微藻综合加工利用研究进展

杨贤庆，武　琼，2，胡　晓，李来好，吴燕燕，林婉玲，黄　卉

（1.农业部水产品加工重点实验室，国家水产品加工技术研发中心，中国水产科学研究院南海水产研究所，广东广州510300；2.中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛266003）

微藻综合加工利用研究进展

杨贤庆1，武琼1，2，胡晓1，李来好1，吴燕燕1，林婉玲1，黄卉1

（1.农业部水产品加工重点实验室，国家水产品加工技术研发中心，中国水产科学研究院南海水产研究所，广东广州510300；2.中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛266003）

微藻种质资源丰富，分布广泛，其综合加工利用及相关产品开发备受人们关注。微藻目前可主要用于制备可再生能源、生物活性物质及功能性饲料，广泛应用于化工、养殖、医疗卫生、食品及化妆品等多个领域，为人类解决一系列能源、环境、健康问题，具有重要的经济利用价值和巨大开发潜力。本文主要综述了近年来微藻综合加工利用研究进展，旨在为微藻精深加工及产品开发提供参考。

微藻，综合加工，利用

微藻，通常是指含有叶绿素A能进行光合作用的一类微生物的总称，体积大小一般在几微米到几十微米之间，是一种单细胞藻类或藻群体。目前为止发现的藻类约有3万余种，广泛分布于自然界各种水体中，其中微小类群就有2万余种，约占总量的70%。微藻种质资源非常丰富，开发利用较早，西方发达国家早在20世纪70年代就已经进行过藻种筛选方面的研究［1-2］。微藻是最早出现在地球上的能利用太阳光和无机物制造有机物的原始低等植物［2］。作为一类原始而十分重要的海洋生物资源，微藻富含多不饱和脂肪酸、多糖、多肽等多种生物活性物质，具有生长快、产量高、可定向培养等特点，且适应环境能力强，生长易调控，因而是许多高附加值生物制品的重要来源［3］。本文主要就微藻的国内外综合加工利用现状展开讨论，以期为进一步研究微藻加工与性质提供一定参考。

1　制备可再生能源

1.1产氢

微藻光解制氢，是通过微藻的光合作用系统及其本身特有的产氢酶系将水分解为氢气和氧气的过程。微藻一般具有相对完整的光合作用系统，产氢过程以水为原料，以阳光为能源，具有能量消耗少、催化效率高的特点。而且氢气燃烧后不产生污染，热值较高，是一种极为理想的清洁能源，被公认为最具开发潜力的新能源之一。最早发现的产氢藻类为斜生栅藻（Scenedesmusobliquus）［4］，后发现其他产氢微藻还有海洋绿藻（Chlorococcumlittorale）［5］、（Playtmonassubcordiform is）［6］、蓝藻（Anabaenacylindrical）和小球藻（Chlorella fusca）［7］等。目前，已有研究者通过菌藻共培养的方法，利用根瘤菌来提高绿藻生物量积累和产氢效率，为微藻产氢提供了新的思路。也有人通过基因工程改造来提高产氢量，为工业能源生产提供了新的策略［8］。此外，通过把氢能转化为电能加以利用，促进了燃料电池等技术的发展，具有巨大应用潜力。

1.2产烃

目前已知多种藻类都具有产烃能力，而不同种类微藻的产烃能力由于培养条件等因素不同而具有明显差异。1968年，Gelpi等［9］通过研究最早发现葡 萄 藻（Botryococcusbraunii）和高山 组 囊 藻（Anacystismontana）具有产烃能力。1980年，Tornabenea等［10］发现盐生杜氏藻（Dunaliellasalina）富含C17、C19饱和与不饱和脂肪烃类，可作为多种脂质的丰富来源。后来人们还发现浮游藻类小球藻（Chlorella protothecoides）热解温度达300℃时其饱和烃的产量可迅速增加［11］。其中，藻类产烃量最高、最具有研究价值的种类是葡萄藻，Brown等［12］曾发现，黄化休眠期的葡萄藻可以产高度不饱和、具有分支结构的烃类，占细胞干重的76%。

微藻产烃的应用历史由来已久，可以通过高效的取烃技术将其取出后应用于化妆品工业、医药或作为能源使用，也可直接将所培养藻类燃烧发电［13］。但是目前主要的技术瓶颈在于寻找到更高产的微藻种类或品系，或通过改变培养方法以使藻种获得更高的产烃量。

1.3制备生物柴油

目前，人类所使用的能源主要是煤炭、石油、天然气等化石燃料。化石燃料是远古时期的动植物遗体沉积在地层中，后经过亿万年演变而来，属于不可再生能源，地球上储量有限［2］。而生物柴油，作为生物质能的一种，它是生物质通过热裂解等技术而得到的一种长链脂肪酸的单烷基酯，是一种非常重要的可再生资源。利用微藻生产生物柴油，与以动植物为原料制备相比，不占用耕地，产油效率高，固碳能力强，在国内外都有很大发展利用价值。由于微藻大多可通过光合作用利用二氧化碳进行自养生长，只要碳源准备充足，通过调节营养剂或营养方式即可提高微藻产油量，近年来此类相关研究已成为有关领域研究热点［14-15］。

微藻制备生物柴油使用最广泛的方法是，先利用超临界CO2萃取技术或高温高压液化技术获取胞内油脂［16］，再利用由德国拜耳集团发明的酯交换技术将其转变为脂肪酸甲酯。酯交换反应中催化剂的选择非常重要，杨治中［17］以纳米级ZnO、TiO等材料为催化剂，并利用超声技术使原料充分混合，使生物柴油的制备过程更加低能高效。此外，张贵芝等［18］也以规模化养殖的小球藻为原料，采用超临界甲醇酯交换法开展制备生物柴油的实验研究，考察了不同工艺条件的影响，可使生物柴油产率高达9%以上，且具有与石化柴油接近的理化性质和成分组成。周立等［19］还通过实验研究了干藻直接转化制备生物柴油的工艺，条件优化后使转化率达到7.5%左右，与传统方法相比省去了水洗步骤，节约成本，降低能耗。

微藻还可以从城市生活污水中汲取生长所需营养组分和大量水源，若将微藻产油与废水处理结合起来，可以帮助实现生活废水的无害化处理［20-22］。此外，微藻在水产养殖、维持水体环境稳定等方面也发挥着不可忽视的重要作用［23-26］。

2　制备生物活性物质

2.1多不饱和脂肪酸（PUFA）

多不饱和脂肪酸（PUFA），尤其是二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA），在食品营养学和医学等领域有着重要作用。二十二碳六烯酸（DHA，22∶6ω3）是一种ω-3型脂肪酸，它不仅作为一种重要的结构脂类广泛存在于大脑灰质和视网膜中，而且还是心脏组织的关键组成成分，能促进婴幼儿大脑和眼睛发育，还对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）是另一种重要的多不饱和脂肪酸，可促进幼体的生长、发育，对心血管疾病的防治也具有非常好的效果，还可降低高血压、高胆固醇的发生率，防止血管硬化和心脏血管栓塞。

目前PUFA主要从鱼油中提取，工艺复杂，资源有限，价格昂贵，且存在重金属含量超标的风险。微藻中含有丰富的多不饱和脂肪酸，利用微藻生产多不饱和脂肪酸具有广阔的前景。此外，微藻中分离得到的不饱和脂肪酸成分具有特殊生物活性。王晓峥等［28］针对一株硅藻（Nitzschia.laevis）进行实验，对其PUFA的免疫调节作用和抗肿瘤作用进行了研究，证明EPA在体外对人肝癌BEL-7402细胞有明显的抑瘤和促进其凋亡的作用，在体内对小鼠H22肝癌有明显的抑瘤和促进肿瘤凋亡的作用，且其抑瘤机制与免疫活性的提高有关。肖艳等［29］采用GC-MS的方法对小球藻中脂类成分进行分析，从中鉴定出9种成分，其中EPA含量为18.45%，抗菌活性实验显示EPA甲酯的抑菌效果要好于粗脂甲酯和PUFA甲酯，且对金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的抑菌效果要好于大肠杆菌和绿脓杆菌，具有显著的抗菌活性。

2.2活性多糖

微藻光合作用所形成的储藏性碳水化合物分为淀粉、红藻淀粉、裸藻淀粉和金藻昆布糖（或昆布糖）。在中国和日本，裸藻淀粉和金藻昆布糖作为β-1，3葡聚糖已被列为GRAS中，可应用于医药、食品、个人护理品、饲料等多个行业［30］。

微藻多糖是一类由微藻通过光合及代谢合成的有机质，大多都具有生物活性。微藻多糖种类多样，研究发现主要具有抗病毒、抗肿瘤、抗衰老、抗炎免疫、降血糖、调血脂等多种生物活性作用。某些多糖还具有抗炎症和润肤的作用，可以广泛应用于化妆品中［31］。

在抗病毒及抗肿瘤方面，部分微藻中含有的杂聚硫酸酯多糖对出血性败血症病毒、非洲猪热病毒有很高的抗性，也能有效抑制水痘病毒增殖，并且抗炎及润肤作用显著。Kusaikin等［32］研究发现，提取自硅藻尖针杆藻（Synedraacus）的金藻昆布糖也具有明显的抗肿瘤活性。在抗炎免疫和抗衰老方面，有研究发现螺旋藻多糖能够提高机体非特异性免疫，促进特异性的体液免疫功能，对肿瘤细胞也有一定杀伤和抑制作用，还具有一定抗疲劳、抗衰老活性［33-34］。周妍等［35］研究了5种海洋微藻多糖对小鼠体外免疫细胞功能的影响，从中筛选出紫球藻多糖具有增强吞噬细胞的吞噬功能，促进巨噬细胞合成NO及促进脾淋巴细胞和腹腔巨噬细胞增殖的作用，可调节体外免疫活性。也有研究发现，马尾藻多糖通过促进猪脾细胞增殖和分泌NO、IL-2和IFN-γ，而具有调节免疫细胞活性和抗病毒的能力［36］。绿藻中提取的多糖也多具有抗凝血、抗炎作用，并能通过增强机体免疫力而抑制肿瘤［37-39］。此外，螺旋藻多糖［40］、蜈蚣藻多糖［41］等均被证明具有明显的降血糖及降血脂活性。

2.3活性肽

微藻蛋白中含有较多高价值肽，可以从微藻中进一步提取功能活性多肽，为实际生产生活提供帮助。

微藻中多肽活性主要表现在抗氧化、抗肿瘤、抗菌及AEC抑制等方面。在抗氧化功能方面，通过酶解微藻蛋白，测定酶解产物对羟自由基、超氧自由基、DPPH自由基、ABTS自由基等多种自由基的清除能力，与VC或谷胱甘肽对比，再进一步通过模拟体内消化实验，经过分离纯化可以获得具有良好抗氧化活性的天然多肽。Sheih等［42］从小球藻中分离获取一种抗氧化肽，其抗氧化活性优于BHT和维生素E，且没有细胞毒性。也有研究者从螺旋藻中酶解获得较高活性的抗氧化肽，从而为螺旋藻抗氧化肽用于抗氧化功能食品和生物制药方面奠定基础［43］。

在抗菌抗肿瘤方面，有研究者从海水紫秋藻和小球藻中提取粗蛋白和多糖，发现两者均具有抗菌活性，粗蛋白提取物的抗真菌活性比抗细菌活性更大［44］。张博超等［45］用超声破碎、反复冻融的方式提取螺旋藻蛋白后进行水解，发现不同分子量水解液对人乳腺癌细胞（MCF-7）和肝癌细胞（HepG-2）的体外生长有抑制作用。

此外，还有一些水解蛋白肽具有抑制血管紧张素转换酶（AEC）活性。Sheih等［42］从废弃的小球藻蛋白中还获得一种AEC半抑制浓度为29.6μmol/L的十一肽，具有良好的酸碱稳定性和热稳定性，有很高的商业利用价值。

2.4天然色素

微藻中含有的色素主要包括藻胆蛋白、类胡萝卜素和叶绿素三类。藻胆蛋白实质是一种存在于藻类中的特殊捕光复合色素蛋白，用于捕获光能传递给叶绿素以进行光合作用。用于商业用途的藻胆蛋白主要来源于蓝藻和红藻，因为藻胆蛋白易于分离，其主要用途是作为食用色素以替代人工合成色素，添加到冰淇淋、糖果或饮料中［46］。

类胡萝卜素种类较多，颜色由黄到红，其中大部分呈橙色，最主要的用途也是作为天然食用色素和功能性食品的配料［47］。其中杜氏盐藻（Dunaliellasalina）可用于产β-胡萝卜素，商业生产利用价值高［48］。虾青素作为另一种商业价值极高的类胡萝卜素，具有很强的抗氧化活性，还具有保肝、保肠胃、保护心血管及抗癌、治疗神经损伤的功能［49］。已有研究表明，雨生红球藻（Haematococcuspluvialis）具有较强的产虾青素能力，体内积累量可达到干基的4%～5%［50］。汪曙晖等［51］从两种微藻中提取岩藻黄素，经实验证明对肿瘤血管新生具有显著影响，能够抑制肿瘤细胞增殖、转移、侵袭和CAM上血管新生。

叶绿素作为最天然的绿色食品色素，也广泛应用于各类食品之中。由于陆生植物的叶绿素提取率不高，原材料来源相对较广泛的微藻即可作为一种优质天然色素资源。Bai等［52］在对多种微藻实验比较后，发现Dunaliellaprimolecta和Isochrysisaff.Galbana两种藻类具有较强产叶绿素能力，并可通过甲醇和正己烷使油脂和色素提取率均达到90%以上。

目前，微藻的食品应用形式主要包括喷雾干燥的藻粉、片剂和胶囊等，部分微藻如节旋藻、小球藻、雨生红球藻和盐生杜氏藻等已用于商业化生产生物质产品。另外，从微藻中提炼的生物活性成分如藻蓝蛋白、活性多糖、β-胡萝卜素、虾青素、长链多不饱和脂肪酸和等已应用于人类及动物营养、化妆品及高附加值产品（如色素、脂肪酸及稳定同位素等）生产等多个方面。

3　制备功能性饲料

动物饲料经动物食用后再转变为供人类食用的动物产品，因而饲料质量间接影响人类健康。微藻富含多不饱和脂肪酸（PUFA）、蛋白质和类胡萝卜素等多种营养物及生物活性物质，可以作为幼体动物的鲜活饵料和次级饵料生物的营养强化食物，在促进幼体生长、提高存活率方面明显优于人工饵料［53］。

近年来，乔洪金等［54］研究发现，在牙鲆幼鱼的饲料中添加富含DHA的裂壶藻和富含EPA的微拟绿球藻来替代鱼油，不仅维持了花生四烯酸、EPA、DHA的水平，而且提高了n-3/n-6比率。微藻作为单一脂肪源应用在牙鲆幼鱼饲养上，可获得较好的饲料系数和生长性能，并有效提高牙鲆的保健价值。海生小球藻（Chlorellamarina）、瑞典四爿藻（Tetraselmissuecia）、绿色巴夫藻（Pavlovalutheri）、三角褐指藻（Phaeodactylumtricornutum）、拟微绿球 藻（Nannochloropsisspp.）、牟 氏 角 毛 藻（Chaetocerosmuelleri）、球等鞭金藻（Isochrysisgalbana）、威氏海链藻（Thalassiosiraweissflogii）和中肋骨条藻（Skeletonemacostatum）都是常用的水产育苗幼体的开口饵料［55］。此外，多人实验证明［56-58］，小球藻也具有显著增强动物免疫力的功能，在禽畜或水产养殖的动物饵料中添加小球藻，能提高成活率，使体内EPA、DHA含量明显增高，对动物生长发育具有重要作用。

4　展望

微藻种类众多，资源丰富，随着日益深入的研究，微藻的综合加工利用已经成为国际上备受关注的课题。微藻的充分开发利用能为人类解决一系列能源、环境、健康问题，具有重要的经济价值。微藻可通过生产生物柴油使人类获取系列能源，将微藻的培育与处理城市污水相结合可缓解环境污染问题，制备高质量功能性动物饲料，能有效增强动物免疫力，提高动物幼体存活率，间接促进人体健康。此外，微藻中海洋活性物质的分离纯化及制备技术也备受人们关注，将其广泛应用于食品、化妆品和医疗卫生等相关领域，能够更好地为人类生产生活服务，也逐渐使微藻及相关产品的开发利用发展成为一种新兴产业，具有极高商业利用价值。

但是，在实际生产应用中，微藻生物技术研发不足，诸多技术瓶颈尚未解决。比如用于生化研究的微藻种类仅有几百种，能够真正用于大规模工业化培育与生产的种类则少之又少，完全不能充分发挥微藻资源丰富、来源广泛的巨大优势。因此筛选更多优质微藻品种、建立更加高效经济的培育体系将是未来微藻加工产业未来发展方向之一。此外，充分利用其富含多种生物活性成分的特点，如何进行以微藻提油提烃之后的蛋白质、多糖、脂肪酸多种物质的联产及综合利用，是保证微藻得以高值化利用的技术关键。同时，积极发展微藻中特殊生物活性物质的分离、纯化及海洋功能性食品的加工制备等技术，也将对海洋生物活性物质的利用提供巨大的发展空间。

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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

杨贤庆（1963-），男，大学本科，研究员，研究方向：水产品加工与质量安全。

国家自然科学基金（31301454）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD28B06）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（2014YD05）；国家农业科技成果转化资金项目（2010GB23260577，2010GB2E000335）；国家现代农业产业技术体系（CARS-49）；工信部高技术船舶科研项目（DC132101）；广东省科技计划重点项目（2011A020102005）。