微藻生物技术应用研究进展——北京大学工学院食品与生物资源工程研究所所长陈峰教授专访

微藻生物技术应用研究进展
——北京大学工学院食品与生物资源工程研究所所长陈峰教授专访

编者按：陈峰，食品生物工程领域首位国家千人计划获得者，曾入选教育部长江学者和中科院百人计划。现任北京大学终身讲席教授、兼任工学院食品与生物资源工程研究所所长。1993年毕业于澳大利亚昆士兰大学化学工程系，获生化工程博士学位，澳大利亚注册工程师。曾任香港大学终身教授兼任植物学系系主任及生物科学学院执行院长。陈峰教授的研究工作主要集中在微藻生物工程(包括微藻生物能源)、功能食品、生化工程及生物资源工程等领域。率先提出利用异养方式规模化高密度培养微藻以生产高附加值功能性食品成分及藻类生物能源(例如，脂质)，他同时将研究扩展到其他微生物和植物资源的开发及功能性成分研究等领域。迄今已在国际权威学术期刊(SCI)发表200余篇研究论文和综述(SCI引用愈5000次，H-index 40)、专著4本、美国及中国专利共6项。多次在国际学术会议作大会特邀发言，多次组织国际学术会议。连续几年被Essential Science Indicators评为Highly Cited Scientist。曾获香港大学杰出青年研究奖、杰出研究生导师奖、法国-香港联合研究奖、首届中国食品科技杰出中青年奖、2008年被选为美国医学与生物工程院院士、2010年获美国化学工程师学会大会奖，2011年被选为英国皇家化学会会士。陈峰还兼任英国皇家化学会期刊Food & Function副主编和另外3个国际学术期刊编委(Process Biochemistry，Journal of Applied Phycology，Biotechnology Letters)。微藻在食品、医药、基因工程等领域具有很好的开发前景，鉴于陈教授在微藻领域的研究成就，本刊特专访陈教授，请他对微藻的培养模式、技术难点及应用现状进行分析，以期为相关研究机构和生产企业提供参考。

记者：微藻属于植物，传统上是通过光合作用进行生物合成，是您率先提出用异养方式规模化高密度培养，其优势主要有哪些？

陈教授：通常来讲，大部分微藻被认为属于植物，需利用光能自养方式进行生物合成，产生更多的生物量，但据粗略估计大概有50%以上的微藻并不需要光，它可利用有机碳源进行糖降解(如葡萄糖，既可作为有机碳源也可作为能源)，经三羧酸循环，产生足够多的ATP，以维持生长，其生长速率比光照条件下快得多，类似于细菌、酵母菌的代谢生长，此即异养培养方式。

异养培养优势主要体现在两点：1)单一藻种培养，不受其他生物污染；2)可以高密度大规模培养，提高底物的转化率和微藻细胞产量，缩短了培养周期。可利用现有的发酵设备(如发酵罐)用发酵的方式进行高密度规模化培养，摒弃了传统上仅利用光能和二氧化碳作为碳源和能源的生长方式，即光已不再是微藻生长依赖的限制因子，尤其在高细胞密度情况下，细胞会出现较严重的遮蔽效应，致光穿透力下降，光的利用率降低，很难实现高密度培养，从而限制了生产规模。如小球藻既可光合自养也可异养培养，用光合作用规模化培养的产量仅有1g/L(干质量)左右，而异养培养产量可达50～100g/L (干质量)，产量可提高近100倍。

记者：实现高密度规模化生产，需要注意的问题是什么？会遇到什么困难？如何克服？现在产量能达到的水平？

陈教授：微藻利用异养方式高密度大规模培养时，需注意：1)防止环境污染和生物污染。在外界环境条件不易控制的开放式养殖池中，除受环境中的理化因子影响外，往往还会有些细菌存在，同时要绝对防止其他生物的污染也并不容易，即使将培养池建在远离公路和污染源的地方，污染也仅仅会减轻而已。为能从根本上解决这个问题，多年来我们一直都在大力推广采用密封式发酵罐异养培养方式，可有效避免污染源的侵入，并可进行生产系统的自动化控制，产品质量比较稳定。2)异养培养微藻耐受糖的能力比细菌、酵母菌差，糖一旦过量会抑制其生长，这个问题也是规模化生产的一大瓶颈。对此，我们采用分批流加糖(如葡萄糖)的方式，费用可能相对会高些，但对于生产高附加值的产品，如DHA，葡萄糖的低成本完全可以忽略不计。

目前我们的发酵罐培养单罐体积可以达到100吨以上，理论上可以达到600吨，产量相当稳定可观，细胞密度可达60～100g/L(干质量)。培养周期因藻种的不同而不同，最快一个培养周期36h即可完成。

陈峰教授在北大讲堂上给学生授课

记者：目前，国际微藻在生物技术方面研究的主要课题和难点是什么？我国在微藻方面主要应用于哪些领域？我国的微藻研究在国际上处于什么水平？

陈教授：根据我在微藻领域多年的研究，发觉对其生理学方面的研究仍不足。很多研究者认为微藻就是螺旋藻或小球藻，但据资料统计已知的微藻种类至少有3万～5万个，但实际工业化应用的不超过20个品种。微藻除含有人们熟知的ω-3多不饱和脂肪酸(如DHA)等化学成分外，还富含大量一般营养成分，如蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素及微量元素。如何能从应用或生物技术角度，根据微藻的生理学特性，发现不同的生理学表现或反应，来制定出不同的生产策略；或者从分子生物学角度，研究其代谢机理、遗传学、转基因工程等。

我国在微藻方面主要应用于食品工业领域，分为两个方面：1)利用整个微藻细胞，经干燥处理后，加入填充剂，制成片剂，如螺旋藻片；2)抽提其中有效成分，如DHA，然后制成保健食品或添加到一般食品中。

从生物技术角度，微藻生产距今仅有60几年的研究历史，工业生产方面和国际水平相比，不存在什么差距，但从机理性和基础理论研究方面还稍有欠缺。在去年加拿大召开世界最大的应用藻类大会，我国也有不少代表参会并发表演讲或作墙报交流。大会有四个特邀主题发言，我有幸成为其中一个。这证明大会对中国藻类研究及产业的重视和认同。

记者：微藻的营养价值极高，在食品工业领域的应用也极为广泛，但人们现在都注重食疗，所以微藻能否作为食物直接食用呢？

陈教授：藻类分为大藻和微藻，微藻很少直接以食品形式出现，因为其本身是颗粒状，干燥后是粉状，并且味道也不易让人接受，但考虑到微藻的很多成分具有独特功能性，即使口感不如一般食物好，也可加工制成片剂，或经处理后直接添加到一般性食品中。

记者：如今，市场上微藻类保健品五花八门，我们该如何对其进行安全性评价，如何作出自己的判断呢？应用于食品工业的微藻——螺旋藻，以保健品形式在市场上热销好几年，但就在今年初，有报道指出某几个品牌出现重金属含量超标问题，您认为为什么会出现这样的问题？应该如何处理和预防？

陈教授：我个人认为既然是市场上有售，并且是正规品牌，必然都是向国家卫生部申报新资源食品成功的产品，必定也做了相关的毒理实验，所以从安全性角度，消费者并不需过分担忧，可以放心食用。2012年3月，部分新闻媒体披露了某几个品牌螺旋藻保健品重金属铅超标，引起业界及社会很大反响。随后国家药监局采用同一国家标准GB 16740ü1997《保健(功能)食品通用标准》检测这6个品牌，却认为仅有1个没有达标。媒体和药监局使用同一国标，得到的结果却迥然不同。经研究，发现问题出在选取参照物的不同，即药监局把该产品类属以藻类和茶类为原料的固体饮料和胶囊产品，铅含量不得超过2.0mg/kg，而媒体将其类属为一般食品，即铅含量不得超过0.5mg/kg。判断一种保健食品是否有毒害作用，其实应科学地考虑日允许摄入量(acceptable daily intake，ADI)，是将螺旋藻当主食一样地吃，还是当胶囊按剂量食用，从这个角度看，国家药监局的判断更合理。所以不能将此事件简单归结为食品安全问题。

但确实有个别产品存在重金属超标问题，其实螺旋藻本身不可能产生重金属，但对重金属有极强的吸附能力，问题是在培养过程中受到了该污染，如在简陋的露天池或是临近公路的养殖池中，外界环境条件无法准确控制，加上水质污染的可能性也较大。这也再次印证了异养密封式发酵罐培养的优势。

记者：微藻可生产ω-3型多不饱和脂肪酸，尤其是DHA和EPA，它们如何在食品工业上应用？绝大部分品牌奶粉中添加了微藻DHA，其对婴幼儿和成人主要有怎样的作用？我国在婴幼儿乳制品中两者该以何种比例添加为宜？和欧洲国家标准相比，有什么区别？为什么？

陈教授：微藻是ω-3型多不饱和脂肪酸的主要来源，其中主要包括二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA)。但目前市场上的EPA绝大多数都是从鱼油中提取出来的。微藻DHA主要用来制成DHA保健胶囊或添加DHA的营养保健食品，尤其以添加DHA的婴幼儿奶粉更易引起关注。DHA，在我国俗称脑黄金，是神经系统细胞生长及维持的一种主要元素，是大脑和视网膜的重要构成成分，在人体大脑皮层中含量高达20%，在眼睛视网膜中所占比例最大，约占50%，因此，对正处发育旺盛阶段的婴幼儿的视力和智力就显得至关重要，此外，还对心血管疾病有特殊的预防和治疗效果，具有抗动脉硬化、抗血栓、抗炎症、调节免疫机能、改善大脑学习与记忆能力等作用。

根据FAO/WHO专家委员会建议，婴幼儿乳制品中DHA:EPA最适添加比例为不小于10:1，因EPA却对婴幼儿的生长发育起到非常不好的作用，EPA会跟另外一种婴幼儿生长所必需的花生四烯酸(AA)产生竞争抑制作用，从而影响AA的吸收，进而抑制婴幼儿的生长。从这个角度考虑，世界上的共识是多采用藻油DHA，因其可做到不含或少含EPA，但鱼油基本上做不到这样。

陈峰教授在北京大学食品与生物资源工程研究所实验室指导研究生实验

记者：不得不提的是，微藻在生物能源方面也有很大的开发潜力，目前我国在这方面的研究现状以及发展前景是什么？生态环境变化问题日益严峻，可再生的、无污染的绿色替代能源的开发越来越受到人们的重视。在新能源开发过程中，人们发现一些微藻在一定条件下可以积累大量油脂，所以用来开发生产生物柴油。如果采用异养培养，必需保证碳源充足限制氮源，造成氮源饥饿来促使微藻积累油脂，但氮源缺乏也可能会造成细胞生长不足。当然，利用太阳能光合自养也是清洁生产生物能源的一个重要选项。但目前微藻油

陈教授：目前，由于石油资源日渐枯竭产生全球脂的产量还较低，成本较高，用微藻油脂生产生物柴油还不具有竞争力。要使微藻油脂生物柴油具有现实意义，必须保证微藻高效率、低成本生产油脂。我国有不少媒体报道微藻生物能源的优越，但其实我国在微藻生物能源方面的研究并不是很多，主要还是侧重食品工业上的应用，如保健食品。

生物能源开发是一个非常有前景的研究方向，但生物柴油因受到其生产成本过高和原料不足的关键问题制约，并且生产出来仍竞争不过石油，所以如今生产微藻生物柴油的时机还不够成熟，我国乃至世界尚处在基础或应用基础研究准备阶段。

记者：您是怎样确定进入微藻领域的研究呢？又是如何获得现在成就的呢？对我们年轻的科研人员有什么建议？

陈教授：我想对于微藻的研究只因兴趣使然。1979年，当时正值因文革的冲击而中断10年的高考制度得以恢复不久，那时的年轻人心中对知识的渴求可谓炙热无比，相当珍惜上大学的机会，我就是在这样的背景下考上了华南工学院(现华南理工大学)，就读微生物工程专业，毕业设计做啤酒，83年大学毕业，分配在家乡的防疫站(现疾病预防中心)工作2年，负责抽检各种产品，工作单调、枯燥、琐碎，难以满足一颗向往科研的心。后来有机会到汕头大学任助教，机缘之下又拿到了澳大利亚昆士兰大学的奖学金，于是87年决定远赴重洋，来到了昆士兰大学，开始了我的国外求学生活。我的研究生导师非常开明、有远见，让我选一个自己感兴趣的研究方向。在大学微生物工程专业基础上，并翻阅了大量文献资料，发现已有人认识到了DHA，是起因于一个关于爱斯基摩人的故事，

生活在丹麦、海边爱斯基摩人群体不得心脏病，但同样人种在工业化大城市却有较高的发病率，考虑他们主要食鱼为主，难道是和ω-3型多不饱和脂肪酸有关？藻类生物和其他生物又有什么不同呢？等等，很多疑问在我脑海里不断萦绕盘旋，我要一探到底，找出其中真正深藏的奥秘。就这样开始了我的微藻领域的探索之路。

我喜欢挑战，从我决定研究微藻时就已经做好了准备，再多的阻力和荆棘，那是对我的考验：在我早先提出用异养方式高密度大规模培养微藻时，界内反对的声音很多；我随后坚持用异养方式研究微藻DHA的生产，后来确有公司用异养方式培养微藻生产DHA并投入市场时，此时我更加自信，更加坚定自己的想法，相信一句话宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来，只要坚持不懈、决不气馁、不骄不躁、稳扎稳打、踏实肯干，端正科研态度并保持乐观的心态，笃定自己的判断，那么再多的问题也会迎刃而解，终有所成。对于青年人，做任何事不能急功近利，兴趣尤为重要，将其作为一份事业，不断的探索、钻研，持之以恒，必将会成功！目前，我的主攻方向涉及两个方面：1)微藻功能性食品；2)微藻生物能源。希望在将来，能从微藻中开发出更多适合不同群体的功能性成分，在生物技术方面，多采用现代的分子生物学方法，如代谢工程、遗传工程等，更好地研发出适合人类需求的技术和产品。

小结：陈峰教授在微藻领域的研究处于世界领先水平，其带领的科研团队成绩斐然，体现了中国在生物科研尤其是食品生物工程领域的实力。科研不仅需要刻苦和拼搏，更需要见微知著的能力和力排众议的勇气，陈峰教授敢为天下先的科研态度值得更多的科研工作者思考，也许成功，只在于自信和坚定。

记者：王连芬