土耳其Esra Imamoglu团队最新研究成果
Optimization of phycobiliprotein extraction from triple algal co-culture
藻类共培养体系优化藻胆蛋白提取效率
原文链接
https://doi.org/10.1007/s43393-024-00301-8
在全球对可持续和天然产品需求日益增长的背景下，微藻作为一种多功能生物资源，正引起广泛关注。它们不仅在生态系统中扮演着重要角色，还在生物技术应用中展现出巨大潜力。作者在本研究中详细探讨了从三种藻类共培养体系中优化提取藻胆蛋白的方法。作者利用红球藻、小球藻和螺旋藻这三种藻类构建了一个共培养系统，并通过优化生物质与溶剂的比例、氯化钙浓度、搅拌速度和提取时间，显著提高了各类藻胆蛋白的提取效率。作者发现，这种共培养系统不仅能够提高藻胆蛋白的产量，还能降低生产成本和提高产品纯度。最终实现的最高藻胆蛋白产量为12.51 ± 0.23 mg/g干燥重量，这为藻胆蛋白在食品、化妆品和生物医学领域的应用提供了基础，也为其商业化生产提供了坚实的基础。
研究背景
近年来，随着全球对可持续发展和环境友好型产品需求的增加，微藻作为一类绿色生物资源受到了越来越多的关注。微藻不仅能够通过光合作用产生氧气，还在碳循环中发挥重要作用，这使得它们成为应对气候变化和环境污染的重要工具。此外，微藻的生长条件相对简单，只需要光照、二氧化碳和少量的营养物质，这使得它们在工业生产中具有巨大的潜力。微藻在生物技术领域的应用前景广阔，尤其是在生产生物活性物质方面。藻胆蛋白作为微藻的光合色素之一，因其优良的功效活性和颜色特性，已经在食品、化妆品和医药行业展现出巨大的应用潜力。它们不仅可以作为天然色素替代合成染料，还可以作为生物标记物用于生物医学研究。然而，如何提高藻胆蛋白的提取效率和纯度，成为了当前研究的一个重要课题。
作者在本研究中通过构建红球藻、小球藻和螺旋藻的共培养系统，探索优化提取藻胆蛋白的方法。共培养系统利用不同藻类的互补特性，不仅提高了藻胆蛋白的产量，还降低了生产成本，为优化藻胆蛋白的提取工艺提供了科学依据，也为其在更广泛的工业应用中铺平了道路。作者希望通过这些优化策略，推动藻胆蛋白在市场中的应用，以满足消费者对天然和环保产品的需求。
图一 藻胆蛋白提取与优化方案
科学发现
为了优化各类藻胆蛋白的提取效率（藻蓝蛋白：PC、藻红蛋白：PE、藻红蓝蛋白：APC），作者进行了关于生物质与溶剂比例的实验研究。通过设置不同的溶剂比例（1:50、1:100和1:150），作者发现控制比例生物质与溶剂比例为1:100可以实现了最高的藻胆蛋白产量。作者认为这一比例在保证溶剂充分浸润生物质的同时，减少了溶剂的浪费。
图二 不同生物质与溶剂比例对提取效率的影响
此外，为了进一步确定氯化钙浓度对藻胆蛋白提取效率的影响，作者在最佳生物质溶剂比的条件下，分别设计了1%、1.5%和2%的氯化钙浓度梯度条件进行比较实验。实验结果表明2%的氯化钙浓度能够显著提高藻胆蛋白的提取效率。作者认为，氯化钙在提取过程中起到了稳定蛋白质结构并促进其溶解的作用，这一比例浓度也为其他蛋白质的提取优化提供了参考。
图三 不同氯化钙浓度对提取效率的影响
适当的搅拌速度对于提高提取效率和保护蛋白质结构完整性至关重要。为了研究搅拌速度对提取效率的影响，作者设置了不同搅拌速度100 rpm、120 rpm和150 rpm进行比较实验。实验结果表明，设置100 rpm的搅拌速度对藻胆蛋白的提取最为理想。作者认为这一速度能够在保证溶液均匀混合的同时，避免了过高的剪切力对蛋白质的破坏。
图四 不同转速对提取效率的影响
随后，为了高效提取藻胆蛋白的同时减少蛋白质降解，作者评估了不同处理时间（1小时、2小时和3小时）对提取效率的影响。作者发现，设置1小时的处理时间可以提取到最高浓度的藻胆蛋白。此外，随着处理时间的延长，蛋白质的降解风险增加，将导致藻胆蛋白的产量下降。
图五 不同处理时间对提取效率的影响
此外，为了直观展示不同提取条件对藻胆蛋白提取效果的影响，作者在以上优化实验中观察了上清液的颜色变化。在不断调整生物质与溶剂比例、氯化钙浓度、搅拌速度和提取时间后，作者记录了这些条件下上清液的颜色变化。作者发现，随着提取条件的优化，上清液的颜色变得更加鲜艳，这表明藻胆蛋白的提取效率有所提高。具体来说，较高的氯化钙浓度和适中的搅拌速度有助于增强提取效果，而过长的提取时间则会导致蛋白质降解，从而影响颜色的深度。通过这一实验，作者验证了不同提取参数对藻胆蛋白产量和纯度的影响，为进一步优化提取工艺提供了参考。
图六 观察不同优化条件下提取的藻胆蛋白
最后，作者整理了一系列优化后各条件下藻胆蛋白的提取产量。具体而言，作者测试了生物质与溶剂比例、氯化钙浓度、搅拌速度和提取时间等参数对藻胆蛋白产量的影响。表一详细列出了在每个优化条件下，各藻胆蛋白以及总藻胆蛋白的最高产量。结果显示，最佳条件为1:100的生物质与溶剂比例、2%的氯化钙浓度、100 rpm的搅拌速度和1小时的提取时间。在这些条件下，作者提取的藻胆蛋白的总产量达到了12.51 ± 0.23 mg/g。这一实验方案不仅验证了各个参数对提取效率的显著影响，也为未来藻胆蛋白的大规模生产提供了数据支持和优化方向。
表一 不同优化条件下藻胆蛋白提取产量的比较
总结展望
作者在本研究中成功优化了藻类共培养体系中提取藻胆蛋白的条件。通过系统地调整和优化生物质与溶剂比例、氯化钙浓度、搅拌速度和提取时间等参数，显著提高了藻胆蛋白的产量。这些优化为藻胆蛋白在工业化生产中的应用奠定了坚实的基础，尤其是在食品、化妆品和生物医学等领域的潜在应用。作者认为，未来的研究可以进一步探索藻胆蛋白提取工艺的工业化应用，以确保藻胆蛋白的成功商业化。作者建议，未来可以尝试结合多种提取技术，以进一步提高藻胆蛋白的产量和纯度。这将有助于满足全球市场对天然色素和生物活性物质日益增长的需求，并推动相关领域的技术创新和产业升级。通过持续的研究和技术改进，藻胆蛋白的应用前景将更加广阔，为绿色生物技术的发展提供新的动力。
引用方式
Systems Microbiology and Biomanufacturing(系统微生物学与生物制造，简称SMAB，ISSN：2662-7655) 是由江南大学主办，Springer Nature出版集团出版的英文期刊。期刊SMAB致力于为工业微生物与生物制造过程领域的新发现、新方法和新技术提供报道的平台，由江南大学徐岩教授担任本刊主编，刘龙教授担任执行主编，编委分布于全球近20个国家，更多内容详见期刊主页。
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