Otimização da extração de astaxantina da Haematococcus pluvialis via hidrólise ácida

Abstract

Resumo: O papel dos antioxidantes na prevenção e tratamento de doenças tem adquirido crescente importância nos últimos anos. Nesse contexto, a astaxantina tem se destacado devido ao seu alto poder inibitório de stress oxidativo em seres humanos. A astaxantina pode ser produzida biotecnologicamente através da microalga Haematococcus pluvialis. Entretanto, sua parede celular de alta resistência físico-química impõe elevada dificuldade na extração de compostos intracelulares. Somado a isso, a etapa de extração pode resultar na degradação e redução da biodisponibilidade da astaxantina. Diante desse problema, esta pesquisa estudou e otimizou o emprego da hidrolise acida na ruptura celular da H. pluvialis, seguido de extração solido-liquido com solventes GRAS (geralmente reconhecido como seguro). Foi realizado um delineamento composto central para obter a superfície de resposta da recuperação de astaxantina, em função das variáveis: concentração de acido, tempo e temperatura de hidrolise. Os resultados indicaram que o emprego de acido clorídrico na hidrolise da parede celular de H. pluvialis obteve a maior taxa de recuperação de astaxantina (> 98%), quando comparado aos ácidos acético (~ 4%) e lático (~ 6%). Os resultados sugerem que a recalcitrância química da parede celular da H. pluvialis seja o fator limitante do processo de ruptura, e que a hidrofobicidade da parede não seja elevada o suficiente para favorecer ácidos de menor polaridade, como o acético e lático. Dentre os solventes avaliados na extração solido-liquido, a acetona resultou na maior recuperação de astaxantina (> 98%), quando comparado ao etanol (~ 30%) e acetato de etila (~ 12%). Apesar da alta solubilidade da astaxantina em solventes não polares, como o acetato de etila, a camada de agua que recobre a parede e membrana celular favoreceu a difusão de solventes com maior miscibilidade em agua, como a acetona e etanol. A otimização da extração resultou em 99 +- 0,48% de recuperação de astaxantina, com as seguintes condicoes na hidrolise acida: 71° C, 17 min e acido clorídrico a 3,7 N. Foi possível confirmar a hipótese de que existe uma condição ótima de hidrolise que atende a severidade necessária para romper suficientemente as células e que, ao mesmo tempo, não degrada o carotenoide. Constatou-se que e possível usar menores concentrações de acido aumentando a temperatura de hidrolise, porem houve declínio na recuperação de astaxantina a partir de 80° C, sugerindo o inicio da degradação do carotenoide. A hidrolise acida, mesmo nas condições ótimas, não causou a ruptura total da parede celular, indicando que a acessibilidade do solvente ao interior da célula provavelmente ocorreu através de microperfurações na parede celular, diferentemente dos métodos físicos e mecânicos, que resultam na ruptura total da mesma. Conservar a integridade da parede celular torna possível a filtragem da biomassa tratada, pois a astaxantina permanece contida no meio intracelular. Desta forma, e possível reduzir o teor de agua presente na extração solido-liquido. Em paralelo, a reutilização da solução acida filtrada permite reduzir custos, além de aumentar a sustentabilidade do processo.

Abstract: The role of antioxidants in preventing and treating diseases has gained increased value in recent years. In this regard, astaxanthin has been standing out due to its high oxidative stress inhibitory capacity in humans. Astaxanthin can be biotechnologically produced from the microalgae Haematococcus pluvialis. However, its high physicochemical resistance establishes an important obstacle to the extraction of intracellular compounds. In addition, the extraction phase can lead to degradation and reduced bioavailability of astaxanthin. Faced with this issue, this research investigated and optimized the use of acid hydrolysis in H. pluvialis cell disruption, followed by the solid-liquid extraction by GRAS (Generally Recognized as Safe) solvents. A central composite design was performed in order to obtain the response surface of astaxanthin recovery, according to the variables: acid concentration, time and temperature of hydrolysis. Results showed that the use of hydrochloric acid on H. pluvialis cell wall hydrolysis had the highest astaxanthin recovery rate (>98%) when compared to acetic acid (~ 4%) and lactic acid (~ 6%). The H. pluvialis cell wall chemical recalcitrance may be the limiting factor of its rupture process, and its hydrophobicity is not high enough to favor acids of lower polarity, such as acetic and lactic acid. Among the solvents evaluated on the solid-liquid extraction, acetone had the highest astaxanthin recovery rate (>98%), when compared to ethanol (~ 30%) and ethyl acetate (~ 12%). Despite astaxanthin's high solubility in non-polar solvents, such as ethyl acetate, the water layer that recovers the cell wall and its membrane favoured the diffusion of solvents with higher miscibility in water, such as acetone and ethanol. The extraction's optimization resulted in 99 + - 0,48% of astaxanthin recovery, at the following acid hydrolysis conditions: 71° C, 17 min and hydrochloric acid at 3,7 N. It was possible to confirm that an optimal hydrolysis condition exists, in which the severity needed to sufficiently rupture the cells is achieved, while the carotenoid is not degraded. It was verified that it is possible to use lower acid concentrations by rising the hydrolysis temperature. However, this method implicated in astaxanthin recovery decay above 80° C, suggesting a starting point in carotenoid degradation. Acid hydrolysis, even in optimal conditions, did not cause total cell wall disruption, indicating that the solvent probably accessed the intracellular space by micro perforations on the cell wall, differently from physical and mechanical disruption methods. The preservation of the cell wall integrity enables the filtration of the treated biomass, since astaxanthin remains in the intracellular space. Thus, it is possible to reduce the water content in the solid-liquid extraction process. In addition, reutilizing the filtered acid solution enables the reduction of costs and increases the process sustainability.