Phaeodactylum tricornutum biorefinery: a sustainable approach to valorize microalgae biomass towards biomolecules recovery

Abstract

Microalgae superior ability to sustain harsh, stressing or limiting conditions is widely known, while being also a unique source of specific and valuable biocompounds. Microalgae extracts’ potential has been well recognized for their interesting functional and bioactive properties, showing specially interesting features for skin care products’ manufacturing mainly as thickening, water-binding and antioxidant agents. The expanding interest in addressing a more sustainable and eco-friendly product development results in a growing community searching for natural-based formulations. However, microalgae potential and usefulness are dependent on the extraction techniques applied. The selection of the preferential method presents a major impact on the final product quality, which should exceed costumer’s requests, while simultaneously offering an economically appealing process. Thus, this thesis aimed at acknowledging Phaeodactylum tricornutum potential, by ultimately providing important information for the formulation of an algae-based cosmeceutical product. The present work focused on achieving two different main fractions accountable for bioactive and technological functions, underlying P. tricornutum growth conditions impact and designing the extraction methodology, including ohmic heating (OH) as a potential alternative to conventional extraction processes. Firstly, an adaptive laboratory evolution (ALE) taking advantage of UV-C mutagenesis was performed in P. tricornutum cultures. Although the results did not allow a clear positive impact in global extracts’ antioxidant activity, it presented as a potentially useful tool to enhance lipidic extraction. In order to explore the OH-based and conventional extraction implications on the microalgae extracts properties, water and different ethanol/water mixtures were used as solvents, addressing a polarity spectrum. P. tricornutum functionality was evaluated by relating the extracts composition (assessed by intrinsic fluorescence analysis, SDS-PAGE electrophoresis, FTIR and gel permeation chromatography) with their thermal, rheological and emulsifying behavior. Bioactive potential was analyzed by three different antioxidant activity measuring tests (FRAP, ABTS and DPPH) and a viability assay in normal and cancer cell lines. This diatom extracts showed promising technological and bioactive potential, with interesting gelling, emulsification and antioxidant capacities. Extracts showed different biochemical and performance profiles, depending on the solvent used. Generally, no significant effects were observed for OH application, having this process lower energy consumptions. In conclusion, the major goals of the present work were successfully accomplished, underlining P. tricornutum extracts potentiality not only for cosmeceutical industry, but also for functional foods development.

A grande capacidade das microalgas para subsistir à exposição a condições severas ou limitantes é amplamente conhecida, constituindo uma fonte singular de biocompostos específicos e de valor acrescentado. O potencial dos seus extratos, no que concerne às propriedades funcionais e bioativas, encontra-se bem estabelecido, com características interessantes para o cuidado da pele, enquanto agentes de consistência, hidratação e antioxidantes. O interesse crescente por metodologias mais sustentáveis culmina numa maior procura por formulações naturais. Todavia, o potencial e a utilidade das microalgas encontram-se dependentes das técnicas de extração aplicadas. A seleção do método de extração preferencial constitui um fator determinante para a qualidade do produto final, o qual deverá exceder os requisitos do consumidor, enquanto oferece um processo economicamente apelativo. Desta forma, esta tese objetivou evidenciar o potencial da microalga Phaeodactylum tricornutum, ao fornecer úteis informações para a formulação de um produto cosmecêutico natural. Procurou-se obter duas frações, responsáveis por funções bioativas e tecnológicas, explorando o impacto das condições de crescimento em culturas de P. tricornutum e estabelecendo uma metodologia de extração, que inclui o aquecimento óhmico (OH) como potencial alternativa aos processos de extração convencionais. Inicialmente, implementou-se uma evolução laboratorial adaptativa (ALE) acoplada à mutagénese por UV-C nas culturas de P. tricornutum. Apesar dos resultados não evidenciarem um claro impacto positivo na atividade antioxidante dos extratos, esta estratégia apresentou-se potencialmente útil no aumento da extração lipídica. Utilizou-se a água e diferentes misturas de etanol/água como solventes para explorar os efeitos da extração baseada em OH e convencional nas propriedades dos extratos, com objetivando-se um espetro de polaridade. A funcionalidade de P. tricornutum foi avaliada relacionando a composição dos extratos (estabelecida por fluorescência intrínseca, eletroforese SDS-PAGE, FTIR e cromatografia de permeação em gel) com o seu comportamento térmico, reológico e emulsificante. A triagem do seu potencial bioativo baseou-se em três ensaios de determinação de atividade antioxidante (FRAP, ABTS e DPPH) e num ensaio de viabilidade em linhas celulares normais e de cancro. Os extratos demonstraram potencial tecnológico e bioactivo, com interessantes capacidades de gelificação, emulsificação e antioxidante. O seu perfil bioquímico e de atuação foi dependente do solvente utilizado. Na generalidade, não se observaram efeitos significativos aquando da aplicação de OH. Em suma, os objetivos delineados foram cumpridos, reconhecendo-se o potencial dos extratos de P. tricornutum para a indústria cosmecêutica, bem como para o desenvolvimento de alimentos funcionais.