微藻綜合加工利用研究進展

楊賢慶，武　瓊，2，胡　曉，李來好，吳燕燕，林婉玲，黃　卉

（1.農業部水產品加工重點實驗室，國家水產品加工技術研發中心，中國水產科學研究院南海水產研究所，廣東廣州510300；2.中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島266003）

微藻綜合加工利用研究進展

楊賢慶1，武瓊1，2，胡曉1，李來好1，吳燕燕1，林婉玲1，黃卉1

（1.農業部水產品加工重點實驗室，國家水產品加工技術研發中心，中國水產科學研究院南海水產研究所，廣東廣州510300；2.中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島266003）

微藻種質資源豐富，分布廣泛，其綜合加工利用及相關產品開發備受人們關注。微藻目前可主要用于制備可再生能源、生物活性物質及功能性飼料，廣泛應用于化工、養殖、醫療衛生、食品及化妝品等多個領域，為人類解決一系列能源、環境、健康問題，具有重要的經濟利用價值和巨大開發潛力。本文主要綜述了近年來微藻綜合加工利用研究進展，旨在為微藻精深加工及產品開發提供參考。

微藻，綜合加工，利用

微藻，通常是指含有葉綠素A能進行光合作用的一類微生物的總稱，體積大小一般在幾微米到幾十微米之間，是一種單細胞藻類或藻群體。目前為止發現的藻類約有3萬余種，廣泛分布于自然界各種水體中，其中微小類群就有2萬余種，約占總量的70%。微藻種質資源非常豐富，開發利用較早，西方發達國家早在20世紀70年代就已經進行過藻種篩選方面的研究［1-2］。微藻是最早出現在地球上的能利用太陽光和無機物制造有機物的原始低等植物［2］。作為一類原始而十分重要的海洋生物資源，微藻富含多不飽和脂肪酸、多糖、多肽等多種生物活性物質，具有生長快、產量高、可定向培養等特點，且適應環境能力強，生長易調控，因而是許多高附加值生物制品的重要來源［3］。本文主要就微藻的國內外綜合加工利用現狀展開討論，以期為進一步研究微藻加工與性質提供一定參考。

1　制備可再生能源

1.1產氫

微藻光解制氫，是通過微藻的光合作用系統及其本身特有的產氫酶系將水分解為氫氣和氧氣的過程。微藻一般具有相對完整的光合作用系統，產氫過程以水為原料，以陽光為能源，具有能量消耗少、催化效率高的特點。而且氫氣燃燒后不產生污染，熱值較高，是一種極為理想的清潔能源，被公認為最具開發潛力的新能源之一。最早發現的產氫藻類為斜生柵藻（Scenedesmusobliquus）［4］，后發現其他產氫微藻還有海洋綠藻（Chlorococcumlittorale）［5］、（Playtmonassubcordiform is）［6］、藍藻（Anabaenacylindrical）和小球藻（Chlorella fusca）［7］等。目前，已有研究者通過菌藻共培養的方法，利用根瘤菌來提高綠藻生物量積累和產氫效率，為微藻產氫提供了新的思路。也有人通過基因工程改造來提高產氫量，為工業能源生產提供了新的策略［8］。此外，通過把氫能轉化為電能加以利用，促進了燃料電池等技術的發展，具有巨大應用潛力。

1.2產烴

目前已知多種藻類都具有產烴能力，而不同種類微藻的產烴能力由于培養條件等因素不同而具有明顯差異。1968年，Gelpi等［9］通過研究最早發現葡 萄 藻（Botryococcusbraunii）和高山 組 囊 藻（Anacystismontana）具有產烴能力。1980年，Tornabenea等［10］發現鹽生杜氏藻（Dunaliellasalina）富含C17、C19飽和與不飽和脂肪烴類，可作為多種脂質的豐富來源。后來人們還發現浮游藻類小球藻（Chlorella protothecoides）熱解溫度達300℃時其飽和烴的產量可迅速增加［11］。其中，藻類產烴量最高、最具有研究價值的種類是葡萄藻，Brown等［12］曾發現，黃化休眠期的葡萄藻可以產高度不飽和、具有分支結構的烴類，占細胞干重的76%。

微藻產烴的應用歷史由來已久，可以通過高效的取烴技術將其取出后應用于化妝品工業、醫藥或作為能源使用，也可直接將所培養藻類燃燒發電［13］。但是目前主要的技術瓶頸在于尋找到更高產的微藻種類或品系，或通過改變培養方法以使藻種獲得更高的產烴量。

1.3制備生物柴油

目前，人類所使用的能源主要是煤炭、石油、天然氣等化石燃料。化石燃料是遠古時期的動植物遺體沉積在地層中，后經過億萬年演變而來，屬于不可再生能源，地球上儲量有限［2］。而生物柴油，作為生物質能的一種，它是生物質通過熱裂解等技術而得到的一種長鏈脂肪酸的單烷基酯，是一種非常重要的可再生資源。利用微藻生產生物柴油，與以動植物為原料制備相比，不占用耕地，產油效率高，固碳能力強，在國內外都有很大發展利用價值。由于微藻大多可通過光合作用利用二氧化碳進行自養生長，只要碳源準備充足，通過調節營養劑或營養方式即可提高微藻產油量，近年來此類相關研究已成為有關領域研究熱點［14-15］。

微藻制備生物柴油使用最廣泛的方法是，先利用超臨界CO2萃取技術或高溫高壓液化技術獲取胞內油脂［16］，再利用由德國拜耳集團發明的酯交換技術將其轉變為脂肪酸甲酯。酯交換反應中催化劑的選擇非常重要，楊治中［17］以納米級ZnO、TiO等材料為催化劑，并利用超聲技術使原料充分混合，使生物柴油的制備過程更加低能高效。此外，張貴芝等［18］也以規模化養殖的小球藻為原料，采用超臨界甲醇酯交換法開展制備生物柴油的實驗研究，考察了不同工藝條件的影響，可使生物柴油產率高達9%以上，且具有與石化柴油接近的理化性質和成分組成。周立等［19］還通過實驗研究了干藻直接轉化制備生物柴油的工藝，條件優化后使轉化率達到7.5%左右，與傳統方法相比省去了水洗步驟，節約成本，降低能耗。

微藻還可以從城市生活污水中汲取生長所需營養組分和大量水源，若將微藻產油與廢水處理結合起來，可以幫助實現生活廢水的無害化處理［20-22］。此外，微藻在水產養殖、維持水體環境穩定等方面也發揮著不可忽視的重要作用［23-26］。

2　制備生物活性物質

2.1多不飽和脂肪酸（PUFA）

多不飽和脂肪酸（PUFA），尤其是二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA），在食品營養學和醫學等領域有著重要作用。二十二碳六烯酸（DHA，22∶6ω3）是一種ω-3型脂肪酸，它不僅作為一種重要的結構脂類廣泛存在于大腦灰質和視網膜中，而且還是心臟組織的關鍵組成成分，能促進嬰幼兒大腦和眼睛發育，還對患心血管疾病的成年人具有重要作用［27］。二十碳五烯酸（EPA，20∶5ω3）是另一種重要的多不飽和脂肪酸，可促進幼體的生長、發育，對心血管疾病的防治也具有非常好的效果，還可降低高血壓、高膽固醇的發生率，防止血管硬化和心臟血管栓塞。

目前PUFA主要從魚油中提取，工藝復雜，資源有限，價格昂貴，且存在重金屬含量超標的風險。微藻中含有豐富的多不飽和脂肪酸，利用微藻生產多不飽和脂肪酸具有廣闊的前景。此外，微藻中分離得到的不飽和脂肪酸成分具有特殊生物活性。王曉崢等［28］針對一株硅藻（Nitzschia.laevis）進行實驗，對其PUFA的免疫調節作用和抗腫瘤作用進行了研究，證明EPA在體外對人肝癌BEL-7402細胞有明顯的抑瘤和促進其凋亡的作用，在體內對小鼠H22肝癌有明顯的抑瘤和促進腫瘤凋亡的作用，且其抑瘤機制與免疫活性的提高有關。肖艷等［29］采用GC-MS的方法對小球藻中脂類成分進行分析，從中鑒定出9種成分，其中EPA含量為18.45%，抗菌活性實驗顯示EPA甲酯的抑菌效果要好于粗脂甲酯和PUFA甲酯，且對金黃色葡萄球菌和枯草桿菌的抑菌效果要好于大腸桿菌和綠膿桿菌，具有顯著的抗菌活性。

2.2活性多糖

微藻光合作用所形成的儲藏性碳水化合物分為淀粉、紅藻淀粉、裸藻淀粉和金藻昆布糖（或昆布糖）。在中國和日本，裸藻淀粉和金藻昆布糖作為β-1，3葡聚糖已被列為GRAS中，可應用于醫藥、食品、個人護理品、飼料等多個行業［30］。

微藻多糖是一類由微藻通過光合及代謝合成的有機質，大多都具有生物活性。微藻多糖種類多樣，研究發現主要具有抗病毒、抗腫瘤、抗衰老、抗炎免疫、降血糖、調血脂等多種生物活性作用。某些多糖還具有抗炎癥和潤膚的作用，可以廣泛應用于化妝品中［31］。

在抗病毒及抗腫瘤方面，部分微藻中含有的雜聚硫酸酯多糖對出血性敗血癥病毒、非洲豬熱病毒有很高的抗性，也能有效抑制水痘病毒增殖，并且抗炎及潤膚作用顯著。Kusaikin等［32］研究發現，提取自硅藻尖針桿藻（Synedraacus）的金藻昆布糖也具有明顯的抗腫瘤活性。在抗炎免疫和抗衰老方面，有研究發現螺旋藻多糖能夠提高機體非特異性免疫，促進特異性的體液免疫功能，對腫瘤細胞也有一定殺傷和抑制作用，還具有一定抗疲勞、抗衰老活性［33-34］。周妍等［35］研究了5種海洋微藻多糖對小鼠體外免疫細胞功能的影響，從中篩選出紫球藻多糖具有增強吞噬細胞的吞噬功能，促進巨噬細胞合成NO及促進脾淋巴細胞和腹腔巨噬細胞增殖的作用，可調節體外免疫活性。也有研究發現，馬尾藻多糖通過促進豬脾細胞增殖和分泌NO、IL-2和IFN-γ，而具有調節免疫細胞活性和抗病毒的能力［36］。綠藻中提取的多糖也多具有抗凝血、抗炎作用，并能通過增強機體免疫力而抑制腫瘤［37-39］。此外，螺旋藻多糖［40］、蜈蚣藻多糖［41］等均被證明具有明顯的降血糖及降血脂活性。

2.3活性肽

微藻蛋白中含有較多高價值肽，可以從微藻中進一步提取功能活性多肽，為實際生產生活提供幫助。

微藻中多肽活性主要表現在抗氧化、抗腫瘤、抗菌及AEC抑制等方面。在抗氧化功能方面，通過酶解微藻蛋白，測定酶解產物對羥自由基、超氧自由基、DPPH自由基、ABTS自由基等多種自由基的清除能力，與VC或谷胱甘肽對比，再進一步通過模擬體內消化實驗，經過分離純化可以獲得具有良好抗氧化活性的天然多肽。Sheih等［42］從小球藻中分離獲取一種抗氧化肽，其抗氧化活性優于BHT和維生素E，且沒有細胞毒性。也有研究者從螺旋藻中酶解獲得較高活性的抗氧化肽，從而為螺旋藻抗氧化肽用于抗氧化功能食品和生物制藥方面奠定基礎［43］。

在抗菌抗腫瘤方面，有研究者從海水紫秋藻和小球藻中提取粗蛋白和多糖，發現兩者均具有抗菌活性，粗蛋白提取物的抗真菌活性比抗細菌活性更大［44］。張博超等［45］用超聲破碎、反復凍融的方式提取螺旋藻蛋白后進行水解，發現不同分子量水解液對人乳腺癌細胞（MCF-7）和肝癌細胞（HepG-2）的體外生長有抑制作用。

此外，還有一些水解蛋白肽具有抑制血管緊張素轉換酶（AEC）活性。Sheih等［42］從廢棄的小球藻蛋白中還獲得一種AEC半抑制濃度為29.6μmol/L的十一肽，具有良好的酸堿穩定性和熱穩定性，有很高的商業利用價值。

2.4天然色素

微藻中含有的色素主要包括藻膽蛋白、類胡蘿卜素和葉綠素三類。藻膽蛋白實質是一種存在于藻類中的特殊捕光復合色素蛋白，用于捕獲光能傳遞給葉綠素以進行光合作用。用于商業用途的藻膽蛋白主要來源于藍藻和紅藻，因為藻膽蛋白易于分離，其主要用途是作為食用色素以替代人工合成色素，添加到冰淇淋、糖果或飲料中［46］。

類胡蘿卜素種類較多，顏色由黃到紅，其中大部分呈橙色，最主要的用途也是作為天然食用色素和功能性食品的配料［47］。其中杜氏鹽藻（Dunaliellasalina）可用于產β-胡蘿卜素，商業生產利用價值高［48］。蝦青素作為另一種商業價值極高的類胡蘿卜素，具有很強的抗氧化活性，還具有保肝、保腸胃、保護心血管及抗癌、治療神經損傷的功能［49］。已有研究表明，雨生紅球藻（Haematococcuspluvialis）具有較強的產蝦青素能力，體內積累量可達到干基的4%～5%［50］。汪曙暉等［51］從兩種微藻中提取巖藻黃素，經實驗證明對腫瘤血管新生具有顯著影響，能夠抑制腫瘤細胞增殖、轉移、侵襲和CAM上血管新生。

葉綠素作為最天然的綠色食品色素，也廣泛應用于各類食品之中。由于陸生植物的葉綠素提取率不高，原材料來源相對較廣泛的微藻即可作為一種優質天然色素資源。Bai等［52］在對多種微藻實驗比較后，發現Dunaliellaprimolecta和Isochrysisaff.Galbana兩種藻類具有較強產葉綠素能力，并可通過甲醇和正己烷使油脂和色素提取率均達到90%以上。

目前，微藻的食品應用形式主要包括噴霧干燥的藻粉、片劑和膠囊等，部分微藻如節旋藻、小球藻、雨生紅球藻和鹽生杜氏藻等已用于商業化生產生物質產品。另外，從微藻中提煉的生物活性成分如藻藍蛋白、活性多糖、β-胡蘿卜素、蝦青素、長鏈多不飽和脂肪酸和等已應用于人類及動物營養、化妝品及高附加值產品（如色素、脂肪酸及穩定同位素等）生產等多個方面。

3　制備功能性飼料

動物飼料經動物食用后再轉變為供人類食用的動物產品，因而飼料質量間接影響人類健康。微藻富含多不飽和脂肪酸（PUFA）、蛋白質和類胡蘿卜素等多種營養物及生物活性物質，可以作為幼體動物的鮮活餌料和次級餌料生物的營養強化食物，在促進幼體生長、提高存活率方面明顯優于人工餌料［53］。

近年來，喬洪金等［54］研究發現，在牙鲆幼魚的飼料中添加富含DHA的裂壺藻和富含EPA的微擬綠球藻來替代魚油，不僅維持了花生四烯酸、EPA、DHA的水平，而且提高了n-3/n-6比率。微藻作為單一脂肪源應用在牙鲆幼魚飼養上，可獲得較好的飼料系數和生長性能，并有效提高牙鲆的保健價值。海生小球藻（Chlorellamarina）、瑞典四爿藻（Tetraselmissuecia）、綠色巴夫藻（Pavlovalutheri）、三角褐指藻（Phaeodactylumtricornutum）、擬微綠球 藻（Nannochloropsisspp.）、牟 氏 角 毛 藻（Chaetocerosmuelleri）、球等鞭金藻（Isochrysisgalbana）、威氏海鏈藻（Thalassiosiraweissflogii）和中肋骨條藻（Skeletonemacostatum）都是常用的水產育苗幼體的開口餌料［55］。此外，多人實驗證明［56-58］，小球藻也具有顯著增強動物免疫力的功能，在禽畜或水產養殖的動物餌料中添加小球藻，能提高成活率，使體內EPA、DHA含量明顯增高，對動物生長發育具有重要作用。

4　展望

微藻種類眾多，資源豐富，隨著日益深入的研究，微藻的綜合加工利用已經成為國際上備受關注的課題。微藻的充分開發利用能為人類解決一系列能源、環境、健康問題，具有重要的經濟價值。微藻可通過生產生物柴油使人類獲取系列能源，將微藻的培育與處理城市污水相結合可緩解環境污染問題，制備高質量功能性動物飼料，能有效增強動物免疫力，提高動物幼體存活率，間接促進人體健康。此外，微藻中海洋活性物質的分離純化及制備技術也備受人們關注，將其廣泛應用于食品、化妝品和醫療衛生等相關領域，能夠更好地為人類生產生活服務，也逐漸使微藻及相關產品的開發利用發展成為一種新興產業，具有極高商業利用價值。

但是，在實際生產應用中，微藻生物技術研發不足，諸多技術瓶頸尚未解決。比如用于生化研究的微藻種類僅有幾百種，能夠真正用于大規模工業化培育與生產的種類則少之又少，完全不能充分發揮微藻資源豐富、來源廣泛的巨大優勢。因此篩選更多優質微藻品種、建立更加高效經濟的培育體系將是未來微藻加工產業未來發展方向之一。此外，充分利用其富含多種生物活性成分的特點，如何進行以微藻提油提烴之后的蛋白質、多糖、脂肪酸多種物質的聯產及綜合利用，是保證微藻得以高值化利用的技術關鍵。同時，積極發展微藻中特殊生物活性物質的分離、純化及海洋功能性食品的加工制備等技術，也將對海洋生物活性物質的利用提供巨大的發展空間。

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Research progress in comprehensive processing and utilization of microalgae

YANG Xian-qing1，WU Qiong1，2，HU Xiao1，LI Lai-hao1，WU Yan-yan1，LIN Wan-ling1，HUANG Hui1
（1.KeyLaboratoryofAquaticProductProcessing，MinistryofAgriculture，NationalR&DCenterforAquaticProductProcessing，South China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Guangzhou 510300，China；2.College of Food Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266003，China）

Microalgae had lots of species，and they were widely distributed.The comprehensive processing and related products development of microalgae had caught great attention.Nowadays，microalgae were mainly used for the preparation of renewable energy sources，biological active substances and functional feed.It was widely used in many fields such as chemical，farming，health care，food and cosmetics，helps solving series problems of energy，environment and health issues for mankind，which has an important economic value and development potential.This paper reviewd the recent progress of comprehensive processing and utilization of microalgae，and aimed to provide a reference for deep processing and product development of microalgae. Key words:microalgae；comprehensive processing；utilization

TS201.1

A

1002-0306（2015）10-0360-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.068

2014-07-21

楊賢慶（1963-），男，大學本科，研究員，研究方向：水產品加工與質量安全。

國家自然科學基金（31301454）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD28B06）；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（2014YD05）；國家農業科技成果轉化資金項目（2010GB23260577，2010GB2E000335）；國家現代農業產業技術體系（CARS-49）；工信部高技術船舶科研項目（DC132101）；廣東省科技計劃重點項目（2011A020102005）。