研究发现,鱼类并不是PUFA的真正生产者,它是通过吞食富含PUFA的藻类(海洋微藻→浮游动物→鱼)后在体内实现PUFA的积累,因此微藻才是PUFA真正的生产者。培养海洋微藻生产ω-3型多不饱和脂肪酸理论上讲应该是一条更为直接的途径。一方面,海洋微藻可以快速生长繁殖、自身合成并富集高浓度的PUFA,在某些微藻体内PUFA的含量高达细胞干重的5%~6%,其相对含量远远高于鱼体内PUFA的含量。另一方面,从藻体内提纯PUFA较从鱼油中提取工艺更为简单,并且不带腥味,适合于作优质食品添加剂。同时,它不含胆固醇成分,避免了服用鱼油胶囊时摄入大量胆固醇的缺点。有些微藻还可以直接食用,大大减少了PUFA在提纯过程中的氧化分解。
培养海洋微藻生产PUFA
利用海洋微藻生产多不饱和脂肪酸的研究始于80年代初期,并且多以自养微藻生产DHA和EPA为主,其中的三角褐紫藻、紫球藻、盐生微小绿藻、球等鞭金藻、硅藻等当时被认为最有可能实现微藻产业化,但其结果并不尽人意。
开放大池培养微藻存在极低的产量和难以对一些高纯度、高价值的产品进行纯种培养的缺陷,使其在推广微藻大规模培养上受到诸多因素的限制。培养过程受光照、温度等自然环境影响较大,并且易被真菌、原生动物和其他杂藻污染,同时水分蒸发严重,二氧化碳供给不足。这些因素最终都将导致细胞培养密度偏低,PUFA含量不高,使得采收成本过高。因此,人们又设计出密闭光生物反应器,基本上可以解决上述问题,并通过控制培养液浓度实现了连续培养。现在的光生物反应器已经发展为柱式光照发酵罐、管式及板式恒化反应器以及可实现培养条件计算机在线控制的光纤式光生物反应器等多种类型。
海洋微藻生产DHA和EPA前景看好
利用密闭式光生物反应器培养微藻,减少污染发生,提高产量60%~300%,同时还可以降低收获成本。然而利用光生物反应器依然存在着许多不足:如培养后期由于细胞浓度的升高,限制光的穿透,降低了光照效率;在培养过程中由于水压增加、使细胞受到损伤;反应器内容易累积氧气,降低脂肪酸的去饱和程度;反应器和生物传感器上易发生附着;此外这种培养技术成本较高。
如果能实现异养培养,像许多工业微生物一样在发酵罐里实行工业化生产,则可以避免上述问题。选育富集DHA和EPA的异养藻种,设计适合的培养基及选择恰当的培养条件,实现微藻大规模异养培养生产PUFA是完全可行的。
如今,国外异养微藻藻种选育工作已经取得了一定的进展。生产富含DHA的微藻饲料牞并申请了专利。国内在这方面工作还处于尝试阶段,研究人员曾考虑试图通过细胞融合技术将海洋小球藻与不含EPA但生长快速的淡水小球藻进行融合获得能快速合成DHA和EPA的新型杂合小球藻,或者通过探索其他技术或者新的方法以期获得一些生产PUFA的新型藻种。
此外,研究发现以发酵技术为基础,采用恒化培养、分批流加培养和膜过滤细胞循环系统进行微藻异养培养,不仅可以降低初始底物浓度过高或者过低对藻细胞生长的抑制或限制作用,而且可以排除培养液中影响藻细胞生长的有毒物质和细胞溶出物,保证藻细胞高密度培养的顺利进行。最近一项由中山大学和香港大学联合研制开发的深海植物生物反应器高密度深层培养技术,已被汕头润科生物工程有限公司成功用于生产DPA(二十二碳五烯酸)和不含EPA的DHA长链多不饱和脂肪酸。
当前,研究人员对微藻异养机理、生长动力学模型、培养条件等工作继续进行深入细致地研究的同时,是异养藻种的选育工作也正紧张开展。目前中国科学院等离子物理研究所离子束生物工程中心正拟定利用离子束生物工程技术开展微藻育种工作,离子束生物技术是一项颇受国内外学者和育种专家关注的新兴生物工程技术,它以其独特的生物学效应已成功地在陆地生物育种中开展了许多突出的卓有成效的工作。研究人员将首次采用离子束诱变育种技术和离子束介导转基因技术,构建和选育高产PUFA的异养工程微藻。如果这项工作取得成功,不仅为海洋微藻,甚至可能将会为整个海洋生物育种工作注入新的活力,带来新的希望。