Microalgae production strategies to increase carotenoid and polyunsaturated fatty acid composition for food and feed

Abstract

As microalgas têm sido destacadas como uma fonte promissora e sustentável de importantes compostos bioactivos para as indústrias farmacêutica e alimentar, como por exemplo: carotenóides, ácido eicosapentaenóico (EPA) e ácido docosahexaenóico (DHA). Este trabalho teve como objetivo otimizar e caracterizar a produção de biomassa da Pavlova gyrans através de uma abordagem multivariada. Inicialmente foram avaliados os efeitos de 17 fatores abióticos na produtividade da biomassa de P. gyrans. As variáveis que apresentaram um impacto significativo (p < 0,10) no crescimento da P. gyrans foram a intensidade de luz, NaNO3, e CuSO4,5H2O, sendo a última a única a afetar negativamente o crescimento da P. gyrans. Numa segunda etapa estas variáveis, juntamente com o NaH2PO4.H2O, foram estudadas de forma a otimizar a produção de biomassa da P. gyrans, resultando as seguintes condições ótimas de crescimento: 700 μmol.photons.m-2.s-1 de intensidade luminosa, 1500 mg.L-1 NaNO3, 6 μg.L-1 CuSO4.5H2O e 40 mg.L-1 NaH2PO4.H2O. Em comparação com as condições controlo a formulação ótima permitiu um aumento de 3,8 vezes no valor máximo de biomassa produzida (2,26 g AFDW.L-1) assim como uma melhoria generalizada no perfil bioquímico (teor de proteínas, PUFA, ácidos gordos n-3, DHA e EPA). Além disso, foi também avaliado o efeito dos 17 fatores abióticos na produção de xantofilas e carotenos de P. gyrans (p < 0,10), com especial ênfase na fucoxantina (Fx), β-caroteno (βCar), e a soma de todos os carotenóides analisados individualmente (TCar). Na gama de valores testada verificou-se que a produção de Fx foi aumentada usando maiores concentrações de azoto e menor intensidade luminosa. Além disso, o azoto e o ferro foram positivamente correlacionados com a acumulação de βCar. O conteúdo de TCar aumentou em concentrações mais elevadas de azoto, ferro e cobalto, bem como em níveis mais baixos de salinidade e iluminação. As condições de crescimento formuladas para maior acumulação de Fx e TCar melhoraram a respetiva produção (p < 0,05). Entre as experiências de validação, os valores mais elevados de Fx e TCar alcançados por P. gyrans foram 6,153 e 11,794 mg.g- 1 DW, o que representou um aumento de 3 e 2 vezes, respectivamente, em comparação com o meio de controlo (Walne). Os resultados deste trabalho permitiram compreender a importância dos diferentes fatores abióticos no crescimento e composição bioquímica da P. gyrans, assim como entender a importância nutricional que esta microalga apresenta. Os dados aqui apresentados poderão facultar informação relevante para a possível produção à escala industrial desta microalga.

Microalgae have been presented as a source of important bioactive compounds for nutraceutical and pharmaceutical industries, such as carotenoids, eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA). The aim of this work was to optimize and characterize the biomass production of Pavlova gyrans through a multivariate approach. Firstly, the effects of seventeen abiotic factors on the biomass productivity of P. gyrans were evaluated. Light intensity, NaNO3, and CuSO4.5H2O, were identified as the most significative abiotic factor (p < 0.10), with the latter negatively affecting the growth of P. gyrans. Together with NaH2PO4.H2O, these variables were further studied to maximize the biomass production of P. gyrans, being the optimum growth conditions reached when applying 700 μmol.photons.m-2.s-1 of light intensity, 1500 mg.L-1 NaNO3, 6 μg.L-1 CuSO4.5H2O and 40 mg.L-1 NaH2PO4.H2O. The optimized conditions were validated against the control (Walne’s medium) and allowed a 3.8-fold increase in biomass production of P. gyrans (2.26 g AFDW.L-1). The biochemical profile of P. gyrans was also improved (p < 0.05), namely with increased protein content (10.59-30.76 % DW), PUFA content (37.13-47.11 %TFA), n-3 fatty acids (26.49-38.27 %TFA), DHA (5.73-10.33 %TFA) and EPA (17.09-20.69 %TFA – p > 0.05). In addition it was assessed the effect of the seventeen abiotic factors in xanthophylls and carotenes production of P. gyrans (p < 0.10), with especial emphasis in fucoxanthin (Fx), β-carotene (βCar), and the sum of all carotenoids individually analyzed (TCar). In the experimental range tested, Fx production was increased under higher levels of nitrogen and lower light intensity. Additionally, nitrogen and iron were positively correlated with βCar accumulation. TCar content was enhanced at higher concentrations of nitrogen, iron, and cobalt, as well as lower levels of salinity and illumination. The modified growth conditions formulated for Fx and TCar improved the respective production (p < 0.05). Among the validation experiments, the highest Fx and TCar values achieved by P. gyrans were, respectively, 6.153 and 11.794 mg.g-1 DW, which represented an increase of 3- and 2- fold compared to the control (Walne’s medium). The results of this work provided an understanding of the importance of different abiotic factors on the growth of P. gyrans, which are relevant data for further large-scale production of this microalgae with beneficial nutritional indices for human consumption.