Cultivos de microalgas com ênfase na produção de compostos bioativos: influência da radiação uvb e da concentração de nitrogênio em cultivos de células imobilizadas

Abstract

As microalgas apresentam em sua composição uma gama de compostos bioativos de elevado interesse comercial, sendo empregadas para melhorar o valor nutricional de produtos alimentares e rações para animais, na indústria farmacêutica e na redução do efeito estufa a partir da fixação de CO2. No entanto, busca-se alternativas para aumentar a sua produtividade e síntese de compostos bioativos a fim de tornar estes processos mais atrativos economicamente. Com o objetivo de buscar estratégias para aumentar a concentração de biomassa e a produção de compostos bioativos em microalgas, o presente trabalho foi dividido em duas partes, sendo que na primeira parte estudou-se os efeitos da radiação UVB aplicada em diferentes tempos de exposição (2, 4, 6, 8 e 10 h d-1) em cultivos de Pseudoneochloris marina e Chlorella minutissima, avaliando o seu efeito na concentração de biomassa, carotenoides e ácidos graxos. Os tratamentos UVB (10 W m-2) durante 6 h d-1 em cultivos de P. marina apresentaram efeito inibitório na concentração de biomassa, lipídios e pigmentos, enquanto que exposições mais curtas não apresentaram efeito significativo.Já os tratamentos UVB aplicados por 6 h d-1 e 10 h d-1 aumentaram a concentração de biomassa de C. minutissima em 27 % (1,14 ± 0,01 g L-1) e 20 % (1,07 ± 0,05 g L-1), respectivamente, em relação ao controle (0,89 ± 0,06 g L- 1). O conteúdo de all-trans-zeaxantina aumentou entre 1,4 - 2,0 vezes em todos os cultivos tratados com UVB. Além disto, o conteúdo de ácido α-linolênico e ácido eicosapentaenoico foram estimulados com o aumento do tempo de exposição UVB. Desta forma, C. minutissima demonstrou resistência ao estresse causado pela UVB, obtendo aumentos simultâneos na produção de biomassa e compostos bioativos, agregando valor à biomassa com potencial biotecnológico para a indústria alimentícia e farmacêutica. Na segunda etapa do trabalho realizou-se cultivos de C. minutissima imobilizadas em esferas de alginato de cálcio avaliando o efeito da concentração de nitrogênio (48 – 96 mg L-1) e o perfil de adição de nitrogênio durante o cultivo em batelada alimentada, na produção de biomassa, proteínas, lipídios, carotenoides e ácidos graxos. No cultivo em batelada, 96 mg L-1 de N- NO3 promoveram a maior concentração de biomassa (1.65 ± 0.08 g L-1), clorofilas, proteínas e carotenoides, cerca de 2,8, 1,5 e 1,3 vezes maior que o controle (48 mg L-1 N-NO3), respectivamente. Com cultivos em batelada alimentada foi possível otimizar a produtividade de C. minutissima imobilizada. O cultivo em batelada alimentada com três adições de 96 mg L-1 de N-NO3 proporcionou maior concentração de biomassa (2,13 ± 0,02 g L-1) e um aumento no teor de clorofilas (1,7 vezes), carotenoides totais (1,3 vezes) e proteínas (1,6 vezes) em comparação com o cultivo em batelada. O teor de PUFAS, tais como, ácido linoleico (LA, C18:2n-6) e α-linolênico (ALA, C18:3n-3) também aumentaram na biomassa, promovendo assim seu enriquecimento nutricional com compostos de alto valor agregado e de interesse biotecnológico, o que aliado a técnica de imobilização celular auxilia na redução nos custos de produção de microalgas. A partir das melhores condições de cultivo definidas realizou-se a secagem de C. minutissima imobilizada a fim de estender sua vida de prateleira, para tal foram descritas as características das curvas de secagem por convecção (30 - 50 °C) e investigada a influência dos processos de secagem (secagem convectiva e liofilização) no teor de carotenoides, bem como a estabilidade de carotenoides durante o armazenamento após a secagem (na presença e ausência de luz). Os valores de difusividade efetiva variaram entre 0,23 - 0,79 × 10-10 m2 s-1 e a energia de ativação foi de 49,39 kJ mol-1. A melhor condição de secagem (50 °C) apresentou os menores valores de umidade, atividade de água e tempo de secagem, além de não degradar os carotenoides na biomassa final. A imobilização em alginato mostrou-se promissora em manter quantidades expressivas de carotenoides durante o armazenamento em condições aceleradas (40 °C), principalmente quando mantidas no escuro, preservando 80 % dos carotenoides totais, após 30 dias de armazenamento. Com isso, foi possível estender a vida útil de C. minutissima imobilizada em esferas de alginato por meio de um método de secagem simples, rápido e econômico, preservando os carotenoides durante o processo, além de conservar esses compostos durante o armazenamento.

Microalgae have in their composition a range of bioactive compounds of high commercial interest. They have been used to improve the nutritional value of food products and animal feed, in the pharmaceutical industry and reduce the greenhouse effect from CO2 fixation. However, alternatives are sought to increase their productivity and synthesis of bioactive compounds to make these processes more economically attractive. To pursue strategies to increase biomass concentration and stimulate the synthesis of bioactive compounds by microalgae, the present work was divided into two parts. In the first part, the effects of UVB radiation applied at different exposure times were studied (2, 4, 6, 8 and 10 h d-1) in cultures of Pseudoneochloris marina and Chlorella minutissima, evaluating their effect on the concentration of biomass, carotenoids, and fatty acids. UVB treatments (10 W m-2) for 6 h d-1 in cultures of P. marina showed an inhibitory effect on the concentration of biomass, lipids, and pigments, while shorter exposures did not have a significant effect. UVB treatments applied for 6 h d-1 and 10 h d-1 increased the biomass concentration of C. minutissima by 27 % (1.14 ± 0.01 g L-1) and 20 % (1.07 ± 0.05 g L-1), respectively, in relation to the control (0.89 ± 0.06 g L-1). The content of all-trans-zeaxanthin increased between 1.4 - 2.0 times in all cultures treated with UVB. Besides, the content of α-linolenic acid and eicosapentaenoic acid were stimulated with increased UVB exposure time. C. minutissima demonstrated resistance to the stress caused by UVB, showing simultaneous increases in the production of biomass and bioactive compounds, adding value to biomass with biotechnological potential for the food and pharmaceutical industry . In the second stage of the work, cultures of C. minutissima immobilized in calcium alginate beads were performed, evaluating the effect of nitrogen concentration (48 - 96 mg L-1) and the nitrogen addition profile during cultivation in fed-batch, in the production of biomass, proteins, lipids, carotenoids and fatty acids. In batch culture, 96 mg L-1 of N-NO3 promoted the highest concentration of biomass (1.65 ± 0.08 g L-1), chlorophylls, proteins and carotenoids, about 2.8, 1.5 and 1.3 times greater than the control (48 mg L-1 N-NO3), respectively. With fed-batch cultures, it was possible to optimize the productivity of immobilized C. minutissima. Fed-batch cultures with three additions of 96 mg L-1 of N-NO3 provided a higher concentration of biomass (2.13 ± 0.02 g L-1) and an increase in chlorophyll content (1.7 times), total carotenoids (1.3 times) and proteins (1.6 times) compared to batch culture. The content of PUFAS, such as linoleic acid (LA, C18: 2n-6) and α-linolenic acid (ALA, C18: 3n-3) also increased in biomass, thus promoting its nutritional enrichment with compounds with high added value and biotechnological interest, which combined with the cell immobilization technique helps to reduce the costs of producing microalgae. From the best cultivation conditions defined, the drying of immobilized C. minutissima was carried out in order to extend its shelf life. For this purpose, the characteristics of the convection drying curves (30 - 50 °C) were described and the influence of drying processes (convective drying and lyophilization) in the carotenoid content, as well as the carotenoid stability during storage after drying (in the presence and absence of light) . The effective diffusivity values varied between 0.23 - 0.79 × 10-10 m2 s-1 and the activation energy was 49.39 kJ mol-1. The best drying condition (50 °C) showed the lowest values of moisture, water activity and drying time, in addition to not degrading the carotenoids in the final biomass. Alginate immobilization has shown promise in maintaining expressive amounts of carotenoids during storage under accelerated conditions (40 °C), especially when kept in the dark, preserving 80 % of the total carotenoids after 30 days of storage. With this, it was possible to extend the useful life of C. minutissima immobilized in alginate beads through a simple, fast and economical drying method, preserving the carotenoids during the process in addition to conserving these compounds during storage.