《Algal Research》：Seasonal biochemical fingerprints of Kappaphycus alvarezii grown in Southern Brazil: Efficient extraction of pigments and mycosporine-like amino acids using biosolvents
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研究巴西南部红藻Kappaphycus alvarezii新鲜 biomass与残渣中色素及MAA的季度变化，发现新鲜藻含更多叶绿素a和藻蓝蛋白，残渣MAA浓度更高（135.64 vs 106.15 μg·mg?1）。生物溶剂中乙醇提取叶绿素效率最优（+37% vs ionic liquids），乙醚酸对PBP和MAA提取效果更佳。PCA显示冬季样本因低温形成更均质组别，印证温度对色素代谢的影响。该成果为可持续生物炼制提供新策略。
Alex Schneider | Aline Nunes | Alex Alves dos Santos | Sónia P.M. Ventura | Marcelo Maraschin
巴西南里奥格兰德州卡西亚斯杜苏尔大学（UCS）天然与合成产物生物技术实验室
摘要
- 本研究调查了在巴西南部栽培的红藻Kappaphycus alvarezii中色素含量的季节性变化，以及从该藻类中提取具有生物刺激特性的水溶性成分后所产生的残留生物质中的色素含量变化。使用生物溶剂提取了叶绿素、藻胆蛋白（PBPs）和类菌孢氨酸氨基酸（MAAs）等生物活性化合物。数据通过Scott-Knott检验（p < 0.05）和多元分析方法进行了分析。结果显示，新鲜海藻中的叶绿素a和藻胆蛋白浓度高于残留生物质，尤其是藻红蛋白的含量更为丰富。有趣的是，残留物中的MAAs含量（135.64 μg.mg^-1）高于新鲜生物质（106.15 μg.mg^-1），这表明在生物刺激剂生产过程中可能存在这些物质的积累。主成分分析（PCA）将样本分为两组：一组具有高叶绿素a和藻胆蛋白水平的海藻样本，另一组则含有较高浓度的MAAs。总体而言，新鲜藻类生物质中的色素含量高于残留物。
引言
- 海洋来源的色素主要分为三类：藻胆蛋白、叶绿素和类胡萝卜素[1]。藻胆蛋白（包括藻红蛋白、藻蓝蛋白和异藻蓝蛋白[2]）因其鲜艳的颜色而在食品和生物医学领域具有应用价值[3]，同时其抗氧化和抗衰老特性也使其在化妆品领域受到重视[4]。叶绿素及其衍生物因其光物理特性而被广泛应用于生物医学领域，有助于疾病诊断和治疗[5]。类胡萝卜素因其抗氧化和保护作用而在水产养殖、食品和化妆品中得到广泛应用[6]。
- 类菌孢氨酸氨基酸（MAAs）虽然无色，但是一类重要的光保护分子，主要存在于红藻中，并在化妆品工业中得到广泛应用[7]。它们的结构多样性体现在吸收光谱范围（268至362 nm）以及特定的氮或羟基取代基上，这些因素会影响它们的质荷比（m/z）[9]。季节性变化会显著影响MAAs和色素的含量与结构[10]，因此需要在生产高峰期收集藻类生物质以确保其质量的一致性。
- 在产生天然色素和MAAs的生物体中，大型藻类因其固定生长、多细胞、肉眼可见、真核及光自养的特性而成为最重要的经济可行来源之一[11]。它们还产生多种次级代谢产物，其组成受物种、环境因素以及栽培和收获条件的影响[12]。因此，大规模生产大型藻类以提取色素和MAAs在各个行业中越来越具有可行性。
- 其中，红藻Kappaphycus alvarezii尤为突出。该藻类具有三种主要的颜色形态：红色、绿色和棕黄色，这反映了不同菌株中的主要色素[13, 14]。自1967年起，这种藻类在亚洲开始商业化种植，印度尼西亚占全球供应量的65%[15]；巴西的商业化种植始于2020年，主要集中在南部地区的圣卡塔琳娜州，2023-2024年的收获量为751.09吨（湿重）[16]。环境因素（如pH值、盐度和温度，特别是在冬季）会影响K. alvarezii的生化多样性[17]。这引发了低温是否可能诱导出不同的生化表型、从而提升其商业价值的疑问[18]。
- 管理和收获方式也会影响海洋藻类的代谢物和色素组成，包括叶绿素、类胡萝卜素和藻胆蛋白的浓度，这些浓度会随水的pH值、盐度、温度[19]、光照强度[20]、深度和季节性[21]而变化。为了实现可持续利用，采用环保的提取工艺变得越来越重要[21]。这促进了有机溶剂、离子液体和深共晶溶剂等生物溶剂的采用，以减少对环境的影响[23, 24]。这些绿色溶剂在天然产物和制药行业中被广泛用于高价值化合物的提取和合成，同时也适用于符合绿色化学原则的分析方法[25, 26, 27]。
- 现有文献大多报道使用传统溶剂提取代谢物的情况，但这些溶剂往往具有污染性、易燃性甚至毒性[28]。色素提取也常用丙酮、氯仿[29]或甲醇[30]等溶剂。相比之下，生物溶剂由于具有独特的理化性质，能够在目标代谢物的提取中表现出选择性[31]，从而具有额外的优势。
- 本研究旨在评估在巴西南部栽培的Kappaphycus alvarezii新鲜生物质和残留生物质中色素及MAAs组成的季节性变化，确定这些色素的产量和稳定性，并比较不同生物溶剂在提取色素和MAAs方面的效率。
样品采集
- 新鲜K. alvarezii生物质及其提取生物刺激剂衍生物后的残留物样本来自巴西南部圣卡塔琳娜州弗洛里亚诺波利斯的两个海藻养殖场——Ribeir?o da Ilha（RIB，27° 42′ 32.724″ S, 48° 33′ 35.5″ W）和Palho?a（PAL，27° 46′ 29.928″ S, 48° 37′ 50.7″ W）（图1）。采样工作在2022/2023年的整个生长周期内进行，共收集了32个样本：秋季采集了4个样本（RIB-1等）
叶绿素提取及季节性分析方案的优化
- 在测试的多种生物溶剂（如EtOH、LIM、CYR）中，EtOH的叶绿素提取效率最高（0.3505 ± 0.0226 μg.mg^-1），显著高于LIM（0.2550 ± 0.0071 μg.mg^-1）和CYR（0.2773 ± 0.0076 μg.mg^-1），分别高出37%和26%（图2）。
- 乙醇因其在提取大型藻类叶绿素衍生物方面的高效性而广受认可
结论
- 本研究优化了新鲜K. alvarezii生物质及其提取残留物中色素的提取方法，展示了可持续生物基溶剂的潜力。可再生乙醇的叶绿素回收率最高，而乙酸乙酯在提取藻胆蛋白（PBP）和类菌孢氨酸氨基酸（MAAs）方面表现出最高的效率。结合绿色提取策略、季节性评估和残留物再利用，有助于推动循环经济和生物精炼的发展。
CRediT作者贡献声明
Alex Schneider：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、实验设计、数据分析、概念构建。
Aline Nunes：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验设计、数据分析。
Alex Alves dos Santos：撰写 – 审稿与编辑。
Sónia P.M. Ventura：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金申请、概念构建。
Marcelo Maraschin：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源管理。
资助声明
本研究得到了巴西联邦研究生教育支持与评估机构（CAPES）的资助（项目编号：88881.846799/2023-01）和巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）的资助（项目编号：142391/2020-4）；此外还获得了CNPq的额外资助（项目编号：306495/2023-6和405949/2022-7），以及圣保罗研究基金会（FAPESP）的资助（项目编号：2023/03886-1）。本研究工作是在CICECO阿维罗材料研究所的框架下进行的。
未引用参考文献
[22]
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢圣卡塔琳娜州的水产养殖从业者提供了用于本研究的藻类生物质和残留物。
