Cell disruption assisted lipid extraction from the microalga Nannochloropsis for food applications

Promovendus/a: Esther Mienis

Promotor(en): Prof. dr. ir. Imogen Foubert, Prof. dr. ir. Dries Vandamme

Omega-3 langeketenvetzuren zoals eicosapentaeenzuur (EPA) en docosahexaeenzuur (DHA) zijn belangrijk voor het behoud van een goede (hart)gezondheid. Vis is de belangrijkste bron van deze vetzuren, maar vis kan schadelijke stoffen zoals gifstoffen en zware metalen bevatten. Vissen zijn echter niet de primaire producenten van deze vetzuren. Microalgen zijn de producenten van deze omega-3 langeketenvetzuren, en vissen bevatten deze vetzuren omdat ze microalgen eten. Mensen kunnen deze vetzuren in plaats van via vis ook direct uit microalgen halen. Het direct consumeren van microalgen en microalgen oliën, (oliën worden ook wel lipiden genoemd) kan een veiligere en milieuvriendelijkere manier zijn om deze belangrijke vetzuren te eten. De microalg Nannochloropsis bevat veel van deze gezonde vetzuren en is daarom interessant om te gebruiken en bestuderen.

Microalgenpoeder kan als directe bron van vetzuren gebruikt worden door het toe te voegen aan voedingsproducten. Deze producten smaken minder lekker en zien er ook minder lekker uit in vergelijking met de originele producten. Daarnaast worden de gezonde lipiden uit sommige microalgen niet gemakkelijk opgenomen door het menselijk lichaam. In plaats van microalgenpoeder te gebruiken, kunnen de lipiden uit de microalgen worden geëxtraheerd en in voedselproducten worden gebruikt. Nannochloropsis, de microalg die in dit proefschrift wordt bestudeerd, heeft een dikke en complexe celwand, die voorkomt dat de lipiden gemakkelijk uit de cel komen (extraheren). Celdisruptietechnieken kunnen gebruikt worden om de cel kapot te maken om zo de extractie van de lipiden uit de cel te verhogen. Veel onderzoek richt zich op het verhogen van de hoeveelheid geëxtraheerde lipiden, maar voor voedingstoepassingen is het ook belangrijk om te bestuderen welk type lipiden geëxtraheerd worden. Ook kunnen celdisruptietechnieken de stabiliteit van de lipiden beïnvloeden, maar dit wordt vaak niet onderzocht.

Het doel van dit PhD onderzoek was daarom om de invloed van twee celdisruptietechnieken (ultrasound en enzymen) op de lipidenextractie efficiëntie en op de stabiliteit van de lipiden tijdens extractie te bestuderen. Ook werd de samenstelling van het lipidenextract bepaald.

In hoofdstuk 3 werd een methode ontwikkeld om de individuele en het totale gehalte aan vrije vetzuren (FFA) in Nannochloropsis te identificeren en te kwantificeren. De methode werkte goed en negen verschillende FFA konden worden geïdentificeerd en gekwantificeerd. De kalibratiecurves moeten opnieuw gemaakt worden voor elke nieuwe ronde van analyses. De ontwikkelde methode werd toegepast in hoofdstuk 4, 5 en 6.

In hoofdstuk 4 werd onderzocht of heropgeloste gevriesdroogde Nannochloropsis gebruikt kan worden als een model laboratoriumsysteem voor geconcentreerde verse Nannochloropsis tijdens ultrasound-geassisteerde lipidenextractie. Dit is belangrijk omdat het moeilijk is om grote hoeveelheden verse microalgen biomassa te verkrijgen. Veel onderzoekers gaan ervan uit dat heropgeloste gevriesdroogde Nannochloropsis dezelfde resultaten geeft als verse geconcentreerde Nannochloropsis, maar geen enkele onderzoeker heeft dit gecontroleerd. Dit werd daarom onderzocht. De resultaten toonden aan dat heropgeloste gevriesdroogde Nannochloropsis in kraanwater of 3% zout gebruikt kan worden als modelsysteem voor verse Nannochloropsis tijdens ultrasound-geassisteerde lipidenextractie. Het heroplossen moet niet te lang duren (< 120 minuten) om de vorming van FFA en de afbraak van lipiden te voorkomen. Op basis van de resultaten uit hoofdstuk 4, werd heropgeloste Nannochloropsis gebruikt in hoofdstuk 5 en 6 tijdens celdisruptie-geassisteerde lipidenextractie.

In hoofdstukken 5 en 6 werd onderzocht hoe goed twee verschillende methoden (ultrasound en enzymen) de lipiden en pigmenten uit Nannochloropsis konden extraheren. Ook werd getest hoe deze methoden de stabiliteit van de lipiden tijdens de extractie beïnvloedden. In hoofdstuk 6 werd daarnaast ook de invloed van de enzymbehandeling op de samenstelling van de lipiden onderzocht. Beide methoden verhoogden de lipidenextractie efficiëntie uit Nannochloropsis. Tijdens ultrasound-geassisteerde lipidenextractie werden de lipiden niet afgebroken of geoxideerd. De incubatiestap tijdens enzym-geassisteerde lipidenextractie en de controle extracties veroorzaakten wel lipidenafbraak (lipolyse) en het begin van oxidatie. De resultaten uit hoofdstuk 5 en 6 toonden aan dat verhitting (tot ongeveer 40 °C) in aanwezigheid van lipidenextractiesolventen bijna net zo goed werkte als het gebruik van ultrasound- of enzym-geassisteerde lipidenextractie. Naast celdisruptie-geassisteerde lipidenextractie zouden ook eenvoudigere methoden, waarbij Nannochloropsis wordt verwarmd en geroerd in aanwezigheid van extractiesolventen, onderzocht moeten worden. Deze eenvoudigere methoden zouden waarschijnlijk gemakkelijker toegepast kunnen worden op industriële schaal om de gezonde lipiden uit Nannochloropsis te extraheren.