聚乙二醇调控孔径分布的海藻酸钙水凝胶珠中固定化雨生红球藻增强虾青素生产

《Food Bioscience》：Enhanced astaxanthin production by immobilized Haematococcus pluvialis in calcium alginate hydrogel beads with pore size distribution modulated by polyethylene glycol

　　

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  优化后的微珠使虾青素浓度比悬浮培养提高了85.2%。
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  在开放培养中，未观察到微藻明显侵入水凝胶微珠。
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  PEG调节藻酸钠水凝胶的孔隙，以定制H. pluvialis的微环境。
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  固定化培养有利于虾青素的积累而非细胞增殖。

引言

Haematococcus pluvialis（雨生红球藻）是最有前景的天然虾青素来源，其虾青素含量通常可积累至干重的3%以上（Cui et al., 2025）。工业化生产主要依赖于封闭式光生物反应器，虽然可以实现精确控制和更高的细胞浓度，但代价是巨大的资本投入、复杂的操作和高昂的能源需求（B. S. Yu et al., 2022）。此外，藻类收获涉及能耗密集的浓缩和分离步骤，占总生产成本的20-30%，进一步削弱了经济可行性（Gross et al., 2013; Han et al., 2023）。这些限制凸显了对能够提高虾青素积累量并降低运营成本的创新培养策略的迫切需求。

开放培养系统提供了一种低成本的替代方案。然而，其极易受到微生物污染，且性能往往不稳定（B. S. Yu et al., 2022）。固定化培养作为一种克服这些局限性的有前景的策略应运而生。将微藻细胞封装在水凝胶中，可以提供受保护的培养环境，降低污染风险，同时也显示出开放培养的潜力（Kube et al., 2021; Liu et al., 2024）。此外，固定化培养将细胞限制在特定的空间内，使其在保持细胞活性的同时可以重复或循环使用（Pei et al., 2025）。在现有的方法中，使用钠藻酸盐（SA）等生物相容性聚合物进行固定化，可形成三维网络结构，支持细胞存活并促进营养物质和代谢物的交换（Li et al., 2024）。与悬浮培养相比，该方法可以解决细胞分散和收获能耗高等关键问题，为H. pluvialis的虾青素生产提供了一条潜在的途径。

尽管固定化系统具有上述优势，但其性能在很大程度上取决于载体的特性。先前的研究表明，细菌纤维素载体可以通过调节合成相关基因来增强虾青素积累（Wei et al., 2022），而用棉纱布加固的SA水凝胶膜可以提高虾青素的产量（Y. Zhang, Wang, et al., 2025）。然而，这类膜基系统仅限于静态培养，在动态生物反应器中面临表面积受限、流体动力学兼容性差以及膜内部自屏蔽等挑战。水凝胶微珠具有规则的三维结构、良好的流动性和生物反应器兼容性，更适合动态操作，并且可以通过泵驱动的灌注方便地进行放大和自动化（Tian et al., 2024）。传统的CaCl₂交联微珠通常需要高浓度的SA来维持机械强度（Li et al., 2022; Meril et al., 2022），形成的致密网络会阻碍物质传递并限制细胞代谢。为了解决这一局限，可以引入聚乙二醇（PEG）作为成孔剂来调节水凝胶结构。通过调节PEG的分子量（MW）和浓度，可以优化孔径和渗透性，从而增强营养物质和代谢物的传输（Cheng et al., 2014; Zhao et al., 2015）。这一策略为开发用于固定化H. pluvialis培养的高性能藻酸盐微珠系统提供了一种实用的方法。

为验证上述概念，本研究开发了基于SA-PEG水凝胶微珠的H. pluvialis固定化培养系统。对成珠参数（包括SA浓度、PEG浓度和分子量、CaCl₂浓度以及交联时间）进行了优化，以提高干重和虾青素浓度。然后将优化后的固定化培养与悬浮培养进行比较，评估生长、虾青素积累、光合性能、生物量组分、氧化应激和抗氧化响应。本研究旨在阐明SA-PEG水凝胶固定化在调节H. pluvialis生理和改善虾青素生产中的作用。

分节摘要

藻株和培养条件

H. pluvialis GY-D2购自光宇生物技术公司（中国上海）。种子培养时，将其接种到容积600 mL的气泡柱光生物反应器中，内含500 mL BG11培养基（成分详见文本S1），初始干重为0.3 g L^-1。培养条件为26 ± 1°C，连续光照40 μmol m^-2 s^-1，并以0.2 vvm的速率持续通入经滤膜灭菌的含2% CO₂的空气。在日志中期收获细胞

模型拟合与统计分析

本研究利用CCD方法，探讨了四个关键制备参数对H. pluvialis干重和虾青素浓度变化的交互作用。实验结果总结于表S3。相应的多项式回归方程如下：$$$$$$$$在这些方程中，A、B和C分别代表SA、PEG和CaCl₂的浓度（%），而D表示交联时间（分钟）。

方差分析表明，两者均具有

结论

本研究建立了基于钙藻酸盐水凝胶微珠的H. pluvialis固定化培养系统。在最大干重条件下（Imm-DW），固定化培养的干重达到2.33 g L^-1，最终虾青素浓度经分光光度法测定为37.6 mg L^-1、经HPLC测定为38.6 mg L^-1；而在最高虾青素浓度条件下（Imm-HAC），最终虾青素浓度经分光光度法测定为51.5 mg L^-1、经HPLC测定为48.3 mg L^-1，

CRediT作者贡献声明

Shi Yin（尹石）：撰写–初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念构思。Ao Zhang（张傲）：调查研究。Jinghan Wang（王晶翰）：资源提供。Fantao Kong（孔范韬）：资源提供。zhanyou Chi（祁战有）：撰写–审阅与编辑，验证，指导，资源提供，项目管理，资金获取

未引用的参考文献

Yu et al., 2022; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2025; Zhao et al., 2021。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究受国家自然科学基金（批准号：42188102）、中央高校基本科研业务费专项资金（DUT24LAB106）以及海洋负碳排放（ONCE）项目资助。

Shi Yin|Ao Zhang|Jinghan Wang|Fantao Kong|Zhanyou Chi