细胞结构、组分对微藻破损响应的分子机制

A bottleneck issue of microalgae-based bioenergy extraction is the lack of highly-efficient cell disruption method. Extrusion has been considered as one of the most promising microalgal cell disruption methods, due to its high cell disruption rate, low energy consumption, as well its efficiency on the extraction of intracellular valuables. However, without the knowledge about the damage process of cell structure, cell component or corresponding micro-mechanism under extrusion induced microalgal cell disruption, the application of extrusion on microalgal bioenergy extraction is greatly restricted. This proposal will focus on the study of dynamic damage of microalgal cell responding to extrusion and its cell rupture mechanism. The main contents include: 1) the damage process of microalgal cell structure under extrusion will be dynamically analyzed based on the change of cell morphology, cell ultrastructure and cell wall components etc.; 2) cell disruption regularity of microalgae will be clarified by determining the change of cellular components, their properties and releasing rate, combining with the collapse process of cell structure; 3) “cell vacuity” will firstly be introduced to determine the stress of extrusion on microalgae cell, the molecular mechanism of microalgae response to extrusion induced cell break-up will be further illuminated, according to the quantitative relationship between microalgal cell disruption and extrusion effect. This research will provide theoretical basis for the production of bioenergy from microalgae.

微藻破壁是微藻生物能源提取的瓶颈，挤压膨化法由于具有能提高微藻细胞破碎率、降低细胞破损能耗、实现细胞有效成分的高效提取等特点，成为较具应用潜力的微藻破壁方法。然而，目前针对挤压膨化下细胞微观结构、细胞组分的破损变化及微观作用机制还缺乏清晰的认识，限制了挤压膨化在微藻生物能源提取中的进一步应用。本项目拟对微藻细胞响应挤压膨化的破损动态历程和机理展开研究，主要内容包括：1）根据微藻细胞受挤压膨化作用下微观形貌、超微结构、细胞壁组分等的变化，解析微藻细胞微观结构破损的动态历程；2）考察微藻细胞微观结构破损的同时，细胞内主要组分组成、性质和释放情况的变化，阐明微藻细胞的破损规律；3）引入“细胞真空度”作为微藻细胞受力程度的判定依据，建立微藻细胞破损和挤压膨化效应的定量关系，揭示微藻细胞响应挤压膨化破损作用的分子机制。为利用微藻制备生物能源提供理论依据。

微藻破壁是微藻生物能源提取的瓶颈，挤压膨化是较具应用潜力的微藻破壁方法。明确微藻响应挤压膨化作用下的破损行为和机理是挤压膨化这项技术得以应用的理论基础。本项目针对该问题开展了一系列研究，取得了相应特色成果。具体地，.1）采用直流电机Y2132M-4（7.5kW），变频器HB-H6，针对藻粉含水率不同粘度发生变化的特点，自制模头，完成挤压膨化机的试制与测试。在藻粉含水率21%，转速400rpm处理下，所试制的膨化机处理速度约为30kg/h，处理量较大，达到工业化级别。.2）研究不同挤压膨化条件下微藻细胞微观结构的破损情况，观察其细胞破碎的状态和细胞表面结构的改变。随着挤压膨化的强度增大，扫描电镜观察发现微藻细胞被压缩，发生变形，呈现褶皱收缩的微藻细胞表面，随后，微藻细胞细胞壁断裂，再后，微藻整个细胞断开。结合透射电镜发现，经挤压膨化作用后，细胞内部结构逐渐发生破损，细胞器无明显界限，细胞内部浑浊，外部细胞壁变形及破裂。.3）在微藻细胞微观结构破损的同时，细胞生物有效组分（油脂、蛋白、多糖）组成、性质和释放情况也相应发生变化。经挤压膨化处理后的微拟球藻油脂的得率最高达到23.4%，且油脂得率与油脂中PUFA的比例具有正相关性。挤压膨化显著增加氨基酸EAA和TAA 的比例，提高了微藻蛋白的食用价值。挤压膨化处理使得藻总糖得率明显增加，但还原糖得率降低，水溶出糖中葡萄糖和半乳糖的增加比率明显大于甘露糖和鼠李糖。.4）与常规的细胞破壁技术如超声法、球磨法、高压均质法做参比，系统分析挤压膨化对微藻细胞破损过程的能量平衡，挤压膨化法在获得相当的油脂得率时，能耗为其他方法的百分之一。充分体现本项目所采用的挤压膨化技术在微藻细胞破损上有较优的效能。.5）创新地将挤压膨化破碎微藻细胞的方法应用到海藻肥的制备研究中，所制备的海藻肥在污染土壤的修复、提高作物产量方面具有较好的作用效果。