Desenvolupament de bioestimulants proteics sostenibles basats en aminoàcids lliures a partir de la hidròlisi de la microalga Scenedesmus sp.

Abstract

Les microalgues són una font de proteïnes d’alta qualitat i amb un bon perfil aminoacídic que les fa altament competitives en el mercat. A més, es poden introduir en diversos processos, i ara més que mai, és el moment d’estudiar la seva funcionalitat i aplicabilitat i realitzar estudis d’extracció i solubilització de compostos intracel·lulars. Aquest estudi proporciona un mètode vàlid per al desenvolupament d’un bioestimulant proteic basat en aminoàcids lliures a partir de la hidròlisi de la microalga Scenedesmus sp. L’estudi forma part del projecte europeu FERTIMANURE (FERTIilisers from animal MANURE), dins del marc de l’economia circular. La producció del bioestimulant es va realitzar mitjançant un procés químic i enzimàtic, amb biomassa fresca de Scenedesmus, que consistia en dues fases diferenciades: 1) el trencament de la paret cel·lular mitjançant un tractament amb NaOH i la β-glucanasa Viscozyme a pH 4 i 50ºC, i 2) la posterior hidròlisi proteica per a l’obtenció de pèptids i aminoàcids lliures mitjançant la endoproteasa i exopeptidada Alcalase i Flavourzyme, respectivament, a pH 6 i 65ºC. Es va realitzar un disseny experimental per a cada fase gràcies al software Design Expert, en un disseny de superfície de resposta. Les condicions variables del disseny van ser: la concentració de proteases, la concentració de NaOH i el temps d’hidròlisi química i enzimàtica. Les condicions fixes van ser: el pH, la temperatura i la relació biomassa:aigua. El procés es va optimitzar i posteriorment es va escalar en un fermentador de 2 L amb biomassa liofilitzada. Es van obtenir rendiments d’extracció proteica de fins al 80% spf i una quantitat d’aminoàcids lliures de fins al 10% sps. Els rendiments més elevats es van observar en les mostres tractades amb NaOH al 5% (p/p). Tot i així, la major quantitat d’aminoàcids lliures no es va observar en les mostres amb rendiments més elevats sinó que es van observar en mostres sense NaOH, a pH 4 i 50ºC durant 48h.

Microalgae are a good quality protein source as they contain a high aminoacidic profile which makes them very competitive in the market. They also take place in loads of processes, now most than ever, is time to study their functionality and applications as for the extraction and solubilization of intracellular compounds. In this study, microalgae are disrupted, and intracellular compounds are extracted in order to develop a protein bioestimulants based on free aminoacids. This study takes place in FERTIMANURE (FERTIlisers from animal MANURE), a European project involved in the circular economy strategy. The bioestimulants development was made under a two phased chemical and enzymatical process using biomass of microalgae Scenedesmus sp: 1) cell wall disruption through an alkaline pre-treatment with NaOH in mild conditions and a β-glucanase Viscozyme in pH 4 and 50ºC, and 2) an enzymatic hydrolysis to obtain peptides and free aminoacids by using endoprotease and exopeptidase Alcalase and Flavourzyme, respectively, in pH 6 and 65ºC. An experimental design was developed in both phases through the software Design Expert, in a surface-response design model. Variable conditions of the model were: concentration of NaOH and the time of both chemical and enzymatic hydrolysis. Fixed conditions were: pH, temperature and biomass:water relation. To finish, all the parameters of the process were optimized and scaled-up in a 2L fermenter with lyophilized biomass. The analysis response was the protein extraction yield and the quantification of free aminoacids. Yields for protein extraction reached out 80% on wet weight and an aminoacidic profile of 10% on dry weight. The highest yield for protein extraction was observed under the alkaline pre-treatment at 5% NaOH (w/w) even though the aminoacidic profile was highest without the pre-treatment step, in a pH 4 and 50ºC during 48h.