微藻油脂生产的现状和发展

刘文卓郑穗平刘文红苏伟全

（1.广州市医药职业学校实训中心 广东广州 510430；2.华南理工大学 生物科学与工程学院 广东广州 510006；3.广州中医药大学第一临床医学院 广东广州 510407； 4.广汽丰田发动机有限公司 广东广州 511445）

微藻油脂生产的现状和发展

刘文卓1郑穗平2刘文红3苏伟全4

（1.广州市医药职业学校实训中心 广东广州 510430；2.华南理工大学 生物科学与工程学院 广东广州 510006；3.广州中医药大学第一临床医学院 广东广州 510407； 4.广汽丰田发动机有限公司 广东广州 511445）

随着社会生产力的提高，对油脂在“用”和“吃”的方面的需求也越大。如何获取更高产和更优质的油脂是各国研究人员都在思考和探讨的问题。本文探讨和归纳总结了国内外微藻生产油脂的菌种特点、培养方法及油脂提取加工等最新研究成果及其优缺点。

微藻 藻油 油脂生产 现状 发展

1 前言

随着人民生活水平越来越高,对油脂的需求也越来越大。这种需求主要表现在食用油和对燃料油方面上。在人们的印象中,油脂生产似乎和微生物联系不起来。以前微生物多用在油脂污染的区域“吞噬油污”,降低污染。但据报导［1］越来越多科学家研究得出：微生物中不仅含油量较高、且有易于繁殖和培养时间短的特点,生产效率是其他生物都无法比拟的。

2 微藻产油的特点

如本文作者根据LinJ等研究的数据［2-7］归纳并作常见油脂微生物及其油脂总含量图1-1。

在图1-1中可直观看出,微生物油脂至少占干重的1/5,甚至有的高达87%。因此,从一些较高油脂的微生物中进行有目的培养和改造,使之产油率更高、更符合工业生产等问题,这些问题有较高的研究和开发利用价值。

在微生物中,有一类生物被称为“微藻”。它们通常生活在水中,体内有叶绿素,可光合作用,属于自养型。微藻制油利用二氧化碳等为原料,通过光合作用生成糖及蛋白质等有机物,再经诱导代谢合成油脂。据研究,微藻成长时捕获的二氧化碳为自身重量的1.83倍以上。可以大量吸收自然界的二氧化碳,解决碳的合理循环问题。

图1-1 常见产油微生物及含油量图Fig.1-1 Common Oil producing microbes and fat content of microorganisms map

图1-2 同样种植面积的各种油料植物出油率比Fig.1-2 The proportion of oil yield per hectare of various oil plants

图1-3 某些藻类含油率图Fig.1-3 Some algae oil content

图1-4 跑道池图Fig.1-4 Runway pool diagram

图1-5 光生物反应器图Fig.1-5 Photo biological reactor

表1-1 微藻分类表Table 1-1 microalgae classification

表1-2 大规模藻培养类优缺点比较Table1-2 Comparison of the advantages and disadvantages of large scale algae cultivation

微藻主要分为4类［8］,如表,表1-1。

微藻的含油量高,理论上［9］微藻产油量每公顷每年可达250吨。

如图,图1-2。此图比较了相同种植面积的各种油料作物的理论出油率比。可见微藻产油率远远高于其他产油经济作物,如棕榈、花生及大豆等。微藻生长的地理环境主要在水中,传统的粮食、棉麻及油料作物用地不冲突。

微藻的含油主要是细胞膜和其他物质代谢及转化成脂类后以脂肪形式存在,有的微藻脂肪酸含量可超过细胞干重的75%。不同种类微藻含油量差异较大；有的即使同种微藻但分属不同也有差别。作者某些归纳藻类［10］含油量的数据后得图,如图1-2。

3 微藻越来越引起关注

与微藻相比,异养型微生物无需光照,但培养过程也有需要耗废较多的碳源、氮源等成本较高的物质［11］。正因为微藻含油率高、培养快,无需额外添加高成本的原料的特点。引起了愈来愈多国家的重视。

美国（2007年）甚至开始了类似当年原子弹研制的微藻制油的“微型曼哈顿计划”；英国2008年启动了规模最大的藻类生物燃料项目等。我国也开始重视这方面的研究,如973计划也开始立项如何大规模培养藻类转化为能源。它是粮食发酵（第一代）、纤维素转化（第二代）制备燃料后的第三代能源获得途径［12］。解决了口粮争地、发酵效率低成本高的第一二代燃料原料问题。研究证明,藻油可以比较容易经催化转为生物柴油,甚至可运用于航空方面,比传统石化燃料污染更少。

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

4 微藻培养的瓶颈及对策

目前影响微藻制油的瓶颈为如何获得高产藻类、如何大规模培养高产微藻及如何降低提取藻油的成本方面。

4.1 高产藻种的获得

在藻种培养方面,可通过通过藻种选育、转基因、遗传育种等技术提高藻的产油率。如我国清华大学、暨南大学及山东海洋工程研究院等多所院所也筛选出含油量较高,比较易培养的微藻。其含油量可达68%以上。

微藻生长速度如何加快也是值得考虑的问题。如徐进等［13］筛选出淡水小球藻Chlorella sp. NMX37N,生长速度快,常温下增长速率快,可达0.53倍/天；两步法培养40天后,总脂量为干重的33%。

4.2 高产培养方法及优缺点

微藻的生产离不开营养物质、光照、温度、酸碱度、二氧化碳及渗透压等条件。适当的条件可有利于藻类的生长及产油。

微藻大规模培养设备的设计也要兼顾这些因素。有光照的要求,通常的微生物培养法并不适用。目前［14］用的比较多的有跑道池及管状生物反应器。

跑道池［15］故名思议,就是使用混凝土（甚至泥土）,做成一圈封闭的跑道状（环状）的水池。考虑到藻类植物的需光性和产能关系,一般深度约30cm。使用搅拌浆搅动跑道内的培养液,完成物质和气体交换。如图［16］,图1-4。

微藻生长需要光照,培养要用到一些特殊的透光设施。可以透光又具有一定强度、硬度及抗脆碎度要求的材料不多,也是微藻大规模培养的瓶颈之一。

跑道池和光反应器优缺点比较如表,表1-2。

为了减低成本,有人利用一些含碳氮量高的废水,如城市废水［18］及动物养殖场甚至公厕的粪便等［19］来生产微藻,获取油脂。同时可以达到净化水质、降低水有机物含量的环保目的,同时又获得工业用油。当然,目前这种方法产率还需提高。

4.3 高附值产品的生产

基于现在还存在培养和提取的困难。微藻在高附加值的产品,如药品和保健食品生产中应用较多。有许多国际大公司已经［20］通过培养、遗传育种等技术,在自然的条件培养出的微藻提取出DHA和EPA。也有从球红藻中提取“虾青素”等物质。

现在可根据不同藻类的DHA和EPA含量不同,选择替代价格昂贵、胆固醇含量高且腥味重的鱼油原料,生产DHA、EPA或其混合物。目前许多药用和保健品使用的DHA原料多为藻产的DHA。

DHA逐渐被应用在食品添加剂中。如［21］等研究了面包、蛋糕中添加了DHA,发现其风味、烤制方法都无较大变化,可作为营养剂和油脂添加。

随着DHA对人体的益处逐渐被认识和微藻培养瓶颈的逐步突破,DHA产量会越来越多、需求也会越来越大,应用前景广阔。

5 微藻油提取的方法研究概况

如何高效提取微藻体内的油脂也是急需解决的问题。目前多数采用相似相溶的原理来提取微藻体内的油脂。总的说来,其提取过程较为复杂,由于有相的变化,其能耗较多。主要有使用索氏原理的方法反复抽提体内脂肪的索氏法、以特殊的超临界物质的性质进行的临界萃取法、破壁有机溶剂研磨法及超声波振匀抽提法等。据报导,干法能提取包括细胞膜在内的油脂,其比湿法提取只能提取胞内现成油脂的提取率要高得多。

也有研究“直接热裂法”制油——微藻在适合的催化剂（如碳酸钠、分子筛催化剂中添加介孔物质等物质）催化下受热分解,得到类似生物油的产品,其含水率超过15%、含碳量低于75%,氢碳比低、含氧量高的一种类似原油的混合粘液。优点是生产产量高、速度快。缺点是产物在空气中极易被氧化、酸值高、腐蚀金属和不易与油混合。目前应用受限制。在实际应用中还需要进一步加氢脱氧、脱酸、降低粘度及提高溶解度等处理,后续处理手续显得繁琐复杂。

6 微藻油的安全性研究

有分析得出［22］许多微生物在体内的产油过程类似于动植物。由乙酰辅酶a经不断羧化、延长碳链、去饱和等生化途径合成油脂。有人把这些生物油脂拿去化验,得出［23］的油酯结构与其他动植物油,如花生、棕榈、葵花、菜油等油脂具有类似的结构。也进一步论证了微生物产油的安全性与可能性。

在国外［24］有科学家从“布加奇湖”的湖底里捞出淤泥直接晒干,提取得到1%的油脂。这种方法含油量低,但是淤泥多,如果大规模开采成本可能也划算。

总的来说,微藻制油具有成本低、产量高的特点,目前主要应用在高附加值的产品的生产中。当突破大规模培养和降低提取成本后。微藻必将成为一种重要的能量和食物来源。

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