Extração de astaxantina de Haematococcus pluvialis via pré-tratamento com hidrólise ácida

Abstract

Resumo: O papel dos antioxidantes na prevenção e tratamento de doenças tem adquirido crescenteimportância nos últimos anos. Nesse contexto, a astaxantina é um carotenoideque tem se destacado devido ao seu alto poder inibitório de stress oxidativo em sereshumanos. A astaxantina pode ser produzida biotecnologicamente através da microalgaHaematococcus pluvialis. Entretanto, sua parede celular de alta resistência físicoquímicaimpõe elevada dificuldade na extração de compostos intracelulares. Somado aisso, a etapa de extração pode resultar na degradação e redução da biodisponibilidadeda astaxantina. Diante desse problema, esta pesquisa estudou o emprego da hidróliseácida como pré-tratamento da biomassa de H. pluvialis, seguida da centrifugaçãoe extração sólido-líquido da astaxantina. Foi realizado um delineamento compostocentral para obter a superfície de resposta da recuperação de astaxantina de doisblocos experimentais (com e sem centrifugação do ácido), em função das variáveis:concentração de ácido, tempo e temperatura de hidrólise. Os resultados indicaramque é possível obter recuperações de biomassa satisfatórias (> 99%) empregandocondições de centrifugação acima de 1.500×g e 3 min na biomassa hidrolisada de H.pluvialis. Mesmo sob a ação da força centrífuga em condições mais extremas (4 minou 2.000×g), as células foram capazes de manter sua integridade estrutural, evitandoperda de astaxantina para o meio extracelular. Sob condições de hidrólise mais severas(t > 15 min), houve redução significativa da recuperação de biomassa durante acentrifugação, devido à ruptura total e colapso da parede celular de parte das células,e consequente perda de astaxantina para o meio extracelular. A condição de hidróliseácida a T = 75 °C, t = 11,0 min, [HCl] = 2,9 N seguida de centrifugação a 2.000×g por 3min possibilitou obter máxima recuperação de astaxantina (>99%). Constatou-se que épossível usar menores concentrações de ácido aumentando a temperatura de hidrólise,porém houve declínio na recuperação de astaxantina a partir de 80 °C, sugerindo oinício da degradação do carotenoide. Foi possível confirmar a hipótese de que existeuma faixa de condição ótima de hidrólise, que não prejudica o desempenho da centrifugaçãopara separação da biomassa da solução ácida e que, ao mesmo tempo, atendea severidade necessária para romper suficientemente a parede celular para difusãodo solvente. A hidrólise ácida se destaca como um promissor método de extração deastaxantina de H. pluvialis, visto que mediante dos parâmetros adequados de hidrólisenão apenas é possível centrifugar a biomassa para a posterior extração sólido-liquidoda astaxantina, mas como resulta em um nível de recuperação próximo ao máximo járeportado na literatura usando outros métodos.

Abstract: The role of antioxidants in preventing and treating diseases has gained increasedvalue in recent years. In this regard, astaxanthin has been standing out due to its highoxidative stress inhibitory capacity in humans. Astaxanthin can be biotechnologicallyproduced from the microalgae Haematococcus pluvialis. However, its high physicochemicalresistance establishes an important obstacle to the extraction of intracellularcompounds. In addition, the extraction phase can lead to degradation and reducedbioavailability of astaxanthin. Faced with this issue, this research investigated the use ofacid hydrolysis as pretreatment of H. pluvialis biomass, followed by centrifugation andsolid-liquid extraction of astaxanthin. A central composite design was performed in orderto obtain the response surface of astaxanthin recovery from two experimental blocks(with and without acid centrifugation), according to the variables: acid concentration,time and temperature of hydrolysis. The results indicated that satisfactory biomassrecoveries (> 99%) can be achieved using centrifugation conditions above 1.500×g for3 minutes with hydrolyzed H. pluvialis biomass. Even under more extreme centrifugalforces (4 minutes or 2.000×g), the cells maintained their structural integrity, preventingastaxanthin leakage into the extracellular medium. Under more severe hydrolysis conditions(t > 15 min), a significant reduction in biomass recovery during centrifugation wasobserved, resulting from complete rupture and collapse of the cell walls in some cells,with consequent astaxanthin loss to the extracellular medium. Acid hydrolysis conditionsat T = 75 °C, t = 11 min, [HCl] = 2,9 N followed by centrifugation at 2.000×g for 3 minenabled maximum astaxanthin recovery (>99%). It was found that lower acid concentrationscould be used by increasing hydrolysis temperature, though astaxanthin recoverydeclined above 80 °C, suggesting the onset of carotenoid degradation. The hypothesiswas confirmed that there exists an optimal hydrolysis condition range that maintainsefficient biomass separation from the acid solution during centrifugation while providessufficient severity to adequately disrupt cell walls for solvent diffusion. Acid hydrolysisemerges as a promising method for astaxanthin extraction from H. pluvialis, as theoptimized hydrolysis parameters not only allow biomass centrifugation for subsequentsolid-liquid extraction of astaxanthin, but also achieve recovery levels approaching themaximum values reported in the literature using other methods.