珠磨法破碎小球藻提取類胡蘿卜素的動(dòng)力學(xué)及能量消耗分析

陸孔泳，謝友坪,2,3,*，趙旭蕊，賀詩欣，陳劍鋒,2,3,*

（1.福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省海產(chǎn)品廢棄物綜合利用工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350108；3.福州市海產(chǎn)品高值化利用行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，福建 福州 350108）

小球藻是普生性單細(xì)胞綠藻，具有光合作用效率高、生長(zhǎng)速率快等特點(diǎn)，同時(shí)在一定培養(yǎng)條件下，藻細(xì)胞還可高效積累某一細(xì)胞成分，如蛋白質(zhì)、多糖、油脂和色素等[1]，因此在醫(yī)藥、食品及飼料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。藻色素如葉綠素是天然的解毒劑，可以促進(jìn)人體排毒、改善健康狀況、緩解潰瘍等；類胡蘿卜素可作為天然著色劑和抗氧化劑用于食品、化妝品和醫(yī)藥產(chǎn)品等。但這些藻細(xì)胞成分大多位于細(xì)胞內(nèi)，分布于細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞器中或結(jié)合于細(xì)胞膜上，被堅(jiān)韌的細(xì)胞壁所包裹，若要高效提取這些有效成分，就必須先對(duì)藻細(xì)胞進(jìn)行破碎處理[5-6]。

目前用于細(xì)胞破碎的方法較多，如微波破碎、超聲破碎、高壓勻漿破碎、珠磨破碎、化學(xué)法破碎、凍融法破碎、酶法破碎等[7-9]，但能規(guī)?；驊?yīng)用于工業(yè)的細(xì)胞破碎方法較少，其中珠磨破碎、高壓勻漿破碎和超聲破碎法被認(rèn)為是幾種易于放大的細(xì)胞破碎方法[7-8,10-11]。Lee等[12]在提取微藻油脂過程中，比較了6 種破碎方式對(duì)Botryococcus braunii細(xì)胞中油脂萃取的影響，發(fā)現(xiàn)采用珠磨破碎法可獲得最佳的油脂萃取效率。Chan等[13]研究表明相比超聲破碎法，采用珠磨破碎法破碎Scenedesmus obliquus CNW-N細(xì)胞可獲得最佳的細(xì)胞破碎效果。Utomo等[14]在提取微藻葉黃素過程中，發(fā)現(xiàn)研磨法對(duì)Chlorella sp. ESP-6細(xì)胞的破碎效果要優(yōu)于超聲破碎和微波破碎法。Xie Youping等[15]比較了6 種細(xì)胞破碎方法對(duì)Desmodesmus sp. F51細(xì)胞破碎的影響，結(jié)果表明采用珠磨破碎法的細(xì)胞破碎效果最佳，其次為高壓勻漿破碎法。因此，相比于其他細(xì)胞破碎方法，珠磨破碎法對(duì)各種微藻細(xì)胞的破碎效果普遍較好，而且珠磨破碎法已成功規(guī)?；瘧?yīng)用于工業(yè)微生物細(xì)胞破碎過程[16]。

一般而言，對(duì)于大多數(shù)生物產(chǎn)品的下游加工過程，其成本投入可占到總成本投入的60%左右[17]。雖然藻細(xì)胞破碎過程可顯著提高藻細(xì)胞成分的提取效率，但其細(xì)胞破碎過程中的能量輸入?yún)s不容忽視[18]。藻細(xì)胞組分種類較多，在開發(fā)利用過程中，可根據(jù)組分特性、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)成本及提取方法差異選擇合適的細(xì)胞破碎程度[9]，從而達(dá)到提高提取效率、減小能耗、降低生產(chǎn)成本的目的。Angles等[19]采用高壓破碎法破碎Nannochloropsis sp.藻細(xì)胞，當(dāng)細(xì)胞破碎率為84%時(shí)，其油脂萃取得率可達(dá)50%。Shun等[20]研究了Botryococcus braunii藻細(xì)胞的破碎程度對(duì)碳水化合物提取率的影響，分別采用循環(huán)粒子干擾器、高壓均質(zhì)機(jī)破碎藻細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)其細(xì)胞破碎程度分別達(dá)2.2%～9.3%、27%～55%時(shí)，二者均可明顯提高碳水化合物提取率。Grossmann等[21]采用高壓均質(zhì)機(jī)破碎Chlorella protothecoides細(xì)胞，在藻細(xì)胞破碎程度達(dá)99.9%時(shí)，其可溶性蛋白和不可溶性蛋白提取量分別達(dá)（46.3±0.1）、（67.2±1.0）g/100 g。因此，有必要進(jìn)一步優(yōu)化珠磨破碎過程，分析其細(xì)胞破碎過程的動(dòng)力學(xué)情況，同時(shí)結(jié)合能量消耗分析細(xì)胞破碎程度對(duì)細(xì)胞有效成分提取的影響，為降低藻細(xì)胞破碎過程的成本投入提供指導(dǎo)依據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)以小球藻冷凍干燥藻、濕藻細(xì)胞為研究對(duì)象，采用珠磨法破碎藻細(xì)胞，以葉綠素釋放量為指標(biāo)評(píng)價(jià)細(xì)胞破碎程度，分析其細(xì)胞破碎過程的動(dòng)力學(xué)情況，同時(shí)結(jié)合能量消耗分析細(xì)胞破碎程度對(duì)類胡蘿卜素提取的影響，旨在為小球藻的細(xì)胞破碎過程及其有效成分的開發(fā)利用提供理論參考和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小球藻（Chlorella sorokiniana）購自中科院水生生物研究所淡水藻種庫，編號(hào)為FACHB-275。采用BG-11培養(yǎng)基培養(yǎng)小球藻細(xì)胞，在光照強(qiáng)度150 μmol/（m2·s）、溫度26～28 ℃、通氣速率0.15 m3/（m3·min）、連續(xù)供應(yīng)2.5% CO2作為唯一碳源的條件下培養(yǎng)6～7 d，收獲藻細(xì)胞，即獲得濕藻細(xì)胞。將所收獲藻體置于冷凍干燥機(jī)中干燥24 h即獲得冷凍干燥藻細(xì)胞。

0.5 mm玻璃珠 上海奧然科貿(mào)有限公司；乙醇、氫氧化鉀（均為分析純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AB104N電子天平 德國Sartorius公司；U-2001紫外-可見分光光度計(jì) 日本Hitachi公司；TDL-40B低速臺(tái)式大容量離心機(jī)、TGL-16G高速離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；Minibeadbeater-16研磨珠破碎儀 美國Biospec公司；RCT B S25型磁力攪拌器 德國IKA公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；FD-1C-50冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；SCILOGEX MX-S多功能漩渦混合器 北京卓信偉業(yè)科技有限公司；NanoBrook Omni多角度粒度與高靈敏度Zeta電位分析儀 美國布魯克海文儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 珠磨法破碎小球藻細(xì)胞

采用Minibeadbeater-16研磨珠破碎儀，以蒸餾水為溶劑，選取細(xì)胞破碎過程中的關(guān)鍵因素：藻液體積/mL∶研磨珠質(zhì)量/g（10∶1、10∶3、10∶5、10∶7、10∶9）、藻細(xì)胞質(zhì)量濃度（10、40、80、120、160、200、240 g/L）和破碎時(shí)間（1、3、5、7、9 min）進(jìn)行細(xì)胞破碎實(shí)驗(yàn)，考察不同操作條件下的細(xì)胞破碎率。

1.3.2 葉綠素釋放量和細(xì)胞破碎率的測(cè)定

利用細(xì)胞破碎過程中葉綠素的釋放量來測(cè)定細(xì)胞破碎率[11,22]。將1 mL 細(xì)胞破碎液置于12 000 r/min條件下離心1 min，取50 μL上清液與950 μL無水乙醇混勻。以體積分?jǐn)?shù)95%乙醇為空白對(duì)照，分別在664 nm和649 nm波長(zhǎng)處測(cè)定樣品的光密度值，根據(jù)公式（1）～（4）計(jì)算藻體葉綠素釋放量和細(xì)胞破碎率。

式中：ρChla和ρChlb分別為葉綠素a和葉綠素b的質(zhì)量濃度/（mg/L）；ρBiomass為藻體細(xì)胞質(zhì)量濃度/（g/L）；XChl,0和XChl分別為細(xì)胞破碎前和破碎后葉綠素的釋放量/（mg/g）；XChl,max為細(xì)胞破碎后葉綠素的最大釋放量/（mg/g）；RChl為細(xì)胞的破碎率/%。

1.3.3 比能量消耗的計(jì)算

比能量消耗（每克藻細(xì)胞破碎所需要消耗的能量）[15]可根據(jù)公式（5）計(jì)算。

式中：E為破碎過程中的比能量消耗/（kJ/g）；P為破碎機(jī)功率/kW；t為破碎時(shí)間/s； m為藻粉的質(zhì)量/g。

1.3.4 細(xì)胞破碎率的動(dòng)力學(xué)擬合

在珠磨破碎小球藻細(xì)胞過程中，由于圓盤的高速旋轉(zhuǎn)，細(xì)胞懸浮液和珠子相互攪動(dòng)，細(xì)胞的破碎是由剪切力層之間的碰撞和磨料的滾動(dòng)而引起的，破碎作用遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)定律[23]（式（6））。

式中：X為t時(shí)刻葉綠素的釋放量/（mg/g）；Xm為細(xì)胞100%破碎時(shí)葉綠素釋放量/（mg/g），k為一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)。

將該方程進(jìn)行積分，可得到式（7）。

式中：R是被釋放葉綠素的比例（破碎率）。

1.3.5 類胡蘿卜素提取量的測(cè)定

采用Chan等[13]報(bào)道的方法萃取藻細(xì)胞類胡蘿卜素。往破碎后的藻液中加入氫氧化鉀至體系中氫氧化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，將樣品置于40 ℃條件下，水浴40 min，之后加入無水乙醚進(jìn)行類胡蘿卜素萃取，重復(fù)萃取步驟，直至乙醚層無色。最后，使用氮?dú)鈱⒁颐演腿∫捍蹈?，加入丙酮進(jìn)行重懸，在444 nm波長(zhǎng)處測(cè)定光密度值。根據(jù)式（8）計(jì)算藻體類胡蘿卜素提取量[24]。

式中：ρ類胡蘿卜素為類胡蘿卜素提取量/（mg/L）。

1.3.6 藻細(xì)胞粒徑分布的測(cè)定

選取不同細(xì)胞破碎率（0～100%）的藻液，用蒸餾水稀釋至一定濃度后置于多角度粒度與高靈敏度Zeta電位分析儀上測(cè)定其粒徑分布情況。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 8.5軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、非線性擬合和數(shù)據(jù)圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 藻液體積/研磨珠質(zhì)量對(duì)小球藻細(xì)胞破碎率的影響

圖1 不同藻液體積/研磨珠質(zhì)量對(duì)小球藻細(xì)胞破碎的影響Fig. 1 Effects of algal/bead ratio on cell disruption of Chlorella sp.

由圖1可知，藻液體積/研磨珠質(zhì)量從10∶1降低至10∶7時(shí)，冷凍干燥藻和濕藻細(xì)胞破碎率均呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)；但進(jìn)一步降低至10∶9時(shí)，其細(xì)胞破碎率均提高不明顯。分析原因可能是由于隨著藻液體積/研磨珠質(zhì)量的減小，研磨珠與藻體細(xì)胞之間的碰撞次數(shù)和頻率明顯提高，從而有利于細(xì)胞破碎[25]；但當(dāng)藻液體積/研

磨珠質(zhì)量過小時(shí)，研磨珠之間由于摩擦產(chǎn)生的熱量也越高，而用于細(xì)胞破碎的能量也就有所減少，使其達(dá)不到適合細(xì)胞破碎的速率分布，從而導(dǎo)致細(xì)胞破碎率提高不明顯[25-26]。同時(shí)，考慮到由于濕藻細(xì)胞為完整細(xì)胞形態(tài)，而冷凍干燥藻細(xì)胞其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)在冷凍干燥過程中會(huì)在一定程度上被破壞，導(dǎo)致其細(xì)胞壁堅(jiān)硬程度有所削弱，因此在相同藻液體積/研磨珠質(zhì)量條件下，濕藻細(xì)胞的破碎率相對(duì)較低。

2.2 藻細(xì)胞質(zhì)量濃度對(duì)小球藻細(xì)胞破碎率的影響

圖2 不同藻細(xì)胞質(zhì)量濃度對(duì)小球藻細(xì)胞破碎的影響Fig. 2 Effects of cell concentration on cell disruption of Chlorella sp.

由圖2可知，當(dāng)冷凍干燥藻細(xì)胞質(zhì)量濃度由10 g/L提高至120 g/L時(shí)，對(duì)其細(xì)胞破碎過程無明顯影響，但進(jìn)一步提高至160 g/L時(shí)，細(xì)胞破碎率由90.51%明顯下降至69.16%；而當(dāng)濕藻細(xì)胞質(zhì)量濃度由10 g/L提高至80 g/L時(shí)，對(duì)其細(xì)胞破碎過程無明顯影響，但進(jìn)一步提高至120 g/L時(shí)，細(xì)胞破碎率由99.58%明顯下降至76.32%。類似地，Bury等[27]使用珠磨破碎法破碎L(zhǎng)actobacillus de lbrueckii ssp. bulgaricus 11842細(xì)胞時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%～46%（濕質(zhì)量）范圍內(nèi)變化對(duì)β-半乳糖苷酶的釋放量無明顯影響。Maria-Regina等[28]使用珠磨法破碎酵母細(xì)胞時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%～60%范圍內(nèi)對(duì)細(xì)胞破碎率無明顯影響。當(dāng)藻液體積/研磨珠質(zhì)量一定時(shí)，隨著藻細(xì)胞質(zhì)量濃度的提高，研磨珠與單位藻體細(xì)胞之間的碰撞次數(shù)和頻率有所下降，從而導(dǎo)致細(xì)胞破碎率降低。而從能量角度分析，當(dāng)輸入能量一定時(shí)，隨著藻細(xì)胞質(zhì)量濃度的提高，單位藻細(xì)胞所得到的能量就越少，當(dāng)這些能量降低至不足以破壞細(xì)胞壁時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致其細(xì)胞破碎率降低。另外，與濕藻細(xì)胞相比，由于冷凍干燥藻細(xì)胞的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)被部分破壞，因此相同的破碎條件可破碎更高質(zhì)量濃度的冷凍干燥藻細(xì)胞。

2.3 小球藻細(xì)胞珠磨破碎過程的動(dòng)力學(xué)分析

在不同藻液體積/研磨珠質(zhì)量及藻細(xì)胞質(zhì)量濃度下，其細(xì)胞破碎率隨破碎時(shí)間的變化趨勢(shì)分別如圖3～6所示。對(duì)于不同的細(xì)胞破碎條件，其細(xì)胞破碎率均隨破碎時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。一般而言，藻液體積/研磨珠質(zhì)量越小或藻細(xì)胞濃度越低，其達(dá)到相同細(xì)胞破碎率時(shí)所需的破碎時(shí)間就越短。通過動(dòng)力學(xué)分析，可發(fā)現(xiàn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可較好地?cái)M合珠磨破碎過程，決定系數(shù)均可達(dá)到0.99左右（表1、2）。珠磨破碎過程的反應(yīng)速率常數(shù)k隨藻液體積/研磨珠質(zhì)量及藻細(xì)胞質(zhì)量濃度降低而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（表1、2）。該結(jié)果表明降低藻液體積/研磨珠質(zhì)量或降低藻細(xì)胞質(zhì)量濃度均有利于提高細(xì)胞破碎率。

圖3 不同藻液體積/研磨珠質(zhì)量條件下冷凍干燥藻細(xì)胞破碎過程的動(dòng)力學(xué)分析Fig. 3 Kinetic analysis of disruption of lyophilized cells at different algal/bead ratios

圖4 不同藻液體積/研磨珠質(zhì)量條件下濕藻細(xì)胞破碎過程的動(dòng)力學(xué)分析Fig. 4 Kinetic analysis of disruption of wet cells at different algal/bead ratio

圖5 不同藻細(xì)胞質(zhì)量濃度條件下冷凍干燥藻細(xì)胞破碎過程的動(dòng)力學(xué)分析Fig. 5 Kinetic analysis of disruption of lyophilized cells at different cell concentrations

圖6 不同藻細(xì)胞質(zhì)量濃度條件下濕藻細(xì)胞破碎過程的動(dòng)力學(xué)分析Fig. 6 Kinetic analysis of disruption of wet cells at different cell concentrations

表1 不同藻液體積/研磨珠質(zhì)量條件下藻細(xì)胞破碎過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合值Table 1 Kinetic equation parameters at different algal/bead ratios

表2 不同藻細(xì)胞質(zhì)量濃度條件下藻細(xì)胞破碎過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的擬合值Table 2 Kinetic equation parameters at different cell concentrations

2.4 不同細(xì)胞破碎率對(duì)類胡蘿卜素提取量的影響

圖7 不同細(xì)胞破碎率對(duì)類胡蘿卜素提取量的影響Fig. 7 Effects of degree of cell disruption on carotenoid extraction

圖8 不同細(xì)胞破碎率條件下冷凍干燥藻細(xì)胞粒徑分布Fig. 8 Particle size distribution of lyophilized cells at different degrees of disruption

圖9 不同細(xì)胞破碎率條件下濕藻細(xì)胞粒徑分布Fig. 9 Particle size distribution of wet cells at different degrees of disruption

如圖7所示，在不同藻細(xì)胞破碎率條件下，類胡蘿卜素提取量隨細(xì)胞破碎率的提高而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。細(xì)胞破碎率從0提高至70%時(shí)，冷凍干燥藻、濕藻細(xì)胞類胡蘿卜素提取量上升趨勢(shì)較為明顯，但當(dāng)細(xì)胞破碎率大于70%時(shí)，冷凍干燥藻細(xì)胞的類胡蘿卜素提取量幾乎維持不變，而濕藻細(xì)胞的胡蘿卜素提取量繼續(xù)緩慢上升，直至其細(xì)胞破碎率達(dá)90%時(shí)，其類胡蘿卜素提取量趨于穩(wěn)定。此時(shí)，結(jié)合不同細(xì)胞破碎率條件下藻細(xì)胞粒徑分布可發(fā)現(xiàn)（圖8、9），在冷凍干燥藻和濕藻細(xì)胞破碎前，其粒徑分布圖有一個(gè)明顯峰值，均在7.5 μm左右，為藻細(xì)胞正常尺寸大??；而對(duì)于不同細(xì)胞破碎率，其藻細(xì)胞粒徑分布相比破碎前均明顯減小，當(dāng)細(xì)胞破碎率大于70%時(shí)，冷凍干燥燥細(xì)胞粒徑均集中分布在0～1 μm之間；而對(duì)于濕藻細(xì)胞，當(dāng)其細(xì)胞破碎率大于90%時(shí)，其細(xì)胞粒徑才可集中分布在0～0.5 μm之間。

以上結(jié)果表明，隨著細(xì)胞破碎率的增大，細(xì)胞破碎過程實(shí)質(zhì)上就是將更多的完整細(xì)胞破碎為較小粒度的細(xì)胞碎片，或者將較大細(xì)胞碎片進(jìn)一步破碎成更小粒徑的細(xì)胞碎片，以促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)含物的釋放[20]。因此一定程度上提高細(xì)胞破碎率有利于提高類胡蘿卜素提取量，但當(dāng)細(xì)胞破碎率大于一定程度時(shí)，由于細(xì)胞內(nèi)含物已實(shí)現(xiàn)最大釋放，類胡蘿卜素提取量將與細(xì)胞破碎率無明顯關(guān)系。如圖7所示，當(dāng)類胡蘿卜素提取量基本相同時(shí)，冷凍干燥藻細(xì)胞和濕藻細(xì)胞的破碎率分別為70%和90%。分析其原因可能是在細(xì)胞破碎過程中，當(dāng)冷凍干燥藻細(xì)胞一旦接觸到水，其細(xì)胞表面類似海綿的疏松多孔架構(gòu)極易吸水，使得藻細(xì)胞迅速恢復(fù)原狀，這時(shí)在細(xì)胞膜內(nèi)外瞬間形成較高濃度差，細(xì)胞內(nèi)滲透壓增大，從而促進(jìn)葉綠素、類胡蘿卜素等組分釋放至破碎液體系中，因此冷凍干燥藻可在較低細(xì)胞破碎率條件下實(shí)現(xiàn)類胡蘿卜素萃取。綜合考慮，可分別選擇70%和90%細(xì)胞破碎率用于冷凍干燥藻和濕藻細(xì)胞的類胡蘿卜素提取。

2.5 相同比能量消耗條件下藻細(xì)胞質(zhì)量濃度對(duì)類胡蘿卜素提取量的影響

在2.4節(jié)的基礎(chǔ)上，選取70%冷凍干燥藻細(xì)胞破碎率（此時(shí)對(duì)應(yīng)的最低比能量消耗為35.0 kJ/g）、90%濕藻細(xì)胞破碎率（此時(shí)對(duì)應(yīng)的最低比能量消耗為87.4 kJ/g），考察不同藻細(xì)胞質(zhì)量濃度對(duì)類胡蘿素提取量的影響。

圖10 相同比能量消耗條件下不同藻質(zhì)量濃度對(duì)類胡蘿卜素提取量的影響圖10 Effects of cell concentration on carotenoid extraction at the same specific energy consumption

如圖10所示，冷凍干燥藻細(xì)胞質(zhì)量濃度由40 g/L提高至160 g/L時(shí)，對(duì)其類胡蘿卜素提取量無明顯影響，但當(dāng)藻細(xì)胞質(zhì)量濃度大于160 g/L時(shí)，其類胡蘿卜素提取量會(huì)明顯下降。而對(duì)于濕藻細(xì)胞，其類胡蘿卜素提取量隨藻細(xì)胞質(zhì)量濃度的提高呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，藻細(xì)胞質(zhì)量濃度由10 g/L提高至80 g/L時(shí)，其類胡蘿卜素提取過程明顯加快；當(dāng)藻細(xì)胞質(zhì)量濃度大于80 g/L時(shí)，其類胡蘿卜素提取量出現(xiàn)大幅下降趨勢(shì)。另外，結(jié)合不同比能量消耗、藻細(xì)胞質(zhì)量濃度對(duì)細(xì)胞破碎率的影響（圖11、12）可知，濕藻細(xì)胞破碎過程所需的能量要高于冷凍干燥藻。在不同藻細(xì)胞質(zhì)量濃度、比能量消耗條件下，其細(xì)胞破碎率均隨比能量消耗的提高而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)冷凍干燥藻細(xì)胞質(zhì)量濃度在40～160 g/L時(shí)，其細(xì)胞破碎率與藻細(xì)胞質(zhì)量濃度無明顯關(guān)系，而只與輸入的比能量相關(guān)。對(duì)于10～80 g/L范圍內(nèi)的濕藻細(xì)胞，其質(zhì)量濃度越高所需的比能量消耗就越小，但當(dāng)質(zhì)量濃度高于80 g/L時(shí)，比能量消耗呈現(xiàn)相反變化趨勢(shì)，即說明在一定程度上提高藻細(xì)胞質(zhì)量濃度有助于提高細(xì)胞破碎過程的能量利用效率[15]。

圖11 不同藻細(xì)胞質(zhì)量濃度條件下比能量消耗對(duì)冷凍干燥藻細(xì)胞破碎率的影響Fig. 11 Effect of specific energy consumption on disruption rate of lyophilized cells at different concentrations

圖12 不同藻細(xì)胞濃度條件下比能量消耗對(duì)濕藻細(xì)胞破碎率的影響Fig. 12 Effect of specific energy consumption on disruption rate of wet cells at different concentrations

綜上可知，冷凍干燥藻細(xì)胞質(zhì)量濃度在40～160 g/L時(shí)，只要保證整個(gè)破碎體系中的比能量消耗相同，均可達(dá)到較為一致的細(xì)胞破碎率及類胡蘿卜素提取效果；而濕藻細(xì)胞質(zhì)量濃度在80 g/L時(shí)，可在較低的比能量消耗情況下達(dá)到較高的細(xì)胞破碎率及類胡蘿卜素提取量。分析其原因可能是冷凍干燥藻細(xì)胞質(zhì)量濃度在40～160 g/L、濕藻細(xì)胞質(zhì)量濃度在80 g/L時(shí)，在輸入比能量相同的破碎體系中藻細(xì)胞與玻璃珠之間保持動(dòng)態(tài)平衡，即可維持藻細(xì)胞與研磨珠之間較適合頻率的碾壓、碰撞與剪切，由此可達(dá)到較穩(wěn)定的細(xì)胞破碎程度及類胡蘿卜素提取量。但當(dāng)冷凍干燥藻細(xì)胞質(zhì)量濃度大于160 g/L、濕藻細(xì)胞質(zhì)量濃度大于80 g/L時(shí)，破碎體系中黏度上升，造成研磨珠與藻液黏連，致使研磨珠在藻液中的運(yùn)動(dòng)速度銳減，其與藻細(xì)胞間的碾壓、碰撞、剪切作用也會(huì)削弱[29]，此時(shí)即使再多的比能量輸入到破碎體系中，其能量也將用于研磨珠本身的運(yùn)動(dòng)，而非用于與藻細(xì)胞間的相互作用，從而導(dǎo)致細(xì)胞破碎率及類胡蘿卜素提取量的下降。綜合考慮，在保證整個(gè)破碎體系中比能量消耗較低的同時(shí)又可獲得較高的類胡蘿卜素萃取效率，冷凍干燥藻細(xì)胞質(zhì)量濃度應(yīng)控制在40～160 g/L，而濕藻細(xì)胞質(zhì)量濃度應(yīng)選取80 g/L。

3 結(jié) 論

采用珠磨破碎法破碎冷凍干燥藻和濕藻細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程均可較好地?cái)M合小球藻細(xì)胞珠磨破碎過程。在類胡蘿卜素提取過程中，冷凍干燥藻和濕藻細(xì)胞的破碎率分別控制在70%和90%時(shí)可獲得最佳的提取效率。結(jié)合破碎過程的能量消耗分析，發(fā)現(xiàn)濕藻細(xì)胞破碎過程所需的能量消耗要高于冷凍干燥藻。但由于藻細(xì)胞在冷凍干燥過程中需消耗額外能量，因此下游加工過程的整體能耗情況還有待進(jìn)一步評(píng)價(jià)。但若僅對(duì)細(xì)胞破碎過程而言，在保證整個(gè)破碎體系中比能量消耗較低的同時(shí)又可獲得較高的類胡蘿卜素提取效率，冷凍干燥藻細(xì)胞質(zhì)量濃度應(yīng)控制在40～160 g/L，而濕藻細(xì)胞質(zhì)量濃度應(yīng)選取80 g/L。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為小球藻的細(xì)胞破碎過程及其有效成分的開發(fā)利用提供一定的理論參考和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。