《Algal Research》：Scalable extraction and isolation of phycocyanin with recovery of a secondary non-phycocyanin protein extract: comparison of centrifuge and membrane-based processes
编辑推荐：
本研究针对藻蓝蛋白大规模提取纯化过程中存在的高成本、低回收率和纯度受限等挑战，优化了以微滤(MF)和超滤(UF)为核心的膜基工艺(MBP)，并与离心结合超滤的离心基工艺(CBP)进行系统对比。研究发现，CBP在总固体(34.5%)、藻蓝蛋白(100.8%)和总蛋白(57.5%)回收率方面更具优势，而MBP则能获得纯度更高(1.41 vs 0.88)的藻蓝蛋白提取物。两种工艺均成功实现了非藻蓝蛋白组分(≈20%回收率)的同步回收，展现了生物精炼策略在提升螺旋藻附加值方面的应用潜力。
在天然色素和功能性成分市场蓬勃发展的今天，藻蓝蛋白(Phycocyanin)作为一种源自蓝细菌（如螺旋藻Spirulina）的蓝色色素蛋白，因其独特的色泽和潜在的抗氧化、抗炎特性，在食品、化妆品和营养保健品领域备受青睐。然而，尽管市场需求持续增长（2023年全球市场规模达1.754亿美元），藻蓝蛋白的大规模生产仍面临高成本、低回收效率以及纯度难以保证的瓶颈。传统的纯化方法，如硫酸铵沉淀、色谱分离等，往往过程复杂、能耗高，限制了其工业化应用。因此，开发高效、节能且可规模化的提取纯化工艺，同时实现螺旋藻生物质的综合利用，成为当前产业界和学术界关注的焦点。
在此背景下，发表在《Algal Research》上的这项研究，旨在探索并比较两种不同的工艺路径：一种是基于膜技术的工艺（MBP），即微滤（MF）接超滤（UF）；另一种是传统的离心基工艺（CBP），即离心后接超滤。研究不仅关注藻蓝蛋白本身的得率和纯度，还创新性地将目光投向了常被忽视的副产物——非藻蓝蛋白蛋白组分的回收与价值评估，体现了循环经济和生物精炼（Biorefinery）的先进理念。
为了开展这项研究，研究人员采用了几个关键的技术方法。首先，他们使用来自葡萄牙Allmicroalgae公司的钝顶螺旋藻（Limnospira platensis）干燥粉末作为原料，通过水提法制备初始提取液。核心的分离纯化步骤涉及微滤（使用0.45 μm等不同截留分子量MWCO的膜）和超滤（使用100、300、500 kDa的膜）技术的参数优化，系统考察了生物质浓度、跨膜压力（TMP）、错流流速（CV）和渗透通量（J）等关键操作参数对藻蓝蛋白和非藻蓝蛋白回收率及产物纯度的影响。此外，研究还采用了离心（5000×g, 10分钟）作为对比的固液分离手段。产物的表征则运用了光谱法（测定藻蓝蛋白浓度、纯度及叶绿素含量）、生化分析（总蛋白、碳水化合物、脂质、灰分）、氨基酸分析、SDS-PAGE（十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳）以及色度分析（CIELAB系统）等多种分析技术，并对最终产物进行了喷雾干燥和冷冻干燥以评估藻蓝蛋白的稳定性。
3.1. 工艺优化
研究首先对微滤和超滤步骤进行了细致的优化。
- •
3.1.1. 微滤：优化结果表明，较低的生物质浓度（10-20 g·L-1）、适中的错流流速（0.070 m·s-1）和渗透通量（17.1 L·h-1·m-2）有利于获得较高的藻蓝蛋白回收率（约60-70%）。在膜孔径选择上，0.45 μm膜在过滤效率、抗污染和能耗之间取得了最佳平衡，被选为后续MBP的固液分离步骤。
- •
3.1.2. 超滤：在超滤膜选择中，300 kDa膜表现出色，其对藻蓝蛋白的截留率高达99.8%，并能将藻蓝蛋白的相对纯度提升约1.5倍（从初始约0.6提升至0.91）。同时，该膜对非藻蓝蛋白的回收率也达到20.3%。跨膜压力（TMP）优化显示，较低的压力（如0.02 bar）有利于保持高截留率和纯度，但为平衡效率，最终选择0.1 bar作为操作条件。
- •
3.1.3. 干燥：研究还评估了喷雾干燥和冷冻干燥对藻蓝蛋白稳定性的影响，发现两种方法在优化的温和条件下（如喷雾干燥出口温度53-55°C）均能有效保留藻蓝蛋白活性，损失低于10%，为工业化干燥提供了选择。
3.2. 工艺对比
在优化参数的基础上，研究对MBP（0.45 μm MF + 300 kDa UF）和CBP（离心 + 300 kDa UF）进行了全面对比。
- •
回收率与产物纯度：CBP在总固体、藻蓝蛋白和总蛋白的最终回收率上显著高于MBP（例如藻蓝蛋白回收率：100.8% vs 65.2%）。然而，MBP工艺生产的藻蓝蛋白提取物在质量上更胜一筹，其藻蓝蛋白纯度（1.41）远高于CBP产物（0.88），藻蓝蛋白含量（31.1% vs 26.6%）和总蛋白含量（86.7% vs 75.5%）也更高，且碳水化合物和叶绿素污染更低。SDS-PAGE分析证实了MBP permeate中藻蓝蛋白条带更突出，杂质蛋白更少，印证了其高纯度。
- •
副产物回收：两种工艺均成功回收了非藻蓝蛋白蛋白组分，回收率约为20%。CBP得到的副产物蛋白含量更高（74.3% vs 63.5%），但藻蓝蛋白污染也相对较高（0.7% vs 0.3%），导致其颜色偏蓝，而MBP副产物颜色更浅、偏黄，更适合作为无色蛋白配料使用。
- •
产物表征：氨基酸分析显示，两种工艺得到的藻蓝蛋白提取物和副产物蛋白的氨基酸组成与原料螺旋藻有所不同，非藻蓝蛋白提取物中必需氨基酸占比有所提高。色度测量进一步量化了产物颜色的差异，与理化分析结果一致。
3.3. 工艺可扩展性
研究讨论了两种工艺工业化应用的潜力。CBP处理速度快，但能耗和设备成本高；MBP能耗较低，但处理通量小，耗时长，且涉及水回用问题。未来需要进行技术经济分析，权衡高回收率（CBP）与高产品价值（MBP）之间的利弊。
本研究通过系统优化和对比，证实了膜基工艺（MBP）在生产高纯度、高质量食品级藻蓝蛋白方面的独特优势，尽管其回收率低于离心基工艺（CBP）。更重要的是，研究成功示范了从螺旋藻中同步回收藻蓝蛋白和富含蛋白质的副产物的可行性，将生物质利用率提升了37%（MBP）至52%（CBP）。这不仅为螺旋藻的高值化利用提供了切实可行的技术方案，降低了藻蓝蛋白的生产成本，也契合了可持续发展的生物精炼理念，为微藻产业的绿色、循环发展提供了重要参考。未来，结合水回用策略和进一步的工艺强化，膜基工艺有望在追求高品质产品的市场中获得更广泛的应用。
