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Publicação
Development of novel microalgal mutants with improved pigmentation and protein contents for industrial waste-based fermentation
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Resumo(s)
Microalgae are a promising alternative feedstock to achieve the second goal of the 2030 Agenda established by the United Nations: to end hunger, achieve food security and improved nutrition and promote sustainable agriculture. However, microalgal production and commercialisation still face several hurdles, namely the high production costs and the unappealing sensory properties of the biomass.
To overcome the abovementioned limitations, improved strains of Chlorella vulgaris and Scenedesmus rubescens were generated by chemical random mutagenesis. At this stage, two novel selection methods were developed: one to select chlorophyll-deficient mutants with a novel metabolic inhibitor, oxyfluorfen, which led to the selection of a yellow and a white mutant of C. vulgaris and a brownish mutant of S. rubescens; and another using fluorescence-activated cell sorting to select protein-rich mutants, that allowed to select a green mutant of C. vulgaris, 8GF4. Additionally, nicotine was also used to select a yellow mutant (7Y) of C. vulgaris and an orange mutant of S. rubescens for food and feed applications.
From the mutants generated, mutant 8GF4 displayed higher biomass and protein productivity, and was further validated as a biostimulant for agricultural applications, improving the germination of garden cress seeds. Moreover, a novel optimisation pipeline was developed to optimise the latter and a yellow (7Y) and white (31W) C. vulgaris mutants. This methodology allowed to improve the biomass productivity, colour, and protein content and productivity by up to 70, 20, 61 and 94%, respectively. Finally, a waste-based medium was formulated to cultivate mutant 7Y, reaching a biomass productivity of 22 g L-1 d-1 at industrial scale.
Overall, this study optimised the whole production pipeline, from strain improvement to bioprocess optimisation and validation of cultivation under a waste-based medium, to overcome the challenges of the biobased industry, allowing to improve the attractiveness, cost-effectiveness and nutritional profiles of microalgal products.
As Nações Unidas estabeleceram como segundo objetivo da Agenda 2030: acabar com a fome, atingir a segurança alimentar e nutrição melhorada, e promover a agricultura sustentável. As microalgas são uma matéria-prima alternativa com muito potencial para este efeito. Contudo, a produção e comercialização de microalgas enfrenta ainda grandes desafios, como os elevados custos de produção e processamento, e as propriedades sensoriais pouco apelativas da biomassa. As estirpes selvagens de Chlorella vulgaris e Scenedesmus rubescens foram então submetidas a um processo de mutagénese aleatória, de forma a gerar estirpes melhoradas das mesmas. Além disso, foram desenvolvidos dois novos métodos de seleção: um para selecionar mutantes deficientes em clorofila, através de um novo inibidor metabólico, o oxyfluorfen, estratégia que permitiu isolar dois mutantes C. vulgaris (amarelo e branco), e um mutante S. rubescens (castanho); e outro para selecionar mutantes ricos em proteína, através de separação celular ativada por fluorescência, o que permitiu selecionar um mutante verde de C. vulgaris, 8GF4. Adicionalmente, foi também usada a nicotina para selecionar um mutante amarelo (7Y) de C. vulgaris e um mutante laranja de S. rubescens para aplicações na alimentação humana e animal. Entre os vários mutantes gerados, o mutante 8GF4 apresentou uma produtividade de biomassa e proteína superiores, sendo posteriormente validado o seu potencial bioestimulante para agricultura, cuja aplicação melhorou significativamente a germinação de sementes de agrião. Por outro lado, foi também desenvolvida uma nova estratégia de otimização para otimizar este último mutante, bem como um mutante amarelo (7Y) e outro branco (31W) de C. vulgaris. Esta metodologia permitiu melhorar a produtividade de biomassa, a cor, e o conteúdo e produtividade de proteína até 70, 20, 61 e 94%, respetivamente. Por fim, foi ainda formulado um meio à base de resíduos para o cultivo do mutante amarelo, cujo crescimento à escala industrial permitiu atingir 22 g L-1 d-1. Assim, no decorrer desta tese foi otimizado todo o processo de produção, desde a melhoria das estirpes, à otimização do bioprocesso, até à validação do cultivo com meio à base de resíduos à escala industrial, com o objetivo de ultrapassar os desafios associados a esta indústria, contribuindo para melhorar a atratividade, a rentabilidade e valor nutricional dos produtos à base de microalgas.
As Nações Unidas estabeleceram como segundo objetivo da Agenda 2030: acabar com a fome, atingir a segurança alimentar e nutrição melhorada, e promover a agricultura sustentável. As microalgas são uma matéria-prima alternativa com muito potencial para este efeito. Contudo, a produção e comercialização de microalgas enfrenta ainda grandes desafios, como os elevados custos de produção e processamento, e as propriedades sensoriais pouco apelativas da biomassa. As estirpes selvagens de Chlorella vulgaris e Scenedesmus rubescens foram então submetidas a um processo de mutagénese aleatória, de forma a gerar estirpes melhoradas das mesmas. Além disso, foram desenvolvidos dois novos métodos de seleção: um para selecionar mutantes deficientes em clorofila, através de um novo inibidor metabólico, o oxyfluorfen, estratégia que permitiu isolar dois mutantes C. vulgaris (amarelo e branco), e um mutante S. rubescens (castanho); e outro para selecionar mutantes ricos em proteína, através de separação celular ativada por fluorescência, o que permitiu selecionar um mutante verde de C. vulgaris, 8GF4. Adicionalmente, foi também usada a nicotina para selecionar um mutante amarelo (7Y) de C. vulgaris e um mutante laranja de S. rubescens para aplicações na alimentação humana e animal. Entre os vários mutantes gerados, o mutante 8GF4 apresentou uma produtividade de biomassa e proteína superiores, sendo posteriormente validado o seu potencial bioestimulante para agricultura, cuja aplicação melhorou significativamente a germinação de sementes de agrião. Por outro lado, foi também desenvolvida uma nova estratégia de otimização para otimizar este último mutante, bem como um mutante amarelo (7Y) e outro branco (31W) de C. vulgaris. Esta metodologia permitiu melhorar a produtividade de biomassa, a cor, e o conteúdo e produtividade de proteína até 70, 20, 61 e 94%, respetivamente. Por fim, foi ainda formulado um meio à base de resíduos para o cultivo do mutante amarelo, cujo crescimento à escala industrial permitiu atingir 22 g L-1 d-1. Assim, no decorrer desta tese foi otimizado todo o processo de produção, desde a melhoria das estirpes, à otimização do bioprocesso, até à validação do cultivo com meio à base de resíduos à escala industrial, com o objetivo de ultrapassar os desafios associados a esta indústria, contribuindo para melhorar a atratividade, a rentabilidade e valor nutricional dos produtos à base de microalgas.
Descrição
Palavras-chave
Biomass sensory properties Heterotrophic cultivation Microalgae Protein content and productivity Strain improvement Waste-based fermentation