微藻生物质生化组分长期保存方法的比较研究：为商业化应用提供优化策略

本研究针对微藻生物质在长期储存中生化组分易降解的问题，系统比较了冷藏、冷冻、冻干、喷雾干燥和烘箱干燥五种方法对Scenedesmus obliquus和Chlorella vulgaris两种经济藻种的碳水化合物、脂质、蛋白质及色素保存效果。通过43天的跟踪实验发现保存效果存在显著的物种特异性和化合物特异性差异，并基于损失率数据构建了决策图表。研究为藻类工业生产中保存方法的选择提供了科学依据，对降低损耗、提升产品价值具有重要意义。

　　

随着全球藻类生物制品市场规模的不断扩大（预计2028年将超70亿美元），微藻的高效保存技术已成为制约产业发展的关键瓶颈。微藻培养物在收获后仍含有大量水分，不仅增加了运输成本，其富含的蛋白质、脂质、碳水化合物和色素等高价值化合物在储存过程中极易因微生物活动、酶促反应和氧化作用而降解。虽然目前存在多种保存方式（如冷藏、冷冻、干燥等），但这些方法对不同藻种、不同生化组分的长期保存效果缺乏系统评估，导致生产企业难以在保存效果与经济成本之间找到最优平衡。

为了破解这一难题，来自英国斯旺西大学的Alla Silkina、José Ignacio Gayo-Peláez和Kam W. Tang研究团队在《Algal Research》上发表了他们的最新研究成果。他们选取了两种具有重要商业价值的微藻——斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）和小球藻（Chlorella vulgaris），系统比较了五种常用保存方法对主要生化组分的长达43天的保存效果，并首次构建了可指导生产的决策模型。

研究人员首先在800升光生物反应器中培养两种微藻，通过微滤和离心获得含水率约20%的藻膏。将藻膏分为五组，分别采用冷藏（4°C）、冷冻（-80°C）、烘箱干燥（45°C，48小时）、冷冻干燥（-110°C，真空）和喷雾干燥（150 bar，60°C）进行处理。干燥后的样品在室温避光条件下储存43天，分别在第一天和最后一天取样测定碳水化合物、脂质、蛋白质、叶绿素a和类胡萝卜素的含量变化。所有生化分析均采用标准方法：碳水化合物用Dubois法测定，脂质采用氯仿-甲醇提取法，蛋白质通过CHN分析仪测氮后以6.25系数换算，色素则通过DMSO提取后分光光度法测定。

3.1. 两种藻在光生物反应器中的生长

通过18天的培养，斜生栅藻从初始的1.66×10⁶ cells mL^?1增长至2.40×10⁸ cells mL^?1，比生长速率达0.335 d^?1；小球藻从5.89×10⁶ cells mL^?1增长至2.89×10⁸ cells mL^?1，比生长速率为0.275 d^?1，为后续实验提供了足量生物质。

3.2. 总碳水化合物

保存效果呈现明显的物种差异性。对斜生栅藻而言，冷冻保存效果最佳（仅损失4.7%），而喷雾干燥导致23%的损失。相反，小球藻的碳水化合物最适合用烘箱干燥保存（损失12.3%），冷冻干燥则造成最严重的降解（损失30.7%）。这表明藻细胞壁结构和碳水化合物存在形式的差异影响了不同保存方式的效果。

3.3. 总脂质

研究结果显示，斜生栅藻的脂质最适合用喷雾干燥保存（仅损失4.3%），而冷冻、冷藏和冻干均导致20%以上的损失。小球藻的脂质保存则再次表明烘箱干燥的优势（损失9.5%），冻干造成最大程度的降解（损失31.6%）。这种差异可能与两种藻的脂肪酸组成和细胞结构有关。

3.4. 总蛋白质

蛋白质保存同样表现出物种特异性。斜生栅藻的蛋白质最适宜用冻干法保存（损失10.4%），冷藏导致最严重的蛋白质损失（31.1%）。而小球藻的蛋白质保存则截然不同，喷雾干燥效果最佳（仅损失9.0%），冻干和冷藏造成37%以上的严重损失。这反映了两种藻类蛋白质组成和热稳定性的差异。

3.5. 叶绿素a

色素保存结果一致表明：冻干是最适合叶绿素a保存的方法。斜生栅藻经冻干后仅损失10%的叶绿素a，而冷藏导致50%以上的损失。小球藻也表现出类似规律，冻干保存仅造成7.1%的损失。这证实了叶绿素对热和氧化的敏感性，以及冻干在保存热敏感化合物方面的优势。

3.6. 类胡萝卜素

类胡萝卜素的保存效果因物种而异。斜生栅藻的类胡萝卜素最适合冷冻保存（损失9.5%），而喷雾干燥导致45.6%的损失。小球藻的类胡萝卜素则最适宜用冻干保存（仅损失4.4%），烘箱干燥和冷冻造成近50%的损失。这种差异可能与两种藻的类胡萝卜素种类和抗氧化系统有关。

基于以上结果，研究团队构建了一个直观的决策图表，指导生产者根据目标藻种和所需提取的化合物选择最佳保存方法。例如，若以斜生栅藻为原料同时提取多种化合物，烘箱干燥可能是最佳折衷方案；而对于小球藻，则需要根据目标产物选择不同的保存方法。

除了保存效果，研究还从工业化角度分析了各种方法的成本效益。冻干虽然保存效果良好，但设备投资高（工业规模2-5万英镑），能耗大（约1000 kWh/年）；喷雾干燥设备成本类似但处理时间短（1-3小时），适合大规模生产；烘箱干燥成本最低但处理时间较长（6-12小时）；冷藏和冷冻虽然操作简单，但长期能耗较高且保存效果不理想。

该研究首次系统比较了不同保存方法对两种经济微藻多种生化组分的长期保存效果，揭示了保存效果的物种特异性和化合物特异性规律，为微藻产业发展提供了重要的实践指导。研究者开发的决策模型能够帮助生产企业根据具体需求选择最经济有效的保存方案，平衡保存效果与成本投入，对于提升微藻产品质量、降低生产损耗、推动产业可持续发展具有重要意义。特别是在当前微藻应用日益广泛的背景下，该研究成果将为食品、饲料、保健品和生物燃料等多个领域的微藻加工提供科学依据。