异养培养下颜色调控的螺旋藻生物质作为可持续食品配料

《Foods》：Color-Modulated Spirulina Biomass Produced Under Heterotrophic Cultivation as a Sustainable Food Ingredient

　　

螺旋藻生物质尽管具有高营养价值和生物活性价值，但其强烈的绿色限制了其在食品中的应用。研究人员评估了使用葡萄糖和乙酸钠对螺旋藻（Spirulina sp.）LEB 18进行异养补料分批培养，旨在调节生物质颜色并保留其与营养相关的组成，以作为食品配料。经过10天培养，所有异养培养均表现出绿色减弱，相对于对照的总色差大于ΔE > 7。叶绿素a（chlorophyll a）的减少与观察到的颜色变化一致，而藻蓝蛋白（phycocyanin）和类胡萝卜素（carotenoid）含量与自养对照无显著差异。添加0.2 g L^-1乙酸钠的培养在蛋白质组成上与对照相似，并且是颜色减弱最显著（ΔE = 10.33）且蛋白质含量未明显下降的条件。添加葡萄糖的培养导致脂质和碳水化合物积累增加，反映了碳流向能量储存化合物的重定向。结果表明，螺旋藻sp. LEB 18的异养培养是调节生物质颜色和组成的有前景策略，可扩展其适用性，特别是在绿色限制消费者接受度的食品基质中。

**研究背景与问题**
螺旋藻（Spirulina sp.）生物质因其高营养价值和生物活性成分（如抗氧化色素、必需氨基酸和多不饱和脂肪酸）而被视为功能性食品配料。然而，其强烈的绿色外观在食品应用（如面包、零食和饮料）中导致消费者感官接受度降低。现有研究多关注异养培养对微藻生长和生化组成的影响，但鲜有研究系统探索通过异养培养有意调节生物质颜色以扩大其食品适用性。此外，不同有机碳源对颜色、色素组成、近端组成及仪器色度参数的协同影响仍缺乏评估。因此，本研究旨在利用异养补料分批培养，通过葡萄糖和乙酸钠调控螺旋藻sp. LEB 18生物质的颜色，同时保留其营养相关组成，为可持续食品配料开发提供策略。该论文发表在《Foods》。

**主要技术方法**
研究人员从巴西里奥格兰德联邦大学（FURG）生化工程实验室菌种库获得螺旋藻sp. LEB 18（分离自Mangueira泻湖）。采用异养补料分批培养，在完全黑暗条件下（30 ± 2°C，100 rpm，10天），以葡萄糖或乙酸钠为有机碳源，分别设置0.2、1.0、2.0 g L^-1浓度，并设置四个对照（正光照对照PCL、负光照对照NCL、正黑暗对照PCD、负黑暗对照NCD）。通过Neubauer计数板测定细胞浓度，结合光密度和干重关联计算生物质浓度；利用色差计（CR-400）测定L*、a*、b*值并计算色差（ΔE）；采用分光光度法（UV 1900）定量叶绿素a、藻蓝蛋白和类胡萝卜素；通过化学方法（Lowry法、Marsh-Weinstein法等）测定蛋白质、脂质和碳水化合物含量。所有实验均设生物学重复和技术重复，数据经ANOVA和Tukey检验（p < 0.05）分析。

**研究结果**
**3.1 微藻生长与生物质产量（Microalgal Growth and Biomass Production）**
通过生长曲线和最大生物质浓度（X_max）及最大生产力（P_max）分析发现，自养对照（PCL和NCL）生物质浓度较高，而所有异养条件下生物质浓度均低于1 g L^-1。最高生产力出现在2.0 g L^-1乙酸钠和葡萄糖处理组，两者无显著差异。黑暗对照（PCD和NCD）仅在前4天维持活性。

**3.2 培养期间色素动态（Pigmentation Dynamics During Cultivation）**
通过波长扫描（400–700 nm）评估色素吸收谱，发现葡萄糖和乙酸钠对色素动力学影响不同：葡萄糖补充（尤其2.0 g L^-1）在第5天促进色素合成高峰，随后下降；乙酸钠补充则使色素水平呈逐渐上升趋势。

**3.3 生物质营养组成（Nutritional Profile of Biomass）**
近端组成分析显示，蛋白质含量以PCL（38.68%）和0.2 g L^-1乙酸钠（32.18%）处理最高，其次为2.0 g L^-1乙酸钠和1.0 g L^-1葡萄糖。碳水化合物在PCL和NCL对照中最高，异养条件下2.0 g L^-1葡萄糖处理最高（14.47%）。脂质含量在多数处理中与对照无显著差异，但0.2 g L^-1葡萄糖和2.0 g L^-1乙酸钠处理显著升高。

**3.4 螺旋藻生物质色素组成（Pigment Profile of Spirulina Biomass）**
色素定量结果表明，所有异养培养的叶绿素a含量（9.4–18.0 mg g^-1）显著低于PCL对照（29.1 mg g^-1），而NCL对照与PCL无显著差异。藻蓝蛋白含量在所有处理中与PCL无显著差异（52.0–74.4 mg g^-1），NCL对照最高（81.3 mg g^-1）。类胡萝卜素含量在所有条件下无显著差异（4.45–7.44 mg g^-1）。

**3.5 颜色测量与生物质外观（Color Measurements and Biomass Visual Appearance）**
色度参数分析显示，所有异养培养的L*值（亮度）高于对照，其中2.0 g L^-1乙酸钠处理显著最高。a*值均为负值（绿色调），但异养培养的绿色调更浅。b*值在乙酸钠处理中呈更黄倾向，葡萄糖处理中降低。色饱和度（C*_ab）在乙酸钠处理中更高，色调角（h°_ab）变化表明碳源影响颜色质量。总色差（ΔE）相对于PCL均大于6，显示出明显颜色差异，其中2.0 g L^-1乙酸钠处理ΔE最大（10.33）。

**讨论与结论**
讨论部分指出，异养培养中光照缺失导致叶绿素a合成减少，是颜色减弱的主要机制；藻蓝蛋白和类胡萝卜素保持稳定，确保了生物活性。乙酸钠通过乙酰辅酶A途径促进蛋白质合成，而葡萄糖更利于碳水化合物和脂质积累。与商业螺旋藻相比，本研究蛋白质含量较低，但可通过优化（如pH调控、氮源补充）改善。颜色调节策略可降低食品中绿色负面感官影响，提高消费者接受度。研究结论翻译如下：
异养补料分批培养成功通过葡萄糖和乙酸钠调节了螺旋藻sp. LEB 18生物质的颜色和生化组成。光照缺失促进了叶绿素a减少，减弱了特征性绿色，而藻蓝蛋白和类胡萝卜素含量相对稳定。在评估条件中，2.0 g L^-1乙酸钠补充产生最大可感知色差，而0.2 g L^-1乙酸钠保留了更接近自养对照的蛋白质含量。葡萄糖补充促进了碳水化合物和脂质积累，表明碳源选择直接影响生物质组成和视觉特征。尽管异养条件下的生物质生产力低于自养培养，但消除人工照明和产生视觉弱化生物质代表了对食品应用的有前景优势。总体而言，结果证明异养培养是定制螺旋藻sp. LEB 18生物质以融入食品基质的可行策略，在这些基质中强烈的绿色对消费者接受度产生负面影响。未来研究应聚焦于工艺优化和用颜色调节生物质配制的食品产品的感官验证。