第13節(jié) 微藻培養(yǎng)及應(yīng)用

1、第四篇第四篇 生物制品生產(chǎn)生物制品生產(chǎn) 第10章 微藻培養(yǎng)及應(yīng)用 太空農(nóng)場 藻類和植物在密封太空艙內(nèi)進(jìn)行長期實(shí)驗(yàn)(NASA) 太空農(nóng)場 太空農(nóng)場（Space Farm），學(xué)名:受控生態(tài) 生保系統(tǒng)（Controlled Ecological Life Support System, CELSS）：在太 空依靠繁殖綠色植物（蔬 菜、藻類等）解決航天員 所需的食物、氧氣和水等 最基本物資的供應(yīng)，是實(shí) 現(xiàn)未來長期載人星際旅行、 移民的關(guān)鍵技術(shù)和難題之 一。 觀賞鳥類與魚類、水產(chǎn)養(yǎng)殖 食品、保健品、化妝品等 雨生紅球藻 蝦青素是一種紅色素，可以賦予火烈鳥、三文魚、蝦 粉紅顏色 3種異構(gòu)型 抗氧化性：左旋

2、右旋 內(nèi)消旋 蝦青素的應(yīng)用蝦青素的應(yīng)用 1.化妝品領(lǐng)域應(yīng)用化妝品領(lǐng)域應(yīng)用 由于其強(qiáng)大的抗氧化性，全球差不多一線的化妝品品由于其強(qiáng)大的抗氧化性，全球差不多一線的化妝品品 牌均添加了天然蝦青素作為其超強(qiáng)抗氧化劑的成分，包括牌均添加了天然蝦青素作為其超強(qiáng)抗氧化劑的成分，包括 雅詩蘭黛、歐萊雅的雅詩蘭黛、歐萊雅的DermaE，尤其是日本的品牌高絲，尤其是日本的品牌高絲 （KOSE）、芳凱（）、芳凱（FancL)、DHC以及曼秀雷登等推出以及曼秀雷登等推出 了專門的蝦青素系列保濕霜、抗皺眼霜、面膜、口紅等。了專門的蝦青素系列保濕霜、抗皺眼霜、面膜、口紅等。 只要看到那些紅色或橙色的宣稱抗氧化的，且售價數(shù)

3、百上只要看到那些紅色或橙色的宣稱抗氧化的，且售價數(shù)百上 千元的化妝品都是加的蝦青素這一類物質(zhì)。千元的化妝品都是加的蝦青素這一類物質(zhì)。 實(shí)事求是的說：光靠實(shí)事求是的說：光靠“彈力蛋白彈力蛋白”“”“膠原蛋白膠原蛋白”是彈不走是彈不走 你的魚尾紋的。這些不過是原料而已。你的魚尾紋的。這些不過是原料而已。 2.保健食品領(lǐng)域的應(yīng)用保健食品領(lǐng)域的應(yīng)用 全球的保健品企業(yè)也推出了大約200多款蝦青素軟、 硬膠囊、口服液的保健食品。尤其是在日本這個壽命最長 的國家最為受到歡迎，近3年來蝦青素成為日本最火爆的 健康食品。東南亞包括臺灣、新加坡深受其影響。我國也 有一些企業(yè)相繼跟進(jìn)。 赤潮 、水華爆發(fā) 微藻的危害

4、 本節(jié)主要內(nèi)容 1.微藻特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域 2.微藻培養(yǎng)技術(shù) 3.微藻培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物應(yīng)用舉例 本節(jié)關(guān)鍵問題 1.微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器特點(diǎn) 2.微藻培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的相關(guān)工藝技術(shù) 一 引言 （一） 定義 藻類分為原核藻類和真核藻類，含有葉 綠體，可以進(jìn)行光合作用。 微藻（Microalgae）一般是指那些在顯 微鏡下才能辨別形態(tài)微小的藻類。 迄今已知的藻類約有30,000余種，其中 微藻約占70。微藻細(xì)胞微小、形態(tài)多 樣、適應(yīng)強(qiáng)、分布廣泛。 （二）分類 微藻有原核微藻和真核微藻兩大類。 根據(jù)微藻生長環(huán)境可分為水生微藻、陸生微藻和 氣生微藻三種生態(tài)類群。 水生微藻又有淡水生和海水生之分，根據(jù)分布又

5、 可分為浮游微藻和底棲微藻。 已工業(yè)化生產(chǎn)或有應(yīng)用價值、能大量培養(yǎng)的種類 分別屬于4個門：藍(lán)藻門、綠藻門、金藻門和紅 藻門。 藍(lán)藻門(Cyanophyta) 是能進(jìn)行光合作用的原核生物，一般呈藍(lán)色。有 1個綱藍(lán)藻綱和3個目。藍(lán)藻門在大約35億年 前就已在地球上出現(xiàn)。 藍(lán)藻和細(xì)菌在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與生物化學(xué)性質(zhì)方面很類 似，結(jié)構(gòu)簡單，無真正的細(xì)胞核和細(xì)胞器，主要 通過細(xì)胞分裂進(jìn)行增殖，能進(jìn)行光合作用放出O2。 （三）在生命起源與進(jìn)化中的作用 1.地球什么時候出現(xiàn)的？ 50億年前 2.最早的生命出現(xiàn)在什么時間？40億年前 3.細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌出現(xiàn)的時間？ 35億年前 4.細(xì)胞核什么時間出現(xiàn)的？ 15億年前 5

6、.有性生殖最早出現(xiàn)的時間？ 10億年前 6.多細(xì)胞生物是什么時間出現(xiàn)的？8億年前 7.什么時候生物多樣性開始變得非常豐富起來？6億年前 8.人類出現(xiàn)時間？化石：萬年到萬年之間。 比較人類與黑猩猩的DNA后的最新研究提示約為600萬前 http:/ _XNjk3MTYwMzI=.html 50億年前地球出現(xiàn)，火山，溫度非常高 40億年前出現(xiàn)最早的生命形式：盧卡（Luca）微粒： 有機(jī)物，外膜，吸收能量。因火山噴發(fā)-礦物質(zhì)，水體有 機(jī)物，顆粒 35億年前細(xì)菌、藍(lán)藻出現(xiàn)，進(jìn)行光合作用，放出氧氣。 之前，大氣很稀薄，氫、一氧化碳等，各種氣體于空中 形成一朵朵的卷云，氧氣很少，因無充足的大氣層掩蔽， 整

7、個地球曝露在強(qiáng)烈的紫外線之下。 藍(lán)藻的作用：產(chǎn)生了氧氣，改變了大氣組成與特點(diǎn)，為 生物進(jìn)化及高等生命誕生起了非常重要的作用。 寒武紀(jì)生物大爆炸.flv 最初的原始生命在無氧條件下，是通過分解氨基酸、糖類 及脂肪獲取能量的（即進(jìn)行無氧呼吸），或者依靠無機(jī)氧 化物的還原獲取能量。氧氣性大氣的出現(xiàn)，導(dǎo)致了臭氧層 的形成和有氧呼吸的產(chǎn)生，這在生物進(jìn)化史上具有十分重 要的意義。 臭氧層的形成：臭氧層的出現(xiàn)，阻止了紫外線對地面的直 接輻射，保護(hù)了地球上的生命。 有氧呼吸的產(chǎn)生：在大氣層中有了氧氣以后，一些原始的 生物逐步產(chǎn)生了進(jìn)行有氧呼吸的生物類型。 真核生物：真核細(xì)胞才出現(xiàn)，之前都是厭氧的原核生物。 “

8、寒武紀(jì)生命大爆發(fā) ”可能與當(dāng)時空氣中氧氣含量的增加有 關(guān)。 （四）微藻生產(chǎn)生物制品的特點(diǎn) 利用太陽能和CO2通過光合作用生產(chǎn)有機(jī)物，生 長速度快、效率高、能耗低。 可以利用貧瘠土地、鹽堿地等極端環(huán)境。 微藻培養(yǎng)簡單，容易產(chǎn)業(yè)化。 微藻提取有效成分不需要復(fù)雜的前處理。 許多微藻可產(chǎn)生有生理活性的化合物。 營養(yǎng)價值高。 （五）微藻應(yīng)用領(lǐng)域 微藻在能源、醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化工、環(huán) 保、農(nóng)業(yè)及航天等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。 保健品、功能食品：片劑、粉劑、添加劑 水產(chǎn)養(yǎng)殖：餌料 航天：安保系統(tǒng) 轉(zhuǎn)基因藥物：可以食用 能源：生物柴油、氫 （六）三大經(jīng)濟(jì)微藻 1.螺旋藻Spirulina 存在35億年。

9、數(shù)百年前非洲一些部落就將螺旋藻制成藻餅 食用。 螺旋藻是人類迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)秀的純天然蛋白質(zhì)食 品源，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織和聯(lián)合國世界食品協(xié)會推薦為 “二十一世紀(jì)最理想的食品”。 螺旋藻在降低膽固醇和血脂，抗癌，減肥，養(yǎng)胃護(hù)胃，治 療貧血及微量元素缺乏，護(hù)肝，增進(jìn)免疫，調(diào)整代謝機(jī)能 等方面都有積極作用。 蛋白質(zhì)含量高達(dá) 6070%。魚肉的3倍，雞蛋的5倍。藻藍(lán) 蛋白能增強(qiáng)人體免疫力。 維生素及礦物質(zhì)含量極為豐富：B1、B2、B6、 B12、維生 素E、維生素K等，并含鋅、鐵、鉀、鈣、鎂、磷、硒、碘 等微量元素。類胡蘿卜素含量是胡蘿卜的1.5倍，維生素 B12含量是豬肝的4倍，鐵含量是菠菜的23

10、倍，是鐵含量最 豐富的食物。 含有大量的-亞麻酸，人體必需的不飽和脂肪酸。 螺旋藻多糖具有抗輻射損傷和改善放、化療引起 的副反應(yīng)作用，因此對腫瘤患者是食療佳品。 螺旋藻中葉綠素含量極為豐富，是普通蔬菜含量 的10倍以上。 脂肪含量只有5%，且不含膽固醇，可使人體在 補(bǔ)充必要蛋白時避免攝入過多熱量。 2.小球藻 Chlorella 一百多年前生物學(xué)家拜爾尼克（M.W.Beyernick）博士發(fā) 現(xiàn)；把希臘文Chlor(綠色)和拉丁文表示細(xì)小物質(zhì)Ella組合， 將其命名為Chlorella。因?yàn)樗闹睆街挥?8微米。形 狀呈圓球形。 營養(yǎng)全面而豐富，含有8種必需氨基酸和豐富的維生素及 鐵、鋅、鈣、

11、鉀等礦物質(zhì)。 有豐富的葉綠素，有吸附毒素的作用。 小球藻有免疫調(diào)節(jié)作用，抗氧化，清除自由基延 緩衰老； 有降血壓作用；對大腸桿菌和病毒感染，能起到抑制作 用。對預(yù)防消化性潰瘍、調(diào)節(jié)血脂、防治貧血有輔助作 用。 3.杜氏藻 Dunaliella 細(xì)胞內(nèi)常含有大量胡蘿卜素，致細(xì)胞呈橘紅色 。 環(huán)境不良時 ，細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)常為所含的血色素所 掩蓋。本屬是鹽生藻類，見于許多鹽湖、鹽池及 一些含鹽量高的水體中。 天然一胡蘿卜素不僅僅是優(yōu)良的食品天然色素， 而且具有很強(qiáng)的抗氧化作用，是多種癌細(xì)胞的良 好抑制劑。 二 微藻培養(yǎng)技術(shù) 問題1：微生物依據(jù)生長時所需的能量和營養(yǎng)物質(zhì)( 主要指碳源和供氫體)不同，可以

12、分為哪幾種類型？ 營養(yǎng)類型能源碳源氫或電子供體 光能自養(yǎng)型 光能 光能異養(yǎng)型 光能 CO2 CO2 水或還原態(tài)無機(jī)物 有機(jī)物 化能自養(yǎng)型 化學(xué)能 CO2 化能異養(yǎng)型 化學(xué)能 有機(jī)物 還原態(tài)無機(jī)物 有機(jī)物 模式能源碳源 光能自養(yǎng)光二氧化碳 混合營養(yǎng)/兼性異養(yǎng)光有機(jī)碳和二氧化碳 光能異養(yǎng)光有機(jī)碳 化能異養(yǎng)有機(jī)物有機(jī)碳 （一）微藻的營養(yǎng)模式 （二）微藻培養(yǎng)方式 1.光能自養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù) （1）敞開式培養(yǎng) 跑道池 （2）密閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng) 光生物反應(yīng)器（Photobioreactor）是設(shè)計(jì)有光源系統(tǒng)的 主體為透明材料的生物反應(yīng)器，主要用于可進(jìn)行光合作 用的微藻、植物細(xì)胞、光合細(xì)菌的培養(yǎng)。優(yōu)點(diǎn)： 培養(yǎng)

13、密度高，收獲效率也顯著提高。 培養(yǎng)條件易于控制，易于實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)，對代謝產(chǎn)物 積累有利。 無污染，可實(shí)現(xiàn)純種培養(yǎng)。 不受地域環(huán)境限制，生產(chǎn)期長。 適合于所有微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)，尤其適合于微藻代謝產(chǎn) 物產(chǎn)品的生產(chǎn)。 藻類光生物反應(yīng)器藻類光生物反應(yīng)器 密閉泵循環(huán)光生物反應(yīng)器養(yǎng)殖雨生紅球藻密閉泵循環(huán)光生物反應(yīng)器養(yǎng)殖雨生紅球藻 氣升式 光生物 反應(yīng)器 實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模光生物反應(yīng)器 戶外大規(guī)模封閉式光生物反應(yīng)器 垂直式 傾斜式 水平式 問題2：微藻密閉式光生物反應(yīng)器以什么形 狀為主？為什么？ 光程短， 利于光吸收， 減少光衰減的影響。 （三）培養(yǎng)流程 藻種培養(yǎng)液 逐級放大培養(yǎng) 大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)生長條件控制 收

14、獲 干燥 成品 視頻 http:/ 2.異養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù) 特點(diǎn)：指在無光照條件下，利用外源有機(jī)物包括 糖類、蛋白水解物、有機(jī)酸等生長。 3.混養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù) 特點(diǎn)：有光照的條件下，既利用CO2進(jìn)行光合作 用又利用外源有機(jī)物生長，培養(yǎng)。 與自養(yǎng)相比的優(yōu)點(diǎn)： 微藻生長速度快、細(xì)胞密度高。在異養(yǎng)培養(yǎng)時，微藻細(xì) 胞密度可達(dá)到或接近大腸桿菌及酵母的濃度。 從工業(yè)化角度分析，異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)更便于生產(chǎn)過程的控 制及穩(wěn)定生產(chǎn)。在封閉的生物反應(yīng)器中進(jìn)行微藻異養(yǎng)培 養(yǎng)不但可實(shí)現(xiàn)純種培養(yǎng)而且可保證生產(chǎn)的重復(fù)性和連續(xù) 性。 解除了光對微藻生長的限制，降低了微藻生產(chǎn)成本。 微藻異養(yǎng)培養(yǎng)可采用微生物培養(yǎng)中的成熟技術(shù)及設(shè)備， 易于規(guī)

15、模放大，加快微藻及其產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 （四）微藻培養(yǎng)生產(chǎn)生物制品面臨的問題 1.能大規(guī)模培養(yǎng)的微藻種類有限，三大藻為主， 有各自特點(diǎn)決定。 2.成本高：營養(yǎng)成本高、細(xì)胞濃度低、收獲成本 高。 3.深加工、高附加值產(chǎn)品少。 三 微藻培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物 應(yīng)用舉例 （一）藻類生物柴油 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動物油脂、餐飲垃圾油等為原 料油通過酯交換工藝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個左右的碳鏈組成的，植物油分子則一 般由14-18個碳鏈組成，與柴油分子中碳數(shù)相近。 一般大豆的含油量在20%左右，花生油、芝麻等在

16、40%左 右，而微藻的含油量最高能達(dá)到60%，至少是大豆的3倍。 藻：每公頃16837升（每英畝1800加侖）（估計(jì)數(shù)據(jù)） 麻：每公頃9354升（每英畝1000加侖） 烏桕：每公頃4705-9073升（每英畝503-970加侖） 棕櫚油：每公頃4752升（每英畝508加侖） 椰子：每公頃2151升（每英畝230加侖） 油菜籽：每公頃954升（每英畝102加侖） 微藻不爭地、不爭糧食；微藻煉油還能固廢減排， 大豆：每公頃554-922升（每英畝59.2-98.6加侖） 花生：每公頃842升（每英畝90加侖） 向日葵：每公頃767升（每英畝82加侖） 例如可以用廢水、廢氣養(yǎng)殖等 油脂的主要成分是甘

17、油和三個脂肪酸組成的三酰甘油酯。 目前生物柴油主要是用化學(xué)法生產(chǎn)，在酸或者堿性催化劑 和高溫(230-250)下進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪 酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油?？僧a(chǎn)生副產(chǎn) 品甘油。 脂肪酸甘油三酯 文獻(xiàn)討論1 原始小球藻(Chlorella protothecoides) 微量元素溶液A5組 成 成分 H3BO3 g/L 2.860 MnCl24H2O1.810 微量元素溶液B6組成 ZnSO47H2O0.222 CuSO45H2O0.079 MoO3 0.015 成分 NH4VO3 g/L 22.96 KCr(SO4)212H2O192.00 NiSO46H2O44.

18、80 Na2WO42H2O17.94 TiOSO4H2SO48H2O61.10 Co(NO3)26H2O43.98 （二）杜氏藻培養(yǎng)生產(chǎn)-胡蘿卜素 1910年在胡蘿卜中發(fā)現(xiàn)了-胡蘿卜素，屬于類胡蘿卜素 （carotenoid）。 1.醫(yī)藥用途：-胡蘿卜素、-胡蘿卜素等在動物體內(nèi)變?yōu)?視黃醇（維生素A）和視黃醛（維生素A醛），與視覺有關(guān)。 -胡蘿卜素在肝臟中加2分子水，斷裂為兩個分子的維生素 A1（全反式維生素A），不同的胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A的有 效率并不一致，其中以-胡蘿卜素的活性最高。缺維生素A 導(dǎo)致夜盲癥。 -胡蘿卜素具有抗氧化、抗腫瘤、抗衰老、增強(qiáng)免疫力等作 用，如對艾滋病患者可提高免疫力。 -胡蘿卜素結(jié)構(gòu)： -胡蘿卜素結(jié)構(gòu)： 2.食品添加劑 -胡蘿卜素是重要的色素，是聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi) 生組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會認(rèn)定的A類優(yōu)秀有營養(yǎng) 的食品添加劑（food additives）。 3.日用化妝品 - -胡蘿卜素的提取物含豐富的氨基酸、維生素、天然保 濕因子、微量元素和其它生物活性物質(zhì)，在日用化妝品 （唇膏、胭脂等）中添加 胡蘿卜素，色澤豐滿自