Aplicação de tecnologias emergentes na extração de compostos de interesse a partir de microalgas

Devido à crescente demanda por antioxidantes, corantes e compostos bioativos de origem natural, a busca por fontes naturais e renováveis ricas nesses compostos tem se intensificado e as microalgas se apresentam como fonte alternativa de compostos como lipídeos, pigmentos e proteínas. A etapa de extração desses compostos é, normalmente, demorada, sendo necessário, em alguns casos, o uso de solventes tóxicos, o que dificulta a aplicação dos produtos extraídos pela indústria. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar metodologias alternativas de extração de compostos de alto valor agregado a partir de microalgas. Os estudos realizados foram divididos em duas partes: extração de carotenoides e lipídeos da microalga Heterochlorella luteoviridis e extração de ficocianinas e proteínas da Spirulina platensis. Nos estudos realizados com a H. luteoviridis, avaliou-se as tecnologias de campo elétrico moderado (MEF) e ultrassom (US) como pré-tratamentos de extração, seguidos por uma etapa difusiva com etanol, que é considerado um solvente menos agressivo ao meio-ambiente, podendo ser produzido de maneira sustentável. Utilizando o US (40-80 % da intensidade) e etanol (60 – 75 %, v/v) foi possível extrair até 80 % dos carotenoides e 81 % dos lipídeos presentes na microalga. A aplicação de MEF influenciou a extração de carotenoides na faixa de temperatura de 30 – 50 °C, sendo possível extrair até 86 % da concentração total de carotenoides (em relação à extração exaustiva). Na segunda parte do presente trabalho, as tecnologias de campo elétrico pulsado (PEF), US e MEF foram avaliadas como pré-tratamentos de extração e os resultados foram comparados com a extração utilizando moinho de bolas, congelamento e descongelamento e vórtex com bolas de vidro. A aplicação de PEF resultou em extratos de maior pureza (menor concentração de clorofilas) quando comparado aos extratos obtidos com o moinho de bolas, sendo possível extrair quantidades equivalentes utilizando ambos os métodos (até 85,2 ± 5,7 mg g-1 e 48,4 ± 4,4 g 100 g-1 de ficocianinas e proteínas, respectivamente). A aplicação do US apresentou rendimentos altos de extração (45,71 g g-1 de ficocianinas e 44,2 mg 100 g-1 de proteínas), contudo, os extratos apresentaram alta concentração de clorofilas. Os efeitos do MEF foram avaliados em diferentes temperaturas e os resultados mostraram que a aplicação dessa tecnologia (43 – 53 V cm-1) não teve efeito na extração dos compostos. A desestruturação celular da Spirulina platensis ocorre entre 45 e 50 °C, sendo possível extrair até 25,02 ± 0,3 mg g-1de proteínas na temperatura de 50 °C.The demand for natural antioxidants, dyes and bioactive compounds for food and pharmeceutical applications have been increasing. In this context, microalgae are considered alternative sources of lipids, pigments, proteins and carbohydrates. Conventional extraction methods are normally time consuming and, in some cases, require organic toxic solvents, which are harmful to the environmental and represent a contamination risk on food processing. Therefore, the present work aimed to develop alternative extraction methodologies for high value-added compounds from microalgae. This study was divided in two parts: the extraction of lipids and carotenoids from Heterochlorella luteoviridis and the extraction of phycocyanins and proteins from Spirulina platensis. In the first part, ultrasound (US) and moderate electric field (MEF) were evaluated as pre-treatment extraction technologies followed by a diffusive step with ethanol. The results showed that it was possible to extract 80 % of carotenoids and 81 % of lipids using US (40 – 80 % of intensity) and ethanol (60 – 75 %, v/v). MEF application influenced carotenoids extraction at 30 – 50 °C, extracting up to 86 % of carotenoids. In the second part of the presente work, pulsed electric field (PEF), US and MEF were evaluated during a pre-treatment and the results were compared to bead milling, freezing and thawing and vortex with glass beads. PEF resulted in high purity extracts (less chlorophyll concentration) if compared to the extracts obtained with bead milling. Using PEF it was possible to extract the same amount of proteins and phyocyanins that were obtained with bead milling (85.2 ± 5.7 mg g-1 and 48.4 ± 4.4 g 100 g-1 of phycocyanins and proteins, respectively). US application resulted in high extraction yields (45.7 g g-1 of phycocyanins and 44.2 mg 100 g-1 of proteins). However, the extracts presented high chlorophyll concentration. MEF effects were evaluated at different temperature conditions and MEF (43 – 53 V cm-1) did not influence the extraction yield. At 50 °C it was possible to extract up to 25.02 ± 0.3 mg of proteins g-1 due to cell destruction promoted by temperature effect

Aplicação de tecnologias emergentes na extração de compostos de interesse a partir de microalgas

Devido à crescente demanda por antioxidantes, corantes e compostos bioativos de origem natural, a busca por fontes naturais e renováveis ricas nesses compostos tem se intensificado e as microalgas se apresentam como fonte alternativa de compostos como lipídeos, pigmentos e proteínas. A etapa de extração desses compostos é, normalmente, demorada, sendo necessário, em alguns casos, o uso de solventes tóxicos, o que dificulta a aplicação dos produtos extraídos pela indústria. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar metodologias alternativas de extração de compostos de alto valor agregado a partir de microalgas. Os estudos realizados foram divididos em duas partes: extração de carotenoides e lipídeos da microalga Heterochlorella luteoviridis e extração de ficocianinas e proteínas da Spirulina platensis. Nos estudos realizados com a H. luteoviridis, avaliou-se as tecnologias de campo elétrico moderado (MEF) e ultrassom (US) como pré-tratamentos de extração, seguidos por uma etapa difusiva com etanol, que é considerado um solvente menos agressivo ao meio-ambiente, podendo ser produzido de maneira sustentável. Utilizando o US (40-80 % da intensidade) e etanol (60 – 75 %, v/v) foi possível extrair até 80 % dos carotenoides e 81 % dos lipídeos presentes na microalga. A aplicação de MEF influenciou a extração de carotenoides na faixa de temperatura de 30 – 50 °C, sendo possível extrair até 86 % da concentração total de carotenoides (em relação à extração exaustiva). Na segunda parte do presente trabalho, as tecnologias de campo elétrico pulsado (PEF), US e MEF foram avaliadas como pré-tratamentos de extração e os resultados foram comparados com a extração utilizando moinho de bolas, congelamento e descongelamento e vórtex com bolas de vidro. A aplicação de PEF resultou em extratos de maior pureza (menor concentração de clorofilas) quando comparado aos extratos obtidos com o moinho de bolas, sendo possível extrair quantidades equivalentes utilizando ambos os métodos (até 85,2 ± 5,7 mg g-1 e 48,4 ± 4,4 g 100 g-1 de ficocianinas e proteínas, respectivamente). A aplicação do US apresentou rendimentos altos de extração (45,71 g g-1 de ficocianinas e 44,2 mg 100 g-1 de proteínas), contudo, os extratos apresentaram alta concentração de clorofilas. Os efeitos do MEF foram avaliados em diferentes temperaturas e os resultados mostraram que a aplicação dessa tecnologia (43 – 53 V cm-1) não teve efeito na extração dos compostos. A desestruturação celular da Spirulina platensis ocorre entre 45 e 50 °C, sendo possível extrair até 25,02 ± 0,3 mg g-1de proteínas na temperatura de 50 °C.The demand for natural antioxidants, dyes and bioactive compounds for food and pharmeceutical applications have been increasing. In this context, microalgae are considered alternative sources of lipids, pigments, proteins and carbohydrates. Conventional extraction methods are normally time consuming and, in some cases, require organic toxic solvents, which are harmful to the environmental and represent a contamination risk on food processing. Therefore, the present work aimed to develop alternative extraction methodologies for high value-added compounds from microalgae. This study was divided in two parts: the extraction of lipids and carotenoids from Heterochlorella luteoviridis and the extraction of phycocyanins and proteins from Spirulina platensis. In the first part, ultrasound (US) and moderate electric field (MEF) were evaluated as pre-treatment extraction technologies followed by a diffusive step with ethanol. The results showed that it was possible to extract 80 % of carotenoids and 81 % of lipids using US (40 – 80 % of intensity) and ethanol (60 – 75 %, v/v). MEF application influenced carotenoids extraction at 30 – 50 °C, extracting up to 86 % of carotenoids. In the second part of the presente work, pulsed electric field (PEF), US and MEF were evaluated during a pre-treatment and the results were compared to bead milling, freezing and thawing and vortex with glass beads. PEF resulted in high purity extracts (less chlorophyll concentration) if compared to the extracts obtained with bead milling. Using PEF it was possible to extract the same amount of proteins and phyocyanins that were obtained with bead milling (85.2 ± 5.7 mg g-1 and 48.4 ± 4.4 g 100 g-1 of phycocyanins and proteins, respectively). US application resulted in high extraction yields (45.7 g g-1 of phycocyanins and 44.2 mg 100 g-1 of proteins). However, the extracts presented high chlorophyll concentration. MEF effects were evaluated at different temperature conditions and MEF (43 – 53 V cm-1) did not influence the extraction yield. At 50 °C it was possible to extract up to 25.02 ± 0.3 mg of proteins g-1 due to cell destruction promoted by temperature effect

Estudo da degradação de vitamina C e carotenoides em polpa de acerola durante aquecimento ôhmico e convencional

Este trabalho possui como objetivo principal avaliar os efeitos não-térmicos da tecnologia de aquecimento ôhmico na degradação de compostos bioativos em polpa de acerola. Para tanto, comparou-se a degradação de vitamina C, a degradação de carotenoides e, ainda, mudanças de cor na polpa de acerola durante tratamento térmico utilizando aquecimento ôhmico e aquecimento convencional. Os estudos de degradação de vitamina C foram realizados em quatro temperaturas (80, 85, 90 e 95°C) durante 60 minutos de tratamento térmico, sendo coletadas amostras a cada 10 minutos de aquecimento. Os dados de degradação de vitamina C foram ajustados ao modelo cinético de primeira ordem. A degradação de carotenoides foi avaliada em duas temperaturas (95 e 90°C), nos tempos zero e cinquenta minutos de aquecimento. Os resultados demonstram que não há degradação de carotenoides. A degradação de vitamina C variou de 12,3 a 13,0 % utilizando aquecimento ôhmico e de 10,5 a 13,2% quando o aquecimento convencional foi utilizado. Após a realização desses experimentos verificou-se que a temperatura e o tipo de tratamento térmico não exerceram influência significativa na degradação de ácido ascórbico e de carotenoides. Com o intuito de elucidar esse comportamento realizou-se experimentos em atmosfera modificada. Esses experimentos foram realizados a 90°C via aquecimento ôhmico, utilizando atmosfera rica em oxigênio, em um primeiro momento, e de nitrogênio, posteriormente. A degradação de ácido ascórbico e de carotenoides aumentou em atmosfera rica em oxigênio, apresentando valores de 14,8 e 21,4%, respectivamente. A utilização de nitrogênio no headspace da célula diminuiu a degradação de ácido ascórbico; os carotenoides continuaram apresentando degradação muito baixa. Esses resultados mostram que possivelmente o oxigênio é o reagente limitante da reação de oxidação desses compostos. Estudos demonstram (ou sugerem) que as antocianinas presentes na polpa de acerola exercem um efeito protetor sob o ácido ascórbico e os carotenoides, pois essas se degradam preferencialmente, consumindo o oxigênio dissolvido no meio. Os resultados da avaliação de mudança de cor confirmaram os resultados obtidos, visto que o composto b*, que pode estar relacionado com a presença de carotenoides na polpa de acerola, pouco variou durante o tratamento térmico; o parâmetro a*, relacionado à presença de antocianinas, variou consideravelmente e o parâmetro L*, relacionado ao escurecimento não enzimático e a consequente degradação de ácido ascórbico, variou consideravelmente. Portanto, para as condições avaliadas, os efeitos não-térmicos do aquecimento ôhmico não exerceram influência na degradação de vitamina C e carotenoides. Deve-se realizar estudos em outras condições de tensão e frequência para uma melhor compreensão desses fenômenos

Estudo da utilização de campo elétrico moderado na extração de lipídeos e carotenoides a partir da microalga Chlorella sp

Microalgas são conhecidas como excelentes fontes de lipídeos, vitaminas e carotenoides. Contudo, os métodos de extração de compostos intracelulares tradicionais são dispendiosos e não têm se mostrado eficientes. Assim, o desenvolvimento de métodos de extração com maior rendimento e com a substituição de solventes tóxicos por solventes ambientalmente amigáveis se torna essencial para viabilizar a produção em grande escala de produtos derivados das microalgas. Este trabalho teve como objetivo principal avaliar a utilização de campo elétrico moderado (MEF) na extração de carotenoides e lipídeos a partir da microalga Chlorella sp.. Para tanto, foram estudadas diferentes tensões (0-180 V) numa etapa de pré-tratamento de extração. Além disso, o presente trabalho também avaliou a utilização de etanol como solvente de extração; foi avaliada uma concentração fixa de 25 % (v/v) durante a etapa de pré-tratamento em presença de campo elétrico moderado e diferentes concentrações de etanol numa etapa difusiva (25-75 %, v/v). Ainda, este trabalho avaliou a utilização do método sulfo-phospho-vanilina (SPV) como método de quantificação de lipídeos totais em microalgas. Os resultados mostraram que a extração de carotenoides teve influência significativa (p < 0,05) da aplicação de MEF e da concentração de etanol (%), sendo observado um efeito positivo e combinado de ambas as variáveis avaliadas. Esse resultado se deve, possivelmente, ao efeito que o MEF exerceu sobre os cloroplastos; acredita-se que a aplicação de campo elétrico promoveu a eletroporação reversível das membranas dos cloroplastos, favorecendo a extração de carotenoides. Em contrapartida, somente a concentração de etanol apresentou efeito significativo positivo na extração de lipídeos. Dessa forma, a permeabilização reversível da membrana celular não contribuiu para um aumento da extração de lipídeos. Vale enfatizar que, utilizando a tecnologia de MEF, um processo de baixa demanda energética, e etanol, um solvente ambientalmente amigável obteve-se uma extração de até 73 e 83 % de carotenoides e lipídeos, respectivamente. Ainda, o método SPV utilizado para quantificação de lipídeos totais em microalgas, se mostrou uma metodologia simples, rápida e adequada para quantificação de lipídeos em microalgas.Microalgae are known as good sources of lipids, vitamins and carotenoids. The intracellular compounds extraction methods are time consuming and, in some cases, inefficients. Therefore, the development of new extraction methodologies is important to enable large scale extraction of compounds of interest derived from microalgae. The aim of the present work was to evaluate moderate electric field (MEF) application on lipid and carotenoid extraction from the microalgae Chlorella sp.. For this purpose, voltage was evaluated on a pre-treatment, varying from 0 to 180 V. Also, ethanol was evaluated as extraction solvent during the pre-treatment in the presence of MEF (25%, v/v) and during the diffusive step, at concentrations varying from 25 to 75 %, (v/v). Moreover, this work evaluated sulfo-phospho-vanillin method (SPV) as a total lipid quantification method in microalgae. The results showed that MEF and ethanol concentration significantly influenced (p < 0.05) carotenoid extraction, and a positive combined effect of both variables was observed. It is believed that, MEF promoted reversible electroporation of the cellular and chloroplast membranes. MEF possibly promoted an elongation on chloroplasts structure, which contributed to the increase on carotenoid extraction. On the other hand, only the ethanol concentration showed a positive effect on lipid extraction. In this case, the reversible electroporation on cellular membrane was not sufficient to increase lipid extraction. It is important to point out that the application of MEF and ethanol, an environmentally friendly solvent, promoted an extraction yield of up to 73 and 80 % of carotenoid and lipids, respectively. Also, SPV method showed to be an attractive fast lipid quantification method

Estudo da utilização de campo elétrico moderado na extração de lipídeos e carotenoides a partir da microalga Chlorella sp

Microalgas são conhecidas como excelentes fontes de lipídeos, vitaminas e carotenoides. Contudo, os métodos de extração de compostos intracelulares tradicionais são dispendiosos e não têm se mostrado eficientes. Assim, o desenvolvimento de métodos de extração com maior rendimento e com a substituição de solventes tóxicos por solventes ambientalmente amigáveis se torna essencial para viabilizar a produção em grande escala de produtos derivados das microalgas. Este trabalho teve como objetivo principal avaliar a utilização de campo elétrico moderado (MEF) na extração de carotenoides e lipídeos a partir da microalga Chlorella sp.. Para tanto, foram estudadas diferentes tensões (0-180 V) numa etapa de pré-tratamento de extração. Além disso, o presente trabalho também avaliou a utilização de etanol como solvente de extração; foi avaliada uma concentração fixa de 25 % (v/v) durante a etapa de pré-tratamento em presença de campo elétrico moderado e diferentes concentrações de etanol numa etapa difusiva (25-75 %, v/v). Ainda, este trabalho avaliou a utilização do método sulfo-phospho-vanilina (SPV) como método de quantificação de lipídeos totais em microalgas. Os resultados mostraram que a extração de carotenoides teve influência significativa (p < 0,05) da aplicação de MEF e da concentração de etanol (%), sendo observado um efeito positivo e combinado de ambas as variáveis avaliadas. Esse resultado se deve, possivelmente, ao efeito que o MEF exerceu sobre os cloroplastos; acredita-se que a aplicação de campo elétrico promoveu a eletroporação reversível das membranas dos cloroplastos, favorecendo a extração de carotenoides. Em contrapartida, somente a concentração de etanol apresentou efeito significativo positivo na extração de lipídeos. Dessa forma, a permeabilização reversível da membrana celular não contribuiu para um aumento da extração de lipídeos. Vale enfatizar que, utilizando a tecnologia de MEF, um processo de baixa demanda energética, e etanol, um solvente ambientalmente amigável obteve-se uma extração de até 73 e 83 % de carotenoides e lipídeos, respectivamente. Ainda, o método SPV utilizado para quantificação de lipídeos totais em microalgas, se mostrou uma metodologia simples, rápida e adequada para quantificação de lipídeos em microalgas.Microalgae are known as good sources of lipids, vitamins and carotenoids. The intracellular compounds extraction methods are time consuming and, in some cases, inefficients. Therefore, the development of new extraction methodologies is important to enable large scale extraction of compounds of interest derived from microalgae. The aim of the present work was to evaluate moderate electric field (MEF) application on lipid and carotenoid extraction from the microalgae Chlorella sp.. For this purpose, voltage was evaluated on a pre-treatment, varying from 0 to 180 V. Also, ethanol was evaluated as extraction solvent during the pre-treatment in the presence of MEF (25%, v/v) and during the diffusive step, at concentrations varying from 25 to 75 %, (v/v). Moreover, this work evaluated sulfo-phospho-vanillin method (SPV) as a total lipid quantification method in microalgae. The results showed that MEF and ethanol concentration significantly influenced (p < 0.05) carotenoid extraction, and a positive combined effect of both variables was observed. It is believed that, MEF promoted reversible electroporation of the cellular and chloroplast membranes. MEF possibly promoted an elongation on chloroplasts structure, which contributed to the increase on carotenoid extraction. On the other hand, only the ethanol concentration showed a positive effect on lipid extraction. In this case, the reversible electroporation on cellular membrane was not sufficient to increase lipid extraction. It is important to point out that the application of MEF and ethanol, an environmentally friendly solvent, promoted an extraction yield of up to 73 and 80 % of carotenoid and lipids, respectively. Also, SPV method showed to be an attractive fast lipid quantification method

Extraction of valuable compounds from Arthrospira platensis using pulsed electric field treatment

Pulsed electric field (PEF) treatment was evaluated for phycocyanin and proteins extraction from Arthrospira platensis (Spirulina platensis). PEF extractions were performed using different specific energies (28, 56 and 122 J·ml−1 of suspension) and the results were compared to the extraction with bead milling. At highest PEF- treatment energies a damage of the cell morphology could be observed and the highest yields (up to 85.2 ± 5.7 mg·g−1 and 48.4 ± 4.4 g·100 g−1 of phycocyanins and proteins, respectively) could be obtained at 122 and 56 J·ml−1. The yields increased with incubation time after PEF-treatment. The antioxidant capacity of the extracts obtained after PEF-treatment was higher than of those obtained after bead milling. PEF treatment is a promising technology to obtain blue-green antioxidant extracts from A. platensis in an environmental friendly process