优化嗜酸微藻Coccomyxa onubensis叶黄素生产：新型高细胞密度反应器中的动态实验设计与突破

在微藻叶黄素生产面临诸多挑战之际，研究人员以嗜酸微藻Coccomyxa onubensis为对象，运用动态实验设计（DoDE）优化培养条件。结果提升了生物质和叶黄素产量，为工业生产提供策略，对推动微藻叶黄素产业意义重大。

　　

叶黄素，这种在植物和微藻中参与光捕获与光保护的类胡萝卜素，对人体健康尤其是眼部健康意义非凡。它不仅能助力植物在强光下通过非光化学淬灭（NPQ）耗散能量，保护自身免受氧化损伤，还是光系统 II 相关的捕光复合体（LHC）蛋白的关键成分，能够捕获光线并保护类囊体膜不被脂质过氧化。在人体中，叶黄素会在黄斑处积累，有助于预防年龄相关性黄斑变性，还能改善视力、增强酶防御机制，降低认知能力下降、帕金森病、冠心病和骨质疏松症等疾病的风险。

然而，当前叶黄素的生产面临着重重困境。从传统来源万寿菊中提取叶黄素，需要耗费大量资源、占用大量土地，且提取过程繁杂。虽然微藻作为叶黄素的潜在来源，具有诸多优势，比如每克干生物质中的类胡萝卜素含量更高、生物质产量是万寿菊的 3 - 6 倍、资源需求更低，但其生物利用度有限，还需进行预处理。并且，目前 95% 的工业叶黄素生产仍依赖万寿菊，其叶黄素含量差异极大（1.7 至 57 mg?g_DW^?1）。此外，在欧洲，用于生产叶黄素的微藻尚未通过新型食品评估，这就要求微藻必须在符合监管机构严格安全和质量标准的食品级条件下进行生产。嗜酸微藻Coccomyxa onubensis，虽拥有高达 10 mg?g_x^?1的叶黄素含量，是极具潜力的工业食品级叶黄素生产候选者，但其生长缓慢，生物质生产力较低，这就迫切需要优化培养条件和生物反应器设计。

在此背景下，国外研究人员开展了一项旨在优化嗜酸微藻Coccomyxa onubensis在新型高细胞密度反应器中生物质和叶黄素生产的研究。他们运用动态实验设计（DoDE），在膜式高细胞密度光生物反应器中对该微藻进行培养，探索不同的动态培养因素，如时变光强度（80 - 800 μmol?m^?2?s^?1）、氮源添加策略（60 - 600 mg_N?L^?1）以及三种恒定的 CO₂水平（0.04%、1% 和 10%）对生物质和叶黄素生产的影响。

研究结果显示，在 6.5% CO₂、光照强度逐渐增加（峰值 800 μmol photons?m^?2?s^?1）以及适度高氮（5 天内 499 mg?L^?1）的条件下，生物质生产力达到峰值，为 1.28 ± 0.23 g?L^?1?d^?1。而在 10% CO₂、中等光照强度（峰值 414 μmol photons?m^?2?s^?1）和有限氮源（1 天内 217 mg_N?L^?1）的条件下，叶黄素生产力可达 3.32 ± 0.58 mg?L^?1?d^?1 。

该研究的重要意义在于，为Coccomyxa onubensis的培养提供了优化且经过验证的策略，这些策略可应用于工业生产。同时，动态实验设计（DoDE）在该研究中展现出强大的功能，它能够对多因素进行优化，并阐释复杂的相互作用，这对于在嗜酸、高细胞密度且可降低细菌污染风险的条件下提高生物质和叶黄素产量至关重要。该研究成果发表在《Algal Research》上。

在研究方法方面，研究人员使用了创新的高细胞密度膜光生物反应器（CellDEG PBR）进行自养培养，这种反应器能实现快速、无气泡的 CO₂转移，提高了气体 - 液体传质效率，相较于标准实验室装置，可使体积生产力翻倍。此外，研究运用了动态实验设计（DoDE），将时间作为明确变量，纳入动态变化和相互依赖关系进行优化，从而克服了传统实验设计方法忽略微藻生长和色素生物合成中时间变化影响的缺陷。

下面详细介绍研究结果：

• 微藻菌株和生长条件：研究采用从德国 SAG - G?ttingen 获得的Coccomyxa onubensis SAG 2510 菌株，在无菌光养条件下培养，使用改良的 K9 培养基，将 pH 维持在 2.5，以 HCl 缓冲，在 24°C、5% CO₂和 150 μmol photons m^?2 s^?1的连续白色 LED 光照下进行预培养，使接种物保持在指数生长期。
• 生物质生产力的实验分析：总光子供应和 pCO₂的影响：在第 7 天测定生物质生产力，结果显示在不同实验条件下差异较大，最低为 0.1 g?L^?1?d^?1，最高可达 0.75 g?L^?1?d^?1 。仅供应空气的批次中，生物质生产力较低，低于 0.3 g L^?1d^?1 。当 pCO₂从 0.04% 提升至 1% 时，平均生物质生产力显著提高，增长了 2.9 倍（p < 0.0001），表明 CO₂是限制生物质生产力的关键因素。

研究结论表明，在高细胞密度微藻培养系统中优化叶黄素生产时，考虑操作变量之间的相互作用及其综合影响至关重要。通过运用动态实验设计（DoDE），显著提高了嗜酸微藻Coccomyxa onubensis在膜式光生物反应器中的生物质和叶黄素生产力。这不仅为工业规模生产叶黄素提供了可行的策略，也为微藻生物技术领域进一步研究多因素优化和复杂相互作用提供了新的思路和方法。然而，该研究仍存在一定的局限性，如未在更广泛的工业场景下进行验证。未来还需开展工业规模的验证实验，进一步增强模型的稳健性和适用性，以推动微藻叶黄素产业的发展。