光语带你认识微藻 第二篇——微藻的商业化开发和应用

云南石林爱生行公司的红球藻管道式养殖基地

光语带你认识微藻

第二篇——微藻的商业化开发和应用

单位:上海光语生物科技有限公司

微信公众号:Leadingtec

作者:俞建中(微信号:Scophy117)

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每次都要说在前面!

微藻的应用其实非常广泛,农业、环保、食品、医药等均有涉及,本篇仅介绍当前商业化开发的微藻种类及其应用,尤其指可以吃的种类,毕竟现在大部分人都喜欢标榜自己是吃货。其实只会吃那只能叫做饭桶,懂自己吃的是什么,才够得上吃货二字。微藻里不仅有吃得饱的种类,还有吃得美味的种类,这里重点讲吃得健康的种类,欢迎各位吃货和有志于成为吃货的朋友关注。

分割线以下是正文

本篇参引资料文中有提及,涉及篇幅或未有详细链接。

 

1.0 微藻的应用历史

人类利用微藻的历史可追溯到千年以前,我国汉朝的“苏武牧羊”里便有记载苏武“渴饮雪,饥吞毡”,此中的“毡”便指的是一种蓝藻——发状念珠藻(Nostoc flagelliforme),俗名发菜,在我国宋朝时期甚至是一种出口产品;我国湖北省鹤峰县走马坪镇的特产——葛仙米,亦是一种蓝藻,称为拟球状念珠藻(Nostoc sphaeroids),因东晋时期的道教名家葛洪而得名;西班牙殖民者十五世纪末到达美洲时,便发现阿兹特克人(Aztec)在食用一种从湖里打捞的链状蓝藻,即螺旋藻(Spirulina);而法国殖民者在上世纪40年代到达非洲乍得湖时,也发现当地土著在食用螺旋藻。

图1. 左:发菜;右:葛仙米。(图片引自网络)
图1. 左:发菜;右:葛仙米。(图片引自网络)

 

微藻的研究历史可以上述到19世纪末,1890年左右,荷兰微生物学家Beijerinck首先在湖河水中发现了单细胞微藻——小球藻(Chlorella vulgaris),并将其分离繁殖。20世纪早期的时候,Warburg将该藻作为植物生理学的研究对象。1953年Burlew出版了《藻类养殖从实验室到试点工厂》一书,记录了美国、德国和日本在二战期间,因粮食紧缺而进行的一些养殖微藻用于作为人类食品的研究。

1960年左右,世界上第一个微藻养殖工厂诞生,Nihon Chlorella 公司开始在日本建场生产小球藻,同时期,在中国,为了缓解农业歉收造成的全国性饥荒局面,中国国内曾大规模粗放养殖小球藻作为食物。

进入二十世纪80年代后,微藻养殖开始在全世界推广开来,养殖品种不断增加,目前具有一定规模的养殖品种有螺旋藻、小球藻、杜氏盐藻(Dunaliella salina)、雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)等,并从中提取β-胡萝卜素(β-carotene)、虾青素(Astaxanthin)、藻蓝蛋白(phycocyanin)等活性物质,开发应用于健康食品、化妆品、医药产业、高档饲料等产业领域。 同时寇式隐甲藻(Crypthecodinium cohnii)、裂殖壶藻(Schizochytrium)等可异养的藻类被用于发酵生产多不饱和脂肪酸。

2.0 微藻商业化开发与生物活性物质

微藻种类巨多,已知的有N万种,还有未知的,估计有好多个N万种;同时呢,分布的区域广,适存的环境种类复杂,营养代谢和生活方式多样,为生产和提供多样化的有价值物质提供了生物学基础。进入二十一世纪以来,微藻开始逐步的进入到更多人的生活,随着科学研究的进一步深入和生产的逐步扩展,微藻中更多的生物活性物质被发现,或其应用领域得以扩展。

已有的统计,各类微藻中含有的主要生物活性物质有多种类胡萝卜素、多不饱和脂肪酸、藻胆蛋白、甾醇、多糖等,甚至还有角鲨烯类菌胞素氨基酸等稀有物质。这些物质多具有抗氧化、抗菌、消炎、抗病毒、抗癌等生物活性,或者是人体所必需的维生素和激素前体,许多物质已经被开发作为人类的健康食品、食品添加剂、化妆品、动物饲料等,覆盖食品、饲料、化工,医药等多个领域,具有重要的经济价值和社会效益。

本节的主要内容为已商业化及具备商业化前景的微藻种类,其所含的高价值生物活性物质与功效的介绍,包括目前主要的微藻养殖品种和产品等。

表1.一些已经实现商业化生产的藻类及其功效物质
表1.一些已经实现商业化生产的藻类及其功效物质

 

微藻与其他植物相比,具有光合速率高、繁殖快、环境适应性强、以及易与其它工程技术集成等优点,同时,针对最为人类和一些养殖动物的食物而言,微藻在营养、生物活性功效等方面具有相当大的优势,因此微藻商业化生产实现之初,即被开发用作人类的健康食品(Healthy Food),以及宠物和高档养殖动物的饲料添加剂,延续至今,其作为高价产品的商业地位一直没有大的变化。

以1968微型藻类国际联盟(MIU)成立为开始标志,微藻的商业化养殖与应用已经有近五十年的历史。以日本上世纪60年代开始的生产小球藻作为食品添加剂为起点,墨西哥和泰国自上世纪70年代开始生产螺旋藻,上世纪80年代开始用盐生杜氏盐藻生产β-胡萝卜素在美国和澳大利亚得以实现。而后,如雨生红球藻等新品种得到推广,异养的藻类有小球藻、寇式隐甲藻、裂壶藻等。但相对于微藻庞大的种质资源来说,我们目前对微藻知之甚少,开发利用程度更是九牛一毛。

目前世界主要的商业化微藻种类有螺旋藻、小球藻、杜氏盐藻、雨生红球藻、水华束丝藻(Aphanizomenon flos-aquae)、眼虫(Euglena)等品种,以及用于PUFA发酵生产的寇氏隐甲藻和裂殖壶菌。

(1)螺旋藻

螺旋藻属蓝藻门(Cyanophyta),蓝藻纲(Cyanophyceae),颤藻目(Osillatoriales),颤藻科(Oscillatoriaceae )节旋藻属(Arthrospira ),因早期误分类为螺旋藻属(Spirulina),而后约定成俗称为螺旋藻。细胞无色素体,色素分布在原生质外部,无细胞核。丝状,行二分裂无性繁殖,繁殖结果使藻丝长度迅速增加。无有性生殖。生态条件:螺旋藻原生活在碱性水中,可以在淡水中培养,也可通过逐步驯化适应在海水中生长,直到海水盐度达到35也不产生藻体凝聚现象。常见养殖品种为钝顶螺旋藻(A. platensis)和极大螺旋藻(A. maxima )。

螺旋藻进入到文明世界是在1492年,哥伦布发现新大陆时,他的伙伴在墨西哥Texcoco湖里发现了这类青绿色微型藻。1940年,法国医学家克瑞琪在非洲乍得(Chad)湖里又发现了螺旋藻,并把它带回去请巴黎大学藻类学家丹吉尔德博士研究,因两人在二战中丧生,以致研究半途而废。

图2. 显微镜下的螺旋藻(by Robert Henrikson)
图2. 显微镜下的螺旋藻(by Robert Henrikson)

 

20世纪50年代及其以后,螺旋藻的研究开发有了迅速发展。1953年,华盛顿的卡内基研究所发表了《藻类培养从实验室到中间工厂》。1973年,法国石油研究所与墨西哥Sosa Texcoco公司,合作建立了大型的培养池,成为世界上第一个螺旋藻生产工厂。1993年,首次螺旋藻世界大会在摩洛哥举行,会议认为螺旋藻是根除营养不良、缓解粮食饥荒的最佳食物。而后螺旋藻养殖在美国、台湾、印度和中国大陆开始盛行,中间几经波折,目前全世界的产量约在8000吨以上,主要在营大生产商除了美国Cynotech,印度Parry等少数几个公司外,其余多在中国大陆地区,并在云南程海、福建、江西、海南、内蒙鄂尔多斯、广西北海等地形成产业集群区,总养殖面积已经超过15000亩,仅仅内蒙古鄂尔多斯螺旋藻产业园区就有5000吨以上产能,生产商有新大泽、绿A(施普瑞)、迪爱生(DIC)、程海保尔、再回首、绿蚨源、赐百年等几十家。

图3.乍得湖畔的土著在收集螺旋藻
图3.乍得湖畔的土著在收集螺旋藻

 

螺旋藻无毒无害,在古代墨西哥Texcoco湖和非洲乍得湖附近的土著居民就一直利用其作为食品,进入现代社会后,螺旋藻因其蛋白含量高、消化率高、γ-亚麻酸含量丰富、富含藻蓝蛋白等原因,被开发作为食品添加剂和饲料添加剂。螺旋藻对于人体的健康亦有多种功效,如降血脂、降胆固醇、降血压、抗癌、促进肠道有益菌生长,并对糖尿病和肾衰竭具有一定的治愈功效。螺旋藻中含有的藻蓝蛋白(phycocyanin PC),是一种天然的食品色素和化妆品原料,并可作为免疫学分析用的生物标记物质(显色剂)。

 

(2)小球藻

小球藻(Chlorella)属绿藻门(Chlorophyta) 绿球藻目(Chlorococcales)小球藻科(Chlorellales)中一个重要的属,常见的养殖种类为普通小球藻(Chlorella vulgaris)等。小球藻为单细胞微藻,球型或椭球型,直径多在3~8微米,小球藻光合作用效率高,生命力旺盛,一天即可分裂数代,以四分孢子形式进行无性繁殖。小球藻一般为光合自养生长繁殖,部分种株同时具有能光自养和异养的特性。

小球藻对许多疾病和亚健康症状的治愈具有相当好的促进作用,包括胃溃疡、外伤、便秘、贫血、高血压、糖尿病、婴幼儿营养不良和神经衰弱等,因增强免疫力的功效显著而被开发为健康食品,并被用于开发高档畜禽、宠物(包括赛马)饲料和水产饲料。

图4.葡萄牙ALLMA公司的小球藻管道式养殖基地
图4.葡萄牙ALLMA公司的小球藻管道式养殖基地

 

小球藻的生产公司有日本八重山、日本太阳小球藻公司、台湾绿宝、台湾光璧、台湾远东、台湾味丹等公司,中国大陆的新大泽、绿安奇、赐百年等,另外还有法国罗盖特下属的ALGOMED公司、葡萄牙ALLMA公司和韩国大象等生产公司等。

 

(3)盐藻与β-胡萝卜素

盐藻(Dunaliella)也称杜氏藻,是一种原生质裸露的嗜盐性浮游藻类,隶属于绿藻门(Chlorophyta)绿藻纲(Chlorophyceae)衣藻目(Chlamydomonadales)杜氏藻科(Dunaliellaceae))杜氏藻属(Dunaliella),为绿色单细胞藻。盐藻形体微小,不具细胞壁,但有膜质的糖蛋白包被,对pH值、温度、光照和盐度等环境因子的耐受能力很强,具有繁殖快、易于养殖等特性,广泛分布于盐湖与盐田中。

盐藻最先是1838年由Dunal在法国南部的盐湖中发现,最初发现的种被命名为盐生红球藻(Haematococcus salina),在1905年由Teodoresco命名为盐生杜氏藻(Dunaliella salina)。盐藻的特征是能够在高NaCl浓度的水中生长,能够耐受0.5M以上的盐度,甚至能在饱和的盐水中生存。盐藻属大约有20多个种,最常见的种即盐生杜氏藻(D. salina)。该藻的特征是在强光、高盐的胁迫作用下,具有富集β-胡萝卜素(β– carotene,图1-1)的功能,因含量的不同,其细胞颜色在绿色至暗红色之间变化。盐藻中β-胡萝卜素含量在5%以上,以色列学者Ben-Amotz的研究发现β-胡萝卜素含量在8~12%,而在澳大利亚粉湖(Pink Lake, Victoria, Australia)中发现的盐藻种β-胡萝卜素含量达到13.8%

图5. β-胡萝卜素的化学分子结构式
图5. β-胡萝卜素的化学分子结构式

 

自上世纪80年代以来,澳大利亚、美国、以色列等多国利用盐湖和地下卤水进行盐藻商业化养殖,世界盐藻的总产量据估算每年约为1200吨。

图6.以色列NBT (Nature Beta Technologies)公司的盐藻养殖基地
图6.以色列NBT (Nature Beta Technologies)公司的盐藻养殖基地

 

盐藻商业化应用的范围非常广泛。盐藻中富含的β-胡萝卜素 和甘油(~50%)可应用于化妆品、药品和食品工业。盐藻中含有的天然β-胡萝卜素具有多种医学功效,它是维生素A前体,对保护视力具有重要作用,能够降低得肺癌、结肠癌等癌症的几率,预防各种急慢性冠状动脉综合征等。盐藻中还含有多不饱和脂肪酸、蛋白、矿物质、活性酶,以及具有各类具有抗癌,抗衰老、消炎、降低中风与神经衰退性疾病发作风险等功效的维生素和抗氧化物质。此外,盐藻内还有具有抗生素活性的物质,对一些微生物具有很好的抑制活性,对食品工业意义重大。

在水产养殖行业中,盐藻因含有蛋白、类胡萝卜素、矿物质、维生素和脂肪酸等物质,可以直接作为饲料添加剂,或者作为次级生物饵料(如轮虫、卤虫)的饲料,用以生产优质的动物性生物饵料以饲喂鱼类和虾蟹类养殖动物,还可用于其他动物饲料中,用于能提高动物的生长速率和肉类质量,繁殖能力,肉和蛋色泽。

 

(4)雨生红球藻与虾青素

雨生红球藻 (Haematococcus pluvialis)是一种单细胞淡水绿藻,属于绿藻门(Chlorophata)、绿藻纲(( hlorophyceae)、 团藻目(Volvocales)、红球藻科(Haematococcaccae)、红球藻属(Haematococcus)。雨生红球藻在多种不适宜生长的外界环境条件下会在细胞核周围的细胞质基质中加速积累次生类胡萝卜素,其中80%以上为虾青素(图1-2)及其酯衍生物。研究证明,虾青素的抗氧化活性比β-胡萝卜素、玉米黄素、叶黄素和角黄素等类胡萝卜素高10倍,比黄体素高200倍,比维生素E高550倍被称为超级维生素E。

图7. 虾青素化学分子结构式(其中一种)
图7. 虾青素化学分子结构式(其中一种)

 

同其他类胡萝卜素一样,虾青素具有诸多的生物学活性,在人类健康等领域应用广泛,例如抗氧化(增加体内诸多抗氧化酶的活性),抑制脂质过氧化反应,减轻因辐射、过氧化等多种原因引起的炎症反应,治疗糖尿病及糖尿病并发症,预防心血管疾病预防,抗癌,免疫调节,保护肝脏,神经保护等。

图8. 云南石林爱生行公司的红球藻管道式养殖基地
图8. 云南石林爱生行公司的红球藻管道式养殖基地

目前,雨生红球藻是最近几年最火热的养殖微藻种类,国际大生产商有以色列Algatech,日本富士化工和美国夏威夷的Cynotech,国内目前有十多家生产厂商,较为成功的有云南石林爱生行、云南云彩金可、云南爱尔法等公司。

 

(5)微藻与多不饱和脂肪酸

多不饱和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acids, PUFA),尤其是omega-3脂肪酸,如Docosahexaenoic acid (DHA) 和 Eicosapentaenoic acid (EPA)与人类健康有着巨大的关系,多年来的研究证明,不饱和脂肪酸是形成生物膜的必备条件之一,对于维持生物膜的流动性与正常生理功能中的作用非常关键。PUFA对于高血压、中风、糖尿病、骨质疏松、抑郁症、精神分裂症、哮喘、眼睛黄斑变性、风湿病、关节炎等诸多症状具有疗效或减小患病几率的作用。如EPA是前列腺素和血栓素等多种重要激素的合成前体,并且参与各种免疫反应;DHA参与胎儿早期发育神经系统的形成,并能起到改善记忆力、抑制老年痴呆,减缓动脉硬化等作用。

微藻中富含多种PUFA如γ-亚麻酸(γ-linolenic acid,GLA)、花生四烯酸(arachidonic acid,ARA)、EPA和DHA。可异养的裂壶藻属( 裂殖壶菌,Schizochytrium)、寇式隐甲藻(Crypthecodinium cohnii)和吾肯氏壶藻(Ulkenia) 已经被用于生产DHA,并被开发作为婴儿食品的添加物。

图9. 裂壶菌,DHA粉末与寇氏隐甲藻
图9. 裂壶菌,DHA粉末与寇氏隐甲藻

 

微拟球藻属(Nannochloropsis)中富含EPA,但尚未被商业化开发,缺刻缘绿藻(Parietochloris incisa)中,发现富含ARA,但目前主要的生产方式是利用高山被孢霉(Mortiriella alpina)发酵。钝顶螺旋藻中含有GLA,但该藻的总脂含量低,而使GLA的产率较低。

目前ARA的生产厂家有Martek和武汉烯王;DHA的生产厂家,国外有Martek、OmegaTech和Nutrinova等,国内厂家有润科、长沙佳格和琅琊台等等。

 

(6)水化束丝藻

水化束丝藻(Aphanizomenon flos-aquae,AFA)与小眼虫(Euglena gracilis)是近期被开发的两种微藻,生产已经具备一定的规模。

据Spolaore et al.(2006)的统计,在美国每年有500吨左右AFA的产量,AFA隶属于蓝藻门(Cyanobacteria)蓝藻纲(Cyanophyceae)念珠藻目(Nostocales)念珠藻科(Nostocaceae),束丝藻属(Aphanizomenon)是一种在淡水生活的浮游丝状藻类,能引发水华。

AFA富含蛋白(63-69%),胡萝卜素、维生素B12和其他一些生物活性物质,商业化产品出现于上世纪80年代早期,研究认为它属于一种营养浓缩食品,并具有促进人体健康的作用;同时,AFA富含藻蓝蛋白,具有较强的抗氧化活性和消炎作用,还具有增强免疫、抗癌、降血脂、脑外伤恢复等功效。

AFA目前未见人工养殖,产品来源于天然生长在美国俄勒冈州Upper Klamath 湖中的藻体加工而成。

 

图10. 美国俄勒冈Upper Klamath湖中收集水化束丝藻藻体
图10. 美国俄勒冈Upper Klamath湖中收集水化束丝藻藻体
图10. 美国俄勒冈Upper Klamath湖中收集水化束丝藻藻体
图10. 美国俄勒冈Upper Klamath湖中收集水化束丝藻藻体

 

(7)纤细裸藻

纤细裸藻(Euglena gracilis小眼虫)属于裸藻(Euglenozoa)的一种,一直以来作为模式生物被广泛研究,研究历史甚至可以追溯到上世纪初。纤细裸藻中提取的β-1,3-葡聚糖(β-1,3-glucan,副淀粉,paramylum)已经通过了美国FDA的GRAS认证(GRN No. 513),在中国也于2013年5月通过了纤细裸藻的新资源食品认证。

图11. 纤细裸藻(图片引自 Protist Information Server)
图11. 纤细裸藻(图片引自 Protist Information Server)

 

纤细裸藻同时具备自养、异养和兼养三种营养生长特性,并具有可高密度养殖的特性,因而具备了可规模化生产的基础。纤细裸藻中生物活性物质种类丰富,如β-胡萝卜素,维生素C、维生素E等,另外还具有蜡酯(wax ester)、β-1,3-葡聚糖,PUFA,并可作为单细胞蛋白的来源。

纤细裸藻中含有各类维生素,因此它具有显著的抗氧化性,而纤细裸藻中所含的β-1,3-葡聚糖最高可占细胞干重的60~70%,β-1,3-葡聚糖一直被认为能起到免疫应答调节物质的作用,对人体具有增强免疫的功效。研究还发现,此物质具有抗癌、抵抗细菌感染、激活巨噬细胞,诱导细胞因子分泌、促进造血、抗辐射、治疗烧伤、促进伤口愈合、降血脂、抗氧化等作用,而其衍生物(如硫酸化)甚至具有抗HIV病毒的功效。

纤细裸藻在日本已经被开发为健康食品(EUGLENA公司),并进入了欧美和中国市场。鉴于小眼虫所含物质的活性功效,此藻类在人类健康乃至药物开发的领域得到应用的前景将非常广泛。

 

(8)紫球藻

紫球藻(Porphyridium)是属于红藻门(Rhodophyta)、原红藻纲(Protoflorideae)、紫球藻目(Porphyridiales、紫球藻科(Porphyridaceae)、紫球藻属(Porphyridium)的一种单细胞红藻, 分布于海水、淡水、咸水及潮湿的土地中,有较强的抗盐性, 能在含盐量高达3.5%~4.6% 的环境下正常生长。其细胞呈球形,无细胞壁。紫球藻含有多种生物活性物质,如EPA、藻红蛋白、多糖等。

紫球藻细胞呈球形,细胞最大的特征是外包围着一层黏质鞘(细胞分泌出来的水溶性黏多糖),即紫球藻胞外多糖。它是一种典型的磺酸化多糖,含量高达细胞干重的50%以上。

图12. 紫球藻细胞
图12. 紫球藻细胞
图12. 紫球藻多糖
图12. 紫球藻多糖

紫球藻多糖的医学功效:含有硫酸酯基团的紫球藻多糖有较好的抗病毒的活性,但无细胞毒作用;抗肿瘤、降血脂、降胆固醇作用;抗辐射、抗菌作用,紫球藻胞外多糖在体内对小鼠免疫功能具正调节作用,对革兰氏阳性细菌的抑菌作用较为明显。

图13. 以色列花臣公司的紫球藻养殖设施
图13. 以色列花臣公司的紫球藻养殖设施

在应用开发方面,以色列花臣公司(Frutarom,)已经实现规模化培养紫球藻,并利用紫球藻多糖开发化妆品,尤其是在皮肤抗皱方面的应用效果尤为突出(http://alguard.frutarom.com)。

 

(9)其他

除了上文所述的已经实现规模化生产/开发的藻类品种,还有一些种类已经小规模生产,并进入商业化的进程,如中国烟台海融公司以跑道池方式生产微拟球藻(Nannochloropsis);法国INNOVALG公司以跑道池生产长耳齿状藻(金色奥杜藻,Odontella aurita)、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)和中肋骨条藻(Skeletonema costatum),并用以开发化妆品类产品,其中长耳齿状藻已于2002年通过了欧盟新食品认证(EC regulation « Novel foods » 258/97)。同时有更多的种类正在研究其生物学特征、生化成分、养殖技术和养殖设施等,在不久的将来,这些新种类也将逐渐走入世人眼界。

 

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为了达到一目了然的需要,特意做了个表格放在尾页,简要列举了一些生产和研究中涉及的微藻种类及相关信息。

另外关于参考文献的事情多啰嗦几句,老俞习惯了引用必标,尤其是那些需要科学依据的内,但是太多的标注影响大家阅读,所以考虑篇幅,简化处理了,不过老俞保证所有的论点均有论据支持。

 

俞建中,完稿于2016年12月15日

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附表. 常见的养殖/应用较为普遍的微藻种类
附表. 常见的养殖/应用较为普遍的微藻种类

俞建中博士系列藻类科普文章链接:

光语带你认识微藻 第一篇——什么是微藻

光语带你认识微藻 第二篇——微藻的商业化开发和应用

光语带你认识微藻 第三篇——微藻培养简介

光语带你认识微藻 第四篇——紫球藻

光语带你认识微藻 第五篇——雨生红球藻

光语带你认识微藻 第六篇——虾青素与其功效

光语带你认识微藻 第七篇——盐藻与β-胡萝卜素

光语带你认识微藻 第八篇——地木耳、发菜和葛仙米

光语带你认识微藻 第九篇——微藻与不饱和脂肪酸

光语带你认识微藻 第十篇——裸藻(Euglena)

光语带你认识微藻 第十一篇——螺旋藻(一)

光语带你认识微藻 第十二篇—— 小球藻

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