中國(guó)與歐洲微藻產(chǎn)業(yè)概況及生物質(zhì)精準(zhǔn)應(yīng)用

高風(fēng)正, 秦 松, 葛保勝

中國(guó)與歐洲微藻產(chǎn)業(yè)概況及生物質(zhì)精準(zhǔn)應(yīng)用

高風(fēng)正1, 2, 秦 松3, 葛保勝1

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院生物工程與技術(shù)中心, 山東 青島 266580; 2. 荷蘭瓦赫寧根大學(xué)生物工程藻類生產(chǎn)與研究中心, 荷蘭 瓦赫寧根 6700AA; 3. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東 煙臺(tái) 264003)

中國(guó)是全球微藻生產(chǎn)第一大國(guó), 微藻產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的一半以上, 其中螺旋藻占世界螺旋藻總產(chǎn)量的七八成。近年來, 微藻產(chǎn)能的迅速提升加劇了供大于求的市場(chǎng)矛盾。中國(guó)微藻產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展的十字路口, 實(shí)現(xiàn)微藻的精準(zhǔn)應(yīng)用是擴(kuò)大市場(chǎng)需求的主要解決途徑。本文簡(jiǎn)述了中國(guó)和歐洲微藻產(chǎn)業(yè)概況, 對(duì)中國(guó)和歐洲微藻產(chǎn)量、養(yǎng)殖區(qū)域、生產(chǎn)模式等進(jìn)行了對(duì)比。從精準(zhǔn)應(yīng)用出發(fā), 分析了微藻在人類健康及農(nóng)業(yè)(漁業(yè)、畜牧業(yè)、種植業(yè))中的精準(zhǔn)應(yīng)用, 為中國(guó)微藻產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展尋找方向。微藻作為營(yíng)養(yǎng)豐富的新資源食品原料, 同時(shí)也是水產(chǎn)養(yǎng)殖中重要的餌料和飼料, 具有多元化的應(yīng)用前景。通過產(chǎn)學(xué)研深度融合, 實(shí)現(xiàn)微藻的精準(zhǔn)應(yīng)用, 將進(jìn)一步助推中國(guó)微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展, 從而為拓寬微藻應(yīng)用市場(chǎng)和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)奠定基礎(chǔ)。

微藻產(chǎn)業(yè); 精準(zhǔn)應(yīng)用; 人類健康; 農(nóng)業(yè)

微藻是一類在陸地和海洋分布廣泛, 體積微小, 需要借助顯微鏡才能分辨其形態(tài)的藻類群體。微藻可以利用光照、二氧化碳和水進(jìn)行光合作用, 高效生產(chǎn)蛋白質(zhì)、多糖、油脂、色素等多種功能活性物質(zhì)。目前, 螺旋藻()、小球藻()、雨生紅球藻()等多個(gè)微藻品種已實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 中國(guó)已成為世界上最大的微藻生產(chǎn)國(guó), 微藻生產(chǎn)規(guī)模超過美國(guó)和歐洲[1-2]。微藻生物質(zhì)產(chǎn)能的迅速提升與市場(chǎng)需求不足的矛盾促使人們開始思考微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的定位和未來方向。隨著人們生活水平的提高, 追求營(yíng)養(yǎng)健康成為首要需求, 中國(guó)也提出了“健康中國(guó)2030”的發(fā)展目標(biāo), 這給微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好契機(jī)。微藻具有多種生物學(xué)功能, 可用于開發(fā)功能食品、特醫(yī)食品等, 從而對(duì)接營(yíng)養(yǎng)健康產(chǎn)業(yè)。此外, 微藻具有高蛋白、油脂含量豐富等優(yōu)點(diǎn), 也是水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中重要的餌料和飼料。近年來, 微藻及提取物作為生物肥料、植物刺激素等在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也越來越受到重視。如何充分發(fā)揮微藻多元化的應(yīng)用形式, 將生物質(zhì)產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)應(yīng)用, 擴(kuò)大微藻產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng), 是今后微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

1 中國(guó)與歐洲微藻產(chǎn)業(yè)概況

中國(guó)和歐洲是世界上兩大主要的微藻生產(chǎn)區(qū)域(表1)。從產(chǎn)量上看, 中國(guó)的微藻年產(chǎn)量超過10 000 t干重, 產(chǎn)值約為20億美元, 占世界微藻生物質(zhì)總產(chǎn)量的一半以上, 其中螺旋藻產(chǎn)量約占到世界螺旋藻總產(chǎn)量的七八成[1]。歐洲微藻年產(chǎn)量約為500～2 500 t干重, 為中國(guó)的1/20～1/4。從生產(chǎn)區(qū)域看, 中國(guó)幾乎所有的省份都有微藻產(chǎn)業(yè)分布, 其中內(nèi)蒙古、云南、廣東、江蘇、山東、廣西、海南等地是微藻生產(chǎn)大省。歐洲大多數(shù)國(guó)家擁有微藻產(chǎn)業(yè), 其中葡萄牙、德國(guó)、法國(guó)、西班牙、意大利、荷蘭等國(guó)家是主要的微藻生產(chǎn)國(guó)。在企業(yè)數(shù)量上, 中國(guó)擁有超過150家微藻企業(yè), 而歐洲擁有約480家, 其中170家歐洲微藻企業(yè)的員工數(shù)量少于5人。中國(guó)微藻企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模遠(yuǎn)超歐洲, 中國(guó)多家企業(yè)的微藻年產(chǎn)量都在1 000 t以上; 而歐洲微藻企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模都較小, 單家企業(yè)最大年產(chǎn)量不足300 t。中國(guó)和歐洲微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相似點(diǎn)是, 近年來微藻企業(yè)的數(shù)量和產(chǎn)量均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì), 同時(shí)中國(guó)和歐洲均擁有從微藻生產(chǎn)到加工利用的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

表 1 中國(guó)和歐洲微藻產(chǎn)業(yè)概況與比較

微藻的生產(chǎn)系統(tǒng)主要分為封閉式光生物反應(yīng)器、發(fā)酵罐和開放式跑道池等三大類。中國(guó)主要采用開放式跑道池進(jìn)行微藻生產(chǎn), 實(shí)現(xiàn)了螺旋藻、小球藻和鹽生杜氏藻()的大規(guī)模開放式養(yǎng)殖, 其次是利用發(fā)酵罐對(duì)小球藻、裸藻()等進(jìn)行異養(yǎng)發(fā)酵, 利用封閉式光生物反應(yīng)器生產(chǎn)的比例低, 主要應(yīng)用于雨生紅球藻生產(chǎn)。而歐洲微藻企業(yè)主要使用封閉光生物反應(yīng)器進(jìn)行微藻生產(chǎn), 比例接近75%, 其次部分企業(yè)也采用開放系統(tǒng)進(jìn)行微藻培養(yǎng), 使用發(fā)酵罐生產(chǎn)微藻的企業(yè)占比較低(歐盟委員會(huì)生物經(jīng)濟(jì)知識(shí)中心數(shù)據(jù))。跑道池等開放系統(tǒng)的投資和運(yùn)營(yíng)成本較低, 但生產(chǎn)效率不高, 品質(zhì)控制相對(duì)封閉式光生物反應(yīng)器難度較大。中國(guó)和歐洲微藻產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的差異主要與其氣候、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等有關(guān)。中國(guó)幅員遼闊, 適合開放跑道池生產(chǎn)的區(qū)域多, 勞動(dòng)力相對(duì)廉價(jià), 開放式跑道池系統(tǒng)滿足了低成本、高回報(bào)的企業(yè)需求, 而歐洲人力資源成本高, 開放跑道池的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本與光生物反應(yīng)器相差不多[3]。此外, 歐盟高緯度地區(qū), 如挪威和瑞典等, 氣溫較低, 無法使用開放跑道池進(jìn)行戶外微藻生產(chǎn)。

微藻是重要的食品或新資源食品資源。目前已有多個(gè)微藻品種或提取物被中國(guó)或歐洲認(rèn)可為食品、新資源食品或原料、添加劑等(表1)。有8個(gè)微藻品種被中國(guó)政府批準(zhǔn)可以在食品工業(yè)中直接使用, 分別是螺旋藻(2004年)、鹽生杜氏藻(2009年)、雨生紅球藻(2010年)、小球藻(2012年)、裸藻(2013年)、葛仙米(, 2018年)、擬微球藻(, 2021年)和萊茵衣藻(, 2022年)。其中, 螺旋藻已被批準(zhǔn)認(rèn)可為普通食品。除可直接食用的微藻品種外, 微藻來源[裂壺藻(sp.)、吾肯氏壺藻()、寇氏隱甲藻()]的DHA(二十二碳六烯酸)藻油也被中國(guó)批準(zhǔn)為新資源食品(2010年)。歐洲允許在食品工業(yè)中直接使用的微藻品種相對(duì)較少, 螺旋藻、小球藻和水華束絲藻()已被歐盟批準(zhǔn)為新資源食品(novel food), 鹽生杜氏藻、金色奧杜藻()和雨生紅球藻蝦青素等被批準(zhǔn)可以作為食品添加劑使用。相較歐洲而言, 中國(guó)擁有開發(fā)微藻功能食品更有利的政策支持和市場(chǎng)需求。

藻類行業(yè)協(xié)會(huì)在微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)步中發(fā)揮了重要作用。國(guó)家級(jí)行業(yè)協(xié)會(huì)如中國(guó)藻業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)海洋湖沼學(xué)會(huì)均設(shè)有相應(yīng)的微藻分會(huì)。歐洲微藻行業(yè)間交流合作主要由歐洲藻類生物質(zhì)協(xié)會(huì)組織進(jìn)行。隨著微藻產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大, 一些地方級(jí)協(xié)會(huì)也相繼成立, 例如國(guó)內(nèi)的青島微藻產(chǎn)業(yè)學(xué)會(huì)及歐洲的葡萄牙藻類協(xié)會(huì)等。

2 微藻精準(zhǔn)應(yīng)用

微藻是食品、飼料、藥品、化妝品、生物能源等的重要原料。隨著微藻產(chǎn)能的不斷提升, 實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的精準(zhǔn)應(yīng)用成為微藻產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展目標(biāo)。目前, 絕大部分微藻被用作食品、功能食品、水產(chǎn)餌料或飼料等, 少部分被開發(fā)為化妝品、藥品等高價(jià)值終端產(chǎn)品。

2.1 微藻在健康產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

2.1.1 微藻與營(yíng)養(yǎng)健康

健康是全人類的共同追求。2016年, 中共中央國(guó)務(wù)院印發(fā)了《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》, 健康產(chǎn)業(yè)迎來新的發(fā)展契機(jī)。2020年, 新型冠狀病毒(COVID-19)的全球流行增強(qiáng)了人們對(duì)健康的重視。2020年8月, 《人民日?qǐng)?bào)》刊文: 全民健康托起全面小康——習(xí)近平總書記關(guān)心推動(dòng)健康中國(guó)建設(shè)紀(jì)實(shí)。國(guó)家和人民對(duì)健康的重視程度日益增加, 健康產(chǎn)業(yè)的作用越來越重要。

微藻富含蛋白質(zhì)、功能性色素、脂肪酸、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)元素, 具有多種生物學(xué)功能, 包括抗病毒活性。例如, Nagle等[4]分析了紫球藻(sp.)中的多糖用于抗COVID-19的可行性, 并列舉了法國(guó)利用管道、平板和跑道池培養(yǎng)紫球藻的案例。微藻作為重要的健康資源, 過去幾十年, 許多臨床功效被證實(shí)(表2)。例如, 螺旋藻具有降血脂、控制血糖、提高免疫力等功效[5-8]; 小球藻可以維持血脂平衡、改善肝功、預(yù)防貧血等[9-12]; 雨生紅球藻蝦青素可以提高人的認(rèn)知能力, 緩解抑郁和疲勞[13-14]; 鹽生杜氏藻β-胡蘿卜素具有皮膚保護(hù)作用[15]; 裸藻可以顯著提高機(jī)體抵抗力[16]。除以上可直接食用的微藻外, 一些潛在的微藻及提取物, 如紫球藻硫酸多糖、擬微球藻二十碳五烯酸(EPA)、柵藻()等也被證實(shí)具有一定的健康功效[17-19]。

表2 微藻及提取物健康功效臨床案例

微藻及其活性物質(zhì)的臨床研究主要集中在日韓等國(guó)家, 中國(guó)和歐洲主要利用動(dòng)物或細(xì)胞模型進(jìn)行體內(nèi)或體外功能實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科研人員利用動(dòng)物或細(xì)胞模型對(duì)微藻功能做了大量研究(表3)。例如, 螺旋藻藻藍(lán)蛋白對(duì)便秘及肺部纖維化具有顯著改善作用[20-26]。小球藻熱水提取物具有促進(jìn)組織修復(fù)的功效[27-28]。Zhang等[29]用富含蝦青素的雨生紅球藻飼喂小鼠, 發(fā)現(xiàn)中劑量(1.3 mg/kg 體重)蝦青素顯著提高了小鼠的記憶力。鹽生杜氏藻β-胡蘿卜素的視力改善作用[30], 葛仙米多糖[31]及裸藻膳食纖維[32]在免疫調(diào)節(jié)中的作用同樣被陸續(xù)證實(shí)。歐洲的研究人員同樣利用動(dòng)物或細(xì)胞實(shí)驗(yàn)對(duì)微藻及活性物質(zhì)功能做了相關(guān)研究: 螺旋藻藻藍(lán)蛋白對(duì)2型糖尿病有改善作用[33]; 裸藻膳食纖維[34]和小球藻多糖[35]具有免疫調(diào)節(jié)作用; 雨生紅球藻蝦青素具有強(qiáng)抗氧化活性[36]; 鹽生杜氏藻β-胡蘿卜素具有防紫外線損傷的功能[37]。

表3 微藻的精準(zhǔn)功能研究中國(guó)案例

臨床及動(dòng)物或細(xì)胞實(shí)驗(yàn)均證明, 微藻及其提取物具有改善人類健康的多種功效。這些功效值得進(jìn)一步驗(yàn)證和推廣。值得注意的是, 企業(yè)在宣傳推介微藻時(shí), 往往羅列多種相關(guān)功效, 缺乏具體研究和案例分析, 難以獲得消費(fèi)者的認(rèn)同和消費(fèi)熱情。因此, 如何進(jìn)一步明確微藻營(yíng)養(yǎng), 并對(duì)微藻功能進(jìn)行精準(zhǔn)化, 是獲得消費(fèi)認(rèn)可及擴(kuò)寬市場(chǎng)的關(guān)鍵步驟。健康產(chǎn)業(yè)是“健康中國(guó)2030”發(fā)展計(jì)劃中的重點(diǎn)支持對(duì)象, 微藻產(chǎn)業(yè)應(yīng)抓住契機(jī), 加大研究, 明確功能, 積極推廣宣傳, 主動(dòng)融入大健康產(chǎn)業(yè)。

2.1.2 蛋白質(zhì)補(bǔ)充與食品添加

微藻富含蛋白質(zhì), 是重要的蛋白質(zhì)資源。16世紀(jì)起, 螺旋藻就被作為食物被人類食用。西班牙人發(fā)現(xiàn)阿茲特克人食用一種藍(lán)綠色薄餅, 其原材料就是螺旋藻[38]。20世紀(jì)六七十年代, 小球藻因高蛋白、營(yíng)養(yǎng)豐富的特點(diǎn)被重視。在1959—1961年, 國(guó)家重視發(fā)展小球藻養(yǎng)殖, 作為糧食替代資源, 為全民補(bǔ)充蛋白質(zhì)。生產(chǎn)微藻蛋白相比動(dòng)物蛋白具有耕地占用面積少的優(yōu)勢(shì), 生產(chǎn)1 kg微藻蛋白所需的耕地面積小于2.5 m2, 而生產(chǎn)等量蛋白質(zhì)的豬肉、雞肉、牛肉分別需要47～ 64 m2、42～52 m2和144～258 m2[39]。此外, 根據(jù)WHO/ FAO等的建議, 微藻蛋白質(zhì)含有多種人體所必需的氨基酸, 是高品質(zhì)蛋白資源[40]。據(jù)預(yù)測(cè), 到21世紀(jì)中期, 藻類有望占據(jù)18%的蛋白質(zhì)市場(chǎng)[41]。

目前, 中國(guó)對(duì)微藻蛋白質(zhì)的消費(fèi)相對(duì)歐洲較低。歐美人群中的素食主義者比例高, 因此對(duì)植物蛋白的需求較大。在綠色消費(fèi)日益得到重視的今天, 攝食植物蛋白質(zhì)將成為一種趨勢(shì)。2020年5月, 歐盟委員會(huì)公布的“從農(nóng)場(chǎng)到餐桌”(Farm to Fork)戰(zhàn)略指出, 到2030年歐盟將通過減少50%的農(nóng)藥使用, 減少50%的抗生素使用, 完成25%的有機(jī)農(nóng)業(yè)占比等手段, 實(shí)現(xiàn)人與自然、糧食系統(tǒng)和生物多樣性之間的平衡。植物蛋白替代動(dòng)物蛋白是該戰(zhàn)略中的重要組成部分。2021—2027年, 歐盟將提供至少100億歐元用于支持蛋白質(zhì)的綠色替代。微藻蛋白有望在植物蛋白替代動(dòng)物蛋白中占有一席之地。

微藻不僅可以作為代餐食品被直接食用, 也可用作食品添加劑, 達(dá)到增加食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值, 改善產(chǎn)品品質(zhì)等效果(表4)。例如, 添加螺旋藻, 可以提高掛面的營(yíng)養(yǎng)[42]。添加1%的螺旋藻可以提高面包的品質(zhì), 達(dá)到營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化的效果[43]。添加0.1%～0.75%的螺旋藻可提高素食中的ω-3多不飽和脂肪酸含量[44]。在餅干中添加1%～3%螺旋藻可以起到增色目的[45]。添加1%～5%的小球藻可以改變面包的流變特性[46]。素食凝膠中添加0.75%的雨生紅球藻可達(dá)到營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化和增色等目的[47]。在普通食品中添加微藻成分是提高食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值, 實(shí)現(xiàn)微藻廣泛利用的一種形式, 但微藻作為食品或食品添加劑使用需嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。中國(guó)和歐盟對(duì)微藻及相關(guān)制品均有嚴(yán)格的管理?xiàng)l例和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(表5)。目前, 中國(guó)螺旋藻、雨生紅球藻藻粉的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)建立并發(fā)布實(shí)施, 藻藍(lán)蛋白的食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、雨生紅球藻蝦青素和β-胡蘿卜素等微藻提取物的相關(guān)檢測(cè)、添加等標(biāo)準(zhǔn)也相繼制定并實(shí)施(表5)。2022年, 鮮食螺旋藻的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)由青島微藻產(chǎn)業(yè)學(xué)會(huì)發(fā)布, 為拓展鮮食微藻市場(chǎng)提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。在歐盟, 微藻及提取物作為新資源食品及添加劑的審批和使用需按照新資源食品審批管理?xiàng)l例(EU)2015/2283和新資源食品監(jiān)管條例(EU)2018/102進(jìn)行審批和監(jiān)管。雖然中國(guó)和歐盟都有針對(duì)微藻及其制品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范, 但標(biāo)準(zhǔn)體系并不完善, 這在一定程度上制約了微藻及其制品的使用和發(fā)展。中國(guó)和歐洲關(guān)于其他幾種藻種的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(小球藻、鹽生杜氏藻、裸藻、葛仙米等)、食品安全標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等仍有待建立和完善。建立健全微藻標(biāo)準(zhǔn)體系是科研和企業(yè)人員的共同目標(biāo), 也是確保產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要保障。目前, 中國(guó)各種可食用微藻及其制品的相關(guān)國(guó)家、地方和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范都在制定中。

表4 微藻作為食品原料的案例

表5 微藻及提取物作為食品或食品添加劑使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

注: 數(shù)據(jù)來源于國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等官方公告[48-55]及歐盟委員會(huì)官方網(wǎng)站

2.2 微藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖與畜牧業(yè)中的應(yīng)用

微藻富含蛋白質(zhì)、脂肪酸、色素等, 可提供動(dòng)物(包括水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物和家禽家畜)所需要的營(yíng)養(yǎng), 是動(dòng)物飼料或添加劑的重要來源(表6)。除螺旋藻、小球藻等產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟(jì)微藻外, 擬微球藻(sp.)、三角褐指藻()、角毛藻()、球等鞭金藻()等微藻品種也是重要的餌料或飼料。據(jù)估計(jì), 全球用于飼料或餌料的微藻約占生物質(zhì)總量的三成[56], 達(dá)到3 000 t以上, 且比例將持續(xù)升高。

中國(guó)是全球水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國(guó), 據(jù)《2019中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù), 2018年中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖總量接近50 000 000 t, 約占水產(chǎn)總量的77%。中國(guó)水產(chǎn)飼料年需求量超過20 000 000 t, 微藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用十分重要。例如, Qiao等研究發(fā)現(xiàn)擬微球藻可促進(jìn)牙鲆生長(zhǎng), 提高魚肉品質(zhì)[57]。Zhou等利用螺旋藻飼喂扇貝, 可以提高扇貝的繁殖能力[58]。飼喂雨生紅球藻藻粉可以改善七彩神仙魚和紅白錦鯉的體色[56-60]。除藻粉外, 微藻活細(xì)胞在水產(chǎn)養(yǎng)殖中同樣具有廣泛應(yīng)用。例如, 利用卵囊藻()調(diào)節(jié)對(duì)蝦養(yǎng)殖水質(zhì), 水體溶氧量提高13.0%, 氨氮含量降低51.7%, 對(duì)蝦養(yǎng)殖的成活率、養(yǎng)成率和產(chǎn)量均得到顯著改善[61]。小球藻、三角褐指藻、球等鞭金藻、角毛藻等微藻活細(xì)胞可顯著改善蝦或貝類的成活率和產(chǎn)量[62-64]。2015年, 歐洲水產(chǎn)養(yǎng)殖總量約為3 000 000 t, 占水產(chǎn)總量的17.5%。雖然歐洲水產(chǎn)養(yǎng)殖總量?jī)H為中國(guó)的6%, 但微藻在歐洲水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用更廣泛, 如虹鱒魚、對(duì)蝦等養(yǎng)殖中均使用微藻餌料[65-69]。歐洲有多家企業(yè)專門從事微藻水產(chǎn)餌料生產(chǎn)和商業(yè)化研發(fā)。除作為水產(chǎn)餌料、飼料外, 微藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)調(diào)節(jié)中同樣發(fā)揮重要作用。建立和維持養(yǎng)殖水體中特定微藻種群的過程稱為調(diào)水色。利用微藻進(jìn)行水質(zhì)調(diào)節(jié), 可顯著提高養(yǎng)殖水產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。微藻調(diào)水可顯著改善水產(chǎn)動(dòng)物健康, 產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益?？傊? 微藻在水產(chǎn)餌料、飼料及水質(zhì)調(diào)節(jié)中有著巨大的市場(chǎng)需求和利潤(rùn)空間。但目前中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖所用微藻餌料多采用自家簡(jiǎn)易池塘養(yǎng)殖, 生產(chǎn)效率低, 使用方法欠科學(xué), 效果往往大打折扣。這方面可借鑒歐洲模式, 支持專業(yè)化微藻餌料、調(diào)水劑公司發(fā)展, 開發(fā)商業(yè)化產(chǎn)品, 以便更好地對(duì)接和服務(wù)水產(chǎn)養(yǎng)殖需求。

表6 微藻在水產(chǎn)與畜牧養(yǎng)殖中的應(yīng)用

微藻還可提供或補(bǔ)充畜牧業(yè)家禽家畜所需要的營(yíng)養(yǎng), 提高相關(guān)畜牧制品品質(zhì)(表6)。研究表明, 將微藻作為飼料或飼料添加劑投喂雞、牛、豬、山羊等家禽家畜, 可提供豐富的蛋白質(zhì)和長(zhǎng)鏈脂肪酸, 從而提高肉類品質(zhì)[70-75]。相對(duì)歐洲, 中國(guó)對(duì)微藻作為飼料提供畜牧業(yè)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)的研究較少, 而中國(guó)對(duì)肉制品的需求量較大, 因此利用微藻改善動(dòng)物營(yíng)養(yǎng), 生產(chǎn)高品質(zhì)肉制品應(yīng)得到更多關(guān)注。目前, 微藻應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜牧業(yè)養(yǎng)殖在中國(guó)面臨的主要問題仍是成本偏高。隨著生產(chǎn)成本的不斷降低, 微藻有望在水產(chǎn)和畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域發(fā)揮更多更大的作用。

2.3 微藻在植物種植中的應(yīng)用

微藻在植物種植中的應(yīng)用同樣值得關(guān)注。微藻或提取物可作為生物肥料、生物刺激素及種子涂層等應(yīng)用于植物種植(表7)。減少化肥、農(nóng)藥使用量是全球農(nóng)業(yè)發(fā)展共同努力的方向。過去幾十年, 中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依靠大量的農(nóng)藥和化肥, 造成嚴(yán)重的土壤污染。此外, 過度種植也造成土壤肥力嚴(yán)重下降。因此, 發(fā)展生物肥料和有機(jī)農(nóng)藥等成為中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路和大勢(shì)所趨。20世紀(jì)80年代, 中科院水生所就嘗試?yán)盟{(lán)藻提高水稻產(chǎn)量[76]。近年來, 微藻在種植業(yè)中的應(yīng)用得到較大關(guān)注。例如, Lv等研究發(fā)現(xiàn)魚腥藻()、柵藻藻液可提高黃瓜根部菌群豐度, 促進(jìn)黃瓜生長(zhǎng)[77]。歐洲的植物種植業(yè)發(fā)達(dá), 研究人員對(duì)微藻及提取物在促進(jìn)植物種子萌發(fā)及生長(zhǎng)等方面做了大量研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 微藻及提取物在促進(jìn)大麥、小麥等種子萌發(fā), 提高西紅柿品質(zhì), 促進(jìn)甜菜根和矮牽?；ㄉL(zhǎng)中的作用顯著[78-83]。中國(guó)微藻應(yīng)用于種植業(yè)尚處于實(shí)驗(yàn)階段, 面臨的主要挑戰(zhàn)依然是成本偏高。相對(duì)歐洲, 中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格較低, 現(xiàn)階段大量使用微藻肥料難以獲得較高收益。微藻應(yīng)用于種植業(yè)可從生物激素、種子涂層等較高價(jià)值的產(chǎn)品出發(fā), 逐步向大農(nóng)業(yè)拓展。

表7 微藻在植物種植中的應(yīng)用

3 微藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向與思考

3.1 微藻其他經(jīng)濟(jì)利用途徑

除作為健康食品、飼料等主要的利用形式外, 微藻還有多種利用途徑(圖1)。例如, 微藻具有顯著的固碳效率, 可用于進(jìn)行生物固碳, 緩解碳排放[84]。擬微球藻等微藻品種含有豐富的甘油三酯, 可用于生產(chǎn)生物能源[85]。小球藻、柵藻等微藻具有良好的氮磷清除效率, 可用于污水處理[86]。此外, 微藻所含有的色素、多糖等活性成分可進(jìn)一步被開發(fā)成為化妝品、藥品等高價(jià)值產(chǎn)品[87]。目前, 微藻在收益相對(duì)較低的領(lǐng)域如食品、飼料領(lǐng)域的應(yīng)用度較高, 但在需要精深加工的領(lǐng)域如化妝品、藥品等應(yīng)用度較低。因此, 進(jìn)一步明確微藻功能, 提高精深加工程度, 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)應(yīng)用, 是擴(kuò)大市場(chǎng)需求, 推動(dòng)微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要途徑。

目前微藻的生產(chǎn)成本仍較高, 即使生產(chǎn)成本最低的螺旋藻, 其價(jià)格仍趨近或高于20 000元/t, 約是魚粉價(jià)格的3倍。因此, 進(jìn)一步降低微藻生產(chǎn)成本, 是拓寬微藻應(yīng)用范圍, 發(fā)展形成微藻經(jīng)濟(jì)的前提[88]。定向改良藻種、創(chuàng)新培養(yǎng)模式是降低成本的重要途徑。例如, 通過改良雨生紅球藻藻株, 蝦青素的含量和產(chǎn)量均可提高一倍以上[89-91]。通過創(chuàng)新培養(yǎng)方式, 利用異養(yǎng)-稀釋-光誘導(dǎo)的復(fù)合培養(yǎng)模式, 小球藻的密度高達(dá)40～100 g/L[92-93]。這些有助于降低成本的生物技術(shù)值得大力發(fā)展。

3.2 產(chǎn)學(xué)研助推微藻產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

中國(guó)和歐洲均擁有較為完整的微藻產(chǎn)業(yè)鏈, 但也存在顯著差異。歐洲微藻生產(chǎn)企業(yè)除進(jìn)行生物質(zhì)生產(chǎn)外, 擁有較強(qiáng)的科研能力, 員工中擁有博士學(xué)位的比例較高。例如, 2014年, 歐盟公布的歐盟地平線2020計(jì)劃, 批準(zhǔn)7年共計(jì)800億歐元用于科學(xué)研究, 近100項(xiàng)微藻相關(guān)研究項(xiàng)目(如MAGNIFICENT、ALGAE4A-B、MIRACLES、SABANA、ProFuture等)獲得重點(diǎn)資助(資助金額共約1.8億歐元)[94], 多家歐洲微藻企業(yè)(如Necton、Allmicroalgae等)直接參與其中, 通過產(chǎn)學(xué)研合作, 科研成果可直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)成果。目前, 中國(guó)科研院所的研究能力較強(qiáng), 微藻生物技術(shù)研究已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平, 但中國(guó)微藻相關(guān)企業(yè)的研發(fā)能力較弱。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)高層次人才引進(jìn)力度, 增強(qiáng)研發(fā)能力, 進(jìn)一步加強(qiáng)與科研院所的產(chǎn)學(xué)研合作, 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)科學(xué)健康發(fā)展。

對(duì)微藻進(jìn)行科學(xué)的宣傳推廣是全球微藻產(chǎn)業(yè)面臨的共同挑戰(zhàn), 促進(jìn)微藻消費(fèi)的前提是人們認(rèn)識(shí)微藻, 認(rèn)可微藻。高校應(yīng)針對(duì)微藻知識(shí)和技術(shù), 設(shè)立專門的教育、培訓(xùn)課程, 培養(yǎng)專業(yè)化微藻人才, 同時(shí)加強(qiáng)微藻科普宣傳, 明確微藻功能, 以實(shí)現(xiàn)微藻的精準(zhǔn)化應(yīng)用。中國(guó)具有全球最大的微藻產(chǎn)業(yè), 擁有生產(chǎn)微藻得天獨(dú)厚的條件和巨大的消費(fèi)市場(chǎng)。中國(guó)微藻產(chǎn)業(yè)通過產(chǎn)學(xué)研通力合作, 共同發(fā)展, 一定可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí), 贏得更廣闊的發(fā)展空間。

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Microalgal industry and biomass application in China and Europe: a review

GAO Feng-zheng1, 2, QIN Song3, GE Bao-sheng1

(1. College of Chemical Engineering and Center for Bioengineering and Biotechnology, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China; 2. Wageningen University, Bioprocess Engineering, AlgaePARC, Wageningen 6700AA, Netherlands; 3. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China)

China is the major producer of microalgal biomass in the world, sharing more than half of the global market, among which,produced in China accounts for 70%–80% of the totalbiomass in the world. In recent years, the contradiction between supply and demand is aggravating due to the increase in the production yield of microalgal biomass. The development of the microalgal industry in China is at a crossroads. The microalgae market expansion relies on the precise application of biomass. This article briefly described and compared the microalgal industries of China and Europe in terms of biomass production yield, production locations, and cultivation systems. Applications of microalgae in human health and agriculture were also discussed from the viewpoint of precise application. Microalgae are promising novel foods and important feeds with diverse applications. University-Industry Cooperation is the key to achieving the goal of precise application of microalgal biomass, enlarging microalgal markets, and promoting the development of the microalgal industry.

microalgal industry; precise application; human health; agriculture

Sep. 4, 2020

Q-1

A

1000-3096(2022)09-0146-13

10.11759/hykx20200904002

2020-09-04;

2020-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(42061134020, 32070380), 山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)項(xiàng)目(ZR2019ZD17)

[National Natural Science Foundation of China, Nos. 42061134020, 32070380; Natural Science Foundation of Shandong Province, No. ZR2019ZD17]

高風(fēng)正(1989—), 男, 山東壽光人, 博士, 博士后, 研究方向?yàn)槲⒃迳锛夹g(shù), 電話: 0031-645071791, E-mail: gaofengzheng@outlook.com; 葛保勝(1977—),通信作者, 男, 山東莘縣人, 教授, 博士, 研究方向?yàn)槲⒃迳锕こ? 電話: 0532-86981135, E-mail: gebaosheng@upc.edu.cn

(本文編輯: 楊 悅)