Summary

Aufwertung der Rotalge Gracilaria gracilis durch einen Bioraffinerieansatz

Published: November 21, 2023
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Summary

Hier beschreiben wir verschiedene Protokolle, die auf eine integrierte Aufwertung von Gracilaria gracilis abzielen: Ernte von Wildarten, Eigenzucht und Extraktion von bioaktiven Inhaltsstoffen. Die antioxidative, antimikrobielle und zytotoxische Wirkung der Extrakte wird ebenso bewertet wie die Nährwert- und Stabilitätsbewertung von Lebensmitteln, die mit ganzer Algenbiomasse und Pigmenten angereichert sind.

Abstract

Das Interesse an Algen als reichlich vorhandener Rohstoff zur Gewinnung wertvoller und zielführender bioaktiver Inhaltsstoffe wächst kontinuierlich. In dieser Arbeit untersuchen wir das Potenzial von Gracilaria gracilis, einer essbaren Rotalge, die weltweit wegen ihres kommerziellen Interesses als Quelle für Agar und andere Inhaltsstoffe für kosmetische, pharmakologische, Lebensmittel- und Futtermittelanwendungen angebaut wird.

Die Wachstumsbedingungen von G. gracilis wurden durch vegetative Vermehrung und Sporulation optimiert, während die physikalisch-chemischen Bedingungen manipuliert wurden, um einen großen Biomassebestand zu erreichen. Grüne Extraktionsmethoden mit Ethanol und Wasser wurden über die Algenbiomasse durchgeführt. Das bioaktive Potenzial der Extrakte wurde durch eine Reihe von In-vitro-Assays hinsichtlich ihrer Zytotoxizität, ihrer antioxidativen und antimikrobiellen Eigenschaften bewertet. Darüber hinaus wurde getrocknete Algenbiomasse in Nudelformulierungen eingearbeitet, um den Nährwert der Lebensmittel zu erhöhen. Aus G. gracilis extrahierte Pigmente wurden auch als natürlicher Farbstoff in Joghurt eingearbeitet und ihre Stabilität bewertet. Beide Produkte wurden einer halbgeschulten sensorischen Jury unterzogen, die darauf abzielt, die beste Endformulierung zu erreichen, bevor sie auf den Markt kommen.

Die Ergebnisse belegen die Vielseitigkeit von G. gracilis , unabhängig davon, ob es als Gesamtbiomasse, Extrakte und/oder Pigmente angewendet wird. Durch die Implementierung mehrerer optimierter Protokolle ermöglicht diese Arbeit die Entwicklung von Produkten mit dem Potenzial, von den Lebensmittel-, Kosmetik- und Aquakulturmärkten zu profitieren und die ökologische Nachhaltigkeit und eine blaue Kreislaufwirtschaft zu fördern.

Darüber hinaus wird die verbleibende Algenbiomasse im Einklang mit einem Bioraffinerieansatz als Biostimulans für das Pflanzenwachstum verwendet oder in Kohlenstoffmaterialien umgewandelt, die bei der Wasseraufbereitung der hauseigenen Aquakultursysteme von MARE-Polytechnic in Leiria, Portugal, verwendet werden.

Introduction

Algen können als interessanter natürlicher Rohstoff angesehen werden, von dem die Pharma-, Lebensmittel-, Futtermittel- und Umweltbranche profitieren kann. Sie biosynthetisieren eine Vielzahl von Molekülen, von denen viele in terrestrischen Organismen nicht vorkommen und relevante biologische Eigenschaften aufweisen 1,2. Es müssen jedoch Algen-optimierte Anbauprotokolle implementiert werden, um einen großen Biomassebestand zu gewährleisten.

Die Anbaumethoden müssen immer die Art der Algen-Thalli und die allgemeine Morphologie berücksichtigen. Gracilaria gracilis ist ein klonales Taxon, d.h. das Bindungsorgan produziert mehrere vegetative Achsen. Die Fortpflanzung durch Fragmentierung (vegetative Fortpflanzung) wird somit erreicht, da jede dieser Achsen vollständig in der Lage ist, ein unabhängiges Leben vom Hauptthallus3 anzunehmen. Klonale Taxa können mit einfachen und schnellen einstufigen Kultivierungsmethoden erfolgreich integriert werden, da große Mengen an Biomasse durch die Spaltung des Thallus in kleine Fragmente gewonnen werden, die sich schnell regenerieren und zu neuen, genetisch identischen Individuen heranwachsen. Dabei können sowohl haplontische als auch diplontische Thalli verwendet werden. Obwohl die Gattung einen komplexen haplo-diplontischen isomorphen triphasischen Lebenszyklus aufweist, ist eine Sporulation nur selten erforderlich, es sei denn, eine genetische Erneuerung der Bestände ist erforderlich, um verbesserte Ernten zu erzielen. In diesem Fall entstehen sowohl Tetrasporen (haplontische Sporen, die durch Meiose gebildet werden) als auch Carposporen (diplontische Sporen, die durch Mitose gebildet werden) makroskopische Thalli, die dann durch vegetative Vermehrung gezüchtet und vermehrt werden können4. Wachstumszyklen werden von den Umweltbedingungen und dem physiologischen Zustand der Individuen bestimmt, neben anderen biologischen Faktoren wie der Entstehung von Epiphyten und der Adhäsion anderer Organismen. Daher ist die Optimierung der Wachstumsbedingungen von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Produktivität zu gewährleisten und Biomasse von guter Qualität zu produzieren5.

Die Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Algen, einschließlich G. gracilis, kann durch verschiedene Methoden erreichtwerden 6,7. Die Wahl der Extraktionsmethode hängt von den spezifischen Verbindungen von Interesse, der Zielanwendung und den Eigenschaften der Algen ab. In dieser Studie konzentrierten wir uns auf die Lösungsmittelextraktion, bei der grüne Lösungsmittel wie Wasser oder Ethanol verwendet werden, um bioaktive Verbindungen aus der Algenbiomasse aufzulösen und zu extrahieren. Die Extraktion kann durch Mazeration vielseitig und effektiv durchgeführt werden und kann für eine Vielzahl von Verbindungen verwendet werden. Es handelt sich um eine einfache und weit verbreitete Methode, bei der Biomasse über einen längeren Zeitraum in einem Lösungsmittel eingeweicht wird, typischerweise bei Raum- oder leicht erhöhten Temperaturen. Das Lösungsmittel wird gerührt, um den Extraktionsprozess zu verbessern. Nach der gewünschten Extraktionszeit wird das Lösungsmittel durch Filtration oder Zentrifugation vom Feststoff getrennt.

Wasser ist aufgrund seiner Sicherheit, Verfügbarkeit und Kompatibilität mit einer Vielzahl von Lebensmitteln ein häufig verwendetes Lösungsmittel in Lebensmittelanwendungen. Die Wasserextraktion eignet sich für polare Verbindungen wie Polysaccharide, Peptide und bestimmte Phenole. Es kann jedoch sein, dass es unpolare Verbindungen nicht effektiv extrahiert. Ethanol ist auch ein weit verbreitetes Lösungsmittel in Lebensmittelanwendungen und kann für die Extraktion einer Vielzahl von bioaktiven Molekülen, einschließlich phenolischer Verbindungen, Flavonoide und bestimmter Pigmente, wirksam sein. Ethanol ist allgemein als sicher für die Verwendung in Lebensmitteln anerkannt und kann leicht verdampft werden, wobei die extrahierten Verbindungen zurückbleiben. Es ist erwähnenswert, dass bei der Wahl der Extraktionsmethode Faktoren wie Effizienz, Selektivität, Kosteneffizienz und Umweltauswirkungen berücksichtigt werden sollten. Die Optimierung von Extraktionsparametern wie Lösungsmittelkonzentration, Extraktionszeit, Temperatur und Druck ist entscheidend, um optimale Ausbeuten an bioaktiven Verbindungen aus G. gracilis oder anderen Algen zu erzielen.

Es wurde festgestellt, dass Algen eine antimikrobielle Aktivität gegen eine Vielzahl von Mikroorganismen aufweisen, darunter Bakterien, Pilze und Viren8. Diese Aktivität wird bioaktiven Komponenten zugeschrieben, darunter Phenole, Polysaccharide, Peptide und Fettsäuren. Mehrere Studien haben ihre Wirksamkeit gegen Krankheitserreger wie Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Salmonella sp. und Pseudomonas aeruginosa unter anderem nachgewiesen9. Die antimikrobielle Aktivität von Algen wird auf das Vorhandensein bioaktiver Verbindungen zurückgeführt, die mikrobielle Zellwände, Membranen, Enzyme und Signalwege stören können10. Diese Verbindungen können das mikrobielle Wachstum stören, die Bildung von Biofilmen hemmen und die Immunantwort modulieren.

Rote Algen, auch Rhodophyten genannt, sind eine Gruppe von Algen, die eine antimikrobielle Aktivität gegen eine Vielzahl von Mikroorganismen aufweisen können. Innerhalb dieser Gruppe enthält G. gracilis verschiedene bioaktive Verbindungen, die zu seiner berichteten antimikrobiellen Aktivität beitragen können. Während die spezifischen Moleküle variieren können, sind die gemeinsamen Klassen, über die in G. gracilis berichtet wurde und antimikrobielle Eigenschaften besitzen können, Polysaccharide, Phenole, Terpenoide und Pigmente11. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Vorhandensein und die Mengen dieser Komponenten je nach Faktoren wie dem Ort der Algensammlung, der Saisonalität, dem physiologischen Zustand des Thallis und den Umweltbedingungen variieren können. Daher können die spezifische Klasse und Konzentration der antimikrobiellen Verbindungen in G. gracilis entsprechend variieren.

Es wurde auch festgestellt, dass G. gracilis antioxidative Eigenschaften besitzt, die verschiedene phenolische Verbindungen enthalten, von denen gezeigt wurde, dass sie freie Radikale abfangen und oxidativen Stress reduzieren12.Antioxidantien tragen dazu bei, die Zellen vor Schäden durch reaktive Sauerstoffspezies zu schützen und haben potenzielle gesundheitliche Vorteile. Die antioxidative Kapazität kann direkt durch verschiedene Methoden bewertet werden, einschließlich der 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH)-Radikalfängeraktivität und indirekt durch die Quantifizierung des Gesamtpolyphenolgehalts (TPC)13.

Auch wenn ein Inhaltsstoff eine ausgeprägte Bioaktivität aufweist, ist seine Zytotoxizitätsbewertung bei der Bewertung natürlicher und synthetischer Substanzen, die in Kontakt mit lebenden Zellen oder Geweben verwendet werden sollen, unerlässlich. Es gibt mehrere Methoden zur Messung der Zytotoxizität, jede mit Vor- und Nachteilen. Insgesamt bieten sie eine Reihe von Möglichkeiten, die schädlichen Auswirkungen vieler Substanzen auf Zellen zu bewerten und gleichzeitig die Mechanismen von Zellschädigung und Zelltod zu untersuchen14.

In dieser Arbeit verwenden wir den 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazoliumbromid (MTT)-Assay, eine kolorimetrische Methode, die von Mosmann (1983)15 eingeführt wurde. Diese Methode misst die Reduktion von Tetrazoliumsalzen zu einem violetten Formazanprodukt durch stoffwechselaktive Zellen. Je höher die Menge an Formazankristallen, desto höher ist die Anzahl lebensfähiger Zellen, was ein indirektes Maß für die Zytotoxizität darstellt14. Da in dieser Arbeit G. gracilis-Wasser und Ethanolextrakte in dermokosmetische Formulierungen eingearbeitet werden sollen, wird die in vitro Zytotoxizitätsbewertung in einer Keratinozyten (HaCaT)-Zelllinie durchgeführt.

In Bezug auf die Lebensmittelanwendung sind Algen im Allgemeinen kalorienarm und nährstoffreich an Ballaststoffen, essentiellen Elementen und Aminosäuren, Polysacchariden, mehrfach ungesättigten Fettsäuren, Polyphenolen und Vitaminen 2,16. G. gracilis ist da keine Ausnahme und hat einen interessanten Nährwert. Freitas et al. (2021)4 fanden heraus, dass kultivierte G. gracilis im Vergleich zu wilden Algen einen höheren Protein- und Vitamin-C-Gehalt aufwies und den Gesamtlipidspiegel beibehielt. Dies kann einen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteil darstellen, da die Produktion ernährungsphysiologisch der Ausbeutung wilder Ressourcen vorzuziehen ist. Darüber hinaus sind die Verbraucher zunehmend besorgt über die Art der Lebensmittel, die sie essen, daher ist es wichtig, neue Zutaten für die Anreicherung von Lebensmitteln einzuführen und neue Ressourcen zu verwenden, um Extrakte zu erhalten, die einem Produkt einen Mehrwert verleihen und ein “sauberes Etikett” beanspruchen können. Außerdem ist der derzeitige Markt sehr wettbewerbsintensiv und erfordert die Entwicklung neuer Produkte und innovativer Strategien, um die Hersteller von ihren Mitbewerbern abzuheben17.

Die Anreicherung von Produkten mit geringem Nährwert, wie z. B. Nudeln, mit Meeresressourcen, einschließlich Algen, ist eine Strategie, um diese Ressource als neues Lebensmittel einzuführen, und eine Marktdifferenzierungsstrategie durch ein Produkt mit ausgeprägtem Nährwert. Auf der anderen Seite ist G. gracilis eine Quelle für natürliche rote Pigmente wie Phycobiliproteine18, die ein hohes Potenzial für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie haben. Diese Algen haben in mehreren Bereichen großes Interesse gezeigt, und ihre Anwendung kann mit den gesamten Algen, Extrakten und/oder der verbleibenden Biomasse erfolgen. In dieser Arbeit zeigen wir einige Beispiele für solche Anwendungen.

Protocol

1. Ernte und Aufbereitung von Biomasse Ernten Sie die Proben von G. gracilis bei Ebbe und transportieren Sie sie schnell in dunklen, gekühlten Boxen ins Labor, um Trocknung, Licht und Lufteinwirkung zu vermeiden. Waschen Sie jeden Thallus im Labor mit fließendem Meerwasser und reinigen Sie ihn gründlich, um Ablagerungen, nekrotische Teile, Epiphyten und andere Organismen von der Oberfläche zu entfernen. Halten Sie die wilde Biomasse in konstant belüftetem Meerwasser (31-35 PSU)…

Representative Results

Antimikrobielle Aktivität Bei der Interpretation der erzielten Ergebnisse ist zu berücksichtigen, dass je höher der Prozentsatz der Hemmung ist, desto größer ist die Wirksamkeit des Extrakts bei der Hemmung des Wachstums dieses spezifischen Stammes und desto interessanter ist der Extrakt folglich als antimikrobielles Mittel. Durch diese Methodik können wir schnell feststellen, welche Extrakte eine größer…

Discussion

Die antimikrobiellen Aktivitätstests in einem flüssigen Medium werden verwendet, um die Wirksamkeit antimikrobieller Substanzen gegen Mikroorganismen zu bewerten, die in einem flüssigen Medium suspendiert sind, und werden in der Regel durchgeführt, um die Fähigkeit einer Substanz zu bestimmen, das Wachstum zu hemmen oder Mikroorganismen abzutöten35,36,37,38. Sie werden verwendet, um die E…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde von der portugiesischen Stiftung für Wissenschaft und Technologie (FCT) im Rahmen der strategischen Projekte unterstützt, die dem MARE-Zentrum für Meeres- und Umweltwissenschaften (UIDP/04292/2020 und UIDB/04292/2020) und dem assoziierten Labor ARNET (LA/P/0069/2020) gewährt wurden. FCT finanzierte auch die individuellen Promotionsstipendien für Marta V. Freitas (UI/BD/150957/2021) und Tatiana Pereira (2021). 07791. BD). Diese Arbeit wurde auch durch das Projekt HP4A – GESUNDE PASTA FÜR ALLE (Co-Promotion Nr. 039952) finanziell unterstützt, das vom EFRE – Europäischer Fonds für regionale Entwicklung im Rahmen des Programms Portugal 2020 im Rahmen des operationellen Programms COMPETE 2020 – Wettbewerbsfähigkeit und Internationalisierung kofinanziert wird.

Materials

Absolute Ethanol Aga, Portugal 64-17-5
Ammonium Chloride PanReac 12125-02-9
Amphotericin B Sigma-Aldrich 1397-89-3
Analytical scale balance Sartorius, TE124S 22105307
Bacillus subtilis subsp. spizizenii German Collection of Microorganisms and Cell Cultures (DSMZ) DSM 347
Biotin Panreac AppliChem 58-85-5
Centrifuge Eppendorf, 5810R 5811JH490481
Chloramphenicol PanReac 56-75-7
CO2 Chamber Memmert N/A
Cool White Fluorescent Lamps OSRAM Lumilux Skywhite N/A
Densitometer McFarland Grant Instruments N/A
DMEM medium Sigma-Aldrich D5796
DMSO Sigma-Aldrich 67-68-5
DPPH Sigma, Steinheim, Germany 1898-66-4
Escherichia coli (DSM 5922) German Collection of Microorganisms and Cell Cultures (DSMZ) DSM5922
Ethanol 96% AGA-Portugal 64-17-5
Ethylenediaminetetraacetic Acid Disodium Salt Dihydrate (Na2EDTA) J.T.Baker 6381-92-6
Fetal Bovine Serum (FBS) Sigma-Aldrich F7524
Filter Paper (Whatman No.1) Whatman WHA1001320
Flasks VWR International, Alcabideche, Portugal  N/A
Folin-Ciocalteu VWR Chemicals 31360.264
Gallic Acid  Merck 149-91-7
Germanium (IV) Oxide, 99.999% AlfaAesar 1310-53-8
HaCaT cells – 300493 CLS-Cell Lines Services, Germany  300493
Hot Plate Magnetic Stirrer IKA, C-MAG HS7 06.090564
Iron Sulfate VWR Chemicals 10124-49-9
Laminar flow hood TelStar, Portugal 526013
LB Medium  VWR Chemicals J106
Listonella anguillarum German Collection of Microorganisms and Cell Cultures (DSMZ)  DSM 21597
Manganese Chloride VWR Chemicals 7773.01.5
Micropipettes  Eppendorf, Portugal N/A
Microplates VWR International, Alcabideche, Portugal  10861-666
Microplates Greiner 738-0168
Microplates (sterile) Fisher Scientific 10022403
Microplate reader  Epoch Microplate Spectrophotometer, BioTek, Vermont, USA 1611151E
MTT Sigma-Aldrich 289-93-1
Muller-Hinton Broth (MHB) VWR Chemicals 90004-658
Oven Binder, FD115 12-04490
Oven Binder, BD115 04-62615
Penicillin Sigma-Aldrich 1406-05-9
pH meter Inolab  VWR International, Alcabideche, Portugal  15212099
Pippete tips Eppendorf, Portugal 5412307
Pyrex Bottles Media Storage  VWR International, Alcabideche, Portugal  16157-169
Rotary Evaporator Heidolph, Laborota 4000 80409287
Rotavapor IKA HB10, VWR International, Alcabideche, Portugal 07.524254
Sodium Carbonate (Na2CO3) Chem-Lab 497-19-8
Sodium Chloride (NaCl)  Normax Chem 7647-14-5
Sodium Phosphate Dibasic Riedel-de Haën 7558-79-4
SpectraMagic NX Konica Minolta, Japan color data analysis software
Spectrophotometer Evolution 201, Thermo Scientific, Madison, WI, USA 5A4T092004
Streptomycin Sigma-Aldrich 57-92-1
Thiamine Panreac AppliChem 59-43-8
Trypsin-EDTA Sigma-Aldrich T4049
Tryptic Soy Agar (TSA) VWR Chemicals ICNA091010617
Tryptic Soy Broth (TSB)  VWR Chemicals 22091
Ultrapure water  Advantage A10 Milli-Q lab, Merck, Darmstadt, Germany F5HA17360B
Vacuum pump Buchi, Switzerland FIS05-402-103
Vitamin B12 Merck 68-19-9

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Martins, A., Pinto, F. R., Barroso, S., Pereira, T., Mouga, T., Afonso, C., Freitas, M. V., Pinteus, S., Pedrosa, R., Gil, M. M. Valorization of the Red Seaweed Gracilaria gracilis Through a Biorefinery Approach. J. Vis. Exp. (201), e65923, doi:10.3791/65923 (2023).

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