研究与评论:微生物学与雷竞技苹果下载生物技术杂志
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Mohd Azmuddin Abdullah1＊赛义德·穆罕默德·乌斯曼·沙阿2，3.，萨纳·马哈茂德·梅特沃利·沙纳布4哈姆迪·埃尔赛德·艾哈迈德·阿里5
1马来西亚登嘉楼大学海洋生物技术研究所，21030 Kuala Nerus，登嘉楼，马来西亚
2马来西亚国家石油大学化学工程系，马来西亚霹雳州斯里依斯干达32610
3.巴基斯坦伊斯兰堡帕克路44000号COMSATS信息技术研究所生物科学系
5埃及国家放射研究与技术中心(NCRRT)放射微生物部能源埃及当局(EAEA)
收到日期:15/12/2016;接受日期:27/06/2017;发表日期:30/06/2017
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藻类是天然的脂质、碳水化合物和高价值生物活性化合物的生产者。当藻类处于环境或营养压力下时，这些生物产物的积累趋于增加。确定影响本构产物积累触发的工程因素和分子因素是至关重要的。本文探讨了可能影响集成微藻生物工艺工程商业规模发展的问题和因素，特别是在不同的目标产品、工程因素以及微藻生物量和生物制品作为可再生生物燃料和高价值生物活性化合物来源的回收方面。
海藻，生物过程工程，脂质，碳水化合物，生物活性化合物
微藻是一种光合微生物，能够利用太阳能和CO快速产生生物质2在水体和耕地中，效率比陆生植物高10倍。藻类不仅生活在水生环境中，也生活在陆地生态系统和恶劣的环境中，它们代表了来自各种环境条件的大量物种[1］．
自养生物将太阳能直接转化为有机分子，但一些藻类物种也以异养和/或混合养的形式生长在有机碳上，表现出比自养模式的几个优点[2］．表1展示了微藻细胞壁和存储产品的组成，提供了多种有价值的产品和环境解决方案，如能源(包括喷气燃料，航空燃气，生物柴油，汽油和生物乙醇)，颜料，食物营养化合物，如ω -3脂肪酸、药物、重组蛋白和疫苗、动物饲料、有机肥料和可生物降解塑料[3.-5］．藻类有许多优点，如更高的生物量生产力，消耗有害污染物的能力，以最低的资源需求，不与食物或食物竞争农业宝贵的资源和土地[6-8］．
| 部门 | 细胞壁 | 存储产品 |
|---|---|---|
| 蓝藻门 | 脂多糖, | Cyanophycean |
| 肽聚糖 | 淀粉 | |
| 绿藻门 | 纤维素、半纤维素 | 淀粉/脂质 |
| Dinophyta | 缺乏或含有少量纤维素 | 淀粉 |
| 隐藻门 | Periplast | 淀粉 |
| 裸藻门植物 | 没有 | Paramylum /脂质 |
| 红藻门 | 琼脂，卡拉胶，纤维素， | 红藻的淀粉 |
| 碳酸钙 | ||
| Heterokontophyta | 裸露或被鳞片覆盖或 | 麦清蛋白/脂质 |
| 含有大量的二氧化硅 | ||
| 褐藻类 | 褐藻酸，岩藻糖胶，子囊酚 | 海带多糖 |
| 硅藻门 (硅藻) |
果胶，水合二氧化硅，硫酸多糖 | 乳酸菌素、脂质、体素颗粒(蛋白质) |
迄今为止，藻类有潜力在解决世界上普遍存在的能源、环境和粮食危机方面发挥关键作用。与其他藻类类相比，红藻是许多生物活性代谢产物的重要来源[3.］．比如蓝藻，白蛉、纹波绦虫、毛囊绦虫、艾氏热丝绦虫、而且淡水藻类的一种摘要显示抗人类免疫缺陷病毒－1(艾滋病毒－1)活性，并检测出亚砜类的存在。从海藻中提取的水胶体、海藻酸盐、琼脂和卡拉胶在食品和药品中被广泛用作粘度改性剂。硅藻来自一种庞大而多样的单细胞真核藻类，其特征是由称为frustule的硅制成的独特细胞壁[9]，在海洋中扮演着重要的角色2固定和氧2生产。硅藻除了用作水产养殖饲料和特殊油脂(如omega-3脂肪酸)外，人们对开发硅藻用于纳米技术应用也很感兴趣[10］．
美国燃料乙醇产量从2000年的16亿加仑增加到2010年的132亿加仑，消耗了三分之一的玉米收成。这导致全球粮食价格大幅上涨[11]，从大豆、花生、菜籽油和棕榈油等食用植物油中提取生物柴油的情况与此类似[12］．因此，微藻已经成为最有前途的生物燃料原料之一，不面临任何食物与燃料的问题。用于商业规模的生物燃料生产的藻类种植似乎还不经济和可持续。在生物精炼概念中，同时生产特定的高价值化合物和生物燃料可以改善经济状况[4，5，13］．此外，作为工业部门的大宗商品，如药品、化妆品、营养食品、功能性食品和生物燃料等，随时可用的藻类提取物、馏分或纯化合物的供应至关重要[14］．藻类培养设施可设在水生环境中，从而减少对耕地的利用[15］．微藻的品质细胞可以控制使用清洁的营养介质进行生长，从而避免使用除草剂和农药，或任何其他有毒物质，以及反应器系统的最佳条件。
本文概述了不同类型的藻类产品、生物活性、特性和生产技术，重点介绍了脂类、碳水化合物和抗氧化剂的生产，以及集成反应器的策略和提高生产力的下游工程考虑因素。
藻类是生产许多高价值化合物的生物工厂。Microalgal脂质含有必需脂肪酸二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)，以及其他高价值脂肪酸(ω -3、γ-亚麻酸等)，这些脂肪酸在粮食作物中可能不存在。中性脂类，特别是三酰甘油酯(TAGs)，适合转化为生物柴油(脂肪酸甲酯，FAME) [16］．碳水化合物是糖发酵生产生物乙醇的原料[17］．硅藻等物种因发现新的代谢途径而具有吸引力，可能在进化过程中获得了一系列新的生物过程[18]，在其他常被研究的模式生物中可能没有[19］．高值特异性次生代谢产物包括色素和维生素。藻类蛋白质具有与其他参考食物蛋白质相当的高营养品质，因为其良好的结构和高比例的氨基酸[20.］．
脂质
藻类有一个触发器，当被置于有压力的环境中，如营养剥夺，可以改变碳氢化合物生产的代谢途径(以油的形式储存能量)。藻类的平均脂肪含量在干质量的1-70%之间变化，含油量为20-50%，但根据菌种和环境的不同，脂肪含量可高达60-90% [21，22］．藻类中的油或脂质用溶剂提取，并通过酯交换反应制成生物柴油[15，23］．尽管存在含油量为70%的藻类，但还没有开发出能够维持这种含油量水平的生长系统，从而使藻类油成为一种经济的选择[15］．大规模生产也受到少数可选择性优化为高生物量生产力和高TAG含量的藻类菌株的可用性的阻碍[24］．一些具有经济效益和高产潜力的模式微藻包括杜氏藻盐渍藻，小球藻sp。莱茵衣藻sp。雨生红球藻，三角棕手藻，纳米绿藻sp。25，26］．
碳水化合物
碳水化合物是光合作用和固碳作用的主要产物新陈代谢(卡尔文循环)[27］．这些物质要么作为储备物质(如淀粉)积累在质体中，要么成为细胞壁的主要成分(如纤维素、果胶和硫酸多糖)。不同种类的微藻中碳水化合物(主要是淀粉和纤维素)的组成和代谢可能有很大差异[28，29］．绿色微藻种类的碳水化合物或淀粉含量小球藻，杜氏藻，衣藻而且栅藻据报道，基于干细胞重量的16-60% [29］．75%的藻类复合碳水化合物可水解为可发酵的己糖单体或80%的理论乙醇产量[30.]，人们对微藻作为一种先进的能源原料用于生物乙醇生产非常感兴趣[31，32］．缺乏非光合支撑结构(根、茎或叶)有利于藻类的培养。某些品种可以在暗厌氧发酵过程中产生乙醇，从而作为乙醇生产的直接来源。大型藻类也可以被利用，而产油微藻在石油提取后产生高淀粉/纤维素生物质废物，可被水解生成糖浆作为乙醇生产的底物[33］．与土壤相比，从混合良好的水环境中很容易为微藻培养提供最佳水平或最低营养。在黑暗和厌氧条件下，淀粉可以直接转化为生物乙醇。尽管生物乙醇的生产速率和产量可能很低，但了解光合微藻细胞在黑暗条件下的基本代谢是至关重要的[34，35］．通常采用两种方法:发酵(生化过程)和气化(热化学过程)[13］．从藻类生物质中提取油脂后，利用葡萄糖-淀粉酶、α-淀粉酶和酵母、细菌或真菌将藻类残渣中的糖发酵成乙醇和二氧化碳，使用可循环利用的水[6］．
生物丁醇和来自生物质原料的其他高级醇被称为高级生物燃料，最终可能取代生物乙醇[36］．丁醇目前主要以石油为原料，通过化学合成的方法生产[37］．与乙醇相比，丁醇不仅具有较高的能量含量和较低的挥发性，而且吸湿性较差，在任何比例下都能更好地与汽油混合。生物丁醇也可以从碳水化合物为基础的微藻中生产出来，作为替代燃料，因为它含有更多的能量，腐蚀性较小，且可溶于水[38]，并且可能非常适合与现有的石油运输燃料的储存和分配基础设施一起使用。然而，由于生物丁醇对宿主细胞的严重抑制作用，生物丁醇发酵的效率和产量要低得多，产物滴度和产量也较低[39］．
微藻生物量还可通过厌氧发酵过程用于增强气态生物燃料，如甲烷和氢[5，40］．在综合生物精炼概念中，利用生产高品质生物燃料(如生物乙醇和生物丁醇)后剩余的微藻残渣，可使厌氧消化过程具有经济竞争力[5，40，41］．因此，可以建立甲烷生产设施来处理发酵工厂产生的有机废物。藻类生物质的厌氧消化产生甲烷含量高(超过60%)及硫含量低的沼气，可减少发电机的腐蚀[42］．生物氢是另一种很有前途的新能源载体，因为它更清洁、更高效，尤其是用于燃料电池直接发电时。通过微藻代谢网络可以直接生产生物氢，但效率较低。含淀粉的绿藻杜氏盐藻tertiolecta而且c . reinhardtii已成功应用，实现了H2产量(以淀粉为基准)分别为61%和52% [43］．
高价值生物活性化合物
在过去30年里出现的水产天然产品的三个研究领域是毒素、生物制品和化学生态学，其中已经确定了15000多种新化合物。海洋化合物具有广泛多样的分子靶点，具有显著的选择性和药用价值。藻类属于这一有前途的群体，可以提供新的生物化学活性物质[46-48］．然而，已经从传统上研究得更好的生物体中获得的代谢物的发现，预计在微藻中要低得多[49］．次生代谢可以很容易地由大多数形式的外部施加的压力，如营养缺乏。微藻巨大的代谢可塑性可能导致不同的生理状态，应激或其他不同的结果。为了在淡水和海洋的竞争环境中生存，制定的防御策略可能会导致不同代谢途径的显著结构-化学多样性[50，51］．这些物质包括色素(叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素)、抗氧化剂、维生素(β-胡萝卜素)、多糖、甘油三酯(脂肪酸)和生物量[52］．
微藻的一个主要潜在应用是作为营养品(功能性食品)，为人体提供营养和药物益处，以预防和治疗疾病[53]。从天然来源(植物或海藻/藻类)中分离或纯化的营养化合物可能以通常与食品无关的药用形式出售，但已证明具有生理益处，包括促进骨骼和牙齿健康，减轻体重，预防慢性疾病，改善免疫系统和大脑发育，更健康的消化系统，控制血压，降低胆固醇或心血管风险事件，抗氧化，抗病毒，以及抗癌特性[54，55］．微藻的潜在营养物质包括维生素和矿物质、多糖、多不饱和脂肪酸(PUFAs)、酚类和抗氧化剂、蛋白质、色素/类胡萝卜素、固醇和多糖[56］．例子包括Haematococcus粉末或片剂或虾青素提取物。
类型
脂肪酸和甘油:脂肪酸，饱和和不饱和的一个或多个双键(单/PUFAs)，是生产蛋白质，核酸和生物膜的重要初级产物。PUFAs在细胞和组织代谢中起着关键作用，包括调节膜流动性、电子和氧气运输以及热适应。应激环境条件影响脂肪酸的生成和组成，活性氧(ROS)可诱导脂质过氧化，从而改变生物膜的组成和功能。油脂及其脂肪酸含量影响所制生物柴油的特性，并表现出不同的生物活性和化感作用[57，58］．甘油在微藻中积累起渗透作用，调节细胞与环境之间的渗透压。甘油可用于生产与食品、工业或制药部门相关的高价值产品[59]，也是生产生物柴油的脂质酯交换的副产物。
颜料:颜料是一种彩色化合物，能吸收和反射某些波长的可见光。在微藻的光合系统中，叶绿素、藻胆素和类胡萝卜素等色素起着吸收光能的作用。叶绿素，存在于所有高等植物、光合藻类和蓝藻中，呈绿色，脂溶性，含有卟啉环。从结构上看，叶绿素是由一个中心结合的镁原子取代的四聚体。四聚卟啉进一步酯化为二萜醇叶绿醇，形成叶绿素[60］．在藻类中，有四种叶绿素，其中最重要的是叶绿素a (Chl a)，它吸收紫蓝色和橙红色波长的大部分能量[61]，以及分别存在于绿藻、褐藻和红藻中的叶绿素b、c、d [62］．它们是光合作用所必需的分子，通过将它们充满能量的电子传递到制造糖的分子上。藻胆素与被称为藻胆蛋白的水溶性蛋白质结合。藻胆蛋白主要存在于蓝藻中，也存在于一些红藻和隐单藻中，作为主要的光感受器、附件或天线，通过吸收可见光谱(450-650 nm)的能量进行光合作用[63］．藻胆蛋白分为藻蓝胆素(蓝色)、藻红胆素(红色)、藻红胆素(黄色)和藻红胆素(紫色)。
类胡萝卜素是一组超过700种天然脂溶性色素，主要由浮游植物、植物、藻类/海藻和一些真菌和细菌物种产生，大量存在于水果、蔬菜、一些海鲜和地中海食物中。它们是40个碳结构的疏水辅助色素，分为两大类:胡萝卜素(非含氧分子)和叶黄素(含氧分子)。在光合作用中，类胡萝卜素在光收集、光保护、超氧化物(O2 -)扫气、多余能量耗散及结构稳定[64］．类胡萝卜素与多肽形成色素蛋白复合物，主要位于类囊体膜、叶绿体或质体中。一些精选的藻类乙基类胡萝卜素图1．主要有虾青素、岩藻黄嘌呤、β-胡萝卜素和叶黄素。β-胡萝卜素(图1)主要是类胡萝卜素，而虾青素呢(图1 b)是次生类胡萝卜素。虾青素是一种高价值的藻类类胡萝卜素，已经取得了商业上的成功。这个分子有两个不对称的碳，分别位于分子两端苯环的3号和39号位置(图1 b)．虾青素无处不在，尤其是在海洋环境中，以鲑鱼、虾、龙虾和小龙虾的粉红色色调而闻名。在藻类和浮游植物中，虾青素在食物链中被生物合成，处于初级生产水平，随后可能被浮游动物、昆虫或甲壳类动物消耗和摄入[65］．叶黄素是一种主要的类胡萝卜素，参与维持光系统的结构和功能。与初级类胡萝卜素β-胡萝卜素或二级类胡萝卜素虾青素不同，叶黄素在应激条件下充当二级类胡萝卜素。类胡萝卜素被广泛研究的主要种类有杜氏盐藻赛利娜,Haematococcus pluvialis，小球藻zofingiensis而且小球藻寻常的由于它们在大规模培养中的商业潜力[66］．雨生红球藻中虾青素的累积量超过任何其他已知来源[67-69]，因此是研究最多的，但其他人如小球藻sp。70]，Chlorococcumsp。71]或栅藻sp。72]，都是虾青素的潜在生产者。类胡萝卜素叶黄素可由小球藻sp。70，73]，Muriellopsissp。74]，栅藻sp。75),衣藻sp。76］．
各种各样的化合物
藻类能产生无数结构复杂的化合物。其中包括多糖、菌孢素样氨基酸(MAAs)、卤化化合物和聚羟基烷酸(PHA)。多糖具有良好的抗肿瘤、抗病毒和免疫增强活性[52，79，80]，可作为乳液稳定剂，改变水流变特性的生物絮凝剂或增稠剂，以及处理污染水的重金属去除率。有几种真核微藻类似小球藻sp。紫球藻属sp。81]，Rhodellasp。82]，Botryococcussp。83]，杜氏盐藻sp。84]和原核微藻[79，85]，产生和排泄相对较高数量的多糖，从0.5 g/L到报道的超过20 g/L藻青菌蓝杆菌第113篇[86］．MAAs是一类细胞内化合物，可保护水生、海洋和淡水生物免受太阳照射[87］．它们的特征是一个环己酮或环己亚胺发色团与一个或两个氨基酸缀合，其最大吸收范围为310至360 nm [88］．MAAs的生物合成被认为是通过莽草酸途径的一个分支发生的。除了在水生生物中作为防晒霜的作用外，一些MAAs还可以作为抗氧化剂[89]，并对ROS诱导的光氧化应激提供保护。
卤代化合物由海洋红藻和褐藻自然产生，分散在不同种类的初级和次级代谢产物中，包括吲哚、萜烯、乙酰原素、酚类、脂肪酸和挥发性碳氢化合物。倍半萜、多卤代单萜和卤代脂肪酸的衍生物表现出广泛的药理活性，包括抗菌和抗肿瘤活性[90，91］．聚羟基烷酸(PHA)是一组微生物(典型的原核生物)碳和能量存储材料和应激代谢产物，在不利的生长条件下积累。PHA中最简单的成员是聚β-羟基丁酸酯(PHB)。PHB是一种天然的热塑性聚酯，其性能与石油基塑料相似，但具有完全生物降解的优势，使其成为一种有趣的绿色替代品[92，93］．Τhe PHA和PHB的合成已经被几个蓝藻细菌如螺旋藻sp。92]，念珠藻属sp。94),而集胞藻属sp。95］．
生物活性
抗氧化和抗炎活性:平衡的环境包括活性氧(ROS)和活性氮(RNS)，有助于促进正常的细胞健康。ROS导致在正常细胞功能期间合成适当数量的信号分子，这些信号分子与代谢途径中的下游产物一起运作。炎症刺激如细胞因子或病原体会显著增加ROS和RNS的产生，从而损害健康细胞。单线态氧自由基(SOR)与衰老过程、癌症、心血管疾病、动脉粥样硬化、类风湿关节炎、肌肉萎缩症、白内障和神经系统疾病有关[78，96］．氧化还原稳态维持亲核性，这说明健康的生理稳定状态。氧化和抗氧化信号是氧化还原稳态的主要特征。由于反馈反应迅速逆转氧化还原转移，通过产生和消除亲电试剂和亲核试剂的连续信号来维持稳态。亲电试剂和亲核试剂本质上没有伤害或保护作用，氧化还原稳态是对挑战的反应和随后的反馈的基本特征。当氧化剂和亲核试剂之间的平衡在氧化还原稳态中被保留时，氧化应激建立了一种新的彻底改变的氧化还原稳态[97］．
慢性氧化应激和炎症会消耗天然的(和饮食中的)抗氧化剂，导致氧化还原稳态失衡。超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶是天然的酶抗氧化剂，可清除或猝灭过量的脂溶性和水溶性ROS和RNS，使信号分子和细胞通路上调炎症介质的产生，使其正常运作，达到内稳态[78］．这些抗炎活性可归因于细胞膜和线粒体膜间隙中特定抗氧化剂的构象差异。脂质双分子层中的精确跨膜排列使抗氧化分子的亲水端暴露于细胞的内部细胞质和水环境(或线粒体基质和线粒体的膜间空间)，以促进通过抗氧化化合物碳支架的双键进行电子转移[98］．流行病学，饮食和在活的有机体内动物模型研究表明抗氧化剂是合适的治疗选择。微藻含有丰富的类胡萝卜素，这些类胡萝卜素具有强效的生物抗氧化剂，可将SOR或ROS的激发能量吸收到其复杂的环状链中，因此适合用于治疗[96，99，One hundred.］．类胡萝卜素具有不同的生物活性[62]，由于类胡萝卜素的颜色(黄色、橙色、红色)，类胡萝卜素也被用作天然着色剂[101-103］．微藻中的类胡萝卜素化合物中有β-胡萝卜素d .盐水湖，虾青素，香豆素和叶黄素Haematococcus pluvialis［104]，紫黄素中含有两种次要的黄素，花椒黄素和玉米黄素c . ellipsoidea还有叶黄素c .寻常的［105]和叶黄素c . pyrenoidosa［106］．转基因小鼠被喂食小球藻含有类胡萝卜素的sp，如β-胡萝卜素和叶黄素，可在很大程度上防止认知障碍的进展[107］．叶黄素也被推荐用于癌症治疗和与视网膜变性有关的疾病[108，109］．虾青素提供了一种广泛的“上游”方法，可抑制ROS/RNS或促进自由基链断裂，减少低密度脂蛋白氧化，可安全用于人体[95，110］．
具有抗氧化活性的色素是高价值化合物，通常用作食品防腐剂或添加剂，或作为促进健康的补充剂[111]，但现在被认为具有治疗作用，或在天然食物中摄取，或作为配方功能食品的一部分。营养品和功能性食品成分可能是有益的化合物，有利于血管健康，降低血脂异常引起的心血管整体风险，减轻动脉粥样硬化过程和冠心病发展的负担[112，113］．这些药物可与他汀类药物平行作用，或在失败或不能使用他汀类药物的情况下作为佐剂。这些作用的机制尚不完全清楚，但可能与降低7α-羟化酶、增加胆固醇的粪便排泄、降低3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a还原酶mRNA水平或减少极低密度脂蛋白的分泌有关[55］．已知类胡萝卜素可降低心血管事件的发生率和流行率，最可能是通过对自由基的抗氧化作用或作为抗炎分子(即通过调节脂氧合酶的活性)[114］．代谢综合征患者的Framingham风险评分研究支持了在初级心血管预防方案中使用营养药物以降低心血管疾病发病率和死亡率的总体负担的假设[55，115］．天然着色剂，如叶绿素α及其衍生物氟化硼α，具有抗氧化性能[62］．藻胆蛋白可作为天然着色剂或荧光剂，具有抗氧化、抗癌、抗炎、保护神经和保护肝脏的药理特性[58，116-118］．藻蓝蛋白是一种广泛应用的着色剂螺旋藻platensis;以卟啉为荧光剂生产藻红菊酯[116］．
硫酸多糖由10种糖(主要是木糖、葡萄糖和半乳糖)以及糖蛋白和无机硫酸盐组成紫球藻属Sp .已被报道抑制免疫细胞招募到炎症刺激的扩散在活的有机体内［119］．从卟啉菌株UTEX 637中分离出的可溶性部分以剂量依赖的方式抑制亚油酸的自氧化和其他形式的氧化损伤。抗氧化活性在活的有机体内可能通过清除自由基并将其运输到外部介质来保护微藻免受ROS的侵害[81］．粗提物小球藻红柱头和三角褐手藻具有消炎痛25-30%的抗炎能力，但前者的活性成分被发现是水溶性的[120]，并成功验证了该提取物的得率分别为7.14%和6.85%，在体外而且在活的有机体内，延缓超敏反应，影响吞噬活性[121］．
一些物种，比如杜氏盐藻tertiolecta［122]，Nannochloropsis oculata［123]，螺旋藻platensis［124]，Tetraselmis suecica［125),眼虫属股薄肌［126]产生维生素(即维生素E和维生素C)。据报道，藻类产生的维生素C、E和B12能有效促进生长(神经保护活性)以及清除自由基的能力。目前正在进行临床测试的产品显示了特定的治疗靶点，包括离子通道、代谢酶、微管和DNA [127］．表2显示七种蓝藻的抗氧化活性(颤藻属sp。念珠藻属sp。念珠藻属muscorum，念珠藻属piscinale，Phormidiumsp。项圈藻flos-aquae而且螺旋藻platensis)和三种绿色微藻(Dictyochloropsis拥，小球藻sp.和栅藻obliquus)基于β-胡萝卜素-亚油酸漂白和ABTS(2,2′-氮氮基-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸))自由基阳离子清除方法，采用己烷、氯仿、乙酸乙酯、乙醇(70%)和水连续萃取。采用β-胡萝卜素-亚油酸漂白法，其抗氧化活性最高颤藻属sp -己烷提取物(97.7±0.3%);美国obliquus氯仿提取物(92.4±0.3%);美国platensis乙酸乙酯提取物(93.6±0.2%)和其水提取物(90.1±0.1%)小球藻sp乙醇(70%)提取物(95.3±0.1%)。这些与标准合成抗氧化剂BHT(丁基羟基甲苯)(97.7%±0.3%)相当，约为标准天然抗氧化剂抗坏血酸(AscA)(25.5±0.2%)的4倍。对于ABTS自由基阳离子清除法，所有提取物的抗氧化活性都很低(8.6 ~ 20.1%)，而BHT和AscA的抗氧化活性分别为98.0±0.2%和99.45±0.12%。基于DPPH(2,2-二苯基-1-苦酰基)清除方法的抗氧化活性对所有测试的微藻提取物均表现出低至中等抗氧化活性，范围为26.3±0.7至69.1±0.4%，而BHT(85.8±0.1 %)和AscA(94.6±0.1 %)[5，128，129］．β-胡萝卜素-亚油酸漂白法的抗氧化活性范围为90.1 ~ 97.7%，高于DPPH清除法(26.3 ~ 69.1%)和ABTS自由基阳离子清除法(8.6 ~ 20.1%)。因此，根据所使用的测定方法来解释抗氧化活性的任何结果是非常重要的[130，131］．
| 抗氧化活性(%) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Microalgal物种 | β-胡萝卜素-亚油酸漂白法 | ABTS自由基阳离子清除法 | |||||||||||
| 己烷 | 氯仿 | 乙酸乙酯 | 乙醇(70%) | 水 | 己烷 | 氯仿 | 乙酸乙酯 | 乙醇(70%) | 水 | ||||
| 颤藻属sp． | 97.7±0.3 | 78.7±0.1 | 75.4±0.2 | 65.5±0.1 | 72.2±0.1 | 10.7±0.2 | 9.7±0.1 | 12.7±0.6 | 12.4±0.1 | 11.1±0.3 | |||
| 念珠藻属sp。 | 84.5±0.2 | 74.6±0.3 | 83.1±0.1 | 72.2±0.1 | 75.9±0.3 | 11.6±0.1 | 11.9±0.1 | 12.7±0.1 | 10.7±0.1 | 11.7±0.3 | |||
| n muscorum | 75.2±0.1 | 67.4±0.2 | 71.6±0.1 | 68.3±0.2 | 75.4±0.3 | 16.9±0.3 | 17.3±0.1 | 17.5±0.3 | 17.8±0.2 | 17.3±0.1 | |||
| n piscinale | 76.3±0.1 | 74.4±0.2 | 74.3±0.1 | 76.1±0.3 | 78.4±0.2 | 12.1±0.3 | 10.2±0.2 | 12.3±0.1 | 8.6±0.2 | 11.4±0.3 | |||
| Phormidiumsp。 | 73.7±0.1 | 75.7±0.1 | 81.1±0.1 | 78.9±0.2 | 75.4±0.1 | 14.0±0.1 | 14.0±0.5 | 15.0±0.2 | 13.1±0.3 | 14.6±0.3 | |||
| 答:flos-aquae | 79.3±0.3 | 74.8±0.1 | 74.4±0.1 | 88.4±0.2 | 80.6±0.2 | 12.9±0.2 | 10.4±0.2 | 10.9±0.2 | 9.8±0.1 | 11.3±0.1 | |||
| 美国platensis | 73.3±0.3 | 76.7±0.1 | 93.6±0.2 | 86.1±0.2 | 90.1±0.1 | 11.7±0.2 | 20.1±0.2 | 11.5±0.1 | 12.8±0.1 | 10.4±0.1 | |||
| d .拥 | 78.1±0.2 | 73.4±0.1 | 73.4±0.3 | 77.4±0.3 | 78.1±0.1 | 9.8±0.1 | 14.2±0.2 | 12.0±0.2 | 13.9±0.2 | 12.1±0.1 | |||
| 小球藻sp。 | 79.7±0.1 | 79.7±0.3 | 69.9±0.1 | 95.3±0.1 | 73.9±0.2 | 10.9±0.3 | 13.7±0.1 | 14.9±0.1 | 14.3±0.1 | 13.8±0.5 | |||
| 美国obliquus | 85.5±0.2 | 92.4±0.3 | 88.4±0.3 | 87.8±0.2 | 85.5±0.3 | 17.4±0.4 | 9.2±0.3 | 11.1±0.4 | 14.2±0.1 | 11.4±0.5 | |||
| 标准抗氧化活性(%) | |||||||||||||
| AscA | 25.5±0.2 | 99.4±0.1 | |||||||||||
| 二叔丁基对甲酚 | 97.7±0.3 | 98.0±0.2 | |||||||||||
表2:基于β-胡萝卜素-亚油酸漂白和ABTS自由基阳离子清除法的几种微藻不同提取物的抗氧化活性研究
Anti-tumoral活动
绿藻的类胡萝卜素定量分析表明，含有超过86%的乙基类胡萝卜素，包括单乙基二黄质(61%)、二黄质(12%被重新排列为二黄色素)和杂黄质(1%)(图1氟)．从藻类中提取的卟啉化合物具有化学预防癌变的活性。岩藻黄质(岩藻黄醇)来自硅藻、冷生藻和褐藻，作为辅助色素，也显示出强大的抗氧化、抗炎、抗肥胖、抗糖尿病、抗癌和抗高血压活性，并显示出改善血浆和肝脏脂质代谢和血糖浓度[132，133］．微藻水蛭，弓形口虫，液泡(Raphidophyceae),Pleurochloris meiringensis(叶黄科)含有大量的这些组成化合物[134］．富含虾青素的藻类Haematococcus pluvialis提取物对人结肠癌细胞有生长抑制作用[104］．h . pluvialis提取物(5-25µg/ml)通过阻断细胞周期进程和促进细胞凋亡，以剂量和时间依赖的方式抑制细胞生长。在25µg/ml时，p53, p21 (WAF－1/ CIP－1)和p27表达(分别为220%，160%，250%)，同时cyclin D1表达(58%)和AKT磷酸化(21%)降低。A, Bax/Bcl-2、Bcl-XL比值变化，p38、JNK、ERK1/2磷酸化水平分别升高160%、242%、280%，细胞凋亡显著上调。在HT-29、LS-174、WiDr、SW-480细胞中也观察到生长抑制作用h . pluvialis可预防结肠癌[104］．提取的小球藻寻常的对肝癌有抑制作用吗在体外而且在活的有机体内随着增殖抑制和凋亡增加[135］．
虾青素调节细胞生长的假定作用是由于它能够诱导肝脏中的异种毒素代谢酶，调节免疫功能和间隙功能通信，并调节细胞内氧化还原状态[136-141］．癌症的化学预防活性被认为依赖于dna -拓扑可切割复合物的稳定，它是那些最终产生细胞凋亡的酶的催化循环的中间产物。Topos是调节DNA拓扑结构的核酶，由Topo I和Topo II组成，它们的功能和作用机制不同。Topo I的作用是在一条DNA链上进行短暂断裂，使DNA螺旋旋转并释放扭转应变，从而以1为单位改变连接数。Topo II在一个DNA分子的两条链上进行短暂断裂，从而允许另一个DNA双工通过间隙，并相应地以两个步骤改变连接数。这两种酶对细胞遗传过程都至关重要，如DNA复制、转录、重组和有丝分裂期间的染色体分离[142，143］．由于合成虾青素非常昂贵，使用Haematococcus lacustris，h . pluvialis，Chlorococcumsp。c .寻常的作为虾青素的天然来源，有很大的成功潜力[144］．
抗菌活性
耐多药金黄色葡萄球菌(MRSA)菌株引起了全世界的关注，因为它们对大多数传统抗生素不敏感。寻找和发现具有独特生物化学作用机制的新型抗菌化合物并最终用于人类患者正变得至关重要，一些海洋微藻物种表现出强大的抗菌活性[78］．的氯仿提取物颤藻属sp。念珠藻属sp。念珠藻属muscorum，念珠藻属piscinale，Phormidiumsp。项圈藻flos-aquae而且螺旋藻platensis都显示出抗菌和抗真菌活性[145］．的活动p . tricornutum对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌(包括MRSA)的细胞裂解液，即使是在微摩尔水平，也归因于EPA，一种不饱和脂肪酸[146］．PUFAs是高等真核生物的重要组成部分。越来越多的人认识到PUFAs的健康益处，如γ-亚麻酸(GLA)、花生四烯酸(ARA)、二十二碳六烯酸(DHA)和EPA。海洋原生生物和鞭毛藻，例如Thraustochytrium，Schizochytrium而且Crypthecodinium是DHA的丰富来源，而微藻呢Phaeodactylum和Monodus都是很好的EPA来源[147］．EPA是一种由硅藻从头合成的化合物，主要以极性脂质形式存在于细胞膜等结构细胞成分中[148并可能在防御机制和细胞对环境触发的反应中发挥作用。部分纯化的有机提取物栅藻costatum对水产养殖细菌表现出活性，因为它们的脂肪酸链长超过10个碳原子，这显然会诱导细菌原生质体的裂解。脂肪酸，特别是棕榈油酸和油酸，据报道具有一定的抗菌活性，脂类可通过破坏细胞膜而杀死微生物[149，150］．脂肪酸干扰细菌生长和存活的能力是已知的，但结构-功能关系研究表明，其抗菌活性取决于链长和不饱和程度。化合物如胆固醇可拮抗抗菌特性，因此应考虑游离脂质的组成和浓度[151］．抗藻能力可以来源于对叶绿素和蛋白质合成的干扰(如galbana等chrysis)或膜渗透性的变化，再加上类囊体膜上藻胆素组合的解离，导致细胞壁的渗漏[152］．
表3显示了三种绿色微藻的连续提取物的抗菌活性(Dictyochloropsis拥，小球藻sp.和栅藻obliquus)以对抗选定的细菌(金黄色葡萄球菌S1426,单核细胞增多性李斯特氏菌L49,大肠杆菌，气单胞菌属hydrophila，沙门氏菌血清S1180,克雷伯氏菌肺炎K51,霍乱弧菌V116和甲型副伤寒沙门氏菌)．各微藻种类氯仿提取物抑菌圈直径均为11.5 ~ 34.5mm，抑菌圈直径次之美国obliquus正己烷提取物(13.0-24.5 mm)对所测菌株除大肠杆菌而且k .肺炎K51。乙醇提取物D.splendida而且小球藻sp的抑菌圈直径分别为11.5 ~ 14.0 mm和12.0 ~ 17.0 mm，而乙酸乙酯提取物的抑菌圈直径为11.0 ~ 16.0 mm。的己烷提取物d .拥而且小球藻Sp.和水提物小球藻Sp.表现为阴性结果d .拥而且美国obliquus水浸提物呈负至低或中度抑制区。三种绿色微藻的连续提取物的抗真菌活性(表4)对酵母菌Saccharomyces cerevisiae Y39的抗性较弱;假丝酵母tropicalisY26和酿酒酵母YH和真菌菌株Tirchoderma virideF94和曲霉属真菌terreusF98。三种绿微藻提取物均未表现出抗真菌活性t . viride．然而，氯仿和乙醇提取物的提取物d .拥而且小球藻sp种表现出低至中等的抗真菌活性。相比之下，热带草Y26对氯仿提取物更敏感d .拥(16.0毫米),美国obliquus(14.0 mm)和乙醇提取物小球藻长(14.5毫米)。然而反对美国cerevicieaeY39中氯仿和乙酸乙酯提取物的活性较弱(分别为11.5 ~ 12.5 mm和11.0 ~ 13.0 mm)，而Y39乙醇提取物的活性较弱d .拥显示中等(17.0 mm)抗真菌活性。三种绿微藻的氯仿、乙酸乙酯和乙醇提取物均表现出轻微和中等的抑菌活性酿酒酵母所有提取物中的YH、己烷提取物和水提取物对真菌和酵母菌均无抑制作用。
| 抑制区直径(mm) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 革兰氏阴性 | 革兰氏阳性 | ||||||||
| Microalgal物种 | 提取 | 大肠杆菌 | k .肺炎 | 美国甲型副伤寒 | 答:hydrophila | 诉霍乱 | 美国血清 | l . monocytogenes | 金黄色葡萄球菌 |
| Dictyochloropsis拥 | 己烷 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 氯仿 | 26.0 | 21.5 | 17.5 | 14.5 | 19.0 | 16.0 | 15.0 | 11.5 | |
| 乙酸乙酯 | 11.0 | 14.0 | 12.0 | - | - | - | - | 11.5 | |
| 乙醇(70%) | 14.0 | 11.5 | 11.5 | 11.5 | 13.5 | 13.0 | - | 11.5 | |
| 水 | - | - | - | - | - | - | - | 18.0 | |
| 小球藻sp。 | 己烷 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 氯仿 | 34.5 | 30.0 | 15.5 | 21.5 | 17.0 | 15.0 | 20.0 | 20.0 | |
| 乙酸乙酯 | - | - | 12.0 | - | - | - | 15.0 | 16.0 | |
| 乙醇(70%) | 14.0 | 13.0 | - | 15.0 | - | 12.0 | 15.0 | 17.0 | |
| 水 | - | - | - | - | - | - | - | - | |
| 栅藻obliquus | 己烷 | - | - | 21.0 | 24.5 | 23.5 | 18.0 | 13.5 | 13.0 |
| 氯仿 | 18.5 | 20.5 | 14.0 | 15.5 | - | 12.5 | 12.0 | - | |
| 乙酸乙酯 | 16.0 | - | - | - | - | - | - | - | |
| 乙醇(70%) | 11.0 | - | - | - | - | - | - | - | |
| 水 | - | - | - | 13.0 | 12.0 | - | 11.0 | - | |
| 阿莫西林 | 标准的抗生素 | - | - | - | - | - | - | 30.0 | 13.5 |
| DMSO溶液 | 控制 | - | - | - | - | - | - | - | - |
表3:三种绿色微藻不同连续提取物的抑菌活性
| 抑制区直径(mm) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 真菌 | 酵母 | |||||
| Microalgal物种 | 提取 | 答:terreus | t . viride | c . tropicalisY26 | 酿酒酵母Y39 | 酿酒酵母本产品 |
| Dictyochloropsis拥 | 己烷 | - | - | - | - | - |
| 氯仿 | 11.0 | - | 16.0 | 13.0 | 12.0 | |
| 乙酸乙酯 | - | - | 12.0 | 13.0 | 11.0 | |
| 乙醇(70%) | 13.5 | - | 13.5 | 17.0 | 13.5 | |
| 水 | 12.0 | - | - | - | - | |
| 小球藻sp。 | 己烷 | - | - | - | - | - |
| 氯仿 | 11.0 | - | 12.5 | 12.0 | 12.0 | |
| 乙酸乙酯 | -- | - | 11.5 | 11.0 | 12.5 | |
| 乙醇(70%) | 13.0 | - | 14.5 | 12.0 | 17.5 | |
| 水 | - | - | - | - | - | |
| 栅藻obliquus | 己烷 | - | - | - | - | - |
| 氯仿 | - | - | 14.0 | 12.0 | 12.0 | |
| 乙酸乙酯 | - | - | 11.0 | 12.0 | 11.0 | |
| 乙醇(70%) | 11.0 | - | - | - | 11.0 | |
| 水 | - | - | - | - | - | |
| Ultragriseofulvin | 标准的杀菌剂 | - | - | - | - | - |
| DMSO溶液 | 控制 | - | - | - | - | - |
表4:三种绿色微藻不同连续提取物的抗真菌活性
抗病毒活性
新的抗病毒活性化合物，特别是来自不构成或直接暴露于病毒库的来源，对于解决耐药突变是非常必要的。因此，微藻作为抗病毒化合物的潜在来源受到了更多的关注。目前，抗病毒药物仅针对病毒蛋白，发现能特异性破坏特定蛋白质-蛋白质界面的小分子在病毒学中引起了极大的兴趣[78］．硫酸多糖已被证明对两种包膜横纹肌病毒具有抗病毒活性:鲑鱼的病毒性出血性败血症病毒(VHSV)和非洲猪瘟病毒(ASFV) [153］．病毒的生长一般分为第一阶段——吸附和侵入细胞;阶段II-月食阶段;第三阶段——病毒颗粒的成熟和释放。抗单纯疱疹病毒(HSV)因子来自杜氏盐藻尽管常规应用的抗病毒化合物阿昔洛韦具有抗hsv活性，但已发现sp提取物可在I期后立即灭活初始病毒功能®通常表现在第二阶段[154，155］．来自海洋微藻的硫酸盐胞外多糖被认为可以干扰某些包膜病毒的I期，并因其抗病毒谱(如抗HSV和HIV-1病毒)而具有独特的优势[156］．它们的抑制作用是由于与病毒或细胞表面的正电荷相互作用，从而阻止病毒渗透到宿主细胞[157，158］．就艾滋病毒而言，它们还可能选择性地抑制逆转录酶，从而阻止感染后产生新的病毒颗粒[159］．几种红微藻含有具有抗病毒特性的高硫多糖，主要由木糖、葡萄糖和半乳糖组成，它们对极端pH值和温度都很稳定[160-162］．
抗原生动物和抗疟原虫活性
锥虫病是世界上最重要的寄生虫病之一。使用经典的锥虫药物存在不良副作用和低疗效的问题，因此从天然产物中开发新药是非常重要的。原生动物藻类提取物可作为防治各种原生动物疾病的有效预防措施[163］．然而，目前对海藻的研究非常有限，主要集中在抗原虫活性方面。其中一项研究是使用红藓属、褐藻属和绿藻属的水和有机提取物来评估抗原虫的体外活性克氏锥虫［164］．另一项研究使用了淡水大型植物的乙醇提取物破叶Potamogeton perfoliatus, tricophyllus和Cladophora glomerata以及海洋大型藻类白缕苔、猪毛毛苔、大洋波西顿、毛叶蕨、马尾藻和乳蕨为在体外抗原虫活性布氏罗得西亚锥虫，鲁兹锥体，杜氏利什曼虫而且恶性疟原虫［165］．一些已经显示出很有前景的抗原生动物活性，如从绿色海洋中提取的粗海藻提取物Cladophora rupestris，松藻属脆弱ssp。绒毛草、肠青和乳青布吕氏罗得西亚锥虫，t . cruzi而且l . donovani［166];和有机提取物d . caribea，Lobophora variegata，Turbinaria鼻甲林奈,Laurencia microcladia他表示反对t . cruzitrypomastigotes和Laurencia microcladia反对卤虫盐沼而且t .鼻甲具有高细胞毒性[164］．
藻类绿藻、异绒藻和红绒藻的乙醇和乙酸乙酯提取物表现出抗疟原虫活性恶性疟原虫(红细胞的阶段),t . cruzi(Trypomastigotes)和l . donovani(无芒藻)[163］．特有的海洋红藻有机提取物中的7-二氯甲基取代基Plocamium cornutum(特纳)哈维表现出明显较高的抗疟原虫活性恶性疟原虫［167];而从海藻中分离出的四种代谢物-海藻藜酸、海藻氢藜酸、海藻藜素和岩藻黄质海藻heterophyllum，岩藻黄质和萨尔加醌对氯喹敏感菌株表现出良好的抗疟原虫活性恶性疟原虫［168］．红藻属的红藻Chondria，其产物为环多硫化物、萜类化合物、氨基酸和胺类化合物，已表明软骨藻酸衍生物从c . armata不仅具有杀幼虫活性，而且具有降低血压的特性。乙酸乙酯提取物海藻swartzii而且Chondria对疟媒斯氏按蚊幼虫的杀幼虫活性较强，死亡率分别为96%和95% [169］．
对可再生燃料来源的关注已将大规模微藻养殖的兴趣从水产养殖中的活饲料(轮虫)生产和食品添加剂转向脂质和碳水化合物的积累和组成、废物修复和生物能源联产[4，5，40，170］．微藻生物量作为主要原料的补充，应充分利用现有的技术和设施(图2)。据报道，脂类和碳水化合物的累积量可达干重的60-65%，但在温度、盐度、光照强度和营养物质的胁迫条件下，生物量相应较低，因此在不影响细胞生长速度的情况下提高生产力至关重要[4，5，170，171］．优化的因素包括氮消耗、温度变化、反应器结构、渗透应力和pH变化、CO2补充及辐照度[4，5］．
图2:利用淀粉基微藻(SSF -同时糖化和发酵)、废物修复和沼气联产生产乙醇的概念工艺(改编自[29])。
反应器的配置
商业工厂可以使用下列技术之一:-1)广泛的池塘(泻湖);2)滚道和圆形池塘;3)管状光生物反应器;4)发酵罐(藻类在黑暗中在有机基质上生长)。最常见的系统是大规模的户外耕作，以人工露天池塘或浅沟道池塘的形式，其中悬挂物与桨轮混合，因为这些建造成本低，易于操作和扩大规模[172］．限制因素包括生产力和生物量产量低、收获成本高、蒸发造成的水分损失、池塘中可种植的物种数量有限、容易受到其他藻类、食草动物或细菌的污染、盐度和CO的效率较低2使用。白天或气候的变化使控制露天池塘的温度波动变得更加困难[15］．使用高接种量与池容量的比值和可在极端环境下生长的弹性微藻菌株文化条件可尽量缩短培养时间(通常不超过3-4天)，以尽量减少蒸发损失和污染[173］．其他策略包括添加碳酸氢盐和提高pH值以最小化小球藻入侵螺旋藻文化;氨作为氮源抑制阿米巴食草动物[174］．
由于操作控制、优越的光照和CO，封闭系统提供了出色的再现性2利用，减少水损失，降低污染风险[175］．封闭式光生物反应器(PBRs)的两种主要类型是管式和板式。pbr靠近大气，减少蒸发，保护养殖藻类，使其不容易受到污染，但也不能幸免。温度、pH和盐度可以得到更好的控制，而较高的表面体积比(S/V)有利于窄光路和大照明面积，从而获得更高的体积生产力和细胞浓度[4，5，40，176，177］．pbr提供了可控制的条件，以高速率生产可重复的产品，但它们很昂贵。露天池塘的成本要低得多，但很容易受到污染，以至于经过50多年的反复尝试，只有不到三种物种被证明适合大规模养殖[173］．许多不同的PBR设计已经被提出用于生物燃料生产，实现高光合效率和生产力的主要问题是合适的建筑材料，高效混合，加热/冷却，CO2供氧及除氧[177，178]，成本高，可扩展性降低[179]，即透过大型外表面或内部导光结构的光稀释[180]，以及使用基因改良品种[25］．pbr的财务可行性远远低于露天池塘。在基本情况下，开放式罐的平均总脂质生产成本仅为12.73美元/加仑，而pbr的平均总成本为31.61美元/加仑[181］．为了提高藻类养殖的经济性，最佳路线是结合使用PBR和滚道池进行生物量生产，在PBR中种植高质量的培养物作为滚道池的接种物，容量要大得多，但污染风险大大降低。这种耦合养殖系统既利用了pbr和露天池塘的优点，又避免了它们的缺点。雨生红球菌的商业规模生产表明，pbr对于无法在开放池塘中可靠培养的光合微生物的可持续生产至关重要[173］．
基本培养条件和营养需求
微藻的脂质、碳水化合物和其他生物活性含量受辐照度和温度变化的影响，这取决于微藻的品系[4，5，182］．这些改变了膜的物理性质，使光合作用、呼吸和膜转运功能不受损害，从而影响细胞脂质和脂肪酸类的生化组成和数量[183］．高辐照效果可能取决于培养模式，无论是室内或室外，很难再现在体外特别是在室外操作中，涉及到太阳周期和温度振荡的参数。光能供应的效率成为室外或大规模微藻培养的主要限制因素之一。除了太阳辐射外，荧光灯管通常会被使用，尤其是那些发出蓝色或红色光谱的荧光灯管，因为这些是光合作用最活跃的光谱。每个电池所吸收的光子能量是由电池密度、光程长度、层厚、光子通量密度及搅拌速率等因素综合而成[183］．光周期可在明暗18:6、12:12或16:8之间变化。主要要求是对电池均匀和充足的辐照度，其中关键设计因素是影响光穿透和可用性的操作深度，以及增强光分布和均匀性的混合。温度变化对膜脂脂肪酸不饱和的影响[184］．大多数淡水或盐水品系的最佳温度为16-28℃，尽管有些品系在-5℃和90℃以上的极端情况下仍然存活。温度低于最佳范围往往会导致细胞膜中脂类或脂肪酸的不饱和增加，从而提高细胞膜特别是类囊体膜的稳定性和流动性，防止光合机制在低温下发生光抑制作用。然而，低于16°C的温度可能导致细胞生长减慢，高于最佳温度则可能导致光合作用不足[185］．
硝酸盐、亚硝酸盐、氨和尿素等氮源会影响CO的生化组成和充足供应2是微藻自养生长所必需的。氮是蛋白质、氨基酸、叶绿体、酶和辅酶促进藻类生长，而CO2影响光合作用的效率，碳水化合物为最终产物。一氧化碳供应充足2而光能，即使在氮等营养物质缺乏的情况下，微藻中的蛋白质含量也可以作为氮源消耗掉，碳水化合物含量也可能显著增加[29］．营养限制是藻类脂质生物合成的重要调节因子。当细胞生长因营养缺乏而减慢，并且不需要合成新的膜化合物时，细胞可以在条件改善之前将脂肪酸转移到它们的储存脂质中。这导致缺乏营养的藻类的脂质和TAG含量增加了一倍以上[186］．在应激环境下，脂质和碳水化合物的合成存在竞争。在氮饥饿下，Phaeodactylum tricornutum重组其蛋白质组，有利于氮清除和减少脂质降解，同时重新安排中央能量代谢，使光合作用途径优先。这增加了细胞内氮的有效性，并将其限制在最需要氮的途径上[187］．事实上，限制氮的有效性被认为是触发微藻碳水化合物积累的最有效方式[188］．与高能量化合物(例如脂类和碳水化合物)的合成和降解相关的代谢途径也密切相关[189］．微藻淀粉的生物合成可以直接脱离脂类的合成，但淀粉的降解可提供代谢产物产生乙酰辅酶a，乙酰辅酶a是脂肪酸合成的前体[190］．因此，如果目标是生产乙醇，则可能需要采用基因改造等策略来减少淀粉降解并阻断脂类的合成途径[25］．
生长需要极端条件(高盐度或高pH值)的藻类可以缓解污染问题。属杜氏盐藻在大盐度范围内生长是研究植物耐盐机制的有效模式[191］．pH值可以调节以影响细胞生长速度和生化成分。因此，选择合适的菌种和建立工厂的有利地点是至关重要的。目前的商业生产主要集中在诸如杜氏盐藻而且Arthrospira（螺旋藻)，它们需要极端的媒介来生长。有些地区，如沙漠，可提供更均匀的环境，减少污染的风险和频繁干预(排水、清洗或重新接种)的必要性[177］．
生物柴油
光照和营养平衡的存在或不存在会影响脂质组成、脂肪酸和膜脂合成，主要是叶绿体[4，5，192］．在自养、异养和混合生长条件下比较普通C. vulgaris的生物量和脂质生产力，自养生长已被证明会导致更高的细胞脂质含量(38%)，但脂质生产力低于使用醋酸盐、葡萄糖或甘油的异养生长。使用1% (w/v)的葡萄糖或甘油可获得2 gL的最佳细胞生长−1脂肪产量为54毫克。l−1一天−1高浓度则具有抑制性[193］．异养细胞小球藻zofingiensis馈电30 gL−1与光自养细胞相比，葡萄糖的油酸增加了(从总脂肪酸的17.9%增加到35.2%)，异养C. zofingiensis的油似乎更适合于生产生物柴油[194］．在24 h光照下，路德巴甫菌的生长和脂质含量达到最大比生长速率，μmax为0.12 d−1与0.1 d相比，脂肪含量为35%−1黑暗中15%的脂质含量[195］．然而，高光强会导致PUFA的氧化损伤，如总n-3脂肪酸(占总脂肪酸的29%至8%)减少，主要是EPA。[196］．与35°C相比，在25°C的12:12小时明暗循环下，P. cruentum可获得更高的脂质积累(19.3%)[197］．
营养缺乏触发微藻的防御机制，促进脂质。脂质积累量最高，分别为37.3%、23.6、28.3%和37.2%，细胞生长略有下降，分别为0.64、0.49、0.54和0.38 gL－1已经实现了白眼草，水叶草，白花草和白花草在10- 65gl的缺乏条件下培养，分别为－1先3.， 3-7.5 gL－1Na2HPO4和2.5 gL－1FeCl3.［198］．小球藻总脂含量最高(0.661 gg−1)在0.1gL下培养−1尿素浓度最低，但产脂率最高，为0.124 g L−1一天−1［199］．最有前途的富油微藻之一，Neochloris oleoabundans，脂质含量最高(0.40 gg−1)的最低纳米3.(3 mM)，而脂肪含量较低，为0.34 gg−1在5 mM NaNO3中达到，但脂质产量更高，为0.133 gL−1一天−1由于细胞生长较快[200］．生长介质中硝酸盐、磷酸盐和硫代硫酸钠的浓度对斜蕨脂质积累的影响大于葡萄糖。最显著的脂质记录是在缺氮(43%)和缺磷和硫代硫酸盐补充(30%)情况下，而对照条件下的脂质记录为2.7% [201］．脂质积累增强至2.16 gL−1当细胞在添加1.5%葡萄糖的优化培养基中预培养时，其浓度约为对照条件的40倍。棕榈酸和油酸作为其主要脂肪酸的存在也使美国obliquus生物质是制备生物柴油的合适原料[201］．
营养缺乏和渗透条件都影响细胞的生化组成。当初始盐浓度从0.5 M NaCl增加到1.0 M时，细胞内脂质(从60%增加到67%)增加d . tertiolecta［203］．在初始NaCl浓度为1 M的培养过程中，在对数阶段中期或末期添加0.5或1.0 M NaCl，可进一步提高脂质至70% [202］．脂肪含量d .盐水湖与2.5 mM未指定的氮盐结合后，细胞在16% NaCl下达到38%水平，这也提高了PUFAs的相对比例，特别是C18:3n-3和C16:4n-3脂肪酸[203]。转移d .盐水湖0.5 ~ 3.5 M NaCl诱导β-酮酰辅酶A (CoA)合成酶(KCS)的表达，该合成酶催化脂肪酸伸长的第一步[191］．对于巴甫lova lutheri，已经提出了最佳的盐度(30-40 ppt)和pH(8-9)，以获得最佳的细胞生长和脂质含量(34-36%)，其中碱性pH胁迫可以增加TAG的积累，但可能会降低膜脂质的相对水平[195］．
反应器配置、营养操作和培养条件都是提高生产率的有效因素。5L PBR在最佳光周期和光强下培养微藻(图3)和300L油箱(图4)，并显示表5显示了生长动力学的比较n oculata，t . suecica，即galbana而且p . lutheri在最佳pH、盐度、光周期、光强和宏量营养素条件下培养。在5 L PBR和300 L开放式罐中，细胞密度和生物量最高n oculata82.6 × 10663.7 × 106细胞毫升－1密度为0.96,0.72 gL－1生物质，其次是t . suecica59 × 106， 42.7 × 106细胞毫升－1密度为0.73,0.58 gL－1生物量分别。细胞生长即galbana而且p . lutheri保持在19.6-21.2 × 10的低位6， 15.1-15.9 × 106细胞毫升－1密度分别为0.52-0.66 gL－1生物质。5 L PBR的脂质含量分别为40.1 ~ 42.2%和41.2 ~ 41.8%，高于300 L敞口池的30.7 ~ 36.2%和32.1 ~ 38.5%n oculata而且p . lutheri,分别。250 mL-30 L批量培养的比较表明n oculata而且p . lutheri250毫升，t . suecica30l和即galbana在1 L中，最大比生长率为0.15 ~ 0.17 d－1脂肪含量为27.2 ~ 37.1%。基于KNO的收益率3.(加贝－1)n oculata5 L PBR的生物量(0.08)和脂质(0.03)均高于300 L敞口池[198]，这是由于前者的水动力条件较好。
图3:a)最佳光周期光强栽培n oculata；b)t . suecica；c)即galbana和d)p . lutheri5l PBR
图4:a) a)最佳光周期光强栽培n oculata；b)t . suecica；c)即galbana和d)p . lutheri在300l开槽内
| 媒体环境 | n oculata一个 | t . suecicab | 即galbanac | p . lutherid | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X '马克斯(gL－1d－1） | μ马克斯(d－1） | td(天) | 脂质(%) | X '马克斯(gL－1d－1） | μ马克斯(d－1） | td(天) | 脂质(%) | X '马克斯(gL－1d－1） | μ马克斯(d－1） | td(天) | 脂质(%) | X '马克斯(gL－1d－1） | μ马克斯(d－1） | td(天) | 脂质(%) | ||
| pH值和盐度 | PBR | 0.18 | 0.24 | 2.92 | 38.6±1.54 | 0.17 | 0.22 | 3.15 | 30.3±4.38 | 0.14 | 0.23 | 2.99 | 32.2±2.11 | 0.14 | 0.21 | 3．3 | 40.2±3.31 |
| 开槽 | 0.16 | 0.23 | 2.98 | 35.5±1.81 | 0.16 | 0.2 | 3.53 | 27.5±2.98 | 0.13 | 0.21 | 3.36 | 28.6±2.75 | 0.13 | 0.19 | 3.61 | 36.1±3.65 | |
| 光周期和光强度 | PBR | 0.19 | 0.24 | 2.92 | 40.1±2.77 | 0.17 | 0.22 | 3.16 | 30.8±2.87 | 0.15 | 0.23 | 2.98 | 32.8±3.44 | 0.14 | 0.22 | 3.11 | 41.8±0.78 |
| 开槽 | 0.17 | 0.2 | 3.4 | 30.7±2.52 | 0.17 | 0.21 | 3.32 | 25.6±3.90 | 0.12 | 0.2 | 3.45 | 24.8±3.13 | 0.12 | 0.18 | 3.82 | 32.1±2.57 | |
| 硝酸盐，磷酸盐和铁 | PBR | 0.17 | 0.21 | 3.27 | 42.2±3.78 | 0.16 | 0.21 | 3.25 | 31.6±4.33 | 0.13 | 0.21 | 3．3 | 33.5±2.27 | 0.14 | 0.19 | 3.65 | 41.2±1.92 |
| 开槽 | 0.17 | 0.19 | 3.63 | 36.2±2.47 | 0.15 | 0.2 | 3.48 | 30.5±1.84 | 0.13 | 0.18 | 3.75 | 32.4±1.47 | 0.13 | 0.17 | 3.96 | 38.5±0.76 | |
| 一个n oculata: pH 8，盐度(35 ppt)，光周期(24 h)，光强(188 μmol光子m−2年代－1)先3.(10 gL－1),钠2HPO4(6 gL－1)和FeCl3.(2.53 gL－1） | |||||||||||||||||
| bt . suecica: pH 7.9盐度(32 ppt)，光周期(24 h)，光强(196.5 μmol光子m)−2年代－1),先3.(13.7 gL－1),钠2HPO4(5.6 gL－1)和FeCl3.(2.50 gL－1） | |||||||||||||||||
| c即galbanapH值9，盐度(39.2 ppt)，光周期(20.5 h)，光强(188.7 μmol光子m)−2年代－1),先3.(75.4 gl－1),钠2HPO4(8.9 gl－1)和FeCl3.(2.8 gL－1） | |||||||||||||||||
| dp . lutheripH值7.9，盐度35.5 ppt，光周期24 h，光强198 μmol光子m−2年代－1),先3.(62.5 gL－1),钠2HPO4(3.92 gL－1)和FeCl3.(2.63 gL－1） | |||||||||||||||||
| 注:300l开槽，光周期为12 h，光强为165 ~ 250 μmol光子m−2年代－1(避免阳光直射)。 | |||||||||||||||||
表5:优化条件下5 L PBR与300 L开槽培养的动力学比较。
表6显示四种微藻的主要成分(n oculata，t . suecica，即galbana而且p . lutheri)是十四酸(C14:0)、十五酸(C15:0)、棕榈酸(C16:0)、棕榈油酸(C16:1)、十七酸(C17:0)、硬脂酸(C18:0)、油酸(C18:1)、亚油酸(C18:2)、亚麻酸(C18:3)、二十碳三烯酸(ETE) (C20:3)、二十碳五烯酸(ETA) (C20:4)、二十碳五烯酸(EPA) (C20:5)和二十二碳六烯酸(DHA) (C22:6)。尽管脂肪酸组成差异很大，但藻类中合成的脂肪酸一般都是中等长度，在16 - 18个碳之间，绿藻中为C16:0、C16:1、C18:0、C18:1、C18:2，褐藻中为C16:0、C16:1。总饱和脂肪酸(SFA)分别为44.3 ~ 63.8%和30.4 ~ 55.03%;单不饱和脂肪酸(MUFA)(6.1-37.0%和4.2-13.1%);在5 L PBR和300 L槽中，PUFA分别为8.3 ~ 22.3%和1.02 ~ 15.2%。为n oculata在PBR中，棕榈酸C16:0(22.1%)和棕榈油酸C16:1(9.9%)被降低，十七酸C17:0(13.7%)和油酸C18:1(7.4%)被增强。虽然总SFA(57.0%)和MUFA(17.7%)与最佳pH和盐度下的结果相当[129]， PUFA(22.3%)增强n oculataPBR。七丁酸C17:0(13.7%)，油酸C18:1(7%)，棕榈酸C16:0(22%)和棕榈油酸C16:1 (9.9%)n oculataPBR含量高对于PBR中的P. lutheri，棕榈酸C16:0(34.4%)仍然很高，而EPA C20:5(8.4%)和DHA C22:6(6.9%)都略有增加，总SFA(47.9%)和MUFA(30.9%)保持相当，但PUFA(18.9%)升高[129，198］．
| 实验条件 | 总脂肪酸组成(%) | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C14:0 | C15:0 | 0 | C16:1 | C17:0 | C18:0 | C18:1 | C18:2 | C18:3 | C20:0 | C20:2 | C20:3 | C20:4 | C20:5 | C22:6 | ||
| n oculata | PBR | 4.47 | 7.15 | 22.1 | 9.89 | 13.7 | 5.5 | 7.38 | 4.6 | 3.2 | 4.07 | ND | ND | 3.33 | 6.65 | 4.56 |
| 开槽 | 3.01 | 13.1 | 21.2 | 7.44 | 5.27 | 5.92 | 5.16 | 2.8 | ND | 3.24 | ND | ND | ND | ND | 4.45 | |
| t . suecica | PBR | 4.29 | 17.8 | 14.9 | 2.82 | 2.66 | 5.48 | 3.27 | 5.38 | 1.65 | 1.88 | 1.17 | 0.45 | ND | 6.8 | 3.13 |
| 开槽 | 4.08 | 16.9 | 12.6 | 4.97 | 3.8 | 5.64 | 2.71 | 2.44 | ND | 4.21 | 0.72 | ND | ND | ND | 0.07 | |
| 即galbana | PBR | 10.3 | 8.2 | 19.2 | 5.05 | 9.74 | 5.45 | 14.6 | 2．2 | 0.6 | 8.09 | 2.71 | ND | ND | 4.13 | 5.56 |
| 开槽 | 8.99 | 2.69 | 13.2 | 4.52 | 5.13 | 3.38 | 11.5 | 1．4 | ND | 2.42 | 2.12 | ND | ND | 3.42 | 1.83 | |
| p . lutheri | PBR | 2.86 | 3.76 | 34.4 | 21.3 | 3.48 | 0.74 | 9.67 | 1.46 | 2.11 | 2.68 | ND | ND | ND | 8.44 | 6.95 |
| 开槽 | 1.58 | 2.26 | 26.4 | 18.8 | 2.37 | ND | 7.28 | ND | 1.22 | 2.46 | ND | ND | ND | 7.78 | 5.44 | |
| ND:未检测到 | ||||||||||||||||
表6:优化光周期和光强下的脂肪酸分布图[129］．
微藻的生化成分随其生长速度、环境条件和生命周期的不同而变化。细胞密度、生物量、µmax和tdp . lutheri摇瓶培养和1-30批次培养与250 mL-300 L的培养相当，生物量报告为0.45 gL−1(250 mL)， μ马克斯0.14天−1(30l)及4.95天td (30l) [195］．然而,这两个n oculata而且t . suecica在0.68-0.93 gL时获得较高的生物量−15l PBR。而生物量是相当的即galbana而且p . lutheri0.62-0.71 g L−1时，细胞密度降低3-4倍。原因是它们都是棕色的即galbana而且p . lutheri显示比绿色更大的单元格大小n oculata而且t . suecica．这种较低的细胞密度可以通过细胞成分的营养物质积累来弥补，从而导致相当的生物量和干重。
脂肪类p . lutheri以中性脂类和糖脂类为主要成分，分别占总脂肪酸残基(TFA)的57%和24%，以EPA (C20:5n-3，)和DHA (C22:6n-3)为主[204］．营养物质的相对比例可以改变微藻的脂肪酸分布，增加SFA和MUFA的比例，减少PUFA的含量。磷的百分比被发现是与磷脂合成有关的限制性营养素。然而，脂肪酸的生物合成和比例可能因微藻种类而异[205］．脂质中存在的主要脂肪酸小球藻一般为短链脂肪酸(C14-C18) [206］．Tetraselmissp.和小球藻已在工业规模的生物反应器中培养，其干生物量中脂质产量分别为2.33和2.44% (w/w)(以脂肪酸甲酯的总和计算)。与磷脂相比，这些脂类含有较多的中性脂类和糖脂及鞘脂。脂类的Tetraselmis脂肪酸的特点是存在EPA(主要分布在磷脂中)和十八烯酸(平均分布在脂类中)，但这些脂肪酸在脂肪中完全不存在小球藻脂质。据报道，从希腊水生环境中(在瓶中培养)新分离的16株菌株所产生的脂质的百分比最高Prorocentrum triestinum(3.69% w/w)最低Prymnesium以及(0.47% w / w)。一些菌株产生富含EPA和DHA的脂质，后者在植物的脂质中含量很高Amphidiniumsp. S1和Prorocentrum最低，而EPA在脂类中含量很高Asterionellasp。S2。这些含有ω-3-长链多不饱和脂肪酸的脂类在食品和制药工业以及水产养殖中有重要应用[207］．
在氮饥饿期，油酸(C18:1)的比例增加，亚油酸(C18:2)和亚麻酸(C18:3)的比例下降[208］．饱和脂肪酯一般具有较高的十六烷数和良好的氧化稳定性;而不饱和脂肪酸酯，特别是多不饱和脂肪酸酯则改善了低温性能。脂肪酯的改性，如油酸(C18:1)酯比例的提高，可以在氧化稳定性和低温性能之间提供折衷，从而提高生物柴油的质量[209］．因此，高油酸微藻适合于生物柴油的生产。超过65%的脂肪酸为饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸(C16:0, C18:0和C18:1)，适合应用于生物柴油生产[210］．欧洲生物柴油标准将含有四个及以上双键的fame的含量限制在1mol % [15］．为了长期的生物量生产和更高的脂质产量，n oculata建议在半连续系统中加2% CO21天更换介质操作211］．最好的生长n oleoabundans在氮充足和CO2补充。然而，在没有CO的情况下，氮消耗6天后，脂肪含量最高(56%)2补充(212］．高度CO2宽容,Chloroccoccum littorale在170 mmol光子m的光强下，在无机碳和硝酸盐的存在下，具有良好的水产养殖和光自养脂肪酸生产潜力−2年代−1．低CO时脂肪酸合成增加2硝酸盐消耗后的浓度，HCO受控3./公司2比率。相对FA含量34%，在22℃时达到170 m mol光子m−2年代−1光照强度和5% CO2与阿2游离气体，可与植物种子油相媲美[213］．对于整合和优化的生物工艺，可将脂质提取后的微藻残渣与纤维素物质(如农业废弃物)在厌氧消化器中共同消化，用于生产沼气和废水处理，使C/N比例在20:1-25:1的最佳范围内平衡[214］．采用0.12 g/mL的好氧共消化油棕空果粒(OPEFB)处理棕榈油厂废水(POME)效果显著小球藻在2 mL/mL POME时，获得最高的比产气率(0.128-0.129 m3./kg COD/天)和生物甲烷率(5256.8-5295.8 mL/L POME/天)。微藻处理3天和7天后，对化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总有机碳(TOC)和总氮(TN)的去除率均较无微藻时高(56-98%)[215］．海水中不同浓度的过滤和离心POME(1,5,10和15%)的影响表明n oculata而且t . suecica10% POME能促进细胞生长和脂质积累，比生长率最高(0.21 d)1和0.20 d1)、脂肪含量(39.1±0.73%、27.0±0.61%)、总SFA(59.24%、68.74%)、MUFA(15.14%、12.26%)、PUFA(9.07%、8.88%)。用POME培养基培养藻类也能提高POME中COD(93.6-95%)、BOD(96-97%)、TOC(71-75%)、TN(77.8 - 90.8%)和油脂(92-94.9%)的去除率[216］．
乙醇
纤维素和淀粉是微藻生物量中的两种主要碳水化合物成分。微藻的碳水化合物产量通常高于脂类，因为后者需要强烈的压力，而碳水化合物的产量很容易通过光合作用通过卡尔文循环实现[25］．这是用微藻原料生产生物乙醇而不是生物柴油的优点之一，在微藻原料中，控制光强度是实现高生产率的最简单途径之一。将空运PBR的平均光强从215 mol m增加到330 mol m−2年代−1碳水化合物含量由8.5%增加至40% [217］．然而，在30-400 mol m范围内改变光强的研究中，并没有得出明显的正相关性−2年代−1以及碳水化合物的积累，这表明微藻碳水化合物的积累可能不仅取决于光照强度，还取决于其他环境参数[218］．这些包括CO2水平，pH值和氮限制。增加溶解的CO2从3到186 mol L－1在培养c . pyrenoidosa而且c . reinhardtii将碳水化合物含量分别由9.3提高至21%及3.19提高至7.4% [219］．适宜碳水化合物积累的pH值因微藻种类的不同而不同d . bardawil而且c . ellipsoidea据报道，其pH值分别为7.5和9.0 [220］．当生长在pH值9.4时，海洋硅藻胞外碳水化合物产量从2.1急剧增加到17.7%Skeletonema costatum［221］．小球藻sp已被报道具有最高的碳水化合物含量和c .寻常的尤其能积累大量碳水化合物，可达干生物量的37-55% [29］．的培养Tetraselmis suecica氮饥饿和CO2喂食也可显著提高碳水化合物含量，由10%增至57% [188］．的批量培养中c . reinhardtiiUTEX 90，培养3 d后生物量浓度为1.45 g/L，淀粉含量为53% [222]，而生物量和碳水化合物含量美国obliquus可达4.96 g/L, 51.8% [17］．五种菌株小球藻在Watanabe和低氮培养基中生长，在2l搅拌槽生物反应器中获得最佳生长小球藻寻常的生长速率为0.99 d−1最高热值为29千兆焦－1与c . emersonii．然而，在生长期结束时测定的细胞成分表明，热值似乎与脂质含量有关，而不是与任何其他成分有关[223］．
生物质制备可以通过机械压制或酶细胞壁分解来获得更多的碳水化合物，以及分解碳水化合物的大分子。微藻生物量中缺乏木质素可简化预处理过程[224，225］．当细胞被破坏时，酵母酿酒酵母添加到生物质中，发酵开始，糖在蒸馏提纯之前转化为乙醇[226］．酶化和化学糖化都可用于制糖[227］．由于糖化通常是速率限制步骤，因此必须确定纤维素分子和淀粉中氢葡萄糖亚基之间1,4-糖苷键裂解的有效方法[224］．包括矿物酸、碱、酶或热压缩水在内的化学糖化是快速的，但需要更高的温度、压力和添加酸和碱，这可能会产生抑制剂，如糠醛和5-羟甲基糠醛，并通过昂贵的下游废物处理来抑制发酵生物燃料的生产[228］．为了减少抑制剂的产量，提高操作效率，必须获得合适的反应条件(包括温度、含水量、停留时间和反应剂浓度)[229］．
酶解有几个优点，包括较低的设备成本，温和的操作条件，以及较高的葡萄糖产量，没有糖降解或可能影响生物燃料发酵的有毒副产品[230］．酶促糖化利用纤维素酶、淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解微藻，以获得糖[29］．由于微藻基纤维素主要位于细胞壁内，缺乏半纤维素含量低的木质素，因此可能不需要木质素降解酶(如漆酶和木质素过氧化物酶)和木聚糖酶以及酸性或碱性预处理或蒸汽爆炸，从而降低成本。已经探索了不同的商业酶(包括α-淀粉酶从地衣芽。还有葡萄糖淀粉酶黑曲霉)的生物乙醇转化c . reinhardtii干重基碳水化合物含量约为59.7%的生物质。当藻类生物量在pH 4.5和55°C下水解30 min时，可获得0.57 g糖/g生物量的糖转化率，并且通过分离水解发酵(SHF)工艺生产生物乙醇是有效的[35］．绿藻Chlorococum humicola在10 g/L生物量浓度下被酶水解木霉属reesei在40°C, pH 4.8 [231］．使用低酸(3%硫酸)，但在100°C水解30分钟可获得95%的最高葡萄糖收率c . reinhardtii［232]而碱性处理(0.75% NaOH, 120°C, 30 min)的葡萄糖收率最高，为0.35 g糖/gc . infusionum［224］．然而，这些结果表明，在微藻生物量糖化过程中可能不需要昂贵和能源密集型的预处理或酶促反应，尽管酶促糖化的糖收率仍可能高于酸或碱水解[35］．生物乙醇发酵也产生大量的CO2副产物，但发酵可耦合培养富含碳水化合物的微藻[27]及CO2再循环生长微藻，剩余的生物量用于厌氧消化生产甲烷，这样基本上所有的有机物都被计算在内[13，225］．
淀粉基微藻作为生物丁醇生产的原料可能比生物乙醇生产的过程更简单，因为梭状芽胞杆菌生物乙醇发酵所需的淀粉淀粉酶液化和糊精糖淀粉酶糖化步骤分别为糖化反应酿酒都不需要。产生生物丁醇的物种的代谢途径是独特的(即，梭状芽胞杆菌含有大量的丙酮、乙醇和各种有机酸的副产品[233］．如果能控制发酵，用CO生产生物丁醇2和H2作为副产物，理论上最大生物丁醇产率为1 mol/mol葡萄糖(或0.41 g/g葡萄糖)，低于生物乙醇(即2 mol/mol葡萄糖或约0.5 g/g葡萄糖)。大型藻类(例如海藻)也有很大的糖来源潜力[234］．棕色大型藻类的主要糖类是葡聚糖、甘露醇和海藻酸盐，其中葡聚糖和甘露醇相对容易被现有的微生物乙醇生产者同化，据报道，每克干生物量重量的产量为0.08-0.12克乙醇。然而，充分利用巨藻生物量生产乙醇的主要障碍是工业微生物无法代谢海藻的主要产物海藻酸盐[234］．
抗氧化剂
环境压力，如高光强、盐胁迫或高温，可有效促进微藻中某些抗氧化剂的产生，而其他抗氧化剂则可能减少。过多的光强度会导致光抑制，从而影响细胞的生成时间，但细胞会进一步做出反应，减少叶绿素α和参与光合作用的色素，以增强二级类胡萝卜素(虾青素、β -胡萝卜素、玉米黄质)等光保护剂，从而阻止多余光能的吸收。叶黄素、玉米黄质等主要类胡萝卜素可预防常见的黄斑变性眼病[235］．在应激条件下，由于细胞内碳和氮流动的中断，在质体的质球蛋白或细胞质脂体等独特结构中发现的类胡萝卜素可能会升高[236，237］．因此，在应激条件下产生的ROS可促进胡萝卜素的生成[238]在一项研究中表明，添加8 mM H后，维生素C和α-生育酚(维生素E)的含量分别增加了4倍和8倍2O2的培养基中螺旋藻platensis [239］．在Morinda elliptica中间培养基和生产培养基策略下的植物细胞培养[240］．
高温有利于类胡萝卜素(如叶黄素、β-胡萝卜素)的积累杜氏盐藻但高于最佳温度最终会降低生物量生产力。在压力环境下，叶黄素倾向于以较低的稀释率积累，但不能达到可以平衡生物量生产力下降的水平。在最适合生物量生产的稀释率下，可以获得最大的叶黄素产量[241］．已知影响微藻叶黄素含量的因素有辐照度、pH值、温度、氮的有效性和来源、盐度和离子强度)，以及氧化物质的存在(即氧化还原电位)。叶黄素含量Muriellopsissp.在生长前期平稳期最高，在20 ~ 40 mM NaNO处达到最大值3.， 2100 mM NaCl, 460 μ mol光子m－2年代－1pH 6.5和28°C，这些条件也是细胞生长的最佳条件。生长限制条件，如pH值为6或9和33°C，也会刺激胡萝卜素的生成Muriellopsissp。74］．高辐照度(1700 μmol光子m－2年代－1)导致了较高的生物量产量，同时增加叶黄素含量美国almeriensis叶黄素含量增加，生物量增加，当温度升高至30℃时，叶黄素含量和生物量分别达到干重的0.46%和0.53 g/L [75］．升高温度也诱导叶黄素进入小球藻在pH 8 ~ 9时达到最大值，为0.43% [242］．然而，将温度从30°C降低到10°C会导致β-胡萝卜素含量增加2倍[243]，同时也增加了9-顺式β-胡萝卜素和α-胡萝卜素的含量[244］．
据报道，氮限制增加了α-生育酚的积累[123]，氮源的类型会影响植物的维生素含量d . tertiolecta其中尿素最适合维生素C的积累，硝酸盐最适合α-生育酚的积累[122］．在氮、磷、硫饥饿条件下d .盐水湖细胞β-胡萝卜素含量升高[245]，但这些似乎会导致蓝藻中藻胆蛋白的含量显著下降[58，117，246-247］．虾青素的积累h . pluvialis，则会在细胞遭受营养饥饿、盐胁迫、高温、高光强等条件下触发[248-250］．虾青素的积累可能伴随着脂粒的增加，提示虾青素与脂肪酸的合成有关[251，252]，而在另一份报告中，碳水化合物大量累积[67］．除氮外，铁是微藻代谢最必需的元素之一，它参与硝酸盐和亚硝酸盐的同化、硫酸盐的脱氧、氮的固定和叶绿素的合成[253］．即使在营养丰富的环境中，缺铁也可能限制微藻的生长，而添加不同的铁电价及其反离子的性质会影响细胞的生长和虾青素的积累[254，255］．另一项研究表明，几种重金属的存在会给动物的培养带来压力淡水藻类的一种Sp.可降低藻胆蛋白[246］．在异养培养中眼虫属股薄肌，以乙醇代替葡萄糖作为有机碳源时，细胞α-生育酚含量提高了近4倍[126］．
在大规模商业化生产β-胡萝卜素方面d .盐水湖，实施高盐度胁迫和氮缺乏[256］．d .盐水湖是已知的最耐盐的真核微生物，它可以耐受0.5-35% NaCl的非常宽的盐度浓度[257］．细胞对盐度的驯化可提高β-胡萝卜素的含量[258］．4-9%的适度增加可使β-胡萝卜素增加30倍，而更苛刻的盐浓度会降低β-胡萝卜素的积累。当NaCl浓度增加至0.6 M时，藻胆蛋白总含量从25-45%提高，但当NaCl浓度进一步增加至0.9 M时，则会产生负面影响[57，247］．细胞外聚合物质(eps)，由杜氏盐藻盐酸菌株，随着盐浓度的增加而增加，在5 M NaCl时达到最大值(944 mg/l)，在0.5 M盐度时达到最小值(56 mg/l) [84］．的h . pluvialis虾青素生产的栽培主要有三种模式:连续单步栽培[259]、两阶段细胞生长和虾青素产生[260]，并分两阶段进行栽培[261］．虾青素生产的商业过程HaematococcusSp.基于两阶段战略:第一阶段在最佳生长条件下生产绿色生物质，称为“绿色”阶段;第二阶段是将培养物暴露在不利的环境条件下以诱导虾青素积累，称为“红色”阶段。在大型设施中，两级系统产生2.2 mg L的虾青素－1，而虾青素产量最大为11.5 mg L－1d－1可在持续照明下达到实验室规模[261］．在适度限氮条件下，提出了一种单步连续工艺[259]，生物量和虾青素产量分别为8和0.7 mg L－1d－1，分别[262］．如果能够保证准确的硝酸盐输入剂量，则可以在室外连续模式下高效生产虾青素[263］．半连续栽培d .盐水湖在25°C生产80克−3d−1生物量为1.25 mgL−1β-胡萝卜素的含量可提高至2.45 mg m−3d−1在连续双相生物反应器中[264，265］．
对于多糖生产，其中蓝藻被研究最多，培养条件的影响是物种和菌株依赖的。氮饥饿的蓝藻物种，如无囊藻和几个蓝杆菌菌株表现出较高的多糖释放量，而未观察到类似的效应集胞藻属，Phormidium和一些蓝杆菌菌株。其他因素如培养年龄，温度和氮的类型也影响多糖的生产答:nidulans［79］．蓝光和红光不仅提高了光合作用的效率，还增加了多糖的产生紫球藻属cruentum［266］．
收获与脱水
微藻大规模生产的经济性可通过改进培养技术和低能耗、简单而有效的下游加工来提高[4］．在浓度小于1gl的稀悬浮液中收获和脱水藻类物种－1(池塘)和3-15 gL－1(PBRs)是具有挑战性和能源密集型的。为了减少微藻浓缩物的体积和重量，尽量减少运输和下游成本，以及延长微藻浓缩物的保质期，必须脱水至约20-30%的含水量[267］．根据藻类的类型、下游工艺的要求和所需的产品质量，已经报道了不同的物理、化学和生物方法，主要目标是以最快、最节能和最便宜的方式分离介质和藻类。最常见的重力沉降和混凝技术是低能量的，可以让藻类自然沉降到底部，但这可能需要很大的面积，而且下游工艺和产品目标对混凝剂污染是耐受的。漂浮能将藻类浮到水面，有些藻类确实会自然漂浮，不过这通常是由微气泡引起的[268，269］．壳聚糖或疏水吸附剂溶解气浮可使物料增稠至10%干重含量(100gl－1) [267］．沉淀物污泥和漂浮生物质的成本也很低，但更稀释，高速连续离心是有吸引力的，并用于商业上为水产养殖的孵化场和苗圃收集高价值的代谢物。离心法产生的重力在5,000至10,000之间，将藻类分离出来[269]但强烈的重力和剪切力会破坏细胞结构[225]，而且需要大量的资本投资、运作成本和高通量处理大量的水和藻类[270］．
利用阳离子淀粉等生物聚合物进行生物絮凝[271]或聚(γ-谷氨酸)(γ-PGA)由地衣芽孢杆菌cgmcc2876 [272]进行微藻脱水，不使用化学药剂，能耗少，操作简单，环保，与工业上应用的化学絮凝效果相当，可大大降低成本[273］．高分子量胞外多糖(EPS)以及藻类和微生物细胞的渗出物(如聚电解质)的存在可以桥接和絮凝悬浮中的藻类和微生物细胞[274］．γ-PGA已被用于浓缩淡水Desmodesmussp. F51随着初始培养pH从~7.2增加到3，效率从43.8%增加到98.2%。在最佳用量为2.5 mL/L，快速搅拌速率为150 rpm / 1 min，慢速搅拌速率为80 rpm / 2 min的条件下，效率达到99%，表明该方法具有良好的回收性能，适用于商业规模的微藻收获[272］．考察了阳离子淀粉(Greenfloc 120)在淡水中的絮凝效果小球藻protothecoides建议最佳剂量为40 mgL－1pH值为10，最高效率为98%。如果剂量低于最佳剂量，可获得较高的生物量回收率(约95%)，这是避免成本过高的优选方法[275］．
电化学收集可用于产品回收、废物销毁[276]，以及化学合成方法，并可在环境上接受、不针对物种、安全及具成本效益的情况下，以商业规模实施[277，278]以清除地表水及废水中的微藻[279，280］．主要的限制是金属电极的损耗[281，282]，这可能会导致生物质和废水的金属污染，并增加收获成本[277，281，282］．决定的小球藻sorokiniana而且栅藻obliquus研究了采用非牺牲碳电极来克服成本和金属污染。加入电解质(NaCl)可提高其回收率(RE)c . sorokiniana65.99 ~ 94.52%，能耗1.6 kWh kg－1且对油脂提取及脂肪酸组成均无不良影响。回收率最高可达83%美国obliquus在1.5 A，初始pH 9和6 gL－1NaCl，功耗3.84 kWh kg－1．与ECH相结合的RE可与离心、过滤和化学絮凝相媲美，但功耗要低得多。在电解液的作用下，脂质提取率提高22%，且无不良反应。这些使得ECH成为商业微藻生物量和生物柴油生产的可能步骤[283，284］．
基于磁性纳米颗粒(MNPs)的收获和活化技术是一种快速分离藻类细胞的新方法。适用于蓝藻细菌微胞藻属绿脓杆菌分离时，当MNPs用量为0.58 g MNPs/g干生物量时，收获的MNPs原料效率达到99.6%，但直接重复使用5次后，效率逐渐降低至59.1%。在额外的超声氯仿:甲醇溶剂处理下，MNPs经5次活化后可有效活化，效率达到60%，且在0.2 g MNPs/g干生物质用量下，分离效率保持在93%以上[285］．为实现微藻的高效采集，研制了一种由永磁滚筒、分离室和刮刀片组成的磁选机。磁选机是利用磁场对磁颗粒进行物理捕获，从而实现对磁颗粒的分离，具有较高的处理能力[286-290］．的铁3.O4纳米颗粒，功能包被含有高浓度ANH的聚乙烯亚胺(PEI)2组，已被引入收割小球藻ellipsoidea细胞。功能磁性NPs粒径为12 nm，饱和磁化强度为69.77 emu/g，当用量为20 mg/L时，2 min内收获率达到97%3.O4-PEI纳米复合材料通过静电吸引和纳米级与细胞的相互作用达到93.46 g-DCW/g-纳米复合材料[289］．
产品萃取和分馏
目标化合物的相对易于纯化将提高微藻作为生物活性化合物来源的价值[291］．对于工业应用，提取溶剂应价廉、易用、低毒、不溶于水、高效溶解目标组分、理想的可循环利用。有机溶剂萃取广泛用于传统油籽植物的脂质提取，不同的萃取系统也已在藻类培养物中进行了测试[292］．藻类脂质的溶剂提取可以从湿的和干的生物质开始，并可以进行特定的预处理。如果从干燥的生物质中进行，则需要进行干燥/脱水预处理，这通常是高能量步骤，因此湿法提取是最佳的，以确保工艺的可行性和可行性[293，294］．预处理旨在打破细胞壁，当直接从湿生物质中进行脂质提取时，预处理是强制性的。从未经处理的湿生物质中提取脂质，其特点是产量低，因为水与有机溶剂不混溶，细胞由于表面带电荷而倾向于停留在水相，因此无法接触到能够提取脂质的有机溶剂相[雷竞技网页版295］．
藻类细胞壁较厚，是由复杂的碳水化合物和糖蛋白组成的刚性层，具有较高的机械强度和耐化学性。打破微藻细胞壁可能需要高能量输入，将细胞内脂质释放到提取混合物中，从而促进溶剂接触脂质。一旦从细胞中释放出来，脂质就会移动到溶剂阶段，在溶剂蒸发后，它们就可以被收集起来。一种基于H2O2在最佳接触时间和反应物浓度下，H雷竞技网页版2O2与不进行破坏的情况相比，FeSO4提取的脂质增加了一倍以上。通过反式酯化得到的FAMEs的质量也随着细胞破坏预处理的应用而提高，这与所使用的反应物无关[296］．采用超声(US)、微波(MW)、高压釜(AC)和交流电浮选(EFAC)四种细胞破坏预处理方法，总脂质收率分别为5.3 ~ 33.7% (MW)、7.1 ~ 24.8% (EFAC)、2.3 ~ 15.4% (AC)和3 ~ 13.3% (US)。然而，当同时考虑效率和成本时，EFAC可以提供最好的结果，并且可以是同时收获微藻和破坏细胞的一个很好的选择[297］．收获和脂质提取步骤的整合也可以降低下游工艺的成本。氨基粘土共轭TiO的集成方法2研究了氨基粘土对微藻絮凝的影响以及TiO2紫外线照射下的光催化性能。两个TiO2在室温下，通过溶胶-凝胶反应制备出直径为5 nm的锐钛矿/金红石双晶和直径为3.5 nm的锐钛矿/布鲁克石双晶光催化剂，通过超声波照射TiO均匀分布在氨基粘土基体上2得到氨基粘土共轭的TiO2复合材料。在10分钟内，注入氨基粘土共轭TiO2加入配制好的1.5 g/L浓度的含油液小球藻sp。基米-雷克南－1原料产生85%的收获效率。将收获的湿微藻生物量在365纳米的紫外线照射下照射3小时，从而破坏95%的细胞[298］．
中断的栅藻obliquus拥有超过0.25%的高叶黄素含量的CNW-N细胞是最有效的打珠器。为了使总提取时间缩短24 h，对常规皂化步骤进行了改进，采用乙醚提取叶黄素的效率最高。叶黄素提取物在低温(4或- 20°C)下添加抗氧化剂(约0.01% BHT)可在80天后保持90%的叶黄素稳定性。添加适量抗氧化剂可促进叶黄素提取物在光照下的稳定性[299］．利用海藻酸酶裂解酶水解海藻细胞壁中含有β- d -甘露酸残基的特定多糖，并结合乙醇或二甲醚(DME)对裙带菜进行酶预处理，以提取岩藻黄质。典型的酶预处理条件为固相量5% (w/v)， pH 6.2，反应温度37℃，反应时间2 h，酶量0.05% (w/w)，连续混合。离心(6000 xg, 20分钟)，从反应混合物中分离水溶性水解产物，提高脂质和岩藻黄质回收率，并减少提取前需处理的剩余生物量约40-50%。藻胶酶预处理使总脂质产量提高>10%，岩藻黄质产量提高>20% [300，301］．
生物分离和生产高价值天然生物活性物质的工艺方案可以利用超临界流体[302］．综合工艺包括预先操作(发酵、萃取、酶预处理、物理分馏或粒径缩小)、超临界流体萃取(SFE)或分馏，以及在超临界流体中原位进行操作的工艺(超临界色谱、酶转化、溶质沉淀和包覆)[302］．二甲醚在4 MPa和40 ~ 60℃条件下的湿法高值脂质花生四烯酸(ARA)提取率高于CO2(在30 MPa和相同温度下)，接近于用穷尽氯仿/甲醇萃取测量的脂质总量。由于脂类在液化二甲醚中的溶解度大大高于CO，因此使用二甲醚可以同时提取中性和极性脂类，因此提出了较高的收率2．通过使用初始CO连续提取干生物质，可以分离提取非极性和极性脂类2，然后选择性地加入乙醇共溶剂和二甲醚。只需改变萃取溶剂和/或萃取条件，就可在单一处理平台中实现目标化合物/有价值化合物的完全分离[302］．超临界有限公司2提取(SCCO2)已报道获得一种富含α亚麻酸(ALA)必需脂肪酸且溶剂与干藻比低(6:3)的油。在CO浓度为0.4 kg/h、温度为60℃、压力为30 MPa时，萃取率最高2和5%的助溶剂(乙醇)。在接近30 MPa的压力下出现热力学交叉，而在25 MPa左右发生萃取交叉。的SCCO2方法比索氏提取脂类更有选择性，即使脂肪酸剖面是相似的。结果表明，栅藻obliquus油中含有丰富的ώ-3脂肪酸和ALA小球藻protothecoides而且Nannochloropsis盐沼ω-3得率有利于低温、低压和短时间的提取[303］．
一个supercritical-CO2采用萃取加酸处理的方法从一种绿色植物中提取虾青素。GK12和分解叶绿素和虾青素[304］．在低CO条件下，以乙醇为助溶剂，采用SFE法完全提取虾青素2压力(20 MPa)和温度(30°C)，以及较短的加工时间(15分钟)，使其节能。叶绿素，与虾青素一起提取，可以很容易地通过添加酸(H2所以4或HCl)及离心[304］．通过增加水合氢离子和氢氧根离子的浓度，可以实现提取-分馏(或纯化)以获得含有高纯度生物活性成分的集成绿色加工平台。随着水温的升高，Kw从25℃时的10-14增加到近10-11 mol2dm6在大约250°C，从而加强任何酸基催化过程。通过简单地加热水溶剂，可以增加可用的水合氢离子和氢氧根离子的浓度，而无需在反应结束时进行中和[305］．直接或原位超临界酯交换法有可能破坏坚硬的藻类细胞壁，并将提取的脂质一步转化为生物柴油，从而显著降低能源消耗。湿的(80%水分)和未洗的干的Nannochloropsis gaditana以超临界甲醇为原料，在不添加催化剂的情况下，采用直接酯交换法一步直接合成生物柴油。主要工艺参数为甲醇与干藻的初始体积比(6:1 ~ 12:1 vol./wt.)以及反应时间(10 ~ 50 min)与温度(245 ~ 290℃)的协同效应。在255-265°C, 50分钟反应时间，甲醇与干藻比为10:1的条件下，从湿的和干的未洗藻类生物量中分别获得0.46和0.48 g/g油脂的最大生物柴油产量[306］．一氧化碳的使用2-膨胀甲醇(cxMeOH)和液态二氧化碳(lCO2)已被提出从布朗葡萄球菌中提取脂类。压缩CO时2在甲醇中溶解，溶剂体积膨胀，极性降低，对生物柴油理想脂质的选择性增加。藻类提取物的固相萃取表明，cxMeOH每mL有机溶剂提取21 mg生物柴油，而使用纯甲醇或氯仿/甲醇混合物提取3 mg/mL。非极性lCO2显示出高亲和力的非极性脂类和可能提取高达10%的中性脂相对于干藻类的质量。与使用传统溶剂不同，这些新方法几乎不需要挥发性、可燃性或氯化有机溶剂[307］．
大多数商业化的、大规模的户外微藻培养都是在人工露天池塘中进行的，出于经济原因，易于操作，但面临过热、污染、有毒氧气水平和污染等挑战。目前存在与生产力和生物量产量低、蒸发造成的水分损失、二氧化碳消耗效率低和温度波动以及收获成本高有关的问题。挑战在于开发具有弹性、快速生长的藻类的混合管状PBR或露天池塘养殖，同时获得高含油量。生物精炼概念和光生物反应器工程的进展应使藻类生产的成本在经济上更可行，特别是如果将工业废水修复作为营养来源结合起来。如果主要植物油和原油价格高企，海藻脂也将是一个更现实的选择。多不饱和脂肪酸和生物活性化合物作为商业化产品具有较好的应用前景，应进一步探索利用遗传重新设计藻类代谢过程的方法。生物质回收和替代提取工艺以及分离、纯化或转化必须大规模有效，并应以低资本和运营成本使其可靠和可管理。微藻养殖商业化，作为生物能源生产生物精炼厂的组成部分，回收用于动物饲料的生物活性化合物和蛋白质等副产品，并与CO结合使用2废水的去除和处理，是前进的方向。
