Диссертация: Технология получения липидов из биомассы микроводорослей Сhlorella sorokiniana.

Актуальность темы. Микроводоросли считаются одними из самых многообещающих организмов в качестве устойчивого источника пищи, кормов, фармацевтических препаратов и биотоплива. Кроме того, фототрофные микроводоросли часто имеют высокую скорость деления, поглощают CO2, и для их культивирования не требуется плодородных земель. Микроводоросли вида Chlorella sorokiniana являются продуцентами полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), относящихся к омега-3 и являющимися незаменимыми факторами питания человека. Обогащение современного рациона питания добавками из микроводорослей перспективно для сбалансированного соотношения омега-3/омега-6 жирных кислот. Однако существует ряд проблем, связанных с высокой стоимостью существующих технологий получения БАД из биомассы микроводорослей. Снижение себестоимости липидов микроводорослей при промышленном производстве возможно достичь за счет получения биомассы с максимальным содержанием целевого компонента и подбора технологических операций по его извлечению из биомассы. Таким образом, актуальными являются исследования по разработке экономически выгодной технологии получения липидов из сухой биомассы с максимальным содержанием липидов за счет направленного культивирования микроводорослей.
Степень разработанности темы исследования. Возможное многоцелевое использование биомассы микроводорослей привлекает внимание учёных с 1950-х годов. Технологиям культивирования микроводорослей посвящены исследования многих отечественных и зарубежных учёных, среди которых Голлербах М.М. (1951), Strathmann R. (1967), Bennemann J. и др. (1977), Borowitzka M. (1988), Becker E.W. (1994), Janssen M. и др. (1999), Rodrıǵuez H. и др. (2000), Belay A. (2002), Chisti Y. (2007), Andersen R. (2005), Campo J.A.D. и др. (2008), Azma M. и др. (2010), Béchet Q. и др. (2013), White D. и др. (2015), Дворецкий Д.С. и др. (2015), Loftus S.E. и др. (2017), Xie M. и др. (2018), Esbroeck E.V. (2018). Такие исследователи как Huang Q. и др. (2017), Degen J. (2019), Василов Р.Г. и др. (2019), Helisch H. и др. (2020), Poughon L. (2020), Zhou W. и др. (2020), которые разрабатывали различные системы культивирования микроводорослей и изучали свойства полученных из них ценных компонентов. Исследования Ruiz J. и др. (2016) свидетельствуют, что производство ценных компонентов на основе микроводорослей более экономически целесообразно, чем производство биомассы для биотоплива. Таким образом, использование микроводорослей для производства биологически активных микронутриентов, таких как омега-3, стало особенно привлекательным. Примеры использования микроводорослей для получения липидов пищевого назначения представлены в работах авторов Chu F. и др. (2008), Kovaс D.J. и др. (2013), Camacho F. и др. (2019), Lafarga T. и др. (2019), Uma V.S. и др. (2020), Remize M. и др. (2021).
Цель и задачи исследования: Целью работы являлось подбор условий культивирования микроводорослей Chlorella sorokiniana (C. sorokiniana) и разработка технологии получения липидов из сухой биомассы. Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:  на основании обзора отечественной и зарубежной научно-технической литературы изучить способы направленного культивирования биомассы микроводорослей и технологии получения и фракционирования липидов;  подобрать режимы направленного культивирования C. sorokiniana (спектральная область света, содержание нитратов в среде) для увеличения выхода биомассы с высоким содержанием липидов;  исследовать эффективность способов сгущения, сушки и дезинтеграции полученной биомассы;  изучить параметры экстракции липидов для увеличения их выхода;  определить жирнокислотный состав липидов, полученных из биомассы C. sorokiniana;  осуществить фракционирование липидов из биомассы C. sorokiniana для получения фракции с высоким содержанием длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислот (ДПНЖХ);  провести оценку экономической целесообразности и апробацию разработанной технологии получения липидов из биомассы C. sorokiniana.
Научно-практическая новизна. Подобраны условия направленного культивирования C. sorokiniana за счет варьирования содержания нитратов в питательной среде и освещённости. Получена биомасса C. sorokiniana за счёт сгущения (механические методы), сушки (лиофилизация), дезинтеграции клеточной оболочки микроводорослей (механический метод), подобраны условия экстракции липидов (состав растворителей и температура экстракции). Методом газожидкостной хроматографии показано, что условия культивирования и экстракции влияют на жирнокислотный состав липидов, полученных из биомассы C. sorokiniana. Определено, что в подобранных режимах культивирования (содержание в питательной среде [KNO3]=0,3 г/л; освещённость 5200±300 Лк (133,58 мкмоль/с/м2 ); T=25±5°С; рН=8,0±0,5) экстракт липидов содержит более 75 % ННЖК, многие из которых являются омега-3 (более 26 % линоленовой кислоты). Разработан метод получения липидной фракции с высоким содержанием ДПНЖХ за счет фракционирования липидов, полученных из биомассы C. sorokiniana. Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014–2020 годы» по теме проекта: «Разработка и внедрение инновационных биотехнологий переработки микроводорослей Chlorella sorokiniana и ряски Lemna minor» (Соглашение № 14.587.21.0038, от 17 июля 2017 г.), уникальный идентификатор проекта RFMEFI58717X0038.
Теоретическая и практическая значимость. Разработана технология получения липидов из биомассы C. sorokiniana для последующего применения в пищевой и фармацевтической отраслях. Проведена экономическая оценка рынка и подобрано оборудование для промышленного получения липидов из микроводорослей. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Основы биотехнологии», «Современная биотехнология (на английском языке)», «Биотехнология продуктов растительного происхождения» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология», 19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания», и при выполнении курсовых и дипломных работ. Разработана технологическая инструкция ТИ 2531-001-7804040077-2022 на получение и фракционирование липидов из биомассы C. sorokiniana. Разработанная технология получения липидов из сухой биомассы C. sorokiniana была внедрена в производственных условиях ООО «Альгобиотехнология» (Нововоронеж).
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования послужили положения и современный опыт ведущих отечественных и зарубежных учёных в области культивирования микроводорослей и биотехнологии их переработки, таких, как проф. M. Barbosa, K. Kuchta, S. Nigam, Р.Г. Василов, C. Zhao, Д.С. Дворецкий. Исследования выполнялись на базе: НИЛ «Экологическая биотехнология», НИЛ «Промышленная экология» СПбПУ, лабораториях института экологических технологий и энергосбережения «Гамбургского технического университета (TUHH)» и Санитарногигиенической лаборатории «Центра Гигиены и Эпидемиологии в Ленинградской области (ФБУЗ ЦГиЭ в ЛО)» с применением стандартизированных методов.
Основные положения, выносимые на защиту: - Результаты исследований влияния технологических режимов направленного культивирования C. sorokiniana на скорость роста биомассы и состав липидов; - Результаты исследований по выбору режимов сгущения и сушки биомассы, дезинтеграции клеточной оболочки микроводорослей, экстракции липидов из C. sorokiniana; - Характеристика полученных липидов (состав липидных фракций, жирнокислотный состав биомассы и концентрация тяжёлых металлов); - Способ фракционирования липидов из биомассы C. sorokiniana для получения фракции с высоким содержанием ДПНЖХ; - Технология получения липидов из сухой биомассы С. sorokiniana и её экономическая оценка.
Степень достоверности результатов работы подтверждается применением современных методов исследования, стандартизированных методик выполнения измерений, нормативных документов (ГОСТ, ПНДФ), высокоточного оборудования, а также значительным объемом исследований и применением статистических методов обработки данных. Основные положения коррелируют с известными закономерностями в области исследования.
Апробация работы. Основные научные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 13 Международных и Всероссийских научных конференциях: All-Russian research-to-practice conference «Ecology and safety in the technosphere» (Юрга, 2017), International conference (Алушта, 2018), EECE-2018 (Санкт-Петербург, 2018), I Национальная научно-практическая конференция (Керчь, 2018), Неделя науки СПбПУ (Санкт-Петербург, 2018), Biosystems Engineering (Тарту, Эстония, 2019), International science and technology conference «Earth science» (Владивосток, 2019), III Международная конференция Физика – Наукам о жизни (Санкт-Петербург, 2019), Всероссийский научно-практический Форум «Экологический форсайт» (Саратов, 2019), Алфёровский Форум «Физика микро- и наносистем» (Санкт-Петербург, 2020), Международная научно-практическая конференция «Германия и Россия: экосистемы без границ» (Калининград, 2020), Всероссийская конференция «Биотехнологии и безопасность в техносфере» (СанктПетербург, 2021), V(XIII) Международная ботаническая конференция молодых учёных в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 2022).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 публикация, включая 5 статей в журналах, рекомендованных к изданию ВАК РФ, и 11 статей, проиндексированных в международной базе данных Scopus.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 352 наименования, приложений. Работа изложена на 195 страницах, содержит 29 таблиц и 49 рисунков.
Декларация личного участия автора. Диссертация содержит материал, полученный автором в период с 2017 по 2021 гг.