《Molecules》：Biochemical Characterization of Lipids, Proteins, and Polysaccharides from the Marine Diatom Phaeodactylum tricornutum Cultivated in Pilot-Scale Photobioreactors
Arjun H. Banskota,
Joseph P. M. Hui,
Kaitlyn Blatt-Janmaat,
Roumiana Stefanova,
Alysson Jones,
Sean M. Tibbetts and
Patrick J. McGinn
编辑推荐：
本研究旨在系统解析海洋硅藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）的生物质组成，以发掘其在食品、饲料及制药工业的应用潜力。研究人员利用中试规模（1000 L）光生物反应器培养该藻，通过序列提取与多组学（UHPLC-HRMS、NMR等）技术，全面表征了其脂质、蛋白质与多糖的生化特性。研究首次鉴定出新型磺酸脂SQDG(C16:1/C24:0)及三种SQMG，证实了藻粉是二十碳五烯酸（EPA）和岩藻黄质的优质来源，并揭示了其蛋白质高消化率（89%）及组分（蛋白、多糖）的抗氧化活性。该工作为从单一藻类生物质中联产多种高值产品提供了全面的成分基础与分离纯化策略，对开发可持续的新型营养与功能原料具有重要意义。
海洋，这片覆盖地球表面超七成的蓝色疆域，不仅是生命的摇篮，更是一座尚未被完全开发的“蓝色粮仓”和“天然药库”。在肉眼难以企及的微观世界里，数以万计的微藻正在进行着高效的光合作用，它们生长迅速、不与人争粮、不与粮争地，被认为是未来可持续生物经济的关键玩家。其中，三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）作为一种模型海洋硅藻，尤为引人注目。它不仅能固定二氧化碳、净化水体，其细胞内更蕴藏着丰富的“宝藏”——如对心血管健康至关重要的omega-3长链多不饱和脂肪酸二十碳五烯酸（EPA）、拥有强大抗氧化和抗癌潜力的类胡萝卜素岩藻黄质、以及高品质的蛋白质和多糖。这些物质在人类营养、动物饲料、化妆品和药品领域有着广阔的应用前景。
然而，要将这种微观藻类的潜力转化为现实的产品，我们面临着几大挑战。首先，大多数研究集中于实验室小规模培养和单一目标产物（如只提EPA或只提岩藻黄质）的优化，缺乏对规模化培养所得生物质进行系统性、全组分价值挖掘的研究。这就像只开采金矿中的黄金，而忽略了伴生的白银、铜等其他有价值的矿物，造成了资源浪费。其次，三角褐指藻的细胞组成非常复杂，含有多种结构特殊的脂质（如糖脂、磺酸脂）、蛋白质和细胞壁多糖，对这些成分进行全面、精确的鉴定和分离是一项技术难题。最后，其硅质化的细胞壁可能影响营养成分的消化吸收，其整体生物质或提取组分在实际应用（如作为饲料原料）中的效果如何，需要科学评估。
正是为了解决上述问题，实现三角褐指藻生物质的“吃干榨净”和高值化综合利用，由Arjun H. Banskota, Joseph P. M. Hui, Kaitlyn Blatt-Janmaat, Roumiana Stefanova, Alysson Jones, Sean M. Tibbetts 和 Patrick J. McGinn组成的研究团队开展了一项系统性的研究。他们在中试规模的1000升Brite-Box?光生物反应器中成功培养了三角褐指藻，并对收获的生物质进行了一场“全面体检”和“精细分拆”。该研究近期发表在学术期刊《Molecules》上，其核心目标是全面解析该藻在规模化培养条件下的化学成分，并评估其各组分（脂质、蛋白质、多糖）的生化特性与应用潜力，为基于微藻的循环生物精炼和多功能产品开发提供坚实的数据支撑和可行的技术路径。
为完成这项研究，作者团队运用了一系列关键的技术方法。首先，他们在1000 L光生物反应器中进行三角褐指藻的规模化培养与收获。其次，对冻干藻粉进行了全面的成分分析（水分、灰分、粗蛋白、总脂、总碳水化合物、总能量）。接着，利用改良的Folch法提取总脂，并通过硅胶固相萃取将其分离为中性脂、糖脂和磷脂三个组分。脂质的精细解析则依靠超高效液相色谱-高分辨质谱联用技术，并结合核磁共振波谱对纯化组分进行结构确认。蛋白质和多糖则通过碱提、等电点沉淀、乙醇沉淀及热水提取等步骤进行序列分离。此外，研究还采用了氨基酸分析、单糖组成分析、体外蛋白质消化率实验以及氧自由基吸收能力测定来评估蛋白质的营养价值、多糖组成以及各组分的抗氧化活性。
研究结果
2.1. 三角褐指藻培养
研究使用的三角褐指藻菌株为Bohlin CCMP1327，在f/2培养基、22°C、连续光照条件下，于1000 L光生物反应器中培养数周，于对数生长中后期收获。最终冻干藻粉的产量为0.22 ± 0.07 g/L，呈深绿色。
2.2. 成分分析
冻干藻粉的基本成分为：水分4.6%，粗蛋白37.8%，总脂24.5%，碳水化合物19.4%，灰分13.8%，总能量值为19.8 MJ/kg。蛋白质是生物质中最主要的组分。
2.3. 脂类分离、脂肪酸和类胡萝卜素分析
总脂经固相萃取分离，得到中性脂（20.6%）、糖脂（30.7%）和磷脂（47.8%）。脂肪酸分析表明，EPA、棕榈油酸、棕榈酸和十六碳三烯酸是主要脂肪酸，占总脂肪酸的75%。EPA是中性脂和糖脂中的主要脂肪酸，分别占各自组分总脂肪酸的37.1%和29.3%。多不饱和脂肪酸在藻粉总脂中占比达45.6%。类胡萝卜素总含量为0.62%（w/w），其中岩藻黄质是主要类胡萝卜素，含量为0.39%（w/w）。
2.4. 完整脂质分析
通过UHPLC-HRMS技术，在脂质提取物中鉴定出大量脂质分子。中性脂部分鉴定出35种三酰基甘油，其中TAG 54:6, 54:7, 54:8是主要成分。糖脂部分鉴定出1种MGMG、28种MGDG、10种DGDG、2种SQMG和16种SQDG，其中MGDG 36:8是主要的半乳糖脂。磷脂部分鉴定出多种磷脂，包括15种LPC和26种PC。特别重要的是，本研究首次在三角褐指藻中鉴定出三种SQMG（脂肪酸链为C14:0, C16:0, C16:1），并发现了一种新型的磺酸脂SQDG(C16:1/C24:0)，其结构通过质谱裂解分析得以确认。
2.5. NMR波谱分析及MGDG、DGDG、SQDG和PC的纯化
通过核磁共振氢谱确认了各脂质组分的特征信号。利用CombiFlash快速色谱系统，成功从糖脂和磷脂组分中纯化出富含MGDG、DGDG、SQDG和PC的组分，并通过一维和二维NMR谱（COSY, HSQC, HMBC）确认了这些脂质分子中糖基、甘油或磷酸胆碱头部的结构。
2.6. 蛋白质提取与表征
通过碱提和等电点沉淀，从脱脂藻粉中获得了得率为40.2%的粗蛋白分离物。氨基酸分析显示，谷氨酸和天冬氨酸是藻粉和蛋白分离物中的主要氨基酸，并且含有除色氨酸（未检测）外人类和鱼类所需的所有必需氨基酸。蛋白质的体外消化率测定显示，完整藻粉的消化率高达89.3%，蛋白分离物的消化率为76.7%。
2.7. 多糖提取与表征
通过乙醇沉淀和热水提取两种方法，分别从脱脂藻粉中获得了11.9%和20.4%的多糖。单糖组成分析表明，两种多糖都含有鼠李糖、岩藻糖、核糖、木糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖，但相对比例不同。
2.8. 两相体外胃/胰蛋白质消化率
该实验进一步证实了三角褐指藻蛋白质的高消化率，完整生物质和蛋白分离物的消化率分别达到89.3%和76.7%，表明其蛋白营养价值高，易于被利用。
2.9. 氧自由基吸收能力测定
蛋白分离物表现出最强的抗氧化能力，其ORAC值为100.7 ± 9.7 μmol TE/g。热水提取多糖和乙醇沉淀多糖的ORAC值分别为53.6 ± 3.4 μmol TE/g和31.4 ± 1.2 μmol TE/g，表明这些组分均具有一定的抗氧化活性。
研究结论与意义
本研究对中试规模培养的三角褐指藻生物质进行了迄今为止最为全面和深入的生化表征与价值挖掘。主要结论归纳如下：
- 1.
证实了其作为多营养素来源的巨大潜力：三角褐指藻生物质富含蛋白质（37.8%）、脂质（24.5%）和碳水化合物（19.4%），尤其是一种优质的EPA来源（占总脂的25.1%，相当于藻粉干重的1.7%），同时富含岩藻黄质。这为其在替代鱼油、开发人类营养补充剂和高端水产饲料方面奠定了物质基础。
- 2.
揭示了复杂且具有生物活性的脂质图谱：研究不仅系统鉴定了35种TAG、数十种半乳糖脂和磷脂，其突破性发现在于首次在该藻中鉴定出三种SQMG，并发现了一种新型长链SQDG (C16:1/C24:0)。这些磺酸脂和半乳糖脂已被广泛报道具有抗炎、抗癌、抗菌等生物活性，这意味着三角褐指藻可以作为新型生物活性脂质的宝贵资源库，在制药和功能食品领域拥有广阔前景。
- 3.
建立了从复杂基质中分离特定脂质类的可行方法：研究证实，传统的固相萃取不足以分离复杂脂质，而结合CombiFlash快速色谱与NMR结构鉴定，可以成功制备富含MGDG、DGDG、SQDG和PC的组分。这为后续针对特定活性脂质的规模化制备、功能研究与产品开发提供了关键技术路径。
- 4.
评估了蛋白质与多糖的营养与功能特性：研究证实三角褐指藻蛋白质氨基酸组成均衡，且体外消化率极高，特别是完整藻粉的消化率接近90%，这意味着即使不经过复杂的蛋白提取工艺，其整体生物质也可能直接用于饲料，降低了应用成本。同时，提取的蛋白和多糖组分均显示出显著的抗氧化活性，赋予了其作为功能性食品添加剂的潜力。
综上所述，这项研究的意义远不止于提供一份详细的三角褐指藻“成分清单”。它通过系统性的“分拆-解析-评估”策略，向我们展示了一条清晰的微藻高值化综合利用路径：从一个规模化培养的藻类生物质出发，可以序列分离出富含EPA的油脂（用于饲料和保健食品）、具有特定生物活性的糖脂/磺酸脂（用于药物先导化合物开发）、高消化率的蛋白（用于功能性蛋白粉或饲料），以及具有抗氧化活性的多糖（用于膳食纤维或功能配料）。 这项工作极大地推动了三角褐指藻从一种“有潜力的”模式微藻，向一种“成分清晰、价值明确、应用路径可行”的可持续生物制造平台转变，为蓝色生物经济的发展提供了一个强有力的实证案例。
