优化异养培养基提升三种小球藻突变株的生物量、蛋白质产量及色泽品质

为解决微藻生产成本高和感官特性不佳的产业化瓶颈，研究人员通过响应面法优化了绿色、黄色和白色Chlorella vulgaris突变株的异养培养基。结果表明，生物量和蛋白质生产率分别提升70%和94%，并首次建立培养基成分与色泽的关联模型，使黄色和白色突变株色泽改善20%，为微藻基产品在食品市场的竞争力提升提供关键技术支撑。

　　

微藻作为可持续蛋白源面临两大挑战：高昂的生产成本和因叶绿素导致的感官缺陷（如绿色色泽和腥味）。随着全球人口预计2050年达97亿，传统畜牧业的环境压力加剧，富含蛋白质、ω-3脂肪酸和维生素B₁₂的微藻成为理想替代品。然而，目前仅少数物种（如Chlorella spp.）被批准作为新食品，且商业化受限于其感官特性。针对这一难题，葡萄牙Allmicroalgae Natural Products S.A.联合多所高校的研究团队在《Scientific Reports》发表研究，通过随机诱变获得绿色(8G)、黄色(7Y)和白色(31W)Chlorella vulgaris突变株，并利用响应面法(RSM)优化其异养培养基，首次将色泽参数纳入优化目标。

研究采用三阶段技术路线：1）通过温度、pH和氮源（铵盐、硝酸盐、尿素）预实验确定基础培养条件；2）两水平分数阶乘设计筛选显著影响因子（如N、P、Zn、Cu）；3）中心复合设计优化生物量生产率(r_p)、比生长速率(μ)、蛋白质生产率(PP)及色泽参数（L/a/b^*）。所有突变株均使用30 g L^-1葡萄糖作为碳源，通过元素分析（Vario EL III）测定蛋白质含量，色度计(CR-400-410)量化色泽。

结果部分
Preliminary assays
温度试验显示30°C最适生长，pH 6.5时三株突变株生物量生产率达峰值（8G: 2.36±0.05 g L^-1 d^-1）。铵盐作为氮源显著提升生长性能，因其直接参与叶绿素合成（含4个吡咯环氮原子）。

Screening assays
Plackett-Burman设计表明N浓度对所有突变株蛋白质含量影响最大（p<0.0001），而Cu、Zn等微量元素对8G生长具剂量依赖性效应。

Optimization assays
响应面模型揭示：

• 8G在70 mM N、0.18 mM Zn时生物量生产率达2.7 g L^-1 d^-1（较对照+35%），低Zn浓度使绿色更深（L^*↓）；
• 7Y在高N(76 mM)和极值Zn(0.01或0.3 mM)下黄色饱和度(b^*)提升20%；
• 31W在低N(30 mM)时a^*值（绿/红坐标）优化20%，实现更白外观。

Validation assays
验证试验中7Y突变株表现最佳：生物量生产率4.03±0.05 g L^-1 d^-1（+70%），蛋白质含量40.07±1.12% DW（+57%），且黄色更鲜艳。

结论与意义
该研究首次将色泽参数纳入微藻培养基优化体系，通过多目标建模同步提升营养价值和感官特性。关键突破包括：1）建立N浓度与叶绿素合成的量化关系，证实高N(70 mM)促进蛋白质积累而低N(30 mM)减轻绿色调；2）发现Zn、Cu等微量元素对色泽的调控作用，如Zn²⁺抑制叶绿素合成；3）白色突变株31W的a^*值优化为无色素微藻产品开发提供范例。这些成果为微藻在植物基食品、饲料等领域的应用扫清了感官障碍，其响应面法优化策略可扩展至其他高价值藻类培养。