Aplicación de sistemas bifásicos acuosos (ATPSs) a la extracción de proteínas de biomasa algal

Abstract

El mundo afrontará un gran crecimiento en la demanda de proteína en las próximas décadas como consecuencia del aumento de la población. Debido a que la producción de proteína de origen animal es responsable de numerosos y graves problemas medioambientales, se precisan fuentes alternativas que garanticen el suministro de este macronutriente tan vital en la dieta. En este sentido, las microalgas han surgido como una fuente rica en proteínas de alta calidad y otras biomoléculas de interés tecnológico y agroalimentario, con la ventaja de que pueden cultivarse a muy bajo coste en fotobiorreactores de tratamiento de aguas residuales ricas en nutrientes, valorizando de este modo las aguas residuales mediante un concepto de economía circular. Sin embargo, extraer las proteínas de la matriz celular y separarlas del resto de biomoléculas no es una tarea sencilla, debido a la rigidez de la pared celular de las microalgas y a la falta de especificidad de los tratamientos de extracción disponibles. En este trabajo se ha investigado el potencial de los sistemas bifásicos acuosos (ATPSs) que combinan disolventes eutécticos profundos (DESs) naturales y biodegradables con disoluciones acuosas de sales de fosfato, para recuperar selectivamente proteínas contenidas en biomasa liofilizada de la microalga verde Scenedesmus almeriensis, así como su capacidad para separar las proteínas de los carbohidratos. En primer lugar, se han construido los diagramas de fases de tres ATPSs diferentes (Bet:2LA-K2HPO4, ChCl:2Urea – K2HPO4, y ChCl:2Urea – K3PO4), aplicando el método de valoración de punto de niebla (Cloud Point Titration Method) para seleccionar la composición idónea de cada sistema. Posteriormente, se ha llevado a cabo un diseño de experimentos para estudiar el efecto de dos factores: tipo de ATPS empleado (3 niveles) y tipo de pretratamiento de la muestra, morterada y sin morterar (2 niveles), en la extracción de proteínas, carbohidratos, y su separación, de la microalga Scenedesmus almeriensis liofilizada, crecida en aguas de purín de cerdo. Simultáneamente, para comprobar si la matriz tiene un efecto en la capacidad de los ATPS para recuperar la proteína, se aplicó el mismo diseño experimental a un patrón de BSA (proteína pura). El análisis de los resultados mediante ANOVA mostró que, para la BSA, tanto el ChCl:2Urea-K3PO4 como el Bet:2LA-K2HPO4 dan altos rendimientos de extracción de proteína, mientras que para la biomasa algal el ATPS ChCl:2Urea-K3PO4 es el que extrae significativamente más proteína que los otros dos (15%), minimizando simultáneamente la coextracción de carbohidratos (<4%). No se observaron diferencias significativas en la extracción con estos ATPSs de biomasa pulverizada o no triturada. Así, los ATPS se presentan como una tecnología prometedora para la extracción de proteínas de microalgas.

The world will face a great protein demand in the coming decades, due to the rapid population growth. Since the production of animal protein is responsible for several environmental problems, alternative protein sources are needed to ensure the supply of this vital macronutrient in the diet. In this sense, microalgae have emerged as a rich source of high-quality proteins and other biomolecules of technological and agrifood interest, with the additional advantage that they can be grown at very low cost in wastewater treatment photobioreactors, valorizing in this way the wastewater through the concept of circular bioeconomy. However, extracting proteins from the microalgae cell matrix and separating them from the other biomolecules is not an easy task, due to the rigidity of their cell wall and the lack of specificity of the available extraction treatments. In this work, the potential of aqueous biphasic systems (ATPSs) that combine natural and biodegradable deep eutectic solvents (DESs) with aqueous solutions of phosphate salts, have been used investigated to selectively recover proteins contained in lyophilized biomass of green microalgae Scenedemus almeriensis, as well as its ability to separate proteins from carbohydrates. First, the phase diagrams of three different ATPS (Bet:2LA-K2HPO4, ChCl:2Urea – K2HPO4, y ChCl:2Urea – K3PO4) were built, applying the cloud point titration method, to select the ideal composition of each system. Subsequently, a design of experiments was carried out to study the effect of two factors: type of ATPS used (three levels), and type of the pretreatment on the sample, mortared and without mortar (two levels), in the extraction of proteins, carbohydrates, and their separation from the microalgae, grown in pig slurry. Simultaneously, to check whether the matrix affects the ability of ATPS to recover proteins, the same experimental design was implemented to a BSA protein standard. The analysis of the results by ANOVA showed that, for BSA, both ChCl:2Urea-K3PO4 and Bet:2LA-K2HPO4 provide high protein extraction yields, while for the algal biomass the ATPS ChCl:2Urea-K3PO4 is the one that extracts significantly more protein than the other two (up to 15%), and at the same time minimizes the carbohydrate coextraction (<4%). No significant differences were observed in the extraction with these ATPSs from mortared or non-mortared biomass. Therefore, ATPSs arise as a promising technology for the extraction of proteins from microalgae.