葡萄牙全年工业化培养钝顶螺旋藻（Spirulina）的季节性影响研究：生物量、藻蓝蛋白与蛋白质生产力的实证分析

本刊推荐：针对温带气候下大规模螺旋藻工业化生产缺乏全年生产力与品质稳定性数据的问题，研究人员在葡萄牙开展了为期一年的案例研究，通过1000 m2和4000 m2跑道池反应器，系统评估了生物量、藻蓝蛋白(PC)和蛋白质的季节性生产力。研究发现冬季生物量生产力下降超60%，但蛋白质含量全年稳定(58.4–64.7%)，藻蓝蛋白含量则显著依赖太阳辐射，夏季达15.2%。研究为温带气候区螺旋藻工业化生产提供了关键数据和优化策略。

　　

在全球微藻和蓝细菌生产规模持续扩大的背景下，螺旋藻（现分类为Limnospira platensis和Limnospira maxima）作为最具商业价值的物种之一，其高蛋白含量（通常50–60%）和藻蓝蛋白（phycocyanin, PC）等生物活性物质，使其在食品、饲料、营养保健品和生物技术领域应用广泛。然而，尽管实验室和小规模生产已较为成熟，关于温带气候条件下工业化规模（尤其是大型开放式反应器）全年生产的关键知识仍存在显著空白。具体而言，缺乏关于季节性环境波动如何影响全年生产力及大规模操作约束下生物质品质（蛋白质、藻蓝蛋白含量）维持的稳健实证数据。这一知识缺口严重制约了螺旋藻在温带地区的产业化和经济效益优化。

为填补这一空白，来自葡萄牙Allmicroalgae - Natural Products S.A.的研究团队在《Algal Research》上发表了题为“Impact of seasons on industrial cultivation of Limnospira platensis (Spirulina): A year-round case study on biomass, phycocyanin, and protein productivity in Portugal”的论文。该研究通过在其位于葡萄牙Pataias的设施中，利用1000 m²和4000 m²的大型跑道池反应器（raceway reactors, RW），开展了为期一整年（2023年11月1日至2024年10月31日）的工业化螺旋藻培养实验，系统评估了不同季节及一天内不同时间点的生物量生产力、蛋白质和藻蓝蛋白含量变化，并分析了温度、太阳辐射等环境因素的影响，旨在为温带气候区螺旋藻大规模培养提供可靠的生产力预测和收获时机优化策略。

研究采用了几项关键技术方法：首先，利用大型跑道池反应器（1000 m²和4000 m²）在温室条件下进行半连续培养，通过 paddlewheel 维持培养液循环；其次，通过光学密度（OD_600nm）与干重（DW）的相关性方程实时估算生物量浓度；第三，采用Bennett和Bogorad的分光光度法提取并定量藻蓝蛋白含量，并通过杜马斯法测定总氮含量以计算蛋白质含量（转换系数6.25）；第四，通过每月收获生物量和培养系统内生物量变化计算面积生产力（g·m^?2·d^?1）；最后，结合培养系统的太阳辐射透射率和生物质高热值（HHV）计算光合效率（PE）。所有统计分析均基于R软件完成，确保结果可靠性。

3.1. 环境条件

研究地点为温带气候，冬季温和（平均温度12.4 °C），夏季温暖（平均18.8 °C）。环境月平均温度在12月最低（11.5 °C），8月最高（19.0 °C）；培养温度则通过温室效应和通风系统调控，范围在16.0 °C（12月）至30.6 °C（7月）之间。日入射太阳辐射波动显著，12月最低（4.7 MJ·m^?2·d^?1），5月最高（24.1 MJ·m^?2·d^?1）。温室的高效保温作用使培养温度显著高于环境温度，夏季温差达12 °C，但通风系统有效避免了超过35 °C的热应激风险。

3.2. 全年生物量生产力与培养效率

螺旋藻的年平均生产力在1000 m²和4000 m²反应器中分别为5.1 g·m^?2·d^?1和5.6 g·m^?2·d^?1。季节性变化显著：冬季生产力最低（1.7–2.8 g·m^?2·d^?1），较4月至9月的峰值（7.5–7.6 g·m^?2·d^?1）下降超过60%。夏季最高记录达8.8 g·m^?2·d^?1，优于此前意大利、西班牙等地的类似规模报道，但低于某些更优气候区或更小反应器的报告。4月至9月的平均生产力为7.6 g·m^?2·d^?1，证实了温带地区晚春至早秋的高效生产窗口。光合效率（PE）全年稳定在0.3–1.1%，表明生产力变化主要受太阳辐射季节性波动驱动，而非培养系统本身性能变化。

3.3. 培养搅拌能耗

培养搅拌的能量消耗与生产力呈反比。3月至10月，每千克生物量的能耗为2–9 kJ·kg^?1，而低生产力月份（11月至次年2月）则升至37 kJ·kg^?1。值得注意的是，4000 m²反应器尽管使用两个 paddlewheel，但单位生物量能耗始终低于1000 m²系统，凸显了规模化带来的能耗效率提升。

3.4. 干燥螺旋藻的蛋白质和藻蓝蛋白含量季节性变化

蛋白质含量全年稳定，介于58.4–64.7%之间，无显著季节性差异。相反，藻蓝蛋白含量呈现强烈太阳辐射依赖性：冬季最低（10.4%），夏季最高（15.2%），春、秋季分别为15.1%和13.5%。藻蓝蛋白生产力冬季不足其他季节的三分之一。这种差异被解释为细胞在低温和低光胁迫下的资源重分配策略：下调代谢成本高的藻胆蛋白（含藻蓝蛋白）合成，以维持生存必需功能。4月至10月的数据进一步显示，4000 m²反应器在藻蓝蛋白含量（16.4% vs 13.7%）、藻蓝蛋白生产力（1.2 vs 0.9 g·m^?2·d^?1）、蛋白质含量（63.7% vs 55.3%）和蛋白质生产力（4.6 vs 4.0 g·m^?2·d^?1）上均显著优于1000 m²系统，表明扩大规模并结合优化混合可能改善培养均匀性，从而提升生物质品质。

3.5. 非生物参数对生物量生产力及组成的影响

相关性分析证实，面积生产力与太阳辐射（R=0.78）和培养温度（R=0.57）均呈正相关，且在35 °C以下和20 MJ·m^?2·d^?1辐射以下未观察到抑制效应。藻蓝蛋白含量与太阳辐射中度相关（R=0.57），与温度无关（R=0.14）；蛋白质含量则与两者均无显著相关性。这些统计结果验证了前述季节性趋势，并强调太阳辐射是生物量和藻蓝蛋白生产力的主要驱动因子，而蛋白质组成则表现出对环境波动的显著稳定性。

3.6. 培养物藻蓝蛋白和蛋白质含量的日变化

在生产力最高的春/夏季，藻蓝蛋白含量随温度和太阳辐射升高而增加，下午2时达到峰值（15.2%），随后降至凌晨2时的12.5%。蛋白质含量则无显著日变化（56–59%）。这种日波动模式与其季节性行为一致，进一步支持藻蓝蛋白合成的光依赖性。为避免夜间藻蓝蛋白降解并最大化收获品质，研究建议收获窗口应安排在中午至日落之间。

研究结论部分总结道，该工作证实了在葡萄牙温带气候下，利用大型跑道池反应器（1000 m²和4000 m²）实现螺旋藻半连续工业化培养的可行性，并系统量化了其全年生产力及生物质品质变化。年平均生产力5.1–5.6 g·m^?2·d^?1和峰值生产力8.8 g·m^?2·d^?1均处于国际同类报道的先进水平，且规模扩大显著降低了单位生物量的搅拌能耗。更重要的是，蛋白质含量的全年稳定性（58–65%）和藻蓝蛋白含量的可预测变化（夏季~15%），为产品质量控制提供了坚实依据。此外，藻蓝蛋白含量与太阳辐射的强相关性及其日变化规律，为通过调整收获时间优化高价值色素产量提供了直接操作指南。

该研究的核心意义在于，它不仅填补了温带地区大规模螺旋藻生产的关键数据空白，而且通过详细的环境-生产力-品质关联分析，为产业界提供了基于实证的季节性生产规划、能耗管理、品质优化和经济效益评估的可靠框架。研究结果对推动螺旋藻在全球温带地区的产业化、保障食品和营养安全、以及可持续生物经济 development 具有重要的实践指导价值。