马铃薯淀粉副产物作为微藻培养基的开发与应用：提升生物质产量与高附加值生物产物的可持续生产策略

本研究针对微藻大规模培养中营养供应成本高的问题，探索了利用马铃薯淀粉生产副产物——浓缩马铃薯细胞液（potato juice, PJ）作为替代培养基的潜力。通过高通量筛选和优化实验，研究人员发现1% PJ培养基能支持Chlorella sp.和Chlorococcum sp.的生长，其生物质产量与商业培养基相当，且生物化学组成相似。该研究为马铃薯加工副产物的资源化利用提供了新途径，推动了循环生物经济的发展。

　　

随着全球对可持续生物资源需求的增长，微藻生物技术因其高效的光合作用能力和丰富的生物活性产物而备受关注。然而，微藻大规模培养面临的一个主要瓶颈是营养供应成本高昂，特别是合成培养基的使用显著增加了生产成本，限制了微藻生物技术在生物经济中的广泛应用。为了解决这一问题，研究人员开始将目光转向农业工业副产物，这些副产物通常含有丰富的营养物质，可以作为微藻生长的替代培养基。马铃薯加工业在欧洲占据重要地位，每年产生大量副产物，其中马铃薯淀粉生产过程中的浓缩细胞液（potato juice, PJ）富含氮、磷、有机碳和多种微量元素，具有作为微藻培养基的潜力。尽管已有研究探索了PJ在微生物发酵和沼气生产中的应用，但其在微藻培养中的系统研究仍较为缺乏。为此，挪威水研究所（NIVA）的团队开展了一项研究，旨在评估PJ作为微藻培养基的可行性，并筛选适合在该培养基中生长的微藻菌株，相关成果发表在《Algal Research》上。

研究采用了多个关键技术方法：首先对PJ进行了物理化学表征，包括营养元素分析和透明度测试；其次通过高通量筛选从挪威藻种保藏中心（NORCCA）的16株绿藻中筛选出适合PJ培养基的菌株；随后通过优化实验确定了最佳的PJ浓度和光照条件；最后在3升平板光生物反应器中进行放大培养，并对获得的生物质进行了生化分析，包括类胡萝卜素、脂肪酸和氨基酸的测定。所有实验均设置了商业培养基Z8作为对照，以确保结果的可比性。

在物理和化学特性分析部分，研究发现PJ是一种黏稠的深色液体，含有高浓度的悬浮固体，透明度较低。通过稀释和过滤等预处理，1% PJ培养基的营养成分与Z8培养基相当，但硝酸盐浓度较低（23.2 mg L^?1），磷酸盐浓度较高（约55 mg L^?1）。此外，PJ还富含有机分子，如氨基酸和糖类，这些物质有助于微藻的混合营养生长。

高通量筛选实验结果显示，所有测试的微藻菌株至少在一种PJ培养基中能够生长，其中0.1% PJ培养基对大多数菌株最有利，而1% PJ培养基仅支持少数菌株，但生长率最高。Chlorella sp. (NIVA-CHL 15) 和Chlorococcum sp. (NIVA-CHL 103) 在1% PJ培养基中表现出最高的生长率（分别为0.37和0.45），因此被选为后续实验的候选菌株。这一结果表明，菌株对PJ培养基的适应性具有特异性，凸显了广泛筛选的重要性。

优化实验进一步探讨了PJ浓度和光照强度对 selected菌株生长的影响。Chlorella sp. 和Chlorococcum sp. 在1% PJ培养基中生长最佳，生长率分别达到0.45和0.5。增加PJ浓度至2%和3%并未改善生长，可能是由于透明度降低或某些抑制性化合物（如生物碱）的存在。光照强度优化显示，两种菌株在100–200 μmol photons m^?2 s^?1的光照下生长最好，其中Chlorella sp. 对更高光照的耐受性更强。

放大培养实验在3升平板光生物反应器中进行，比较了1% PJ培养基和Z8培养基的生长性能和生物质产量。结果表明，两种菌株在1% PJ培养基中的生物质产量与Z8培养基相当：Chlorella sp. 在1% PJ和Z8中的最大生物量分别为1.3 g L^?1 和1.5 g L^?1，而Chlorococcum sp. 分别为1.56 g L^?1 和1.29 g L^?1。生长率方面，基于细胞干重（CDW）的测量显示Z8培养基略高，但最终收获时的生物量浓度相似。实验中观察到细菌和异养鞭毛虫的污染，但在Chlorella sp. 培养中污染随时间的推移而减少。

生化分析部分对收获的生物质进行了详细表征。类胡萝卜素分析显示，Chlorella sp. 在两种培养基中的叶黄素（lutein）、玉米黄质（zeaxanthin）和β-胡萝卜素（beta-carotene）浓度无显著差异，但Z8培养基中的虾青素（astaxanthin）浓度较高。Chlorococcum sp. 在Z8培养基中的类胡萝卜素浓度普遍更高，可能是由于有机碳丰富抑制了色素积累。脂肪酸分析表明，两种菌株的脂肪酸谱 typical of绿藻，以棕榈酸（C16:0）、油酸（C18:1 n9c）、亚油酸（C18:2 n6c）和α-亚麻酸（C18:3 n3）为主。1% PJ培养基对脂肪酸组成的影响因菌株而异，无一致 pattern。氨基酸分析显示，Chlorella sp. 在1% PJ培养基中的氨基酸浓度显著更高，总必需氨基酸含量达77.15 g kg^?1，而Z8中为48.5 g kg^?1。Chlorococcum sp. 的氨基酸浓度在两种培养基中差异较小。

讨论部分强调，PJ作为微藻培养基的潜力已得到验证，但其应用仍面临挑战，如透明度低和有机质含量高导致的污染风险。未来研究应关注预处理技术的优化，以提高培养基的透明度，并探索异养或混合营养培养策略以减少污染。此外， regulatory aspects（监管方面）需考虑，例如藻类生物质在食品或饲料中的应用需符合相关法规。尽管存在挑战，PJ为微藻培养提供了可持续的营养来源，有助于推动循环生物经济的发展。

总之，这项研究证实了马铃薯淀粉副产物PJ作为微藻培养基的可行性，筛选出了适合的菌株，并展示了其在高附加值生物产物生产中的应用潜力。通过优化培养条件和预处理方法，PJ有望成为微藻工业中 cost-effective且可持续的培养基选择，为农业工业副产物的 valorisation（价值化）开辟了新途径。