富含淀粉的小球藻（Chlorella sp.）的结构与物理化学特性及其细胞内淀粉的消化率

《Food Hydrocolloids》：Structural and physicochemical characteristics and intracellular starch digestibility of starch-rich Chlorella sp.

微藻淀粉特性及消化性研究：以五种小球藻为例，通过两阶段培养法结合氮限制策略获得高淀粉含量（33.73-51.64 g/100 g biomass）的菌株，系统分析其颗粒尺寸、孔隙结构、色素组成及淀粉结晶类型（A型），发现C. sorokiniana淀粉含量最高但凝胶特性最弱，而C. ellipsoidea形成的凝胶网络更稳定。通过差示扫描量热法（DSC）和流变学测试，揭示不同菌株淀粉分子排列及细胞壁结构的差异导致其消化特性显著不同，为开发功能性微藻淀粉奠定理论基础。

　　

姜海涛|刘畅|潘晓华|詹金玲|杨天一|马荣荣|田瑶琪

江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国无锡214122

摘要

本研究采用两阶段培养工艺，对不同菌株的富淀粉小球藻（Chlorella）细胞进行了培养。研究了培养得到的富淀粉小球藻椭圆体型（Chlorella ellipsoidea，简称CEll）、黄绿型（Chlorella luteorividis，简称CLut）、原球体型（Chlorella protothecoides，简称CPro）、索罗金氏型（Chlorella sorokiniana，简称CSor）和球形型（Chlorella pyrenoidosa，简称CPyr）生物质在物理化学特性和淀粉消化率方面的差异。不同菌株的富淀粉小球藻细胞表现出不同的基本组成：淀粉含量范围约为33.73至51.64克/100克生物质；同时，它们的颗粒大小、孔结构和色素含量也各不相同。不同富淀粉小球藻样品的X射线衍射图谱相似，这与其细胞内淀粉的A型晶体结构有关。差示扫描量热分析表明，富淀粉的CSor生物质的糊化温度（T_P约为75.51°C）显著低于其他小球藻样品（T_P约为76.91–78.93°C）。尽管CSor的淀粉含量较高，但其最终粘度和返粘度（分别约为108和39 cP）显著低于其他处理过的小球藻样品（分别约为243–261和175–197 cP）。此外，处理过的CEll生物质显示出比其他小球藻样品更弹性的凝胶网络结构。由于细胞结构对消化酶渗透的抵抗力不同以及细胞内淀粉颗粒的长程分子排列存在差异，不同小球藻样品的淀粉水解情况也有显著差异。本文系统比较了不同菌株富淀粉小球藻生物质的结构特征、物理化学性质和淀粉消化率。

引言

随着全球人口的增长、气候变化的加速以及耕地资源的日益稀缺，全球粮食生产和传统农业系统面临着前所未有的压力。为满足对营养丰富且可持续食品的日益增长的需求，迫切需要多样化食物来源以确保粮食安全和环境可持续性。微藻因其高生长率、不与粮食作物争夺耕地、不受季节变化影响以及卓越的固碳能力而受到广泛关注（Barros de Medeiros, da Costa, da Silva, Pimentel, & Magnani, 2021）。

淀粉是人类饮食中的主要能量来源，也是食品工业中的多功能原料。微藻能高效地将阳光和二氧化碳（CO₂）转化为蛋白质、淀粉和脂质等营养物质。已有研究表明，通过调节培养条件可以促进淀粉的积累。例如，一项先前的研究发现，在硫限制条件下培养4天后，Chlorella sorokiniana的淀粉含量超过了40%（Yang et al., 2024）。另有研究指出，在氮缺乏条件下添加1克/升NaHCO₃后，Tetraselmis subcordiformis的淀粉含量从10.4%提高到了55%以上（Qi et al., 2019）。开发和利用富淀粉微藻具有重要意义。作为潜在的新食物资源，它们可以加工成面粉、糖类和其他淀粉衍生物，从而促进更加可持续和多样化的食品供应链。

Chlorella是一个被广泛研究的微藻属。除了对Chlorella蛋白质及富含蛋白质的Chlorella生物质的研究外，一些科学家还关注了Chlorella合成的淀粉。一些科学家提高了Chlorella vulgaris和Chlorella sorokiniana细胞中的淀粉积累量，并对其多尺度结构和消化特性进行了研究（Chi et al., 2023; Jiang et al., 2025）。Chlorella作为替代淀粉来源具有巨大潜力。然而，据我们所知，富淀粉Chlorella生物质的物理化学性质和淀粉消化率尚未得到充分研究。此外，不同Chlorella菌株的富淀粉生物质在物理化学特性和淀粉消化率方面的差异值得进一步研究，以评估其作为功能性食品成分的潜力。

本研究采用两阶段培养工艺并结合氮限制条件来生产富淀粉Chlorella生物质。选择了包括Chlorella ellipsoidea、Chlorella luteorividis、Chlorella protothecoides、Chlorella sorokiniana和Chlorella pyrenoidosa在内的不同菌株进行对比研究。系统地分析了这些富淀粉Chlorella生物质的结构特征和物理化学性质，并对其细胞内淀粉的消化率进行了检测和比较。期望本研究能够揭示富淀粉Chlorella生物质作为新型功能性成分在可持续食品加工中的潜力。

材料

所使用的小球藻菌株包括Chlorella ellipsoidea FACHB-42、Chlorella luteorividis FACHB-1、Chlorella protothecoides FACHB-2、Chlorella sorokiniana FACHB-1068和Chlorella pyrenoidosa FACHB-11，均由中国科学院国家水生生物资源中心提供。其他所有使用的试剂均为分析级。

富淀粉Chlorella细胞生物质的培养

将培养在琼脂平板上的Chlorella菌株转移到液体Tris-醋酸-磷酸盐（TAP）培养基中，以使细胞适应液态环境（Mathiot et

富淀粉Chlorella生物质的初步组成

表1展示了培养得到的富淀粉Chlorella样品的初步组成。这些不同Chlorella物种表现出显著不同的初步组成：培养得到的CSor样品的淀粉含量约为51.64克/100克生物质，而CEll、CPro、CLut和CPyr样品的淀粉含量分别为约44.38、42.00、38.82和33.73克/100克生物质。此外，培养得到的Chlorella样品的脂质含量为11.18–12.47克/100克生物质。

结论

本研究通过氮限制促进了Chlorella细胞中淀粉的积累。研究了富淀粉CEll、CLut、CPro、CSor和CPyr生物质在物理化学特性和淀粉消化率方面的差异。在相同的氮限制条件下和相同的生长阶段，培养得到的CSor样品的淀粉含量最高，而CPyr样品的蛋白质含量最高。当分散在水介质中时，CEll细胞倾向于聚集

作者贡献声明

刘畅：撰写 – 审稿与编辑，监督。姜海涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法学设计，数据分析。杨天一：监督，审稿与编辑，方法学设计，资金获取，概念构思。马荣荣：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学设计，资金获取，概念构思。潘晓华：撰写 – 审稿与编辑，监督。詹金玲：监督，资源协调，方法学设计，资金获取，概念构思。田瑶琪：监督，资源协调，方法学设计，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了江苏省的青年精英科学家资助计划的支持（JSTJ-2025-764