Bioprocessing of macroalgae for bioactive compounds production with food and feed applications

Abstract

A indústria de macroalgas atual baseia-se na produção de um único composto, como alginatos, agar ou corantes, sendo que os subprodutos são tratados como resíduo. Assim, esta indústria enfrenta o desafio de desenvolver processos que permitam obter vários produtos com atividade biológica. A fermentação em estado sólido (SSF) é um processo biotecnológico de baixo custo que pode produzir compostos bioativos, como enzimas e compostos antioxidantes. As macroalgas verdes como a Ulva rigida têm potencial para ser usadas como ingrediente em aquacultura. No entanto, estas são difíceis de digerir para muitas espécies de peixe. Neste sentido, a SSF pode alterar a estrutura de polissacarídeos para facilitar a digestão das macroalgas e pode ainda produzir uma grande variedade de produtos com aplicações alimentares como proteínas, enzimas e compostos antioxidantes. O principal objetivo deste projeto é o processamento sequencial da U. rigida por SSF e hidrólise enzimática (EH) para produzir produtos de valor acrescentado e aumentar o valor nutricional das macroalgas, promovendo assim uma economia circular. O passo da hidrólise enzimática foi otimizado pelo desenho experimental Box-Behnken. Durante a SSF da U. rigida produziram-se celulases (40 ± 1 U/g) e xilanases (160 ± 4 U/g). Após a SSF, foi adicionado tampão para iniciar a EH que durou 72h. A variável que teve um maior efeito na libertação de compostos fenólicos, açúcares, atividade antioxidante e aumento da concentração de proteína foi a temperatura. A concentração máxima de compostos fenólicos e atividade antioxidante atingiu-se a uma temperatura intermédia (40°C), a conversão máxima de celulose a glucose e aumento da concentração de proteína atingiram-se à temperatura mais elevada (44°C). As condições ótimas da hidrólise enzimática para maximizar em conjunto as 4 variáveis foram 44°C, carga de sólido 30% w/v e pH 4,1. Nestas condições, atinge-se teoricamente 929 μM de equivalentes de Trolox/g, 1,56 mg de compostos fenólicos totais/g, 231,04 g de proteína/kg e 61% de conversão de celulose para glucose. Em todas as experiências, verificou-se uma diminuição da atividade da xilanase durante a hidrólise enzimática (72h), sendo que a redução foi menor nas experiências realizadas a menor temperatura (35°C). O bioprocessamento da U. rigida por SSF e EH permitiu a obtenção de compostos antioxidantes, açúcares livres que podem ser fermentados noutros produtos de valor acrescentado ou energia e um sólido final enriquecido em proteína. No futuro, devem ser realizadas experiências de modo a aplicar estes produtos na aquacultura.

The current seaweed industry is based on a single compound production, as alginates, carrageenan, agars, or colorants, being the remaining seaweed byproduct treated as waste. Thus, macroalgae industry faces the challenge of developing processes allowing to obtain multi-products with biological activities. Solid-state fermentation (SSF) is a low-cost biotechnology process that can produce bioactive compounds as enzymes and antioxidant compounds. Green macroalgae as Ulva rigida have potential to be used as ingredient in aquaculture. However, they are difficult to digest by many species of fish. In this sense, SSF can alter the structure of polysaccharides to facilitate digestion of macroalgae, and it can also produce a wide variety of valuable products for feed applications, such as proteins, enzymes, and antioxidant compounds. The main aim of this project is the sequential bioprocessing of U. rigida by SSF and enzymatic hydrolysis (EH) to produce value-added products and increase the nutritional value of macroalgae, promoting a circular economy. The EH stage was optimized by Box-Behnken experimental design. During SSF were produced cellulases (40 ± 1 U/g) and xylanases (160 ± 4 U/g). After SSF, it was added the buffer to carry out EH during 72h. The variable that had a higher effect on release of phenolic compounds, sugars, antioxidant activity and increase the concentration of protein was the temperature. Maximum concentration of phenolic compounds and antioxidant activity was achieved with intermediate temperature (40°C), the maximum conversion of cellulose to glucose and increase of protein concentration were achieved with the higher temperature (44°C). The optimal conditions of EH to maximize jointly the 4 variables were 44°C, load of solid 30% w/v and pH 4,1. In these conditions, they were predicted an antioxidant activity of 929 μM of Trolox equivalents/g, 1,56 mg of total phenolic compounds U/g, 23,.04 g of crude protein/kg and 61% cellulose conversion to glucose. In all experiments it was observed a decrease of xylanase activity during EH, the reduction was lower in experiments performed with the lowest temperature (35°C). The bioprocessing of U. rigida by SSF and EH allowed to obtain antioxidant compounds, free sugars that can be fermented to other value-added products or energy, and the final solid was enriched in protein. Future works should be performed to apply these products in aquaculture.