《Bioresource Technology》：Sophorolipid biosurfactants application as novel approach to lipid extraction from
Chlorella cultures
編輯推薦：
微藻脂質(zhì)提取工藝優(yōu)化：本研究通過向螺旋藻培養(yǎng)物施加紫穗槐糖脂（SL）生物表面活性劑，結(jié)合乙醚（EA）提取，顯著提高脂質(zhì)提取效率至85%，較傳統(tǒng)B&D法減少有害溶劑使用，同時(shí)保持高價(jià)值脂肪酸組成（65%飽和及單不飽和脂肪酸），為環(huán)保可持續(xù)的微藻生物資源開發(fā)提供新路徑。
約瑟夫·姆薩內(nèi)（Joseph Msanne）|理查德·D·阿什比（Richard D. Ashby）|安德魯·哈倫（Andrew Harron）
美國農(nóng)業(yè)部，農(nóng)業(yè)研究服務(wù)局，東部區(qū)域研究中心，600 East Mermaid Lane, Wyndmoor, PA 19038, 美國
摘要
藻類脂質(zhì)和高價(jià)值生物材料在生物燃料、營(yíng)養(yǎng)保健品、制藥和化妝品等行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。它們是傳統(tǒng)植物油和動(dòng)物脂肪的有希望的替代品。然而，提取和回收的高成本仍然構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。在本研究中，最初開發(fā)了一種新方法，該方法使用從Starmerella bombicola酵母培養(yǎng)物中獲得的槐糖脂（sophorolipid，SL）生物表面活性劑處理Chlorella sorokiniana培養(yǎng)物，以促進(jìn)脂質(zhì)的釋放，隨后使用乙酸乙酯（EA）進(jìn)行提取。乙酸乙酯是一種中等極性且毒性較低的有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境的影響較小。通過光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡分析證實(shí)，槐糖脂能夠有效破壞細(xì)胞膜并促進(jìn)細(xì)胞成分的泄漏，從而提高溶劑對(duì)細(xì)胞內(nèi)生物材料的可及性。評(píng)估了脂質(zhì)的提取效率，并將其與傳統(tǒng)的Bligh和Dyer（B&D）方法進(jìn)行了比較，后者使用氯仿和甲醇等有害溶劑組合。初步結(jié)果顯示，槐糖脂濃度的增加提高了總脂質(zhì)產(chǎn)量。在室溫條件下，經(jīng)過2天氮?jiǎng)儕Z處理并在1 mg/mL槐糖脂存在下孵育12小時(shí)后，使用乙酸乙酯提取的脂質(zhì)總量達(dá)到了85%，而使用B&D方法從Chlorella sorokiniana細(xì)胞中提取的脂質(zhì)總量為……（原文數(shù)據(jù)缺失）。在這些條件下，脂質(zhì)組成中飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸各占65%，表明該提取物適合作為生物柴油的原料。這種能夠提高脂質(zhì)產(chǎn)量的同時(shí)大幅減少有機(jī)溶劑使用量的方法具有環(huán)境友好性，為微藻產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模商業(yè)化提供了巨大潛力。
引言
藻類脂質(zhì)作為一種可再生和可持續(xù)的植物油及動(dòng)物脂肪替代品，在工業(yè)應(yīng)用中具有廣泛潛力，可用于生產(chǎn)生物燃料、油化學(xué)品以及其他有價(jià)值的產(chǎn)品，如藥品、化妝品和膳食補(bǔ)充劑（Ghazani和Marangoni 2022）。然而，目前大規(guī)模培養(yǎng)和商業(yè)化生產(chǎn)微藻生物燃料在經(jīng)濟(jì)上尚不可行（Lane 2022）。工藝開發(fā)和優(yōu)化（菌株選擇、培養(yǎng)、提取）對(duì)于提高產(chǎn)量和效率至關(guān)重要，同時(shí)也有助于改善藻類工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響。
微藻脂質(zhì)大規(guī)模提取的主要瓶頸之一是生物質(zhì)收獲的高成本（Apt等人2011），這主要是由于難以將微藻細(xì)胞與生長(zhǎng)介質(zhì)分離，通常占總生產(chǎn)成本的20%至30%（Dassey和Theegala 2013）。破壞細(xì)胞壁/膜以釋放脂質(zhì)也會(huì)顯著增加總體成本（Cuevas-Castillo等人2020）。此前已采用機(jī)械方法（如珠磨、高壓均質(zhì)化、超聲處理）（Günerken等人2015）或物理化學(xué)方法（如酸、堿、酶水解）（Bonturi等人2015）來破壞細(xì)胞。然而，這些方法由于高壓、高溫和/或極端pH值的影響，會(huì)降低脂質(zhì)的產(chǎn)量和質(zhì)量（Balasubramanian、Yen Doan和Obbard 2013）。目前，廣泛使用改進(jìn)版的Bligh和Dyer方法來通過破壞細(xì)胞膜來分離脂質(zhì)，無論是從濕生物質(zhì)還是干生物質(zhì)中提取（Chen等人2012）。盡管這些方法能獲得較高的脂質(zhì)產(chǎn)量，但也會(huì)提取大量膜脂質(zhì)和細(xì)胞器脂質(zhì)（如糖脂和磷脂），從而降低了對(duì)中性脂質(zhì)的選擇性（Lupette和Benning 2020）。此外，大量使用被歸類為有害和致癌的有機(jī)溶劑（如氯仿、甲醇）會(huì)導(dǎo)致健康和環(huán)境問題（Aron等人2023），并增加大規(guī)模操作的成本（Chen等人2020）。因此，仍需要?jiǎng)?chuàng)新的破壞/提取方法來減少對(duì)環(huán)境的有害影響，并提高微藻脂質(zhì)生產(chǎn)的可持續(xù)性。
最近的一些研究探索了替代的脂質(zhì)提取方法，包括使用環(huán)保的提取劑（如萜烯和酯類（Imatoukene等人2019），以及超臨界流體萃取（CO2）、脈沖電場(chǎng)和微波輔助萃取（Zhou等人2022）等技術(shù)。雖然這些創(chuàng)新方法更可持續(xù)且不需要大量有害溶劑，但它們存在能耗高和設(shè)備昂貴的缺點(diǎn)（Khoo等人2020）。此外，為了有效提取和回收細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)，必須先裂解微藻細(xì)胞（Ranjan、Patil和Moholkar 2010）。由于糖脂生物表面活性劑的抗菌活性（主要體現(xiàn)在其能夠破壞細(xì)胞膜的能力）以及其他工業(yè)應(yīng)用，它們受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)化學(xué)表面活性劑相比，糖脂生物表面活性劑被認(rèn)為更環(huán)保且可生物降解（Banat 1995）。槐糖脂是一種糖脂，也非常有效地破壞微藻（Sun、Choi和Kim 2004），這一特性可以用于從生長(zhǎng)旺盛的微藻菌株（如Chlorella sorokiniana）中高效提取脂質(zhì)（Ziganshina、Bulynina和Ziganshin 2021）。一旦細(xì)胞被裂解，細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)就更容易用毒性較低且更環(huán)保的溶劑（如乙酸乙酯）提取，從而減少對(duì)環(huán)境的影響。
本研究的目的是開發(fā)一種創(chuàng)新且可持續(xù)的脂質(zhì)提取方法，用于從濕Chlorella sorokiniana微藻培養(yǎng)物中生產(chǎn)生物燃料，該方法基于外部應(yīng)用槐糖脂生物表面活性劑與乙酸乙酯溶劑相結(jié)合來提高提取效率。評(píng)估了該方法對(duì)微藻細(xì)胞破壞和脂質(zhì)產(chǎn)量的影響，以評(píng)估其與傳統(tǒng)成熟脂質(zhì)提取技術(shù)的對(duì)比情況。這項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室研究首次報(bào)道了使用槐糖脂提高生物材料（如脂質(zhì)）回收率的同時(shí)減少有害有機(jī)溶劑使用的方法。該過程安全、環(huán)保，不需要極端的機(jī)械或物理?xiàng)l件。此外，直接提取藻類生物材料而無需脫水可以消除對(duì)生物質(zhì)濃縮的需求，從而降低傳統(tǒng)方法的成本和能耗。
用于脂質(zhì)提取分析的綠色微藻Chlorella sorokiniana UTEX 1230購自美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的藻類培養(yǎng)收藏庫（UTEX）。培養(yǎng)物在tris acetate phosphate（TAP）培養(yǎng)基（Harris 1989）中維持生長(zhǎng)，該培養(yǎng)基也來自UTEX收藏庫（https://utex.org）。最初，藻類預(yù)培養(yǎng)物在無菌、含氮的TAP液體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，培養(yǎng)瓶置于20°C下的旋轉(zhuǎn)搖床中（100 rpm）。
包括Chlorella sorokiniana在內(nèi)的多種微藻在添加乙酸鹽或氮?jiǎng)儕Z條件下可以積累大量生物質(zhì)和中性脂質(zhì)（Chai等人2018）。由于復(fù)雜的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，這些寶貴的細(xì)胞內(nèi)化合物的釋放受到限制（Khoo等人2020），使得簡(jiǎn)單的溶劑提取無法完全回收細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)（Zhou等人2022）。為了高效且經(jīng)濟(jì)地獲得這些脂質(zhì)……（原文數(shù)據(jù)缺失）
隨著對(duì)可持續(xù)性的日益重視，人們正在尋求更安全和環(huán)保的脂質(zhì)提取和回收方法。因此，探索更高效和更具成本效益的技術(shù)，包括更合適的細(xì)胞破壞方法，將提高微藻生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性。
Sun等人，2004a；Sun等人，2004b。
約瑟夫·姆薩內(nèi)（Joseph Msanne）：撰寫——初稿撰寫、數(shù)據(jù)整理、概念構(gòu)思。
理查德·D·阿什比（Richard D. Ashby）：撰寫——審稿與編輯、方法學(xué)設(shè)計(jì)。
安德魯·哈倫（Andrew Harron）：撰寫——審稿與編輯、方法學(xué)設(shè)計(jì)。
本研究得到了美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)局（ARS）的資助。
作者聲明以下可能被視為潛在利益沖突的財(cái)務(wù)利益/個(gè)人關(guān)系：作者聲明本文的共同作者理查德·D·阿什比（Richard D. Ashby）是Bioresource Technology的編委會(huì)成員。
作者感謝美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)局（ARS）的支持。
