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为解决藻蓝蛋白提取耗能高、难规模化问题，研究人员用涡旋式水力空化技术，获高提取率与净能量增益。
螺旋藻，这种小小的蓝绿色藻类，在生物领域却有着巨大的潜力。藻蓝蛋白（Phycocyanin）是螺旋藻中一种十分重要的蓝色色素蛋白，不仅在光合作用中发挥着关键作用，而且在食品、化妆品、医药等多个行业都有广泛应用。随着市场对藻蓝蛋白需求的不断增长，从螺旋藻中提取藻蓝蛋白的技术愈发受到关注。然而，目前商业提取藻蓝蛋白的方法存在诸多问题，例如能量消耗大、难以实现规模化生产等。这些问题不仅限制了藻蓝蛋白的大规模应用，也增加了生产成本，使得藻蓝蛋白的市场供应难以满足日益增长的需求。为了突破这些瓶颈，来自印度 CSIR - 中央食品技术研究所、英国女王大学贝尔法斯特分校等机构的研究人员开展了一项关于螺旋藻生物炼制的研究，相关成果发表在《Communications Biology》杂志上。
在这项研究中，研究人员主要采用了涡旋式水力空化（Hydrodynamic Cavitation，HC）技术。该技术是利用流体在流动过程中产生的空化现象，即当局部压力低于液体的蒸汽压时，会形成充满蒸汽的空穴，这些空穴随后会发生生长和内爆，产生极端的物理和化学效应，从而实现对螺旋藻细胞的破壁和藻蓝蛋白的提取。
研究结果如下：
- 形态和粒径：通过实验观察发现，螺旋藻生物质粉末在显微镜下呈现团聚状态，而经过涡旋式水力空化处理后，团聚体明显解聚。处理后的螺旋藻平均粒径显著减小，从最初的 100 ± 41μm 减小到 8 ± 5μm，这表明水力空化对螺旋藻生物质的结构产生了显著影响，有利于细胞内藻蓝蛋白的释放。
- 最终藻蓝蛋白产量：研究人员通过一系列冻融步骤进行连续提取，确定了螺旋藻生物质中可提取的最大藻蓝蛋白量。其中，CPC（Chlorophycocyanin）产量可达 78.5 ± 2.9mg/g 干生物质，APC（Allophycocyanin）产量为 48.6 ± 7.6mg/g 干生物质，总藻蓝蛋白提取量为 127.1mg/g 干生物质，纯度为 0.27。
- 背景藻蓝蛋白产量（浸泡）：研究人员还测定了仅通过浸泡螺旋藻粉末释放的藻蓝蛋白量，以此作为基线。实验结果显示，浸泡实验中，CPC 和 APC 的释放量在一定时间内逐渐增加，但最终的归一化产量相对较低，分别为 1.5 和 2.5，且纯度也较低。这表明浸泡虽然能释放部分藻蓝蛋白，但无法实现高效提取，细胞破壁对于提取总藻蓝蛋白至关重要。
- 涡旋式水力空化法提取藻蓝蛋白的产量：研究人员系统研究了不同流动状态（非空化流、空化起始和完全空化流）以及通过 HC 装置的次数对藻蓝蛋白产量的影响。结果表明，在完全空化流条件下，藻蓝蛋白产量随着通过次数的增加而增加，直至达到平台期。在 150kPa 和 90 次通过时，获得了最高的归一化 CPC 产量 4.3（相当于 52mg CPC/g 生物质），在 250kPa 时，APC 产量达到峰值，归一化产量为 7.8（相当于 32.4mg APC/g 生物质）。这说明完全空化流及其产生的物理化学效应对于细胞破壁和藻蓝蛋白提取至关重要。
- 沼气生产：研究人员对提取藻蓝蛋白后的剩余生物质进行了沼气生产潜力评估。通过实验发现，尽管提取藻蓝蛋白后生物质的沼气产生速率有所下降，但沼气潜力并未受到显著影响。实验获得的沼气产量与理论值相比，达到了 60 - 62%，这表明提取藻蓝蛋白后的剩余生物质仍具有较高的沼气生产价值。
- 比能量需求：研究人员计算了涡旋式 HC 装置提取藻蓝蛋白所需的比能量。在最佳操作条件（150kPa 和 90 次通过）下，处理 100g/L 螺旋藻的比能量需求仅为 0.06kWh/kg，比目前最先进的方法低 1 - 2 个数量级。此外，研究还发现，利用剩余生物质产生的沼气可以实现净能量增益，在不同生物质浓度下，净能量增益范围为 600 - 2497kWh/kg。这表明涡旋式水力空化技术不仅能高效提取藻蓝蛋白，还能通过沼气生产实现能量的有效回收。
综上所述，该研究首次证明了涡旋式水力空化技术是一种高效、节能且可规模化的藻蓝蛋白提取方法。在最佳的水力空化条件下，该技术能够实现较高的藻蓝蛋白提取率，同时所需的能量输入显著低于现有方法。此外，剩余生物质的沼气生产潜力研究表明，螺旋藻具有巨大的生物炼制潜力，通过涡旋式水力空化技术可以实现高价值藻蓝蛋白提取和沼气生产的协同发展。这一研究成果为螺旋藻生物炼制提供了新的技术路径，有望推动相关产业的发展，同时也为其他生物质的高效利用提供了参考。
需要注意的是，虽然该研究取得了重要进展，但在实际应用中仍可能面临一些挑战。例如，如何进一步优化工艺参数以提高藻蓝蛋白的纯度，以及如何更好地放大生产规模以满足市场需求等问题，都需要后续研究进一步探索和解决。
