微藻生物技术新进展课件

微藻生物技术新进展 微藻微藻Microalgae 指在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类指在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类指在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类指在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类类群。对微藻生物技术领域而言，微藻有以下含义：类群。对微藻生物技术领域而言，微藻有以下含义：类群。对微藻生物技术领域而言，微藻有以下含义：类群。对微藻生物技术领域而言，微藻有以下含义：l藻体微小藻体微小藻体微小藻体微小l有应用价值，如可用于食品、饲料、精细化工原料等，有应用价值，如可用于食品、饲料、精细化工原料等，有应用价值，如可用于食品、饲料、精细化工原料等，有应用价值，如可用于食品、饲料、精细化工原料等，或是遗传学与分子遗传学的试验材料。或是遗传学与分子遗传学的试验材料。或是遗传学与分子遗传学的试验材料。或是遗传学与分子遗传学的试验材料。l能应用生物技术进行大量培养或生产。能应用生物技术进行大量培养或生产。能应用生物技术进行大量培养或生产。能应用生物技术进行大量培养或生产。生物技术含义生物技术含义（Biotechnology）生物技术生物技术也称也称生物工程生物工程：是在细胞生物学、分子：是在细胞生物学、分子生物学的理论基础上建立起来的一个现代技术体生物学的理论基础上建立起来的一个现代技术体系，是生物科学与技术科学的综合性边缘学科。系，是生物科学与技术科学的综合性边缘学科。微藻生物技术：微藻生物技术：是以微藻为研究对象并应用现代是以微藻为研究对象并应用现代生物技术进行开发利用的综合性技术。生物技术进行开发利用的综合性技术。微藻生物技术的目标微藻生物技术的目标 不断开发新的微藻资源不断开发新的微藻资源 微藻工业化生产微藻工业化生产 功能性食品开发功能性食品开发 药物开发药物开发 精细化工产品开发精细化工产品开发 微藻生物技术构成微藻生物技术构成 细胞工程技术细胞工程技术 固定化技术固定化技术 生物反应器技术生物反应器技术 藻类基因工程技术藻类基因工程技术 藻类生化工程藻类生化工程 酶工程酶工程一一.微藻转化为技术和商业的优微藻转化为技术和商业的优势势u 微藻具有丰富的遗传多样性微藻具有丰富的遗传多样性 微藻是一群异源生物，包括从原核生物到真核微藻是一群异源生物，包括从原核生物到真核微藻是一群异源生物，包括从原核生物到真核微藻是一群异源生物，包括从原核生物到真核生物。进化的多源性决定了微藻具有丰富的遗传生物。进化的多源性决定了微藻具有丰富的遗传生物。进化的多源性决定了微藻具有丰富的遗传生物。进化的多源性决定了微藻具有丰富的遗传多样性。微藻的遗传多样性不仅体现在形态结构多样性。微藻的遗传多样性不仅体现在形态结构多样性。微藻的遗传多样性不仅体现在形态结构多样性。微藻的遗传多样性不仅体现在形态结构及生态的多样性，也导致产物的多样性。及生态的多样性，也导致产物的多样性。及生态的多样性，也导致产物的多样性。及生态的多样性，也导致产物的多样性。u 微藻是潜在新产品和新用途的生物资微藻是潜在新产品和新用途的生物资源源 微藻中存在着丰富的结构独特的有机化合物，微藻中存在着丰富的结构独特的有机化合物，这些代谢产物具有多种多样的生物活性。因此，这些代谢产物具有多种多样的生物活性。因此，微藻是开发新药特药以及精细化工材料的重要资微藻是开发新药特药以及精细化工材料的重要资源，它将提供源源不断的新产品。源，它将提供源源不断的新产品。u 利用微藻生产有价值物质的优势利用微藻生产有价值物质的优势l与常规作物相比微藻光合效率高与常规作物相比微藻光合效率高 。l多为单细胞或简单的生物，易于培养。多为单细胞或简单的生物，易于培养。l可经诱导产生高浓度的有商品化生产价值的化合物。可经诱导产生高浓度的有商品化生产价值的化合物。l多以简单的细胞分裂进行增殖，周期短，易于通过遗多以简单的细胞分裂进行增殖，周期短，易于通过遗传选择获得优良藻株。传选择获得优良藻株。l微藻生产不占用良田，可在荒漠、滩涂、火山爆发后微藻生产不占用良田，可在荒漠、滩涂、火山爆发后的石岩，珊瑚礁等荒地上进行生产。的石岩，珊瑚礁等荒地上进行生产。l微藻生产系统易为不同操作水平或技术熟练程度的养微藻生产系统易为不同操作水平或技术熟练程度的养殖者所采纳，殖者所采纳，二二.微藻应用潜力与开发途径微藻应用潜力与开发途径（一）（一）应用潜力应用潜力1.微藻营养组成及价值微藻营养组成及价值l 蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质l 维生素维生素维生素维生素l 必需脂肪酸（必需脂肪酸（必需脂肪酸（必需脂肪酸（EPAEPA、DHADHA）l 色素（色素（色素（色素（胡萝卜素、虾青素、藻胆素）胡萝卜素、虾青素、藻胆素）胡萝卜素、虾青素、藻胆素）胡萝卜素、虾青素、藻胆素）微藻与其他动植物蛋白产量比较微藻与其他动植物蛋白产量比较 （单位：吨（单位：吨/公顷公顷/年）年）蛋白源蛋白源 产量产量 螺旋藻螺旋藻 24.345 小球藻小球藻 15.7 大豆大豆 1.42.4 玉米玉米 11.04 花生花生 0.17 小麦 0.30.5 草原产牛乳 0.1 草原产肉类 0.06 2.生物活性物质生物活性物质l 抗生素抗生素抗生素抗生素l 心脑血管活性物质心脑血管活性物质心脑血管活性物质心脑血管活性物质l 抗肿瘤活性物质抗肿瘤活性物质抗肿瘤活性物质抗肿瘤活性物质l 动植物生长促进剂动植物生长促进剂动植物生长促进剂动植物生长促进剂l 藻毒素藻毒素藻毒素藻毒素3.生物产量生物产量 微藻光能利用率为微藻光能利用率为微藻光能利用率为微藻光能利用率为1010以上以上以上以上 微藻细胞倍增时间为微藻细胞倍增时间为微藻细胞倍增时间为微藻细胞倍增时间为10103636小时小时小时小时4.可食性、消化率、安全性可食性、消化率、安全性 螺旋藻消化率螺旋藻消化率螺旋藻消化率螺旋藻消化率9595 小球藻消化率小球藻消化率小球藻消化率小球藻消化率74.674.6 250250克微藻干品可满足一个成年人一天克微藻干品可满足一个成年人一天克微藻干品可满足一个成年人一天克微藻干品可满足一个成年人一天2424小时小时小时小时对蛋白质、维生素、矿物质及热量的需求。对蛋白质、维生素、矿物质及热量的需求。对蛋白质、维生素、矿物质及热量的需求。对蛋白质、维生素、矿物质及热量的需求。（二）应用开发途径（二）应用开发途径 保健食品保健食品动物饲动物饲(饵饵)料料药物化工药物化工废水处理废水处理新能源新能源生物肥料生物肥料（三）来自微藻的产品（三）来自微藻的产品单细胞蛋白（单细胞蛋白（SCP）类胡萝卜素（类胡萝卜素（胡萝卜素、虾青素）胡萝卜素、虾青素）藻胆蛋白藻胆蛋白高不饱和脂肪酸高不饱和脂肪酸多糖类多糖类生物活性物质生物活性物质藻毒素藻毒素三三.与微藻开发相关的生物技术与微藻开发相关的生物技术（一）微藻生产加工技术（一）微藻生产加工技术u 开放式培养系统开放式培养系统 优点在于结构简单，成本低，易于建造和操作。但容易污染杂菌且培养条件难以控制。u 封闭式培养系统（光生物反应器、发酵罐）封闭式培养系统（光生物反应器、发酵罐）这种方式造价较高，但是光能利用率高，生长条件易于控制，（二）微藻基因工程（二）微藻基因工程 微藻生长快速、周期短、可塑性强，是微藻生长快速、周期短、可塑性强，是进行生物工程的良好材料和载体。进行生物工程的良好材料和载体。微藻基因工程不仅将帮助人们更深刻地微藻基因工程不仅将帮助人们更深刻地认识微藻生物学规律，而且将创造出具有认识微藻生物学规律，而且将创造出具有商业价值的工程藻株或新品系，推动微藻商业价值的工程藻株或新品系，推动微藻生物技术产业的发展。生物技术产业的发展。藻类基因工程的目标：藻类基因工程的目标：通过通过DNA重组技术创造藻类新品种重组技术创造藻类新品种 利用微藻表达医用蛋白利用微藻表达医用蛋白通过转基因技术实现藻类天然产物的基因通过转基因技术实现藻类天然产物的基因工程生产工程生产四四.微藻产业化状况微藻产业化状况 现在国内外大量培养并开发利用的微藻主要有：螺旋藻螺旋藻（Spirulina）小球藻小球藻（Chlorella）盐藻盐藻（Dunaliella）红球藻红球藻（Haematococcus）（一）小球藻（一）小球藻 一种单细胞绿藻，蛋白质含量高达一种单细胞绿藻，蛋白质含量高达一种单细胞绿藻，蛋白质含量高达一种单细胞绿藻，蛋白质含量高达50-6550-65,并含有大量的维生素、叶绿素，特别是含有生物并含有大量的维生素、叶绿素，特别是含有生物并含有大量的维生素、叶绿素，特别是含有生物并含有大量的维生素、叶绿素，特别是含有生物活性物质。活性物质。活性物质。活性物质。产品具有增强人体免疫、抗菌、抗病毒、抑产品具有增强人体免疫、抗菌、抗病毒、抑产品具有增强人体免疫、抗菌、抗病毒、抑产品具有增强人体免疫、抗菌、抗病毒、抑制癌细胞、控制血糖上升，降低胆固醇，排除毒制癌细胞、控制血糖上升，降低胆固醇，排除毒制癌细胞、控制血糖上升，降低胆固醇，排除毒制癌细胞、控制血糖上升，降低胆固醇，排除毒素等功能。小球藻中富含素等功能。小球藻中富含素等功能。小球藻中富含素等功能。小球藻中富含CGFCGF（小球藻生长因子）（小球藻生长因子）（小球藻生长因子）（小球藻生长因子），能迅速恢复机体造成的损伤，并可作为食品风，能迅速恢复机体造成的损伤，并可作为食品风，能迅速恢复机体造成的损伤，并可作为食品风，能迅速恢复机体造成的损伤，并可作为食品风味改良剂，广泛应用于食品及发酵领域。味改良剂，广泛应用于食品及发酵领域。味改良剂，广泛应用于食品及发酵领域。味改良剂，广泛应用于食品及发酵领域。小球藻为世界上公认的健康食品，全世界年产小球藻为世界上公认的健康食品，全世界年产小球藻为世界上公认的健康食品，全世界年产小球藻为世界上公认的健康食品，全世界年产量量量量20002000吨，主要生产地为东南亚地区。产品以粉吨，主要生产地为东南亚地区。产品以粉吨，主要生产地为东南亚地区。产品以粉吨，主要生产地为东南亚地区。产品以粉或丸剂及小球藻提取物形式直接进入保健品市场。或丸剂及小球藻提取物形式直接进入保健品市场。或丸剂及小球藻提取物形式直接进入保健品市场。或丸剂及小球藻提取物形式直接进入保健品市场。（二）螺旋藻（二）螺旋藻 螺旋藻是丝状兰藻，联合国粮农组织螺旋藻是丝状兰藻，联合国粮农组织螺旋藻是丝状兰藻，联合国粮农组织螺旋藻是丝状兰藻，联合国粮农组织(FA0)(FA0)早在早在早在早在19771977年就将它向全世界推荐为年就将它向全世界推荐为年就将它向全世界推荐为年就将它向全世界推荐为 明日最理想明日最理想明日最理想明日最理想最优秀的食品最优秀的食品最优秀的食品最优秀的食品，并断言它将成为，并断言它将成为，并断言它将成为，并断言它将成为2l2l世纪人类最世纪人类最世纪人类最世纪人类最佳的营养食品，由于它不仅营养丰富，而且富含佳的营养食品，由于它不仅营养丰富，而且富含佳的营养食品，由于它不仅营养丰富，而且富含佳的营养食品，由于它不仅营养丰富，而且富含多种药用成分，因此，科学界称它为多种药用成分，因此，科学界称它为多种药用成分，因此，科学界称它为多种药用成分，因此，科学界称它为医食同源的医食同源的医食同源的医食同源的天然浓缩营养保健食品。天然浓缩营养保健食品。天然浓缩营养保健食品。天然浓缩营养保健食品。名称名称 含量含量 蛋白质蛋白质 62一一70多多 糖糖 5.2一一7.0脂脂 类类 11一一14水水 份份 7.0矿物质矿物质 6.4一一8.0 维生素维生素 B1、B6、BI 2、E、K 胡萝卜素胡萝卜素 0.16一一0.24 叶绿素叶绿素 1.4一一1.8 螺旋藻营养成分螺旋藻营养成分氨基酸氨基酸 螺旋藻螺旋藻 FA0标准标准 异亮氨酸异亮氨酸 3.664.00 4.2亮氨酸亮氨酸 5.245.30 4.8赖氨酸赖氨酸 3.734.20 4.2苯丙氨酸苯丙氨酸 2.702.81 2.8蛋氨酸蛋氨酸 2.142.20 2.2苏氨酸苏氨酸 2.152.30 2.8色氨酸色氨酸 1.101.42 1.4吉氨酸吉氨酸 4.104.29 4.2人体必需人体必需8种氨基酸与种氨基酸与FA0标准比较标准比较螺旋藻主要营养成分及其功能价值螺旋藻主要营养成分及其功能价值蛋白质含量丰富且组分均衡蛋白质含量丰富且组分均衡蛋白质含量丰富且组分均衡蛋白质含量丰富且组分均衡螺旋藻多糖具有多种药理作用螺旋藻多糖具有多种药理作用螺旋藻多糖具有多种药理作用螺旋藻多糖具有多种药理作用脂肪酸含量高且优质，有营养保健作用脂肪酸含量高且优质，有营养保健作用脂肪酸含量高且优质，有营养保健作用脂肪酸含量高且优质，有营养保健作用藻蓝素是螺旋藻高科技生物制品藻蓝素是螺旋藻高科技生物制品藻蓝素是螺旋藻高科技生物制品藻蓝素是螺旋藻高科技生物制品含有多种维生素含有多种维生素含有多种维生素含有多种维生素富含多种矿物质和微量元素富含多种矿物质和微量元素富含多种矿物质和微量元素富含多种矿物质和微量元素 由于螺旋藻具有天然浓缩营养的特点，其由于螺旋藻具有天然浓缩营养的特点，其由于螺旋藻具有天然浓缩营养的特点，其由于螺旋藻具有天然浓缩营养的特点，其l l克螺克螺克螺克螺旋藻干粉相当于旋藻干粉相当于旋藻干粉相当于旋藻干粉相当于l 000l 000克多种果蔬营养的总和。克多种果蔬营养的总和。克多种果蔬营养的总和。克多种果蔬营养的总和。螺旋藻大规模生产地主要在美国、墨西哥和远东螺旋藻大规模生产地主要在美国、墨西哥和远东螺旋藻大规模生产地主要在美国、墨西哥和远东螺旋藻大规模生产地主要在美国、墨西哥和远东(主要是泰国主要是泰国主要是泰国主要是泰国)。我国螺旋藻产业化规模目前位居世界前列。我国螺旋藻产业化规模目前位居世界前列。我国螺旋藻产业化规模目前位居世界前列。我国螺旋藻产业化规模目前位居世界前列。产品以粉或丸剂投放保健品市场。或将藻粉掺到产品以粉或丸剂投放保健品市场。或将藻粉掺到产品以粉或丸剂投放保健品市场。或将藻粉掺到产品以粉或丸剂投放保健品市场。或将藻粉掺到多种食品中。另一类产品是从螺旋藻中提取的藻蓝多种食品中。另一类产品是从螺旋藻中提取的藻蓝多种食品中。另一类产品是从螺旋藻中提取的藻蓝多种食品中。另一类产品是从螺旋藻中提取的藻蓝素主要作食品增色剂，或用于医药和化妆品。素主要作食品增色剂，或用于医药和化妆品。素主要作食品增色剂，或用于医药和化妆品。素主要作食品增色剂，或用于医药和化妆品。（三）杜氏藻（三）杜氏藻 杜氏藻是单细胞双鞭毛的绿藻，此种藻积累杜氏藻是单细胞双鞭毛的绿藻，此种藻积累杜氏藻是单细胞双鞭毛的绿藻，此种藻积累杜氏藻是单细胞双鞭毛的绿藻，此种藻积累的甘油浓度可达总生物量的的甘油浓度可达总生物量的的甘油浓度可达总生物量的的甘油浓度可达总生物量的5050。在不利条件下，。在不利条件下，。在不利条件下，。在不利条件下，细胞积累的细胞积累的细胞积累的细胞积累的胡萝卜素浓度可达干重的胡萝卜素浓度可达干重的胡萝卜素浓度可达干重的胡萝卜素浓度可达干重的812812。杜氏藻具有的以下独特性状，使其成为大规模培杜氏藻具有的以下独特性状，使其成为大规模培杜氏藻具有的以下独特性状，使其成为大规模培杜氏藻具有的以下独特性状，使其成为大规模培养的有吸引力的对象：养的有吸引力的对象：养的有吸引力的对象：养的有吸引力的对象：能积累相当高浓度的能积累相当高浓度的能积累相当高浓度的能积累相当高浓度的胡萝卜素。胡萝卜素。胡萝卜素。胡萝卜素。能在极端环境下如含能在极端环境下如含能在极端环境下如含能在极端环境下如含612612盐的水中存活，盐的水中存活，盐的水中存活，盐的水中存活，产品主要是以干粉和丸剂及抽提物形式上市。每公斤胡萝卜素的售价可达2000美元，即每公斤杜氏藻售价50一80美元。主要生产地：澳大利亚、日本、美国等。预计年需求可达年产千吨，数百万美元。（四）雨生红球藻（四）雨生红球藻 (Haematococcus pluvialis)雨生红球藻是一种淡水的单细胞绿藻雨生红球藻是一种淡水的单细胞绿藻,被公认为自然界中生产天然虾青素的最好被公认为自然界中生产天然虾青素的最好生物。其孢子中虾青素含量达干重的生物。其孢子中虾青素含量达干重的24。虾青素虾青素(astaxanthin)是一种红色的天然类胡萝卜素是一种红色的天然类胡萝卜素,具有清具有清除氧自由基的强大能力除氧自由基的强大能力,其抗氧化活性是维其抗氧化活性是维生素生素E的的550倍、类胡萝卜素的倍、类胡萝卜素的10倍倍,被誉被誉为为“超级抗氧化剂超级抗氧化剂”,。目前主要作为人类。目前主要作为人类的高级保健食品、药品的高级保健食品、药品,以及水产养殖动物以及水产养殖动物和家禽、家畜的饲料添加剂和家禽、家畜的饲料添加剂,国际市场价格国际市场价格高于每公斤高于每公斤2500美金美金,市场前景非常广阔。市场前景非常广阔。目前目前,国际上成功的生产模式都采用了国际上成功的生产模式都采用了两阶段生产方式两阶段生产方式,即先采用封闭式光生物反即先采用封闭式光生物反应器培养系统实现细胞的高密度营养生长、应器培养系统实现细胞的高密度营养生长、再采用流行的开放池系统在胁迫条件下使再采用流行的开放池系统在胁迫条件下使细胞积累虾青素。细胞积累虾青素。当前世界上只有美国、以色列等国家的当前世界上只有美国、以色列等国家的大公司能够实现规模生产。大公司能够实现规模生产。雨生红球藻产品以软胶囊和藻粉形式在雨生红球藻产品以软胶囊和藻粉形式在市场出现。市场出现。Sosa Texcoco 湖湖微藻开放式培养系统微藻开放式培养系统微藻户外大规模培养（开放式）微藻户外大规模培养（开放式）微微藻藻封封闭闭式式培培养养系系统统两种光生物反应器两种光生物反应器饵料微藻的工业化生产饵料微藻的工业化生产小球藻小球藻小球藻养殖池小球藻养殖池小球藻片剂小球藻片剂螺旋藻螺旋藻跑道式螺旋藻养殖池跑道式螺旋藻养殖池螺旋藻室内养殖螺旋藻室内养殖螺旋藻规模化培养螺旋藻规模化培养喷喷雾雾干干燥燥器器及及藻藻粉粉螺旋藻制剂螺旋藻制剂盐藻盐藻盐藻规模化培养盐藻规模化培养雨雨生生红红球球藻藻红球藻养殖池红球藻养殖池红球藻及其虾青素的工业红球藻及其虾青素的工业化生产化生产