综述：利用微藻生产蛋白质的进展、功能特性及工业潜力

本综述系统探讨了微藻作为可持续蛋白质来源的最新研究进展，重点分析了其功能特性（如乳化性、发泡性和凝胶性）和工业化潜力。文章详细阐述了微藻蛋白质的高营养价值（EAA指数与肉类和大豆相当）、环境效益（可在非耕地利用海水培养）以及其在食品工业中的应用前景。同时，综述还指出了当前面临的挑战（如高生产成本和规模化障碍）并提出了未来发展方向（包括培养策略优化、代谢工程和成本降低策略）。该工作为微藻蛋白质在食品和生物技术领域的应用提供了重要参考。

　　

引言

全球人口快速增长，预计到2050年将达到约98亿，粮食需求预计增加70%。传统蛋白质来源（如牲畜和作物）需要大量土地、水和能源，面临可持续性挑战。微藻因其高蛋白含量（干重30–55%）、优越的氨基酸组成和环境效益，成为一种有前景的蛋白质替代来源。微藻可在非耕地上利用海水培养，最大限度地减少资源竞争并减少碳排放。此外，微藻蛋白质展现出优异的功能特性，如乳化、发泡和凝胶化，在食品应用中潜力巨大。

微藻蛋白质的技术和功能特性

蛋白质的技术功能特性是指其独特的物理化学性质，这些性质影响食品加工中的角色，超越其营养价值。这些特性显著影响食品质地、粘度、适口性和口感。技术功能属性通常分为表面特性（如溶解度、乳化和发泡）和流体动力学特性（如凝胶化、粘度、增稠和质构化）。

乳化特性

蛋白质的乳化特性是指其在油水相之间促进乳液形成和稳定的能力，使其在食品、化妆品和制药等行业中有价值。乳化机制在于蛋白质分子的独特结构特征：亲水区域朝向水相，疏水区域与油相相互作用，有效降低油水界面张力并形成稳定的界面膜。微藻蛋白质通常表现出强大的乳化能力，由于其两亲性质和高溶解度（当从完整细胞壁中提取时）。例如，小球藻（Chlorella protothecoides）的水溶性提取物稳定水包油乳液超过一周，性能优于乳清蛋白，且在0.5 M NaCl和pH 2–9范围内保持稳定。

发泡特性

蛋白质的发泡能力是指其产生大界面面积的能力，而泡沫稳定性反映其维持形成的气泡的能力。研究表明，微藻蛋白质表现出优异的发泡性能。影响蛋白质发泡性能的因素包括来源、组成、浓度、提取和加工方法、溶解度、pH、温度以及碳水化合物或脂质的存在。例如，螺旋藻（Spirulina platensis）蛋白质在pH高于3.0时发泡能力增加，在碱性条件（pH ≥10）下达到250%以上。

凝胶特性

蛋白质的凝胶特性是指其在特定条件下形成结构化三维网络的能力，通过分子间相互作用（如氢键、疏水相互作用、静电力和二硫键）实现。该网络有效捕获水或其他溶剂，将系统从液体转变为半固体或固体凝胶状态。微藻蛋白质可以形成热诱导凝胶，所需浓度（最小凝胶浓度）范围从非常低（类似于蛋清）到中等（类似于大豆或豌豆蛋白质），具体取决于物种和制备方式。

持水能力

蛋白质的持水能力在各种生物和工业应用中起着关键作用。它指的是蛋白质结合和保留水的能力，显著影响食品质地、味道和保质期。在食品系统中，该特性有助于保持肉类和面包等产品的水分，防止干燥和变质，同时保持嫩度和多汁性。微藻蛋白质成分通常表现出高持水能力，有利于食品产品中的水分保持。例如，螺旋藻蛋白质分离物可以保持大量水分——在pH 10时每100克蛋白质保持约428.8克水（约4.3克水/克蛋白质）。

微藻培养以改善蛋白质生产

微藻蛋白质饲料产品的生产涉及多个关键步骤，主要重点在于优化培养方法、策略方法和反应器配置。此外，通过合成生物学技术开发蛋白质细胞工厂对于改善氨基酸谱至关重要。微藻可以使用各种系统培养，包括开放跑道池、气升式生物反应器、光生物反应器和发酵罐。

培养条件

光在微藻的生长和发育中起着关键作用，通过两种主要机制施加影响：第一种是通过光合作用的间接效应（高能反应），第二种是通过光形态建成的直接效应（低能反应）。两个过程都涉及通过色素和光感受器感知光信号，进而调节下游基因途径，最终影响细胞生长、代谢和功能变化。温度是影响微藻生长的关键因素，直接影响养分吸收和CO₂固定，最终影响生物量积累和脂质组成。

培养策略

微藻培养模式根据碳源、能源和光照条件可分为四类：光自养、异养、混养和光异养。光自养培养完全依赖CO₂作为碳源，并通过光合作用将光能转化为化学能。这是大规模生产中最广泛应用的模式。相比之下，异养培养通过利用有机碳源（如葡萄糖）增强代谢，实现生物量生产力通常比光自养培养高5-10倍，具体取决于物种和培养条件。

生物反应器设计

生物反应器的设计通过优化生长条件和代谢调节，对提高微藻蛋白质含量至关重要。创新设计正从单纯的性能增强转向与循环经济的更深入整合。例如，锥形螺旋光生物反应器可以自由悬挂在鸡舍天花板上，捕获CO₂和NH₃废气，同时连续培养螺旋藻（生产力> 0.3克/升/天）。该系统实现了排放封存和生物量增值的双重目标。

微藻中的氨基酸代谢与改进

在近几十年中，对氨基酸在植物发育中的作用及其对生物和非生物胁迫的响应进行了广泛研究。在光合作用过程中，微藻同化CO₂和H₂O合成碳水化合物，主要是葡萄糖。氨基酸的细胞内生物合成通过三种主要途径发生。磷酸戊糖途径（PPP）涉及葡萄糖的直接氧化，用于组氨酸（His）家族的合成。糖酵解途径（EMP）促进细胞质中葡萄糖的转化，产生氨基酸如丙氨酸（Ala）、芳香族氨基酸和丝氨酸（Ser）家族。同时，三羧酸循环（TCA）通过线粒体葡萄糖氧化产生丙酮酸，有助于谷氨酸（Glu）家族的合成。

主要氨基酸代谢途径及生物学功能

氨基酸生物合成所需的氨基主要来自细胞吸收的硝酸盐或氨，它们被同化成谷氨酸并进一步转化为谷氨酰胺。此外，氨基酸的碳骨架经常作为TCA循环的前体或中间体。研究表明，氨基酸代谢显著影响微藻的整体代谢状态。例如，在莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中，支链氨基酸分解代谢增强了乙酰辅酶A（AcCoA）水平，促进了脂质积累。

赖氨酸代谢及生物学功能

赖氨酸在植物中的生物合成通过天冬氨酸家族途径的特定分支发生。该途径中的第一个酶是天冬氨酸激酶（AK），它催化天冬氨酸磷酸化形成天冬氨酰磷酸。该酶受到赖氨酸和苏氨酸的反馒抑制。下一步涉及天冬氨酰磷酸在依赖NADPH的作用下还原成天冬氨酸半醛，该反应由天冬氨酸半醛脱氢酶（ASADH）催化。随后，高丝氨酸脱氢酶（HSDH）利用NADH将天冬氨酸半醛转化为高丝氨酸。

蛋白质回收的下游工艺

微藻生物质是蛋白质的丰富来源，含有人体所需的所有必需氨基酸，使其成为食品生产的有前途的原材料。然而，这些蛋白质大多数是细胞内的，它们的提取受到细胞壁复杂多层结构的阻碍。因此，需要一种有效的方法来打破细胞壁屏障，以提取所需的蛋白质。

细胞裂解和蛋白质回收

微藻蛋白质提取过程通常遵循用于植物蛋白质加工的成熟方案，涉及关键阶段，如细胞壁破坏、蛋白质释放、固液分离、絮凝和后续纯化。几种技术用于蛋白质提取，包括酸提取、碱提取、有机溶剂提取、盐溶液提取和酶水解。为了提高蛋白质提取效率并最大化从微藻细胞中释放蛋白质，各种物理技术，如珠磨、超声处理、脉冲电场（PEF）和微波辅助提取，已被应用。

蛋白质富集与纯化

蛋白质提取后，需要浓缩目标蛋白质。透析是一种广泛使用的技术，通过半透膜促进溶质交换。虽然简单且不需要专用设备，但耗时且可能导致蛋白质变性。超滤（UF）提供了一种更有效的替代方案，利用具有特定分子量截留（MWCO）的膜选择性保留较大分子。

微藻蛋白质的感官限制与改进策略

微藻蛋白质的感官限制主要归因于叶绿素和挥发性代谢物，它们带来不良颜色和异味，限制了其在食品中的融入。为了减轻这些缺点，已经开发了几种改进策略。例如，在小球藻（Chlorella pyrenoidosa）中，超临界流体提取有效去除了叶绿素a（HPLC-UV分析确认低于检测限），而蛋白质部分保留了其溶解性和功能完整性。

未来展望与微藻蛋白质的转化路径

随着消费者健康意识的全面觉醒，微藻蛋白质因其高质量的营养密度（富含必需氨基酸、天然维生素群和高生物利用度的类胡萝卜素）不断吸引市场关注。因此，更多公司进入微藻蛋白质市场，增加了竞争并压低了价格。这种竞争进一步刺激了降低成本以维持盈利能力的努力。

尽管微藻在蛋白质生产方面潜力巨大，但其应用仍主要局限于实验室环境。主要障碍在于大规模生产的高成本。例如，以蛋白质饲料为例，广泛使用的植物蛋白源豆粕价格约为每公斤0.55美元，全球年需求量为2亿吨。同样，水产养殖饲料的关键成分鱼粉价格低于每公斤2.18美元，年需求量为700万吨。相比之下，目前微藻作为饲料成分的市场需求仅为每年2.5万吨，价格在每公斤32.69美元至326.94美元之间。

生产成本来自价值链的多个阶段。培养介质 alone 占总投入的30-40%，氮源波动直接影响成本稳定性。下游细胞破碎同样负担沉重：珠磨方法每吨生物质消耗约500千瓦时，而低生物量浓度（<10克/升）使离心效率降低约40%。

新兴解决方案从生物、工程和系统层面针对这些障碍。CRISPRa–VP64将蛋白核小球藻UTEX 1602的蛋白质水平提升至干细胞重量的60%（570毫克/升），而CRISPRi–KRAB与ASGARD进一步将蛋白质增加至65%，脂质产量提升至150–250毫克/升（野生型：150毫克/升），展示了可编程基因调控优化生物质组成的能力。光伏集成反应器为能源自给自足提供了巨大潜力，降低了培养成本，并允许利用工业废气作为碳源。

系统级评估表明，废水耦合培养可以将生物质生产成本降低至每公斤0.39–0.92美元，废水处理费用降低至每立方米0.18–1.69美元，从而减少介质投入，同时在生物质生成和废水处理方面提供并发效益。这些策略共同代表了降低输入成本同时维持生产率的可行途径。

另一个基本限制是蛋白质含量与生物量积累之间的反比关系。在自养条件下，微藻通常表现出高蛋白质水平但相对较低的生物量生产力。相反，异养和混养培养显著提高了生物量产量，但通常将蛋白质含量降低至15–30%。克服这种权衡将需要优化培养条件、改进培养策略以及应用代谢工程以产生能够平衡高蛋白质产量与强劲生物量积累的菌株。

将培养从实验室扩大到工业反应器带来了额外挑战。许多证明高蛋白质生产力的研究是在摇瓶（<0.50升）中进行的。然而，工业规模系统受到光衰减、养分扩散限制和污染风险的约束。随着微藻进入大规模光生物反应器，有效管理光穿透、气体交换和养分输送变得越来越重要。因此，进一步研究成本效益高的培养平台，以维持高生产力同时确保稳定性，是不可或缺的。