微藻油脂提取技術(shù)進展

微藻油脂提取技術(shù)進展

微藻是一種水生光譜自養(yǎng)微生物。利用光能，以b2和b2o為基礎(chǔ)，對細胞進行生長，并將其合成成大量蛋白質(zhì)、酯、色素、茶多酚和其他物質(zhì)。微藻蛋白質(zhì)在食品、醫(yī)藥、飼料等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值;而其甘油三酯,不但可作為重要營養(yǎng)保健品,且可作為生物能源(生物柴油)重要油料來源。微藻油脂提取一直是微藻生物能源產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)。由于微藻細胞較小、且具細胞壁結(jié)構(gòu),油脂都包裹在微藻細胞內(nèi),因此采用細胞破壁后進行提取是目前利用微藻生產(chǎn)生物能源所需油脂一個難點[2~3]。目前國內(nèi)外微藻油脂破壁提取技術(shù)主要包括:機械超微粉碎破壁技術(shù)、熱化學破壁提取技術(shù)、超臨界流體提取技術(shù)、亞臨界流體提取技術(shù)、超聲、微波輔助提取法、脈沖電磁場法等。本文就國內(nèi)外微藻油脂提取技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行闡述。1粉碎方法的選擇超微粉碎通過對物料進行沖擊、碰撞、剪切、研磨、分散等手段而實現(xiàn)。傳統(tǒng)擠壓粉碎方法不能用于超微粉碎,否則會產(chǎn)生造粒效果。選擇粉碎方法時,應(yīng)根據(jù)粉碎物料性質(zhì)和所要求粉碎比而定,尤其是被粉碎物料物理和化學性能具有很大決定作用,其中以物料硬度和破裂性居首要條件。對于堅硬和脆性物料,沖擊很有效;而對植物物料用研磨和剪切方法則較好[4~5]。實際上,任何一種粉碎機器都不是單純某一種粉碎機理,一般都是由兩種或兩種以上粉碎機理相結(jié)合進行粉碎,如氣流粉碎機是以物料相互沖擊和碰撞進行粉碎。1.1粉碎特性的選擇氣流粉碎機是以壓縮空氣或過熱蒸汽通過噴嘴產(chǎn)生超音速高湍流氣流作為顆粒載體,使顆粒與顆粒之間或顆粒與固定板之間發(fā)生沖擊性擠壓、摩擦和剪切等作用,從而達到粉碎目的。與普通機械沖擊式超微粉碎機相比,氣流粉碎機可將產(chǎn)品粉碎得很細、粒度分布范圍更窄、即粒度更均勻;又因氣體在噴嘴處膨脹可降溫,粉碎過程沒伴生熱量,所以粉碎溫升很低,這一特性適于低熔點和熱敏性物料超微粉碎特別重要。劉建國等研究表明,干法微藻藻粉細胞破壁可采用超聲速氣流超微粉碎方法。微藻干物料在壓縮氣體作用下,隨超聲速氣流沿切線方向進入圓柱形腔體工作區(qū),在氣體噴射加速作用下,干物料顆粒環(huán)繞腔體進行螺旋加速運動,最終達到3倍以上超音速,不同速度粒子發(fā)生劇烈碰撞,產(chǎn)生粉碎效果,實現(xiàn)微藻細胞破碎。1.2微藻細胞珠磨工藝的污染高速珠磨機是一種細碎設(shè)備,其罐體由不銹鋼或陶瓷材料制成,內(nèi)裝一定數(shù)量鋼球或瓷球。工作時罐體中磨介珠高速振蕩運動,微藻與研磨介質(zhì)振蕩導致微藻細胞破碎,細胞破碎程度主要取決于生物質(zhì)與磨介珠間相互作用力。珠磨工藝通常與溶劑提取聯(lián)合使用,且當微藻細胞濃度含量很高、目標物質(zhì)在破壁提取能很容易分離情況時,珠磨工藝最高效、最經(jīng)濟。在實際應(yīng)用中,經(jīng)常與一些前處理技術(shù)聯(lián)用,例如酸堿、生物酶處理等。由于珠磨工藝相對封閉,因此其導致外源性污染很小;同時也保持微藻細胞中化學物質(zhì)完整性。1.3球磨機的性能要求振動磨是用彈簧支撐磨機體,由帶有偏心塊主軸使其振動,運轉(zhuǎn)時通過介質(zhì)與物料一起振動,將物料進行粉碎。其特點是介質(zhì)填充率高,單位時間內(nèi)作用次數(shù)高(沖擊次數(shù)為球磨機4~5倍),因而其效率比普通球磨機高10~20倍,而能耗低數(shù)倍[7~8]。通過調(diào)節(jié)振動振幅、振動頻率、介質(zhì)類型,振動磨產(chǎn)品平均粒徑可達2~3μm以下。近年通過實踐,振動磨日益受到重視,原因是振動磨對某些物料產(chǎn)品粒度可達亞微米級,同時有較強機械化學效應(yīng);且結(jié)構(gòu)簡單、能耗較低、磨粉效率高、易于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。2微藻細胞破壁提取系統(tǒng)熱化學破壁提取技術(shù)是通過控制微藻破壁體系中溫度和壓力,實現(xiàn)微藻細胞破壁提取;常見熱化學破壁方式包括:濕熱破壁法、蒸汽爆破法、擠壓膨化法等。2.1微藻油脂、蛋白質(zhì)的分離濕熱破壁法是通過加熱微藻溶液實現(xiàn)微藻細胞破碎、然后進行微藻油脂提取。據(jù)劉天中專利介紹,以濕藻泥為原料,調(diào)節(jié)pH值為堿性或弱堿性,通蒸汽進行微藻細胞破壁、油脂及蛋白質(zhì)溶出,蒸汽破壁溫度維持在110℃~140℃、時間為3~30min,使微藻細胞油脂與蛋白質(zhì)溶出,得微藻溶漿;進行分離即可得微藻油脂和蛋白質(zhì)。該專利報道由高壓蒸汽破壁、水劑法溶出油脂與蛋白質(zhì)和旋液分離等單元技術(shù)組成工藝,系將培養(yǎng)收集濕藻泥或干藻粉配成堿性或弱堿性溶液,通入飽和水蒸氣使微藻細胞內(nèi)水分高溫汽化,同時堿性環(huán)境有助于微藻細胞壁和細胞內(nèi)部蛋白質(zhì)快速溶解,導致細胞壁破壞和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)解體,從而使微藻油脂逸出和蛋白質(zhì)溶解。2.2物料內(nèi)蒸汽閃蒸法蒸汽爆破技術(shù)最早用于紙漿生產(chǎn),現(xiàn)正廣泛用于生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換預(yù)處理技術(shù)。其主要工作機理是將原料置于高溫、高壓環(huán)境下,原料被過熱液體潤脹,孔隙中充滿蒸汽,當瞬間解除高壓時,原料孔隙中過熱液體迅速氣化,體積急劇膨脹而使細胞“爆破”。物料內(nèi)汽相介質(zhì)噴出,瞬間急速膨脹,同時物料內(nèi)高壓液態(tài)水迅速暴沸形成閃蒸,對外做功,使物料從胞間層解離成單個纖維細胞,實現(xiàn)微藻細胞破壁,進而提取微藻油脂[10~11]。陳洪章等將海藻置于汽爆罐中,通入飽和蒸汽,至溫度達80℃~100℃、維持1~8min,然后通入高壓空氣,至壓力達到0.8~1.5MPa時,瞬間減壓釋放,得到破壁藻粉。2.3擠壓膨化機油料擠壓膨化即利用擠壓膨化設(shè)備將經(jīng)破碎、軋胚或整粒油料轉(zhuǎn)變成多孔膨化物料過程。由于膨化作用使溶劑滲入油料細胞和油脂從細胞中浸出都更為容易,提高浸出和脫溶效率。適度膨化還增加物料容重(與生料胚相比),因而提高浸出設(shè)備處理能力;同時油料在擠壓膨化機內(nèi)存留時間較短,對保護原料品質(zhì)極為有利。張栩等將收集濕菌泥,干燥調(diào)質(zhì)后,利用擠壓膨化機進行擠壓、膨化,然后浸提微生物油脂。采用螺桿擠壓膨化機擠壓膨化工藝,操作條件:加熱蒸汽壓力為0.6~0.8Mpa、擠壓膨化溫度為110℃~145℃、膨化系數(shù)為1.2~1.4,停留時間為10~30s。3化學法和酶法提取油油3.1微藻油脂逸出與蛋白質(zhì)溶解利用化學法原理為:主要是利用化學酸堿物質(zhì)對細胞壁中糖及蛋白質(zhì)等成分進行溶解,使原來結(jié)構(gòu)緊密細胞壁變得疏松,導致細胞壁破壞和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)解體,從而使微藻油脂逸出和蛋白質(zhì)溶解。李植峰等采用酸熱法,按每克菌6ml比例加入4mol/L鹽酸,振蕩混勻,室溫放置30min后,沸水浴3min,–20℃速冷,加入2倍體積氯仿∶甲醇(1∶1)提取液,充分振蕩、離心后,取氯仿層;加等體積0.1%氯化鈉溶液,混勻離心取氯仿層,揮發(fā)除去氯仿即得油脂。油脂得率為7.76%,得率與超臨界CO2提取效果相當。3.2海藻細胞提取二碳六烯酸油微藻酶法提取油脂工藝是以生物酶法為手段破壞、降解微藻細胞壁,使其中油脂得以釋放。操作時一般先利用酸堿調(diào)節(jié)適當pH值,然后加入酶液對細胞壁進行處理,使包裹油脂的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)降解、細胞壁破裂、油脂游離出,然后再經(jīng)固液分離,實現(xiàn)油脂與固體物料分離。過群將寇氏隱甲藻連續(xù)培養(yǎng)得到海藻細胞,然后通過生物酶法破壁從海藻細胞中提取富含二十二碳六烯酸油,破壁率為95%。加入酶分為主體酶和輔助酶,主體酶為堿性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶;輔助酶為胰蛋白酶、糜蛋白酶、纖維素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶;主體酶用量為發(fā)酵液重量0.12%~0.5%,輔助酶用量為發(fā)酵液重量0%~0.025%。于溫度50℃~70℃、保溫攪拌3~9小時,加入95%乙醇,乙醇用量為發(fā)酵液30%~150%,加入有機溶劑萃取得含二十二碳六烯酸毛油。4超聲波和微波輔助提取技術(shù)4.1細胞破碎率及抗菌活性超聲波提取基本原理是應(yīng)用超聲波強化提取待提取物有效成分,是一種物理破碎過程。超聲波對媒質(zhì)主要產(chǎn)生獨特機械振動和空化作用。當超聲波振動時能產(chǎn)生并傳播強大能量,引起媒質(zhì)質(zhì)點以快速度和加速度進入振動狀態(tài),使媒質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,促使有限成分進入溶劑中;同時在液體中還會發(fā)生空化作用,即在有相當大破壞應(yīng)力作用下,液體內(nèi)部形成空化泡現(xiàn)象。另外,超聲波許多次級效應(yīng)如加熱、乳化、擴散、擊碎、化學、生物、絮凝效應(yīng)等也能加速待提取物有效成分在溶劑中擴散稀釋,促進其有效成分充分與溶劑混合,有利于提取。王雪青等采用反復(fù)凍融和超聲波破碎法破碎17種微藻細胞,通過細胞破碎率和抗菌活性檢測破碎效果,以選擇適合不同微藻破碎方法,利于細胞內(nèi)活性物質(zhì)提取。細胞破碎結(jié)果顯示,經(jīng)12min超聲波處理,所有實驗藻種破碎率均在90%以上,特別是扁藻、角毛藻及球等鞭金藻和甲藻,僅處理3min,破碎率達99%以上。適于超聲波法、反復(fù)凍融法破碎細胞,經(jīng)2次凍融,10種微藻破碎率95%以上,4種為60%~80%,3種小于40%。對此三種藻(分別是扁藻,小球藻和紫球藻)破碎應(yīng)選擇超聲波或組合法。4.2微波萃取細胞微波萃取機理可分兩方面:一方面微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì),到達物料內(nèi)部;由于吸收微波能,細胞內(nèi)部溫度迅速上升,使其細胞內(nèi)部壓力超過細胞壁膨脹承受能力,細胞破裂。另一方面,微波所產(chǎn)生電磁場加速被萃取部分成分向萃取溶劑界面擴散速率,從而使萃取速率提高數(shù)倍;同時還降低萃取溫度,最大限度保證萃取質(zhì)量。符嫦娥等研究表明,微波可從綠藻中萃取花生四烯酸,采用混合溶劑時,控制輻射時間為80s、微波功率為750W、溶劑用量為200ml,最高提取率為88.1%;提取液經(jīng)濃縮后可得含多不飽和脂肪酸27.68%粗產(chǎn)物。5超臨界二氧化碳萃取超臨界CO2流體萃取(SFE)分離過程原理是利用超臨界流體溶解能力與其密度關(guān)系,即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力影響而進行的。在超臨界狀態(tài)下,將超臨界流體與待分離物質(zhì)接觸,使其有選擇性將極性大小、沸點高低和分子量大小成分依次萃取出[21~22]。龔春暉等以發(fā)酵產(chǎn)生滅活微生物菌體為原料,采用超臨界二氧化碳萃取方法,先萃取后進行解析得微生物油脂或采用超臨界二氧化碳萃取并通過在萃取過程中實施一次或多次壓力突變方法,提取其中微生物油脂。其中萃取壓力為8~30Mpa、萃取溫度為32℃~70℃、實施壓力突變萃取時間為2~4小時、達到萃取壓力后總萃取時間為3~8小時;解析壓力為6~13Mpa,解析溫度為25℃~70℃。6新型萃取與分離技術(shù)亞臨界流體萃取是利用亞臨界流體作為萃取劑,在密閉、無氧、低壓壓力容器內(nèi),依據(jù)有機物相似相溶原理,通過萃取物料與萃取劑在浸泡過程中分子擴散過程,達到固體物料中脂溶性成分轉(zhuǎn)移到液態(tài)萃取劑中,再通過減壓蒸發(fā)將萃取劑與目的產(chǎn)物分離,最終得到目的產(chǎn)物一種新型萃取與分離技術(shù)[24~25]。6.1dme萃取法日本電力工業(yè)中央研究院(CRIEPI)能量工程研究實驗室科研人員于2010年6月宣布,已開發(fā)一種較簡單、并有望成為更高效、且耗用很少能量工藝。該工藝利用液體二甲醚(DME)獨特性質(zhì),即其在油中與(較少量)水中具有溶混性。液體二甲醚(DME)通過含有微藻淤漿塔中,在室溫和0.5MPa壓力下連續(xù)進行循環(huán),經(jīng)約10分鐘后,油就被DME萃取;然后將含油DME從水中被分出,通過降壓,DME可蒸發(fā)回收而得油。經(jīng)實驗室試驗證明,以藍綠藻為原料,DME萃取法比傳統(tǒng)方法萃取油效率高出60倍。產(chǎn)品為“綠色”毛油,分子量為200~400,熱值為10950cal/g(低于干木料)。研究人員正用其它藻類進一步優(yōu)化該萃取過程,并計劃與商業(yè)合作伙伴將該工藝放大。6.2提取條件優(yōu)化陳閩等采用亞臨界乙醇技術(shù)從微擬球藻(Nannochloropsissp.)濕藻中提取油脂,研究影響提取效果工藝參數(shù)包括:水分含量、溶劑(體積)與藻(干重)比例、提取溫度、壓力和提取時間。研究結(jié)果顯示,水分含量、溶劑(體積)與藻(干重)比例和提取溫度對提取率有顯著影響,而提取時間和壓力對提取效率影響不顯著。最優(yōu)化提取條件為:水分含量10%、溶劑與藻粉比40∶1、提取溫度135℃、壓力1.5Mpa、提取時間50min,提取率可達90.21%。由于乙醇價格便宜、使用安全、并易于回收,因此采用亞臨界乙醇技術(shù)從濕藻中提取油脂效率高,且較為經(jīng)濟。另外,陳閩等[28~29],仍以微擬球藻濕藻泥為原料,研究亞臨界乙醇、亞臨界乙醇―正己烷共溶劑及硫酸輔助亞臨界乙醇―正己烷共溶劑三種萃取體系對提取微藻油脂影響。結(jié)果表明,亞臨界乙醇―正己烷比亞臨界乙醇對濕藻細胞具有更高取油率、溶劑用量低,且加入少量硫酸可進一步提高油脂提取率、降低溶劑用量。對微擬球藻濕藻泥(含水約70%)優(yōu)化提取油脂條件為:正己烷/乙醇體積比3∶1,液固比(溶劑/藻細胞干重)7ml/g,加入藻細胞干重6%硫酸、1.5MPa、90℃萃取30min,在此條件下油脂提取率可達90%以上。三種萃取體系獲得微藻油脂均以甘油三酯為主,脂肪酸主要為C16∶0、C18∶1和C16∶1酸,其中硫酸輔助亞臨界共溶劑萃取微藻油脂中甘油三酯含量最高,約占總脂質(zhì)86%以上。7微藻細胞的檢測脈沖電磁場提取技術(shù)原理主要表現(xiàn)在兩方面[30~31]:一是場作用。電磁場可對生命體中大部分極性分子施加影響,還可使細胞膜產(chǎn)生不可修復(fù)破裂;同時在細胞膜上產(chǎn)生震蕩效應(yīng),從而達到殺滅細胞目的。二是電離作用。在外加電磁場作用下,物料空間內(nèi)帶電粒子將產(chǎn)生高速運動,撞擊食品分子,使之分解,產(chǎn)生陰、陽離子;同時電解質(zhì)電解出陰、陽離子,這些離子在強電磁場作用下,穿過已提高通透性細胞膜,與微生物內(nèi)生命物質(zhì)作用,從而阻斷細胞內(nèi)正常生化反應(yīng)和新陳代謝進行,且電磁場會使水分子氫氧鍵斷裂,在水中生成過量超氧陰離子自由基、過氧化氫和自由質(zhì)子,這些物質(zhì)都會破壞生物分子DNA。如OriginOil一步法藻油提取技術(shù)[32~33],采用OriginOil公司QuantumFracturing技術(shù)將電磁與pH值調(diào)節(jié)組合在一起,使海藻細胞壁破裂,從而使細胞中油釋放出,海藻油上浮到頂部利于撇出和精制,而剩余生物質(zhì)沉淀到底部,利于進一步加工用作燃料和其它有價值產(chǎn)品。采用單一步驟萃取使油從生物質(zhì)中分離出,而無需脫水或干燥,對于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn),可減少能量高達90%,總能量成本可抵達200美元/t海藻油。美國DiversifiedTechnologies公司于2011年2月宣布,其新開發(fā)脈沖電場(PEF)預(yù)處理技術(shù)有助于從微藻細胞萃取油。脈沖模塊采用電脈沖強度為10~30kV/cm,典型采用時間為2~20μs。采用可放大脈沖電場(PEF)方法可望大大降低從微藻細胞萃取生物柴油原料成本。據(jù)Diversified技術(shù)公司計算,PEF預(yù)處理方法可生產(chǎn)價格約為0.10美元/加侖微藻衍生燃料,這一價格大大低于采用常規(guī)干燥和溶劑提取所需1.75美元/加侖價格。8其他方法8.1作閥的高壓作用高壓均質(zhì)機以高壓往復(fù)泵為動力傳遞及物料輸送機構(gòu),將物料輸送至工作閥(一級均質(zhì)閥及二級乳化閥)部分。要處理物料在通過工作閥過程中,經(jīng)高壓下產(chǎn)生強烈剪切、撞擊和空穴作用,從而使液態(tài)物質(zhì)或以液體為載體的固體顆粒得到超微細化。劉建國等對濕法微藻藻泥細胞破壁采用高壓均質(zhì)方法,首先對濕藻料施以400巴以上高壓,然后再讓濕物料瞬間失去壓力到常壓狀態(tài),失壓微藻物料以3倍以上音速快速噴出