微藻油脂生產(chǎn)的現(xiàn)狀和發(fā)展

劉文卓鄭穗平劉文紅蘇偉全

（1.廣州市醫(yī)藥職業(yè)學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心 廣東廣州 510430；2.華南理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院 廣東廣州 510006；3.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 廣東廣州 510407； 4.廣汽豐田發(fā)動機(jī)有限公司 廣東廣州 511445）

微藻油脂生產(chǎn)的現(xiàn)狀和發(fā)展

劉文卓1鄭穗平2劉文紅3蘇偉全4

（1.廣州市醫(yī)藥職業(yè)學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心 廣東廣州 510430；2.華南理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院 廣東廣州 510006；3.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 廣東廣州 510407； 4.廣汽豐田發(fā)動機(jī)有限公司 廣東廣州 511445）

隨著社會生產(chǎn)力的提高，對油脂在“用”和“吃”的方面的需求也越大。如何獲取更高產(chǎn)和更優(yōu)質(zhì)的油脂是各國研究人員都在思考和探討的問題。本文探討和歸納總結(jié)了國內(nèi)外微藻生產(chǎn)油脂的菌種特點(diǎn)、培養(yǎng)方法及油脂提取加工等最新研究成果及其優(yōu)缺點(diǎn)。

微藻 藻油 油脂生產(chǎn) 現(xiàn)狀 發(fā)展

1 前言

隨著人民生活水平越來越高,對油脂的需求也越來越大。這種需求主要表現(xiàn)在食用油和對燃料油方面上。在人們的印象中,油脂生產(chǎn)似乎和微生物聯(lián)系不起來。以前微生物多用在油脂污染的區(qū)域“吞噬油污”,降低污染。但據(jù)報(bào)導(dǎo)［1］越來越多科學(xué)家研究得出：微生物中不僅含油量較高、且有易于繁殖和培養(yǎng)時(shí)間短的特點(diǎn),生產(chǎn)效率是其他生物都無法比擬的。

2 微藻產(chǎn)油的特點(diǎn)

如本文作者根據(jù)LinJ等研究的數(shù)據(jù)［2-7］歸納并作常見油脂微生物及其油脂總含量圖1-1。

在圖1-1中可直觀看出,微生物油脂至少占干重的1/5,甚至有的高達(dá)87%。因此,從一些較高油脂的微生物中進(jìn)行有目的培養(yǎng)和改造,使之產(chǎn)油率更高、更符合工業(yè)生產(chǎn)等問題,這些問題有較高的研究和開發(fā)利用價(jià)值。

在微生物中,有一類生物被稱為“微藻”。它們通常生活在水中,體內(nèi)有葉綠素,可光合作用,屬于自養(yǎng)型。微藻制油利用二氧化碳等為原料,通過光合作用生成糖及蛋白質(zhì)等有機(jī)物,再經(jīng)誘導(dǎo)代謝合成油脂。據(jù)研究,微藻成長時(shí)捕獲的二氧化碳為自身重量的1.83倍以上。可以大量吸收自然界的二氧化碳,解決碳的合理循環(huán)問題。

圖1-1 常見產(chǎn)油微生物及含油量圖Fig.1-1 Common Oil producing microbes and fat content of microorganisms map

圖1-2 同樣種植面積的各種油料植物出油率比Fig.1-2 The proportion of oil yield per hectare of various oil plants

圖1-3 某些藻類含油率圖Fig.1-3 Some algae oil content

圖1-4 跑道池圖Fig.1-4 Runway pool diagram

圖1-5 光生物反應(yīng)器圖Fig.1-5 Photo biological reactor

表1-1 微藻分類表Table 1-1 microalgae classification

表1-2 大規(guī)模藻培養(yǎng)類優(yōu)缺點(diǎn)比較Table1-2 Comparison of the advantages and disadvantages of large scale algae cultivation

微藻主要分為4類［8］,如表,表1-1。

微藻的含油量高,理論上［9］微藻產(chǎn)油量每公頃每年可達(dá)250噸。

如圖,圖1-2。此圖比較了相同種植面積的各種油料作物的理論出油率比?？梢娢⒃瀹a(chǎn)油率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他產(chǎn)油經(jīng)濟(jì)作物,如棕櫚、花生及大豆等。微藻生長的地理環(huán)境主要在水中,傳統(tǒng)的糧食、棉麻及油料作物用地不沖突。

微藻的含油主要是細(xì)胞膜和其他物質(zhì)代謝及轉(zhuǎn)化成脂類后以脂肪形式存在,有的微藻脂肪酸含量可超過細(xì)胞干重的75%。不同種類微藻含油量差異較大；有的即使同種微藻但分屬不同也有差別。作者某些歸納藻類［10］含油量的數(shù)據(jù)后得圖,如圖1-2。

3 微藻越來越引起關(guān)注

與微藻相比,異養(yǎng)型微生物無需光照,但培養(yǎng)過程也有需要耗廢較多的碳源、氮源等成本較高的物質(zhì)［11］。正因?yàn)槲⒃搴吐矢?、培養(yǎng)快,無需額外添加高成本的原料的特點(diǎn)。引起了愈來愈多國家的重視。

美國（2007年）甚至開始了類似當(dāng)年原子彈研制的微藻制油的“微型曼哈頓計(jì)劃”；英國2008年啟動了規(guī)模最大的藻類生物燃料項(xiàng)目等。我國也開始重視這方面的研究,如973計(jì)劃也開始立項(xiàng)如何大規(guī)模培養(yǎng)藻類轉(zhuǎn)化為能源。它是糧食發(fā)酵（第一代）、纖維素轉(zhuǎn)化（第二代）制備燃料后的第三代能源獲得途徑［12］。解決了口糧爭地、發(fā)酵效率低成本高的第一二代燃料原料問題。研究證明,藻油可以比較容易經(jīng)催化轉(zhuǎn)為生物柴油,甚至可運(yùn)用于航空方面,比傳統(tǒng)石化燃料污染更少。

Institute of Physics (IOP), Bhubaneswar is acknowledged for providing the TEM facility for characterization of the nanoparticles.

4 微藻培養(yǎng)的瓶頸及對策

目前影響微藻制油的瓶頸為如何獲得高產(chǎn)藻類、如何大規(guī)模培養(yǎng)高產(chǎn)微藻及如何降低提取藻油的成本方面。

4.1 高產(chǎn)藻種的獲得

在藻種培養(yǎng)方面,可通過通過藻種選育、轉(zhuǎn)基因、遺傳育種等技術(shù)提高藻的產(chǎn)油率。如我國清華大學(xué)、暨南大學(xué)及山東海洋工程研究院等多所院所也篩選出含油量較高,比較易培養(yǎng)的微藻。其含油量可達(dá)68%以上。

微藻生長速度如何加快也是值得考慮的問題。如徐進(jìn)等［13］篩選出淡水小球藻Chlorella sp. NMX37N,生長速度快,常溫下增長速率快,可達(dá)0.53倍/天；兩步法培養(yǎng)40天后,總脂量為干重的33%。

4.2 高產(chǎn)培養(yǎng)方法及優(yōu)缺點(diǎn)

微藻的生產(chǎn)離不開營養(yǎng)物質(zhì)、光照、溫度、酸堿度、二氧化碳及滲透壓等條件。適當(dāng)?shù)臈l件可有利于藻類的生長及產(chǎn)油。

微藻大規(guī)模培養(yǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)也要兼顧這些因素。有光照的要求,通常的微生物培養(yǎng)法并不適用。目前［14］用的比較多的有跑道池及管狀生物反應(yīng)器。

跑道池［15］故名思議,就是使用混凝土（甚至泥土）,做成一圈封閉的跑道狀（環(huán)狀）的水池?？紤]到藻類植物的需光性和產(chǎn)能關(guān)系,一般深度約30cm。使用攪拌漿攪動跑道內(nèi)的培養(yǎng)液,完成物質(zhì)和氣體交換。如圖［16］,圖1-4。

微藻生長需要光照,培養(yǎng)要用到一些特殊的透光設(shè)施。可以透光又具有一定強(qiáng)度、硬度及抗脆碎度要求的材料不多,也是微藻大規(guī)模培養(yǎng)的瓶頸之一。

跑道池和光反應(yīng)器優(yōu)缺點(diǎn)比較如表,表1-2。

為了減低成本,有人利用一些含碳氮量高的廢水,如城市廢水［18］及動物養(yǎng)殖場甚至公廁的糞便等［19］來生產(chǎn)微藻,獲取油脂。同時(shí)可以達(dá)到凈化水質(zhì)、降低水有機(jī)物含量的環(huán)保目的,同時(shí)又獲得工業(yè)用油。當(dāng)然,目前這種方法產(chǎn)率還需提高。

4.3 高附值產(chǎn)品的生產(chǎn)

基于現(xiàn)在還存在培養(yǎng)和提取的困難。微藻在高附加值的產(chǎn)品,如藥品和保健食品生產(chǎn)中應(yīng)用較多。有許多國際大公司已經(jīng)［20］通過培養(yǎng)、遺傳育種等技術(shù),在自然的條件培養(yǎng)出的微藻提取出DHA和EPA。也有從球紅藻中提取“蝦青素”等物質(zhì)。

現(xiàn)在可根據(jù)不同藻類的DHA和EPA含量不同,選擇替代價(jià)格昂貴、膽固醇含量高且腥味重的魚油原料,生產(chǎn)DHA、EPA或其混合物。目前許多藥用和保健品使用的DHA原料多為藻產(chǎn)的DHA。

DHA逐漸被應(yīng)用在食品添加劑中。如［21］等研究了面包、蛋糕中添加了DHA,發(fā)現(xiàn)其風(fēng)味、烤制方法都無較大變化,可作為營養(yǎng)劑和油脂添加。

隨著DHA對人體的益處逐漸被認(rèn)識和微藻培養(yǎng)瓶頸的逐步突破,DHA產(chǎn)量會越來越多、需求也會越來越大,應(yīng)用前景廣闊。

5 微藻油提取的方法研究概況

如何高效提取微藻體內(nèi)的油脂也是急需解決的問題。目前多數(shù)采用相似相溶的原理來提取微藻體內(nèi)的油脂?？偟恼f來,其提取過程較為復(fù)雜,由于有相的變化,其能耗較多。主要有使用索氏原理的方法反復(fù)抽提體內(nèi)脂肪的索氏法、以特殊的超臨界物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行的臨界萃取法、破壁有機(jī)溶劑研磨法及超聲波振勻抽提法等。據(jù)報(bào)導(dǎo),干法能提取包括細(xì)胞膜在內(nèi)的油脂,其比濕法提取只能提取胞內(nèi)現(xiàn)成油脂的提取率要高得多。

也有研究“直接熱裂法”制油——微藻在適合的催化劑（如碳酸鈉、分子篩催化劑中添加介孔物質(zhì)等物質(zhì)）催化下受熱分解,得到類似生物油的產(chǎn)品,其含水率超過15%、含碳量低于75%,氫碳比低、含氧量高的一種類似原油的混合粘液。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)產(chǎn)量高、速度快。缺點(diǎn)是產(chǎn)物在空氣中極易被氧化、酸值高、腐蝕金屬和不易與油混合。目前應(yīng)用受限制。在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步加氫脫氧、脫酸、降低粘度及提高溶解度等處理,后續(xù)處理手續(xù)顯得繁瑣復(fù)雜。

6 微藻油的安全性研究

有分析得出［22］許多微生物在體內(nèi)的產(chǎn)油過程類似于動植物。由乙酰輔酶a經(jīng)不斷羧化、延長碳鏈、去飽和等生化途徑合成油脂。有人把這些生物油脂拿去化驗(yàn),得出［23］的油酯結(jié)構(gòu)與其他動植物油,如花生、棕櫚、葵花、菜油等油脂具有類似的結(jié)構(gòu)。也進(jìn)一步論證了微生物產(chǎn)油的安全性與可能性。

在國外［24］有科學(xué)家從“布加奇湖”的湖底里撈出淤泥直接曬干,提取得到1%的油脂。這種方法含油量低,但是淤泥多,如果大規(guī)模開采成本可能也劃算。

總的來說,微藻制油具有成本低、產(chǎn)量高的特點(diǎn),目前主要應(yīng)用在高附加值的產(chǎn)品的生產(chǎn)中。當(dāng)突破大規(guī)模培養(yǎng)和降低提取成本后。微藻必將成為一種重要的能量和食物來源。

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