基于低共熔溶剂的微藻蛋白质回收技术：利用猪场废水培养生物质实现绿色可持续提取

本研究针对猪场废水处理中微藻生物质的蛋白质回收难题，开发了一种基于低共熔溶剂（DES）的绿色提取方法。通过优化ChCl:2Urea溶剂体系（81.6%含水量）并结合盘式研磨预处理，在30°C下实现16.8%的蛋白质回收率，为微藻生物精炼提供了环境友好型解决方案。

　　

随着全球人口增长和畜牧业集约化发展，猪场废水排放造成的环境污染问题日益严重。这类废水中富含氮、磷等营养物质，若直接排放会导致水体富营养化，破坏生态平衡。与此同时，传统蛋白质生产来源（如肉类和鱼类）面临资源短缺和环境影响的双重压力。如何实现废水处理与资源回收的双赢，成为环境科学与生物技术领域的重要课题。

微藻作为一种光合微生物，展现出独特的环境修复价值——它们不仅能有效吸收废水中的营养物质，还能将污染物转化为具有商业价值的生物质。其中，Scenedesmus almeriensis（一种常见绿藻）在猪场废水处理中表现优异，其生物质蛋白质含量可达44.5%（干重），堪比传统蛋白质来源。然而，从微藻细胞中高效提取蛋白质面临重大挑战：传统方法需要大量有机溶剂、高温高压条件，容易导致蛋白质变性，且能耗高、环境友好性差。

为了解决这些问题，发表在《Bioresource Technology》上的这项研究创新性地采用低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DES）技术，开发了一种温和、可持续的蛋白质提取方法。DES由氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）组成，在特定摩尔比下形成低温液态溶剂，具有可生物降解、低毒性和易制备等优势。该研究首次系统评估了DES从猪场废水培养的微藻生物质中回收蛋白质的可行性，为微藻生物精炼提供了新思路。

研究人员主要采用以下技术方法：首先通过冻干粉碎制备微藻生物质样本（来源：西班牙阿尔梅里亚大学提供的猪场废水培养的Scenedesmus almeriensis-细菌共生体系）；利用胆碱氯化物-尿素（ChCl:2Urea）和胆碱氯化物-甘油（ChCl:2Gly）两种DES体系，通过傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）表征溶剂结构；采用Taguchi L₉(3₄)正交实验设计优化提取参数；使用BCA法和苯酚-硫酸法分别定量蛋白质和碳水化合物回收率。

3.1. 低共熔溶剂表征

研究发现ChCl:2Urea比ChCl:2Gly具有更高粘度，但通过添加水可显著降低粘度。当含水量超过40-50%时，DES的氢键网络被破坏，转变为DES组分的 aqueous solution。红外光谱显示在81.6%含水量时，尿素的N-H伸缩峰几乎消失，证实了溶剂结构的根本性变化。

3.2. 溶剂组成对蛋白质和碳水化合物回收率的影响

ChCl:2Urea在蛋白质回收方面表现最佳，最高回收率达9.71%，显著优于水和ChCl:2Gly体系。添加水对提取效率有显著影响，81.6%含水量时蛋白质回收率最高，而碳水化合物回收率在69.0-90.9%含水量范围内保持稳定。这表明DES-water混合物在保持蛋白质提取选择性的同时，减少了碳水化合物的共提取。

3.3. 操作参数优化

通过Taguchi实验设计发现：盘式研磨预处理是最关键因素，对蛋白质回收率（PRY）的贡献度达87.5%；DES与生物质比例12:1为最优；温度30°C足够（40°C未显著改善回收率）；提取时间0.5-2小时无显著差异。最优条件组合（盘式研磨、12:1比例、30°C、0.5小时）使蛋白质回收率达到16.8%，碳水化合物回收率为21.3%。

研究结论表明，DES水溶液作为一种绿色溶剂，在微藻蛋白质提取中具有重要应用潜力。尽管回收率相对传统化学水解法（如碱性水解可达90%）仍属中等，但该方法在温和条件（低温、短时、环境友好溶剂）下实现了可比拟的提取效率，且显著提高了蛋白质相对于碳水化合物的提取选择性。值得注意的是，ChCl:2Urea体系展现了尿素特有的蛋白质溶解优势，而水的添加不仅降低了粘度，还通过调节溶剂极性优化了提取选择性。

该研究的重要意义在于：首先，为猪场废水处理的资源化利用提供了新技术路径，将污染物转化为高值蛋白质产品；其次，开发了环境友好的提取工艺，避免了传统方法的有毒溶剂和高能耗问题；最后，通过系统优化提取参数，为DES在生物精炼中的应用提供了实验依据和理论指导。

未来研究可重点关注以下方向：开发新型DES以提高蛋白质选择性和回收率；结合超声、微波等物理预处理技术强化细胞破碎；探索DES-酶协同提取体系；研究基于DES的液-液萃取（如 aqueous two-phase systems）进一步纯化蛋白质。这些进展将推动微藻生物精炼向工业化应用迈出关键一步。