Biorefinery of Microalgae: production and characterization of protein fractions

Abstract

Conventional protein sources are estimated to be insufficient for world food demand, by 2050. Microalgae are currently one of the most promising sources of proteins, providing good techno-functional properties and health benefits. The A4F microalgae proteins' extraction process was optimized to maximize the recovery yield of soluble proteins. Proteins characterization through the BCA method and SDS-PAGE were essential for the monitorization of proteins behavior in each operational step, in terms of concentration and molecular weight (MW) profile facilitating process optimization. Three species of microalgae were studied, which were Arthrospira platensis, Chlorella vulgaris and Nannochloropsis sp. SDS-PAGE was proposed as a technique to monitor the fractionation process efficiency of soluble proteins from microalgae. In a first approach, through SDS-PAGE analysis, each microalga protein's MW profile was characterized. Then, different proteins' stabilization strategies were studied, both at laboratory and pilot scale. Thus, it was determined that applying a 50 ºC thermal treatment, for 1 minute, to the biomass is important for bacterial growth inhibition. Diluting the biomass with deionized water, in the proportion of 5:1 (biomass:water), contributes to proteins' recovery maximization. For long-term storage at -25 ºC of proteins extracts in the liquid form, the best stabilization strategy includes the initial 50 ºC thermal treatment with no addition of solvents and, prior to storage, adding the supernatant 20 (w/w) % of an osmolyte (glycerol or sorbitol). This procedure minimizes proteins' degradation, improving the MW profile maintenance. Membrane filtration tests were also performed to evaluate protein recovery as a bulk soluble protein. It was confirmed that the SDS-PAGE results allowed the optimization of the membrane filtration operation parameters, including the best MWCO of the membranes.

Estudos recentes preveem que, até ao ano 2050, as fontes convencionais de proteína sejam insuficientes para suprir as necessidades de alimentação da população. As microalgas são atualmente uma fonte de proteína promissora, proporcionando grandes benefícios para a saúde. O processo de extração das proteínas de microalgas executado pela A4F foi otimizado de forma a maximizar o rendimento de recuperação das mesmas. A análise da quantificação de proteínas através do método BCA bem como análises SDS-PAGE foram essenciais para a monitorização do comportamento das proteínas a cada etapa de operação, em termos de concentração e perfil de peso molecular, facilitando esta otimização. Foram estudadas três espécies de microalgas, as quais foram Arthrospira platensis, Chlorella vulgaris e Nannochloropsis sp. O SDS-PAGE foi proposto como uma técnica para monitorizar a eficiência do processo em termos de extração de proteínas solúveis. Através da análise SDS-PAGE, foi possível caracterizar a gama de pesos moleculares das proteínas de cada microalga. Foram estudadas diferentes estratégias de estabilização de proteínas, tanto em laboratório como à escala piloto. Assim, determinou-se a aplicação de um tratamento térmico de 50 ºC à biomassa, durante 1 minuto, é importante para a inibição do crescimento de bactérias. A adição de água desionizada na proporção de 5:1 (biomassa:água) promove a maximização da recuperação de proteínas. Para o armazenamento a longo prazo, a -25 ºC, de extratos de proteínas na forma líquida, a melhor estratégia de estabilização inclui o tratamento térmico a 50 ºC, sem adição de solventes, e, antes do seu armazenamento, adicionar ao sobrenadante 20 (w/w) % de um osmolito (glicerol ou sorbitol). Este procedimento minimiza a perda de proteínas, melhorando a manutenção do perfil de pesos moleculares. Foram também realizados testes de filtração através de membranas para avaliar a recuperação de proteínas solúveis. Ficou demonstrado que os resultados do SDS-PAGE permitiram otimizar as condições de operação num sistema de filtração por membranas e escolher o melhor MWCO das mesmas.