微藻在生物質開發中的應用進展

申婷+胡蕾+冉煒+李君榮

摘要：指出了微藻生物質還可用于生產碳水化合物、脂類、蛋白質、淀粉、纖維、半飽和脂肪酸、色素、抗氧化物、藥物、肥料、天然色素等副產品，各種各樣的經生物提煉后的微藻生物質副產品正在形成各種不同的產業鏈。綜述了微藻及其微藻生物質在農業資源再利用方面的應用，具體研究內容包括微藻生物質非能源和能源的開發、微藻生物質的應用等。

關鍵詞：微藻；生物質；生物柴油

中圖分類號：Q949

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）22012804

1 引言

第一代的生物能源來自于利用傳統技術處理的糖、淀粉、植物或動物油脂等（Singh等，2010），但這種方法已備受爭議，因為以上生物能源都來自于食物資源。為了繞過第一代生物能源的弊端，第二代生物能源使用非食用或者廢油和農業殘渣進行生產加工，這其中包括木材、秸稈和樹葉等，但它們的缺點是對生態系統和環境有不良影響（Woo等，2012），而且還會引起間接碳排放增加。微藻已經普遍被認為是一種可替代的第三代生物能源的資源，它不僅可以吸收利用大氣中的二氧化碳，而且單位面積比傳統植物有著更高的油脂產量（表1）。海洋微藻種類生長在海水中，亦可減少淡水的消耗量（Chen等，2013），同時微藻還可以生長在廢水中（Ziolkowska等，2014），所以微藻是一種可供環境持續發展的生物能源資源。

2 微藻生物質的開發

環境因素，例如溫度、鹽度、照明、pH值、礦物含量、二氧化碳供應量、群體密度、生長階段和生理狀態等都能顯著影響微藻生物質的化學組成成分。在特定的高照明和低氮條件下，可以使得光合作用偏離蛋白合成途徑，而促使脂類或碳水化合物的合成（Liang等，2013）。因此，研究不同微藻的生化特性，找到不同用途的最合適微藻藻種（Batista等，2013）是開發微藻資源的基礎?？朔⒃宕笠幠Ｅ嘤?、采收和能源轉化等多方面的問題，是微藻資源化利用的前提（Ware等，2013）。常規的微藻采收方法有離心、絮凝和膜過濾等技術，而膜過濾具有多方面的優點，在常溫常壓下可不需要使用添加劑或絮凝劑，即可以進一步簡化微藻生物質的后續純化和殘余生物質的利用（Giorno等，2013）。微藻脂類工業化應用中脂肪酸成分分析關鍵技術包括：①直接跨甲基化脂；②初步萃取步驟的消除；③利用單步驟衍生程序生產甲酯脂肪酸并使蛋白質結構失活（Koopmans，2013）。

微藻生物質還可用于生產碳水化合物、脂類、蛋白質、淀粉、纖維、半飽和脂肪酸、色素、抗氧化物、藥物、肥料、天然色素等副產品（Yen等，2013）。微藻目前已被用于生產色素，例如從雨生紅球藻中提取蝦青素，或從鹽生杜氏藻中提取β-胡蘿卜素。鹽生杜氏藻能夠耐受50 ℃高溫將近8 h，而這過程中微藻產生了包括蝦青素、葉黃素和角黃素在內的色素。小球藻則在中國、日本、歐洲和美國等眾多國家被廣泛的生產并作為是一種健康食品補充物，其產量達到2000 t/年。重要的營養性脂肪酸二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）被商業化的從海魚和微藻中提取（Sahu等，2013）。根據生物化學基本理論，從太陽光到生物質理論上最大的能量轉化率大約為10%，現代田間農作物的產量大概為理論值的1/10～1/3，因此提升整個生物質轉化過程的關鍵是提高光合作用的效率（Peter等，2010）。生物煉制已被認為是生物質產業最有前途的出路，生物煉制的目標是將生物質轉化為生物燃料和高附加值的產品，現有的生物質轉化技術可在生物煉制中被廣泛應用。事實上，各種各樣的生物經提煉后的微藻生物質副產品正在形成各種不同的產業鏈。

2 微藻生物質的應用

微藻可作為眾多產品的原料，而這些產品可根據其潛在用途被分為能源和非能源微藻生物質，此外，微藻生物質也可用于環境清潔。微藻生物柴油作為一種碳中性燃料，其燃燒釋放的二氧化碳與微藻生產過程中同化的二氧化碳數量接近（Najafi等，2011）。因此，開發微藻能源對于應對氣候變化最具有效性和可持續性（Ziolkowska等，2014）。從微藻胞內脂類提取生物柴油具有較高的能量效率和成本節約效益。表2和表3分別為不同微藻藻種的生物質組成和脂肪酸含量。酯交換反應是當前廣為使用的油脂轉化為生物柴油的方法，是將原始粘性的微藻油脂（甘油三酯或自由脂肪酸）轉化為較小分子量的脂肪酸烷基酯。酯交換反應過程主要受反應條件、乙醇與油脂的摩爾比、催化劑種類、反應時間、溫度和純化反應物等的影響，而堿催化劑極易受自由脂肪酸的影響。圖1所示為微藻生物質經堿催化轉化為生物柴油產品的過程。

日益增長的航空需求，每天消耗多于500萬桶航空燃油，并釋放大量二氧化碳、氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物等環境污染物。因此能減少80%溫室氣體排放的生物航空燃油備受關注，其中微藻生物柴油和傳統化工燃油混合的綠色生物航空燃油產品已生產面世并投入使用（Marian等，2012）。微藻油脂經加氫處理（脂肪酸和酯類加氫處理）轉化為航空燃油，整個過程根據美國材料與試驗協會D7566標準進行處理。微藻油脂轉化為航空燃油的另外一種生產方法為費-托合成過程，該過程可以從天然氣、煤礦和生物質等提取高質量燃料，微藻生物質經汽化過程轉化為液體燃料，即將一氧化碳和氫氣等氣體成分轉化為液體烴類燃油（Judit等，2012）。

微藻生物質除用作上述2種能源開發之外，也可用于非能源生物質開發。微藻碳水化合物是由微藻在光合作用過程中的二氧化碳固定化而合成的，其主要利用ATP和NADPH吸收并固定空氣中的二氧化碳通過卡爾文循環代謝途徑合成葡萄糖和其它糖類。這些碳水化合物累積在質體中作為儲備物質（如淀粉），或細胞壁的主要成分。研究表明，脂類和淀粉合成直接存在競爭關系，因為甘油三酯合成過程的主要前體物質甘油-3-磷酸（G3P，glycerol-3-phosphate）是通過葡萄糖的分解代謝糖降解合成的（Ho等，2012）。因此，提高微藻生物質中碳水化合物的累積可通過提高葡聚糖的儲存和減少淀粉的降解，即提高微藻中碳水化合物含量的培育技術，有輻照度、氮耗竭、溫度變動、pH調整和二氧化碳額外提供等方法（Khalil等，2010）。微藻細胞壁的組成成分和儲存物質如表4所示，微藻的碳水化合物主要由淀粉、葡萄糖、纖維素/半纖維素、各種多糖組成，而其中的淀粉和葡萄糖可轉化為包括生物乙醇和氫產物在內的生物燃料（John等，2011）。微藻所含的多糖主要是包括卡拉膠和瓊脂在內的半乳聚糖，卡拉膠可以穩定的從紅海藻中提取。目前，微藻多糖可應用于食品、化妝品、紡織品、穩定劑、乳化劑、潤滑劑、增稠劑和臨床藥物等。微藻硫酸化多糖則呈現較為廣泛的藥理作用，如抗氧化、抗腫瘤、抗凝血、抗炎、抗病毒和免疫調節劑等。硫酸化多糖可以從紫球藻中提取，由于其具有抑制多形核白細胞的黏附和遷移能力，因此被應用于皮膚的抗炎癥處理（Yen等，2013）。

微藻富含眾多與光照射有關的色素，除了葉綠素，絕大多數為有助于光能利用的藻膽蛋白和光照保護物質類胡蘿卜素等。另外一種重要的微藻色素是蝦青素，它具有強有力的抗氧化作用。蝦青素可預防和治療慢性炎癥疾病、癌癥、神經疾病、肝臟疾病、代謝綜合征、糖尿病、糖尿病腎病和胃腸疾病等。雨生紅球藻已被研究發現具有較高的蝦青素天然含量（1.5～3%干物質含量），這也是目前蝦青素商業化的主要自然來源（Batista等，2013）。還有一些微藻色素，如葉黃素、玉米黃質和角黃素等則用作雞肉皮膚著色和制藥等用途。除此，藻蛋白、藻藍蛋白、藻紅蛋白則被用于食品和化妝品行業，胡蘿卜素作為維生素A前提物質而應用于保健食品，許多微藻色素也被應用于自然食品或飲料的天然著色劑。

蛋白是人類營養物質的重要成分，缺乏蛋白是引發營養缺乏癥最主要的原因之一。一些微藻中高含60%蛋白，而微藻蛋白可作為動物或魚飼料、化肥、工業酶、生物塑料和表面活性劑等。目前培育較廣泛的富含蛋白微藻為屬于藍藻種類的螺旋藻，它不僅富含60%粗蛋白，而且含有維生素、礦物質和其它生物活性因子。螺旋藻細胞壁由多糖組成，其消化率可達86%，并且極易被人體吸收利用。螺旋藻可加工成藥片、薄片和粉末狀作為一種人類膳食補充劑，而且還可用于水產、水族館和家禽業的飼料添加劑。除此之外，魚腥藻、綠藻、杜氏藻、眼蟲等也高含蛋白質，藍綠微藻水華魚腥藻已被發現是一種很好的蛋白來源。

微藻的高附加值生物材料或生物產品也已用作商業化用途（表5）。微藻中的節螺藻和小球藻已被大量用于皮膚護理市場，并且一些化妝品公司已開展它們自己的微藻產品系統的研究工作，它們可以提取抗老化、再生、潤膚、抗刺激、防曬、頭皮護理等各種化妝產品。小球藻中最重要的藥物成分是1，3-葡聚糖，作為活性免疫刺激劑，是一種自由基清除劑和血脂減速劑，可對胃潰瘍、創傷、便秘等發揮功效。微藻生物質還是諸如維生素A、B1、B2、B6、B12、C、E、生物素、煙酸、葉酸、泛酸等必須維生素的有效來源。微藻中的卡拉膠則可被廣泛用于食品的乳化劑和穩定劑，如巧克力牛奶、冰淇淋、淡煉乳、布丁、果凍、果醬、沙拉醬等。由于其具有抗腫瘤、抗病毒、抗凝血的特性，卡拉膠也具有潛在的制藥功能。

參考文獻：

[1]Batista AP， Gouveia L， Bandarra NM，et al. Comparison of microalgal biomass profiles as novel functional ingredient for food products[J]. Algal Res， 2013（2）：164～173.

[2]Chen CY， Zhao XQ， Yen HW， et al. Microalgae-based carbohydrates for biofuel production[J].Biochem Eng J， 2013（78）：1～10.

[3]Giorno F， Mazzei R， Giorno L. Purification of triacylglycerols for biodiesel production from Nanno chloropsis microalgae by membrane technology[J]. Bioresour Technol， 2013（140）：172～178.

[4]Ho SH， Chen CY， Chang JS. Effect of light intensity and nitrogen starvation on CO2 fixation and lipid/carbohydrate production of an indigenous microalga Scenedesmus obliquus CNW-N[J]. BioresourTechnol， 2012（113）：244～252.

[5]Judit S， Berta MG. Overview of biofuels for aviation[J]. Chemical Engineering Transactions， 2012（29）：1147～1152.

[6]Khalil ZI， Asker MMS， El-Sayed S，et al. Effect of pH on growth and biochemical responses of Dunaliella bardawil and Chlorella ellipsoidea[J]. World J Microbiol Biotechnol， 2010（26）： 1225～1231.

[7]Koopmans MV， Wijffels RH， Barbosa MJ， et al. Biorefinery of microalgae for food and fuel[J]. Bioresour Technol， 2013（135）：142～149.

[8]Liang W， Li Y， Sommerfeld M，et al. A flexible culture process for production of the green microalga Scenedesmus dimorphus rich in protein，carbohydrate or lipid[J]. Bioresour Technol， 2013（129）：289～295.

[9]Marian E， Ihab HF. Bio-jet fuel from microalgae： reducing water and energy requirements for algae growth[J]. Int J Eng Sci， 2012，1（2）：22～30.

[10]Najafi G， Ghobadiana B， Yusaf TF. Algae as a sustainable energy source for biofuel production in Iran： a case study[J]. Renewable Sustainable Energy Rev， 2011（15）：3870～3876.

[11]Peter JBW， Lieve MLL. Microalgae as biodiesel and biomass feedstocks： review and analysis of the biochemistry， energetic and economics[J]. Energy Environ Sci， 2010（3）：554～590.

[12]Sahu A， Pancha I， Jain D， et al. Fatty acids as biomarkers of microalgae[J]. Phytochemistry， 2013（89）：53～58.

[13]Singh SP， Singh D. Biodiesel production through the use of different sources and characterization of oils and their esters as the substitute of diesel： a review[J]. Renewable Sustainable Energy Rev， 2010（14）： 200～216.

[14]Ware AEH， Morgan T， Wilson M， Crocker M， Zhang J， Liu K， et al. Microalgae as are newable fuel source： fast pyrolysis of Scenedesmus sp. Renewable Eng， 2013（60）：625～32.

[15]Woo SG， Yoo K， Lee J， et al. Comparison of fatty acid analysis methods for assessing biorefinery applicability of wastewater cultivated microalgae[J]. Talanta， 2012（ 97）：103～110.

[16]Yen HW， Hu IC， Chen CY，et al. Microalgae-based biorefinery - from biofuels to natural products[J]. BioresourTechnol， 2013（135）：166～174.