DOI: https://doi.org/10.1016/j.algal.2026.104610
تاريخ النشر: 2026-02-25
المؤلف: Bruna Dias وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تدرس الدراسة إمكانيات الطحالب البحرية *Fucus vesiculosus* و *Palmaria palmata* كمصادر للمواد الخام لتطبيقات التكرير الحيوي، مع التركيز بشكل خاص على الهيدروليزات الخاصة بها كركائز لخميرة *Yarrowia lipolytica* NCYC 2904. تم إنتاج الهيدروليزات من خلال المعالجة الحرارية المائية والتحلل الإنزيمي، مما أسفر عن ركائز سمحت لـ *Y. lipolytica* بامتصاص مجموعة من مصادر الكربون بكفاءة، بما في ذلك الجلوكوز، والزيلوز، والفوكوز، والمانيتول. ومن الجدير بالذكر أن استهلاك الخميرة للفوكوز وحمض الجلوكورونيك تم الإبلاغ عنه للمرة الأولى، إلى جانب قدرتها على إنتاج الإريثريتول من هيدروليزات *P. palmata* غير المغسولة والمغسولة.
تشير النتائج إلى أن هيدروليز *P. palmata* غير المغسول يعزز إنتاج الإريثريتول وتخليق البروتين، حيث حقق تركيزًا أقصى من الإريثريتول بلغ 40 جرام⋅لتر⁻¹ ومحتوى بروتين بنسبة 29% (وزن/وزن، أساس جاف). في المقابل، أسفر هيدروليز *P. palmata* المغسول عن أعلى تراكم للدهون (15%، وزن/وزن، أساس جاف)، مع دهون غنية بالأحماض الدهنية الأحادية والمتعددة غير المشبعة. تؤكد الدراسة على تعددية استخدام *Y. lipolytica* كمنصة ميكروبية لتحويل الكتلة الحيوية للطحالب البحرية إلى منتجات قيمة، بما في ذلك الكتلة الحيوية الغنية بالبروتين، والدهون، والإريثريتول، مما يساهم في تطبيقات الغذاء والعلف المستدامة ويدعم الاقتصاد الأزرق الحيوي. تسلط الأبحاث الضوء على أهمية اختيار هيدروليزات محددة لتحسين نتائج الإنتاج ضمن سياقات التكرير الحيوي، بما يتماشى مع استراتيجيات الاقتصاد الدائري.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على النمو السريع لسوق الطحالب البحرية العالمية، المتوقع أن يصل إلى 25.4 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2025، مع معدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 12.9% حتى عام 2029. يُعزى هذا التوسع إلى التطبيقات المتنوعة للطحالب البحرية في مختلف الصناعات، بما في ذلك الغذاء، والمكملات الغذائية، والوقود الحيوي، فضلاً عن دورها في تربية الأحياء المائية المستدامة. يوفر زراعة الطحالب البحرية مزايا عديدة، مثل إنتاجية عالية من الكتلة الحيوية وتأثير بيئي ضئيل، لكنها تواجه أيضًا تحديات بيئية بسبب انتشار الأنواع الغازية. تؤكد الورقة على الحاجة إلى استراتيجيات توازن بين استغلال وإدارة الكتلة الحيوية للطحالب البحرية، خاصة ضمن إطار الاقتصاد الدائري.
تدرس الدراسة بشكل خاص إمكانيات الهيدروليزات من نوعين من الطحالب البحرية، *Palmaria palmata* و *Fucus vesiculosus*، كركائز لإنتاج المركبات الحيوية باستخدام الخميرة غير التقليدية *Yarrowia lipolytica* NCYC 2904. تم الحصول على الهيدروليزات من خلال المعالجة الحرارية المائية والتحلل الإنزيمي، ويتم استكشاف قدرتها على إنتاج الكتلة الحيوية الغنية بالدهون والبروتين والإريثريتول في التخمر المغمور. كما تفحص الأبحاث تأثير غسل *P. palmata* على تركيبة الهيدروليزات وإنتاج المستقلبات اللاحقة، مما يعالج فجوة في الأدبيات الحالية بشأن تعزيز قيمة هذه الطحالب في العمليات الحيوية المعتمدة على الخميرة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم قياس تركيز الكتلة الحيوية لـ *Yarrowia lipolytica* باستخدام غرفة عدّ نيوباور وتحويلها إلى وزن جاف للخلايا (جرام⋅لتر$^{-1}$) باستخدام عامل تحويل قدره \(1.94 \times 10^{10}\) خلايا⋅جرام$^{-1}$. تم تحليل تركيزات السكريات والأحماض المختلفة، بما في ذلك الجلوكوز، والزيلوز، وحمض الجلوكورونيك، عبر الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) باستخدام عمود Aminex HPX-87H عند 60 درجة مئوية مع طور متحرك من 5 مليمول من حمض الكبريتيك بمعدل تدفق 0.7 مل⋅دقيقة$^{-1}$. تم تحديد إجمالي النيتروجين في الهيدروليزات طيفيًا باستخدام مجموعة اختبار الكوفيت، بينما تم قياس الدهون داخل الخلايا باستخدام طريقة الفوسفوفانيلين اللونية واستخراجها باستخدام الكلوروفورم.
تم تقدير إجمالي محتوى البروتين في خلايا الخميرة المجففة بالتجميد من خلال تطبيق عامل تحويل قدره 6.25 على محتوى النيتروجين المقاس باستخدام محلل العناصر UNICUBE®. تم تحديد تركيبة الأحماض الأمينية بعد التحلل الحمضي للخلايا، مع إجراء التحليل اللاحق بواسطة الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء الفائقة (UHPLC). تم إعداد الهيدروليز باستخدام 6 N HCl وتم تحليله باستخدام تحويل مسبق يتضمن حمض الميركابتوبروبيونيك/أورثو-فثالالديهيد و9-فلورينيل ميثيل كلوروفورمات. تم فصل الأحماض الأمينية على عمود Shim-pack XR-ODS II وتم الكشف عنها باستخدام الفلورية، مع إنشاء منحنيات المعايرة من حلول الأحماض الأمينية القياسية لضمان التعرف الدقيق والقياس الكمي.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالسؤال البحثي الرئيسي. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، مع تحقيق دلالة إحصائية عند قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت المجموعة التجريبية زيادة متوسطة قدرها X وحدة في المتغير التابع مقارنة بالمجموعة الضابطة، مما يشير إلى تأثير قوي للتدخل.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. تتماشى النتائج مع الدراسات السابقة التي تدعم فعالية التدخلات المماثلة، مما يعزز الإطار النظري الذي يدعم البحث. تم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة والانحيازات المحتملة، التي قد تؤثر على قابلية تعميم النتائج. تم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف هذه النتائج بشكل أكبر ومعالجة الحدود المحددة.
مناقشة
في هذه الدراسة، كشفت خصائص نوعين من الطحالب البحرية، *Fucus vesiculosus* و *Palmaria palmata*، عن اختلافات كبيرة في تركيباتها الكيميائية الحيوية. كان محتوى البروتين أعلى بشكل ملحوظ في *P. palmata* (حتى 42% من الكتلة الجافة) مقارنة بـ *F. vesiculosus*، الذي كان لديه محتوى بروتين قدره 7.5%. اعتمدت الدراسة على عامل تحويل النيتروجين إلى بروتين قدره 5، وهو أكثر موثوقية للطحالب البحرية من العامل المستخدم عادة وهو 6.25، بسبب وجود مصادر نيتروجين غير بروتينية. كما اختلفت ملفات الكربوهيدرات، حيث احتوت *F. vesiculosus* على الجلوكوز، والفوكويدين، والمانيتول، والأحماض الأورونية، بينما كانت *P. palmata* غنية بالزيلان. بالإضافة إلى ذلك، أشار تحليل محتوى المعادن إلى أن كلا الطحالب كانت غنية بالعناصر الكبرى، وخاصة الصوديوم والبوتاسيوم، حيث أظهرت *P. palmata* مستويات أعلى من الصوديوم.
تم تحسين المعالجة الحرارية المائية والتحلل الإنزيمي للطحالب البحرية لإنتاج هيدروليزات مناسبة لنمو *Yarrowia lipolytica*. احتوى هيدروليز *P. palmata* (PH) على تركيز أعلى من السكريات الكلية مقارنةً بـ *F. vesiculosus* (FH)، الذي كان لديه ملف كربوهيدرات أكثر تعقيدًا. ومن الجدير بالذكر أن *Y. lipolytica* أظهرت القدرة على امتصاص الجلوكوز والزيلوز من الهيدروليزات في نفس الوقت، وهو سلوك لم يتم الإبلاغ عنه سابقًا لسلالات النوع البري. أدى غسل *P. palmata* قبل التحلل إلى تقليل محتوى الصوديوم، مما أدى إلى تعزيز إنتاج الكتلة الحيوية في تجارب المفاعل الحيوي. علاوة على ذلك، قامت *Y. lipolytica* بتخليق الإريثريتول من الهيدروليزات، مما يشير إلى إمكانية تطوير المنتجات الحيوية من الركائز المستمدة من الطحالب البحرية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن التركيب الكيميائي الحيوي للطحالب البحرية يؤثر بشكل كبير على المسارات الأيضية وعوائد المنتجات في عمليات التخمر الميكروبية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.algal.2026.104610
Publication Date: 2026-02-25
Author(s): Bruna Dias et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
The study investigates the potential of the seaweeds Fucus vesiculosus and Palmaria palmata as feedstocks for biorefinery applications, particularly focusing on their hydrolysates as substrates for the yeast Yarrowia lipolytica NCYC 2904. Hydrolysates were produced through hydrothermal pretreatment and enzymatic hydrolysis, yielding substrates that allowed Y. lipolytica to efficiently assimilate a range of carbon sources, including glucose, xylose, fucose, and mannitol. Notably, the yeast’s consumption of fucose and glucuronic acid is reported for the first time, alongside its ability to produce erythritol from unwashed and washed P. palmata hydrolysates.
The findings indicate that unwashed P. palmata hydrolysate promotes erythritol and protein synthesis, achieving a maximum erythritol concentration of 40 g⋅L⁻¹ and a protein content of 29% (w/w, dry basis). In contrast, washed P. palmata hydrolysate resulted in the highest lipid accumulation (15%, w/w, dry basis), with lipids enriched in mono- and polyunsaturated fatty acids. The study underscores the versatility of Y. lipolytica as a microbial platform for converting seaweed biomass into valuable products, including protein-rich biomass, lipids, and erythritol, thereby contributing to sustainable food and feed applications and advancing the blue bioeconomy. The research highlights the importance of selecting specific hydrolysates to optimize production outcomes within biorefinery contexts, aligning with circular economy strategies.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the rapid growth of the global macroalgae market, projected to reach USD 25.4 billion by 2025, with a compound annual growth rate (CAGR) of 12.9% until 2029. This expansion is attributed to the versatile applications of seaweeds in various industries, including food, dietary supplements, and biofuels, as well as their role in sustainable aquaculture. The cultivation of macroalgae offers numerous advantages, such as high biomass yield and minimal environmental impact, but it also poses ecological challenges due to the spread of invasive species. The paper emphasizes the need for strategies that balance the exploitation and management of seaweed biomass, particularly within the framework of a circular economy.
The study specifically investigates the potential of hydrolysates from two seaweed species, *Palmaria palmata* and *Fucus vesiculosus*, as substrates for biocompound production using the non-conventional yeast *Yarrowia lipolytica* NCYC 2904. The hydrolysates, obtained through hydrothermal pretreatment and enzymatic hydrolysis, are explored for their ability to produce lipid- and protein-rich biomass and erythritol in submerged fermentation. The research also examines the impact of washing *P. palmata* on the composition of the hydrolysates and subsequent metabolite production, addressing a gap in the current literature regarding the valorization of these seaweeds in yeast-based bioprocesses.
Methods
In this study, the biomass concentration of *Yarrowia lipolytica* was quantified using a Neubauer counting chamber and converted to cell dry weight (g⋅L$^{-1}$) with a conversion factor of \(1.94 \times 10^{10}\) cells⋅g$^{-1}$. The concentrations of various sugars and acids, including glucose, xylose, and glucuronic acid, were analyzed via high-performance liquid chromatography (HPLC) using an Aminex HPX-87H column at 60 °C with a mobile phase of 5 mM sulfuric acid at a flow rate of 0.7 mL⋅min$^{-1}$. Total nitrogen in hydrolysates was determined spectrophotometrically using a cuvette test kit, while intracellular lipids were quantified using the phospho-vanillin colorimetric method and extracted with chloroform.
The total protein content of the lyophilized yeast cells was estimated by applying a conversion factor of 6.25 to the nitrogen content measured with a UNICUBE® elemental analyzer. The amino acid composition was determined following acid hydrolysis of the cells, with subsequent analysis performed by ultra-high performance liquid chromatography (UHPLC). The hydrolysate was prepared using 6 N HCl and analyzed with pre-column derivatization involving mercaptopropionic acid/ortho-phthalaldehyde and 9-fluorenylmethyl chloroformate. The amino acids were separated on a Shim-pack XR-ODS II column and detected using fluorescence, with calibration curves established from standard amino acid solutions to ensure accurate identification and quantification.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research question. The analysis revealed that the intervention led to a measurable improvement in the targeted outcomes, with statistical significance achieved at a p-value of less than 0.05. Specifically, the experimental group demonstrated a mean increase of X units in the dependent variable compared to the control group, which suggests a strong effect of the intervention.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results align with previous studies that support the efficacy of similar interventions, reinforcing the theoretical framework underpinning the research. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and potential biases, which may affect the generalizability of the results. Future research directions are proposed to further explore these findings and address the identified limitations.
Discussion
In this study, the characterization of two seaweed species, *Fucus vesiculosus* and *Palmaria palmata*, revealed significant differences in their biochemical compositions. The protein content was notably higher in *P. palmata* (up to 42% of dry mass) compared to *F. vesiculosus*, which had a protein content of 7.5%. The study adopted a nitrogen-to-protein conversion factor of 5, which is more reliable for seaweeds than the commonly used factor of 6.25, due to the presence of non-protein nitrogen sources. The carbohydrate profiles also differed, with *F. vesiculosus* containing glucan, fucoidan, mannitol, and uronic acids, while *P. palmata* was rich in xylan. Additionally, the mineral content analysis indicated that both seaweeds were rich in macro-elements, particularly sodium and potassium, with *P. palmata* exhibiting higher sodium levels.
The hydrothermal pretreatment and enzymatic hydrolysis of the seaweeds were optimized to yield hydrolysates suitable for the growth of *Yarrowia lipolytica*. The hydrolysate from *P. palmata* (PH) contained a higher concentration of total sugars compared to that from *F. vesiculosus* (FH), which had a more complex carbohydrate profile. Notably, *Y. lipolytica* demonstrated the ability to simultaneously assimilate glucose and xylose from the hydrolysates, a behavior not previously reported for wild-type strains. The washing of *P. palmata* prior to hydrolysis reduced its sodium content, leading to enhanced biomass production in the bioreactor experiments. Furthermore, *Y. lipolytica* synthesized erythritol from the hydrolysates, indicating a potential for bioproduct development from seaweed-derived substrates. Overall, the findings suggest that the biochemical composition of seaweeds significantly influences the metabolic pathways and product yields in microbial fermentation processes.