第13讲-微藻培养与代谢产物生产

第13讲微藻培养与代谢产物生产太空农场太空农场（SpaceFarm），学名受控生态生保系统（ControlledEcologicalLifeSupportSystem,CELSS）：在太空依靠繁殖绿色植物（蔬菜、藻类等）解决航天员所需的食物、氧气和水等最基本物资的供应，是实现未来长期载人星际旅行、移民的关键技术和难题之一。观赏鸟类与鱼类、水产养殖

食品、保健品、化妆品等虾青素是一种红色素，可以赋予火烈鸟、三文鱼、虾粉红颜色。雨生红球藻赤潮、水华爆发/view/773.htm本节主要内容1.微藻特点与应用领域2.微藻培养技术3.微藻培养生产代谢产物应用举例本节关键问题1.微藻培养的光生物反应器特点2.微藻培养生产代谢产物的相关工艺技术。（一）定义藻类分为原核藻类和真核藻类，含有叶绿体，可以进行光合作用。微藻（Microalgae）一般是指那些在显微镜下才能辨别形态微小的藻类。迄今已知的藻类约有30000余种，其中微藻约占70％。微藻细胞微小、形态多样、适应强、分布广泛。一引言（二）分类微藻有原核微藻和真核微藻两大类。根据微藻生长环境可分为水生微藻、陆生微藻和气生微藻三种生态类群。水生微藻又有淡水生和海水生之分，根据分布又可分为浮游微藻和底栖微藻。已工业化生产或有应用价值、能大量培养的种类分别属于4个门：蓝藻门、绿藻门、金藻门和红藻门。蓝藻门(Cyanophyta)是能进行光合作用的原核生物，一般呈蓝色。有1个纲――蓝藻纲和3个目。蓝藻门在大约35亿年前就已在地球上出现。蓝藻和细菌在细胞结构与生物化学性质方面很类似，结构简单，无真正的细胞核和细胞器，主要通过细胞分裂进行增殖，能进行光合作用放出O2。（三）在生命起源与进化中的作用1.地球什么时候出现的？50亿年前2.最早的生命出现在什么时间？40亿年前3.细菌、蓝细菌出现的时间？35亿年前4.细胞核什么时间出现的？15亿年前5.有性生殖最早出现的时间？10亿年前6.多细胞生物是什么时间出现的？8亿年前7.什么时候生物多样性开始变得非常丰富起来？6亿年前8.人类出现时间？化石：６８０万年到７２０万年之间。比较人类与黑猩猩的DNA后的最新研究提示约为540万前/kepu/show-4248-1.html50亿年前地球出现，火山，温度非常高40亿年前出现最早的生命形式：卢卡（Luca）——微粒：有机物，外膜，吸收能量。因火山喷发-矿物质，水体有机物，颗粒。35亿年前细菌、蓝藻出现，进行光合作用，放出氧气。之前，大气很稀薄，氢、一氧化碳等，各种气体于空中形成一朵朵的卷云，氧气很少，因无充足的大气层掩蔽，整个地球曝露在强烈的紫外线之下。蓝藻的作用：产生了氧气，改变了大气组成与特点，为生物进化及高等生命诞生起了非常重要的作用。最初的原始生命在无氧条件下，是通过分解氨基酸、糖类及脂肪获取能量的（即进行无氧呼吸），或者依靠无机氧化物的还原获取能量。氧气性大气的出现，导致了臭氧层的形成和有氧呼吸的产生，这在生物进化史上具有十分重要的意义。臭氧层的形成：臭氧层的出现，阻止了紫外线对地面的直接辐射，保护了地球上的生命。有氧呼吸的产生：在大气层中有了氧气以后，一些原始的生物逐步产生了进行有氧呼吸的生物类型。真核生物：真核细胞才出现，之前都是厌氧的原核生物。“寒武纪爆炸”可能与当时空气中氧气含量的增加有关。（四）微藻生产生物制品的特点利用太阳能和CO2通过光合作用生产有机物，生长速度快、效率高、能耗低。可以利用贫瘠土地、盐碱地等极端环境。微藻培养简单，容易产业化。微藻提取有效成分不需要复杂的前处理。许多微藻可产生有生理活性的化合物。营养价值高。（五）微藻应用领域微藻在能源、医药、食品、水产养殖、化工、环保、农业及航天等领域有着重要的应用价值。保健品、功能食品：片剂、粉剂、添加剂水产养殖：饵料航天：安保系统转基因药物：可以食用能源：生物柴油、氢（六）三大经济微藻1.螺旋藻Spirulina存在35亿年。数百年前非洲一些部落就将螺旋藻制成藻饼食用。螺旋藻是人类迄今为止所发现的最优秀的纯天然蛋白质食品源，被联合国粮农组织和联合国世界食品协会推荐为“二十一世纪最理想的食品”。螺旋藻在降低胆固醇和血脂，抗癌，减肥，养胃护胃，治疗贫血及微量元素缺乏，护肝，增进免疫，调整代谢机能等方面都有积极作用。蛋白质含量高达60～70%。鱼肉的3倍，鸡蛋的5倍。藻蓝蛋白能增强人体免疫力。维生素及矿物质含量极为丰富：B1、B2、B6、B12、维生素E、维生素K等，并含锌、铁、钾、钙、镁、磷、硒、碘等微量元素。类胡萝卜素含量是胡萝卜的1.5倍，维生素B12含量是猪肝的4倍，铁含量是菠菜的23倍，是铁含量最丰富的食物。含有大量的γ-亚麻酸，人体必需的不饱和脂肪酸。螺旋藻多糖具有抗辐射损伤和改善放、化疗引起的副反应作用，因此对肿瘤患者是食疗佳品。螺旋藻中叶绿素含量极为丰富，是普通蔬菜含量的10倍以上。脂肪含量只有5%，且不含胆固醇，可使人体在补充必要蛋白时避免摄入过多热量。每100克螺旋澡营养成分一般成份蛋白质50—75g碳水化合物10—30g脂肪2—6g纤维0.5—1.5g碳水化合物10—30g天然色素类叶绿素800—1200mg类胡萝卜素200—600mg藻蓝类3000—6000mg天然矿物质钙25—200mg铁15—200mg锌3—10mg镁200—600mg锗2—4µg硒5—20µg天然维生素β—胡萝卜素100—200mg维生素B1100—300µg维生素B23—10mg维生素B6100—300µg维生素B121—3µg维生素C10—80mg维生素E2—10mg尼克酸4—30mg叶酸50—100µg泛酸0.5—1.5mg其它γ—亚麻酸0.5—1.6g螺旋藻多糖2—6g二十二碳六烯酸0.2—1g超氧化歧化酶活性10—37.5万单位辅酶Q10活性5—20万单位2.小球藻Chlorella一百多年前生物学家拜尔尼克（M.W.Beyernick）博士发现；把希腊文Chlor(绿色)和拉丁文表示细小物质Ella组合，将其命名为Chlorella。因为它的直径只有3～8微米。形状呈圆球形。营养全面而丰富，含有8种必需氨基酸和丰富的维生素及铁、锌、钙、钾等矿物质。有丰富的叶绿素，有吸附毒素的作用。小球藻有免疫调节作用，抗氧化，清除自由基延缓衰老；有降血压作用；对大肠杆菌和病毒感染，能起到抑制作用。对预防消化性溃疡、调节血脂、防治贫血有辅助作用。3.杜氏藻Dunaliella细胞内常含有大量胡萝卜素，致细胞呈橘红色。环境不良时，细胞内的结构常为所含的血色素所掩盖。本属是盐生藻类，见于许多盐湖、盐池及一些含盐量高的水体中。天然β一胡萝卜素不仅仅是优良的食品天然色素，而且具有很强的抗氧化作用，是多种癌细胞的良好抑制剂。二微藻培养技术问题1：微生物依据生长时所需的能量和营养物质(主要指碳源和供氢体)不同，可以分为哪几种类型？（一）微藻的营养模式养（二）微藻培养方式1.光能自养培养技术（1）敞开式培养跑道池（2）密闭式光生物反应器培养光生物反应器（Photobioreactor）是设计有光源系统的主体为透明材料的生物反应器，主要用于可进行光合作用的微藻、植物细胞、光合细菌的培养。优点：培养密度高，收获效率也显著提高。培养条件易于控制，易于实现高密度培养，对代谢产物积累有利。无污染，可实现纯种培养。不受地域环境限制，生产期长。适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物产品的生产。气升式光生物反应器实验室小规模光生物反应器户外大规模封闭式光生物反应器倾斜式水平式问题2：微藻密闭式光生物反应器以什么形状为主？为什么？光程短，利于光吸收，减少光衰减的影响。（三）培养流程/v_show/id_XMjgzMjE0NDA=.html1.自氧培养技术特点：有光照的条件下，利用CO2进行光合作用生长，培养。2.异养培养技术特点：指在无光照条件下，利用外源有机物包括糖类、蛋白水解物、有机酸等生长。3.混养培养技术特点：有光照的条件下，既利用CO2进行光合作用又利用外源有机物生长，培养。与自养相比的优点：微藻生长速度快、细胞密度高。在异养培养时，微藻细胞密度可达到或接近大肠杆菌及酵母的浓度。从工业化角度分析，异养培养系统更便于生产过程的控制及稳定生产。在封闭的生物反应器中进行微藻异养培养不但可实现纯种培养而且可保证生产的重复性和连续性。解除了光对微藻生长的限制，降低了微藻生产成本。微藻异养培养可采用微生物培养中的成熟技术及设备，易于规模放大，加快微藻及其产品的产业化进程。（四）微藻培养生产生物制品面临的问题1.能大规模培养的微藻种类有限，三大藻为主，有各自特点决定。2.成本高：营养成本高、细胞浓度低、收获成本高。3.深加工、高附加值产品少。三微藻培养生产代谢产物

应用举例（一）藻类生物柴油生物柴油(Biodiesel)：指以油料作物、野生油料植物和微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。柴油分子是由15个左右的碳链组成的，植物油分子则一般由14-18个碳链组成，与柴油分子中碳数相近。一般大豆的含油量在20%左右，花生、芝麻等在40%左右，而微藻的含油量最高能达到60%，至少是大豆的3倍。藻：每公顷16837升（每英亩1800加仑）（估计数据）麻：每公顷9354升（每英亩1000加仑）乌桕：每公顷4705-9073升（每英亩503-970加仑）棕榈油：每公顷4752升（每英亩508加仑）椰子：每公顷2151升（每英亩230加仑）油菜籽：每公顷954升（每英亩102加仑）大豆：每公顷554-922升（每英亩59.2-98.6加仑）花生：每公顷842升（每英亩90加仑）向日葵：每公顷767升（每英亩82加仑）微藻不争地、不争粮食；微藻炼油还能固废减排，例如可以用废水、废气养殖等。微藻将成为生物柴油的主要原料油脂的主要成分是甘油和三个脂肪酸组成的三酰甘油酯。目前生物柴油主要是用化学法生产，在酸或者碱性催化剂和高温(230-250℃)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。可产生副产品甘油。文献讨论1

原始小球藻(Chlorellaprotothecoides)（二）杜氏藻培养生产β-胡萝卜素2.食品添加剂β-胡萝卜素是重要的色素，是联合国粮农组织和世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会认定的A类优秀有营养的食品添加剂（foodadditives）。3.日用化妆品β-胡萝卜素的提取物含丰富的氨基酸、维生素、天然保湿因子、微量元素和其它生物活性物质，在日用化妆品（唇膏、胭脂等）中添加β-胡萝卜素，色泽丰满自然，还能起到保护皮肤的作用。4.饲料添加剂能提高动物的生长速率和肉类质量，提高牛、马、猪的繁殖能力，增强鲑鱼、虾的色泽，加深禽蛋的颜色。生产途径（1）化学合成在合成品中的β-胡萝卜素全为全反式构型，而天然β-胡萝卜素除有全反式构型外，还含有不同程度的9-顺式和15-顺式构型，其中9-顺式β-胡萝卜素在胡萝卜的遗传毒性和抗遗传毒性中起着关键作用。化学合成法生产胡萝卜素技术复杂、难度大、活性低、毒性强，不能完全被人体吸收，并对人体产生一定程度的毒副作用，不少国家已限制使用。（2）天然产物提取法从天然植物原料或者植物原料经加工处理后的下脚料中，采用有机溶剂(如石油醚、氯仿、丙酮、乙醚、乙醇等)萃取β-胡萝卜素的一种方法。可供提取β-胡萝卜素的天然物主要有：盐生杜氏藻