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藻類產業的發展與趨勢

2017/06/13 臺灣

藻類產業的發展與趨勢
國立台灣海洋大學食品科學系
 吳彰哲 特聘教授

藻類每年藉由光合作用將約 500 億噸的無機碳納入自己細胞中,達到固定碳元素之效果,被視為非常重要的碳匯 (Carbon sink) 來源,可應用於探討氣候變遷及全球暖化。隨著沿海人工大規模海藻養殖興起,生產過程對於淡水需求低且成長速度較陸生植物快速,故這十年來,海藻養殖蓬勃發展。根據聯合國糧食及農業組織 (FAO) 2016 年報導指出,2014 年全世界海藻產量約為 2730 萬噸,商業價值達 56 億美元。而後生物科技的引領與帶動下,各國產業人士及學者紛紛思考如何結合特有優勢資源與產業發展需求,他們發現這些海藻特有的黏多醣、蛋白質、不飽和脂肪酸以及類胡蘿蔔素,不但可作為食品添加劑或著色劑外,還可表現出有益的生物活性,如抗氧化、抗發炎、抗病毒、抗癌症、抗肥胖、抗血管新生和神經保護等功效,可開發成各種商業化應用產品,以下將說明藻類現況之應用。

圖一、全球海藻產量 (1950-2014) (FAO, 2015)


1. 食用與食品工業
  藻類中含有多種人體所需營養成分,數種人體必需胺基酸、維生素、礦物質鈣、鎂、鐵、碘、鋅、硒等微量元素及膳食纖維,可調節身體生理功能。海藻中膳食纖維不僅增加腸道產生機械性蠕動效果外,水溶性膳食纖維還可以減緩營養物的吸收、抑制糖類快速吸收、預防糖尿病、吸附及代謝膽汁酸、減少厭氧菌群、預防動脈硬化等功能。人類代謝過程無法自行合成之營養素,必須經由攝食獲得,稱為必需營養素。近年來研究人員於破囊壺藻屬 (Thraustochytrium) 和裂殖壺藻屬 (Schizochytrium) 這類異營性微藻細胞中發現具有高含量的必需脂肪酸22碳6烯酸 (Docosahexaenoic acid, DHA),而壺藻藻油相關產品在 2004 年通過 FDA 的 GRAS 認證,在適當的劑量規範下,可做為一般食品原料或食品添加劑使用。

2. 水產養殖
  有些微細藻可在水產養殖中作為餌料生物,或是其萃取物添加至飼料中,均衡養殖生物的營養或增色。如雨生紅球藻 (Haematococcus pluvialis) 萃取之蝦紅素 (Astaxanthin),可提供水產生物無法自行合成蝦紅素,經由攝食讓蝦紅素進入食物鏈,被生物攝取並累積,水產養殖上常作為養殖物種之增色添加劑。鮭鱒類和嘉鱲飼料中添加蝦紅素,可增加魚肉色澤。此外,增加魚的存活率、成長和孵化的效果。草蝦攝食含有藻類類胡蘿蔔素飼料具有增色、提高存活率、增進幼苗品質及抗環境緊迫等功效。在黃金蜆的養殖上,發現淡水矽藻梅尼小環藻 (Cyclotella meneghiniana) 含有大量多醣體及脂肪酸,餵食黃金蜆可增加其肥滿度和營養因子。隱藻門中的紅隱藻屬 (Rhodomonas) 因含有大量的多元不飽和脂肪酸,被認為適合當作水產養殖上的餌料生物,無論在單枚貝、二枚貝或海膽幼苗養殖,都有不錯的成果,並且也有研究指出,投餵 Rhodomonas salina 可以加快牡蠣性腺成熟度。

3. 保健食品
  部分海藻可能因粗纖維含量高於 5 % 或顏色、腥味過重無法被食用,將其機能性成分進行萃取,製成錠狀、膠囊或飲品等各式保健食品。台灣綠藻工業公司以研發販售小球藻保健食品聞名,經由動物試驗證實具有延緩老化、補充體力和免疫調節功能,並可作為素食者 B 群補充來源;國際引藻生物科技擁有小球藻新品系 W-87,其保健有效成分為亞麻油酸 (Linoleic acid),聲稱具有降低血中三酸甘油酯及低密度脂蛋白膽固醇,而台灣生產微藻保健食品尚有光壁、味丹生技和遠東藍藻等公司。
大型海藻細胞壁間的黏多醣大多為海藻特有多醣,這類多醣具有硫酸根,如褐藻醣膠 (Fucoidan)、鹿角菜膠 (Carrageenan) 被廣泛作為保健食品食用。這類海藻多醣可作為免疫刺激物,其主要調節對象為巨噬細胞,巨噬細胞是一種源自單核細胞的白血球,參與非特異性免疫和特異性免疫,對於病原體可以進行吞噬作用並活化淋巴球或其他免疫細胞。文獻指出 λ-鹿角菜膠可有效抑制腸病毒 71 型,減少病毒斑生成量,防止病毒複製並抑制腸病毒 71 型誘導的細胞凋亡。病毒結合試驗 (Virus binding assay) 中,顯示 λ-鹿角菜膠會緊密結合腸病毒 71 型,形成卡拉膠-病毒複合物,由此病毒-受體交互作用可能被破壞。

4. 保養品
  藻類中富含類胡蘿蔔素和藻膽蛋白,這類天然色素對於清除 DPPH 自由基、超氧陰離子 (O2-) 和螯合亞鐵氧化物上,都有優異的抗氧化能力,並具有抗發炎和防止皮膚老化的特性,除此之外,藻類中還有多酚類的二次代謝物可透過與酪胺酸酶 (Tyrosinase) 反應中心的銅離子交互作用,或是在反應過程與酪胺酸酶結合後,再經由系列反應將 2 價銅轉換成 0 價銅,使酪胺酸酶失去活性,達到美白的效果。亦有研究指出小球藻水溶性萃取物具有抗 UVB 的效果,可抑制基質金屬蛋白酶-1 (Matrix metalloprotein-ase-1, MMP-1) 的蛋白質和基因表現,並且防止 UVB 抑制彈性蛋白 (Elastin) 和原膠原蛋白基因表現,保護皮膚避免 UVB 照射所誘導的皮膚損傷。

5. 生物醫學
  多篇研究報告指出,藻類中含有多種活性物質且已被使用於生物醫學,甚至臨床醫學上。存在於藍綠藻、紅藻和隱藻的藻紅蛋白,因不同於其他藻膽蛋白,具有較好的光學性質,適合用於臨床診斷和生物化學技術上,如流式細胞儀和免疫螢光標記。由藻紅蛋白所製作的免疫螢光標記抗體,檢測靈敏度高於傳統螢光標記物,可用於特殊分子定位和準確診斷腫瘤,進行病情判斷且天然蛋白質無毒易代謝,對於生物體傷害程度較低。藻紅蛋白優異的光學條件,亦有研究人員將藻紅蛋白亞基運用於光動力療法上,發現藻紅蛋白對於腫瘤細胞比正常細胞有更好的親和力,並且在病灶處聚集,吸收特定波長光源後產生自由基和 ROS,產生細胞毒殺作用,破壞腫瘤細胞,證實可以改善小鼠腫瘤細胞和人類肝癌細胞。台灣獨步全球萃取純化技術的小分子褐藻醣膠 (Oligo Fucoidan) 作用於在肺癌細胞上,證實可藉由泛素介質蛋白降解機制 (Ubiquitin-dependent proteasomal pathways, UPP),有效破壞肺癌細胞的轉化生長因子β受器 (Transforming growth factor β receptor, TGF β receptor),並抑制肺癌細胞成長和轉移。

未來發展與挑戰
  由於海藻養殖快速發展,也出現許多與水產養殖物種相同問題,依賴有限遺傳基因庫而造成疾病和大量疫情爆發,或因為養殖外來種而與原生種互相競爭、交配,改變原生種基因庫組成或使原生種減少。如主要生產鹿角菜膠的紅藻卡帕藻 (Kappaphycus alvarezii),因繁殖方法採用斷裂生殖方式進行,其遺傳基因庫未受到重新洗牌的機制,當環境中致病菌繁生,感染卡帕藻並爆發白化冰樣病 (Ice-ice disease) (圖二),使整體生產力大幅下降。菲律賓在 2011-2013 年間,因為卡帕藻爆發白化冰樣病,總產量減少 15 % (約 26.8 萬噸),總產值損失約 3.1 億美元。故我們需設法建立當地的育種及生產管理中心,因地制宜得減少對非原生種依賴性,並開發出生鮮海藻上的檢疫措施,杜絕病源菌及害蟲。育種技術方面,中國已成功研發出海帶新品系,如快速成長或抗病力提升,搭配上新型海藻培養技術,可大量減少養殖時間及人力成本;而菲律賓則著手於卡帕藻的抗寒與抗病基因上,目前已有初步的結果,但尚未在商業規模上使用。


圖二、長心卡帕藻白化冰樣病 (Ice-ice disease)

(https://en.wikipedia.org/wiki/Ice-ice#/media/File:Ice-ice_disease_on_Kappaphycus.jpg)

另一方面,工業化集中動物飼養經營 (Confined animal feed operations, CAFOs)、農業肥料大量運用、氨氣之空氣汙染及水產生物的代謝產物皆會造成沿海環境的氮源濃度持續攀升,使有害藻類 (Harmful algae) 伺機而動。北阿拉伯海在這十年內,沿海海洋浮游植物組成發生巨大的轉變,之前主要以矽藻為主要優勢種,但這些矽藻藻華卻逐漸被異營性夜光藻 (Noctiluca scintillans) 藻華所取代。夜光藻不僅破壞原本的矽藻食物鏈,同時也可在缺氧情況下,比其他浮游植物更能有效地進行固碳,造成區域漁業和沿海生態系的危害。然而,台灣馬祖也有夜光藻存在,在夜晚的沿海經由海浪拍打,激發出藍色螢光,素有「藍眼淚」的美名,使得許多觀光客慕名而來。許多研究單位也投入許多心力進行該地生態研究調查,發現夜光藻是無毒赤潮藻類,且有延續的食物鏈所構成閩江河口生態系。但仍要注意若夜光藻大量增生,可能會黏附於魚類的魚鰓上,造成魚類窒息而死;另外,夜光藻死亡後會被分解出屍鹼 (Cadaverine) 和硫化氫,導致海洋微環境改變,需多加觀測及留意。

水體的富營養化和單一物種大量養殖容易造成疾病爆發,許多專家和漁業學者普遍認為整合式多營養層養殖 (Integrated multi-trophic aquaculture, IMTA) 為一種未來沿海水產養殖發展趨勢,利用過量營養源作為海藻生產資源,減輕養殖魚類代謝廢物造成的負面影響,除了減少對生態影響外,亦可提高單一地區總生產力,增加水產養殖投資潛力。整合式多營養層養殖系統已在中國和南韓行之有年。中國的山東半島一直以商業規模實行,該系統以養殖海藻、鮑魚和海參為主,餵食海帶給鮑魚食用,之後以糞便形式產生的有機物與海參飼料一起被海參利用,而鮑魚和海參產生的排泄產物和糞便被礦化並由海藻吸收,增加海藻生產力並回收代謝廢物,之後海帶可做為人為或鮑魚食用。韓國則是以海帶、裙帶菜和紫菜為主要養殖海藻,運用 IMTA 系統發現可以減少富營養化問題,並且預估每年海藻養殖場可清除 6.6 萬噸的碳和 4.4 千噸的氮。

在台灣可將 IMTA 系統應用於離岸風機上,因發展離岸風電過程,勢必會對海洋環境造成一定程度的影響和破壞,或漁業資源萎縮。為了減緩對漁業資源衝擊,部分學者也提出結合箱網養殖和海藻養殖的多功能離岸風機降低離岸風機對海洋環境影響,並提供當地居民工作機會。然而台灣海峽海域植食性魚類眾多,瓜子鱲 (Genus Girella)、舵魚 (Genus Kyphosus)、褐籃子魚 (Genus Siganus)、刺尾鯛科 (Acanthuridae) 等喜愛攝食藻類;許多經濟性海藻 (如海帶和卡帕藻) 並非台灣本島原生種;且受到洋流與氣候因子的影響 (東北季風及颱風),故不易發展海藻延繩養殖,但可投入人工藻礁設置海洋牧場,作為離岸風機結合箱網養殖的延伸。在人工藻礁的藻種選擇上,通常都以褐藻為主,包括巨藻、海帶、馬尾藻和鼠尾藻等,因為這類海藻體型較大,能提供較多垂直空間給海洋生物攝食、生長、棲息、繁殖和躲避天敵,且商業化價值較高,但台灣位於亞熱帶氣候區,海藻群落趨於小型化,並無大型經濟性褐藻,可選用重緣葉馬尾藻 (Sargassum cristaefolium) 和中國半葉馬尾藻 (Sargassum hemiphyllum var. chinense) 等台灣原生種馬尾藻進行代替,附著於人工礁體上,利用箱網養殖水域範圍的下層,固定養殖生物所排出二氧化碳並將氨化作用的無機氮化合物加以吸收利用,修復因建立離岸風機所造成的海洋環境破壞,並且降低水產養殖造成的環境富營養化,進而建構「人工藻礁生態系統」改善當地海洋生態。

能源議題上,藻類因不作為人類糧食來源與可利用非作物耕地培養,時常被提出可發展為生質能源之材料。微細藻中油脂含量高,可被轉化為生質柴油,亦有業者藉由基因轉殖技術,使藻類增加產油量;大型藻因油脂少,但纖維素含量較高,可透過發酵生產纖維素酒精。然而,水平探鑽 (Horizontal Drilling) 與液裂技術 (Hydraulic fracturing) 發展嫻熟,頁岩油開採成本大幅下降;氫燃料電池作為發電及交通工具動力來源,減少對石油的依賴;石油輸出國家組織 (Organization of the Petroleum Exporting Countries, OPEC) 各國間的角力,使得 2017 年截至四月原油價格坐落於每桶 50-55 美元 (圖三)。

圖三、2013-2017年原油價格趨勢圖 (桶/美元) (台灣經濟部能源局)

原油價格持續維持在低點,壓得各國生質能源公司喘不過氣,許多業者面臨併購、轉換市場或倒閉。如Aurora Algae 本來著重於生質柴油的發展,之後轉變為保健食品,期望藉由Omega-3高單價商品獲利,但因當地氣候、人力成本昂貴和缺乏資金收入,最終 Aurora Algae 在 2015 年公司倒閉;Algenol 使用微藻生產酒精,曾於 2009 年獲得美國能源部2500萬美元,但在 2015 年,創辦人 Paul Woods 辭職且公司宣布裁員 25 %,之後公司將主軸導向藻類的淨水處理及碳捕捉,2016年公司名稱改為 Algenol Biotech LLC,致力於微藻產品開發及製造;Solazyme 在2007年開始商業化規模生產微藻油,並於2011 年為美國海軍生產 28.3 萬升的軍用柴油,卻在 2016 年 3 月正式更名為 TerraVia Holdings Inc.,將品牌定位於食品、營養及個人護理上,希望透過多角化經營模式,刺激公司下一波的成長。綜合以上產業發展,可以得知生質能源產業與油價息息相關,杜邦全球業務總監 Jan Koninckx 接受金融時報訪談時坦承,在經濟學角度,原油價格須回升至每桶 70-80 美元,生物燃料才有競爭機會。儘管藻類發展生質能源不如預期的藍圖,但其含有多元不飽和脂肪酸,因此可轉向發展食品添加與保健產品。另一個值得關注議題是,世界平均二氧化碳濃度在 2016 年已突破 400 ppm,而目前還在持續攀升中 (圖四),具有碳捕捉能力的藻類產業應該如何因應,開發相關集碳技術和利用火力發電產生之二氧化碳,供藻類吸收,藉由養殖技術突破進而發展後端產品;行銷策略上,如何強化消費者對於碳足跡標籤 (Carbon footprint label) 的認知,並且提升其於消費者心中的價值及購買意願,將會是藻類產業未來所面臨的一大挑戰。

圖四、全球1958-2017年二氧化碳濃度趨勢圖
(Scripps Oceanography, 2017)

雨生紅球藻為累積蝦紅素含量最高的天然物種,可達細胞乾重的 1-5 %,一般生長環境中,細胞呈綠色橢圓球狀,具有兩根鞭毛提供游動,稱為營養細胞 (Vegetative cell) 或是游動孢子 (Zoospore)。但處於逆境 (高溫、高強光、藍光照射、鹽度提升、營養鹽缺乏) 時,細胞型態會開始改變,失去鞭毛,休眠細胞 (Akinete或Aplanospores),此時細胞質產生脂肪球 (Lipid globules),使細胞體型增大、細胞壁增厚並累積蝦紅素。其特殊的生理機制,造就了特別的兩階段式培養,第一階段需要有高生物量 (Biomass),之後再進行第二階段逆境誘導,生產蝦紅素。以 Maui Tropical Algae Farm 為例,使用塑袋懸掛式培養於室內培養兩周,之後轉移至室外高強光培養 (圖五),長達 20 天,總培養時間約一個月,該培養法比起其他微細藻收成時間 (3-5 天) 相對較長;在萃取過程上,因為蝦紅素累積於雨生紅球藻的休眠孢子中,必須先破壞結構性強的細胞壁,才能使用有機溶劑萃取蝦紅素,無形地增加生產成本。隨著生物技術的進步,類胡蘿蔔素生物合成途徑逐步被建立,透過基因轉殖,使轉型大腸桿菌 (Escherichia coli) 可透過表現異戊二烯途徑 (Isoprenoid pathway) 和類胡蘿蔔素途徑 (Carotenoid pathway) 所需酵素,大量生產番茄紅素 (Lycopene)、β-胡蘿蔔素 (β-carotene) 和蝦紅素,並且只需破除肽聚醣細胞壁,即可萃取類胡蘿蔔素與蝦紅素,所以無論在生產與萃取純化上皆相對便利。目前已有學者及業者取得相關之專利,並上市蝦紅素周邊產品,進行販售。

圖五、雨生紅球藻室外紅相培養
(http://www.algaeindustrymagazine.com/wp-content/uploads/mtafRed-stage.jpg)

藻類細胞壁結構物質上的多醣和蛋白具有羥基、羧基、氨基等官能基,具有陽離子交換作用,對金屬離子產生吸附作用 (Adsorption),甚至有些藻類會將重金屬進行螯合,形成植物螯合素 (Phytochelatins) 和金屬硫蛋白 (Metallothioneins),將其複合體轉移至液胞中。雖然這樣的特性,讓許多研究學者將藻類視為一種良好的重金屬生物吸附處理劑,但對於人類食用和保健食品開發卻是一大夢魘。去除金屬離子的方法主要由物理、化學和生物技術組成,使用方法有化學沉澱、吸附劑吸附、螯合法、膜分離技術、離子交換和生物吸附法等,每種技術都有自身的優點與局限性。以褐藻醣膠去除重金屬為例,通常採用螯合劑和超膜分離技術,先使用競爭型螯合劑 EDTA-Na2+ 在酸性條件下與褐藻醣膠進行離子交換,之後使用超膜分離技術有效去除重金屬,降低褐藻醣膠中的重金屬殘留量。

藻類從最開始的生態生產者,被作為環境中的指標生物進行研究,而後來被發現具有許多活性物質且大規模養殖上不需要投以飼料,又可達到淨化水質並吸收二氧化碳,十分符合綠色產業宗旨,故有許多學者及業者前仆後繼,投入心力在這項產業上。雖然我國在這項領域上發展較為緩慢,但能以其他各國逐步測試出的結果為借鏡,加以利用與技術分工,透過逐步的連結,使藻類科技產業化。

  
關鍵字: 藻類