集成藻类生物修复技术与ZnS/Cu纳米催化剂催化的生物柴油合成方法，用于实现可持续的生物能源回收

《Algal Research》：Integrated algal bioremediation and ZnS/Cu nanocatalyzed biodiesel synthesis for sustainable bioenergy recovery

微藻蛋白的乳化稳定性及环境因素影响研究。采用智利阿塔卡马沙漠的Nannochloropsis gaditana培养物，提取高水溶性与高HLB值（>10）的蛋白质，制备单（O/W）与双（W/O/W）乳液，系统评估pH（4-12）、离子强度（100-500mM NaCl）、温度（4-100℃）对乳化性能及稳定性的影响。结果表明：单乳液在2-3%蛋白浓度、中性pH及适度离子强度下乳化性能最佳；双乳液在pH5-11、0-500mM NaCl及≤65℃时保持>50%乳化能力，结构稳定，粒径分别为10±0.8μm油滴包裹3±0.5μm水滴。该蛋白在食品工业应用潜力显著，尤其适用于需要耐高温、耐酸碱及长期稳定的配方开发。

　　微藻蛋白在微藻生物质中占据重要地位，其组成受培养条件影响显著。从微藻中提取这些生物分子并保持其天然构象，是维持其功能特性的关键技术挑战。本研究评估了使用从绿藻 *Nannochloropsis gaditana* 中提取的水溶性蛋白制备的乳化体系的稳定性。*N. gaditana* 在智利阿塔卡马沙漠的开放式跑道池中培养。单乳化体系和双乳化体系分别在不同的环境因素下进行制备和评估，如pH值（4–12）、离子强度（100–500?mM NaCl）和温度（单乳化体系为4–55?°C，双乳化体系可达100?°C）。提取出的蛋白具有高水溶性和HLB值（>10），作为亲水性乳化剂，有助于形成油包水（O/W）乳化体系。热力学分析表明，在水浓度高于90?%、油浓度低于5?%的情况下，能够实现稳定的乳化体系（EC 100?%），并且需要至少2.8?%的蛋白以维持24小时内的稳定性。蛋白浓度、离子强度和pH值显著影响单乳化体系的乳化能力，其中在2–3?%的蛋白浓度、中性pH值和适中离子强度下表现最佳，而温度对乳化体系的稳定性没有显著影响。在双乳化体系中，外部水相中的蛋白浓度（w2）对乳化能力没有显著影响。这些双乳化体系表现出较高的结构稳定性，在pH值5–11、NaCl浓度0–500?mM以及温度高达65?°C的情况下，乳化能力仍保持在50?%以上。它们呈现出典型的W/O/W形态（油滴约10?±?0.8?μm，包裹水滴约3?±?0.5?μm）。尽管长时间储存会降低稳定性，但这些蛋白质在受控环境因素下的乳化性能支持其在食品和化妆品配方中的应用潜力。

微藻作为生物多样性、环境友好、可再生和可持续的能源来源，其主要用途是生产生物燃料。然而，生物燃料市场需要大量低成本的油性原料，这在微藻的生产中非常难以实现。另一方面，当前的培养技术使得生产高价值化合物成为可能，适用于较小体积的市场，如营养补充剂、药品和个人护理产品，这使得基于微藻的产品在经济上更具吸引力。微藻生物质的协同生产能力使其成为应用生物精炼技术进行商业化开发的理想候选者。通过更高效地利用生物质并利用其副产品，可以为生物燃料生产带来额外的价值，同时降低总成本。

微藻中含有高达干重40?%的可溶性蛋白，这一比例会因菌株和生长条件的不同而有所变化。然而，关于微藻蛋白的结构、生物和技术功能特性，目前的研究仍较为有限。尽管如此，近年来的一些研究，如Amiri等人的工作，已经收集了关于微藻衍生蛋白提取策略和功能性能的新兴证据，表明其在乳化、起泡和食品结构系统中有广泛的应用前景。近年来，针对不同微藻提取的蛋白乳化性能的研究不断进行，如 *Haemotococcus pluvialis* [9]、*Nannochloropsis gaditana* [10,11]、*Chlorella vulgaris* [12]、*Tetraselmis impellucida* [13,14]、*Arthrospira platensis* [15] 和 *Arthrospira maxima* [7,16]，这些研究表明，这些蛋白的乳化能力与传统蛋白相似或更高。

乳化体系是由一种液体以细小的液滴形式分散在另一种不相溶的液体中形成的。由于两相之间的界面面积增加，这些体系在热力学上是不利的。然而，在许多实际应用中，乳化体系需要在相对较长时间内保持稳定。因此，通常会使用稳定剂，如乳化剂或增稠剂，以延缓相分离。不同乳化体系的稳定性差异很大，这主要受到所使用乳化剂的性质影响。乳化体系的破坏可能由物理过程如上浮、沉淀等引起。许多这些破坏现象可以通过对液滴进行天然乳化剂的包覆来抑制。近年来，食品行业对用天然和可持续乳化剂替代合成乳化剂的兴趣日益增加，这是由于公众健康担忧，因为合成乳化剂已被证明对人体具有刺激性和毒性。因此，其他类型的天然稳定剂被用作乳化剂来制造食品乳化体系，包括磷脂、蛋白质和多糖等。在这些领域，乳化体系的研究通常使用相对简单的系统，如pH值、离子强度和固定温度。已知在使用蛋白质制备的乳化体系中，主要的稳定机制是静电类型，因此乳化体系的行为和稳定性会受到外部物理化学条件的变化影响，如乳化剂浓度、pH值、离子强度等。然而，尚未明确环境因素如何影响乳化体系的乳化能力和稳定性，从而有助于提高这些植物蛋白的价值化，例如通过双乳化体系（DE），它是一种能够有效保护乳化体系免受外部不利因素影响的优秀替代方案。双乳化体系是一种多相系统，其中初级乳化体系被分散在外部连续相中。这些可以作为脂肪替代品，用于开发低脂肉制品，或用于食品活性成分的口腔生物利用度，或用于色素封装，或用于掩盖风味，或用于控制释放和保护易分解成分在消化过程中的稳定性。由于这些可能性，双乳化体系的应用似乎成为设计和开发具有新特性的食品的一种有趣工具，因为它们可以作为技术策略中使用的中间产品（作为额外的食品成分），用于优化食品中活性成分的存在。多乳化体系为条件化活性成分的存在（营养素或非营养素）提供了新的机会，有利于开发新产品，包括功能性食品。

因此，确定双乳化体系和单乳化体系在工业条件下的稳定性非常重要，目的是生产能够被纳入食品制造过程中的乳化体系，从而提供新的或改进的特性。然而，目前关于环境压力如何影响双乳化体系在制备和储存过程中的信息仍然有限，因此需要更多的研究来确认这些植物来源的蛋白质是否能够提供具有潜力的稳定乳化体系，以便被纳入食品工业。此外，最近的发展强调了功能性乳化体系作为健康配方中活性成分的递送系统的重要性。Abedinia等人讨论了功能性食品在口腔和牙科健康中的应用，其中敏感成分的保护和控制释放起着关键作用。这些方法强调了设计结构稳定的乳化体系的重要性，如使用 *N. gaditana* 蛋白制备的乳化体系，作为食品、营养补充剂或黏膜应用中的潜在载体。

*Nannochloropsis gaditana* 微藻被认为是高商业价值蛋白的重要来源，这使其成为食品工业开发食品乳化体系的候选者，这些乳化体系富含矿物质、必需酸，特别是能够为配方食品带来新特性的材料。*N. gaditana* 含有蛋白质（干重20–45?%）、脂质（干重40–60?%）和多糖（干重8–30?%），这些比例会因培养条件和营养供应的不同而有所变化。这些生物分子表现出固有的界面和表面活性特性，即使在没有外部乳化剂的情况下，也能促进乳化体系的形成。此外，*N. gaditana* 在工业规模下广泛种植，并且是二十碳五烯酸（EPA）的主要来源，这增强了其作为天然乳化剂可持续原料的潜力。通过赋予其额外价值，它被视为开发生物精炼技术的有前景来源。在本研究中，我们的目标是评估从 *N. gaditana* 微藻中提取的蛋白作为生物乳化剂在单乳化体系和双乳化体系中的应用效果。首先，确定从 *N. gaditana* 微藻中提取的蛋白的物理化学和乳化特性，然后研究环境因素对单乳化体系和双乳化体系乳化能力的影响，以及它们在储存条件下的行为。

在材料和方法部分，*N. gaditana* 微藻生物质由安托法加斯塔大学（智利）提供。该地区的地理位置被描述为热带/半干旱区域，位于23°40′09″S, 70°24′20″W，靠近阿塔卡马沙漠（安托法加斯塔，智利）。这一地区以高太阳辐射、低相对湿度（40–50?%）和显著的日间温度变化而著称，白天温度常超过30?°C，而夜间温度则低于15?°C。在这一背景下，研究人员利用从该地区培养的微藻提取蛋白，并评估其在不同环境条件下的乳化性能。

关于从 *N. gaditana* 微藻中提取的蛋白特性，凯氏定氮分析显示，初始的微藻生物质含有大量的总蛋白（41?±?0.3?%），这是本研究的主要关注点，而经过提取后，总蛋白含量达到73?±?0.3?%。这些浓度与之前研究中报道的其他微藻中提取的可溶性蛋白含量相似，波动范围在64?%至77?%之间。特别是对于 *N. gaditana*，Teuling等人 [7] 和 Medina等人 [32,33] 的研究进一步确认了其蛋白含量的范围。

研究结果显示，从 *N. gaditana* 微藻中提取的蛋白能够有效作为生物乳化剂，用于稳定单乳化体系（O/W）和双乳化体系（W/O/W）。这些乳化体系的物理稳定性可以通过调整蛋白浓度和改变环境因素来轻松控制。随着蛋白浓度的增加，乳化体系的稳定性也随之提高，直到蛋白完全吸附在界面；进一步增加浓度可能会导致乳化体系的结构发生变化，从而影响其稳定性。此外，研究还表明，蛋白的乳化性能在不同环境条件下的表现各异，这为其在食品和化妆品行业中的应用提供了重要的参考依据。通过优化蛋白浓度、pH值和离子强度，可以实现更高的乳化能力，而温度对乳化体系的稳定性影响较小。这些发现不仅有助于理解微藻蛋白在乳化体系中的作用机制，还为开发新型食品乳化体系提供了科学依据。

此外，研究还探讨了双乳化体系在储存过程中的稳定性变化。虽然长时间储存会导致乳化体系的稳定性下降，但总体而言，这些蛋白质在受控环境因素下的乳化性能仍然保持较高水平。这种稳定性对于食品和化妆品行业而言至关重要，因为它们需要乳化体系在一定时间内保持结构完整，以确保产品的质量和功效。通过使用双乳化体系，不仅可以提高乳化体系的稳定性，还可以实现对活性成分的保护和控制释放，从而提高其在食品加工中的应用价值。

本研究的结果表明，微藻蛋白在食品工业中具有广泛的应用前景。它们不仅可以作为天然乳化剂，还可以作为食品添加剂，用于优化食品中活性成分的存在。此外，微藻蛋白的高水溶性和HLB值使其在形成稳定的乳化体系方面表现出色。这些特性使得微藻蛋白成为一种具有潜力的可持续原料，能够满足食品和化妆品行业对天然乳化剂的需求。通过进一步的研究和优化，可以探索微藻蛋白在更多食品应用中的可能性，包括功能性食品和营养补充剂。

在研究过程中，研究人员还探讨了不同环境因素对乳化体系稳定性的影响。pH值、离子强度和温度是影响乳化体系稳定性的关键因素。在单乳化体系中，pH值和离子强度对乳化能力的影响较为显著，而温度的影响相对较小。在双乳化体系中，外部水相中的蛋白浓度对乳化能力的影响不明显，这表明双乳化体系具有更高的结构稳定性。这些发现对于理解乳化体系的稳定性机制具有重要意义，也为食品工业开发新的乳化体系提供了科学依据。

综上所述，本研究为微藻蛋白在食品和化妆品行业中的应用提供了重要的理论支持和实践指导。通过评估其在不同环境条件下的乳化性能，研究人员揭示了微藻蛋白作为生物乳化剂的潜力。这些结果不仅有助于推动微藻蛋白在食品工业中的应用，还为开发新型食品乳化体系提供了新的思路和方法。随着对天然乳化剂需求的增加，微藻蛋白作为一种可持续资源，将在未来食品工业中发挥越来越重要的作用。