我國微藻產業標準化現狀及展望

周浩媛, 劉 翔, 高政權, 孟春曉, 李 斌, 向文洲

我國微藻產業標準化現狀及展望

周浩媛1, 劉 翔2, 高政權2, 孟春曉2, 李 斌3, 向文洲4

(1. 山東工商學院 公共管理學院, 山東 煙臺 264005; 2. 濱州醫學院 藥學院, 山東 煙臺 264003; 3. 山東省畜產品質量安全中心, 山東 濟南 250022; 4. 中國科學院南海海洋研究所, 廣東 廣州 510301)

微藻應用前景廣闊, 是國際生物技術領域新資源物種和新資源產品開發的熱點方向。我國的微藻開發應用已超過半個世紀, 養殖產量已達全球的三分之二, 微藻受到越來越多的關注。但微藻產業在我國發展還不規范, 其產業標準體系亟待完善。本文介紹了我國微藻產業發展歷史、現狀及發展趨勢, 并闡述了微藻產業標準化體系構建的重要性。針對微藻種質資源評價、生產養殖技術規范、產品質量安全標準體系等方面, 較為全面地分析了我國微藻產業標準化存在的問題。結合微藻產業標準化現狀, 圍繞種質資源分類的基礎類標準, 規范產品生產技術工藝的技術規程類標準, 產品營養成分或活性物質的檢測方法類標準以及反映產品質量和安全的產品類標準四個維度, 提出了關于構建微藻產業標準化體系的思考, 并對加強我國微藻產業標準化工作提出對策建議。

微藻產業; 標準化; 現狀; 問題; 對策

微藻是指個體微小、在顯微鏡下才能識別其形態特征的藻類, 按傳統生物分類觀念, 也是最低等、光合效率最高的植物, 具有生長快、適應性強、可高產蛋白、油脂和碳水化合物, 并富含極為豐富的生物活性物質等生理特性[1]。與傳統農作物相比, 微藻作為新型生物資源開發具有不占用耕地、節約淡水、生長代謝易定向調控、高效資源化利用CO2以及有效避免傳統作物種植中的土壤排放溫室氣體等優點[1]。微藻是新型/戰略生物資源開發的寶庫, 長期以來均是國際生物技術產業的熱點研發方向。微藻產業通過大規模商業化培養生產和加工利用微藻生物質, 在醫藥保健、食品、飼料、新材料、可再生能源、污染治理、碳減排等領域得到了一定程度的應用, 并具有不斷創新發展的廣闊前景[2-3]。

與傳統的農業作物相比, 微藻產業是一個正在快速培育和發展中的產業, 產業鏈條涵蓋藻種選育、培養、加工、產品應用等復雜環節, 并交織著傳統農業和現代工業的一些共同的技術特征, 我國微藻產業標準化工作起步較晚, 基礎薄弱, 伴隨著新資源藻種及新資源產品開發呈現逐步加快的趨勢, 相關技術與產品標準或規范已經跟不上技術開發和產品研制進程的需求。近年來雖然開展了一些標準的制修訂工作, 但至今尚未形成較為完整的標準化體系, 一定程度上制約了微藻新產品的大規模商業化應用推廣和相關產業健康可持續發展。如何構建微藻產業標準化體系, 有力推動微藻原料生產行業發展及其與下游應用行業的深度融合, 加速微藻研發生產要素向食品營養品、水產飼料、生態農業、環保產業等領域拓展, 推動微藻產業綠色轉型和高質高值化升級及健康可持續發展, 是一個值得關注和深入探討的問題。

1 我國微藻產業發展現狀

我國微藻資源開發起源于20世紀60年代初饑荒年代的小球藻生產及水產育苗中的微藻餌料培養, 但真正的產業化起步始于20世紀80年代中期螺旋藻和鹽生杜氏藻規模培養的形成。20世紀70年代, 中國科學院水生生物研究所、南京大學和中國科學院植物研究所等單位分別引進螺旋藻藻種, 開展了培養及光合產氫試驗研究。1984年, 原國家農牧漁業部科技司成立了科研協作組, 組織多家單位開展了螺旋藻蛋白質資源開發可行性研究試驗, 并提交了“關于螺旋藻研究開發的一個建議”[4]。1985年, 原國家經委立項, 組織了微藻開發協作攻關, 并把螺旋藻蛋白質的開發利用列入國家第七個五年計劃。在著名藻類學家曾呈奎院士和黎尚豪院士的領導下, 藻類科研工作者進行了螺旋藻生理、生態、優良品系選育、養殖、加工及應用等多方面的研究, 為我國螺旋藻產業發展奠定了堅實基礎, 也標志著我國微藻產業發展進入快車道[5]。

經過幾十年的探索, 目前我國微藻培養面積和產量已具有相當的規模。已實現規模化養殖的微藻品種主要包括螺旋藻、蛋白核小球藻、雨生紅球藻和鹽生杜氏藻等, 總生物量已超過1×104t, 成為世界上最大的微藻生產國家, 基于微藻養殖用于營養與保健食品、生物餌料、動物飼料、化妝品、生物質能源生產以及二氧化碳的富集與利用、污廢水處理等也呈現蓬勃發展趨勢。螺旋藻和小球藻是目前養殖生產規模最大的藻種, 其中我國螺旋藻產量已達9 000 t以上, 占世界螺旋藻總產量的80%[6]。受微藻生長特性和產區氣候條件影響, 不同微藻的主產地分布也有所不同。螺旋藻產地主要分布在內蒙古、廣西、海南、江西、江蘇、福建、山東等地區, 包括開放式跑道池和封閉式大棚等養殖方式[7]。小球藻養殖主要分布在福建、廣東、江西、山東等地區, 養殖方式包括開放式跑道池、封閉式光生物反應器和異養發酵等[8]。當前小球藻年產量已超2 000 t, 國際市場的年需求量約為8 000～10 000 t, 小球藻的開發和應用前景十分廣闊[9]。2012年, 原衛生部頒布《關于批準蛋白核小球藻等4種新資源食品的公告(2012年第19號)》, 正式批準小球藻為新資源食品。雨生紅球藻養殖則是以南方地區為主, 主要分布在云南、海南、廣東等, 近年來山東等地也開始嘗試養殖。鹽生杜氏藻養殖分布在鹽場或鹽湖資源豐富地區, 主要集中在天津、新疆、山東、內蒙古等北方地區[10]。鹽藻中含有大量的類胡蘿卜素等多種生物活性物質和人體所需的礦物質, 具有抗輻射、清除人體內自由基、提高人體免疫力等作用[11]。原衛生部2009年第18號規定將鹽藻及其提取物列入“新資源食品”, 現廣泛應用于食品和保健品行業。目前市場上流通的微藻產品是通過養殖、采收、干燥等環節生產的初級加工物, 產品形式以干粉、片劑和膠囊為主[12-13]。近年來, 也有一些微藻提取物產品開始流行, 主要用于食品添加劑或天然色素等, 包括從螺旋藻來源的藻藍蛋白和雨生紅球藻來源的蝦青素等[14-15]。

隨著我國經濟社會持續穩定發展和居民生活水平的不斷提高, 對不同品種和產品類型的微藻需求日益增加, 微藻產業轉型升級需求十分迫切, 這些不斷增加的需求提升了行業對微藻從藻種選育、原料生產到產品制造標準化的巨大需求。2012年3月我國螺旋藻產業“鉛超標事件”, 實際上是以該藻為原料的片劑中鉛含量限量缺少明確規定, 導致標準執行時出現偏差, 引起檢驗結果誤讀, 最終使螺旋藻產業陷入嚴重的信任危機, 產品價格和市場銷量均出現明顯下滑[16]。經此事件, 微藻產業標準化體系成為藻類行業和標準化領域工作者共同關注的熱點。同時, 微藻產業也面臨著藻種資源家底不清、產品種類少、產品形式過于單一、產品的營養價值和精準功能有待闡明、工業化大規模養殖模式尚未形成等問題[13]。標準是經濟活動和社會發展的技術支撐, 也是推動產業高質量發展的基礎保障。構建微藻產業標準化體系將對于提高微藻產品質量, 推動技術進步、結構調整、產業升級等方面都具有重要作用。

2 我國微藻產業標準化建設現狀及存在的問題

我國已發布實施的與藻類相關的標準共計167項, 包括強制性國家標準24項, 推薦性國家標準23項,行業標準61項, 地方標準59項。其中, 微藻領域相關標準包括國家標準4項, 行業標準10項, 地方標準34項。

相比大型海藻產業, 微藻產業標準化工作存在標準整體數量偏少, 覆蓋面偏窄, 部分領域標準缺失, 標準技術水平有待提升, 標準化人員、隊伍和技術機構積累不足, 體系構建缺少頂層設計和系統考慮等問題。通過系統分析已經實現規模化養殖的螺旋藻、小球藻、雨生紅球藻和鹽生杜氏藻等產業, 發現微藻產業仍然存在著種質資源評價缺乏標準、生產養殖技術缺乏規范、產品質量安全標準體系不夠完善等諸多問題。主要標準如圖1所示。

圖1 中國微藻產業標準化體系現行標準

2.1 微藻種質資源標準化涵蓋范圍過小

微藻種質資源是微藻產業的“芯片”, 通過篩選和培育系列優良微藻種質資源, 能夠提高微藻的規模化高密度培養, 保障并促進我國微藻產業健康高效發展[17]。微藻個體小, 難分離, 單細胞純種易隨環境變化發生變異, 易喪失細胞生理活性和遺傳特性, 使得開展微藻種質資源分離、選育、鑒定、保存工作顯得尤為重要[18]。目前與微藻種質資源相關的技術標準僅有農業農村部發布實施的《水產養殖用海洋微藻保種操作技術規范》(SC/T 2047—2006), 該規范對水產養殖用微藻保種的術語和定義、設施設備和條件、基本操作與日常管理、藻種來源和分離純化、藻種保存培養、室內小型擴增培養及藻種種質庫的建立與管理辦法等進行了限定。但該標準僅規定了用于水產養殖動物苗種培育、動物性餌料生物、經濟雙殼類成體的餌料、凈化水質的海洋單胞藻類, 對于目前已規模化生產且應用廣泛的螺旋藻、雨生紅球藻等藻類均未涵蓋。

2.2 微藻生產技術標準化跟不上技術發展, 缺乏統一技術規程

微藻生產技術工藝主要包括養殖、采收、殺菌、干燥等環節。已實施的相關標準有福建省地方標準《螺旋藻養殖技術規范》(DB35/T 1095—2011)、天津市地方標準《淡水小球藻生產技術規程》(DB12/T 1067—2021)以及應用于餌料領域的浙江省地方標準《單胞藻規模化培養技術規范》(DB33/T 2300—2020)、浙江省寧波市地方標準《海洋微藻餌料規模化培育技術規范》(DB3302/T 162—2018)、全國城市工業品貿易中心聯合會團體標準《水產養殖用牟氏角毛藻培養操作技術規程》(T/QGCML 044—2020)和應用于飼料領域的江蘇省地方標準《飼料用小球藻粉生產技術規范》(DB32/T 565—2010)。特別是隨著目前微藻養殖技術的發展, 一些新培養方法、培養技術與培養裝備不斷在微藻生產中得到應用, 并極大地提升了微藻養殖的技術水平與效率, 目前我國微藻生產技術相關的標準基本上仍以地方標準為主體, 且規模化養殖仍然主要集中于跑道池培養、管道式培養、CO2補碳技術、異養發酵等新技術、新工藝均未制定或納入新的生產規程和技術標準中, 既缺少統一的國家標準或行業標準, 也缺少下游生產工序環節的技術規范。

2.3 微藻產品檢測技術標準化亟待更新

系統科學的檢測技術評價體系是反映微藻營養品質和生物學功能的關鍵。現行實施的微藻檢測技術相關標準僅包括《進出口螺旋藻中藻藍蛋白、葉綠素含量的測定方法》(SN/T 1113—2002)和《紅球藻中蝦青素的測定—液相色譜法》(GB/T31520—2015)。例如, 蝦青素是目前發現的天然抗氧化能力最強的物質之一, 在預防和治療眼睛疲勞[19-22]、心腦血管疾病[23]等方面具有良好的生理治療效果, 市場前景廣闊[24]。研究表明, 蝦青素發揮功能與其獨特的手性分子結構有關, 不同立體構型蝦青素抗脂質過氧化活性存在差異, 其中左旋蝦青素活性明顯高于右旋和混合型蝦青素[25-26]。然而, GB/T 31520—2015《紅球藻中蝦青素的測定液相色譜法》僅對雨生紅球藻來源的蝦青素順、反式結構進行檢測, 并未對旋光特異性檢測進行規定[27]。此外, 螺旋藻含有豐富的活性物質, 研究表明藻藍蛋白和類胡蘿卜素含量不能完整的反映螺旋藻的營養品質, 亟需建立包括螺旋藻多糖、γ-亞麻酸、DHA、葉綠素、β-胡蘿卜素以及SOD等理化指標在內的產品標準[28]。但現行標準只有關于螺旋藻藻藍蛋白、葉綠素等的檢測方法, 尚缺少統一的螺旋藻多糖等其他營養成分檢測技術標準。其次, 小球藻熱水提取物, 即商業上宣稱的“小球藻生長因子(CGF)”, 是小球藻不同于其他微藻的主要生物活性物質, 在促進生長、調節免疫等方面具有良好功效[29-31], 且市場售價較高[32]。賈敬等[33]確立了小球藻熱水提取物主要功能成分的活性篩選手段, 并獲得3種新型功能成分。但目前尚無檢測技術標準, 影響了該產品的開發應用。

2.4 微藻產品質量安全標準化不完善, 相關法規制定落后于行業發展

微藻產品質量安全標準化方面, 目前已有多部食品安全國家標準、產品質量標準、綠色食品標準和地理標志產品標準。已實施的食品安全國家標準包括《食品安全國家標準藻類及其制品》(GB 19643—2016)、《食品安全國家標準食品添加劑藻藍》(GB 1886.309—2020)和《食品安全國家標準食品添加劑 β-胡蘿卜素(鹽藻來源)》(GB 1886.317—2021)。其中, 《食品安全國家標準藻類及其制品》(GB 19643—2016)適用于海帶、紫菜、裙帶菜、羊棲菜等海水藻類和螺旋藻等淡水藻類, 為藻類及藻類制品開展食品安全評價提供了基礎依據。在品質保障方面, 《食用螺旋藻粉》(GB 16919—1997)、《飼料用螺旋藻粉》(GB/T 17243—1998)、《雨生紅球藻粉》(GB/T 30893—2014)和《DHA藻油》(LS/T 3243—2015)相繼實施, 基本滿足螺旋藻、雨生紅球藻和微藻源DHA產業發展需求。但是, 小球藻和鹽藻產業尚無統一標準。目前針對蛋白核小球藻產品的質量安全控制主要參照新資源食品公告中規定“蛋白質含量必須不低于58%”的要求, 而一般蛋白核小球藻蛋白質含量大多在53%～55%,該標準反而成為限制行業發展的瓶頸[34]。

3 關于構建我國微藻產業標準化體系的思考

根據我國微藻產業標準的現狀及國家標準、行業標準、地方標準, 以及團體標準的定位, 按照標準體系的結構要素與層次, 充分考慮標準之間邏輯屬性和合理構架, 我國微藻產業標準可以分為兩大類: 一類為橫向的基礎通用標準, 另一類是按行業應用分類體系的標準。建立我國微藻產業標準體系可以從四個維度入手, 具體包括涉及種質資源分類的基礎類標準, 規范產品生產技術工藝的技術規程類標準, 產品營養成分或活性物質等的檢測方法類標準以及反映產品質量和安全的產品類標準(圖2), 形成科學合理、協調統一的微藻產業標準體系。

圖2 中國微藻產業構建標準體系待制定標準

建立種質資源分類的基礎類標準方面, 為更廣泛地指導微藻企業和科研機構開展保種工作, 建議以《水產養殖用海洋微藻保種操作技術規范》(SC/T 2047—2006)為參考, 分別制定食用微藻、水產養殖用餌料微藻以及藥用微藻等在內的微藻保種操作技術規范。此外, 我國尚無統一的微藻種質評價、審定標準和規范, 導致缺乏國家認可的微藻優良品種, 嚴重影響優質微藻種質資源的普及推廣, 因此制定一套完整的優良經濟微藻選育和評價標準及技術體系顯得尤為重要。同時, 針對一些特定的藻類還要制定專門的技術標準, 包括鈍頂螺旋藻和極大螺旋藻鑒別技術規程以及蛋白核小球藻鑒定技術規程。

微藻生產技術標準化方面, 首先需要推動整合現有的相關地方標準升級為國家標準或行業標準。在現有微藻養殖技術規范及規程的基礎上, 推動制定《螺旋藻養殖技術規范》《蛋白核小球藻養殖技術規范》《水產養殖用微藻規模化培育技術規范》。其次需要結合產業發展實際需求, 起草制定新標準新規程。盡快制定《螺旋藻及其制品生產技術規范》《蛋白核小球藻及其制品生產技術規范》《雨生紅球藻及其制品生產技術規范》《鹽藻及其制品生產技術規范》, 填補微藻生產過程中采收、加工等工序環節的標準空白。需要注意的是, 由于受我國南北方地區光照、溫度等因素影響, 不同地區微藻養殖工藝不盡相同, 例如北方地區螺旋藻養殖一般以封閉式大棚為主, 而南方地區則以開放式跑道池為主。從適用全國范圍的角度制修訂微藻養殖規范或者產品生產技術標準時需要統籌兼顧考慮微藻藻種的不同生長特性和微藻養殖的不同工藝特點等。

產品營養成分或活性物質檢測方法類標準方面, 為了更好地反映微藻的營養品質, 亟需制定《螺旋藻多糖檢測技術標準》《左旋蝦青素檢測技術標準》和《小球藻生長因子檢測技術標準》。反映產品質量和安全的產品類標準方面, 目前螺旋藻和雨生紅球藻產品質量安全標準相對比較健全。《食用螺旋藻粉》雖然仍處于有效期, 但受標準內容相對產業明顯滯后等因素影響, 中國水產科學院黃海水產研究所也正在組織制定《食用螺旋藻粉質量技術導則》。同時, 為適應雨生紅球藻產業發展需求, 2021年修訂實施的《綠色食品藻類及其制品》(NY/T 1709—2021)相比于原2011年標準文本增加了雨生紅球藻粉制品等內容, 對綠色食品可食用藻類及其制品進一步規范。綜合考慮小球藻、雨生紅球藻和鹽藻產業發展現狀以及下游應用行業實際需求, 建議加快制定《食用小球藻粉質量標準》《食用鹽生杜氏藻粉質量標準》以及《餌料用小球藻液質量標準》和《飼料用雨生紅球藻粉質量標準》, 以期加快推動產品規模化應用和技術迭代進步。

4 結語

近年來, 標準化體系建設日益受到藻類產業相關從業者的重視, 隨著微藻產業技術水平的不斷提高、藻類生物產品應用得更加廣泛, 現有的標準已無法滿足藻類產業快速發展的需要。同時, 微藻還是新資源食品的開發創新熱點, 目前, 已被列入新資源食品的微藻種類有鈍頂螺旋藻、極大螺旋藻、纖細裸藻、杜氏鹽藻、球狀念珠藻(葛仙米)、雨生紅球藻、蛋白核小球藻、擬微球藻與萊茵衣藻, 但針對其原料及提取物的標準并不完善, 標準體系的建立對微藻新資源食品的開發和產業發展不可或缺[35]。微藻產業標準化體系對于提升微藻生物技術水平、保障產品質量與安全、加速產業新舊動能轉換和提高國際競爭力等方面都具有十分重要的意義。構建微藻產業標準化體系仍需要重點關注以下五個方面: (1) 加強藻類活性物質快速檢測技術的研發, 有利于為企業提供簡便可靠的檢測方法; (2) 及時修訂相關行業標準, 滿足微藻新品種新產品發展需求; (3) 廣泛開展微藻產業與食品保健品、水產養殖等下游應用行業的合作交流和人才培養, 不斷健全微藻行業標準化組織體系; (4) 持續強化行業協會功能, 突出團體標準的重要性, 更好地激發市場主體的活力; (5) 積極參與制定國際標準, 推動國內國際標準化協同發展。

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Current circumstances, problems, and strategies of microalgae industry standardization in China

ZHOU Hao-yuan1, LIU Xiang2, GAO Zheng-quan2, MENG Chun-xiao2, LI Bin3, XIANG Wen-zhou4

(1. School of Public Administration, Shandong Technology and Business University, Yantai 264005, China; 2. School of Pharmacy, Binzhou Medical University, Yantai 264003, China; 3. Shandong Provincial Animal Product Quality and Safety Center, Jinan 250022, China; 4. South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China)

Microalgae has broad application prospects and is a popular topic in biotechnology in terms of the potential development of new resources, including species and products. Microalgae technology has been extensively studied in China for over half a century, and China’s production accounts for nearly two-thirds of all global microalgae biomass cultivation. While the microalgae industry has attracted increasing attention, China’s industrial standardization system must be improved. This study summarizes the history, current status, and future prospects for the microalgae industry in China, emphasizing the importance of establishing a consistent modern standardization system. Related issues of microalgae industrialization in China were comprehensively analyzed to evaluate appropriate microalgae germplasm resources, cultivation specifications, and product quality and safety standards. Proposed strategies considered the current standardization status of the industry and four specific standards, including the basic standards in germplasm resources classification, technical standards of the production technology process, analytical methods and standards of determining product nutrients and isolating bioactive compounds, and standards for product quality and safety.

microalgae industry; standardization; current situation; problems; strategies

Jun. 17, 2022

Q949.2

A

1000-3096(2023)6-0144-08

10.11759/hykx20220617002

2022-06-17;

2022-08-21

山東工商學院博士啟動基金(BS202118); 農業農村部農業標準制定和修訂項目(NYB-22267); 廣東省海洋經濟發展(海洋六大產業)專項資金項目(GDNRC[2023]38)

[Doctoral Foundation of Shandong Technology and Business University, No. BS202118; Agricultural Standard Formulation and Revision Project of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, No. NYB-22267; The Marine Economic Development Project, No. GDNPC[2023]38]

周浩媛(1991—), 女, 山東東營人, 漢族, 博士, 講師, 主要研究領域為微藻的資源化利用及標準化研究, E-mail: zhouhao-yuan 2009@hotmail.com; 向文洲(1967—),通信作者, 男, 湖北鶴峰人, 博士, 研究員, 從事海藻生理生化、海藻天然產物、保健食品及可再生資源的開發利用研究, E-mail: xwz@scsio.ac.cn.

(本文編輯: 趙衛紅)