冷等离子体在提高微藻生物质中酚类物质提取率中的应用

《Algal Research》：Application of cold plasma for enhancing phenolic extraction from microalgal biomass

冷等离子体预处理通过破坏小球藻细胞壁结构（孔隙率提升56%以上）显著提高酚类化合物提取效率（43-68%），同时增强提取物抗氧化活性（最高提升50%）。等离子体活性物种主要为N?和OH自由基，其非热解特性避免了热降解风险。研究验证了冷等离子体作为微藻生物质高值化利用的绿色预处理技术优势。

　　

陈婷婷（Tracy Chen）| 阿明·米尔扎普尔-库赫达什特（Armin Mirzapour-Kouhdasht）| 胡安·安东尼奥·贝拉斯克斯（Juan Antonio Velasquez）| 拉瓦尼亚·雷迪瓦里（Lavanya Reddivari）| 安德烈亚·M·利塞加（Andrea M. Liceaga）| 哈利斯·西姆塞克（Halis Simsek）| 黄建怡（Jen-Yi Huang）

美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学食品科学系

摘要

本研究使用针电极反应器，在不同的输入电压（140、170和200伏）下生成了含有多种活性气体物种的冷等离子体，并将其应用于普通小球藻（Chlorella vulgaris）生物质上，进行5分钟、10分钟或20分钟的预处理，旨在提高酚类化合物的提取效率。经等离子体处理的微藻表现出细胞壁破坏和更疏松的微观结构，同时润湿时间减少了56%以上。所有冷等离子体预处理方法均使酚类化合物的提取产量提高了43–68%；然而，增加输入电压和处理时间并未显示出显著效果。来自等离子体处理微藻的酚类提取物具有更高的抗氧化活性（最高可达50%），这与更多共价结合的酚酸被提取有关。研究表明，冷等离子体辅助提取是一种有效的方法，可以更高效地利用微藻生物质，促进从微藻酚类化合物中开发抗氧化成分。

引言

微藻是最丰富的水生微生物，其生长速度是大多数陆地植物的100倍[1]。微藻可以通过光合作用将二氧化碳转化为氧气[2]，并产生可用于多种应用的生物质，如生物燃料、动物饲料和色素等[3]。此外，微藻还能生物合成多种生物活性代谢物，如酚类化合物、类胡萝卜素和维生素B12等，使其成为功能性食品和药品的潜在来源[4]。 酚类化合物是植物中由戊糖磷酸、莽草酸和苯丙素途径衍生的次级代谢物[5]。这类抗氧化剂具有很强的抑制或减缓有机分子自氧化的能力[6]。酚类化合物还通过作为单线态氧清除剂或链断裂抗氧化剂发挥抗癌作用，能够防止多种致癌物质引发癌症[7]。近年来，由于微藻酚类化合物具有强大的抗氧化、抗菌、抗炎和抗癌特性，因此受到了越来越多的关注[8]。Vo等人[9]发现，在硝酸盐缺乏和自然光照压力下培养的Haematococcus pluvialis微藻能够合成具有抗氧化能力的酚类化合物。此外，微藻酚类化合物还被发现对治疗阿尔茨海默病具有潜在作用[10]。 从植物中高效提取酚类化合物同时保持其生物活性是一项挑战。常用的提取方法包括溶剂提取、索氏提取、浸渍提取、超声波辅助提取、超临界流体提取和微波辅助提取[11]，但这些方法都存在各自的局限性。例如，索氏提取需要较长时间且会产生大量废水，从而增加处理成本[12]。尽管浸渍提取操作简便且成本低[13]，但其提取效率较低[14]。超声波辅助提取虽然减少了溶剂的使用并降低了成本[15]，但超声波在提取容器中的不均匀分布可能影响提取结果的重复性[15]。超临界水提取避免了使用有害或有机溶剂的需求，但设备成本较高，且需要额外的分离和纯化步骤[16]。尽管微波预处理可以释放结合态的酚类化合物[17]，但其操作需要高功率输入，且可能导致热敏化合物的热降解[17]。这些局限性表明需要探索新的提取技术，这些技术不仅高效，而且经济环保。 冷等离子体通常被称为物质的第四态，它通过在相对较低的温度下使气体电离而产生，从而生成多种化学活性物种，如活性氧和氮物种（RONS）、自由基、紫外线（UV）光子和各种带电粒子[18]。冷等离子体的高反应性使其在辅助提取生物活性化合物方面得到应用。Eswaran U和Srivastav[19]报告称，使用35千伏的介质阻挡放电（DBD）等离子体处理15分钟后，粉红番石榴渣的油提取产量提高了43%，同时提取时间缩短了120分钟。Pragna等人[20]发现，用2.5千伏的低压DBD等离子体处理柠檬皮10分钟后，精油提取产量提高了150%，且化学成分未发生变化。此外，用氦气和氮气等离子体处理的番茄渣的酚类提取产量提高了近10%[21]。用15瓦的氮气DBD等离子体处理15分钟后，绿茶提取物的总酚含量和抗氧化能力提高了41%[22]。然而，关于冷等离子体对具有厚细胞壁的微藻提取效果的研究仍然非常有限。Noore等人[23]应用了两种不同的冷等离子体系统（放电和喷射）来提高Porphyridium purpureum中藻蓝蛋白（PBPs）的提取效率。他们发现，用25千伏的氮气等离子体处理9分钟后，PBPs的产量最高，达到11.31毫克/克干生物质，并且提取出的PBPs具有最高的细胞毒性潜力以及显著提高的粗提取物抗氧化活性。此外，Sommer等人[24]使用火花放电作为温和处理方法，提高了Cyanidium caldarium中藻蓝蛋白的提取效率。

在本研究中，将冷等离子体作为预处理方法应用于水产养殖废水培养的微藻，系统评估了其对微藻生物质中酚类化合物提取和提取物抗氧化活性的影响。

微藻样品制备

普通小球藻（Chlorella vulgaris）是一种被美国食品药品监督管理局认定为安全的绿色微藻，使用从美国印第安纳州罗姆尼（Romney）当地罗非鱼养殖场收集的水产养殖废水进行培养。该废水含有硝酸盐（161毫克/升）、亚硝酸盐（0.77毫克/升）、氨（0.58毫克/升）和磷酸盐（36.7毫克/升），化学需氧量为102.6毫克/升。培养在7加仑的光生物反应器中进行，并持续通入空气。

等离子体活性物种表征

图1展示了以空气为工作气体在不同输入电压下生成的冷等离子体的光学发射光谱。检测到的主要活性物种包括N₂（316、337、358、381、406、428纳米；Xu等人[57]）和OH（309纳米；Xu等人[57]），其中N₂物种的峰值最为明显。根据Bao等人[21]和Shi等人[36]的研究，空气等离子体中还含有另一种主要物种O（616和780纳米），但在本研究中未检测到该物种。光谱结果与...

结论

本研究将冷等离子体作为Chlorella vulgaris的预处理方法，探讨了其对酚类化合物提取和抗氧化能力的影响。空气等离子体中的主要活性物种N₂和OH导致微藻细胞壁变形，从而形成更疏松的结构。这种微观结构的变化使得从等离子体处理的微藻中提取的酚类化合物含量提高了43–68%，同时这些提取物的抗氧化能力提高了50%。

CRediT作者贡献声明

陈婷婷（Tracy Chen）：撰写初稿、可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。 阿明·米尔扎普尔-库赫达什特（Armin Mirzapour-Kouhdasht）：撰写、审稿与编辑、可视化处理、验证、监督、方法学设计、实验研究、数据分析。 胡安·安东尼奥·贝拉斯克斯（Juan Antonio Velasquez）：监督、方法学设计。 拉瓦尼亚·雷迪瓦里（Lavanya Reddivari）：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、方法学设计。 安德烈亚·M·利塞加（Andrea M. Liceaga）：撰写、审稿与编辑、监督。 哈利斯·西姆塞克（Halis Simsek）：撰写...

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：黄建怡（Jen-Yi Huang）表示获得了美国农业部的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了美国农业部（USDA National Institute of Food and Agriculture）的资助，项目编号为2023-68012-39001和2023-68016-39718，以及Hatch项目编号1014964。