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为解决全球食品和营养危机下的蛋白质供应问题，研究人员以醋酸钠（NaAc）为有机碳源，对小球藻（Chlorella sorokiniana）UTEX 1230 进行混合营养培养研究。发现适宜 NaAc 和氮源组合可促进生长，优化培养策略能提高蛋白产量，为微藻作替代蛋白提供理论指导。
在全球人口不断增长的当下，人们对蛋白质的需求与日俱增。2017 年，全球 73 亿人口每年需要约 2.02 亿吨蛋白质，预计到 2050 年这个数字将增长 57%。保证膳食蛋白质的充足供应，成为关乎全球粮食和营养安全的重大挑战。传统的蛋白质获取途径，如种植豆类等作物，面临着土地资源有限、生长周期较长等问题。而微藻，这种单细胞藻类，却在此时展现出了独特的潜力。
微藻广泛分布于海洋和淡水环境，生长周期短，不受土地条件限制，还能在各种环境中顽强生长。更重要的是，它们具有高达 20% 的光合效率，就像一个个小小的可持续生物工厂，能通过固定二氧化碳（CO?），生产出碳水化合物、脂质、蛋白质、色素、维生素等多种物质。因此，微藻蛋白被视作人类食物或动物饲料中传统蛋白质的可行替代品，其品质可与小扁豆、豆类、豌豆和鹰嘴豆等传统豆类相媲美。
不过，微藻的大规模培养也面临着诸多难题。一方面，除了自养（利用光能和 CO?积累生物量），部分微藻虽能在无光条件下利用有机碳进行异养生长，但在混合营养培养（同时提供光和有机碳）时，有机碳的成本较高，其中糖类底物价格不菲，在异养培养成本中占比高达 80%。另一方面，不同微藻对有机碳的利用能力不同，而且有机碳和氮源等营养物质的供应水平，对微藻的生长和代谢产物积累影响很大。比如，氮元素作为微藻生长的关键元素，在蛋白质、叶绿素和 DNA 等重要生物产品中都有它的身影，氮源供应不足或过量都会改变微藻的碳储存模式和蛋白质积累情况。
在这样的背景下，美国的研究人员开展了一项针对小球藻（Chlorella sorokiniana）UTEX 1230 的研究。小球藻 UTEX 1230 被美国食品药品监督管理局（FDA）认定为 “一般认为安全”（GRAS）的菌株，此前研究虽表明它能利用醋酸钠（NaAc）生长，但醋酸钠碳源（NaAc-C）和氮源水平对其细胞代谢组成的影响尚未被深入探究。此次研究旨在填补这一空白，为微藻尤其是小球藻作为可持续替代蛋白来源的工业化应用提供理论基础。研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，确定实验所需的各种化学材料来源，包括购买 Bold's Basal Medium（BBM）、硝酸钠、4-(2 - 羟乙基)-1 - 哌嗪乙磺酸（HEPES）缓冲液、醋酸钠等试剂。然后，从美国得克萨斯大学奥斯汀分校的藻类培养中心获取小球藻 UTEX 1230，并在自制培养系统中，先于自养条件下进行保存和培养。在此基础上，研究人员设置不同浓度的 NaAc-C 和硝酸钠（NaNO?）氮源，对小球藻进行混合营养培养实验，测定其生长指标、氮含量和蛋白质含量等数据，以此探究不同营养条件对小球藻生长和代谢的影响 。
初始实验条件的确定
混合营养培养是提高微藻生物量生产的一种有前景的策略，但并非所有微藻菌株都能有效利用有机碳，也不是每种有机碳源都同样适用。研究人员首先确认小球藻 UTEX 1230 利用 NaAc-C 的能力，对比了其与利用葡萄糖的情况，发现小球藻 UTEX 1230 能够利用 NaAc-C 生长。同时，研究人员优化了初始培养条件，确定接种量光密度（OD）为 0.1、通入 5% CO? ，这样的条件有利于缩短培养周期并维持稳定的 pH 水平，为后续研究奠定了基础。
不同碳氮源对小球藻生长的影响
研究人员设置了不同浓度的 NaAc-C 和 NaNO?进行混合营养培养实验。结果显示，小球藻 UTEX 1230 在混合营养培养（同时有 NaAc-C 和 CO?）下，生长性能明显优于自养培养对照组，生物量浓度翻倍。在添加 750mg/L NaNO?时，150mM NaAc-C 组的小球藻生长最佳，生物量浓度最高可达 2.82g/L ，此时 NaAc-C 能被充分代谢。然而，过量的 NaAc-C 和氮源会延长小球藻生长的延迟期，降低生产效率。
氮和蛋白质浓度随时间的变化
研究人员进一步分析了氮和蛋白质浓度随时间的变化情况。发现氮源供应充足时，小球藻中的蛋白质积累量更大。但在氮饥饿条件下，积累的蛋白质会被降解，以维持小球藻的基本生命活动。这表明氮源供应对小球藻蛋白质的积累和利用有着重要影响。
补料分批培养策略的应用
基于上述研究结果，研究人员采用补料分批培养策略，添加 NaAc-C 和 NaNO?。在该策略下，第 4 天收获的微藻生物量达到 2.63g/L，蛋白质产量提高到 0.30g/L/ 天。这一结果说明补料分批培养策略能最大化营养物质对微藻生物量和蛋白质产量的积极影响。
通过这项研究，研究人员明确了小球藻 UTEX 1230 利用 NaAc-C 的能力，并找到了适宜的 NaAc-C 和氮源组合（150mM NaAc-C 和 750mg/L NaNO? ），以及有效的补料分批培养策略，能够显著提高微藻生物量和蛋白质产量。这不仅为小球藻作为替代蛋白的进一步开发利用提供了理论指导，也为解决全球蛋白质供应问题提供了新的思路和方向，有助于推动微藻在食品和饲料行业的工业化应用。同时，研究中对醋酸盐这种低成本有机碳源的应用探索，也为降低微藻培养成本提供了可能，在可持续发展的道路上迈出了重要一步。
