利用普通小球藻和斜生四链藻将无乳糖酸性乳清转化为高附加值产品的生物转化研究

《Bioresource Technology》：Biotransformation of lactose-free acid whey by Chlorella vulgaris and Tetradesmus obliquus into value-added products

本研究针对乳制品副产物无乳糖酸性乳清（LFAW）利用率低、处理成本高的问题，探讨了其作为普通小球藻（Chlorella vulgaris）和斜生四链藻（Tetradesmus obliquus）混合营养培养新型底物的可行性。研究人员通过营养补充策略（S-LFAW）显著提升了微藻生物量生产率，并系统评估了所得生物质的蛋白质、脂肪酸和类胡萝卜素组成。该研究为乳品副产物资源化利用和可持续微藻生物质生产提供了新途径，有力推动了循环生物经济的发展。

　　

在追求可持续发展和循环经济的全球背景下，如何高效处理并增值工农业副产物已成为科研和产业界的热点议题。乳制品工业，特别是像Skyr这类高蛋白、低脂发酵乳制品的生产，会产生大量名为无乳糖酸性乳清（Lactose-Free Acid Whey, LFAW）的副产物。与传统甜乳清不同，LFAW具有酸性强（pH ≤ 4.5）、乳酸含量高（9.4–9.7 g/L）的特点，虽然其含有的易吸收单糖（18–24 g/L的葡萄糖和半乳糖）理论上有利于微生物生长，但高酸度和营养不均衡（如硝酸盐、磷酸盐及微量元素缺乏）使其成为极具挑战性的处理对象。目前，大部分酸性乳清仅被用于动物饲料或沼气生产，未能实现其潜在的高价值转化。与此同时，微藻作为一种生长迅速、能固定CO₂、且不占用耕地的可持续生物质资源，其培养成本高昂是制约其商业化应用的主要瓶颈，尤其是混合营养培养中所依赖的昂贵有机碳源（如葡萄糖）。因此，利用LFAW这种富含有机碳和矿物质但尚未被充分开发的副产物来培养微藻，不仅能够降低微藻生产成本，还能实现乳品副产物的增值，可谓一举两得。本研究旨在探索LFAW作为普通小球藻（Chlorella vulgaris）和两种斜生四链藻（Tetradesmus obliquus）菌株（CCAP 276/1A 和 CCAP 276/3A）混合营养培养底物的可行性，并对所得微藻生物质进行营养成分评估，为构建循环生物经济模式提供新思路。相关研究成果已发表在《Bioresource Technology》上。

为了系统评估LFAW的潜力，研究团队首先对其营养成分进行了详细分析，并与标准培养基（Bold’s Basal Medium, BBM）进行比较。针对LFAW的营养缺陷，研究人员设计了补充培养基（S-LFAW），通过添加硝酸钠、磷酸盐、微量元素和维生素来平衡其营养成分。研究通过小规模筛选实验（如光强和营养补充筛选）确定了最佳培养条件，随后在1升瓶式光生物反应器（Photobioreactor, PBR）中进行了为期16天的放大培养实验，比较了微藻在BBM、添加等效糖分的BBM（BBMGGL）、LFAW以及S-LFAW中的生长情况。生长参数通过测定750 nm处的吸光度、细胞计数和干重来确定。利用超高效液相色谱（UHPLC）监测碳源消耗，并通过16S和18S rRNA基因扩增子测序分析培养体系中的微生物污染物。收获的微藻生物质则采用UHPLC-荧光检测器（FLD）进行氨基酸分析，气相色谱（GC）进行脂肪酸甲酯（FAME）分析，以及UHPLC-二极管阵列检测器（DAD）进行类胡萝卜素分析，以全面评估其作为食品原料的潜力。

3.1. 培养介质和副产物的营养成分

营养成分分析显示，LFAW富含钾、钙、镁等常量元素，但其硝酸盐含量低，导致碳氮比（C:N）高达2285:1，且缺乏铜等关键微量元素。稀释并调整pH至6.4后，部分磷酸盐因形成磷酸钙沉淀而损失生物可利用性。补充硝酸盐（将C:N调整至205:1）及微量元素和维生素后，得到S-LFAW培养基，旨在解决营养限制问题。

3.2. 筛选试验中微藻的生长

初步筛选表明，混合营养生长在光照下（100 μmol/m²/s）效果更好。营养补充筛选发现，补充微量元素和维生素（即S-LFAW）能有效促进普通小球藻和斜生四链藻3A的稳健生长。

3.3. 在1升光生物反应器中微藻的生长

放大培养结果显示，普通小球藻和斜生四链藻3A能在LFAW和S-LFAW中成功进行混合营养生长，而斜生四链藻1A在所有基于LFAW的培养基中生长均受限。具体而言，普通小球藻在S-LFAW中生物量生产率最高（140 mg/L/天），斜生四链藻3A在S-LFAW中生物量也比在LFAW中显著提高（79 mg/L/天）。斜生四链藻1A的生长抑制可能与对LFAW中某些成分（如高乳酸）的敏感性或其特定的营养需求未得到满足有关。

3.4. 培养物的微生物学质量

扩增子测序分析显示，斜生四链藻3A的所有培养物均为无菌状态。普通小球藻在LFAW中培养时受到真菌Talaromyces的污染，但在S-LFAW和BBMGGL中则无此污染，表明营养补充可能通过促进微藻快速生长实现了竞争性排斥。在斜生四链藻1A生长受抑制的培养物中，则观察到细菌（如Methylobacterium, Lacrimispora, Bacillus）的大量繁殖。

3.5. 生物质的蛋白质和总氨基酸谱

普通小球藻在LFAW中获得的蛋白质含量最高（11 g/100 g生物质），但蛋白质生产率在S-LFAW中较高（13 mg/L/天）。斜生四链藻3A在BBM中光养培养时蛋白质含量最高（19 g/100 g生物质），在S-LFAW中（15 g/100 g生物质）高于LFAW。两种微藻的必需氨基酸谱整体良好，亮氨酸、赖氨酸等含量高于大豆或FAO/WHO标准，但蛋氨酸是主要的限制性氨基酸。培养介质可以调节最终的蛋白质品质。

3.6. 生物质的脂肪酸谱

普通小球藻在BBMGGL和S-LFAW中的总脂肪酸（TFA）含量最高（22 g/100 g干物质），在LFAW中则降低约一半。单不饱和脂肪酸（MUFA）和多不饱和脂肪酸（PUFA）含量变化趋势与TFA一致。斜生四链藻3A的TFA含量在所有条件下均较低且变化不大（2-4 g/100 g干物质），表明其碳流可能主要导向多糖（如淀粉）合成而非脂质积累。

3.7. 生物质的类胡萝卜素含量和组成

叶黄素、玉米黄质异构体和β-胡萝卜素的绝对定量表明，色素组成受培养基影响显著。斜生四链藻3A在BBM和BBMGGL中叶黄素含量高，在LFAW中急剧下降，在S-LFAW中部分恢复。普通小球藻则在S-LFAW中叶黄素含量最高（109 mg/100 g干物质）。这些差异反映了两物种不同的代谢策略：普通小球藻偏向光养代谢，而斜生四链藻3A表现出更灵活的混合营养策略，但其成功依赖于无机营养的充足供应。

本研究成功验证了无乳糖酸性乳清（LFAW）作为微藻培养底物的可行性，但其效果具有显著的菌株特异性。普通小球藻和斜生四链菌3A能够利用LFAW实现较高的生物量生产，而斜生四链藻1A则表现出不适应性。通过针对性地补充LFAW中缺乏的营养物质（S-LFAW），不仅显著提高了目标微藻的生物量生产率，还有效降低了培养过程中的微生物污染风险，提升了培养体系的稳定性。所得微藻生物质富含类胡萝卜素、氨基酸和脂肪酸，其蛋白质氨基酸谱整体优良（尽管蛋氨酸含量相对较低），显示出作为食品成分的潜力。该研究首次系统地表征并优化了LFAW用于微藻培养，为乳品副产物的高值化利用和微藻基食品生产提供了概念验证，是将乳品工业与微藻技术整合、推动循环生物经济发展的有益探索。未来研究的重点应集中于筛选对酸性乳清具有天然高耐受性的特定菌株，并进一步优化培养基组成和培养工艺，以最大限度地提高目标产物（如蛋白质）的产量，从而加速其工业化应用进程。