Coproduction of EPA and Fucoxanthin with – A Promising Approach for Up‐ and Downstream Processing

Eicosapentaenoic acid (EPA) and fucoxanthin, a carotenoid, provide a broad variety of health benefits in human nutrition. In this study, an up- and downstream process for the coproduction of EPA and fucoxanthin using the diatom Phaeodactylum tricornutum in flat-panel airlift photobioreactors is proposed. The approach represents a promising alternative to conventional sources for both compounds, viz. marine fish and macroalgae. The productivity as well as the biomass-specific product content were optimized during cultivation. Subsequently, both compounds were extracted, separated and purified using pressurized liquids

Pressurized extraction of unsaturated fatty acids and carotenoids from wet Chlorella vulgaris and Phaeodactylum tricornutum biomass using subcritical liquids

The objective of this study was to investigate the extraction of lipids, for example, mono‐ and polyunsaturated fatty acids (PUFA) as well as carotenoids, from wet microalgae biomass using pressurized subcritical extraction solvents, which meet the requirements of food and feed applications. To demonstrate the effect of the solvent and temperature on the lipid yield, we chose two microalgae species, viz. Chlorella vulgaris and Phaeodactylum tricornutum , differing in their biochemical composition fundamentally. In case of P. tricornutum, ethanol showed the highest fatty acid yield of 85.9% w/w. In addition to eicosapentaenoic acid (EPA), the ethanolic extracts contained exceptional amounts of fucoxanthin (up to 26.1 mg/g d. w.), which can be beneficial to protect unsaturated fatty acids from oxidation processes and in terms of human nutrition. For C. vulgaris , a fatty acid yield of 76.5% w/w was achieved from wet biomass using ethyl acetate at 150°C. In general, an increase in the extraction temperature up to 150°C was found to be important in terms of fatty acid yield when extracting wet microalgae biomass. The results suggest that it is possible to efficiently extract both fatty acids and carotenoids from wet microalgae by selecting suitable solvents and thus circumvent energy‐intensive drying of the biomass

Fucoxanthin, A Carotenoid Derived from Phaeodactylum tricornutum Exerts Antiproliferative and Antioxidant Activities In Vitro

Microalgae contain a multitude of nutrients and can be grown sustainably. Fucoxanthin, a carotenoid from Phaeodactylum tricornutum, could have beneficial health effects. Therefore, we investigated the anti-inflammatory, antioxidative and antiproliferative effects of fucoxanthin derived from this diatom in vitro. The effects of purified fucoxanthin on metabolic activity were assessed in blood mononuclear cells and different cell lines. In cell lines, caspase 3/7 activity was also analyzed. Nitrogen monoxide release and mRNA-expression of proinflammatory cytokines were measured. For antioxidant assays, cell free assays were conducted. Additionally, the antioxidant effect in neutrophils was quantified and glutathione was determined in HeLa cells. The results show that neither did fucoxanthin have anti-inflammatory properties nor did it exert cytotoxic effects on mononuclear cells. However, the metabolic activity of cell lines was decreased up to 58% and fucoxanthin increased the caspase 3/7 activity up to 4.6-fold. Additionally, dose-dependent antioxidant effects were detected, resulting in a 63% decrease in chemiluminescence in blood neutrophils and a 3.3-fold increase in the ratio of reduced to oxidized glutathione. Our studies show that fucoxanthin possesses antiproliferative and antioxidant activities in vitro. Hence, this carotenoid or the whole microalgae P. tricornutum could be considered as a food or nutraceutical in human nutrition, showcasing beneficial health effects

Longitudinal Assessment of Antisaccades in Patients with Multiple Sclerosis

We have previously demonstrated that assessment of antisaccades (AS) provides not only measures of motor function in multiple sclerosis (MS), but measures of cognitive control processes in particular, attention and working memory. This study sought to demonstrate the potential for AS measures to sensitively reflect change in functional status in MS. Twenty-four patients with relapsing-remitting MS and 12 age-matched controls were evaluated longitudinally using an AS saccade task. Compared to control subjects, a number of saccade parameters changed significantly over a two year period for MS patients. These included saccade error rates, latencies, and accuracy measures. Further, for MS patients, correlations were retained between OM measures and scores on the PASAT, which is considered the reference task for the cognitive evaluation of MS patients. Notably, EDSS scores for these patients did not change significantly over this period. These results demonstrate that OM measures may reflect disease evolution in MS, in the absence of clinically evident changes as measured using conventional techniques. With replication, these markers could ultimately be developed into a cost-effective, non-invasive, and well tolerated assessment tool to assist in confirming progression early in the disease process, and in measuring and predicting response to therapy

Immune Modulating Peptides for the Treatment and Suppression of Multiple Sclerosis

Multiple sclerosis (MS) is a neurodegenerative disease in which the immune system recognizes proteins of the myelin sheath as antigenic, thus initiating an inflammatory reaction in the central nervous system. This leads to demyelination of the axons, breakdown of the blood-brain barrier, and lesion formation. Current therapies for the treatment of MS are generally non-specific and weaken the global immune system, thus making the individual susceptible to opportunistic infections. Antigenic peptides and their derivatives are becoming more prevalent for investigation as therapeutic agents for MS because they possess immune-specific characteristics. In addition, other peptides that target vital components of the inflammatory immune response have also been developed. Therefore, the objectives of this review are to (a) summarize the immunological basis for the development of MS, (b) discuss specific and non-specific peptides tested in EAE and in humans, and (c) briefly address some problems and potential solutions with these novel therapies

Entwicklung und Bewertung eines Verfahrens zur Herstellung von Fucoxanthin und Eicosapentaensäure mit Phaeodactylum tricornutum

Eicosapentaensäure (EPA), eine essentielle mehrfach ungesättigte Omega-3 Fettsäure, sowie Fucoxanthin, ein sauerstoffhaltiges Carotinoid, besitzen eine Vielzahl gesundheitsfördernder Eigenschaften. Daher finden sie als funktionelle Inhaltsstoffe in vielen Nahrungsmitteln und Kosmetikprodukten Verwendung. Eine vielversprechende Alternative zu den bisher industriell eingesetzten Verfahren zur Gewinnung dieser Wertstoffe aus verschiedenen Organismen - Seefische für EPA und mehrzellige Algen für Fucoxanthin - bietet die simultane Herstellung beider Wertstoffe mit einzelligen Diatomeen. Diese sind durch Photosynthese in der Lage sowohl EPA als auch Fucoxanthin in erheblichen Mengen ausgehend von Licht und Kohlenstoffdioxid zu synthetisieren. Die Herstellung beider Stoffe in industriell genutzten Photobioreaktoren scheitert derzeit jedoch an fehlenden wissenschaftlichen Daten zu geeigneten Produktionsstämmen sowie zur Abhängigkeit des biomassespezifischen Wertstoffgehaltes der Stämme von den zugrundeliegenden Kultivierungsbedingungen. Darüber hinaus mangelt es an skalierbaren Verfahren zur anschließenden Extraktion sowie Separation beider Stoffe aus der entsprechenden Algenbiomasse. Etablierte Verfahren, z.B. zur Extraktion von Lipiden aus Grünalgen, sind wegen der spezies-spezifischen Unterschiede in den vorliegenden Lipidklassen nicht ohne grundlegende Anpassungen auf Diatomeen übertragbar. Derzeit existieren daher weder integrierte Verfahren zur Herstellung von EPA und Fucoxanthin mit Diatomeen, noch existieren ökonomische Daten, welche die Bewertung eines solchen Herstellungsverfahrens ermöglichen würden. Folglich konnten bisher noch keine Herstellkosten ermittelt werden, so dass auch die wesentlichen Kostentreiber für einen zukünftigen Produktionsprozess nicht bekannt sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die genannten Wissenslücken zu schließen und ein integriertes Verfahren zur simultanen Herstellung beider Produkte mit Diatomeen in einem Photobioreaktor zu entwickeln sowie zu bewerten. Hierfür wurde zunächst das Wachstumsverhalten und der biomassespezifische Wertstoffgehalt potentieller Produktionsstämme unter definierten Kultivierungsbedingungen in einem Membranphotobioreaktor analysiert sowie die Kultivierbarkeit der ausgewählten Stämme in einem skalierbaren Flachplatten-Airlift-Photobioreaktor (FPA-PBR) untersucht. Unter zuvor optimierten Kultivierungsbedingungen konnte in einem Repeated-Fed-Batch-Prozess im FPA-PBR für den ausgewählten Stamm Phaeodactylum tricornutum UTEX 640 erstmals gezeigt werden, dass sich bereits auf zellulärer Ebene beschriebene Adaptionsmechanismen von Diatomeen anunterschiedliche Lichtverhältnisse eignen, um den biomassespezifischen Fucoxanthingehalt gezielt auf bis zu 20,5 mg g-1 zu steigern. Der EPA-Gehalt blieb hingegen nahezu konstant, so dass beide Wertstoffe ohne Einschränkungen simultan erzeugt werden können. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass im FPA-PBR in Abhängigkeit von der Lichtverfügbarkeit eine volumetrische Fucoxanthinproduktivität von bis zu 22,4 ± 7,6 mg L-1 d-1 erreicht werden kann. Dies stellt die bisher höchste in einem Photobioreaktor erreichte volumetrische Fucoxanthinproduktivität für Mikroalgen dar. Die Gewinnung der beiden Wertstoffe aus der erzeugten P. tricornutum-Biomasse erfolgte mittels Hochdruckflüssigextraktion. Dabei wurden organische Lösungsmittel unter Berücksichtigung legislativer Vorgaben ausgewählt und hinsichtlich der Extraktionsausbeute und der Produktselektivität verglichen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Polarität der Lösungsmittel gelang es, beide Produkte in einem einzigen Extraktionsschritt nahezu vollständig als Lipidfraktion zu gewinnen. Dabei konnten die Extraktionstemperatur und die Verweilzeit aufgrund der thermischen Instabilität des Fucoxanthins als kritische Prozessparameter identifiziert werden. Ausgehend von der extrahierten Lipidfraktion wurde ein neuartiges synergetisches Separationsverfahren entwickelt, welches eine einfache Trennung des Fucoxanthins von den enthaltenen Fettsäuren mittels Fällung und Filtration ermöglicht. Das Fucoxanthin konnte dadurch auf bis zu 97 %w/w aufgereinigt werden. Durch eine Skalierung des Extraktions- und Fällungsverfahrens als „Proof-of-Concept“ vom Milliliter- in den Liter-Maßstab war es nachfolgend möglich, ausreichend Probenmaterial für Untersuchungen der funktionellen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften der Lipidextrakte und des aufgereinigten Fucoxanthins herzustellen. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse und Daten bilden eine erste Grundlage für die zukünftige Zulassung beider Wertstoffe aus Diatomeen als „Novel Food“. Auf Basis der neuen und optimierten Teilverfahren gelang es, ein vollständiges Herstellungsverfahren für Fucoxanthin und EPA mit Diatomeen zu entwickeln. Folglich konnten erstmals ökonomische Aspekte anhand definierter Produktionsszenarien im Pilot- und Industriemaßstab untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere der Energieeintrag für die artifizielle Beleuchtung mit 43 bis 50 % der operativen Kosten einen wesentlichen Kostentreiber im Gesamtprozess darstellt. Demzufolge wirken sich die Stromkosten und damit auch der Standort der Anlage entscheidend auf die Produktionskosten aus. Es zeigte sich des Weiteren, dass eine Kostenreduktion durch eine Vergrößerung der Produktionsanlage aufgrund der modularen Bauweise der FPA-PBR nur begrenzt möglich ist und die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses in viel höherem Maße vom Fucoxanthin als vom EPA bestimmt wird