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蛋白核小球藻简易有效的超声波破壁技

术

摘要：[目的]蛋白核小球藻 (Chlorella pyrenoidosa) 生长快、光合作用强、富含蛋白质和油脂等化合物, 可广泛应用于食品、和生物能源等行业。建立简易、安全和高效的藻细胞破壁技术是蛋白核小球藻等微藻高值天然化合物萃取及其商业化生产的关键环节之一。[方法]本文以蛋白核小球藻为试材, 以细胞破碎率和油脂得率为指标, 对超声波破壁法的条件 (藻液体积、藻细胞含水量等) 和参数 (功率、时间、温度等) 进行系统优化。[结果]结果表明, 超声波破壁最佳条件和参数为:室温25℃, 湿藻液pH5, 藻细胞含水量20%～50%, 超声波输出功率250 W, 处理时间为15min, 和处理量每次120mL。依此条件和参数进行处理, 蛋白核小球藻破壁率达94.8%, 油脂萃取率达

40.1%。[结论]这一优化的超声波破壁方法简便高效、成本低, 对后续产品加工无负影响, 为建立蛋白核小球藻高值天然产物的规模化生产工艺提供了科学依据。

关键词：蛋白核小球藻; 超声波; 细胞破壁; 油脂萃取;

Abstract：[Objective]Chlorella pyrenoidosa, a species of green algae with rapid growth rate, strong photosynthesis, and high content of both protein and lipid, has been widely investigated and recognized as a value-added product with remarkable pharmacological and biological qualities.One of the key steps of the extraction and commercialization of high-value natural products from Chlorella sp was to develop a simple, safe and efficient technique to break down cell wall.[Methods]In present study, Chlorella pyrenoidosa was used as the test microalgal materials, and lipid productivity and cell disruption rate were employed as the assay index to evaluate the cell disruption efficiency of different cultivation conditions including various algae volume, algal cell moisture, etc.and parameters such as ultrasonic power, treat time, and temperature, etc.by ultrasonic treatment.[Results]The results showed that optimal conditions and parameters for cell disruption by ultrasonic treatment were determined as room temperature at 25℃with wet algae pH value a t

5;algae cell water content was 20%～50%, and ultrasonic output power at 250 W with treatment time and volume at 15 min and 120 mL, respectively.Under such conditions and parameters, the cell broken rate and lipid extraction rate of Chlorella pyrenoidosa were reached up to 94.8% and 40.1%, respectively.[Conclusion]This optimized ultrasonic treatment method is regarded as simple, efficient, low-cost, and moreover, no negative impact on the processing of subsequent products.The present data provided a scientific basis for

the establishment of a large-scale production system for high-value natural products from Chlorella pyrenoidosa.

Keyword：Chlorella pyrenoidosa; Ultrasonic treatment; Cell wall disruption; Oil extraction;

微藻是一类能光自养的单细胞或多细胞群体藻类, 生长速度快、单位面积生物质产量高, 特别是一些微藻能高水平合成积累油脂, 可用于生产食用油、工业用油和生物柴油。微藻光合作用还可以吸收并有效利用大量工业废气中的CO2及氮化物, 可用于生物减排和治理环境污染[1]。此外, 微藻细胞还能合成积累多种化合物, 亦可用来生产具有高附加值生物基产品, 如脂肪、多糖、色素、抗氧化剂、虾青素、优质蛋白质、不饱和脂肪酸、维生素等多种营养及生物活性物质, 这些化合物已广泛应用于化妆品、药物、食品、农业以及化学工业等多个领域[2]。

蛋白核小球藻 (Chlorella pyrenoidosa) 是一种球形单细胞淡水藻类, 光合效率高、繁殖能力强, 分布范围广, 分类上为绿藻门、小球藻属[3]。蛋白核小球藻不仅含有丰富的蛋白质、氨基酸、不饱和脂肪酸、叶绿素、多种维生素和矿物质等营养物质[4], 且含有大量的油脂, 既可用于食品、医药、饲料等行业, 还可以用于生产生物柴油等。尤其是蛋白核小球藻营养成分全面均衡, 被誉为完美的天然营养食品[5]。几年来, 蛋白核小球藻规模化养殖联产健康食品等产业化发展迅速、市场需求日益增加。然而, 蛋白核小球藻具有坚韧的细胞壁结构, 制约着细胞内储存的蛋白质、油脂、藻多糖等营养物质有效萃取和产品加工[6]。未破壁的全藻细胞作为食物原料直接食用, 其营养成分被吸收和利用率极低。因此, 建立安全、有效的藻细胞破壁工艺是蛋白核小球藻等微藻营养及功能产品生产的关键环节之一[7]。目前, 微藻细胞破壁的方法主要分为机械法和非机械法[8]。非机械法如酸热法、有机溶剂和生物酶法等使用大量的化学试剂或生物酶, 不仅成本高、还会影响到萃取化合物的质量, 这些方法多用于实验室规模破壁, 不具备规模化生产的潜力[9]。机械法破壁如超声波、研磨法等优势在于破壁较充分, 适用于各种藻类, 无污染且适用于大规模生产。与研磨法耗时长、成本高以及仅限于实验室规模相比, 超声波破壁作为一种物理方法有明显优势, 它是利用大于20kHZ的超声波使细胞壁破碎, 耗能较低、细胞破碎均匀、物质萃取率较高、无污染, 操作简单便捷, 有望实现连续化和规模化破壁[10]。迄今, 还没有建立应用超声波处理对蛋白核小球藻进行破壁的较完善技术工艺。本文以本实验室分离获得的富油蛋白核小球藻藻株CP-SX05

为试材, 以藻细胞破碎率和油脂萃取率为评判指标, 通过对超声波处理所涉及到的藻细胞密度(g·mL-1) 、藻细胞含水量、湿藻液pH、藻液量/体积和超声波输出功率、处理时间以及温度等参数进行优化, 以期建立蛋白核小球藻简易有效的超声波破壁方法, 为后续建立规模化微藻破壁及油脂等天然化合物萃取的高效低成本工艺奠定基础。

1、材料与方法

1.1、试验材料