《Algal Research》：Seasonal biochemical fingerprints of outdoor cultivated Spirulina (
Limnospira platensis) and
Microchloropsis gaditana: insights into nutritional and functional shifts
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本研究针对室外大规模培养的钝顶螺旋藻(Limnospira platensis)和加氏微绿球藻(Microchloropsis gaditana)面临季节性环境波动影响其生化组成的实际问题，系统分析了其在春夏秋冬四季的蛋白质、碳水化合物、脂质、脂肪酸、氨基酸、色素等成分的变异规律。研究发现两种微藻的生化组成呈现物种特异性的季节响应模式，例如螺旋藻蛋白质在春夏季富集而碳水化合物在冬季积累，微绿球藻的EPA含量在冬季显著升高。该研究为微藻资源的季节性精准开发和高值化应用提供了重要理论依据。
随着全球对可持续生物资源的日益关注，微藻因其丰富的营养成分和生物活性物质，在食品、饲料、营养保健品和水产养殖等领域展现出巨大应用潜力。其中，钝顶螺旋藻(Limnospira platensis，旧称Spirulina platensis)和加氏微绿球藻(Microchloropsis gaditana，旧称Nannochloropsis gaditana)是两种具有重要工业价值的代表性物种。螺旋藻以其高蛋白含量闻名，而微绿球藻则因其富含omega-3多不饱和脂肪酸，特别是二十碳五烯酸(EPA, 20:5 n-3)而备受青睐。然而，当这些微藻在室外大规模培养时，不可避免地会受到自然环境季节性波动的影响，尤其是温度和光照的变化。这些环境因子如何影响其关键营养成分和功能成分的合成与积累，目前尚缺乏系统性的认识。理解这种季节性生化指纹，对于实现微藻资源的稳定、高质量生产及其精准应用至关重要。
为了深入探究这一问题，由Diana Lopes、Ana S.P. Moreira、Tiago Conde等来自葡萄牙阿威罗大学化学系环境与海洋研究中心(CESAM)的研究团队，在《Algal Research》上发表了一项题为“Seasonal biochemical fingerprints of outdoor cultivated Spirulina (Limnospira platensis) and Microchloropsis gaditana”的研究。该研究创新性地对在葡萄牙工业规模户外条件下培养的钝顶螺旋藻和加氏微绿球藻进行了为期一年（秋、冬、春、夏）的跟踪分析，系统揭示了其生化组成的季节性变化规律。
本研究主要采用了工业规模的户外培养系统，其中钝顶螺旋藻使用开放式跑道池(ORPs)培养，而加氏微绿球藻则使用封闭式光生物反应器(PBRs，包括平板式FP-PBRs和管式TPBRs)培养。研究人员在每个季节的特定日期采集生物质样本。关键技术方法包括：通过元素分析估算蛋白质含量；采用酸水解结合气相色谱-火焰离子化检测(GC-FID)分析碳水化合物单糖组成和糖醇含量；通过改良的Folch法提取脂质，并经碱法转酯化后利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析脂肪酸甲酯(FAME)谱；利用高效液相色谱(HPLC)和紫外-可见分光光度法测定叶绿素、类胡萝卜素和藻蓝蛋白等色素含量；通过酸水解结合柱后衍生高效液相色谱法分析氨基酸组成。所有分析均设三次重复，并采用适当的统计学方法进行显著性差异检验。
3.1. 气象和生产力数据
研究首先记录了收获日的环境参数。钝顶螺旋藻培养温度从冬季的18.4°C到夏季的33.3°C，外部辐射在春季(483.1 W·m-2)和夏季(321.0 W·m-2)较高。加氏微绿球藻的温度波动较小（冬季20.9°C至夏季26.1°C），辐射从冬季的627.6 W·m-2升至夏季的987.5 W·m-2。生产力方面，螺旋藻在春夏季有产出，秋冬季则处于维持模式；微绿球藻在夏季度夏困难，生产力为零。这表明并非所有季节都适合两种藻类的生产性培养。
3.2. 不同季节生长的微藻生物质的近似分析
研究结果显示，两种微藻的常规生化组成存在明显的季节性差异。对于钝顶螺旋藻，蛋白质是秋、春、夏季的主要成分，其中春季最高(47.82%)，冬季显著降低至27.01%。碳水化合物含量则呈现相反趋势，冬季达到峰值(50.85%)，春季最低(10.32%)，表明低温可能促使碳流向储能碳水化合物。脂质含量在春秋季较高，冬夏季较低。灰分含量春季最高(14.92%)。加氏微绿球藻的蛋白质含量相对稳定，春季最高(37.36%)。其脂质含量在秋冬季较高（秋季21.67%，冬季18.92%），春夏季较低。碳水化合物含量在秋季最高(14.56%)。这些变化反映了物种特异的代谢适应策略。
3.3. 不同季节生长的微藻生物质的氨基酸谱
氨基酸分析进一步证实了蛋白质组成的季节性波动。钝顶螺旋藻的总氨基酸含量在春季最高(47.15 g·100 g-1DW)，冬季最低(30.94 g·100 g-1DW)，蛋氨酸、苏氨酸和酪氨酸是主要氨基酸。其氨基酸谱对环境变化更为敏感。加氏微绿球藻的氨基酸谱则相对稳定，各季节间总氨基酸含量变化幅度较小（冬季32.13 g·100 g-1DW至春季35.56 g·100 g-1DW），表明其具有更强的代谢稳定性，这对于需要稳定蛋白质来源的应用是一个优势。
3.4. 不同季节生长的微藻生物质的碳水化合物谱
碳水化合物单糖组成分析揭示了更精细的结构变化。钝顶螺旋藻的碳水化合物谱季节性差异显著。冬季样本中葡萄糖占比极高(90.12 mol%)，主要与糖原和β-葡聚糖等储能多糖相关。春季则呈现出更多样的糖谱，葡萄糖比例降至48.08 mol%，而半乳糖(15.04 mol%)、糖醛酸(10.72 mol%)、木糖(7.06 mol%)和鼠李糖(6.37 mol%)的比例显著上升，这可能意味着具有生物活性的硫酸化杂多糖的合成增加。加氏微绿球藻的碳水化合物谱相对稳定，葡萄糖在所有季节都是主要单糖(60.45-66.04 mol%)，与β-葡聚糖的存在一致。半乳糖是第二丰富的单糖。游离糖醇甘露醇的含量在夏季显著降低，可能与高光胁迫下渗透调节化合物的减少有关。
3.5. 不同季节生长的微藻生物质的脂肪酸谱
脂肪酸谱分析突出了功能脂质的季节性富集。钝顶螺旋藻中最丰富的脂肪酸是棕榈酸(FA 16:0)、亚油酸(LA, FA 18:2 n-6)和γ-亚麻酸(GLA, FA 18:3 n-6)。GLA和LA的含量在冬季最低，而在秋、春、夏季保持较高水平，这些具有抗炎和皮肤健康促进作用的Omega-6脂肪酸在温暖季节更具优势。加氏微绿球藻的脂肪酸谱以棕榈酸(FA 16:0)、棕榈油酸(FA 16:1 n-7)和二十碳五烯酸(EPA, FA 20:5 n-3)为主。最具营养价值的EPA含量表现出强烈的季节性，冬季最高(31.64 mg·g-1DW)，夏季最低(11.44 mg·g-1DW)，表明低温有利于这种重要Omega-3脂肪酸的积累，冬季收获的生物质是EPA的优质来源。
3.6. 不同季节生长的微藻生物质的色素
色素分析展示了光合系统的季节性适应。钝顶螺旋藻中，叶绿素a和藻蓝蛋白在夏季含量最高，与高光下光合器官的发育一致。类胡萝卜素的组成则变化显著：新黄质、β-胡萝卜素和叶黄素在秋季含量最高，而在夏季未检测到；玉米黄质则仅在夏季出现，可能作为高光胁迫下的光保护剂。加氏微绿球藻的色素谱也呈现独特变化：叶绿素a在秋季含量最高；新黄质在秋冬季丰富，春夏季缺失；紫黄质在春季达到峰值。这些发现揭示了微绿球藻是紫黄质和新黄质等尚未被充分开发但具有潜在健康益处（如抗氧化、抗增殖活性）的类胡萝卜素的潜在来源。
综上所述，本研究通过对户外工业培养的钝顶螺旋藻和加氏微绿球藻进行为期一年的系统性生化分析，清晰地揭示了其生化组成存在显著的物种特异性季节性波动。钝顶螺旋藻的代谢对环境变化响应更为敏感，其蛋白质和藻蓝蛋白在春夏季富集，而碳水化合物在冬季积累，脂肪酸GLA在温暖季节含量更高。加氏微绿球藻则表现出更强的生化稳定性，但其脂质和具有重要营养价值的EPA在秋冬季显著增加，同时类胡萝卜素谱也发生季节性转换。这些发现具有重要的科学意义和应用价值。首先，它深化了我们对微藻生化可塑性（指生物体根据环境改变其生化组成的能力）的理解，揭示了其应对自然环境中温度和光照波动的内在代谢调控机制。其次，该研究为微藻产业的精准生产提供了关键数据支撑。生产商可以根据目标产品（如高蛋白饲料、EPA补充剂、特定色素）的需求，选择最适宜的收获季节，从而实现资源的价值最大化。例如， targeting 高EPA微绿球藻产品可选择冬季收获，而追求高蛋白螺旋藻则可在春夏季进行。最后，该研究强调了在评估微藻营养成分和开发微藻基产品时，必须考虑其生产的季节性背景，以确保产品质量的稳定性和功效的可靠性。尽管本研究存在单次采样和培养系统差异等局限性，但它为未来更精细化的研究奠定了基础，为微藻这一可持续生物资源的高效、高值化利用指明了方向。
