微藻研究的应用进展和综合利用.doc

海南大学专业文献综述题 目: 微藻研究的应用进展和综合利用 Comprehensive Evolustion and Utilization of Microalgae 姓 名: 学 院: 材料与化工学院 专 业: 生物工程 班 级: 学 号: 指导教师: 职称: 2009 年 4月 10日微藻研究的应用进展和综合利用 海南大学材料与化工学院摘要：微藻是体积小、结构简单、生长迅速的单细胞藻类，其分布极其广泛，从热带、温带到寒带直至南北两极，从淡水湖泊、盐碱沼泽到海水，从水表到大洋深处几乎都有微藻存在和繁衍。许多微藻具有重要的经济价值。长期以来，人们仅仅是把微藻作为鱼、虾、贝类幼体或成体的直接或间接的活饵料。近几十年来，尤其是20世纪80年代后微藻生物技术的迅速发展，人们认识到微藻在进化上的多源性、遗传的多样性，藻细胞中含有多种特殊的次级代谢物，此外微藻还具有光能转换率高、对环境适应性强、易于遗传改良等特点，可以对其进行大规模培养。目前，微藻在食品、医疗保健、化工原料、环保、能源等领域的开发应用价值已成为人们关注的热点，微藻培养和相关产品开发成为新兴技术产业。关键词:微藻；小球藻；螺旋藻；开发；利用微藻是一类资源丰富、种类繁多、生长速度快、具有极大应用价值的生物资源，包括部分真核藻类和原核蓝藻。目前有经济价值的微藻主要分成两大类：海洋微藻和淡水微藻。海洋微藻有小球藻、微绿球藻、盐藻、亚心形扁藻、三角褐指藻、牟氏角毛藻、紫球藻等，分属绿藻门、硅藻门和红藻门。淡水微藻有固氮鱼腥藻、钝顶螺旋藻、极大螺旋藻、雨生红球藻等，分属蓝藻门和绿藻门。微藻不仅营养价值高、而且富含各类生物活性物质，因此在保健食品和医药等方面显示出了很大的开发利用前景螺旋藻、小球藻、盐藻、红球藻等微藻类蛋白质含量高，为40-70%，可以作为单细胞蛋白(SCP)的一个来源微藻富含各种维生素（如维生素A、E、B、C， 核黄素、吡多醇、生物素、叶酸和烟酸），多不饱和脂肪酸（特别是含有丰富的不饱和脂肪酸和生长因子）、生物多糖、矿物质等，具有益智健体、提高人体免疫力 的功能，对贫血、营养不良、心血管疾患和肿瘤等的预防和辅助治疗有良好功效微藻还具有生长速度快、繁殖周期短、可塑性强、对营养素要求简单等特点，可以工厂化生产一、 微藻的营养价值利用1 微藻含多种优质蛋白和活性物质微藻类作为食物已有悠久的历史，从古非洲部落，到印度至今，仍保持有不同方法食用微藻的历史。并且随着现代科技的进步，其作为保健食品的特性成为近几年研究的热点。例如微藻的成分之一CGF（小球藻生长因子），可以诱发干扰素，激发人体防御组织和免疫组织之中的巨噬细胞。如我们所知，对现有微藻类生物进行分析，得到一个有效的营养价值表，结果如表1.1.类型含量（%，细胞干重）蛋白质碳水化合物脂类核酸微藻46-602-71-763-6细菌47-862-361-391-36蓝细菌36-658-202-133-8真菌13-6125-291-305-13蛋49345肉572371鱼5538牛奶273830谷物10854小麦14842大豆粉47417表1.1 微藻与其他微生物和传统食物主要成分的比较结果表明，微藻与其他微生物所含营养成分较为均衡，尤其核酸含量丰富，能满足人体的各种需求。其中对于蛋白质一项，更深的研究数据表明，小球藻属中以蛋白核小球藻蛋白质含量最高(不低于50)，且氨基酸种类齐全，必需氨基酸总量接近鱼粉、啤酒酵母，高于一般植物性蛋白。螺旋藻的蛋白质含量在所有天然食物中最高，可达6o 70 ，是大豆的2倍、鸡肉的3倍、牛肉的3倍、猪肉的4倍、鸡蛋的6倍、大米的10倍 。而且蛋白质氨基酸组成合理，含有8种人体必需氨基酸，是人类理想的蛋白质宝库。所以微藻类物质可以作为重要的蛋白质来源。另外，微藻类含有多种活性物质，目前的研发工作主要集中在PUFA（多不饱和脂肪酸）类，多糖类，色素类等。华东理工大学就在利用异样型微藻生产DHA方面做得很突出。我国目前有关的专利如【00117546.7】微藻保健食品及其制备方法，一种微藻保健食品，主要由微藻粉、银杏叶抽提物组成，可根据食用要求配以其他辅料如粘结剂、调味料等；微藻保健食品的制备方法包括制备微藻粉，制备银杏抽提物，将微藻粉或湿微藻、银杏抽提物、除味剂、粘结剂加水混合造粒，加入硬脂酸镁，用压片机压成片剂，或包装成散剂，或装入胶囊中制成胶囊；该食品无腥味，便于储存而不易变质，具有较好的健脑益智、延缓衰老等保健功效，对心血管疾病有一定的辅助治疗作用。2 微藻食品的生产和加工其工艺加工流程如图2.1光照温度、PH水洗离心或过滤培养池（或反应器）CO222藻液藻泥藻种逐级扩大藻种+培养液生物肥料成品干燥食品药名饵饲料图2.1 螺旋藻生产加工流程简图通过对微藻的开发和加工，微藻可以作为功能性食品，特效食品添加剂，保健药剂等新型保健食品，由于其反应器反应条件温和，易操作易控制，污染少，成品营养价值高，对于缓解能源危机，促进我国农业工业化过渡有重要意义。二、 微藻作为生物柴油优势明显，远景可期 生物质快速热裂解制取生物油是目前世界上生物质能利用的前沿技术。由于生物油易储存、易运输、能量密度高且氮硫含量低，燃烧利用不会造成空气污染，不仅可以直接用于现有锅炉和燃气透平等设备，而且可通过进一步加工改性为柴油或汽油而用作动力燃料，此外还可以从中提取具有商业价值的化工产品。因此，生物柴油开发具有很大的潜力。随着石油等传统能源的日益紧缺，生物柴油开发已引起我国政府和众多企业的关注。2004年，国家科技部启动了国家科技攻关计划“生物燃料油技术开发”项 目。2005年，国家专项农林生物质工程启动，规划2010年我国生物柴油产量达200万吨，2020年产量达1200万吨。2005年，由两院院士侯祥 麟主持的替代燃料发展战略研究开始进行，替代燃料中包括了生物柴油。特性生物柴油常规柴油冷滤点（CFPP）/夏季产品-100冬季产品-20-2020的密度/g.mL-10.880.8340动力粘度/mm2.s-14624闭口闪点/10060十六烷点5649热值/MJ.L-13235燃烧功效（柴油=100%），%104100硫含量（质量分数），%0.0010.2氧含量（体积分数），%100燃烧1 kg燃料按化学计算法的最小空气耗量/kg12.514.5水危害等级12 表：生物柴油和常规柴油的性能比较藻类含有较高的脂类、可溶性多糖和蛋白质等易热解化学组分，故热解条件更容易满足 “。此外，藻类热解所获得的生物质燃油热值更高，平均高达33 MJkg，是木材或农作物秸秆的16倍 。藻类生长繁殖是在水中，不与农业争地，不影响农业生产，这对于有十多亿人13的中国来说尤为重要。另外，某些藻类，如小球藻、盐藻，可以通过调控其培养条件提高藻细胞中的脂类含量，从而大幅度的提高生物油的产量 。研究表明，将自养小球藻经异养转化后快速热解，可获得高产量的生物油，产油率可达藻干重的579 ，是自养藻细胞产油率的34倍 。因此，异养转化细胞工程与快速热解综合技术将为藻类热解制备生物油提供一个全新的、广阔的途径。三、 微藻在环保方面的应用1. 固定化微藻在解决环境问题方面的应用1.1 污水处理 传统的污水处理方法为达到降解和去除污水中污染物质的目的,要以大量的能量消耗为基础,同时它还会使污水中潜在的营养价值丢失,这是非常不经济的,并且污水二级处理后进一步脱氮和除磷比较困难。微藻是一类非常原始但却十分重要的海洋和水生生物资源,具有生长快、产量高、含有大量陆地生物所缺乏且十分独特的生物活性物质、可定向培养、适应能力强、易调控等特点。利用微藻进行污水处理最早由Oswald 和Gotaas 提出这种方法的优点是在进行污水处理的同时能够利用污水中的氮磷等营养物质,获得含有较高蛋白质类、脂类和糖类的藻类,并可利用现代高新技术,将获得的藻类加工成饲料用来喂养家禽、家畜和鱼类等,或将其用于医疗保健品生产、化工原料生产和燃料制造等,为人类解决能源、健康、环境和粮食四大问题提供了一条全新而有效的模式,既经济又有效,是一种集污水处理与利用相结合的污水资源化生物工程。藻类固定化技术起始于20 世纪80 年代,早期主要用于生化生产和提供能源。而藻类固定化技术在污水处理方面的应用,使藻类反应器具有藻类密度高、反应速度快、耐毒害能力强、运行稳定可靠、微生物流失少、产物易分离、能纯化和保存高效菌株等优点,并且其在污水深度处理和氮磷去除方面也具有独特的优点。我国在污水处理方面的有关专利技术进展迅速，前景可观。如专利号97218981.5微藻废水处理装置，本实用新型生物废水处理装置包含有反应器、废水供入部分、再生液供给部分以及排水放空阀等。其特征在于还包括空气供给部分、微藻生长光源，反应器填充以直径为mm的微藻珠，反应器长度为mm、内径mm。其优点为：吸附率高（重金属镍、铜含量为ppm的废水，处理后可降至ppm，污水的除氮率为，除磷率为）可免受污染失活、造价低、藻珠容易再生，连续使用寿命在个月以上。1.2 CO2的固定微藻由于具有光合速率高、繁殖快、环境适应性强、处理效率高以及易与其他工程技术集成等优点，广泛应用于烟道气中CO2脱除 。微藻固定CO2技术的另一潜在应用领域是密闭空间如潜艇和载人航天器中CO2的去除，美国、日本和俄罗斯从2O世纪9O年代开始研究微藻在环境控制和生命保护系统中CO2去除和CO2 转化过程中的作用。1.3 赤潮预防 大型海藻不仅能够净化水质,还能与赤潮微藻进行营养竞争,防止赤潮生物的爆发性繁殖与增长; 它们还能向环境中分泌相生相克类化合物,抑制赤潮微藻的生长. 另一方面,不同微藻间的相互作用也能影响赤潮的生消. 微藻间的相互作用存在明显的个体大小依赖性( size2dependent ),即个体较小但具有较大表面积/ 体积比的微藻具有更强的竞争优势. 有关不同微藻对营养盐和光源的竞争性研究目前已经广泛开展,但有关微藻间的相生相克作用及其与大型海藻之间相互作用的研究还未见报道.并通过实验探讨模拟2种赤潮微藻模式生物的相互作用，并针对其中的抑制作用和藻种生长变化进行结果结论分析，为今后在养殖区内利用经济微藻进行赤潮的生物学防控提供基础的实验依据。2. 微藻资源综合开发应用优化城市环境全国高技术产业化协作组织目前正大力推广“中国室内生物、生态、健康管理工程”，以求调整优化人体和室内环境。 这个项目定位于室内空间，将依次推出阳台无土栽培植物及经济作物培育系列、室内生态装潢系列工程，使居室能拥有总面积10的绿色植物占位，从根本上解决都市环境的优化问题。 思可达高技术产业化中试配套公司在中国科学院武汉植物所、chc中试基地等单位协助下，研制出的现代生物电子技术产品“生态堡”成为该项目的重要组成部 分，这意味着螺旋藻消费只能食用工厂制造的干品的历史已经终结，人们在家就可以生产、收获和食用新鲜、纯净的螺旋藻。这种装置不仅能在家庭居室、办公场所等全天候自动生产鲜活螺旋藻，还能同时降解室内废 气，释放出大量的新鲜氧气。专家确认，生态堡培养出的为钝顶螺旋藻，产氧效率为一般植物的20倍，一台150升的生态堡在24小时内可生产200克螺旋 藻，放氧66.6升，以占地面积计算，相当于246平方米草坪的放氧能力。国家权威部门和医学科学部门检测结果表明，其综合营养成分、活性物质含量比干藻 平均高出20以上（其中，具有抗衰老作用的活性超氧化物歧化酶sod高达167国际单位，干藻则全部灭活），经动物实验，对于提高血液的红细胞、白细 胞、血红蛋白及血清铁蛋白含量的作用比干藻更强；对于提高动物的抗脂质过氧化功能，表现在血液、脑、心、肝组织中sod及gshpx抗过氧化酶活性增 高，和脂质过氧化产物mda生成减少的作用效应比干藻更强。四、 微藻在药物治疗方面的作用1微藻类的药用价值微藻其中的活性物质在医学领域的作用很大。如PUFA特别是其中的EPA（二十碳五烯酸）和DHA（二十二碳六烯酸）对防治心脏疾病、动脉硬化、癌症、风湿关节炎、哮喘和糖尿病等人类疾病有明显效果。海洋微藻具有合成EDA和DHA的能力，并且相对于鱼油来说含量高，而且没有鱼腥味，又能避免了摄入过多胆固醇的因素。制作成可食用的过程中不易氧化，是很好的保健食品。微藻中含有多种多糖物质，能增强人体和动物体的细胞免疫和体液免疫功能。研究表明，螺旋藻多糖能显著增强辐射引起的DNA损伤的切除、修复作用和程序外DNA合成，还具有一定的抗突变功能 ，小球藻多糖对腹水肝癌AH44，AH41c，白血病L一120，艾氏腹水癌，MethA肿瘤均显示了抗肿瘤活性 。一胡萝卜素是V a的前体物质，具有防癌、抗癌、增强人体免疫功能和延缓衰老的作用。目前，市场上的一胡萝卜素大多为化学合成产品。随着毒理学和分析技术的不断发展，人们发现，尽管化学合成一胡萝卜素的纯度较高、生产成本低，但合成技术复杂，合成产品中含有少量有毒成分，对染色体有畸变作用。生产一胡萝卜素的微藻主要是盐生杜氏藻(Dunaliella salina)，它可大量积累一胡萝卜素，最高可达10 ，远远高于其他动物和植物体内的含量。虾青素是一种氧化型的类胡萝卜素，较一般类胡萝卜素抗氧化性更强，具有增强机体免疫力、预防癌症等功能。雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)细胞内虾青素的含量很高，超过细胞干重的4 ，是目前发现的虾青素含量最高的生物，被认为是一种最有开发前景的绿藻。另外发现其他个别类型的绿藻也能积累虾青素，可以为人们所用。2.海洋微藻类的医学应用 自本世纪60 年代以来,科学家们提出了“向海洋要药(drugs from the sea) ”的口号,掀起了海洋药物研究的高潮。海洋微藻约占海洋生物物种的40. 86 % ,作为庞大的海洋生物群的一类,自然备受研究者的关注。由于海洋微藻具有生长速度快、光合效率高、无性繁殖和适应性强等特点,使其研究转向应用更有优势。目前，人们研发得比较成功的是小球藻和螺旋藻。螺旋藻富含蛋白质,氨基酸种类齐全,比例合理,并含有各种维生素、微量元素和必需脂肪酸,具有降低血浆胆固醇、抗癌、增强免疫系统功能,促进肠道乳酸杆菌繁殖,减缓重金属和药物引起的肾中毒,以及抗辐射等多种生物活性。临床试验表明,螺旋藻对肝病(肝炎、肝硬化) 、慢性胰腺炎、糖尿病、青光眼和白内障、恶性贫血、肥胖症、胃溃疡以及抑制癌细胞的生长(口腔癌细胞) 都有良好的效果。小球藻含丰富的蛋白质、多糖、脂质,叶绿素、维生素、微量元素和一些生物活性代谢产物。自1962年日本学者Yamagishi 报道小球藻对胃溃疡有治疗作用以来,人们对其的药理作用进行了广泛的研究,发现小球藻具有防治消化性溃疡、抗肿瘤、增强免疫、抗辐射、抗病原微生物、防治贫血、降血脂和抗动脉粥样硬化等药理作用,在日本已经用于临床作为辅助治疗药物。目前,国内外均有药品级的藻片及胶囊面市,如美国加州的Earthrise 公司的“Light & Fit”螺旋藻片;法国的Promolabo 公司的螺旋藻胶囊;我国云南的施普瑞螺旋藻胶囊等。五、 微藻的其他研发应用项目人们目前对于微藻的研究在国外已被应用于食品、医药和饲料等行业，市场前景广阔但其产业商业化仍面临很多机遇和挑战。国内有关研究专利也层出不穷，主要集中在微藻的培养技术和产业应用两大方向。目前我国正在研发的项目包括：（1）螺旋藻养殖技术；（2）小球藻养殖技术；（3）小球藻生长因子（CGF）开发；（4）雨生红球藻虾青素的开发利用；（5）紫球藻工业化培养与开发利用；（6）利用微藻净化水质和治理重金属污染附：有关微藻开发应用专利1. 200610018771 - 微藻养殖池补充二氧化碳的装置 2. 200520094742 - 一种双向逆流式微藻培养装置 3. 200510047992 - 双向逆流式微藻培养装置 4. 200520144506 - 微藻产业光合作用反应装置 5. 200510045194 - 一种全自动微藻分析仪 6. 200510060594 - 一种有效分离多种微藻种质的新方法 7. 200510080859 - 一种提高微藻生物量及其生理活性产物产量的方法 8. 200510073176 - 利用微藻油脂制备生物柴油的方法 9. 200510050297 - 一种促进微藻快速增殖的培养基 10. 200510042140 - 微藻饵料营养强化剂配方及其制法 11. 200510042473 - 海洋微藻的培养方法 12. 200510006694 - 微藻培养生产同位素葡萄糖的方法 13. 200410082921 - 微藻细胞破壁方法 14. 200410086236 - 一种促进水产养殖饵料微藻繁殖的制剂 15. 200480035685 - 使用改进量的氯和钾在微藻类中产生高水平的DHA 16. 200410040645 - 水体微藻富集方法及装置 17. 200410009360 - 通过pH值反馈控制补碳培养微藻的方法 18. 200420073640 - 多功能自动调节微藻细胞培养反应器 19. 200410020978 - 微藻规模培养的管道光生物反应器 20. 200410063071 - 一种微藻藻红蛋白分离纯化方法 21. 200410020946 - 微藻培养的光生物反应器装置 22. 200410069164 - 室外工厂化生产微藻的方法和装置 23. 200410020770 - 一种现场快速定性鉴定赤潮微藻的方法 24. 200410033289 - 一种微藻养殖液的收集装置 25. 200410017249 - 一种光生物反应器系统及用该反应器系统培养微藻的方法 六、 结语有关微藻的开发应用尚属初级阶段,今后将主要在以下方面进行深入: 微藻育种采用基因工程技术,引入外源基因,稳定优良藻种的遗传品质,实现目标藻种快速筛选,提高微藻目标产物的产量及质量; 从研究生物反应器和培养条件入手,实现高密度细胞培养,改进上、下游工艺,完善发酵工艺,提高经济效益,走微藻工业化开发生产之路; 研究开发新的微藻类型,探索微藻产物在医药上环保上甚至更多领域上更广泛的应用。我们相信,随着微藻研究生物技术的进步,微藻在各个工业领域中必将显现出愈来愈广阔的应用前景。参考文献：1李志勇，郭祀远.李琳，蔡妙颜，微藻保健食品的开发与应用. 食品研究与开发，1997年6月，18卷第二期.2 邹树平，吴玉龙，杨明德，李春，童军茂，微藻的综合开发利用，水产科学，2007年三月，第26卷第三期。3 王菊芳，梁世中，海洋微藻在医药学上的应用，广东药学院学报，1999年12月，第15卷第四期。4邢丽贞，李飞，张向阳，安莹，固定化微藻在解决环境问题方面的应用，水资源保护，2006年9月，第22卷第五期。5忻耀年.生物柴油的生产和应用.中国油脂，2001，26（5）：73746刘慧. 莱州湾和桑沟湾养殖海区浮游植物的研究.海洋水产研究,2003,24(2):9-17.7 王悠, 俞志明,宋秀贤,张善东 ,大型海藻与赤潮微藻以及赤潮微藻之间的相互作用研究，环境科学，2006年2月，第27卷第二期。8 倪学文，海洋微藻应用研究现状与展望，海洋渔业, 2005年，第27卷第三期，251-255.9 梁英, 孙世春, 魏建功，海水生物饵料培养技术，青岛，青岛海洋大学出版社,1998年,47页10 Mustafa Kerem, Bulent Salman, Hatice Pasaoglu, Abdulkadir Bedirli, Murat Alper, Hikmet Katircioglu, Tahir Atici, E Ferda Perin, Ebru Ofl uoglu，Effects of microalgae chlorella species crude extracts on intestinal adaptation in experimental short bowel syndrome， World J Gastroenterol 2008 July 28; 14(28): 4512-451711 Jiang Yue, Chen Feng, PRODUCTION POTENTIAL OF DOCOSAHEXAENOIC ACIDBY HETEROTROPHIC MICROAL GAE, Journal of South China University of Technology, April 1998，Vol. 26 No. 4Comprehensive Evolustion and Utilization of MicroalgaeShunan Yu ,Hainan UniversityAbstract： Microalgae are small in size, simple structure, rapid growth of single-celled algae, the distribution of a wide range, from tropical, temperate to frigid until the north and south poles, from the fresh water lakes, salt marshes to the sea, from the depths of the ocean water to almost all the existence and proliferation of microalgae. Many microalgae have import