利用原位与诱导培养策略优化盐生杜氏藻β-胡萝卜素生产：铁氮协同效应的机制与应用研究

本研究针对天然β-胡萝卜素生产过程中环境条件不稳定、产量一致性差的问题，通过探究氮源（KNO3）和铁离子（FeSO4）在盐生杜氏藻（D. salina）原位培养与诱导培养条件下的调控作用，发现氮促进生物量积累而铁通过氧化应激刺激β-胡萝卜素合成，最终在15 L规模诱导培养中实现细胞密度2.4079×107 cells mL-1和β-胡萝卜素含量27.12 pg cell-1的协同提升，为微藻源天然色素的高效生产提供了优化策略。

　　

随着合成色素安全争议的加剧和健康消费意识的提升，天然β-胡萝卜素在食品、化妆品和饲料领域的市场需求持续增长。目前全球84.8%的β-胡萝卜素仍依赖化学合成，天然来源仅占8.4%，且主要来自微藻和植物提取。盐生杜氏藻（Dunaliella salina）因其高耐受性和累积β-胡萝卜素能力（可达干重10–12%）被视为理想生产载体，并被美国FDA认定为“一般认为安全”（GRAS）物质。然而，户外培养受环境波动影响大，产量不稳定，而室内培养虽可控但面临生物量与色素积累难以兼得的挑战。氮和铁作为关键营养因子，分别影响细胞分裂和氧化应激响应，但其协同机制及规模化应用潜力尚不明确。

为解决上述问题，中国台湾海洋大学的研究团队在《Future Foods》发表论文，通过原位培养（全程不换培养基）和诱导培养（中期更换培养基）两种策略，结合响应面优化法（RSM），系统探究了硝酸钾（KNO₃）和硫酸亚铁（FeSO₄）对D. salina生长和β-胡萝卜素合成的影响，最终在15 L规模验证了高效生产方案。

研究主要采用以下技术方法：1) 微藻培养与处理：藻株分离自台湾台南盐田，在改良Ben-Amotz培养基中培养，通过调控Fe²⁺和NO₃^-浓度设计实验组；2) 细胞分析：流式细胞术检测细胞密度，高效液相色谱（HPLC）定量β-胡萝卜素；3) 数据处理：采用响应面法（RSM）优化条件，SPSS进行统计学差异分析。

效果 of nutritional factors on D. salina in situ culture

研究发现，原位培养中氮浓度与细胞密度呈正相关，最高密度达240.79×10⁵ cells mL^-1（0F/6N组），而铁浓度升高抑制生长但促进β-胡萝卜素积累（0.6F/0N组含量最高，14.42 pg cell^-1）。无铁组未检测到色素，表明铁是β-胡萝卜素合成的必需因子。

效果 of nutritional factors on D. salina in induced culture

诱导培养中，前期高氮促进生物量积累，后期铁诱导刺激色素合成。β-胡萝卜素含量与氮负相关、与铁正相关，0.6F/3N组含量最高（18.75 pg cell^-1）。两阶段策略有效平衡了生长与代谢产物积累的矛盾。

Large scale cultivation of D. salina

15 L规模验证表明：原位培养（0.42 mM Fe/0 mM N）实际细胞密度（1.15×10⁷ cells mL^-1）超模型预测，但色素含量（16.73 pg cell^-1）低于预期；诱导培养（0.6 mM Fe/3 mM N）色素含量达27.12 pg cell^-1，显著高于预测值，虽生物量略低，但证实了协同效应的可放大性。

研究结论表明，氮是细胞分裂的关键底物，而铁通过Fenton反应诱发氧化应激，驱动β-胡萝卜素合成作为抗氧化保护响应。两阶段培养通过时序调控营养供给，先利用高氮扩增生物量，再通过铁限制诱导色素合成，实现了生产效益最大化。该策略为微藻源天然色素的工业化生产提供了理论依据和工艺模板，有望缓解天然色素市场供需失衡问题。研究同时提出叶绿素与β-胡萝卜素比值可作为培养应激状态的可靠指标，为过程监控提供了简易方法。