《Food Hydrocolloids》：Comparative structure-function analysis of two defatted microalgae proteins and application in chitosan-based active packaging films for Red Globe grape preservation
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摘要为促进脱脂微藻残渣的利用，本研究选择了广泛用于商业提取高价值功能性脂质的雨生红球藻和眼点小球藻作为研究对象。对比了从脱脂残渣中提取的蛋白质的理化性质与结构特征，并探讨了它们在制备壳聚糖基活性包装膜中的应用潜力。与NORP相比，HPRP的总氨基酸含量更高，为84.75?g/10
摘要
为促进脱脂微藻残渣的利用，本研究选择了广泛用于商业提取高价值功能性脂质的雨生红球藻和眼点小球藻作为研究对象。对比了从脱脂残渣中提取的蛋白质的理化性质与结构特征，并探讨了它们在制备壳聚糖基活性包装膜中的应用潜力。与NORP相比，HPRP的总氨基酸含量更高，为84.75?g/100?g蛋白，颗粒尺寸更小，静电排斥力更强，分子链更具灵活性，因此与壳聚糖的相容性更好。而NORP由于β折叠结构较多且表面疏水性较高，结构更为刚性，与壳聚糖混合后会出现严重的相分离和宏观沉淀现象。基于此差异，选择HPRP来制备壳聚糖/HPRP复合膜，结果表明适当比例的HPRP可通过强氢键和静电相互作用在膜内形成致密的交联网络，显著提升膜的机械性能。具体而言，CS/HPRP-1膜的拉伸强度和断裂伸长率分别达到4.02?MPa和87.57%，同时还具有优异的紫外线防护性能，UVA阻隔率为95.89%，较强的抗氧化活性，以及较好的CO?/O?选择性。在实际应用中，CS/HPRP-1涂层能有效减少红地球葡萄的水分流失和非酶促褐变，同时在12天的储存期内保持果实的硬度和抗坏血酸含量，从而显著延缓品质下降。本研究阐明了微藻蛋白质的结构与功能关系，为利用微藻废弃物开发高性能食品保鲜材料提供了可持续的策略。
引言
微藻因其高光合作用效率、生长周期短、对耕地需求少等独特优势，被公认为是极具潜力的可持续生物资源（Ma等人，2026；Xu等人，2024）。近年来，随着生物燃料产业以及虾青素、多不饱和脂肪酸等高价值脂质生产规模的扩大，微藻养殖也得到了快速发展。在这种产业背景下，雨生红球藻和眼点小球藻分别是用于商业提取虾青素和脂质的最重要且最常用的微藻品种，这就导致了大量低成本、易获取的脱脂工业残渣的产生（Kizhissery & Arumugam，2026；Sun等人，2026）。目前，这些工业副产品大多未被充分利用，只能被用于动物饲料或有机肥料等低价值领域（Yin等人，2023）。经济评估表明，若能对这些残渣进行综合利用，每吨生物质可带来100至225美元的额外价值（Maurya等人，2016）。迄今为止，商业应用主要集中于生物能源转化，如通过厌氧消化生产生物气、发酵生产生物乙醇或直接进行热化学液化（Huang等人，2022；Nishshanka等人，2022；Yun等人，2024）。然而，这些传统加工方法无法有效回收或利用残渣中富含的蛋白质（占干重的30%–50%）和多糖等营养成分。最近的研究已经充分证明了从各种微藻中提取的蛋白质在构建高价值生物聚合物体系方面的巨大潜力与内在价值，这些微藻包括螺旋藻、莱茵衣藻、纤细裸藻以及雨生红球藻（Hong等人，2024）。得益于其独特的成网能力与良好的生物相容性，这类蛋白质已被成功应用于制备稳定的皮克林乳液（Liu等人，2023）、混合凝胶（Samarathunga等人，2026）以及功能性生物活性递送载体（Xu, Yan等人，2025）。不过，从脱脂微藻残渣中提取的蛋白质的多尺度结构特征及其理化功能仍缺乏系统研究。对这两种不同来源的残渣蛋白质进行全面比较分析，有助于阐明物种差异和大规模脱脂处理如何影响所获蛋白质的功能特性，从而为其在高价值生物聚合物材料中的应用奠定坚实的科学基础。
新鲜水果极易因强烈的呼吸作用、水分蒸发以及微生物感染而发生采后腐烂和品质下降。红地球葡萄就是这类易腐水果的代表，它不仅具有较高的经济价值，还深受消费者青睐。与其他常见的商业品种，如京玉葡萄和阳光麝香葡萄相比，红地球葡萄的果皮较薄且较为脆弱，加之其含糖量高、含水量大、蒸腾作用旺盛，因此极易受到微生物的侵袭（Xu, Wang等人，2025；Zou等人，2024）。这些固有的生理弱点最终会导致水果在储存过程中迅速脱水、出现严重的非酶促褐变、结构软化、皱缩，最终腐烂。为克服这些特定的保鲜难题，亟需开发新型的活性包装技术来延长水果的保质期（Feng等人，2025）。
在各类生物基材料中，蛋白质因具备出色的成膜能力、完全的可生物降解性以及良好的氧气和二氧化碳阻隔性能，而在可食用活性包装领域备受关注（Bhuiyan等人，2024）。许多研究已成功利用多种植物和动物蛋白质，包括大豆蛋白（Yeasmen等人，2026）、豌豆蛋白（Gomes等人，2025）、核桃分离蛋白（Wang, Wu等人，2025）、乳清蛋白（Xin等人，2026）以及丝素蛋白（Wang, Wu等人，2025），来开发用于水果保鲜的活性涂层，取得了显著的防腐效果。尽管已有诸多进展，但单组分蛋白质基薄膜的机械强度相对较低，水蒸气渗透性较高。将蛋白质与高分子多糖结合，通过静电吸引和氢键等分子间非共价相互作用构建生物聚合物混合网络，是进一步提升薄膜的物理机械性能和阻湿性能的有效方法。作为天然阳离子聚合物，壳聚糖因其天然的广谱抗菌活性、良好的生物相容性以及出色的成膜性能，成为理想的混合基质（Liu, Yin等人，2025）。此外，凭借其可生物降解性以及优异的氧气和二氧化碳阻隔能力，基于壳聚糖的复合材料能够形成保护性涂层，有效抑制微生物的生长，从而减少腐烂，延长采后农产品的保质期（Akitoye等人，2024；El-Wahab等人，2025）。有研究显示，将菜籽蛋白引入壳聚糖薄膜中，可显著提高其拉伸强度（Abookleesh等人，2026）。Nie等人（2024）还将油茶残渣蛋白与壳聚糖混合，所得薄膜的吸湿性、气体渗透性和柔韧性有所提升，同时水溶性降低。不过，目前尚未有将脱脂微藻蛋白质与壳聚糖混合制备功能性复合包装薄膜的相关报道。
本研究旨在探索一种利用脱脂微藻残渣的新途径。首先从两种典型的脱脂微藻（雨生红球藻和眼点小球藻）的残渣中提取蛋白质，对其氨基酸组成、结构特征、表面理化性质以及体外抗氧化活性进行了系统分析。随后，将这些微藻蛋白质与壳聚糖基质结合，制备出新型的功能性蛋白-壳聚糖复合膜。并对成膜溶液的胶体物理性质以及所得薄膜的机械性能、光学性能、阻隔性能和抗氧化性能进行了全面评估。最后，将综合性能最佳的复合膜作为活性涂层，用于红地球葡萄的采后保鲜，以这一严格的标准来直观且定量地验证活性包装材料的阻湿/阻气性能、抗氧化活性以及结构支撑能力。本研究为了解脱脂微藻残渣中所含蛋白质的结构与功能关系提供了新的见解，同时也为利用工业微藻副产品开发可持续的高性能食品活性包装材料提供了可行的策略。
章节节选
材料
脱脂微藻残渣购自中国滨州的伍迪绿奇生物工程有限公司。壳聚糖（分子量为50–100?kDa，脱乙酰度≥95%，粘度<200?mPa·s）则从中国上海的上海源恩生物科技有限公司购买。甘油、冰醋酸、DPPH和ABTS由上海阿拉丁生化技术有限公司提供。红地球葡萄则购自中国合肥的当地水果市场。
微藻蛋白质的氨基酸组成及分子量分布
表S1详细列出了脱脂后的雨生红球藻和眼点小球藻残渣的基本组成特征。通过碱溶酸沉法，从脱脂微藻残渣中成功提取出了两种类型的微藻蛋白质，即HPRP和NORP，其蛋白质含量分别为77.41%和70.25%。虽然眼点小球藻残渣的粗蛋白含量更高（见表S1），但所提取的NORP的蛋白质纯度略低。
结论
本研究成功从脱脂微藻残渣中提取出了两种微藻蛋白质，并对比了这两种蛋白质的结构与理化性质。研究结果表明，与NORP相比，HPRP的总氨基酸含量更高，颗粒尺寸更小，热稳定性也更优。此外，HPRP中随机卷曲结构的含量更高，表面疏水性更低，胶体分散性更好。而NORP则由于结构更为刚性
CRediT作者贡献说明
田启生：数据整理、正式分析、实验研究、软件应用、初稿撰写。张忠贤：实验研究、方法设计、软件应用。王振：数据整理、实验研究。邢晓凡：方法设计。傅莉玲：数据整理。刘长虹：概念构思、资金申请、项目监督、论文审阅与修改。郑雷：项目管理、资源协调、论文审阅与修改。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的支持：安徽省杰出青年科学基金（编号：2508085J022），教育部基础学科拔尖计划（项目编号：JYB2025XDXM109），国家自然科学基金（编号：U23A2081），安徽省重点研发计划（编号：2023n06020052），以及中央高校基本科研业务费专项资金（编号：PA2025GDGP0026）。作者们对此表示衷心的感谢。
田启生|张忠贤|王振|邢晓凡|傅莉玲|刘长虹|郑雷
中国安徽省合肥市安徽工程大学食品与生物工程学院，教育部生物过程工程研究中心，邮编：230009
