微藻生物技術應用研究進展
——北京大學工學院食品與生物資源工程研究所所長陳峰教授專訪

微藻生物技術應用研究進展
——北京大學工學院食品與生物資源工程研究所所長陳峰教授專訪

編者按：陳峰，食品生物工程領域首位國家千人計劃獲得者，曾入選教育部長江學者和中科院百人計劃。現(xiàn)任北京大學終身講席教授、兼任工學院食品與生物資源工程研究所所長。1993年畢業(yè)于澳大利亞昆士蘭大學化學工程系，獲生化工程博士學位，澳大利亞注冊工程師。曾任香港大學終身教授兼任植物學系系主任及生物科學學院執(zhí)行院長。陳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、生化工程及生物資源工程等領域。率先提出利用異養(yǎng)方式規(guī)?；呙芏扰囵B(yǎng)微藻以生產高附加值功能性食品成分及藻類生物能源(例如，脂質)，他同時將研究擴展到其他微生物和植物資源的開發(fā)及功能性成分研究等領域。迄今已在國際權威學術期刊(SCI)發(fā)表200余篇研究論文和綜述(SCI引用愈5000次，H-index 40)、專著4本、美國及中國專利共6項。多次在國際學術會議作大會特邀發(fā)言，多次組織國際學術會議。連續(xù)幾年被Essential Science Indicators評為Highly Cited Scientist。曾獲香港大學杰出青年研究獎、杰出研究生導師獎、法國-香港聯(lián)合研究獎、首屆中國食品科技杰出中青年獎、2008年被選為美國醫(yī)學與生物工程院院士、2010年獲美國化學工程師學會大會獎，2011年被選為英國皇家化學會會士。陳峰還兼任英國皇家化學會期刊Food & Function副主編和另外3個國際學術期刊編委(Process Biochemistry，Journal of Applied Phycology，Biotechnology Letters)。微藻在食品、醫(yī)藥、基因工程等領域具有很好的開發(fā)前景，鑒于陳教授在微藻領域的研究成就，本刊特專訪陳教授，請他對微藻的培養(yǎng)模式、技術難點及應用現(xiàn)狀進行分析，以期為相關研究機構和生產企業(yè)提供參考。

記者：微藻屬于植物，傳統(tǒng)上是通過光合作用進行生物合成，是您率先提出用異養(yǎng)方式規(guī)模化高密度培養(yǎng)，其優(yōu)勢主要有哪些？

陳教授：通常來講，大部分微藻被認為屬于植物，需利用光能自養(yǎng)方式進行生物合成，產生更多的生物量，但據(jù)粗略估計大概有50%以上的微藻并不需要光，它可利用有機碳源進行糖降解(如葡萄糖，既可作為有機碳源也可作為能源)，經(jīng)三羧酸循環(huán)，產生足夠多的ATP，以維持生長，其生長速率比光照條件下快得多，類似于細菌、酵母菌的代謝生長，此即異養(yǎng)培養(yǎng)方式。

異養(yǎng)培養(yǎng)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩點：1)單一藻種培養(yǎng)，不受其他生物污染；2)可以高密度大規(guī)模培養(yǎng)，提高底物的轉化率和微藻細胞產量，縮短了培養(yǎng)周期?？衫矛F(xiàn)有的發(fā)酵設備(如發(fā)酵罐)用發(fā)酵的方式進行高密度規(guī)模化培養(yǎng)，摒棄了傳統(tǒng)上僅利用光能和二氧化碳作為碳源和能源的生長方式，即光已不再是微藻生長依賴的限制因子，尤其在高細胞密度情況下，細胞會出現(xiàn)較嚴重的遮蔽效應，致光穿透力下降，光的利用率降低，很難實現(xiàn)高密度培養(yǎng)，從而限制了生產規(guī)模。如小球藻既可光合自養(yǎng)也可異養(yǎng)培養(yǎng)，用光合作用規(guī)模化培養(yǎng)的產量僅有1g/L(干質量)左右，而異養(yǎng)培養(yǎng)產量可達50～100g/L (干質量)，產量可提高近100倍。

記者：實現(xiàn)高密度規(guī)模化生產，需要注意的問題是什么？會遇到什么困難？如何克服？現(xiàn)在產量能達到的水平？

陳教授：微藻利用異養(yǎng)方式高密度大規(guī)模培養(yǎng)時，需注意：1)防止環(huán)境污染和生物污染。在外界環(huán)境條件不易控制的開放式養(yǎng)殖池中，除受環(huán)境中的理化因子影響外，往往還會有些細菌存在，同時要絕對防止其他生物的污染也并不容易，即使將培養(yǎng)池建在遠離公路和污染源的地方，污染也僅僅會減輕而已。為能從根本上解決這個問題，多年來我們一直都在大力推廣采用密封式發(fā)酵罐異養(yǎng)培養(yǎng)方式，可有效避免污染源的侵入，并可進行生產系統(tǒng)的自動化控制，產品質量比較穩(wěn)定。2)異養(yǎng)培養(yǎng)微藻耐受糖的能力比細菌、酵母菌差，糖一旦過量會抑制其生長，這個問題也是規(guī)?；a的一大瓶頸。對此，我們采用分批流加糖(如葡萄糖)的方式，費用可能相對會高些，但對于生產高附加值的產品，如DHA，葡萄糖的低成本完全可以忽略不計。

目前我們的發(fā)酵罐培養(yǎng)單罐體積可以達到100噸以上，理論上可以達到600噸，產量相當穩(wěn)定可觀，細胞密度可達60～100g/L(干質量)。培養(yǎng)周期因藻種的不同而不同，最快一個培養(yǎng)周期36h即可完成。

陳峰教授在北大講堂上給學生授課

記者：目前，國際微藻在生物技術方面研究的主要課題和難點是什么？我國在微藻方面主要應用于哪些領域？我國的微藻研究在國際上處于什么水平？

陳教授：根據(jù)我在微藻領域多年的研究，發(fā)覺對其生理學方面的研究仍不足。很多研究者認為微藻就是螺旋藻或小球藻，但據(jù)資料統(tǒng)計已知的微藻種類至少有3萬～5萬個，但實際工業(yè)化應用的不超過20個品種。微藻除含有人們熟知的ω-3多不飽和脂肪酸(如DHA)等化學成分外，還富含大量一般營養(yǎng)成分，如蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素及微量元素。如何能從應用或生物技術角度，根據(jù)微藻的生理學特性，發(fā)現(xiàn)不同的生理學表現(xiàn)或反應，來制定出不同的生產策略；或者從分子生物學角度，研究其代謝機理、遺傳學、轉基因工程等。

我國在微藻方面主要應用于食品工業(yè)領域，分為兩個方面：1)利用整個微藻細胞，經(jīng)干燥處理后，加入填充劑，制成片劑，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。

從生物技術角度，微藻生產距今僅有60幾年的研究歷史，工業(yè)生產方面和國際水平相比，不存在什么差距，但從機理性和基礎理論研究方面還稍有欠缺。在去年加拿大召開世界最大的應用藻類大會，我國也有不少代表參會并發(fā)表演講或作墻報交流。大會有四個特邀主題發(fā)言，我有幸成為其中一個。這證明大會對中國藻類研究及產業(yè)的重視和認同。

記者：微藻的營養(yǎng)價值極高，在食品工業(yè)領域的應用也極為廣泛，但人們現(xiàn)在都注重食療，所以微藻能否作為食物直接食用呢？

陳教授：藻類分為大藻和微藻，微藻很少直接以食品形式出現(xiàn)，因為其本身是顆粒狀，干燥后是粉狀，并且味道也不易讓人接受，但考慮到微藻的很多成分具有獨特功能性，即使口感不如一般食物好，也可加工制成片劑，或經(jīng)處理后直接添加到一般性食品中。

記者：如今，市場上微藻類保健品五花八門，我們該如何對其進行安全性評價，如何作出自己的判斷呢？應用于食品工業(yè)的微藻——螺旋藻，以保健品形式在市場上熱銷好幾年，但就在今年初，有報道指出某幾個品牌出現(xiàn)重金屬含量超標問題，您認為為什么會出現(xiàn)這樣的問題？應該如何處理和預防？

陳教授：我個人認為既然是市場上有售，并且是正規(guī)品牌，必然都是向國家衛(wèi)生部申報新資源食品成功的產品，必定也做了相關的毒理實驗，所以從安全性角度，消費者并不需過分擔憂，可以放心食用。2012年3月，部分新聞媒體披露了某幾個品牌螺旋藻保健品重金屬鉛超標，引起業(yè)界及社會很大反響。隨后國家藥監(jiān)局采用同一國家標準GB 16740ü1997《保健(功能)食品通用標準》檢測這6個品牌，卻認為僅有1個沒有達標。媒體和藥監(jiān)局使用同一國標，得到的結果卻迥然不同。經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)問題出在選取參照物的不同，即藥監(jiān)局把該產品類屬以藻類和茶類為原料的固體飲料和膠囊產品，鉛含量不得超過2.0mg/kg，而媒體將其類屬為一般食品，即鉛含量不得超過0.5mg/kg。判斷一種保健食品是否有毒害作用，其實應科學地考慮日允許攝入量(acceptable daily intake，ADI)，是將螺旋藻當主食一樣地吃，還是當膠囊按劑量食用，從這個角度看，國家藥監(jiān)局的判斷更合理。所以不能將此事件簡單歸結為食品安全問題。

但確實有個別產品存在重金屬超標問題，其實螺旋藻本身不可能產生重金屬，但對重金屬有極強的吸附能力，問題是在培養(yǎng)過程中受到了該污染，如在簡陋的露天池或是臨近公路的養(yǎng)殖池中，外界環(huán)境條件無法準確控制，加上水質污染的可能性也較大。這也再次印證了異養(yǎng)密封式發(fā)酵罐培養(yǎng)的優(yōu)勢。

記者：微藻可生產ω-3型多不飽和脂肪酸，尤其是DHA和EPA，它們如何在食品工業(yè)上應用？絕大部分品牌奶粉中添加了微藻DHA，其對嬰幼兒和成人主要有怎樣的作用？我國在嬰幼兒乳制品中兩者該以何種比例添加為宜？和歐洲國家標準相比，有什么區(qū)別？為什么？

陳教授：微藻是ω-3型多不飽和脂肪酸的主要來源，其中主要包括二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA)。但目前市場上的EPA絕大多數(shù)都是從魚油中提取出來的。微藻DHA主要用來制成DHA保健膠囊或添加DHA的營養(yǎng)保健食品，尤其以添加DHA的嬰幼兒奶粉更易引起關注。DHA，在我國俗稱腦黃金，是神經(jīng)系統(tǒng)細胞生長及維持的一種主要元素，是大腦和視網(wǎng)膜的重要構成成分，在人體大腦皮層中含量高達20%，在眼睛視網(wǎng)膜中所占比例最大，約占50%，因此，對正處發(fā)育旺盛階段的嬰幼兒的視力和智力就顯得至關重要，此外，還對心血管疾病有特殊的預防和治療效果，具有抗動脈硬化、抗血栓、抗炎癥、調節(jié)免疫機能、改善大腦學習與記憶能力等作用。

根據(jù)FAO/WHO專家委員會建議，嬰幼兒乳制品中DHA:EPA最適添加比例為不小于10:1，因EPA卻對嬰幼兒的生長發(fā)育起到非常不好的作用，EPA會跟另外一種嬰幼兒生長所必需的花生四烯酸(AA)產生競爭抑制作用，從而影響AA的吸收，進而抑制嬰幼兒的生長。從這個角度考慮，世界上的共識是多采用藻油DHA，因其可做到不含或少含EPA，但魚油基本上做不到這樣。

陳峰教授在北京大學食品與生物資源工程研究所實驗室指導研究生實驗

記者：不得不提的是，微藻在生物能源方面也有很大的開發(fā)潛力，目前我國在這方面的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展前景是什么？生態(tài)環(huán)境變化問題日益嚴峻，可再生的、無污染的綠色替代能源的開發(fā)越來越受到人們的重視。在新能源開發(fā)過程中，人們發(fā)現(xiàn)一些微藻在一定條件下可以積累大量油脂，所以用來開發(fā)生產生物柴油。如果采用異養(yǎng)培養(yǎng)，必需保證碳源充足限制氮源，造成氮源饑餓來促使微藻積累油脂，但氮源缺乏也可能會造成細胞生長不足。當然，利用太陽能光合自養(yǎng)也是清潔生產生物能源的一個重要選項。但目前微藻油

陳教授：目前，由于石油資源日漸枯竭產生全球脂的產量還較低，成本較高，用微藻油脂生產生物柴油還不具有競爭力。要使微藻油脂生物柴油具有現(xiàn)實意義，必須保證微藻高效率、低成本生產油脂。我國有不少媒體報道微藻生物能源的優(yōu)越，但其實我國在微藻生物能源方面的研究并不是很多，主要還是側重食品工業(yè)上的應用，如保健食品。

生物能源開發(fā)是一個非常有前景的研究方向，但生物柴油因受到其生產成本過高和原料不足的關鍵問題制約，并且生產出來仍競爭不過石油，所以如今生產微藻生物柴油的時機還不夠成熟，我國乃至世界尚處在基礎或應用基礎研究準備階段。

記者：您是怎樣確定進入微藻領域的研究呢？又是如何獲得現(xiàn)在成就的呢？對我們年輕的科研人員有什么建議？

陳教授：我想對于微藻的研究只因興趣使然。1979年，當時正值因文革的沖擊而中斷10年的高考制度得以恢復不久，那時的年輕人心中對知識的渴求可謂炙熱無比，相當珍惜上大學的機會，我就是在這樣的背景下考上了華南工學院(現(xiàn)華南理工大學)，就讀微生物工程專業(yè)，畢業(yè)設計做啤酒，83年大學畢業(yè)，分配在家鄉(xiāng)的防疫站(現(xiàn)疾病預防中心)工作2年，負責抽檢各種產品，工作單調、枯燥、瑣碎，難以滿足一顆向往科研的心。后來有機會到汕頭大學任助教，機緣之下又拿到了澳大利亞昆士蘭大學的獎學金，于是87年決定遠赴重洋，來到了昆士蘭大學，開始了我的國外求學生活。我的研究生導師非常開明、有遠見，讓我選一個自己感興趣的研究方向。在大學微生物工程專業(yè)基礎上，并翻閱了大量文獻資料，發(fā)現(xiàn)已有人認識到了DHA，是起因于一個關于愛斯基摩人的故事，

生活在丹麥、海邊愛斯基摩人群體不得心臟病，但同樣人種在工業(yè)化大城市卻有較高的發(fā)病率，考慮他們主要食魚為主，難道是和ω-3型多不飽和脂肪酸有關？藻類生物和其他生物又有什么不同呢？等等，很多疑問在我腦海里不斷縈繞盤旋，我要一探到底，找出其中真正深藏的奧秘。就這樣開始了我的微藻領域的探索之路。

我喜歡挑戰(zhàn)，從我決定研究微藻時就已經(jīng)做好了準備，再多的阻力和荊棘，那是對我的考驗：在我早先提出用異養(yǎng)方式高密度大規(guī)模培養(yǎng)微藻時，界內反對的聲音很多；我隨后堅持用異養(yǎng)方式研究微藻DHA的生產，后來確有公司用異養(yǎng)方式培養(yǎng)微藻生產DHA并投入市場時，此時我更加自信，更加堅定自己的想法，相信一句話寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來，只要堅持不懈、決不氣餒、不驕不躁、穩(wěn)扎穩(wěn)打、踏實肯干，端正科研態(tài)度并保持樂觀的心態(tài)，篤定自己的判斷，那么再多的問題也會迎刃而解，終有所成。對于青年人，做任何事不能急功近利，興趣尤為重要，將其作為一份事業(yè)，不斷的探索、鉆研，持之以恒，必將會成功！目前，我的主攻方向涉及兩個方面：1)微藻功能性食品；2)微藻生物能源。希望在將來，能從微藻中開發(fā)出更多適合不同群體的功能性成分，在生物技術方面，多采用現(xiàn)代的分子生物學方法，如代謝工程、遺傳工程等，更好地研發(fā)出適合人類需求的技術和產品。

小結：陳峰教授在微藻領域的研究處于世界領先水平，其帶領的科研團隊成績斐然，體現(xiàn)了中國在生物科研尤其是食品生物工程領域的實力?？蒲胁粌H需要刻苦和拼搏，更需要見微知著的能力和力排眾議的勇氣，陳峰教授敢為天下先的科研態(tài)度值得更多的科研工作者思考，也許成功，只在于自信和堅定。

記者：王連芬