微藻：未来保健品、医药品及化工原料的重要来源

1.微藻的特点

微藻是指那些在显微镜下才能辨别其形态的微型藻类，它们是水体生态系统中的主要初级生产者。和陆地微生物相比，微藻具有如下特点：

（1）微藻具有叶绿体等光合细胞器，能够十分有效地利用太阳能，通过光合作用将H2O、CO2与无机盐转化为有机物。因其固定CO2，可有助于温室效应。

（2）微藻的繁殖一般为简单的分裂式繁殖，细胞周期比较短，易于进行大规模培养。

（3）可用海水、碱水或者半碱水培养微藻，是淡水资源短缺、土地贫瘠地区获得有效生物资源的重要途径。

（4）微藻富含碳水化合物、蛋白质和脂肪，某些种类还富含油料，以及微量元素等无机盐，是人类未来重要的食品与油料的资源。

（5）微藻，特别是海洋微藻，由于其独特的生活环境，能合成许多结构与生理功能独特的生物活性物质。特别是经一定的诱导手段，微藻可高浓度地合成这些具有商业化生产价值的物质，是人类未来保健品、医药品与化工原料的重要来源。

2.化学组成

微藻的平均蛋白含量与常见的高蛋白含量植物相同，有的甚至优于高蛋白植物。微藻细胞可合成氨基酸，可为人类及动物提供必需氨基酸。然而，微藻蛋白质的营养价值和氨基酸的可利用度还有待研究。微藻中的糖类多为淀粉、蔗糖和其他形式的多糖，它们的消化性极好，因此微藻在食物与饲料中广泛使用。

微藻含有的维生素种类全面，如A、B1、B2、B3、B6、B12、C、E、H、叶酸和泛酸，它们的含量因环境因素而异。微藻中可作为食用色素的成分也很丰富，如叶绿素、类胡萝卜素及藻胆蛋白等，这些物质都有很好的商业利用价值。所以，微藻可作为人类及动物的营养来源，但在商业化之前必须进行无毒检测，包括对生物毒素及重金属化合物的检测，以确保它们对人体及动物无害。

3.微藻的生物活性物质

地球上有几十万种微藻，它们中存在着丰富且结构独特的有机物，这些物质具有不同的生物活性，其中重要的生物活性物质有以下几类：

（1）抗生素类化合物。许多微藻能产生对其他微藻、细菌、真菌、病毒和原生动物有毒性作用的化合物。这些化合物大多是脂肪酸、有机酸、溴酚等酚类抑制剂、类萜、丹宁、多糖和醇类。自1944年Pratt等人从小球藻中分离得到有抗菌功能的球藻素以来，人们相继从马汉母赭胞藻、裼囊藻、固着列金藻、日本星杆藻、念珠藻和霍氏双歧藻等多种微藻中分离得到抗生素类化合物，正深入研究，试图从中开发新型高效的抗生素药类。

（2）毒素。人类很早就认识到某些藻类对人与动物有毒害作用。鱼类或贝类体内的毒素一般是来自其体内的共生藻类，或吞食含毒素的藻类而使毒素在体内积累，可见微藻是毒素的初始生产者。人们已从节球藻中分离出一种肝脏毒素（节球藻素），从微囊藻中分离出6种结构相似的环七肽肝脏毒素（微囊藻素）。另外，多种微藻毒素如鱼腥藻的鱼腥藻素A、束丝藻的石房蛤毒素、鞘丝藻的海兔毒素和鞘丝藻素A、颤藻的毒素等，也已被分离纯化。由于微藻毒素能导致人与动物中毒，同时某些毒素有良好的药用价值，并且可作为分子生物学研究的工具，因此引起了国内外学者的广泛重视。(www.xing528.com)

（3）PUFA。EPA与DHA等PUFA具有独特的生理功能，有预防与治疗心血管疾病、癌症，调节中枢神经与视觉系统的作用，可促进人体免疫机能调节，防止记忆力减退。DHA有“脑黄金”之称，EPA与DHA还是鱼虾类幼体的必需脂肪酸，在饵料中适当添加这些物质，可以提高其生长速度与存活率。传统的EPA与DHA主要来源于深海鱼油，生产成本高，提取工艺复杂，且受季节与鱼产量的限制，鱼油资源已不能满足不断增长的市场需求。鱼类本身并不能从头合成PUFA，它们是通过吞食富含PUFA的藻类，或通过“海洋微藻—浮游动物—鱼”的食物链，实现体内PUFA的积累，所以微藻才是PUFA原始的生产者。海洋微藻藻体中PUFA的含量高于鱼油中的含量，在某些藻体内PUFA含量高达细胞干重的5%～6%。利用微藻提取PUFA工艺简单，不含胆固醇成分，不带腥味。海洋微藻能够快速生长繁殖，自身合成且富集高浓度的PUFA，具有大规模生产PUFA的潜力，是提取EPA与DHA的廉价生物资源。

20世纪80年代初期，已开始利用微藻生产PUFA。人们对微藻中的脂肪酸组成进行分析，对富含PUFA的藻种进行筛选，对影响微藻PUFA积累的理化条件（温度、光照、pH、溶氧量、盐度、氮源浓度、磷源浓度、NaCl浓度、二氧化碳浓度、微量元素等）进行深入探讨，并确定了不少微藻高产PUFA的最佳培养方式与培养条件。双鞭甲藻中DHA的含量特别高，其中有3个种所含DHA达到30%以上。光密度对海洋微藻体内脂肪含量的影响和微藻种类有关。随着光照强度增强，海洋微藻中饱和脂肪酸与一烯酸的总含量升高，而PUFA含量下降。光强度增强，脂肪酸组成中EPA含量下降，而对DHA的含量影响不大，脂肪酸组成种类与组成中的主要脂肪酸不变。国际上已有 Omega Tech、Martek、Nilssin Oilssin oilMills等公司利用微藻培养生产EPA和DHA。Martek公司以Nitzschia alba作为EPA的生产藻种，Nilssin Oilssin oilMills公司以Crythecodinium cohnii作为DHA的生产藻种。我国也有利用球等鞭金藻（Isochrysis galbana）和紫球藻（Porphyridium sp.）生产EPA和DHA的研究。国际上对ω-3 PUFA保健食品的开发非常重视，市场上销售的DHA保健营养品有很多种，DHA婴儿奶粉、DHA保健胶囊、DHA饮料等已相继诞生。日本早在20世纪90年代初就正式批准EPA用于治疗心血管疾病。中国科学院海洋研究所也研制出富含EPA和DHA的海洋微藻胶囊（片）。

（4）微藻色素。从微藻中提取的色素主要有β-胡萝卜素、藻蓝素和虾青素等。β-胡萝卜素是维生素A的前体，有抗突变、抗氧化、抗衰老、预防癌症、促进免疫力等功能。微藻中富含β-胡萝卜素，螺旋藻中的β-胡萝卜素含量为胡萝卜的10倍，而盐藻（Dunaliella salina）中的胡萝卜素含量可以达其藻体干重的10%以上，最高可达到14%，其中β-胡萝卜素的含量约占6种胡萝卜素异构体的90%。养殖盐藻有巨大的经济价值，目前，许多国家进行养殖、开发利用盐藻的研究，对盐藻的开发应用已进入生产化的阶段，我国、澳大利亚、美国、日本、以色列等都已利用盐藻生产出β-胡萝卜素产品。美国食品及药物管理局（FDA）确认β-胡萝卜素为营养保健品，利用微藻生产β-胡萝卜素的研究成为热门课题。虾青素属于类胡萝卜素，是微藻所含有的另一种具有潜在价值的色素。虾青素具有很强的抗氧化作用，能够清除体内自由基，对紫外线引发的皮肤癌有很好的治疗功能，还能有效促进机体抗体的产生。色素的积累受多种条件的影响：原初氮浓度与色素的累积速率成反比，与细胞分裂速率负相关，当培养基中NaNO3浓度减少50%时，对细胞增殖与色素累积都有利；在强光下，色素的累积作用提高；色素的累积和厚壁孢子的形成并不完全相关，游离细胞也能够大量累积红色色素。

（5）微藻多糖。微藻多糖是广泛存在于微藻体内的一种天然大分子物质，具有抗病毒、抗肿瘤、抗辐射损伤、抗衰老、抗突变、抗凝血、降血脂和调节机体免疫功能等广泛的生理作用。

（6）其他活性成分。微藻生物活性物质的研究开发是微藻高技术产业发展的一个重要方面。微藻中生物活性成分复杂，除了目前研究较多的抗生素、PUFA、色素、毒素、微藻多糖外，还发现了酶、甜菜碱、甾醇等活性物质。利用海洋微藻细胞的螯合同化作用，可把锌、硒、锗等对人体有益的无机微量元素转化成细胞内的有机螯合物，当无机形式转化为有机形式后，这些微量元素会具有更普遍的食用与保健价值。

（7）微藻燃料。微藻可以大量积累脂类和碳氢化合物。Phaeodactylum的脂类含量占干重的34%，Botryococcus braunii的碳氢化合物含量占干重的8%。一些产氢蓝绿藻也被作为燃料加以研究，是人类未来燃料来源的希望。随着石油等能源的日益枯竭，利用微藻开发新能源已经成为21世纪新能源建设的一大趋势。日本已加紧该方面的研究，利用废水培养一种绿藻，其含油量高达干重的49%。英国Tenkins等人用4.83 km长的透明塑料管组成的反应器大量培养有良好自絮凝作用的小球藻，并且直接利用其进行发电，为人类利用藻类燃料发电带来了曙光。

人类正面临人口膨胀、环境恶化与陆地资源减少三大全球性问题。单一的陆地经济已很难满足经济快速发展的需要。开发与利用海洋资源是解决这些问题的重要途径之一，以开发海洋生物资源作为标志的“蓝色革命”在世界范围内蓬勃兴起。从20世纪50年代人们认识到微藻的开发价值与巨大经济潜力以来，微藻生物技术得到了迅速发展，从实验室走向了产业化，为人类新资源开辟了新天地。与其他生物技术相比，微藻生物技术还处于初级发展阶段，仍存在许多瓶颈，需要多学科的通力合作。随着人类对微藻的深入认识与了解，高新技术与人力物力的大量投入及各学科乃至世界各国间的广泛合作，微藻生物技术将成为解决人类食品与能源的主要途径，为人类的生存做出贡献。

4.商业应用

（1）微藻在人体和动物营养方面的应用。微藻营养保健食品可分为2类：一是直接用食品级干藻粉制成藻片或者胶囊营养保健食品，在商场、药房出售；二是个别产品已获得医药批文，在药房出售或作为医生处方药物。日本于1964年首先人工养殖生产微藻营养食品，法国和墨西哥于1973年联合建成了世界上第一个大规模生产螺旋藻的养殖基地。微藻食品不但在日本、欧洲、美国等发达地区的销量持续上升，而且在一些发展中国家也日益被人们认可。

微藻是一种营养价值高的优质饵料，可提高水产动物，尤其是海珍品育苗的成活率，减少育苗成本，提高幼体的免疫力与活力，还可使观赏鱼的体色更鲜艳。在国际上，微藻作为优质饲料占很大比重。日本DIC公司在泰国兴建的螺旋藻养殖场年产藻粉150 t，其中作饵料与饲料的就占50～60 t；墨西哥Texcoco公司年产藻粉300 t，其中有100 t用于饵料与饲料；我国台湾年产300 t藻粉，其中有120 t用于虾苗、海珍品、观赏鱼类与鸟类的饲料。

（2）微藻在医药领域的应用。微藻的药用价值日益引起人们的注意。部分微藻富含EPA，能降低血液的黏稠度，减少血液中胆固醇与LDL的含量，从而起到预防与治疗心血管疾病的功能。微藻多糖能抗氧化、抗辐射，并且能促进机体免疫力、提高淋巴细胞转化与抑制癌细胞增殖。杜氏藻中富含的β-胡萝卜素可以抑制自由基的活性，减少过氧化物对组织的损伤，促进吞噬细胞与淋巴细胞的功能，刺激细胞释放一些抗肿瘤因子，对黄斑变性、白内障及心血管病有一定的防护作用。

（3）微藻在化妆品与美容领域的应用。微藻营养丰富，有较好的润肤、护肤效果，同时具有清除与抑制自由基的能力，微藻营养液能提供皮肤所需的藻多糖、氨基酸、SOD等多种活性成分，有润肤保湿、增加皮肤弹性、除皱、祛斑等功能，同时微藻化妆品的透过性较好，能起到对皮肤表面与深层的营养及护理作用，且使用十分安全，对皮肤没有刺激与致敏作用。

（4）微藻在污水净化和环境保护方面的应用。因为丝状的螺旋藻容易从培养液中被分离出来，在养殖过程中可有效地去除有机污水中的营养源，在污水处理中非常有前途。实际上，用经一定处理的污水培养螺旋藻，不仅可使污水得到进一步净化，减少环境污染，而且还可将获得的微藻用作饲料与肥料。这种污水净化方式耗能少，成本低，效益明显，开发潜力大，同时还能从微藻中分离出有经济价值的基因，在真菌、细菌、大型藻类（如海带）和高等植物中表达。随着基因工程的迅速发展，大量的微藻基因被克隆、测序与定位，对其相关的功能也进行了遗传分析。已知被人工克隆的蓝藻基因有130多种，被利用的蓝藻基因有2种。随着科技发展，微藻的应用前景会更加广阔。