The biorefinery concept applied to the red macroalgae Kappaphyccus alvarezii: green extraction technologies

Abstract

Kappaphycus alvarezii (KA) é uma macroalga amplamente difundida no mundo, e uma das principais fontes industriais de carragenana, polissacarídeo empregado em diferentes setores dasindústrias alimentícia, farmacêutica e química. No entanto, além da carragenana, a biomassa KA contém diversas moléculas de alto valor agregado como compostos fenólicos e ácidos graxos que podem ser recuperados por diferentes métodos de extração, especialmente tecnologias de extração ambientalmente sustentáveis. Assim, este trabalho teve como objetivo a valorização desta macroalga por meio da aplicação do conceito de biorrefinaria usando técnicas de extração não convencionais. Nesse sentido, uma revisão de literatura foi elaborada com o objetivo de identificar as potencialidades da KA sob a luz do conceito de biorrefinaria. Em seguida, foram avaliadas algumas técnicas de extração realizadas de maneira direta, nomeadamente tais como avaliou-se a extração direta dos compostos: extração de ácidos graxos, compostos fenólicos, e carragenana por meio das técnicas: extração com fluido supercrítico do (inglês SFE), extração com líquido pressurizado (PLE), extração assistida por micro-ondas (MAE) e extração de carragenana a alta pressão (PWCE), realizadas individualmente. Estas técnicas foram comparadas com os métodos tradicionais de extração, mais especificamente a maceração e Soxhlet, em termos de rendimento, perfil químico dos extratos, obtido por cromatografia gasosa e líquida, conteúdo total de compostos fenólicos (TPC), atividade antioxidante pelos métodos de DPPH e FRAP, e também viscosidade e força de gel para a fração de carragenana. Além disso, foi avaliada a técnica de extração assistida por ultrassom (UAE), para a recuperação da carragenana, neste caso, foram avaliados os efeitos dos parâmetros de processo e pré-tratamentos no rendimento e na qualidade da carragenana (viscosidade e força do gel). Com base nas extrações individuais foi desenvolvida uma rota inédita de extração sequencial: (i) PLE a 40 ºC com etanol, seguido de (ii) PWCE a 80 ºC com água, selecionadas para recuperação de compostos fenólicos, carragenana, celulose e compostos de baixo peso molecular. Esta rota de extração sequencial a alta pressão foi comparada com a extração Soxhlet (etanol) seguida de maceração (água) para a obtenção das mesmas frações, representando uma rota tradicional. Além disso, a carragenana obtida pela rota sequencial foi utilizada para a produção de um aerogel, que foi caracterizado e comparado com o aerogel produzido com carragenana comercial. Os resultados obtidos demostraram que as amostras de PLE apresentaram maior potencial antioxidante e TPC, com perfil diversificado de compostos fenólicos. Além disso, a carragenana foi recuperada eficientemente por MAE e por PWCE, apresentando viscosidade e força de gel semelhantes às obtidas por meio de maceração em água. No ultrassom foi possível verificar como as variáveis de processo bem como os prétratamentos afetavam o rendimento e a qualidade da carragenana. Portanto, as técnicas alternativas de extração empregadas foram eficientes no fracionamento da biomassa KA, em comparação com técnicas tradicionais. A carragenana obtida pela extração sequencial apresentou valores de viscosidade e força do gel semelhantes aos da carragenana obtida por método convencional, e com composição química similar, exceto pela fração de glucana, encontrada apenas na carragenana comercial. O aerogel produzido com a carragenana obtida do processo sequencial a alta pressão apresentou também características próximas as da carragenana comercial. Neste sentido esta tese inovou trazendo o conceito de biorrefinaria utilizando técnicas verdes de extração para uma alga que até então seu principal foco sempre foi a carragenana. Esta pesquisa contribui para entender como uma técnica de extração afeta a etapa subsequente e, ainda, ela pode servir de base para auxiliar no desenvolvimento de plantas pilotos em solo brasileiro, que se for cultivada em mais estados pode abastecer o mercado interno com carragenana, bioestimulante, extrato fenólico, celulose e compostos de baixo peso molecular com atividade antioxidante.

Abstract: Kappaphycus alvarezii (KA) is a macroalgae widespread throughout the world. It is one of the main industrial sources of carrageenan, a polysaccharide used in different food, pharmaceutical, and chemical sectors. However, besides carrageenan, KA biomass contains several high-valueadded molecules, such as phenolic compounds and fatty acids, that can be recovered by different extraction methods, especially green extraction technologies. Thus, this work aimed to valorize this macroalgae through the concept of biorefinery using unconventional extraction techniques. To this end, a literature review was prepared to identify the potential of KA in light of the biorefinery concept. Then, the direct extraction of the compounds was evaluated: extraction of fatty acids, phenolic compounds, and carrageenan using the techniques supercritical fluid extraction (SFE), pressurized liquid extraction (PLE), microwave-assisted extraction (MAE) and high-pressure carrageenan extraction (PWCE), carried out individually. These techniques were compared with traditional extraction methods, more specifically maceration, and Soxhlet, in terms of yield, the chemical profile of the extracts obtained by gas and liquid chromatography, total phenolic content (TPC), antioxidant activity by DPPH methods and FRAP, viscosity and gel strength of the carrageenan fraction. Furthermore, ultrasound was evaluated as a possibility for extracting carrageenan; in this case, process parameters and pre-treatments were evaluated, and how they affected the yield and quality of carrageenan (viscosity and gel strength). Based on individual extractions, an unprecedented sequential extraction route was developed: (i) PLE at 40 ºC with ethanol, followed by (ii) PWCE at 80 ºC with water, selected for the recovery of phenolic compounds, carrageenan, molecular weight, cellulose, and low-fat compounds. This high-pressure sequential extraction route was compared with Soxhlet (ethanol) and maceration (water) to obtain the same fractions, representing a traditional route. Furthermore, carrageenan from the sequential route was used to produce an aerogel, which was characterized and compared with the aerogel produced with commercial carrageenan. The results demonstrated that the PLE samples presented greater antioxidant potential and TPC, with a diverse profile of phenolic compounds. Furthermore, carrageenan was efficiently recovered by MAE and PWCE, presenting viscosity and gel strength similar to those obtained through maceration in water. Using ultrasound, it was possible to verify how process variables and pre-treatments affected the yield and quality of carrageenan. Therefore, the alternative extraction techniques used were more efficient in fractionating KA biomass than traditional techniques. Regarding sequential extraction, carrageenan presented viscosity and gel strength values similar to those obtained by conventional methods, and presented a similar chemical composition, except for the glucan fraction, found only at the commercial carrageenan. The aerogel produced with carrageenan obtained from the high-pressure sequential process also presented characteristics close to those of commercial carrageenan. In this sense, this thesis innovated by bringing the concept of biorefinery using green extraction techniques for algae that, until then, the focus had always been carrageenan. This research contributes to understanding how an extraction technique affects the subsequent stage. It can serve as a basis to assist in developing pilot plants on Brazilian lands, which, if cultivated in more states, can supply the domestic market with carrageenan, a biostimulant, phenolic extract, cellulose and low molecular weight compounds with antioxidant activity.