微藻油脂生產的現狀和發展

劉文卓鄭穗平劉文紅蘇偉全

（1.廣州市醫藥職業學校實訓中心 廣東廣州 510430；2.華南理工大學 生物科學與工程學院 廣東廣州 510006；3.廣州中醫藥大學第一臨床醫學院 廣東廣州 510407； 4.廣汽豐田發動機有限公司 廣東廣州 511445）

微藻油脂生產的現狀和發展

劉文卓1鄭穗平2劉文紅3蘇偉全4

（1.廣州市醫藥職業學校實訓中心 廣東廣州 510430；2.華南理工大學 生物科學與工程學院 廣東廣州 510006；3.廣州中醫藥大學第一臨床醫學院 廣東廣州 510407； 4.廣汽豐田發動機有限公司 廣東廣州 511445）

隨著社會生產力的提高，對油脂在“用”和“吃”的方面的需求也越大。如何獲取更高產和更優質的油脂是各國研究人員都在思考和探討的問題。本文探討和歸納總結了國內外微藻生產油脂的菌種特點、培養方法及油脂提取加工等最新研究成果及其優缺點。

微藻 藻油 油脂生產 現狀 發展

1 前言

隨著人民生活水平越來越高,對油脂的需求也越來越大。這種需求主要表現在食用油和對燃料油方面上。在人們的印象中,油脂生產似乎和微生物聯系不起來。以前微生物多用在油脂污染的區域“吞噬油污”,降低污染。但據報導［1］越來越多科學家研究得出：微生物中不僅含油量較高、且有易于繁殖和培養時間短的特點,生產效率是其他生物都無法比擬的。

2 微藻產油的特點

如本文作者根據LinJ等研究的數據［2-7］歸納并作常見油脂微生物及其油脂總含量圖1-1。

在圖1-1中可直觀看出,微生物油脂至少占干重的1/5,甚至有的高達87%。因此,從一些較高油脂的微生物中進行有目的培養和改造,使之產油率更高、更符合工業生產等問題,這些問題有較高的研究和開發利用價值。

在微生物中,有一類生物被稱為“微藻”。它們通常生活在水中,體內有葉綠素,可光合作用,屬于自養型。微藻制油利用二氧化碳等為原料,通過光合作用生成糖及蛋白質等有機物,再經誘導代謝合成油脂。據研究,微藻成長時捕獲的二氧化碳為自身重量的1.83倍以上?？梢源罅课兆匀唤绲亩趸?解決碳的合理循環問題。

圖1-1 常見產油微生物及含油量圖Fig.1-1 Common Oil producing microbes and fat content of microorganisms map

圖1-2 同樣種植面積的各種油料植物出油率比Fig.1-2 The proportion of oil yield per hectare of various oil plants

圖1-3 某些藻類含油率圖Fig.1-3 Some algae oil content

圖1-4 跑道池圖Fig.1-4 Runway pool diagram

圖1-5 光生物反應器圖Fig.1-5 Photo biological reactor

表1-1 微藻分類表Table 1-1 microalgae classification

表1-2 大規模藻培養類優缺點比較Table1-2 Comparison of the advantages and disadvantages of large scale algae cultivation

微藻主要分為4類［8］,如表,表1-1。

微藻的含油量高,理論上［9］微藻產油量每公頃每年可達250噸。

如圖,圖1-2。此圖比較了相同種植面積的各種油料作物的理論出油率比?？梢娢⒃瀹a油率遠遠高于其他產油經濟作物,如棕櫚、花生及大豆等。微藻生長的地理環境主要在水中,傳統的糧食、棉麻及油料作物用地不沖突。

微藻的含油主要是細胞膜和其他物質代謝及轉化成脂類后以脂肪形式存在,有的微藻脂肪酸含量可超過細胞干重的75%。不同種類微藻含油量差異較大；有的即使同種微藻但分屬不同也有差別。作者某些歸納藻類［10］含油量的數據后得圖,如圖1-2。

3 微藻越來越引起關注

與微藻相比,異養型微生物無需光照,但培養過程也有需要耗廢較多的碳源、氮源等成本較高的物質［11］。正因為微藻含油率高、培養快,無需額外添加高成本的原料的特點。引起了愈來愈多國家的重視。

美國（2007年）甚至開始了類似當年原子彈研制的微藻制油的“微型曼哈頓計劃”；英國2008年啟動了規模最大的藻類生物燃料項目等。我國也開始重視這方面的研究,如973計劃也開始立項如何大規模培養藻類轉化為能源。它是糧食發酵（第一代）、纖維素轉化（第二代）制備燃料后的第三代能源獲得途徑［12］。解決了口糧爭地、發酵效率低成本高的第一二代燃料原料問題。研究證明,藻油可以比較容易經催化轉為生物柴油,甚至可運用于航空方面,比傳統石化燃料污染更少。

Institute of Physics (IOP), Bhubaneswar is acknowledged for providing the TEM facility for characterization of the nanoparticles.

4 微藻培養的瓶頸及對策

目前影響微藻制油的瓶頸為如何獲得高產藻類、如何大規模培養高產微藻及如何降低提取藻油的成本方面。

4.1 高產藻種的獲得

在藻種培養方面,可通過通過藻種選育、轉基因、遺傳育種等技術提高藻的產油率。如我國清華大學、暨南大學及山東海洋工程研究院等多所院所也篩選出含油量較高,比較易培養的微藻。其含油量可達68%以上。

微藻生長速度如何加快也是值得考慮的問題。如徐進等［13］篩選出淡水小球藻Chlorella sp. NMX37N,生長速度快,常溫下增長速率快,可達0.53倍/天；兩步法培養40天后,總脂量為干重的33%。

4.2 高產培養方法及優缺點

微藻的生產離不開營養物質、光照、溫度、酸堿度、二氧化碳及滲透壓等條件。適當的條件可有利于藻類的生長及產油。

微藻大規模培養設備的設計也要兼顧這些因素。有光照的要求,通常的微生物培養法并不適用。目前［14］用的比較多的有跑道池及管狀生物反應器。

跑道池［15］故名思議,就是使用混凝土（甚至泥土）,做成一圈封閉的跑道狀（環狀）的水池?？紤]到藻類植物的需光性和產能關系,一般深度約30cm。使用攪拌漿攪動跑道內的培養液,完成物質和氣體交換。如圖［16］,圖1-4。

微藻生長需要光照,培養要用到一些特殊的透光設施?？梢酝腹庥志哂幸欢◤姸?、硬度及抗脆碎度要求的材料不多,也是微藻大規模培養的瓶頸之一。

跑道池和光反應器優缺點比較如表,表1-2。

為了減低成本,有人利用一些含碳氮量高的廢水,如城市廢水［18］及動物養殖場甚至公廁的糞便等［19］來生產微藻,獲取油脂。同時可以達到凈化水質、降低水有機物含量的環保目的,同時又獲得工業用油。當然,目前這種方法產率還需提高。

4.3 高附值產品的生產

基于現在還存在培養和提取的困難。微藻在高附加值的產品,如藥品和保健食品生產中應用較多。有許多國際大公司已經［20］通過培養、遺傳育種等技術,在自然的條件培養出的微藻提取出DHA和EPA。也有從球紅藻中提取“蝦青素”等物質。

現在可根據不同藻類的DHA和EPA含量不同,選擇替代價格昂貴、膽固醇含量高且腥味重的魚油原料,生產DHA、EPA或其混合物。目前許多藥用和保健品使用的DHA原料多為藻產的DHA。

DHA逐漸被應用在食品添加劑中。如［21］等研究了面包、蛋糕中添加了DHA,發現其風味、烤制方法都無較大變化,可作為營養劑和油脂添加。

隨著DHA對人體的益處逐漸被認識和微藻培養瓶頸的逐步突破,DHA產量會越來越多、需求也會越來越大,應用前景廣闊。

5 微藻油提取的方法研究概況

如何高效提取微藻體內的油脂也是急需解決的問題。目前多數采用相似相溶的原理來提取微藻體內的油脂?？偟恼f來,其提取過程較為復雜,由于有相的變化,其能耗較多。主要有使用索氏原理的方法反復抽提體內脂肪的索氏法、以特殊的超臨界物質的性質進行的臨界萃取法、破壁有機溶劑研磨法及超聲波振勻抽提法等。據報導,干法能提取包括細胞膜在內的油脂,其比濕法提取只能提取胞內現成油脂的提取率要高得多。

也有研究“直接熱裂法”制油——微藻在適合的催化劑（如碳酸鈉、分子篩催化劑中添加介孔物質等物質）催化下受熱分解,得到類似生物油的產品,其含水率超過15%、含碳量低于75%,氫碳比低、含氧量高的一種類似原油的混合粘液。優點是生產產量高、速度快。缺點是產物在空氣中極易被氧化、酸值高、腐蝕金屬和不易與油混合。目前應用受限制。在實際應用中還需要進一步加氫脫氧、脫酸、降低粘度及提高溶解度等處理,后續處理手續顯得繁瑣復雜。

6 微藻油的安全性研究

有分析得出［22］許多微生物在體內的產油過程類似于動植物。由乙酰輔酶a經不斷羧化、延長碳鏈、去飽和等生化途徑合成油脂。有人把這些生物油脂拿去化驗,得出［23］的油酯結構與其他動植物油,如花生、棕櫚、葵花、菜油等油脂具有類似的結構。也進一步論證了微生物產油的安全性與可能性。

在國外［24］有科學家從“布加奇湖”的湖底里撈出淤泥直接曬干,提取得到1%的油脂。這種方法含油量低,但是淤泥多,如果大規模開采成本可能也劃算。

總的來說,微藻制油具有成本低、產量高的特點,目前主要應用在高附加值的產品的生產中。當突破大規模培養和降低提取成本后。微藻必將成為一種重要的能量和食物來源。

［2］L in J，Shen H，Tan H，etal. Lipid production by Lipomyces starkeyi cells in glucose solution without auxiliary nutrients［J］.J Biotechnol， 2011， 152（4）：184-188

［3］Ratledge C， Cohen Z. Microbial and algal oils.Do they have a future for biodiesel or as commodity oils？［J］.Lipid Technol，2008，20（7）：155-160

［4］Zhu LY， Zong MH， Wu H. Efficient lipid production with Trichosporon fermentans and its use for biodiesel preparation［J］. Bioresour Technol， 2008， 99（16）：7881-7885

［5］Alvarez HM，Steinbuchel A.Triacylglycerols in prokaryotic microorganisms ［J］. Appl Microbiol Biotechnol，2002，60（4）：367-376

［6］Kaur P， Worgan JT. Lipid production by Aspergillus oryzae from starch substrates［J］. Appl Microbiol Biotechnol， 1982， 16（2）：126-130

［7］Ratledge C， Wynn JP. Advances in applied microbiology［M］. 1st editon. Calif ：Academic Press， 2002：1-44

［8］胡鴻鈞， 李堯英， 魏印心等. 中國淡水藻類. 上海： 上?？茖W技術出版社，1980

［9］陸琦.微藻柴油：生物燃料的"潛力股" ［J］.中國石油和化工，2015，3：53-55.

［10］康永鋒，史華進，胡文振等.利用海洋微藻制備生物柴油的研究進展［J］.化工新型材料，2013，41（12）：22-25.

［11］陳文娜，陳慧，彭寬. 微生物油脂發酵技術研究現狀［J］.糧食與油脂，2014，27（1）：18-21.

［12］吳立柱，竇世娟，從均廣等. 我國微藻生物柴油的研究背景與發展戰略［J］.生物技術進展，2015，5（2）：85～88.

［13］徐進，徐旭東，方仙桃，高產油小球藻的篩選及其油脂分析［J］.水生生物學報， 2012，36（3）：426-429.

［14］朱斌斌，利用微藻油脂制備生物柴油的研究［D］.華中科技大學，2009，5，15.

［15］Sheehan J， Dunahay T， Benemann J， et al. A look back at the US Department of Energy's Aquatic Species Program-biodiesel from algae. National Renewable Energy Laboratory， Golden，Colorado， Report NREL/TP， 1998： 580-24190。

［16］吳珂，尹曉宇.全球清潔能源生產 中國占最大份額.中國石化周刊［EB/OL］.［2015］http：//www.sinopecweekly.com/content/2012-07/30/ content_1198832.htm

［17］中國利用藻類對抗全球變暖令世界矚目［EB/OL］. 網易新聞，http：//www.weather.com.cn/index/lssj/07/21787.shtml中國氣象2009-07-02 .

［18］金文標.利用城市生活污水培養微藻生產生物柴油的方法及系統［P］.中國：CN 103113932，2013，5，22.

［19］北京昊業怡生科技有限公司. 一種利用糞便污水培養產油微藻的方法［P］.中國： CN 102618446 A，2012，8，1.

［20］張秋會，柳艷霞，趙改名. 8種海洋微藻中EPA和DHA含量的測定［J］.食品與機械，2006，22（6）：32-37

［21］彭云.微藻DHA在幾種烘焙產品中的應用［D］.華南理工大學，2011，11.

［22］康 靜，馮沖.產油微生物油脂提取技術研究進程［J］.中國醫藥指南，2015，13（4） ：51-53.

［23］賈彬，王亞南，何蔚紅等.生物柴油新原料——微生物油脂［J］.生物技術通報，2014 （1）：19-24.

［24］邦妮.淤泥能變成“生物柴油”［EB/OL］.［20110802］. http：// www.ycwb.com /ePaper /ycwb/html/2011-08/02/content_1175610. htm.

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