利用里科塔奶酪乳清培养微藻：通过调控营养供给策略提升生物量产量与废水处理效率

《New Biotechnology》：Microalgal cultivation on ricotta cheese whey: modulating nutrient supply during cultivation to improve culture growth.

本研究针对乳品工业副产物乳清的处理难题，创新性地探索了利用稀释的里科塔奶酪乳清（Scotta）作为培养基进行微藻培养。研究人员通过筛选18株微藻（主要为Scenedesmus和Chlorella属），并设计不同营养负荷（LWL、HWL、S&M、MWL）及补充策略（如微量营养素）的系列试验，发现优化乳清浓度（如MWL试验中12% v/v）及补给策略可显著提升生物量产量（最优菌株F&M-M526达203.6×10^9 cells L^-1 WY^-1）及氮磷去除效率。该研究为乳清资源化高值利用和微藻生物技术应用于循环经济提供了关键实验依据。

　　

乳品工业是全球重要的食品加工行业，但其生产过程伴随着大量副产物的产生，其中奶酪乳清（Whey）尤为突出。据统计，每生产1公斤奶酪就会产生约6-10升的废水及富含营养的乳清。里科塔奶酪（Ricotta cheese）作为地中海地区的典型奶酪，年产量约百万吨，其生产过程中产生的乳清（Scotta）含有高浓度的氮、磷、有机碳（如乳糖）及其他矿物质。传统的乳清处理方式（如用作动物饲料或肥料）附加值较低，且约40%的乳清被直接排入水体，导致水体富营养化、盐碱化等生态问题，造成营养资源的浪费。因此，开发可持续、高值化的乳清处理技术迫在眉睫。

在此背景下，利用微藻（Microalgae）处理乳清并同时生产高价值生物质（Biomass）的循环经济模式引起了广泛关注。微藻能够利用乳清中的有机和无机营养盐进行生长，实现废水净化与生物质生产的双赢。然而，将乳清作为微藻培养基质面临诸多挑战：乳清中高盐度、营养供给不平衡、以及可能存在的抑制性化合物等因素，常常导致微藻无法长期稳定高效生长。此前的研究多集中在批次培养（Batch cultivation）并额外添加合成无机营养素，这不仅增加了成本，也偏离了利用废物本身营养的初衷。因此，如何通过优化培养策略（如营养供给方式、 salinity 调控），在不添加外源营养的条件下实现微藻在乳清中的长期高效培养，是推向实际应用的关键。

针对上述问题，Paolo Capano、Gaia Santini、Natascia Biondi、Giacomo Sampietro和Liliana Rodolfi等研究人员在《New Biotechnology》上发表了他们的研究成果。该研究系统探讨了在里科塔奶酪乳清中培养微藻的不同策略，旨在通过调节培养过程中的营养供给来改善微藻生长，并评估其营养去除能力。

为了系统评估微藻在乳清中的生长潜力，研究人员首先从Fotosintetica & Microbiologica微藻和蓝藻菌种保藏中心（佛罗伦萨，意大利）选取了18株微藻进行初步筛选（Screening Phase, SP）。这些菌株主要来源于Scenedesmus和Chlorella属，包括15株淡水藻和3株海洋藻。筛选阶段在100 mL锥形瓶中进行，使用10% (v/v)稀释的乳清（10WY）作为培养基，以标准合成培养基（如修改的BG11或F培养基）作为对照，培养周期为9天，并在第3天和第6天进行培养基置换。通过监测细胞密度（使用Thoma计数板）和营养盐（N-NO₃^-、N-NH₄⁺、P-PO₄^3-）的去除效率来评估各菌株的表现。随后，研究进入更深入的试验阶段，包括低乳清负荷（Low Whey Load, LWL）、高乳清负荷（High Whey Load, HWL）、盐度与微量元素（Salinity and Micronutrients, S&M）以及中度乳清负荷（Moderate Whey Load, MWL）试验。这些试验在300 mL玻璃气泡柱式光生物反应器（Photobioreactor）中进行，重点调控了初始乳清浓度、补给量和频率、以及是否添加微量元素溶液等因素。关键的分析技术包括利用紫外可见分光光度法（UV-Vis spectroscopy）测定硝酸盐（采用二阶导数紫外光谱法）、铵（采用酚-次氯酸盐法）和磷酸盐（采用Spectroquant?试剂盒）浓度；通过化学需氧量（COD, Chemical Oxygen Demand）、总碳水化合物（酚-硫酸法）和总蛋白质（Folin-Ciocalteu法）分析表征乳清及生物质成分；并通过统计软件（Prism 8.0.2）进行方差分析（ANOVA）以评估数据的显著性。

3.1. 筛选阶段

初步筛选显示，18株测试藻株中有15株能在10%稀释乳清中生长，其中Scenedesmus F&M-M526和Chlorella F&M-M151等菌株在最初三天表现出显著高于对照组的生长速率（最高增加56%至590%）。然而，大多数菌株的生长在培养后期（6-9天）出现下降。营养盐去除效率分析表明，铵氮（N-NH₄⁺）的去除率最高且最稳定（平均96.7%），而硝酸盐（N-NO₃^-）和磷酸盐（P-PO₄^3-）的去除效率则呈现较大的菌株特异性差异。基于生长和营养去除性能，研究人员筛选出四株优势菌株（Scenedesmus F&M-M274, F&M-M526, F&M-M497 和 Chlorella F&M-M151）进行后续深入研究。

3.2. 低乳清负荷试验

在LWL试验中， selected 菌株在10%乳清中的生长在最初几天仍优于对照组，但生长速率随后普遍下降。营养盐分析显示，铵氮去除率依然接近完全（约95%），但硝酸盐和磷酸盐的去除效率在不同菌株间差异明显，表明营养供给可能不足以长期维持高速生长。此试验提示，单纯的乳清添加可能无法避免培养中后期的营养限制。

3.3. 高乳清负荷试验

HWL试验提高了乳清浓度（22%）和补给频率（每两天补充20%体积的纯乳清），以期避免营养匮乏。结果发现，两株测试菌株（F&M-M526和F&M-M497）在初期生长良好，但培养液的电导率和盐度随之显著上升（从约22‰升至60‰），导致生长在4-6天后受到抑制。这表明，高频率补充未稀释乳清引起的盐度累积是限制微藻长期生长的一个重要因素。

3.4. 盐度与微量元素试验

为了应对盐度问题，S&M试验对菌株进行了盐度预适应（15‰ NaCl），并在培养过程中通过每日补充50%体积的10%乳清来维持盐度稳定，同时考察了补充微量元素的影响。结果显示，盐度适应和微量元素补充在一定程度上延长了培养时间，但所有培养物在约6天后生长均停止。这表明，除了盐度之外，乳清中其他物质（如积累的胞外有机物EOM或其他抑制性代谢物）可能也产生了抑制效应。

3.5. 中度乳清负荷试验

MWL试验综合了前期的经验教训，采用了更优化的策略：使用12%的乳清浓度，并补充微量元素；将补给量降至30%培养体积，补给间隔延长至每三天一次；同时测试了淡水菌株F&M-M526（经盐度适应）和海洋菌株Chlorella F&M-M180。结果表明，这种“中度负荷”策略取得了最佳效果。菌株F&M-M526+（表示补充微量元素）在13天的培养期内保持了较高的生物量产量（总细胞产量达203.6 × 10⁹cells L^-1WY^-1）和营养去除效率（铵氮>94%，硝酸盐约72%）。海洋菌株F&M-M180+也表现出稳定的生长。生物质成分分析显示，所得生物质富含蛋白质（F&M-M180+为38.0%，F&M-M526+为30.0%）和碳水化合物（F&M-M180+为34.1%，F&M-M526+为44.0%），具有用于食品、饲料、农业生物刺激素等多种高价值应用的潜力。

3.6. 总细胞产量

对不同试验的总细胞产量进行比较发现，LWL和MWL试验中优化后的培养策略（适中的乳清负荷和补给频率）能显著提高每升乳清产生的细胞数以及每毫克氮转化的细胞数。这表明精细调控营养供给策略对于最大化乳清利用效率至关重要。

本研究通过一系列逐步优化的实验证明，利用里科塔奶酪乳清培养微藻是可行的，并且通过精细调控培养管理策略（如乳清浓度、补给方案和盐度控制）可以显著提高生物质产量和营养盐去除效率。研究成功识别出Scenedesmus F&M-M526和Chlorella F&M-M151等优势菌株，并发现“中度乳清负荷”结合微量元素补充的策略能有效延长培养周期，提升整体性能。尽管盐度和潜在抑制物的积累仍是长期培养的挑战，但该研究为开发不依赖外源营养添加的、可持续的微藻-乳清集成处理工艺奠定了坚实的实验基础。这项工作不仅为乳品工业副产物的高值化利用提供了创新思路，也推动了微藻生物技术在循环经济和环境修复领域的应用发展。