知識力

微藻所衍生的價值逐漸被應用於食品、能源、飼料、美容等領域，透過細胞破碎技術，提高有效成分之萃取率與利用率。

 

全球人類對於能源危機議題越來越重視，微藻因生長快速且具有固碳作用及回收廢水中有機和無機肥料的功能，被視為熱門的生質能源來源之一。微藻行光合作用後將能量以蛋白質、油脂或澱粉形式儲存，例如螺旋藻（一種藍綠菌）及大部分綠藻富含蛋白質、一些綠藻富含脂質等。富含蛋白質者適合作為食品或飼料，富含脂質者則可提煉成生質燃料或生產高價保健食品。但微藻和植物一樣具有細胞壁結構，保護細胞使得細胞不易變形、破碎，因此為提高油脂、蛋白質、酵素、葉黃素、葉綠素、蝦紅素等成分萃取率，須先破壞細胞結構；另外，若是直接使用藻類作為食品或發酵原料時，破壞細胞結構也有助於提高藻類被消化率或被分解率。

 

❐光合利用度高的低等植物

「微藻」顧名思義是指微小的藻類（單細胞藻類），不同於生活中常見的石蓴、馬尾藻、龍鬚菜、紫菜等大型海藻。大部分微藻的直徑為2~15微米（如同灰塵懸浮微粒大小），因此無法直接以肉眼辨識微藻，必須在顯微鏡下才能觀察到單一細胞（圖一）。微藻可分成藍綠藻門（Cyanophyta，生物學家已將其歸類於細菌類）、金黃藻門（Chrysophyta）、隱藻門（Cryptophyta）、甲藻門（Pyrrophyta）、褐藻門（Phaeophyta）、紅藻門（Rhodophyta）、裸藻門（Euglenophyta）、綠藻門（Chlorophyta）、輪藻門（Charophyta），涵蓋原核生物和真核生物兩大類，通常分佈廣泛、生長快速且適應力強。

 

藻類如同植物能行光合作用提供自身生長所需的物質，就微藻而言，所含成分以油脂、蛋白質和碳水化合物（例如纖維素、澱粉）為主，其成分與含量依藻的種類而異；然而隨著科技進步，現今已可以透過基因工程或逆境處理等技術調控，提升目標成分含量。例如，許多微藻於缺氮狀態下會提升油脂含量，從原有的10~20％含油量提升至50~60％，這對於後續產品開發之成本降低有實質助益。由於微藻的種類多樣，其應用層面包括食品、能源、飼料、美容、醫藥等產業。

 

 

 

 

❐能源與生技的明日之星

藻油的應用因組成而異，通常脂肪酸碳數為十六或十八的藻油適合開發成生質柴油，根據文獻指出（N. H. Tran et al., 2010），例如小球藻（Chlorella protothecoides）、擬球藻（Nannochloropsis）等最多可生產約為藻體乾重55％的脂質作為生質燃油來源（圖二）。近年來美國陸續啟動多項綠色能源相關計畫，投入約12億美元於微藻生質能源技術研發。被視為第三代生質燃料原料的微藻，除了能產製生質柴油之外，還能產製生質酒精、甲烷、氫氣等燃料，加上微藻不屬於糧食作物、生長週期短、不佔農業用地且培養時不需消耗新鮮水資源，又能發揮固碳作用（圖三），因此國內排碳量大戶的中鋼、台電、中油等公司也爭相投入執行微藻減碳相關計畫，中油亦於2012年成立綠能所做為研發綠色能源之大本營，發展生質燃料等應用技術。

 

保健食品或化妝品的開發則是著重脂肪酸碳數二十以上的藻油，例如DHA、EPA、β–胡蘿蔔素或蝦紅素等高單價成分，雖然許多深海魚或蝦蟹類生物也富含上述多元不飽和脂肪酸或蝦青素，但因為生物鏈富集關係，造成重金屬等汙染毒害疑慮，且素食族群無法食用。目前市面上已有許多微藻相關保健食品產品，例如利用寇氏隱甲藻（Crypthecodinium cohnii）生產DHA營養補充食品，或萃取雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）的蝦紅素作為保養品或保健食品原料。除此之外，微藻萃餘物的蛋白質還可當作動物飼料、土壤肥料，或發酵微藻的碳水化合物產製生質酒精，物盡其用。

 

 

 

 

❐擁有銅牆鐵壁的微藻

近年來許多高含油量的微藻陸續被篩選出來並加以培養，以重力沉降、過濾及離心分離等方式採收後，進行藻油之萃取。萃取方式包括機械式榨油法、溶劑萃取法或超臨界二氧化碳萃取法等。但由於微藻的細胞膜和細胞壁結構，所以無法輕易地直接萃取藻油。為了解決萃取效率的問題，研究人員一方面致力於萃取技術精進，另一方面也開始著重於前處理技術，例如在萃取微藻前先進行細胞破碎處理，破壞細胞壁結構完整性，以利於包覆在細胞壁內之機能性成分釋出，提高萃取效率（圖四）。

 

除了某些無細胞壁的藻類之外（例如裸藻和杜氏藻缺乏細胞壁結構），微藻細胞壁的組成呈現高度多樣性，含有多醣類、醣蛋白類和鈣或矽酸鹽等礦物質的多層結構。細胞壁外層主要由果膠質、纖維素、藻素等多層微纖維組成多孔結構，具有一定厚度。內層則是以纖維素為主，較薄且堅固，這些物質賦予細胞壁強韌特性，使得細胞壁具有保護和支撐細胞的作用。總體而言，經過很長的演化歷史，微藻的細胞壁結構和成分較植物更為複雜，並且因藻種和培養條件不同而異；就綠藻而言，已知細胞壁結構可分作三類，包括三層外層結構（trilaminar outer layer）、單層外層結構（outer monolayer）和不具外層結構，三層外層結構常帶有一種生物高分子藻素（algaenan），其富含脂肪族結構，對化學和微生物降解有強抵抗力，因此，綠藻類細胞壁通常較厚且耐降解性高，不利於後續活性物質被萃取或影響產品被人體消化吸收。

 

 

 

 

❐五花八門之微藻細胞破碎術

根據文獻報導指出（Andrew K. Lee et al., 2012），藻油萃取率能藉由細胞破碎技術輔助而提升3~4倍，但因大部分的微藻細胞壁非常堅韌，導致很多細胞破碎方法相當耗能。已知的微藻細胞破裂方法可分為機械性或非機械性兩大類，常見的機械性方法包括球磨法、高壓均質法、超音波法；而非機械性方法包括利用物理作用（例如凍乾法或微波法等）、化學作用（使用溶劑、超臨界二氧化碳或螯合劑等）或酵素作用，進行細胞破碎或細胞壁降解（圖五）。

 

 

 

 

目前機械性的高壓均質法和球磨法被認為是較適合量產的細胞破碎方法。機械性的高壓均質方法利用增壓機器將混合液體壓力升至150 MPa（相當於1500大氣壓），或更高至400 MPa，高壓狀態下經由特殊均質閥作瞬間降壓動作，細胞因受壓力的瞬間變化及剪力而破碎（圖六）。球磨方法則是將細胞懸浮液與0.5 mm研磨介質一起快速攪拌研磨，產生碰撞和剪切作用使細胞破碎。超音波破碎方法利用超音波的高速震盪對液體造成瞬間增壓及減壓，推動介質產生「空穴效應」（cavitation），在局部產生極高衝擊力以破碎細胞，其細胞破碎效率普遍低於球磨法或高壓均質法，為了提高破碎效率，有時候會額外添加0.5~1 mm石英顆粒或玻璃珠。

 

 

 

 

凍乾法常被用於藻體的脫水保存，降低冷凍速率則有助於生成較大的冰晶，能提高細胞壁孔洞性；但是製程耗能、耗時和昂貴，因此多作微藻熱敏性蛋白質保存之用途。微波方法則是透過高頻率電磁波使細胞內水分子振盪生熱迅速汽化，產生壓力促進細胞破碎。同樣地，蒸氣爆破法利用高溫高壓水蒸汽處理藻體，細胞內汽化水分子透過瞬間壓力差衝破細胞壁，然而高溫蒸氣製程可能會破壞微藻機能性成分。不同於上述方法用藻液水分子當作爆破介質，二氧化碳爆破法以高壓二氧化碳滲入乾燥細胞，之後進行瞬間降壓使二氧化碳在細胞內來不及滲出進而膨脹爆破細胞；但就工業上量產考量，高壓氣體於大型容器內快速降壓時，大量膨脹氣體不易瞬間完全排出，減弱細胞破碎效果。

 

微藻細胞壁含有大量多醣類，經過降解能生成寡糖或單糖，因此可透過強酸水解或酵素降解細胞壁以達破壁效果，或作細胞壁弱化處理。酸水解細胞壁方法通常選用稀硫酸當作溶劑，利用硫酸對細胞壁進行水解反應，由於細胞壁的組成以纖維素為主，在適當氫離子濃度、溫度和時間條件下，纖維素會因水解造成糖苷鍵斷裂而降低聚合度，得以破壞細胞壁完整性；製程有時還會輔以高壓微波法或超音波法提高反應效率，但是反應需在高溫下進行（120℃以上），容易破壞細胞內活性物質（例如蛋白質、色素），加上後續酸液需中和等處理，步驟繁複，故不符合食品原料天然健康的發展趨勢，將逐漸不適用於保健食品等產品開發。酵素法利用單一纖維素水解酵素或多種纖維素酵素組合進行微藻破壁，細胞壁降解程度易受酵素活性影響，且由於細胞壁的多層結構，細胞壁的外層非纖維素成分可能會阻礙內層纖維素與酵素接觸，進而降低破壁效果；另外，細胞壁本身的抗降解性也會減弱破壁效果。

 

機械性破壁方法通常效率高且較無汙染藻油之虞，但較使用化學或酵素破壁方法耗能，且製程多伴隨熱量產生，為了避免對熱敏性成分造成破壞，往往需要額外的冷卻裝置，導致更耗能與成本增加。另外，部分微藻成分易於細胞破碎過程釋出並受環境影響而發生變化，例如脂質的釋出可能會與蛋白質或細胞碎片等生成複雜混合物，增加後續分離難度。非機械性的化學破壁方法，無論是提高細胞壁通透性或軟化細胞壁，都可能對目標成分造成汙染，甚至發生化學反應，例如脂質成分易受到酸鹼影響變質。酵素降解法適用於大型處理槽，解決機械性破壁方法設備放大不易問題，但酵素的專一性和低溫限制，以及昂貴與製程耗時問題仍有待克服。

 

 

 

 

❐高濃度藻液的低耗能破壁技術挑戰

由於微藻細胞非常微小，一般的細胞粉碎方法如高速剪切超音波、壓榨等方式很難使微藻細胞破裂，就當前細胞破碎技術而言，高濃度藻液的破壁效率仍不如預期。工研院曾做過研究（蘇志杰等人，2010），在濃度較高的藻液中，因單位體積內藻體數量較多，當採用研磨法時，若欲達到同樣70％的破壁效果需多花費一倍時間；採用高壓均質法時，則需增加處理次數，意即需消耗更多的能量。另一方面，由於現行萃取方法多以乾式萃取方式為主，微藻往往需要先乾燥處理，但微藻細胞含水量極高，破碎前之脫水乾燥處理耗時且非常耗能，若是能直接以採收後的高濃度藻液進行細胞破碎，將可大幅降低製程耗能問題。

 

細胞破碎工作能提高後續萃取效率，然而已知的細胞破碎方法各有利弊，通常於選擇細胞破碎方法時可以考量以下因素，包括藻液的細胞濃度、破碎條件對目標產物的影響性、破碎率需求、規模放大可行性及對環境友善程度等，以期透過最合適的細胞破碎方法獲得最大效益。

 

 

陳綺慧、洪俊宏、郭子禎：任職財團法人金屬工業研究發展中心生技能源設備組

陳慶能：任職國立中山大學海洋科學系海洋生物組

 

 

 

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1. Tran N. H. et al., Catalytic upgrading of biorefinery oil from micro-algae, Fuel, Vol. 89: 265-274, 2010.

2. Yusuf Chisti, Biodiesel from microalgae, Biotechnology Advances, Vol. 25: 294-306, 2007.

3. Andrew K. Lee, Lewis David M. and Ashman Peter J., Disruption of microalgal cells for the extraction of lipids for biofuels: Process and specific energy requirements, Biomass and Bioenergy, Vol. 46: 89-101, 2012.

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