Recuperación de proteínas de biomasa algal usando Disolventes Eutécticos Profundos (DESs)

Abstract

El incremento de la demanda de alimentos y piensos, junto con la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero provenientes del ganado, ha impulsado la búsqueda de fuentes de proteínas más sostenibles. Las microalgas son ricas en proteínas de alto rendimiento y crecen rápidamente en aguas residuales, convirtiendo nutrientes y carbono (incluyendo CO2) en biomasa, produciendo O2 en el proceso. Además, las microalgas son capaces de retener contaminantes de las aguas residuales, abordando así otro problema: la escasez de agua. Sin embargo, obtener proteínas de las microalgas es un proceso complejo, ya que necesitan ser separadas del resto de biocomponentes presentes en la matriz, requiriendo el uso de técnicas de extracción eficientes, selectivas y sostenibles. Los disolventes eutécticos profundos (DESs) son una alternativa prometedora en comparación a las técnicas tradicionales, que normalmente necesitan disolventes orgánicos o condiciones fuertes, dos cosas perjudiciales para la estabilidad de las proteínas y la salud del planeta. En este trabajo se ha realizado un ensayo de extracción líquido-sólido con la microalga verde Scenedesmus almeriensis. Primero, se prepararon los DESs y para su caracterización se utilizó espectroscopía IR-TF. Tras ello, se llevó a cabo un screening inicial para estudiar la influencia de los factores principales en el proceso de recuperación de proteínas, dando como resultado que la combinación del pretratamiento de ultrasonidos y mortero incrementaba el rendimiento de la recuperación. Con la información obtenida en el screening se optimizó el procedimiento de preparación de muestra y se implementó un diseño de experimentos ortogonal L18 para estudiar siete factores diferentes: biomasa, pretratamiento, DES, tiempo, temperatura, ratio biomasadisolvente y concentración de DES. El tipo de biomasa se estudió a dos niveles, mientras que los otros seis factores se estudiaron a tres niveles. Se ensayó con tres DESs diferentes, todos preparados con cloruro de colina como dador de enlace de hidrógeno, en un ratio molar 1:2, para comprobar si el aceptor de enlace de hidrógeno tiene influencia en el rendimiento del DES. La variables respuesta medidas fueron la recuperación de proteínas y carbohidratos, así como su ratio. Además, se construyeron varios modelos matemáticos para predecir el valor óptimo de las variables respuesta. Los resultados obtenidos demuestran una recuperación de proteínas del 20 %, aunque también se extrajeron una cantidad considerable de carbohidratos. Por lo tanto, parece que los DESs tienen un gran potencial de extracción de proteínas en microalgas, aunque el proceso necesita ser optimizado con el fin de mejorar el ratio proteínas-carbohidratos extraído.

The increasing demand for food and feed, and the need of reducing the emission of greenhouse effect gases from livestock are boosting the search for alternative sustainable protein sources. Microalgae are rich in high-quality protein and grow rapidly in wastewater, converting nutrients and carbon (including CO2) into biomass, producing O2 in the process. Moreover, microalgae are also capable of removing pollutants from the wastewater, tackling another problem: the scarcity of water. However, obtaining proteins from microalgae is a difficult process, as they must be separated from the rest of the biocompounds present in the matrix, requiring the use of efficient, selective, and sustainable extraction techniques. Deep eutectic solvents (DESs) are a promising alternative compared to traditional techniques, that typically use organic solvents or harsh conditions, which are both detrimental to protein stability and planet health. In this work, liquid-solid extraction with DESs has been attempted on the green microalgae Scenedesmus almeriensis. First, we have prepared the DESs, and for their characterization FTIR spectroscopy has been employed. Then, a preliminary screening result was set to study the main factors influencing the protein recovery process, finding that the combined pretreatment with ultrasounds and mortar increases the protein recovery yield.With the information gathered in the screening design, the experimental sample preparation procedure was optimized, and an orthogonal L18 experimental design was implemented to study seven different factors: biomass, pretreatment, DES, time, temperature, biomass to solvent ratio, and DES concentration. The type of biomass was studied at two levels, while the other six factors were studied at three levels. Three DES were assayed, all prepared with choline chloride as a hydrogen bond donor at a molar ratio of 1:2, to check if the hydrogen bond acceptor influences the DES performance. The response variables measured were the protein and carbohydrate yield, as well as the ratio of them. In addition, several mathematical models have been built to predict the optimal value of the response variables. The results achieved show a protein recovery yield up to 20 %, although a considerable amount of carbohydrates are also extracted. Therefore, it seems that DESs have a great potential for extraction proteins from microalgae, but the process needs to be optimized in order to improve the ratio of proteins-carbohydrates extracted.