螺旋藻的介紹

 

 

 

水產養殖系養殖科學研究所

指導教授:陳衍昌博士

姓名:彭子倩

螺旋藻的產地-非洲、墨西哥

1921年,生物學家首先在非洲查德湖畔發現了螺旋藻。四零年初法國藻類學家Dangeard描述在非洲查德湖附近的土著,採集湖中的螺旋藻,曬乾後與穀類攪拌或作為羹湯食用;無獨有偶地,墨西哥的阿茲堤克人以Texcoco湖中的螺旋藻,作為主要蛋白質來源(http://www.febico.com.tw/v-disc_c_03.htm);直到1963年,法國學者克里蒙德(G. Clement)博士發現螺旋藻有豐富的營養價值,才開始對其營養成分與人工養殖進行基礎研究(http://www.vedan.com.tw/par t01 _sub01_05.htm)。

螺旋藻是一種生長在鹼性鹽湖的藍綠藻。在全世界的原產地最主要有兩處:非洲的查德湖(Lake Chad)、墨西哥的Texcoco湖;直到最近,中國雲南省的程海及美國一些鹼性湖泊都有發現螺旋藻的存在。

墨西哥境內遍佈著大大小小的鹹水湖。而Texcoco湖位於墨西哥盆地中央,是屬於古代湖泊殘留的一部分,其地理位置為北緯19~20度、西經98~99度之間,海拔高度在2000公尺左右。當地夏天雨季是屬於半乾燥氣候,氣候上會有一種負水平衡的現象(一年的降雨量為600mm,但蒸發量卻為1800mm)。此湖的初級生產力相當的高,因此湖面經常呈現綠色和其他深色水華(藍色、深褐色、紫色及黃色)。湖水的溫度和溶氧量變化量相當大,且會隨著地形、水深而有所差異(Alococer Hammer,1998)。

圖一:Texcoco(Lago de Texcoco)的地理位置,其中可細分為數個小湖區

查德湖 (Lake Chad) 位於西非撒哈拉沙漠邊緣,周圍環接著四個國家:尼日利亞、 尼日爾、查德及喀麥隆。查德湖曾經是非洲第四大湖,全球第六大湖,但因在過去四十年因為降雨逐年減少,以致於湖面面積縮小,只剩三十五年前的1/20倍,對水中的生態影響甚大;因而亦有人會將其視作濕地。http://www.ianho. net/knowledge/shrinking_lake.htm

圖二:查德湖位於非洲地理位置

圖三:查德湖在近四十年湖面積逐漸縮小的情形。自兩萬年前以來,湖面積都有增減,但近

幾年代縮減是最嚴重。推測可能與全球溫化無關,但與周遭的人類活動有關

近來中國宣稱程海亦有出產螺旋藻,程海位於雲南省永勝縣中部,海拔高度1503公尺,湖長20公里,南北走向,均寬4公里。湖水最淺處36.9公尺,儲水量19.87億立方公尺,面積77.2平方公里,為滇西第二大湖。該地氣候屬中亞熱帶氣候,一年日照約2700小時,平均氣溫18.7,,湖面水溫17.6~27.5,全年無霜,pH8.6~9.3;湖水礦化度高,碳源豐富。(http://big5.xinhuanet.com/gate

/big5/www.yn.xinhuanet.com/nets/lj/xlym/fjms-10.htm

圖四:雲南省永勝縣的地圖,程海位於中部

螺旋藻的應用

生產商業性螺旋藻,目前已遍及全球,乾燥後的螺旋藻可添加於食品中(Cifelli, 1983; Belay et al.,1993)。螺旋藻的成分:蛋白質(佔乾重60~70%)、維生素(B12和β-胡蘿蔔素含量高)、礦物質、必須胺基酸和脂肪酸,特別是γ-次亞麻油酸(GLA)含量豐富(Belay et al, 1993)。

螺旋藻使用在人類食品添加物已經有二十年的歷史,對於醫療也有許多臨床報告(如Table 1.)。其中主要的功能有:降低血液中膽固醇含量、 β–胡蘿蔔素可預防癌症及減緩病情、營造腸胃中健康的乳酸桿菌群、減輕汞及藥物對於腎的毒性、γ–亞麻油酸(GLA)可刺激前列腺素作用藻藍蛋白(Phyeoeyanin)可提高免疫系統輻射的保護、提高鐵的吸收及調理貧血症及減肥。特別是螺旋藻的液態萃取物能抑制HIV-1病毒來自人體T-細胞及週邊血管單核細胞的複製(Ayehunie

 et al.,1998),對於愛滋病人而言,無啻是一個新的希望。

將螺旋藻添加在動物飼料中是近年來才發展的新技術,其中以各樣水產品(吳郭魚、虱目魚、鯉魚、鰤、鮭魚、嘉魚、明蝦、鮑魚等等)及陸上動物(雞、牛、豬)為主要研究對象。在早期的研究中,螺旋藻添加在飼料中都是針對成長率、活存率、飼料轉換率及組織特性作為探討。在成長率、活存率及飼料轉換率方面,添加適當的螺旋藻來取代飼料中蛋白質,結果發現都有顯著的效果(Table 2.)。在組織特性方面,運用在魚類上,有明顯增加體色的效果,同時可降低魚肉中膽固醇含量和增加肌肉紋理,提高食用的口感;在家禽方面,可增加蛋黃色澤及孵化率(Table 3.)。直到最近才有針對免疫、抗病毒、抗癌症作為研究。

Table 1.螺旋藻對於醫療上的研究

應用

對象

結果

參考資料

Hyperlipidemia

Rat

可降低血液中總膽固醇含量。使HDL-膽固醇含量增加,LDL-膽固醇含量受到抑制。

Kato et al., 1984

 

Rat

藉由補充脂肪分解酵素,增加三酸甘油脂含量在血液和肝中的比例。

Iwata et al., 1987,1990

 

Human

測量30個病人的血液中總膽固醇含量,LDL-膽固醇和 AIAthero-genic Index)會降低,同時HDL-膽固醇會增加。

Nakaya et al.,1988

Adipohepatosis

Rat

病情受到抑制,促進痊癒。

Kato et al.,1984

Antitumor

Hamster

研究指出β-胡蘿蔔素、類胡蘿蔔素有抑制癌細胞的物質,服用適當的螺旋藻可抑制細胞毒素。

Schwartz

Sklar,1987

 

Hamster

螺旋藻的萃取物可防止腫瘤細胞增殖。

Schwartz et al.,1988

Immune system

Mouse

螺旋藻可抑制diisocyanate所引起慢性過敏症。

Nagao et al.,1991

 

Mouse

初級免疫反應中可預防胸腺和單獨病原的增值。

Hayashi et al.,1992

Radioprotective effect

Mouse

以乙醇萃取螺旋藻所得的物質,可減緩γ-射線誘導micronucleus發生的頻率。

Oishen et al.,1989

Renal toxicity

Rat

螺旋藻食品可以防止無機物-汞及三種藥物(para-aminophenol,gentamicin cisplatin)引起腎衰竭。

Yamane et al.,1988

 

Rat

藻藍蛋白可防止汞及cisplatin所引起腎衰竭。

Fukino et al.,1990

Intestinal flora

Rat

腸道中大腸桿菌和比菲德氏菌明顯增加。

Tschihashi et al.,1987

Diabetes

Rat

在葡萄糖含量較低血液中,螺旋藻親水性部分可快速的作用;而疏水性部分可抑制葡萄糖含量。

Takai et al.,1991

Obesity

Human

在連續四星期,每天三次,每次服用2.8克的螺旋藻,病人明顯降低體重。

Becker et al.,1986

Hypertension

Rat

減緩高血壓。

Iwata et al.,1990

 

 

 

 

Table 2.螺旋藻對於動物及水產生物的活存率及生存率

種類

摘要

參考資料

Big mouth buffalo

Ictiobus cyprinellus

改善成長率為29g dwt/kg-1 body wt

Stanley Jones, 1976

Blue tilapia

Tilapia aurea

如上

Stanley Jones, 1976

Nile tilapia

Tilapia nilotica

螺旋藻補充蛋氨酸可成功取代魚飼料。

Chow Woo1990

Milkfish fry

Chanos chanos

添加50%的螺旋藻取代飼料,完全無負面影響。

Santiago et al., 1989

Silver carp

Hypothalamichthys molitrix

添加10%的螺旋藻在飼料中可改善成長率及增加體重。

Ayyappan, 1992

 

利用30%的螺旋藻取代飼料中的蛋白質來改善成長。

Daniel Kumuthakala-vally, 1992

Grass carp

Ctenopharyngodon idella

如上

Ayyappan, 1992

Common carp

Cyprinus carpio

如上

Ayyappan, 1992

Cultured striped jackPseudocaranx dentex

添加5%螺旋藻在飼料中,結果顯示有好的成長率和飼料轉換率:10%的螺旋藻會輕微抑制成長。

Watanabe et al.,1990

Yellow tail

Seriola quinqueradiata

補充1~10%的螺旋藻可改善成長率(控制組的1.5倍)、活存率及飼料轉換率。

Kato Miyakawa,1992

Masou salmon

Oncorhynchus masou

可改善成長率、活存率、飼料換轉效率,抵抗預防細菌的傳染。

Kato Miyakawa,1992

Sweet smelt or ayuPlecoglossus altivelis

如上

Kato Miyakawa,1992

Sea eels

Anguilla japonica

改善成長率、活存率、飼料轉換效率。

Kato Miyakawa,1992

Red sea bream

Pagrus major

餵食5%的螺旋藻可增加成長率、活存率、飼料轉換效率。

Mustafa et al., 1994a

Silver sea bream

Rhabdosargus sarba

比較取代到50%螺旋藻的飼料之成長率,結果無負面效果。

El-Sayed, 1994

 

 

 

 

 

 

Giant freashwater prawnMacrobrachium rosenbergii

添加5~10%的螺旋藻明顯改善成長率、活存率、飼料轉換效率。

Nakagawa Gomez-Diaz, 1995

Chicken

在幼公雞飼料中添加1.5~12%螺旋藻取代其他蛋白質來源,有好的成長率及飼料的轉換率。

Ross Dominy, 1990

 

餵食成長的鷄5~10%螺旋藻,明顯可改善成長及產卵。

Blum Calet, 1976Yoshida Hoshii,1980Becker

Venkataraman 1982

Brune. 1982;

Nazareno et al.,1975Na

Quail

餵食1.2~10%的螺旋藻會有較高的產蛋量及孵化率。

Ross Dominy, 1990

 

添加0.2%螺旋藻可降低比控制組20倍的死亡率。

Sakakibara

Hamada, 1994

Turkey poults

添加1000~10000mg/kg-1的螺旋藻會有較高的存活率及較低的死亡率。

MA Qureshi, personal communication

Yorkshire pigs

在飼料飼料中添加螺旋藻或綠球藻,重量較控制組增加。

Yap et al., 1982

 

 

 

Table3.螺旋藻對於一些動物在組織的影響

 種類

摘要

參考文獻

Fancy red carp

Cyprinus carpio

將來自螺旋藻Zeaxanthin myxoxanthophyll作顯色比較,結果發現前者有明顯增色,後者沒有。

Matsuno et al., 1970

Red tilapia

Tilapia nilotica,

 T. mossambica

控制組、餵食luteinrhodoxanthin和螺旋藻的組別,結果分別顯色為淡粉紅色、黃色、粉紅色及橘紅色。在螺旋藻的組別中,rhodoxanthin的累積為10倍。

Matsuno et al., 1980

Sweet smelt

Plecoglossus altivelis

添加3~6%的螺旋藻可使表皮及皮下組織增色。

Mori et al., 1987

Stiped Jack

Caranx delicatissimus

添加5~10%的螺旋藻於飼料中,會增加在表皮類胡蘿蔔素的累積。

Okada et al., 1991

Black tiger prawnPenaeus monodon

 

餵食3%的螺旋藻飼料(包含β-cartenePhaffia krill oil)會有明顯的增色。

Lian et al., 1993

Poultry

螺旋藻中的類胡蘿蔔素可增加蛋黃顏色及孵化率。

Blum et al.,1976;

Colas et al.,1979;

Venkataram Becker, 1982;

Anderson et al.,1991; 

Ross Dominy, 1990

Striped jack

Pseudocaranx dentex

魚飼料中添加10%的螺旋藻可降低在內臟及肝臟中脂肪的含量,也能降低在背部肌肉及肝臟中三甘油脂的含量。

Watanabe et al.,1990

Red sea bream

Pagrus major

添加2%的螺旋藻與控制組相比,脂肪含量較低;野生魚種有較低的脂肪含量。

Mustafa et al.,

1994b, 1994c

 

添加2%螺旋藻與控制組相比,魚體中有較高含量stromal蛋白質和肌理。

Mustafa et al.,1994c

Struped jeck

Caranx delicatissimus

藉由panel of judges的感覺測定,顯示添加螺旋藻可改善顏色、肌理及腹部肌肉的口感。

Liao et al.,1990

 

 

 

螺旋藻的養殖環境

正因為螺旋藻有如此多的應用價值,因此要如何增加它的產量來供應如此龐大的商業性需求,是一個重大的課題。首先在1953年,開始有螺旋藻研究(Burlew),已陸續發展一些生物技術來達到高效率且大規模的養殖(Richmond, 1986, 1987Benemann et al.,1987Chaumont, 1993)。目前有三種微藻:綠球藻(Chlorella sp.)、螺旋藻(Spirulina sp.)和杜氏藻(Dunaliella sp.)較普遍地受到重視,且利用一些生物技術作為大量生物應用。其中螺旋藻是最廣泛使用大規模戶外式養殖的藻種,至目前為止已有四十多年的研究歷史,主要在研究螺旋藻的生態學、生理學及發展高單位密度養殖系統。

一般在商業性螺旋藻養殖中較侷限於室外溝渠式養殖(Tredici et al., 1993),僅有少數公司使用封閉式生物反應器培養(Specktorova et al., 1997)。主要原因是因為螺旋藻為一種熱帶性的藻種,喜強光及高溫,所以在室外式養殖頗受環境限制,而僅限於熱帶及亞熱帶地區。然而,封閉式生物反應器,雖然能一年四季提供非常固定的產量,但因建造價格昂貴而無法大規模生產,所以使用的普遍性較低。

利於室外池塘式的養殖有最主要的優點兩個:成本較低可使用太陽能,也因此螺旋藻目前大部分以室外養殖方式居多。

 

物理因素對於螺旋藻生長濃度及產量的影響

如前所述,螺旋藻因需要較長時間的自然光照射及高溫來達到理想生長,因此一般的養殖是侷限於熱帶及亞熱帶地區。在部分溫帶地區,雖然夏天的高溫可達到螺旋藻生長的理想溫度,但到晚上會有明顯的溫差,甚至凌晨的溫度卻只有10~15Richmond, 1987)。如此一來,每天都會有幾個小時為生長緩慢或生長停滯時期。然而另有其他報告亦有指出,Spirulina subsalsa為一種生長在河口的種類,可以在一些較高緯度的地區進行商業化養殖(Hargraves and Viquez., 1982; Shimada et al.,1989)。

螺旋藻最適當的成長溫度為35~37。在室外最低的成長溫度為18,當低於12時會停止生長(Richmond, 1986)。但某些種類的螺旋藻的生長溫度範圍是大於一般螺旋藻的生長溫度範圍(24~42℃)Vonshake and Tomaselli,2000)。Jiménez2003)指出Spirulina platensis可以在低溫12℃時達到2 g 乾重/每平方公尺/每天的生產量;15℃有6 g 乾重/每平方公尺/每天的生產量;18℃為8 g 乾重/每平方公尺/每天的生產量。令人驚訝的是,在9下,螺旋藻也有少許生長。

光度對植物而言是相當重要的。綠色植物能吸收的光波的範圍為可見光(400~700nm)。針對於不同的色素有特定的吸收光波(譜),葉綠素ab吸收藍光和紅光,類胡螺蔔素則以吸收藍光為主,藻藍素以紅光為主要吸收的光譜(吸光值以565nm偵測),藻紅素以藍光為主;且螺旋藻在波長較短的光波下(藍光),易產生較高的生產量。 Qiand et al.1998)指出螺旋藻的生長密度及光度是呈線性關係,在8000μmol m-2 s-1(為夏天正中午的2~3倍),螺旋藻有最大的產率為16.8 g 乾重/每小時,但似乎尚未呈現最大的產率。在生物反應器中,不同直徑管子會有不同的生產量:當管徑減少27倍時(200mm變成7.5mm),生產量增加50倍。細胞密度與光度有密切相關:當細胞密度太高時,光度相對降低,會使生產率下降。但光度太強時,會導致葉綠素的褪色(Singh et al., 1995)。

至於培養過程中的pH值以10.2~10.4為最理想,當低於9.5或高於10.5生長率會下降(Jiménez et al.,2003)。溶氧量最好維持在20~22ppm,當大於25ppm時,反而生物濃度會降低(Jiménez et al., 2003)。至於導電度(22~28mS cm-1)對於生長濃度及產量無明顯影響。

綜合以上所言,夏季光度為最主要的影響;而冬天最主要受到溫度的影響(Vonshak, 1997),然而過量的溶氧及太低或太高的pH值對於生長率反而會使產率降低。

 

結論

螺旋藻的發展已有三十幾年的歷史,因其營養成分豐富,人類醫學上功效顯著,常被利用作為健康食品。其成份中以其含鈣膠質的功效為最多,醫療指數為200~6000Ayehunie et al.,1998)。因此,如何提高螺旋藻的膠質分泌,來提升其經濟價值,成為相當重要的課題。藻膠對於藻類而言是一種保護的物質,在生長狀況較差時,會影響膠質分泌 Shepherd et al., 1999)。因此可運用這個特性,改變一些生長因子(如:溫度、光度及營養鹽)來刺激藻膠的大量分泌。

而且養殖螺旋藻在世界會掀起一股風潮,除了有較豐富的營養所帶來較高的商業契機之外,在養殖的過程所需要的成本非常低。扣除掉進口螺旋藻藻種的成本之外,除了需要有土地及收成時消耗較多物力及人力之外,剩下就是加工的成本。一般螺旋藻培養液的pH值可以高達11,所以較少有其他生物會在當中存活而影響其生產率,也因此收成相當方便。微藻養殖有一特別之處就是能夠利用太陽能轉換成生物能,不像魚蝦貝類的養殖需要消耗大量的飼料成本。相對的,投資報酬率一定相當可觀。

台灣的螺旋藻產品大多是仰賴進口,本身並未有像外國如此大規模的養殖。其實螺旋藻的發展最主要還是要與政府的配合有關,像中國大陸在近幾年中,政府投入大規模的人力、物力與資金。如今,中國生產螺旋藻的產量號稱已佔全世界的二分之一。台灣就地理位置而言(特別指高屏地區),發展螺旋藻的市場是相當被看好,加上國人的消費能力水準相當的高,而且在近幾年來我國掀起一股健康食品的熱潮,只要看好這一股市場趨勢,前景是不可限量的。而且我國微藻養殖技術相當進步,只要相關產業之間的配合,一定能創造台灣的養殖綠色奇蹟。

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