘克厚1 俞建中1 朱葆华1 石娟1 于文功2提要：本文综述了微藻高值利用技术、市场开发现状和理论研究进展，探讨了基因工程在微藻高值化利用中的应用与局限性，展望了微藻高值化利用前景和理论研究方向关键词：微藻，高值化，生物活性物质，基因工程微藻是一类微型生物的总称，包括众多真核和原核种类以1 9 6 8 国际上成立微型藻类国际联盟( M I U ) 为开始标志，微藻的商业化养殖与应用已经有近四十年的历史近十几年来，微藻工业得到了显著的发展，从用于食品和饲料的简单粗藻粉生产，扩展到了在人体健康和化妆品等领域应用的高值产品，并且正在推广到更广阔和崭新的领域目前微藻世界年产量大约在7 0 0 0 吨左右，折合产值数十亿美元，但其市场潜力依然十分巨大( P u l ze ta l ，2 0 0 4 ) 考虑到这一类生物丰富的生物多样性和微藻遗传工程的进展，微藻将成为新生物产品最有前途和希望的来源微藻的相对优势在于：( 1 ) 种类多包括各门的藻类，目前全世界已知的微藻种类有两万多种，据估计其种类总数在2 0 万到几百万之间( N o r t o n ，1 9 9 6 ) 。

2 ) 分布广它们存在于所有的水环境中，从热带、温带、寒带到极地，从含盐量低到高的，都能找到 3 ) 繁殖快在实验室中蓝藻的细胞加倍时间可达2 —3 h ，而小球则只需几十分钟这已接近大肠杆菌 4 ) 易操纵微藻中的蓝藻、绿藻和硅藻可能转入外源基因并稳定地表达；同时，为了规模培养微藻，已研制了各种光生物反应器，对于能异养培养的种类，还可利用控制系统较完善的微生物发酵罐这些表明，微藻在发展高值化技术上潜力较大，前景较好微藻的高值化技术至少包括两方面内容：一是在微藻中发现、增加或表达有特殊应用价值的组分；二是规模培养这些含特殊成分的微藻，制备出适用的制剂并阐明其合适的使用途径在这些技术的基础上，微藻的附加值才能可能明显地提高1 微藻的开发利用现状目前已大规模养殖的品种有螺旋藻( S p i r u l i n a ) ，小球藻( C h l o r e l l a ) ，盐藻( D u n a l i e l l a )等( 见表1 ) 随着微藻养殖和加工新技术发展，已生产出多种微藻加工产品，但主要是微藻粗藻粉制品如藻粉片剂，藻粉胶囊等( 见表2 ) ，作为人类健康食品或动物饲料添加剂，福建疑仃第三届海洋生物高技术论坛2 0 0 5 ．0 8 ．1 9 ．2 3具有相当的市场。

微藻产品的深加工和高值化将是微藻开发利用的必然趋势表1 几种主要工业化微藻及其产量参引( P u l ze t a l ，2 0 0 4 )藻种产量( 年／Ⅱ屯)螺旋藻S p i r u l i n a小球藻C h l o r e l l a盐藻D u n a l i e l l a念珠藻N o s t o c依沙束丝藻A p h a n i z o m e n o n3 0 0 02 0 0 01 2 0 06 0 05 0 0表2 微藻产品市场现状参引( P u l za n dG r o s s ，2 0 0 4 )1 ．1 功能食品功能食品的市场被认为在整个食品市场最具竞争力，在未来的几年里将占到整个食品市场的2 0 ％以上，而微藻具有某些生物活性物质和矿物营养物质，因而微藻功能食品的开发极具市场潜力在过去的1 0 多年里，粗藻粉制品( 片剂、丸剂和胶囊) 是微藻功能食品市场的主要产品，其产量占微藻年产量的7 5 ％以上相对简单的藻粉片剂、胶囊而言，具有综合健康功效的微藻功能食品或营养产品更能吸引消费者，市场上已经可以见到许多具有促进健康和调节免疫技能的功效的微藻健康食品或产品。

同时，微藻提取物的产品正在逐步占据一定的市场份额，如小球藻健康饮品，盐藻类胡萝I - 素胶囊，螺旋藻萃取物胶囊等7 9 1福建| 仃第三届海洋生物高技术论坛2 0 0 5 ．0 8 ．1 9 - 2 3德国、法国、日本、美国、中国和泰国已经开始将各种微藻功能食品( 面条、面包、乳酪和软饮料) 推广并市场化1 ．2 动物饲料动物饲料质量是动物的生长，繁殖和健康最重要的外因之一实验证明，在食物中添加极少量的微藻粉( 小球藻、栅藻或螺旋藻) 就能对动物的生理情况产生积极有效的影响，尤其是在非特异免疫反应和增强免疫系统能力方面( B e l a y ，1 9 9 3 ) 因此，微藻作为饲料添加剂在动物营养饲料中得到广泛应用，尤其是在家禽养殖中另外微藻在宠物饲料市场方面也极具商业前景，微藻作为饲料添加剂不仅起营养促进作用，同时还有改善动物皮毛等外观的效果( K r e t s c h m e re ta l ，1 9 9 5 ) 水产品如鱼类和贝类每年的产值在4 0 0 - - 5 0 0 亿美元左右，涵且以每年8 ％的增长率递增，尤其是在亚太地I X 发展迅猛( N e w ，1 9 9 9 ) 。

世界范围矿水产养殖中应用的微藻主要有骨条藻( S k e l e t o n e m a ) ，巴尔夫藻( P a v l o v a ) ，小球藻等1 0 多个属，4 0 多种微藻在水产养殖的利用体现在两个方面：一是传统的脊椎和无脊椎动物幼体饲料；- 是在鱼类饲料中的应用微藻作为生物界食物链的基础，在水产养殖业中扮演着重要的角色，尤其是在海洋水产中，是多种贝类、甲壳类和鱼类幼体的饵料；同时微藻还作为许多浮游生物的食物来源( 轮虫和挠足类) ，间接成为鱼类幼体的饵料( L a v e n sa n dS o r g e l o o s ，1 9 9 6 ) 通常微藻主要以鲜活饵料的形式作为幼体的开1 2 饵料，但其成本往往很高( M u l l e r - F e u g ae ta l ，2 0 0 3 ) ，据估计，每年消耗在水产养殖中的微藻价值在一亿美元左右( S p e k t o r o v ae l a l ，1 9 9 7 ) 目前，已开发出利用生物反应器进行大规模培养和营养强化，以藻膏形式保存和运输单胞藻的技术，并呈现良好发展势头除了直接作为幼体和浮游生物的饵料外，作为鱼类饲料添加剂也具有良好的市场。

最初作为增色剂，螺旋藻和由盐藻提取的类胡萝卜素在观赏鱼的饲料中大量应用近几年来，水产鱼类健康养殖的问题变得更加重要，研究发现在饲料中添加微藻能直接增强鱼类的免疫机能( S c h r e c k e n b a c he ta l ，2 0 0 1 ) 另外雨生红球藻( H a e m a t o c o c c u s p l u v i a l i s ) 产生的虾青素作为饲料添加剂，能增强鲑鱼等鱼类肉质的色感，这为该藻的生产应用带来了巨大的潜力1 ．3 生物肥料藻类作为七壤肥料有增加土壤粘性、保水、增加矿物质和固氮的作用，其中含有的某些生物活性物质还能影响高等植物的生长( B o r o w i t z k a ，1 9 9 5 ；M e t t i n g ，1 9 9 6 ；C r i t c h l e ye ta l ，1 9 9 8 ) 目前已经利用大型藻制成的液体肥料用来对矿山等贫瘠土壤进行增肥已经步入市场，每年的份额高达5 0 亿美元左右在这个领域，土壤微藻是一个值得研究和开发方向；同时，微藻具有表面固化的功能，可用来防止水土流失；另外，具有固氮作用的项圈藻( A n a b a e n a ) 、念珠藻可在热带、亚热带水稻种植中得到应用。

微藻中某些活性物质具有抗病毒或抗菌功效，这为生物农药的开发提供了一个新的来源7 9 2覆建蠢n ’第三届海洋生物高技术论坛2 0 0 s ．0 8 ．1 9 - 2 32 微藻高值物质及其市场开发现状在许多蓝藻和真核微藻中含有多种高价值的生物活性物质成分如：多不饱和脂肪酸、微藻多糖、微藻蛋白，色素、抗生素和生物毒素等，对传统的微藻产品进行深加工和精炼，可大幅提高微藻产品的附加值2 ．1 多不饱和脂肪酸( P o l y u n s a t u r a t e df a t t ya c i d s ，P U F A )P U F A 在人体疾病防治中起着重要的作用，受到世界的广泛重视n 3 系列P U F A ( E P A 和D H A ) 被认为在细胞功能和细胞分化中起重要作用，对预防心脏病、动脉粥样硬化有良好效果；对治疗其它疾病如癌症、炎症、哮喘、糖尿病等取得了令人鼓舞的结果( T a n 和J o h n s ，1 9 9 6 ；T h i e s 等，2 0 0 3 ) D H A 在胎／婴儿的发育中起重要作用( C r a w f o r d ，2 0 0 0 ；L a u r i t z e n 等，2 0 0 1 ) 。

动物大脑中富含P U F A ，尤其是D H A ，是类维生素A 受体的辅基( d eU r q u i z a 等，2 0 0 0 ) ，缺乏D H A 会导致神经一视觉系统发育紊乱以及其他一些早产并发症( C a r l s o n 等，1 9 9 3 ；C r a w f o r d 等，1 9 9 7 ；I n n i s 等，1 9 9 9 ；L a u r i t z e n 等，2 0 0 1 ) E P A 是哺乳动物生成前列腺素、白三烯和血栓素的前体( F u n k ，C ．D ．2 0 0 1 ) ，是碳廿酸( e i c o s a n o i d s ，局部荷尔蒙) 、生长调节因子和激素的前体，而且是与信号传导相关的质膜磷脂层的组成单位( D o n a l d ，2 0 0 2 ；S p e c t o r ,1 9 9 9 ) ，因此在感官功能，免疫和抗炎症等各种生理反应中起重要作用( S i m o p o u l o s ，2 0 0 2 ) P U F A 在动物和植物界都有存在，但最丰富的来源则是微生物，特别是微藻、真菌和细菌中( G i l l 和V a l i v e t y , 1 9 7 7 ) 。

目前获取n3 族P I 麟的主要来源是鱼油，但鱼类本身并不能合成这些脂肪酸( Y o n g m a n i t c h a i 和W a r d ，1 9 9 1 ) ，鱼油中的n 3 族P U F A 来自于食物链中的其它生物而且鱼汕中P U F A 的构成和含量不稳定，胆固醇含量高，并带有腥味，提炼工艺复杂，产率低，成本高昂冈此，鱼油作为E P A 和D H A 的来源己难以满足人们生活的需要，急需寻找更为广阔、稳定的E P A 和D H A 来源已发现在许多微藻中有着很高含量的n3 族P U F A ( V o l k m a nJ ．K ．等，1 9 8 9 ) 例如，紫球藻( P o r p h y r r i d i u mc r u e n t u m ) 拟微绿球藻属( N a n n o c h l o r o p s i ss p ．) 、三角褐指藻( P h a e o d a c t y l u mt r i c o r n u t u m ) 和单胞藻( M o n o d u ss u b t e r r a n e u s ) 富含E P A ，而寇氏隐甲藻( C r y p t h e c o d i n i u mc o h n i i ) 、蓝隐藻( C h r o o m o n a ss a l i n a ) 和球等鞭金藻( 1 s o c h r y s i s g a l b a n a ) 富含D H A ( C o h e n ，19 9 0 ，19 9 4 ：H e n d e r s o n 和S a r g e n t ，19 8 9 ；J i a n g 等，19 9 9 ；S u k e n i k 等，1。