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拟南芥在平板光生物反应器中生产脂肪酸,蛋白质

克里斯·J·赫拉特(Chris J. Hulatt)博士 RenéH.Wijffels教授 西尔维·波拉教授 维斯瓦纳特·基隆(Viswanath Kiron)教授

Macroalga是营养市场原料的强大候选人

拟南芥
拟南芥 is a genus of robust, oleaginous microalgae that synthesizes 环保局 during balanced growth, and is a promising candidate for commercial applications. Source: //commons.wikimedia.org/wiki/File:CSIRO_ScienceImage_10697_Microalgae.jpg

掺入较大比例的植物性材料可能有益于人类和动物的可持续健康饮食。光养微藻是替代食品和饲料成分特别有希望的来源,因为许多微藻能够合成天然陆生植物来源无法提供的其他代谢产物。作为单细胞分子工厂,微藻类还可以利用废物流或盐水供应在不适合农业的边缘土地上种植。

一些微藻类会合成很长的脂肪酸(碳链长度超过20个),包括二十碳五烯酸(EPA,C20:5n-3)和二十二碳六烯酸(DHA,C22:6n-3)。这些omega-3脂肪酸是养殖鱼类和人类高质量饮食的重要组成部分,并且必须以正确的量提供。

用微藻中的单细胞油和蛋白质代替水产饲料成分,可以减少水产养殖对环境的影响,提高营养质量,并减少可能在海洋食物链中积累的污染物带来的风险。为了生产优质的微藻生物质作为全饲料成分,栽培技术应旨在平衡脂质分布和蛋白质含量。

另一种可能更有效的方法是生物精制类型的系统,其中微藻油可以从细胞生物质中分离出来,并用作浓缩饲料或食品补充剂。在后一种情况下,可以使石油产量最大化,使氮消耗最小化,并将剩余生物质用于其他过程,包括能源生产。

封闭式光生物反应器为开发最佳微藻生产系统提供了最高水平的实验控制。光生物反应器包括各种设计,可以大致分为管状系统,平板,柱和生物膜配置。具有短光程长度的平板光生物反应器是最佳设计之一,因为它们具有高的容积效率(它们具有高的表面积体积比)并且比管状系统消耗的能量少。

拟南芥 is a genus of robust, oleaginous microalgae that synthesize 环保局 during balanced growth, and is a promising candidate for commercial applications. This 文章 summarizes the original publication (//doi.org/10.1371/journal.pone.0170440) of study that examined changes in the biochemical composition of 拟南芥 sp。在优化的平板光生物反应器中进行培养,作为水产饲料的潜在原料,并就其生产力,蛋白质含量和脂质组成(包括将LC-PUFA分配为中性脂质)进行了研究。

研究设置

微藻 拟南芥 sp。 (菌株211/78,英国藻类和原生动物的培养物保藏中心)在高NP和低NP培养基中培养8、12或16天。每个处理重复三次(n = 18个培养),完成3×2设计。实验是在一对平板光生物反应器系统中进行的(图1)。生物反应器的光程为14毫米,总培养体积为400毫升。由暖白色LED提供光,并使用16:8小时的光:暗光周期。

拟南芥
图1:平板光生物反应器系统的配置。光生物反应器使用14毫米的光程,并由暖白LED灯照明。使用在Linux单板计算机上运行的自定义程序来设置,监视和记录光生物反应器。

培养温度为25±0.3摄氏度,可通过内置的加热和外部冷却系统进行控制。每五分钟自动记录一次栽培参数;记录的参数包括入射光子通量密度,透射光子通量,温度,pH,二氧化碳流量和空气流量。

对于生物量的测量,每天收集培养液样品(0.5±1.5 mL),以使用分光光度计测量在540和680 nm的吸光度。有关栽培的更多信息和细节;实验设计;分析硝酸盐和脂质;热值;总蛋白单元大小;和生长曲线拟合,请查阅原始出版物。

结果与讨论

高细胞密度和生产率是有效工业生产微藻生物质所必需的。在我们的研究中,对于 拟南芥。营养不足导致总脂肪酸积累达到干细胞重量的28.1%。

拟南芥
图2:拟南芥的生长性能。 (a)从生长曲线以一个小时的时间步长计算出生产率(P)。 (b)然后根据生物量浓度和生产率(P)随时间计算比增长率(k)。线是治疗手段。

以前的报告表明,基于脂肪酸成分的百分比,EPA中的EPA含量可能会大大降低。 拟南芥 在营养饥饿期间。我们的数据表明,总EPA(毫克/克干重)得以保存,但是,没有证据表明在营养饥饿的情况下总细胞EPA会明显分解或合成。但是,在低NP培养基中营养缺乏时,EPA总脂肪酸的百分比从44.0%降低到15.5%,这可能会影响该物种的石油产品的整体质量。此外,在营养饥饿期间(第16天,低NP),多达37%的总细胞EPA从极性脂质转移到中性脂质部分。

增加总脂质含量和热值的能力 拟南芥 sp。在不显着降低总EPA含量的情况下,确实为调整总脂质含量提供了一定的灵活性,但也可能导致该物种的油质发生变化。

图3:拟南芥中性脂质(TAG)中的脂肪酸。 (a)个别脂肪酸(b)总脂肪酸。数据是在低NP培养基中培养8天,12天和16天后的毫克/克干细胞重量。数据是三个重复培养的平均值,误差线表示标准偏差。

在营养丰富的生长过程中,omega-3:omega-6的比例高达22.9,但是在营养不足的情况下,该比例降低到3.2。高比例对于水产饲料来说是理想的,但是用天然农作物很难实现,这使得微藻类脂质成为鱼油的潜在替代品

图4:细胞蛋白质含量与EPA,热值和总脂肪酸的关系。 (a)在低NP和高NP处理中培养8、12和16天后,干细胞质量中蛋白质百分比与EPA百分比之间的关系用线性拟合描述。 (b)在低NP和高NP处理条件下培养8、12和16天后,蛋白质百分比与发热量之间的关系用线性拟合描述。 (c)所有处理中蛋白质和总脂肪酸百分比之间的关系用二次拟合描述,每个数据点均来自一次栽培(n = 18)。

在营养丰富的条件下, 拟南芥 细胞质量包含50%到55%的粗蛋白,对于水产饲料中的全细胞成分而言,这是一个很好的价值。通常,鲑鱼的饮食中需要36%到38%的可消化蛋白质(以干物质为基础),但是罗非鱼(杂食鱼)的可消化蛋白质减少到29%。

传统上,传统的水产饲料严重依赖鱼粉中的蛋白质,但是改良的现代饲料替代了大量的鱼类来源成分来代替大豆蛋白。我们对全细胞的较高蛋白质值 拟南芥 尽管大豆浓缩蛋白可以包含63%或更多的蛋白质,但指数生长期间的含量略低于鱼粉(62%至72%),但高于全豆粕(44%)。

我们的数据与淡水微藻比较好 节肢动物 (58%)和 小球藻 (52%)。 拟南芥 在饲喂试验中还对一些养殖物种的饮食进行了测试。在大西洋鳕鱼的试验中,喂食 拟南芥 sp。和 等渗 sp。 (含28%)显着降低了采食量和生长量。但是,脱脂的生物量(脂质提取后的残留生物量)为 拟南芥 在对大西洋鲑鱼的研究中,发现(夹杂物含量高达20%)可以提供与传统水产饲料相当的增长率。

当将全细胞生物量纳入饮食时,细胞蛋白质和脂质的生物利用度可能会受到限制。为了使细胞完全分解,在我们的研究中有必要结合使用珠磨和超声。但是,在工业应用中应考虑代谢物的有效回收和细胞内含物的生物利用度。珠磨会消耗大量能量,因此,例如,提取油和蛋白质的工业方法可能需要仔细选择。细胞内组分的提取效率在生长阶段也有所变化,氮消耗改善了细胞内组分的释放。

光生物反应器是经过优化以将光能转换为生物质能和特定产品的设备。高光能转换效率对生物燃料至关重要,对可持续食品和饲料也同样重要。我们的光生物反应器是使用人造LED光源的模型实验系统。由于光合作用的最大太阳能转化率限制在8%到12%之间,因此全规模生产系统将需要使用自然阳光,但是我们的实验室规模的系统为受控实验提供了机会。在我们模拟的16:8小时光周期中,我们获得的光转换效率高达每摩尔PAR 0.70克生物量(光合有效辐射PAR是波长为400至700 nm的光,是植物利用的光谱的一部分(用于光合作用)到达肉汤的最外层表面。这些值与优化的光生物反应器系统中的其他研究相当。

维护封闭式光生物反应器系统的主要能源成本体现在为气体交换和混合提供动力方面。光合作用的吸光度与光生物反应器的被照表面积(m2)成比例,而混合中包含的能量与反应器体积(m3)成正比。因此,具有短光程长度(高表面积体积比)的平板光生物反应器是能量效率最高的生产平台。

观点

对于水产饲料,需要含有足够的ω-3脂肪酸和蛋白质的微藻。培养 拟南芥 在营养充足的条件下或仅需轻度营养消耗的情况下,即可维持必需的蛋白质含量,并可能为生产用于营养应用的完整全细胞生物质提供最佳策略。

虽然 拟南芥 作为为营养市场提供藻类原料的有力候选者,具有互补脂肪酸特征的几种微藻类的生物量可能会结合在一起以优化微藻类饮食的质量。从微藻类中提取和浓缩蛋白质和油类可能还具有提供最佳营养的优势。


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