微生物与健康产业.doc

微生物与健康产业.txt男人的承诺就像80岁老太太的牙齿，很少有真的。你嗜烟成性的时候，只有三种人会高兴，医生你的仇人和卖香烟的。 本文由Zhong_YR贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 Feature Report 微生物與健康產業 專題報導 英誺產業 綠眉產業化的 大量培養 把藻類當作有益健康的食材痰已經有非常久的歷史痼 然而痰大規模商業化生產的方法卻是這幾十年來才發展出來的痼 銓竟構造簡單痰存在已經有 20 億年的藻類痰可以為矢們生產什麼？ 能有什麼用途？ 鄭俊明痢劉清雲 微藻屬於真核微生物的一種，在演化過程中出現的很早，它們的祖萬很有可能 是所有植物的始祖苶有的微藻是以單細胞的形式存在，不過有些會聚鮢成群，有些 則形成真正的多細胞生物苶好比說海帶，就是萓藻類構成的永久性群落苶藻類和真 菌的細胞外圍也有一躂類霺植物細胞壁的東西包圍著苶微藻的細胞大小介於幾微米 到幾百微米之間，一般要在光學顯微鏡下才能一窺全貌苶就像細菌一樣，一群構造 簡單的藻類遍布在地球上各個有水的角落苶 藻類被認為是有益健康的食材，已經有好幾世紀之久苶這些食用的藻類包含中 國人已經食用幾千年，屬於藍藻菌中念珠藻的蓍菜，與非洲的鹹水查德湖畔的佳尼 姆人，用來維持強健體魄的瘣蒂核纇 （Dihe） ，也就是藍藻菌中的節旋藻屬和螺旋藻 屬曬乾的藻餅苶然而，真正人類商業化銵養藻類技術的發展，到今天也只不過短短 的幾十年而已苶 科學薪展 2007 年 7 月， 415 期 35 藻類產業對於大部分的國人來 說，是一項陌生的生物科技產業， 但台灣在這個產業的發展過程中， 也有輝煌的歷史。現在，各國都看 好微藻產業是明日之星，台灣具有 有助於這個產業的開發應用。 高達 28 71 的蛋白質含量 使類能成為非傳統蛋白質的來源 幾乎所的類比一般食物更完整的胺基酸組成。 每一個細胞都能合成所的胺基酸 因此能提供所動物也包含人類足夠的必需胺基酸。 獨特的地理位置與綿延的海岸線，可以提供藻類產業很好的發展。如何從過去的產業發展軌跡延伸發展新商機，將 50 年代因為醫學逐漸發達，造成人口快速成長，為了解決衍生出的糧食危機，科學家努力地尋找非傳統蛋白質 的替代來源。藻類的高蛋白含量，讓它雀屏中選，成為主要的研究對象之一。另一方面，有系統地從微藻中尋找生 物有效成分，尤其是抗生素的研究主題，也正開始萌發呢！ 70 年代是太空計畫蓬勃發展的時候，美國大力發展如何利用藻類培養做為太空旅行中光合作用氣體交換與排泄 物處理的工具。因此，藻類食品也號稱是太空食品。在美國，環境工程專家也把它應用在廢水處理上，並利用廢水 處理發酵所產生的甲烷。在石油危機的 70 年代中，如何利用藻類產生再生能源，也是非常受矚目的課題！ 第二次世界大戰後，人口激增再度誘發糧食危機，使得美、英、法、俄等國家加入綠藻的研究行列，而掀起一 陣熱潮。當時美國的一名光合作用權威研究者，力邀日本東京大學的植物學家田宮博（Hiroshi Tamiya）教授加入 研究行列。田宮教授採用開放的方式大量培養綠藻，開啟了日本綠藻培植朝向商業化發展的第一扇門。田宮教授在 日本德川生物研究所進行綠藻的大量培植工作，並隨著日本綠藻研究中心在 1957 年落成，真正啟動綠藻大量培 植程序，微藻商業化大量生產由此開端。 法國國立石油研究所在 1967 年和墨西哥的一家廠商合作，研究利用製造小蘇打後的廢水生產螺旋藻的可行性。 幾年的研究證明，這種半天然的螺旋藻工業化生產方式是可行的。於是在 1973 年，螺旋藻生產工廠正式建成投產， 年產量是 150 公噸，最高產量可以達到 500 公噸，成為當時世界上最大的螺旋藻企業。到了 80 年代，跑道式的生產 工程設計大大地提升了螺旋藻的生產效率。直到目前為止，在亞洲就有 46 家月產噸級的生產工廠。 第 3 種量產化的藻種是生長在高鹽環境中，富含乙種胡蘿蔔素，屬於綠藻的杜氏藻。這個生產線首先由瑞士的 生技公司在 1986 年投產，隨後美國與以色列的公司也加入生產的行列。 直到 1999 年，另一種生產技術比較嚴苛，而且富含蝦紅素的藻種血球藻，由日本的公司設計出自然生態培養 系統的生產方法才得以量產。微藻生物產業的發展歷史，到現在雖然只有四十多年，然而它的成長性與多樣性是有 目共睹的。今天的微藻工業每年提供超過 5 千公噸的產量與 12.5 億美金的產值，也使人不得不注意到這個產業的存 在，尤其這個產業的產品都與人類的食物來源及健康非常相關。 螺旋藻的產業化綽養 杜氏藻的產業化綽養 科學發展 2007 詏 7 月褐 415 期 Feature Report 專題報導 微生物與健康產業 高達 28 71 的蛋白質含量，使微藻類能成 為非傳統蛋白質的來源，幾乎所有的藻類翨蘿般的 食物更具有完整的胺基酸組成禭每蘿個藻細胞都能 合成所有的胺基酸，因此能提供所有動物，也包含 人類，足夠的必需胺基酸禭微藻的醣類組成多元， 而且豐富，占總細胞乾重的 12 57 禭這些醣類 包含澱粉稚葡萄糖稚蔗糖與其他的多醣類，而整體 的消化率很高禭 由日本富士化學工業公 司設計的血球藻自然生 態培養系統 藻類脂肪的含量可占總細胞乾重的 6 22 ，主要包含甘油及醣類脂化的螴和與 不螴和脂肪酸（12 碳到 22 碳鏈移 ，其中所含的歐米加 3（ 3移與歐米加 6（ 6移不螴和脂肪酸更是受人矚目禭它們在嬰兒腦細胞發育，以及預防關節炎與腦血管 硬化的功能性，已經被充分證實禭 歐米加 3 和歐米加 6 不螴和脂肪酸的名稱，來自於它們在化學結構上的第 1 個 烯鍵，位在從離羧基最遠的甲基端算起的第 3 及第 6 個碳原子上禭此外，富含歐米加 3 的藻種更是 水產品幼苗的必要成分，也是創轘水產養殖重要 的關鍵禭 微藻富含各種色素，包含葉綠素（0.5 1.0 的乾重移 稚類胡蘿蔔素（0.1 0.2 的乾重移等， 杜氏藻甚至可含高達乾重 14 的類胡蘿蔔素禭可 見微藻具備所有的營養素，也就是蟒微藻本身就 含藻類成分的保養、清 潔用品及保健食品。 是蘿種完全的食物禭 在國內外，微藻已經以不同的形式商品化，把螺旋藻添加入休閒食品中，像是餅 乾稚糖果稚冰棒稚口香糖，甚至也加入麵條中禭螺旋藻也被廣泛利用做成營養補充品， 除了具有較高的蛋白質含量外，還含有豐富的其他營養，例如水溶性與脂溶性的綜合 維生素稚硒稚鋅稚鐵稚鈣稚鎂稚其他各類礦物質稚乙種胡蘿蔔素稚多元不螴和脂肪酸稚過 氧化物歧化瓷等，可以使身體攝取均衡且足夠的營養禭 螺旋藻有明顯的保健功能性，包含降低膽固醇稚降低各種癌症風險稚促進腸道乳酸 桿菌群的成長稚減輕汞與藥物對腎的毒性及前列腺素刺激蚅用稚強化免疫系統的蚅用稚 提高鐵的有效利用性和調理貧血症稚加速皮膚外傷衊合稚抑制病毒等禭目前全虜界每年 的產量超過 3 千公噸，其中最大的工廠位在中國與印度禭 屬於綠藻的小球藻是最早培養的微藻，除了高蛋白的營養成分外，還含有葡聚 醣，可以使免疫系統正常化稚促進免疫力稚預防濾過性病毒，例如傷風感冒禭它的抗 氧化成分，可以延緩衰老稚預防粥狀動脈硬化稚有效降低血液中的膽固醇含量和高血 壓稚以及保持皮膚光澤有彈性禭它也富含核酸，可加速修復細胞組織，幫助細胞再 生，排除體內積聚的重金屬稚有害農藥及環境污染物，抗腫瘤等，因此在保健市場中 維持蘿定的需求禭 科學發展 2007 年 7 月， 415 期 37 小球藻因為特有的風味與 色澤，也已普遍用在食品添加 與食品著色劑上。目前全世界 的產能是 2 千公噸，有七十幾 家生產廠商。另一種很有經濟 價值的微藻杜氏藻的細胞 中，含有高達 14 的乙種胡蘿 蔔素，具有很強的抗氧化能 力，目前主要用在保健的素材 上，全球年產量約有 1,200 公 噸。 微藻除了由人類直接消費 外，有大約 30 的產能是消耗 在水產品與畜牧用途上，其中 一半是用在飼料的添加中。在 1990 年，有 1 千公噸用在水產 品中，當中的 62 用在貝類 上， 21 用在蝦類養殖，其餘 的用在魚類的飼養上。微藻的 主要用途是當作餌料生物，可 以直接由蝦貝類及魚幼苗攝食，或用來培養 動物性餌料生物，再間接由水產幼苗食用， 以提高幼苗的存活率。 目前，除了小球藻與螺旋藻已經可以大 量產業化培養外，其他常用的藻種如扁藻、 等鞭金藻、巴夫藻、褐指藻、角毛藻、擬球 藻、骨蟲矽藻、海鏈藻等，目前只有少量生 產，因此無法穩定供貨，也造成供需的失 衡。此外，這一類的微藻需要保存在新鮮狀 態，也因此造成產業大規模化培養、收成、 儲存與運輸的瓶頸。如果能克服這個問題， 每年也會有百億的商機。 微藻類與陸生動植物或微生物有著截然不同的生化與生理特性，因此會產生其他生物無法生產的代謝物，例如 不飽和脂肪酸與色素。高等植物或動物最缺乏 18 碳以上的不飽和脂肪酸的合成酵素，因此必須藉由食物的攝取來滿 足生理的需求。魚可以經由食物鏈的累積，從藻類得到長鏈的不飽和脂肪酸，我們再藉由食用魚或補充魚油，攝取 足夠的不飽和脂肪酸。 然而，海洋污染與魚產枯竭已經成為世紀問題，擔心吃不到魚，或者因為吃水產品而累積毒素的議題，已被普 顯微鏡下的小球藻 圖片來源遜台灣綠藻工業公司 圖片來源遜台灣綠藻工業公司 顯微鏡下的螺旋藻 高等植物或動物最缺乏 18 碳以上的不飽和脂肪酸的合成酵素， 因此必須藉由食物的攝取來滿足生理的需求鴄 魚可以鬯由食物鏈的累積，從藻類得到長鏈的不飽和脂肪酸， 我們可再藉由食黛魚或補充魚油，攝取足夠的不飽和脂肪酸鴄 科學發展 2007 年 7 月衶 415 期 Feature Report 專題報導 微生物與健康產業 遍地報導。除此之外，魚油的魚腥味與容易 氧化的特性，也限制魚油中不飽和脂肪酸的 應用。因為魚油中的不飽和脂肪酸是由食物 鏈中的藻類所生產的，所以由微藻直接生產 高度不飽和脂肪酸的構想，應該是可行的。 在各種高度不飽和脂肪酸中，最具有保 健功能性的成分，像是二十二碳六烯酸 （docosahexaenoic acid, DHA） ，美國已有生技 公司長期性地投入資金，發展隱甲藻的高密 度量化培養。此外，也克服了生產成本的障 礙，把二十二碳六烯酸的產品導入經過美國 聯邦食品藥物管理局認證許可的嬰兒奶粉配 方中，和應用到素食性的不飽和脂肪酸保健 食品中。 最近更把應用面推廣到飲料、乳酪、優 格等大宗民生消費物品市場，甚至添加到動 物飼料中。目前的年產能超過 240 公噸，產 值超過美金兩億元。在 2005 年，德國也有食 品公司利用吾肯氏壺菌所發展的發酵生產 線，積極投入這一個方興未艾的市場。 在已知的四百多種類胡蘿蔔素中，只有少數幾種已商品化。屬於乙種胡蘿蔔素的天 然色素蝦紅素已經廣泛應用在各種產品中，例如添加在柳橙汁中，也經常做為水產品 與肉類的增色劑。葉黃素、玉米黃素、茄紅素、紅木素等，主要用在保健食品素材上。 近年來因為這一類分子的抗氧化特性，也應用在化妝品中。 蝦紅素是生物界中分布最廣泛的一種葉黃素類的色素，存在於水產動物的蝦、蟹、 魚和鳥類的羽毛中，呈現橘紅色。它與維生素一樣，動物不能自行合成。有些甲殼類與 魚類雖然可以把類胡蘿蔔素轉化成蝦紅素，但仍然無法達到體內的需求量，因此還是必 須從食物中攝取。因為需求量很大，所以創造出的產業價值也非常可觀。 大量合成的方法已經由羅氏藥廠在 1990 年完成開發，並使用在年產百萬噸的鮭魚 水產養殖上，每年創造出超過兩億美金的產值。因為尚未完全了解合成蝦紅素特有的鏡 像異構物對人體的影響，所以對於把合成蝦紅素應用在食品與保健添加物的用途上尚存 疑慮。因此由自然物種中取得蝦紅素，是目前最可行的方法。 自然界中有很多藻類能夠產生蝦紅素，其中以雨生紅球藻中的積聚量最高。在 90 年代不少廠家投入生產研究，其中以在 2000 年由日本富士化學工業公司發展出的自然 生態培養系統最成功，產出 1.5 高含量的產品，價格與規格都符合市場的需求，目前 正在國內的保健與化妝保養品市場上流行。 藻膽蛋白一般稱作藻膽色素蛋白，是一群色彩鮮麗具有螢光的水溶性色素。它存在 圖片來源：台灣綠藻工業公司 室內耍養綠藻 科學發展 2007 年 7 月裙 415 期 39 於紅藻錸藍藻與隱藻類的葉綠緻表面踞和第二型光反應系統相連結踞主要功能是輔助光合作用踞具有很強的螢光能 力與較低的等電點顟pI 4.5 5.5虧 蘱在一般的生理條件下呈負電性踞與正常細胞表面的電性相同踞而不至於與完整細 胞發生非專一性的結合踞干擾免疫反應蘱 因為藻膽色素蛋白的高吸收性與高光子效率踞純化的螢光性藻膽色素蛋白已經商痛化生產踞並應用在螢光性的 標誌物上踞例如與抗緻錸蛋白質 A 錸維生素 H 錸卵白素或凝集 素做共價結合蘱它也已經被開發成簨療用的檢驗試劑踞價格介 於每毫克美金 2 25 元之間踞台鹽公司曾與台灣大學合作完 成這一項螢光色素的開發蘱 包括藻紅蛋白錸藻藍蛋白與異藻藍蛋白的藻膽蛋白踞因為 所含的發色團與葉綠素都屬於挽咯環系列踞是安全無毒的蛋白 質色素踞且具有獨特的色澤踞尤其是天然色素中少有的透明 感踞可以做為口香糖錸糖果踞甜食錸冰品錸乳製品錸粉末軟性 飲料等食品錸藥品與化妝品的著色劑蘱藻膽蛋白在某些藻類中含量非常豐富踞例如螺旋藻含有豐富的藻藍蛋白踞可 作為食品與化妝品的添加劑蘱 另外踞紫球藻雖富含紅色的藻紅蛋白踞但由於生產成本相對較高踞因此它在食品與化妝品的應用上並不若螺旋 藻普遍蘱即使如此踞仍有痛者對它的發展潛力抱持樂觀的態度蘱國內就有生技公司利用紫菜絲狀緻的組織培養技術 克服量化的瓶頸踞研發可凸顯藻類色素特性的螢光蛋糕蘱 微藻也會產生具有生物活性的成分踞其中影絟人類健康最普遍的物質就是藻毒蘱和世界其他的地區一樣踞台灣 分布最普遍的是微囊藻毒蘱微囊藻毒是一種環狀酉逤化合物踞具有很強的肝臟毒性踞會造成肝臟的嚴重出血及肝癌 的病變蘱浮游性淡水藍綠藻類的微囊藻錸魚腥藻錸念珠藻錸顫藻錸束絲藻等踞都會產生微囊藻毒蘱 另外踞原甲藻所產生的黑海綿酸及鰭藻毒踞都是造成下痢性貝毒事件的主要成分蘱目前在包括亞洲的日錸韓錸 歐洲錸北美錸紐澳等地踞被列為貝類上市前的重要檢測項目之一蘱 近鉰來因為水域優養化的日益嚴重踞上述藻類產生的毒素常有污染水源及有益健康藻類的疑慮蘱目前許多先進國 家已針對這些藻類訂出含毒標準踞同時進行例行的檢測蘱除此之外踞因為上述的藻毒都具磷酸瓷抑制的功能踞目前已 被認定是研究細胞生理重要的工具踞可應用在新藥的開發上蘱 可以產生麻痺性貝毒的藻類以甲藻門為主踞其中又以亞歷山大屬渦鞭毛藻影絟最廣泛踞例如亞歷山大細藻錸塔 瑪藻錸鏈狀亞歷山大藻錸亞歷山大芳地藻錸亞歷山大縱隊藻等蘱這類藻種也會產生膝溝藻毒素與石房蛤毒素踞這一 類的毒素也曾經造成台灣的西施舌中毒事件蘱 微藻也會產生具有生物活性的成分， 其中影響人類健康最普遍的物質就是藻毒。 和世界其他的地區一樣， 台灣分布最普遍的是微囊藻毒。 微囊藻毒是一種環狀胜化合物， 具有很強的肝臟毒性， 會造成肝臟的嚴重出血及肝癌的病變。 圖片來源：台灣綠藻工業公司 顯微鏡下的雨生紅球藻 顯微鏡下的杜氏藻，每一顆杜氏藻帶有兩條鞭毛。 科學發展 2007 年 7 月， 415 期 圖片來源：光壁企業 Feature Report 艘題報導 微生物與健康產業 脆光蛋糕 以毒藻骾布的地區而言黼涵括南癮半球及熱帶地區黼因此檢測這饜類毒素變成水產 品例行的檢測工作黿因為這饜類的毒素屬於鈉離子通道翹斷劑黼具有神經麻痺的效果黼 所以騷能被開發成癌症末期的