等鞭金藻培养方式及其应用研究进展

李道贵，陈 娜，洪育翎，林荣昭，吴黎明，何勇锦

(福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350117)

第一次工业革命以来，人类活动逐渐频繁，工业化伴随着二氧化碳、甲烷等温室气体过量排放，加剧全球气候变化，致使极端天气频发。此外，在工业化的进程中，全球人口迅速增加，而人均耕地面积却在逐渐减少，因此寻找可持续性、不依赖于耕地的农产品来代替传统农作物成为了重要的研究方向。等鞭金藻(Isochrysisgalbana)作为水生自养生物，在培养过程中不仅不占用耕地面积，还可利用二氧化碳合成大量的多糖、优质蛋白质与多不饱和脂肪酸，为人们提供必要的膳食营养。同时等鞭金藻细胞含有丰富的脂类化合物，可作为石油等化石能源的替代品，从而缓解全球能源枯竭的趋势。但微藻培养的高成本问题一直制约着整个行业的发展。近年来，随着微藻规模化、工业化培养技术研究的逐渐深入，利用微生物不同的培养方式，寻找最优的培养方案用于等鞭金藻工业化生产逐渐成为研究热点[1-4]，未来以低成本实现高效的生产应用将成为等鞭金藻等微生物资源可持续性发展的根本方向。本文综述了目前等鞭金藻主要的培养方式及其优缺点，并对多种规模化培养装置进行比对分析，总结等鞭金藻在休闲食品、水产养殖、生物医药、生物质能源等领域的应用研究进展与趋势，旨在为等鞭金藻低成本、高效率的规模化生产以及多领域应用提供参考。

等鞭金藻是一种单细胞藻类[5]，具有两条等长的鞭毛，藻体通常呈金黄色[6-7]，主要分布在咸淡水和海水[6]。等鞭金藻以二分裂为主要繁殖方式[8]，具有易培养、生长速率快、可适应条件广等特点，因而培养方式十分多样。

1.1 自养培养模式

等鞭金藻是一种可以进行光合作用的低等植物。培养等鞭金藻生长的最适条件为光照强度3000～6 000 lx、温度24～26℃、pH 7～8.5、盐度23～28[9-13]，此外，不少等鞭金藻相关研究表明，自养培养等鞭金藻常用的培养基有NMB3培养液[14]、改良的f/2培养基[15]等。培养基中氮源、磷源、微量元素等营养成分以及二氧化碳浓度是影响等鞭金藻生长的重要因素。对于氮源，等鞭金藻生长及其脂肪酸的积累与培养基的氮浓度存在很大相关性。正常条件下，培养基中氮源浓度越高，藻细胞密度越大；
氮源浓度低，则有利于脂肪酸积累[16]。在缺氮条件下，等鞭金藻生长缓慢，但油脂积累量较高[17]。此外，现有研究指出，光照强度、光照周期、环境温度、环境pH、培养基盐度也是影响等鞭金藻生长密度与油脂含量的重要因素[18-19]。

1.2 异养培养模式

微藻异养培养是在无光条件下，微藻利用培养基中有机碳源(葡萄糖、甘油等)进行生长的方式[20]。异养培养等鞭金藻可克服自养的不足，如生产周期长、细胞密度低、易被其他藻和菌污染等。姬恒等[21]选取球等鞭金藻3011作为出发藻株，优化得到最适合异养培养球等鞭金藻3011的条件：葡萄糖、尿素和磷酸二氢钾浓度分别为40.0、0.6、1.0 g/L。经过5 d培养，球等鞭金藻细胞密度可达2.3×1010个/mL。

1.3 混合培养模式

微藻混合培养是指在正常光照强度和有机碳源条件下培养微藻细胞的方式。Danesh A等[22]研究不同培养模式下甘油和碳酸盐对球等鞭金藻生长和脂质合成的影响，结果表明等鞭金藻在有机碳源混合培养条件下(甘油浓度为50 mmol/L)，生物量可达到0.23 g/L，在1 g/L碳酸盐的培养下，生物量最高可达到0.38 g/L。Alkhamis Y等[23]的实验结果也表明，50 mmol/L甘油混养下等鞭金藻的生长速率高于光自养组。王星宇等[24]研究不同碳源对球等鞭金藻生长和脂肪酸组成，实验发现与其他碳源相比，葡萄糖介导的混养有助于等鞭金藻细胞的生长，并显著提高藻细胞合成单不饱和脂肪酸。

随着微藻规模化、工业化培养技术的不断发展，规模化培养等鞭金藻的模式有开放式与封闭式两种。

2.1 开放式培养

开放式培养是利用敞开式的光生物反应器(如人工搭建的池塘或跑道池形式，图1)培养微藻[25]，其特点是可以高效利用太阳光，降低能耗，但易被外来杂菌或其他藻类污染，环境因子不易调控。Yadala S等[26]利用开放式跑道池(池深30 cm，跑道宽度约1 m，长度为300 m)培养等鞭金藻，提出一个动态化模型来描述微藻在开放式培养下生物量的积累，并优化得到微藻种类、地理位置和跑道池几何形状的最佳组合，在该组合下，等鞭金藻的单位生物量生产成本最低。

注：Length表示池长(m)；
q表示池宽(m)；
p表示槽长(m)；
CW表示槽宽(m)。箭头表示水流方向。

2.2 封闭式培养

与开放式培养不同的是，封闭式培养是利用封闭式的光生物反应器培育微藻，具有不易被其他藻菌污染、温度等环境因子可控、培养密度高等优点[27]。目前，在研究中常见的光生物反应器类型有管式、柱式、平板式等[28]。

2.2.1 管式光生物反应器

管式反应器(图2)由多条管道构成，可增加表面受光面积，显著提高光合微藻生长率。张成会[29]在培养湛江等鞭金藻实验过程中，发现垂直管式光生物反应器可实现湛江等鞭金藻的放大培养，且等鞭金藻细胞的生长率较高。但管式光生物反应器同样具有能耗高、培养条件难调控等缺点。

2.2.2 柱式光生物反应器

常见的柱式光生物反应器包括气升式和鼓泡式(图3)。相较于管式光生物反应器，柱式光生物反应器的光照强度、培养基组分等培养条件易控制，但生产成本较高，不利于微藻大规模生产，而可用于微藻规模化生产初期优良藻种的筛选。Liu J等[31]从19种等鞭金藻种筛选出指数期DHA含量最高的藻种，随后采用气升式反应器培养，研究发现Isochrysis-galbana#153180可能是最有潜力开发商业生产DHA的理想金藻藻种。

2.2.3 平板式光生物反应器

与管式和柱式光生物反应器相比，平板式光生物反应器结构更为简单，产品造价低，极大提高光通量的同时，实现光合微藻的快速增殖。本课题组利用平板光生物反应器(图4)培养等鞭金藻，并构建细胞生长、油脂合成和氮源消耗的动力学模型，为封闭式规模化培养等鞭金藻开发高附加值制品提供理论依据[33]。

3.1 岩藻黄素

岩藻黄素是一种棕色脂溶性分子[34]，具有清除人体内自由基、抗衰老、抵抗癌细胞、降低血糖血脂等生物学功能[35-37]。Xia S等[38]从海洋硅藻中提取、纯化岩藻黄素，通过测定抗氧化活性来研究岩藻黄素对DPPH (1，1-二苯基-2-三硝基苯肼，又称自由基)和ABTS[2，2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)]的清除能力，结果表明其清除效果显著。已有研究报道称，等鞭金藻可合成可再生的岩藻黄素，其含量可达干生物量的 0.20%～2.66%，远高于其他大型藻类[39]。孙铮等[40]的实验表明岩藻黄素积累与藻株种类密切相关，大多数等鞭金藻藻株含有更为丰富的岩藻黄素。

3.2 多不饱和脂肪酸

等鞭金藻可合成对人体健康有益的多不饱和脂肪酸(PUFA)，如DHA、EPA等。等鞭金藻的脂肪酸(FA) 分布特征是多不饱和脂肪酸(PUFA) 的丰度较高，并且在PUFA 中，ω-3PUFA 是最丰富的[41]。多不饱和脂肪酸一直以来都被证实具有多种健康益处，例如它可以大大减少患心血管疾病的概率以及促进胎儿和幼儿视觉和认知功能的发展。有研究报道，球等鞭金藻可合成的ω-3 PUFA含量约占总脂肪酸含量的40%，其中DHA和EPA分别占ω-3 PUFA的25.0%和8.5%[42]。Fernandes T等[43]通过改变一系列生长条件来影响球等鞭金藻中DHA和EPA的含量，结果表明在生产力方面，等鞭金藻属的微藻可合成较高含量的EPA和DHA。

4.1 食品工业

微藻作为食物已经有好几千年的历史，近年来利用微藻生产食物逐渐兴起，食品界工作人员利用微藻开发功能性食品、休闲食品等。改善食品的营养结构，成为微藻研究的热门领域之一。

4.1.1 功能性酸奶

有研究报道[44]，等鞭金藻可作为功能性成分，添加到酸奶中，改善酸奶中ω-3脂肪酸和ω-6脂肪酸的比值，提高酸奶的营养价值。添加等鞭金藻生物质提取物的酸奶与无添加的在颜色上有明显差别，但不会影响人们对这种新型酸奶的食欲。

4.1.2 功能性饼干

在加入不同含量的等鞭金藻生物质后的传统饼干，可以成为一种健康且非常有吸引力的食品。Gouveia I等[45]将等鞭金藻生物质添加到饼干中，不仅可以提高饼干的多不饱和脂肪酸(尤其是EPA与DHA)含量，还可以改善饼干的质构分布、维持其颜色的稳定性。此外，等鞭金藻生物质的加入不会对饼干的气味产生负面影响。

4.1.3 功能性面食

Fradique M等[46]将等鞭金藻生物质加入到意大利面条中，并比较了烹饪前后功能性意大利面条与标准小麦粉意大利面条的DHA与EPA含量，发现添加有等鞭金藻的意大利面条在烹煮过程中，主要的原有脂肪酸不会降解，反而显著增加了多不饱和脂肪酸(主要是EPA与DHA)的含量。

4.1.4 婴幼儿配方奶粉

母乳脂肪是提供婴幼儿生长发育所需能量的主要来源。但是由于宗教信仰、疾病等不可预知的原因，导致部分哺乳期的妇女不能正常哺乳婴儿。为此，现有开发的婴儿配方奶粉可替代母乳汁，成为婴幼儿时期的主要食物来源。然而，婴儿配方奶粉中油脂主要是来自按一定比例混合的植物油和/或动物油，这与母乳脂肪在脂肪酸组成及其位置分布方面存在较大差异。为解决这个问题，本课题组研究发现[47]，等鞭金藻三酰甘油酯在脂肪酸组成、位置分布、熔化和结晶性能等方面，都非常接近母乳脂肪，这为将来开发婴幼儿配方奶粉制品开辟了一条新的道路。

4.2 医疗保健

随着人类的生活水平不断提高，人类平均寿命大幅度增加，但伴随而来的癌症[48]、心脑血管疾病等老年病发病率也在逐年增加；
这些疾病的死亡率占比极高，严重影响人们的生活质量[49-50]。治疗相关疾病的药物需求在逐渐增加，开发用于治疗慢性疾病的功能性药物热度也在逐渐增加。

等鞭金藻细胞内含有类胡萝卜素、硫酸酯多糖等生物活性物质[51-52]，其可合成IPSⅠ、IEPSA等硫酸酯多糖，这类多糖具有抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的活性[51]。除此之外，Jose R A等[53]成功地提取出等鞭金藻产生的可降解生物聚合物，这些生物聚合物可以用于定向传输药物到人体的相关组织，为等鞭金藻在靶向药物运输、疾病诊断等方面的应用提供了新的思路。

4.3 水产养殖

与其他微藻相比，等鞭金藻生物量产率高，培养占地面积小，总脂肪、蛋白质等营养物质丰富，藻细胞无细胞壁结构，易被海洋动物吸收，常作为贝类的开口饲料，提高贝类的存活率与产量[54]。在邓正华等[55]的研究中，发现与其他微藻相比，不同品系的等鞭金藻易被珠母贝幼虫摄食与消化，此外，多种微藻混合搭配方式更有利于珠母贝幼虫的生长。在南日鲍的养殖过程中[56]，将等鞭金藻作为饲料接种到鲍养殖水中，可提高鲍的生长率，同时达到净化养殖水质的效果。此外，等鞭金藻还可以用于青钳[57]、对虾[58-59]、金鲳[60]等水生生物养殖，以提高水产品的存活率与产量。

4.4 生物能源

近年来随着化石能源的大量开采，全球可能面临着严重的能源短缺问题，因此寻找替代化石能源的可再生能源变得尤为迫切。科学家也逐渐将注意力放在可持续的生物能源上。等鞭金藻细胞被认为是光驱动的油脂生产工厂，其能够将空气中的二氧化碳转化为脂类化合物，这些脂类化合物可以成为传统柴油等能源的替代品[61]。Atmanli A[62]比较了二形栅藻和等鞭金藻的产油特性，发现等鞭金藻的油酸和棕榈油酸含量显著高于二形栅藻，此外等鞭金藻所生产的油脂十六烷值与普通柴油相当，这意味着等鞭金藻可作为生物柴油生产的潜在藻种。Lin C Y等[53]比较了等鞭金藻和废弃食用油的脂肪酸组成和典型燃料特性，发现等鞭金藻油脂的燃料性能更优，更适合用于生产生物柴油。Sanchez A等[64]利用中型培养池培养等鞭金藻，将得到的生物质经萃取获得油脂，最后经过催化反应获得较为优质的生物柴油。但是近年来利用微藻生物质生产柴油一直饱受争议[65]，生物质能的生产成本问题一直是该行业发展的瓶颈，生物柴油的可持续性发展需要进一步研究如何降低生产成本。

目前，等鞭金藻主要培养模式为光自养培养，在该模式下，等鞭金藻培养周期长、生物质积累慢，导致生产成本较高，而异养与混养模式可以极大地缩短微藻的生长周期，提高其生物量与生物活性成分的产量，从而满足大量生产的需求，未来以混养与异养为基础，低成本规模化地培养等鞭金藻将会成为重要的研究方向。等鞭金藻生物质含有岩藻黄素、多不饱和脂肪酸等多种有益成分，可作为功能性食品、医疗保健与水产养殖的重要原料。此外，等鞭金藻具有高效的固碳能力与油脂生产力，将促进其在生物固碳与生物能源等领域的应用与发展。