微藻生物技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展
——北京大學(xué)工學(xué)院食品與生物資源工程研究所所長陳峰教授專訪

編者按：陳峰，食品生物工程領(lǐng)域首位國家千人計(jì)劃獲得者，曾入選教育部長江學(xué)者和中科院百人計(jì)劃。現(xiàn)任北京大學(xué)終身講席教授、兼任工學(xué)院食品與生物資源工程研究所所長。1993年畢業(yè)于澳大利亞昆士蘭大學(xué)化學(xué)工程系，獲生化工程博士學(xué)位，澳大利亞注冊(cè)工程師。曾任香港大學(xué)終身教授兼任植物學(xué)系系主任及生物科學(xué)學(xué)院執(zhí)行院長。陳峰教授的研究工作主要集中在微藻生物工程(包括微藻生物能源)、功能食品、生化工程及生物資源工程等領(lǐng)域。率先提出利用異養(yǎng)方式規(guī)模化高密度培養(yǎng)微藻以生產(chǎn)高附加值功能性食品成分及藻類生物能源(例如，脂質(zhì))，他同時(shí)將研究擴(kuò)展到其他微生物和植物資源的開發(fā)及功能性成分研究等領(lǐng)域。迄今已在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊(SCI)發(fā)表200余篇研究論文和綜述(SCI引用愈5000次，H-index 40)、專著4本、美國及中國專利共6項(xiàng)。多次在國際學(xué)術(shù)會(huì)議作大會(huì)特邀發(fā)言，多次組織國際學(xué)術(shù)會(huì)議。連續(xù)幾年被Essential Science Indicators評(píng)為Highly Cited Scientist。曾獲香港大學(xué)杰出青年研究獎(jiǎng)、杰出研究生導(dǎo)師獎(jiǎng)、法國-香港聯(lián)合研究獎(jiǎng)、首屆中國食品科技杰出中青年獎(jiǎng)、2008年被選為美國醫(yī)學(xué)與生物工程院院士、2010年獲美國化學(xué)工程師學(xué)會(huì)大會(huì)獎(jiǎng)，2011年被選為英國皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士。陳峰還兼任英國皇家化學(xué)會(huì)期刊Food & Function副主編和另外3個(gè)國際學(xué)術(shù)期刊編委(Process Biochemistry，Journal of Applied Phycology，Biotechnology Letters)。微藻在食品、醫(yī)藥、基因工程等領(lǐng)域具有很好的開發(fā)前景，鑒于陳教授在微藻領(lǐng)域的研究成就，本刊特專訪陳教授，請(qǐng)他對(duì)微藻的培養(yǎng)模式、技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以期為相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)提供參考。

記者：微藻屬于植物，傳統(tǒng)上是通過光合作用進(jìn)行生物合成，是您率先提出用異養(yǎng)方式規(guī)模化高密度培養(yǎng)，其優(yōu)勢(shì)主要有哪些？

陳教授：通常來講，大部分微藻被認(rèn)為屬于植物，需利用光能自養(yǎng)方式進(jìn)行生物合成，產(chǎn)生更多的生物量，但據(jù)粗略估計(jì)大概有50%以上的微藻并不需要光，它可利用有機(jī)碳源進(jìn)行糖降解(如葡萄糖，既可作為有機(jī)碳源也可作為能源)，經(jīng)三羧酸循環(huán)，產(chǎn)生足夠多的ATP，以維持生長，其生長速率比光照條件下快得多，類似于細(xì)菌、酵母菌的代謝生長，此即異養(yǎng)培養(yǎng)方式。

異養(yǎng)培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)：1)單一藻種培養(yǎng)，不受其他生物污染；2)可以高密度大規(guī)模培養(yǎng)，提高底物的轉(zhuǎn)化率和微藻細(xì)胞產(chǎn)量，縮短了培養(yǎng)周期?？衫矛F(xiàn)有的發(fā)酵設(shè)備(如發(fā)酵罐)用發(fā)酵的方式進(jìn)行高密度規(guī)?；囵B(yǎng)，摒棄了傳統(tǒng)上僅利用光能和二氧化碳作為碳源和能源的生長方式，即光已不再是微藻生長依賴的限制因子，尤其在高細(xì)胞密度情況下，細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的遮蔽效應(yīng)，致光穿透力下降，光的利用率降低，很難實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)，從而限制了生產(chǎn)規(guī)模。如小球藻既可光合自養(yǎng)也可異養(yǎng)培養(yǎng)，用光合作用規(guī)?；囵B(yǎng)的產(chǎn)量僅有1g/L(干質(zhì)量)左右，而異養(yǎng)培養(yǎng)產(chǎn)量可達(dá)50～100g/L (干質(zhì)量)，產(chǎn)量可提高近100倍。

記者：實(shí)現(xiàn)高密度規(guī)?；a(chǎn)，需要注意的問題是什么？會(huì)遇到什么困難？如何克服？現(xiàn)在產(chǎn)量能達(dá)到的水平？

陳教授：微藻利用異養(yǎng)方式高密度大規(guī)模培養(yǎng)時(shí)，需注意：1)防止環(huán)境污染和生物污染。在外界環(huán)境條件不易控制的開放式養(yǎng)殖池中，除受環(huán)境中的理化因子影響外，往往還會(huì)有些細(xì)菌存在，同時(shí)要絕對(duì)防止其他生物的污染也并不容易，即使將培養(yǎng)池建在遠(yuǎn)離公路和污染源的地方，污染也僅僅會(huì)減輕而已。為能從根本上解決這個(gè)問題，多年來我們一直都在大力推廣采用密封式發(fā)酵罐異養(yǎng)培養(yǎng)方式，可有效避免污染源的侵入，并可進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定。2)異養(yǎng)培養(yǎng)微藻耐受糖的能力比細(xì)菌、酵母菌差，糖一旦過量會(huì)抑制其生長，這個(gè)問題也是規(guī)模化生產(chǎn)的一大瓶頸。對(duì)此，我們采用分批流加糖(如葡萄糖)的方式，費(fèi)用可能相對(duì)會(huì)高些，但對(duì)于生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，如DHA，葡萄糖的低成本完全可以忽略不計(jì)。

目前我們的發(fā)酵罐培養(yǎng)單罐體積可以達(dá)到100噸以上，理論上可以達(dá)到600噸，產(chǎn)量相當(dāng)穩(wěn)定可觀，細(xì)胞密度可達(dá)60～100g/L(干質(zhì)量)。培養(yǎng)周期因藻種的不同而不同，最快一個(gè)培養(yǎng)周期36h即可完成。

陳峰教授在北大講堂上給學(xué)生授課

記者：目前，國際微藻在生物技術(shù)方面研究的主要課題和難點(diǎn)是什么？我國在微藻方面主要應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？我國的微藻研究在國際上處于什么水平？

陳教授：根據(jù)我在微藻領(lǐng)域多年的研究，發(fā)覺對(duì)其生理學(xué)方面的研究仍不足。很多研究者認(rèn)為微藻就是螺旋藻或小球藻，但據(jù)資料統(tǒng)計(jì)已知的微藻種類至少有3萬～5萬個(gè)，但實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用的不超過20個(gè)品種。微藻除含有人們熟知的ω-3多不飽和脂肪酸(如DHA)等化學(xué)成分外，還富含大量一般營養(yǎng)成分，如蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、維生素及微量元素。如何能從應(yīng)用或生物技術(shù)角度，根據(jù)微藻的生理學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)不同的生理學(xué)表現(xiàn)或反應(yīng)，來制定出不同的生產(chǎn)策略；或者從分子生物學(xué)角度，研究其代謝機(jī)理、遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)基因工程等。

我國在微藻方面主要應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域，分為兩個(gè)方面：1)利用整個(gè)微藻細(xì)胞，經(jīng)干燥處理后，加入填充劑，制成片劑，如螺旋藻片；2)抽提其中有效成分，如DHA，然后制成保健食品或添加到一般食品中。

從生物技術(shù)角度，微藻生產(chǎn)距今僅有60幾年的研究歷史，工業(yè)生產(chǎn)方面和國際水平相比，不存在什么差距，但從機(jī)理性和基礎(chǔ)理論研究方面還稍有欠缺。在去年加拿大召開世界最大的應(yīng)用藻類大會(huì)，我國也有不少代表參會(huì)并發(fā)表演講或作墻報(bào)交流。大會(huì)有四個(gè)特邀主題發(fā)言，我有幸成為其中一個(gè)。這證明大會(huì)對(duì)中國藻類研究及產(chǎn)業(yè)的重視和認(rèn)同。

記者：微藻的營養(yǎng)價(jià)值極高，在食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也極為廣泛，但人們現(xiàn)在都注重食療，所以微藻能否作為食物直接食用呢？

陳教授：藻類分為大藻和微藻，微藻很少直接以食品形式出現(xiàn)，因?yàn)槠浔旧硎穷w粒狀，干燥后是粉狀，并且味道也不易讓人接受，但考慮到微藻的很多成分具有獨(dú)特功能性，即使口感不如一般食物好，也可加工制成片劑，或經(jīng)處理后直接添加到一般性食品中。

記者：如今，市場(chǎng)上微藻類保健品五花八門，我們?cè)撊绾螌?duì)其進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，如何作出自己的判斷呢？應(yīng)用于食品工業(yè)的微藻——螺旋藻，以保健品形式在市場(chǎng)上熱銷好幾年，但就在今年初，有報(bào)道指出某幾個(gè)品牌出現(xiàn)重金屬含量超標(biāo)問題，您認(rèn)為為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的問題？應(yīng)該如何處理和預(yù)防？

陳教授：我個(gè)人認(rèn)為既然是市場(chǎng)上有售，并且是正規(guī)品牌，必然都是向國家衛(wèi)生部申報(bào)新資源食品成功的產(chǎn)品，必定也做了相關(guān)的毒理實(shí)驗(yàn)，所以從安全性角度，消費(fèi)者并不需過分擔(dān)憂，可以放心食用。2012年3月，部分新聞媒體披露了某幾個(gè)品牌螺旋藻保健品重金屬鉛超標(biāo)，引起業(yè)界及社會(huì)很大反響。隨后國家藥監(jiān)局采用同一國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16740ü1997《保健(功能)食品通用標(biāo)準(zhǔn)》檢測(cè)這6個(gè)品牌，卻認(rèn)為僅有1個(gè)沒有達(dá)標(biāo)。媒體和藥監(jiān)局使用同一國標(biāo)，得到的結(jié)果卻迥然不同。經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)問題出在選取參照物的不同，即藥監(jiān)局把該產(chǎn)品類屬以藻類和茶類為原料的固體飲料和膠囊產(chǎn)品，鉛含量不得超過2.0mg/kg，而媒體將其類屬為一般食品，即鉛含量不得超過0.5mg/kg。判斷一種保健食品是否有毒害作用，其實(shí)應(yīng)科學(xué)地考慮日允許攝入量(acceptable daily intake，ADI)，是將螺旋藻當(dāng)主食一樣地吃，還是當(dāng)膠囊按劑量食用，從這個(gè)角度看，國家藥監(jiān)局的判斷更合理。所以不能將此事件簡單歸結(jié)為食品安全問題。

但確實(shí)有個(gè)別產(chǎn)品存在重金屬超標(biāo)問題，其實(shí)螺旋藻本身不可能產(chǎn)生重金屬，但對(duì)重金屬有極強(qiáng)的吸附能力，問題是在培養(yǎng)過程中受到了該污染，如在簡陋的露天池或是臨近公路的養(yǎng)殖池中，外界環(huán)境條件無法準(zhǔn)確控制，加上水質(zhì)污染的可能性也較大。這也再次印證了異養(yǎng)密封式發(fā)酵罐培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)。

記者：微藻可生產(chǎn)ω-3型多不飽和脂肪酸，尤其是DHA和EPA，它們?nèi)绾卧谑称饭I(yè)上應(yīng)用？絕大部分品牌奶粉中添加了微藻DHA，其對(duì)嬰幼兒和成人主要有怎樣的作用？我國在嬰幼兒乳制品中兩者該以何種比例添加為宜？和歐洲國家標(biāo)準(zhǔn)相比，有什么區(qū)別？為什么？

陳教授：微藻是ω-3型多不飽和脂肪酸的主要來源，其中主要包括二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA)。但目前市場(chǎng)上的EPA絕大多數(shù)都是從魚油中提取出來的。微藻DHA主要用來制成DHA保健膠囊或添加DHA的營養(yǎng)保健食品，尤其以添加DHA的嬰幼兒奶粉更易引起關(guān)注。DHA，在我國俗稱腦黃金，是神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞生長及維持的一種主要元素，是大腦和視網(wǎng)膜的重要構(gòu)成成分，在人體大腦皮層中含量高達(dá)20%，在眼睛視網(wǎng)膜中所占比例最大，約占50%，因此，對(duì)正處發(fā)育旺盛階段的嬰幼兒的視力和智力就顯得至關(guān)重要，此外，還對(duì)心血管疾病有特殊的預(yù)防和治療效果，具有抗動(dòng)脈硬化、抗血栓、抗炎癥、調(diào)節(jié)免疫機(jī)能、改善大腦學(xué)習(xí)與記憶能力等作用。

根據(jù)FAO/WHO專家委員會(huì)建議，嬰幼兒乳制品中DHA:EPA最適添加比例為不小于10:1，因EPA卻對(duì)嬰幼兒的生長發(fā)育起到非常不好的作用，EPA會(huì)跟另外一種嬰幼兒生長所必需的花生四烯酸(AA)產(chǎn)生競爭抑制作用，從而影響AA的吸收，進(jìn)而抑制嬰幼兒的生長。從這個(gè)角度考慮，世界上的共識(shí)是多采用藻油DHA，因其可做到不含或少含EPA，但魚油基本上做不到這樣。

陳峰教授在北京大學(xué)食品與生物資源工程研究所實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究生實(shí)驗(yàn)

記者：不得不提的是，微藻在生物能源方面也有很大的開發(fā)潛力，目前我國在這方面的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展前景是什么？生態(tài)環(huán)境變化問題日益嚴(yán)峻，可再生的、無污染的綠色替代能源的開發(fā)越來越受到人們的重視。在新能源開發(fā)過程中，人們發(fā)現(xiàn)一些微藻在一定條件下可以積累大量油脂，所以用來開發(fā)生產(chǎn)生物柴油。如果采用異養(yǎng)培養(yǎng)，必需保證碳源充足限制氮源，造成氮源饑餓來促使微藻積累油脂，但氮源缺乏也可能會(huì)造成細(xì)胞生長不足。當(dāng)然，利用太陽能光合自養(yǎng)也是清潔生產(chǎn)生物能源的一個(gè)重要選項(xiàng)。但目前微藻油

陳教授：目前，由于石油資源日漸枯竭產(chǎn)生全球脂的產(chǎn)量還較低，成本較高，用微藻油脂生產(chǎn)生物柴油還不具有競爭力。要使微藻油脂生物柴油具有現(xiàn)實(shí)意義，必須保證微藻高效率、低成本生產(chǎn)油脂。我國有不少媒體報(bào)道微藻生物能源的優(yōu)越，但其實(shí)我國在微藻生物能源方面的研究并不是很多，主要還是側(cè)重食品工業(yè)上的應(yīng)用，如保健食品。

生物能源開發(fā)是一個(gè)非常有前景的研究方向，但生物柴油因受到其生產(chǎn)成本過高和原料不足的關(guān)鍵問題制約，并且生產(chǎn)出來仍競爭不過石油，所以如今生產(chǎn)微藻生物柴油的時(shí)機(jī)還不夠成熟，我國乃至世界尚處在基礎(chǔ)或應(yīng)用基礎(chǔ)研究準(zhǔn)備階段。

記者：您是怎樣確定進(jìn)入微藻領(lǐng)域的研究呢？又是如何獲得現(xiàn)在成就的呢？對(duì)我們年輕的科研人員有什么建議？

陳教授：我想對(duì)于微藻的研究只因興趣使然。1979年，當(dāng)時(shí)正值因文革的沖擊而中斷10年的高考制度得以恢復(fù)不久，那時(shí)的年輕人心中對(duì)知識(shí)的渴求可謂炙熱無比，相當(dāng)珍惜上大學(xué)的機(jī)會(huì)，我就是在這樣的背景下考上了華南工學(xué)院(現(xiàn)華南理工大學(xué))，就讀微生物工程專業(yè)，畢業(yè)設(shè)計(jì)做啤酒，83年大學(xué)畢業(yè)，分配在家鄉(xiāng)的防疫站(現(xiàn)疾病預(yù)防中心)工作2年，負(fù)責(zé)抽檢各種產(chǎn)品，工作單調(diào)、枯燥、瑣碎，難以滿足一顆向往科研的心。后來有機(jī)會(huì)到汕頭大學(xué)任助教，機(jī)緣之下又拿到了澳大利亞昆士蘭大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金，于是87年決定遠(yuǎn)赴重洋，來到了昆士蘭大學(xué)，開始了我的國外求學(xué)生活。我的研究生導(dǎo)師非常開明、有遠(yuǎn)見，讓我選一個(gè)自己感興趣的研究方向。在大學(xué)微生物工程專業(yè)基礎(chǔ)上，并翻閱了大量文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)已有人認(rèn)識(shí)到了DHA，是起因于一個(gè)關(guān)于愛斯基摩人的故事，

生活在丹麥、海邊愛斯基摩人群體不得心臟病，但同樣人種在工業(yè)化大城市卻有較高的發(fā)病率，考慮他們主要食魚為主，難道是和ω-3型多不飽和脂肪酸有關(guān)？藻類生物和其他生物又有什么不同呢？等等，很多疑問在我腦海里不斷縈繞盤旋，我要一探到底，找出其中真正深藏的奧秘。就這樣開始了我的微藻領(lǐng)域的探索之路。

我喜歡挑戰(zhàn)，從我決定研究微藻時(shí)就已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，再多的阻力和荊棘，那是對(duì)我的考驗(yàn)：在我早先提出用異養(yǎng)方式高密度大規(guī)模培養(yǎng)微藻時(shí)，界內(nèi)反對(duì)的聲音很多；我隨后堅(jiān)持用異養(yǎng)方式研究微藻DHA的生產(chǎn)，后來確有公司用異養(yǎng)方式培養(yǎng)微藻生產(chǎn)DHA并投入市場(chǎng)時(shí)，此時(shí)我更加自信，更加堅(jiān)定自己的想法，相信一句話寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來，只要堅(jiān)持不懈、決不氣餒、不驕不躁、穩(wěn)扎穩(wěn)打、踏實(shí)肯干，端正科研態(tài)度并保持樂觀的心態(tài)，篤定自己的判斷，那么再多的問題也會(huì)迎刃而解，終有所成。對(duì)于青年人，做任何事不能急功近利，興趣尤為重要，將其作為一份事業(yè)，不斷的探索、鉆研，持之以恒，必將會(huì)成功！目前，我的主攻方向涉及兩個(gè)方面：1)微藻功能性食品；2)微藻生物能源。希望在將來，能從微藻中開發(fā)出更多適合不同群體的功能性成分，在生物技術(shù)方面，多采用現(xiàn)代的分子生物學(xué)方法，如代謝工程、遺傳工程等，更好地研發(fā)出適合人類需求的技術(shù)和產(chǎn)品。

小結(jié)：陳峰教授在微藻領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先水平，其帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)成績斐然，體現(xiàn)了中國在生物科研尤其是食品生物工程領(lǐng)域的實(shí)力。科研不僅需要刻苦和拼搏，更需要見微知著的能力和力排眾議的勇氣，陳峰教授敢為天下先的科研態(tài)度值得更多的科研工作者思考，也許成功，只在于自信和堅(jiān)定。

記者：王連芬