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2017-06-01臺灣藻類產業未來發展的挑戰與機會
426 期
Author 作者
林翰佳／海洋大學生命科學暨生物科技學系系主任。 顏紹傑／海洋大學生命科學暨生物科技學系博士班。
我們的日常生活用品，有許多關鍵成分其實是由藻類所提供。例如從海洋紅藻中所提煉的鹿角菜膠，如果沒有它，我們每天在用的牙膏放久了就會「油水分離」；又例如海洋矽藻外殼所形成的矽藻土，是工業上很重要的過濾材料，也是高級的建材，更不用說近來很多熱門的保健食品，像是大家常常聽到的綠藻精、褐藻糖膠以及蝦紅素（astaxanthin）等，都是藻類中所富含的珍貴材料。由這些例子，大家應該不難理解，為什麼目前世界各國都非常積極投入藻類的研究與產業應用。
藻類產品與產業
其實臺灣的藻類產業發展很早，由於氣候環境非常適合淡水綠藻的生長，因此早在1960年代，臺灣就開始與日本技術合作，建立了領先全球的小球藻量產養殖技術。直到現在，臺灣的綠藻產業在全球仍然佔有70%的絕對領先地位，每年出口外銷可達數千公噸的規模。
在這裡我們要先解釋一下，其實藻類是一個很廣泛的名詞，它包含了許多來自不同演化來源的生物。雖然藻類大多可以行光合作用自營生長，但是有些藻類與我們所熟知的植物其實差異很大。前述的綠藻、紅藻以及我們所熟知的陸生植物同屬「原始色素體生物（Archaeplastida）」；但是海洋中的大型褐藻（昆布、馬尾藻等）、單細胞的矽藻、金藻，則是屬於「雜色藻界 （Chromista）」，它們的基因與代謝與植物非常不同，甚至有些反而與動物比較接近。但也因為藻類的多樣性與族群的豐富性，從大型藻到微細藻，從淡水到海水，從熱帶到寒帶，各式各樣的藻類就像是一個大寶庫，等待人類去挖掘利用。
由於藻類的種類繁多，所以個別藻類的培養技術與產業挑戰也不盡相同。雖然國內在小球藻產業獨步全球，算是在相關產業起步很早的國家，但其實我們仍然必須仰賴進口來滿足產業上許多其他藻類成分的需求。那麼，在各國都積極發展藻類養殖產業的激烈競爭之下，我們應該如何把握自身的優勢，持續在這個重要的市場中扮演關鍵的角色呢？
發展藻類高價值產品
就產業的角度來看，持續開發新的應用，將藻類產品的附加價值提升，無疑是世界各國藻類產業發展的趨勢。我們就以蝦紅素（astaxanthin）這個近年來非常受到矚目的保健產品為例來說明。
蝦紅素是一種具有抗氧化能力的類胡蘿蔔素。根據研究指出，食用蝦紅素對於眼睛、皮膚與關節的抗老化有幫助，同時也具有保護心血管的效果，因此這幾年蝦紅素在保健食品與化妝品產業需求量大增。根據市場調查機構的統計，2014年全球消費蝦紅素就已經達到25萬噸。預期到2020年蝦紅素的市場都會以每年超過7% 的速度增加，整體產值可望超過十億美元。
天然的蝦紅素主要來源包括紅酵母（phaffia）、磷蝦（krill）、鮭魚，甚至國內曾經有生技公司從福壽螺卵來提煉蝦紅素。但是這其中蝦紅素含量最高、品質最好的還是來自雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）。
雨生紅球藻其實是一種綠藻，遍布在世界各地適合生長的淡水區域，在遇到強光、氧化壓力上升、缺乏氮營養鹽、提升溫度與提升鹽度等逆境刺激之下會由綠轉紅，產生高達細胞乾重1~4%的大量蝦紅素來保護細胞。 因此培養紅球藻作為蝦紅素來源已經成為各國都很重視的新興生技產業。
在產業上，紅球藻培養可區分為戶外天然光源培養以及室內人工光源培養。戶外培養又分成開放池塘式（open pond）以及封閉管柱式（closed tube）培養系統。位於夏威夷的賽安諾（Cyanotech）公司具有全世界最大戶外開放式養殖的生產線。這種培養方式不必額外耗費能源，具有成本上的優勢。但受限於氣候，無法24小時持續光照生長，而且每日光照強度不同。加上開放系統容易受到其他微生物汙染，因此很難控制品質。因此，許多新成立的公司多改用封閉式的培養系統，例如中國的北京綠色金可（Beijing Gingko Group, BGG）公司就在昆明附近建造了廣達80畝的室外封閉式管柱培養場。類似這樣大規模的投資使得近年來中國企業在蝦紅素的市場市佔率逐漸上升，根據調查，目前全球前十大蝦紅素供應商，中國就佔了三位。
由於蝦紅素的產業需求強勁，在大量資金投入之下，也逐漸改變了傳統的藻類養殖科技。日本富士化學（Fuji chemical）在2011年就決定關閉他們在夏威夷的戶外養殖工廠，將紅球藻的養殖工廠全部移到日照並不充足的瑞典。因為在瑞典的工廠完全採取室內人工光源養殖，雖然成本較高，但是品質更穩定。目前富士化學是少數可以大量提供醫療等級蝦紅素的廠商，因此其產品的價值也較高。
由於這一波蝦紅素的熱潮，目前國內也有許多公司積極想要投入這一塊市場。雖然紅球藻也是一種綠藻，但是其養殖方式與臺灣擅長的小球藻並不相同。尤其是紅球藻適合的培養溫度大約在25℃左右，超過 30℃就無法生長的特性，很難應用過去小球藻戶外培養的產業模式發展。
運用新科技提升藻類產業競爭力
雖然臺灣在土地成本與氣候條件上的限制，加上起步較慢，可能在紅球藻產業上居於弱勢。但是從富士化學的例子來看，只要能掌握科技創新，發揮我們其他潛在的強項，我國在相關產業上仍然大有可為。
以筆者所服務的海洋大學生命科學暨生物科技學系為例，近年來我們就不斷努力，扮演跨領域技術的整合者，希望能攜手國內相關產業，一起提升藻類產業的價值。
再回到紅球藻的養殖來看，其實國內已經發展相當成熟的LED光電產業就很適合加入，一起發展紅球藻的人工光源養殖技術。針對這一點，我們已經與國內許多植物燈或是 LED廠商合作，評估最適合紅球藻培養的光源。根據我們的初步成果顯示，紅球藻可以在紅色LED光照射下快速生長。以能源轉換率來看，以紅色 LED光源照射的效率約為傳統日光燈管的3~5倍。同時LED光源的產熱也比日光燈管來得低，可以進一步減少冷卻培養系統所需消耗的能量。在刺激紅球藻產生蝦紅素的研究上，我們也發現， 搭配近紫外光（UVA）LED燈的照射，可以刺激蝦紅素累積的速率最高達到3倍（圖一）。
圖一：A 圖為紅球藻在沒有 UVA 照射下，而 B 圖是在 UVA 照射之下，可以很明顯的觀察到 UVA 的刺激使得紅球藻細胞變大，累績更多蝦紅素。（比例尺為 100 μm） （作者提供）
除了光電產業之外，我們也整合了國內的設備廠商。事實上，國內原本就有許多廠商具備生產藻類室內培養設備的能力。例如以生產WinPact品牌發酵槽行銷國際的利政科技，就具備相關硬體系統的製作能力。但是這些機械設備廠商過去比較著重在硬體的研發。目前利政科技與海大生科系合作，雙方將進行藻類培養條件等軟體層面的優化進行探討，未來將能提供國內相關產業更專業更優質的服務。
此外，在我們從事相關研究的過程中，也發現到材料科技對於藻類產業的重要性。目前不論是戶外封閉式或是戶內人工光源的藻類養殖系統，大多使用玻璃或是塑料材質製作。玻璃材質的透光度好，環境耐受性強，但是玻璃太重、又容易破損，而且要加工成大型或是構造複雜的光反應器並不容易。塑料的成本低，一般來說最常使用的是聚碳酸酯（polycarbonate）的材料。但是聚碳酸酯在長期光照之下，很容易變質脆化。而且經過我們的測試之後，聚碳酸酯透光率較玻璃低5%左右、也無法穿透波長 420奈米 （nm）以下的UVA，因此對於重視能源效率的人工光源養殖也不是很適合。
在我們找尋適合做為養殖藻類的材料時， 獲得臺灣贏創（Evonik）公司的協助，發現在許多大型水族館所使用的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），也就是壓克力，是一個很適合藻類光反應器的材質。首先，PMMA的強度夠、重量輕，加工又容易，可以製作大型光反應器；透光率高，與玻璃不相上下；高品質的PMMA耐候能力強，長期日照也不會變質脆化、霧化或變黃。目前甚至有廠商開發出能穿透UVA且不變質的PMMA材質，這些特點使得PMMA成為未來藻類養殖產業非常有潛力的一種新選擇（圖二）。
圖二：不同材質製作的藻類光反應器透光能力分析。玻璃材質在 340 nm 以上的光可達到 93% 的穿透率（點狀曲線）。特殊規格 PMMA 可以達到容許 360 nm 或是 390 nm 以上的 UVA 穿透，穿透率可達 93%（波浪與虛線曲線）。聚碳酸酯則只有在 420 nm 以上的光有較好的穿透率，但是在可見光的範圍也僅達 88%（實線曲線）。（作者提供）
跨領域整合發揮臺灣藻類產業的競爭力
以筆者過去幾年在藻類研究以及產學合作的經驗，發現其實國內不乏優秀的藻類研究學者以及具有專精技術的產業人才。但是與國外相比，我們確實比較缺乏產業戰略的引導，也未能跨領域整合國內資源，並且沒有長期投資未來藻類產業所需要的關鍵技術平台。因此無法有效發揮我們的產業優勢。
雖然本文主要以紅球藻的產業為例作介紹，但如果能成功整合國內的資源，其實同樣的科技平台，可以很快的應用到其他藻類的生產與應用。例如筆者也已經開始應用同樣的室內人工光源養殖平台，來培養基因改造後的海洋矽藻，可以大量生產人類的藥用蛋白質（圖三）。將藻類成分往醫藥領域發展也是一個值得發展的市場，可以大幅提升藻類產業的產值。例如海大生科系黃培安老師從藻類所萃取的小分子褐藻糖膠，已經獲得許多研究證實具有許多特殊的保健效果。 這些藻類的醫藥研究不但為許多疾病的治療帶來新希望，同時也成功帶動了國內相關產業的發展。
圖三：林翰佳教授（右）與博士研究生林宏運（左），發表以國內生產之藻類光反應器培養基因改造矽藻，大量生產藥用蛋白的技術。 （作者提供）
臺灣在藻類的研究上具有很優良的傳統， 但是面對國際上的強烈競爭，我們真的必須投入更多的資源來發展這個產業，讓這個產業的技術與價值得以提升。事實上，藻類的產業除了可以帶動生技產業之外，對於光電、機械以及材料這些我們原本就有良好基礎的產業，也能找到新的市場與動能。因此基於未來國家發展的需要，我們呼籲政府應該對於相關產業更加重視，儘「藻」規劃。
感謝臺灣日亞化學提供UVA LED顆粒供實驗測試使用，特此致謝。
延伸閱讀
1.Chekanov, K. et al., Accumulation of Astaxanthin by a New Haematococcus pluvialis Strain BM1 from the White Sea Coastal Rocks (Russia), Marine Drugs, Vol.12: 4504–4520, 2014.
2.Singh, S. P. & Singh, P. Effect of temperature and light on the growth of algae species_ A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.50: 431–444, 2015. 3.Lin, H.-Y. et al., Alkaline phosphatase promoter as an efficient driving element for exogenic recombinant in the marine diatom Phaeodactylum tricornutum, Algal Research, Vol.23: 58–65, 2017.