β-葡聚糖因其抗菌、抗病毒、抗肿瘤、抗炎及免疫增强等特性，在医药、营养食品、化妆品和动物健康领域具有广泛应用，全球市场估值达3.4亿美元。目前，β-1,3-葡聚糖主要来源于酵母、谷物、真菌和细菌，但纯度不高。裸藻 Euglena gracilis 又称绿虫藻、眼虫，是一种生活在淡水中的单细胞微藻，其在光合自养或异养下能够合成高纯度的β-1,3-葡聚糖。2012年裸藻已通过了 FDA 食品 GRAS 评价，2013年我国批准将裸藻作为新型食品及食品添加剂使用。
裸藻主要以葡萄糖为碳源异养发酵进行工厂化大规模生产。中国科学院青岛生物能源与过程研究所微生物制造工程中心提出了一种以乙醇为碳源、氨氮为氮源，高密度发酵裸藻生产β-1,3-葡聚糖的方法。首先通过摇瓶实验确定最优培养基组成及培养条件，评估间歇式乙醇投加的分批补料模式对发酵过程的影响，建立了包括乙醇与氨氮消耗、藻细胞生长、细胞组成、溶氧浓度（DO）以及 pH 变化的多尺度发酵动力学模型。利用裸藻在10 L 发酵罐中不同乙醇和氨氮流加方式下的发酵数据进行模型参数优化与验证，成功将发酵工艺放大至50 L 发酵罐规模，发酵速率达到0.95 g/L/h, 发酵周期为88.5 h，比以葡萄糖为碳源的发酵速率提高了3-4倍，发酵周期缩短了一半以上，最终生物量达到85.5 g /L，副淀粉含量为73%。本研究凸显了以乙醇作为底物的裸藻发酵生产β-1,3-葡聚糖的工艺优势，并展示了动力学建模在发酵过程工艺放大中的重要作用。
世界各国大力推进生物制造的大背景下，作为发酵工业粮食的葡萄糖必然成为资源瓶颈，并对全球粮食安全构成威胁。因此，寻找绿色可持续发展的非粮替代碳源对于生物制造发展具有重大意义。目前，利用各种 CO2 光/电/化学催化转化技术已能够成功制备甲醇/甲酸及乙醇/乙酸等小分子有机化合物，但这些小分子物质产品的工业化应用及经济性是个难题。本研究将乙醇作为非粮碳源，进行高密度裸藻发酵，为化学—生物融合实现 CO2 快速、工业化和高值化利用提供新思路，具有重要示范意义。
图1 以乙醇为底物的裸藻高密度发酵生产β-1,3-葡聚糖工艺开发
相关研究成果以 “Euglena gracilis fermentation and kinetic scaleup using ethanol as substrate for β-1,3-glucan paramylon production” 为题发表在 Chemical Engineering Journal 杂志。中国科学院青岛生物能源与过程研究所博士后李璐与中国海洋大学硕士毕业生赵鹏森为本文共同第一作者，中国科学院青岛生物能源与过程研究所陈林副研究员、中国海洋大学张朝晖教授与中国科学院青岛生物能源与过程研究所吕雪峰研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青岛生物能源与过程研究所所长基金等项目经费支持。（文/图 李璐、刘天中）
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163685
Li Lu#; Zhao Pengsen#; Yu Jiang; Wang Yongqiang; Zhou Wenjun; Chen Lin*; Zhang Zhaohui*; Liu Tianzhong; Lu Xuefeng*; Euglena gracilis fermentation and kinetic scaleup using ethanol as substrate for β-1,3-glucan paramylon production, Chemical Engineering Journal, 2025, 515.
