优化大气冷等离子体辅助提取技术，以提高从普通小球藻（Chlorella vulgaris）中提取生物活性化合物的效率

《Algal Research》：Optimizing atmospheric cold plasma-assisted extraction for improved recovery of bioactive compounds from Chlorella vulgaris

本研究通过响应面法优化大气冷等离子体辅助提取（ACPAE）技术，用于从微藻（Chlorella vulgaris）中高效提取生物活性物质。结果表明，ACPAE在12.73±0.05分钟时最佳，显著提高了植物激素、氨基酸和矿物质的提取率，同时减少能耗和溶剂使用，优于传统浸泡法（ME）。

　　

Fatemeh Jamshidi-Kia|Keramatolah Saeidi|Bahram Hosseinzadeh Samani|Shirin Ghatrehsamani|Zahra Lorigooini

伊朗沙赫雷科德大学农业学院园艺科学系

摘要

微藻日益被视为具有营养和药理活性的生物活性化合物的可持续来源。微藻应用的不断增加促使人们深入研究可持续、高产的提取方法以回收这些活性化合物。冷等离子体技术作为一种非热处理方法，显示出提高生物系统中提取效率的巨大潜力。其在提取中的应用尤其具有吸引力，因为它环保且能够破坏细胞壁，从而促进化合物的释放。本研究旨在优化大气压冷等离子体辅助提取（ACPAE）从普通小球藻中提取生物活性化合物的方法，并将其效果与传统浸渍法（ME）进行比较。通过响应面分析法（RSM）优化了提取时间（5–15分钟），并对提取物中的植物激素、维生素、氨基酸、矿物质和总碳水化合物进行了分析。结果表明，与传统浸渍法相比，ACPAE显著提高了生物活性化合物的回收率。最佳ACPAE条件（12.73±0.05分钟）下，植物激素、氨基酸和矿物质的含量最高，而浸渍法则使总碳水化合物和某些维生素的含量更高。等离子体处理导致藻细胞结构发生变化，如细胞壁破裂，从而促进了细胞内生物活性化合物的释放。总体而言，ACPAE是一种更高效、节省时间和资源且环保的替代方法，具有大规模生产微藻生物制品的巨大潜力。

引言

微藻，特别是普通小球藻，被认为是多种生物活性化合物的可持续来源，包括矿物质、色素、蛋白质、脂类和维生素，这些化合物在制药、功能性食品、农用化学品、燃料和化妆品等领域有广泛的应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。然而，普通小球藻的一个关键瓶颈是其坚硬的细胞壁，破坏细胞壁需要大量能量，这往往阻碍了细胞内代谢物的有效提取。提取生物活性化合物通常需要使用化学溶剂或高温处理，但这可能会降低甚至破坏其生物活性。因此，传统的提取方法往往能耗高且效率低下[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。 因此，人们开发出了环保的提取策略，以减少溶剂使用、降低能耗、利用可再生资源，并确保副产品的可持续管理[15]、[16]、[17]、[18]。几种新兴技术，如超声波辅助、微波辅助和超临界流体提取，已被用于提高生物活性化合物的产量和质量。其中，冷等离子体辅助技术作为一种新型非热处理方法，在提取过程中能够保持化合物的完整性。在大气压下生成的等离子体不需要极端工艺条件，在食品工业中有广泛的应用[7]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。等离子体是一种由多种活性物种组成的电离气体，包括激发态原子（如H、O）、离子（如H⁺、O⁺、Ar⁺）、分子（如H?、N?、CH?、CO?）和自由基（如O、H、OH）。这些活性物种的组成取决于生成等离子体的气体来源；例如，惰性气体如氦气或氩气会产生相应的激发态原子和离子，而活性气体如氧气或氮气则会产生基于空气或氮气的物种。常用的气体有空气、氩气、氦气和氮气，以及各种气体混合物，如N?/N?O、He/O?、He/N?、Ar/O?和He/Ar[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。 冷等离子体与植物基质之间的相互作用显著影响提取效率，这取决于工艺参数、植物种类和化合物组成。等离子体处理会引起结构变化，如裂纹和凹陷，从而促进物质传递和化合物的释放[31]。与传统方法相比，冷等离子体技术在提取过程中具有多项优势，它能够最大限度地保留植物的关键成分，同时对植物内部结构的破坏最小。此外，ACPAE本质上是环保的，因为它避免了有毒废物的产生，减少了溶剂的使用，并显著节省了能源和时间[32]、[33]、[34]、[35]。ACPAE的工业意义在于它可以在不使用真空系统的情况下运行，通常使用环境空气作为进料气体，从而降低了操作复杂性和成本[36]、[37]、[38]。本研究旨在优化从普通小球藻中提取生物活性化合物的工艺，并将其效率与传统浸渍法进行对比。

普通小球藻生物量

普通小球藻（菌株Abdf 21,144）的干燥粉末样品平均粒径约为3微米，由Surna Aquatic Food Company（国家编号：14008703724；伊朗马赞德兰省）提供，该公司是经过认证的微藻培养和加工商业供应商。

浸渍提取（ME）

从微藻粉末中提取液体提取物的过程包括以下步骤：

第一步：使用微藻粉末和蒸馏水按1:10的比例制备混合物。

ME中的生物活性化合物

表3总结了从普通小球藻 ME液体提取物中检测到的矿物质、维生素、氨基酸、植物激素和总碳水化合物的成分。成分分析显示，矿物质含量最高，其次是总碳水化合物、维生素、氨基酸和植物激素。这一排序突显了提取物的营养价值。先前的研究也指出，普通小球藻提取物是生物活性化合物的丰富来源。

结论

本研究表明，ACPAE技术在从藻类提取物中提取生物活性化合物方面具有高效性，优于传统的浸渍法（ME）。通过缩短提取时间和降低温度条件，ACPAE提供了一种符合可持续提取原则的环保替代方案。将ACPAE技术应用于植物材料提取过程中，为相关技术发展提供了有前景的方向。

作者贡献声明

Fatemeh Jamshidi-Kia：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究。 Keramatolah Saeidi：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、指导、概念构思。 Bahram Hosseinzadeh Samani：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、指导、数据分析、概念构思。 Shirin Ghatrehsamani：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。 Zahra Lorigooini：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。

作者协议

提交稿件时需确保该稿件尚未发表。若被接受，作者授权《藻类研究杂志》部分或全部发表该手稿。作者的名字将始终出现在出版物中。

作者享有以下非独占权利：(1) 在教学活动中使用该手稿；(2) 发表该手稿或允许他人发表。

未引用的参考文献

[80]、[81]、[82]、[83]、[84]、[85]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢沙赫雷科德医科大学的研究与技术支持。本研究得到了伊朗沙赫雷科德医科大学（编号6370）的研究资助。研究方案遵循了SKUMS生物伦理委员会的相关指南（IR.SKUMS.REC.1401.126）。