Sophorolipid生物表面活性剂在从小球藻培养物中提取脂质方面的应用：一种新型方法

《Bioresource Technology》：Sophorolipid biosurfactants application as novel approach to lipid extraction from Chlorella cultures

微藻脂质提取工艺优化：本研究通过向螺旋藻培养物施加紫穗槐糖脂（SL）生物表面活性剂，结合乙醚（EA）提取，显著提高脂质提取效率至85%，较传统B&D法减少有害溶剂使用，同时保持高价值脂肪酸组成（65%饱和及单不饱和脂肪酸），为环保可持续的微藻生物资源开发提供新路径。

　　

约瑟夫·姆萨内（Joseph Msanne）|理查德·D·阿什比（Richard D. Ashby）|安德鲁·哈伦（Andrew Harron）

美国农业部，农业研究服务局，东部区域研究中心，600 East Mermaid Lane, Wyndmoor, PA 19038, 美国

摘要

藻类脂质和高价值生物材料在生物燃料、营养保健品、制药和化妆品等行业中有广泛的应用。它们是传统植物油和动物脂肪的有希望的替代品。然而，提取和回收的高成本仍然构成了重大挑战。在本研究中，最初开发了一种新方法，该方法使用从Starmerella bombicola酵母培养物中获得的槐糖脂（sophorolipid，SL）生物表面活性剂处理Chlorella sorokiniana培养物，以促进脂质的释放，随后使用乙酸乙酯（EA）进行提取。乙酸乙酯是一种中等极性且毒性较低的有机溶剂，对环境的影响较小。通过光学显微镜和荧光显微镜分析证实，槐糖脂能够有效破坏细胞膜并促进细胞成分的泄漏，从而提高溶剂对细胞内生物材料的可及性。评估了脂质的提取效率，并将其与传统的Bligh和Dyer（B&D）方法进行了比较，后者使用氯仿和甲醇等有害溶剂组合。初步结果显示，槐糖脂浓度的增加提高了总脂质产量。在室温条件下，经过2天氮剥夺处理并在1 mg/mL槐糖脂存在下孵育12小时后，使用乙酸乙酯提取的脂质总量达到了85%，而使用B&D方法从Chlorella sorokiniana细胞中提取的脂质总量为……（原文数据缺失）。在这些条件下，脂质组成中饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸各占65%，表明该提取物适合作为生物柴油的原料。这种能够提高脂质产量的同时大幅减少有机溶剂使用量的方法具有环境友好性，为微藻产品的工业化生产和大规模商业化提供了巨大潜力。

引言

藻类脂质作为一种可再生和可持续的植物油及动物脂肪替代品，在工业应用中具有广泛潜力，可用于生产生物燃料、油化学品以及其他有价值的产品，如药品、化妆品和膳食补充剂（Ghazani和Marangoni 2022）。然而，目前大规模培养和商业化生产微藻生物燃料在经济上尚不可行（Lane 2022）。工艺开发和优化（菌株选择、培养、提取）对于提高产量和效率至关重要，同时也有助于改善藻类工业生产的经济和环境影响。

微藻脂质大规模提取的主要瓶颈之一是生物质收获的高成本（Apt等人2011），这主要是由于难以将微藻细胞与生长介质分离，通常占总生产成本的20%至30%（Dassey和Theegala 2013）。破坏细胞壁/膜以释放脂质也会显著增加总体成本（Cuevas-Castillo等人2020）。此前已采用机械方法（如珠磨、高压均质化、超声处理）（Günerken等人2015）或物理化学方法（如酸、碱、酶水解）（Bonturi等人2015）来破坏细胞。然而，这些方法由于高压、高温和/或极端pH值的影响，会降低脂质的产量和质量（Balasubramanian、Yen Doan和Obbard 2013）。目前，广泛使用改进版的Bligh和Dyer方法来通过破坏细胞膜来分离脂质，无论是从湿生物质还是干生物质中提取（Chen等人2012）。尽管这些方法能获得较高的脂质产量，但也会提取大量膜脂质和细胞器脂质（如糖脂和磷脂），从而降低了对中性脂质的选择性（Lupette和Benning 2020）。此外，大量使用被归类为有害和致癌的有机溶剂（如氯仿、甲醇）会导致健康和环境问题（Aron等人2023），并增加大规模操作的成本（Chen等人2020）。因此，仍需要创新的破坏/提取方法来减少对环境的有害影响，并提高微藻脂质生产的可持续性。

最近的一些研究探索了替代的脂质提取方法，包括使用环保的提取剂（如萜烯和酯类（Imatoukene等人2019），以及超临界流体萃取（CO₂）、脉冲电场和微波辅助萃取（Zhou等人2022）等技术。虽然这些创新方法更可持续且不需要大量有害溶剂，但它们存在能耗高和设备昂贵的缺点（Khoo等人2020）。此外，为了有效提取和回收细胞内物质，必须先裂解微藻细胞（Ranjan、Patil和Moholkar 2010）。由于糖脂生物表面活性剂的抗菌活性（主要体现在其能够破坏细胞膜的能力）以及其他工业应用，它们受到了广泛关注。与传统化学表面活性剂相比，糖脂生物表面活性剂被认为更环保且可生物降解（Banat 1995）。槐糖脂是一种糖脂，也非常有效地破坏微藻（Sun、Choi和Kim 2004），这一特性可以用于从生长旺盛的微藻菌株（如Chlorella sorokiniana）中高效提取脂质（Ziganshina、Bulynina和Ziganshin 2021）。一旦细胞被裂解，细胞内脂质就更容易用毒性较低且更环保的溶剂（如乙酸乙酯）提取，从而减少对环境的影响。

本研究的目的是开发一种创新且可持续的脂质提取方法，用于从湿Chlorella sorokiniana微藻培养物中生产生物燃料，该方法基于外部应用槐糖脂生物表面活性剂与乙酸乙酯溶剂相结合来提高提取效率。评估了该方法对微藻细胞破坏和脂质产量的影响，以评估其与传统成熟脂质提取技术的对比情况。这项基础实验室研究首次报道了使用槐糖脂提高生物材料（如脂质）回收率的同时减少有害有机溶剂使用的方法。该过程安全、环保，不需要极端的机械或物理条件。此外，直接提取藻类生物材料而无需脱水可以消除对生物质浓缩的需求，从而降低传统方法的成本和能耗。

微藻培养条件

用于脂质提取分析的绿色微藻Chlorella sorokiniana UTEX 1230购自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的藻类培养收藏库（UTEX）。培养物在tris acetate phosphate（TAP）培养基（Harris 1989）中维持生长，该培养基也来自UTEX收藏库（https://utex.org）。最初，藻类预培养物在无菌、含氮的TAP液体培养基中生长，培养瓶置于20°C下的旋转摇床中（100 rpm）。

结果与讨论

包括Chlorella sorokiniana在内的多种微藻在添加乙酸盐或氮剥夺条件下可以积累大量生物质和中性脂质（Chai等人2018）。由于复杂的细胞壁结构，这些宝贵的细胞内化合物的释放受到限制（Khoo等人2020），使得简单的溶剂提取无法完全回收细胞内脂质（Zhou等人2022）。为了高效且经济地获得这些脂质……（原文数据缺失）

结论

随着对可持续性的日益重视，人们正在寻求更安全和环保的脂质提取和回收方法。因此，探索更高效和更具成本效益的技术，包括更合适的细胞破坏方法，将提高微藻生产的经济可行性。

未引用参考文献

Sun等人，2004a；Sun等人，2004b。

CRediT作者贡献声明

约瑟夫·姆萨内（Joseph Msanne）：撰写——初稿撰写、数据整理、概念构思。 理查德·D·阿什比（Richard D. Ashby）：撰写——审稿与编辑、方法学设计。 安德鲁·哈伦（Andrew Harron）：撰写——审稿与编辑、方法学设计。

资助

本研究得到了美国农业部农业研究服务局（ARS）的资助。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作者声明本文的共同作者理查德·D·阿什比（Richard D. Ashby）是Bioresource Technology的编委会成员。

致谢

作者感谢美国农业部农业研究服务局（ARS）的支持。