Optimization of a novel microalgal industrial strain’s growth performance and biochemical profile for nutritional applications

Abstract

Microalgae are a promising alternative feedstock, particularly as a protein source, due to their complete nutritional profile and sustainability of the cultivation process. Nevertheless, the production and commercialization of microalgae face challenges, such as low productivities and reduced consumer acceptance, often associated to chlorophyll, which affects taste, color, and smell. Thus, it is necessary to improve productivities and nutritional profiles so that microalgal-derived food products are economically and nutritionally attractive. One of the most important stages to address in the production pipeline is the cultivation process, in which growth medium and conditions can be optimized. This project took place at Allmicroalgae, a microalgae industrial production company, and set out to optimize abiotic conditions, such as pH, and medium composition, of a yellow heterotrophic Chlorella vulgaris strain (0007CAM1), generated by random mutagenesis, to yield improved growth performance, higher protein content and decreased chlorophyll content. Higher biomass productivities, specific growth rates and protein contents were obtained at pH 5.5 and 6.5 than at 7.5. Furthermore, three nitrogen sources were compared (ammonium, urea, and nitrate) and cultivation with ammonium yielded improved growth performance. A subsequent screening step was performed, using Design of Experiments (DoE), to select the nutrients that significantly impacted growth performance, protein, and chlorophyll content. [N], [P], [Cu] and [Zn] were tested and optimized with DoE to establish an optimized medium composition, which predicted a 36% biomass productivity increment compared to the standard medium MN13. However, when validating this prediction, the optimized medium yielded lower biomass productivities and similar specific growth rates compared to the MN13 (2.03 vs 2.19 g L-1 day-1; 1.00 vs 1.03 day-1). Even though increased growth performance was not achieved, optimization of the protein and chlorophyll content may still be possible when modelling these responses as future work.

As microalgas são matérias-primas promissoras, particularmente como fonte de proteína, devido aos seus perfis nutricionais completos e produção sustentável. Porém, a produção e comercialização de microalgas enfrentam desafios, nomeadamente baixas produtividades e a disposição dos consumidores para as adquirir, dificultada pela presença de clorofila, que afeta o sabor, a cor, e o cheiro. É necessário melhorar as produtividades e perfis nutricionais para que produtos à base de microalgas sejam economicamente e nutricionalmente atrativos. Tal pode ser alcançado durante o cultivo, no qual as condições e meio podem ser otimizadas. Este projeto decorreu na Allmicroalgae, empresa produtora de microalgas, com o objetivo de otimizar condições de cultivo abióticas, como o pH, e a composição do meio de uma estirpe heterotrófica de Chlorella vulgaris amarela (0007CAM1), obtida por mutagénese aleatória, para melhorar a sua produtividade, aumentar o conteúdo de proteína, e diminuir o conteúdo de clorofila. Atingiram-se produtividades de biomassa, taxas específicas de crescimento e conteúdos de proteína superiores a pH 5.5 e 6.5, comparado com 7.5. Adicionalmente, compararam-se três fontes de azoto (amónia, ureia, e nitrato) sendo que a amónia promoveu maior crescimento. Subsequentemente, realizou-se uma etapa de screening, com Desenho de Experiências (DoE), para selecionar nutrientes com impacto significativo no crescimento, conteúdo de proteína, e de clorofila. Testaram-se os fatores [N], [P], [Cu], e [Zn] com DoE para estabelecer uma composição de meio otimizada, que possibilitaria um aumento de 36% na produtividade de biomassa comparado ao meio standard MN13. Porém, ao validar esta previsão, o meio otimizado gerou produtividades mais baixas e taxas específicas de crescimento semelhantes, comparativamente ao meio MN13 (2.03 vs 2.19 g L-1 dia-1; 1.00 vs 1.03 dia-1). Apesar de não ter sido alcançado aumento no crescimento, a otimização do conteúdo em proteína e clorofila pode ainda ser possível quando estas forem modeladas, em trabalho futuro.