定制化光照增强螺旋藻生长及藻蓝蛋白合成的混合设计研究

　　本研究针对螺旋藻(Spirulina platensis)生物量与色素合成效率优化难题，通过混合设计方法系统探究单色光(红/白/蓝)及双色光(50-50/70-30)组合在200?μmol/m2 .s总强度下对藻体生长、藻蓝蛋白(PC)、叶绿素a及类胡萝卜素合成的影响。研究发现70%红+30%蓝双色光组合可实现最高生物量(8.8?g/L)和PC产量(1.41?mg/mL)，揭示蓝光比例对色素合成的双重调控机制，为工业级藻类色素生产提供经济优化方案。

　　

在天然色素需求激增的背景下，合成色素的健康风险促使研究者将目光转向具有高价值色素的蓝藻。其中，螺旋藻(Spirulina platensis)因其富含藻蓝蛋白(PC，占干重15-20%)等色素而备受关注，该色素已被FDA认证为食品级着色剂。然而，工业化生产中如何通过精准调控光照条件同步提升生物量与色素产量，仍是亟待解决的关键问题。传统研究多聚焦单色光或均衡双色光，对非均衡光质组合及其对营养盐去除的影响缺乏系统探究。

为解决这一难题，来自伊朗的研究团队在《Algal Research》发表论文，创新性地采用单纯形混合设计方法，系统评估红(R)、白(W)、蓝(B)光不同比例组合(单色光100%、均衡双色光50-50、非均衡双色光70-30)在200?μmol/m²
.s总强度下对螺旋藻生长及色素合成的影响。研究首先通过预实验确定最佳光照强度，随后在1-L玻璃光生物反应器中开展30天培养实验，监测生物量、PC、叶绿素a、类胡萝卜素浓度及硝酸盐/磷酸盐去除效率。关键技术包括：LED光源精确调控系统、单纯形混合实验设计、高效液相色谱(HPLC)色素分析、营养盐动态监测等。

结果与讨论
预实验显示红光在200?μmol/m²
.s强度下获得最高生物量(3.95?g/L)。混合设计实验表明，70R-30B组合实现多项指标峰值：生物量(8.8?g/L)、PC(1.41?mg/mL)、叶绿素a(0.118?mg/mL)和类胡萝卜素(0.0345?mg/mL)。值得注意的是，虽然单色蓝光组的PC单位生物量产率最高，但其绝对产量最低，揭示蓝光通过高能光子诱导细胞应激，上调PC合成作为保护机制。营养盐分析显示，双色光中蓝光比例降低会导致细胞色素总量下降，但70R-30B在色素生产率与经济性间取得最佳平衡。

结论与意义
该研究首次证实非均衡双色光(70R-30B)在工业化培养中的优越性：既能通过红光主体保障生物量积累，又借助30%蓝光激活色素合成通路。这一发现突破传统均衡光照的思维定式，为光生物反应器参数优化提供新范式。研究建立的混合设计方法可扩展至其他光合微生物的培养优化，而揭示的蓝光应激-色素合成调控机制为代谢工程改造提供新靶点。从应用角度看，70R-30B方案可直接应用于大型藻类培养设施，显著降低高价值色素的生产成本。