细胞破坏Chaetoceros calcitrans微波和超声波在脂质提取

文摘

下游加工,如细胞破坏和提取,构成的一个关键步骤microalgal-based工业生物过程,主要是由于高成本和环境影响。在这种背景下,提取技术需要改进,包括使用非传统适合扩大细胞中断技术,如微波和超声波。因此,本研究旨在调查的影响不同的细胞破坏方法(微波和超声波)脂质提取硅藻生物量的Chaetoceros calcitrans在混合营养的条件培养基培养自然海水和残余甘油,用不同的治疗时间。这两种技术应用于生物质高效;,结果分别为24.6±1.3%脂质(超声波5分钟)和24.2±0.9%的脂质(微波40年代),它们之间没有显著差异()。同样,没有显著差异有关的化学破坏与盐酸2 M控制(24.2±1.0%)。超声波法比微波方法消耗更少的能量。细胞破碎方法应用于生物质导致脂肪酸的变化资料,也就是说,饱和脂肪酸百分比从7.7%上升(控制)16.6%(微波)和15.5%(超声波),而多不饱和的从12.8%上升(控制)到22.8%(微波)和21.8%(超声波)。关于单不饱和脂肪酸,比例从79.5%下降(控制)至60.6%(微波)和62.7%(超声波)。

1。介绍

人口增长和不断寻找生活导致了更大的需求的产品质量以可持续的方式获得。微藻中脱颖而出工业部门由于其可能产生一些代谢产物,如碳水化合物、医药、颜料、和酶(1,2]。此外,microalga生物质可以很容易地获得在任何季节,因为它既不取决于收获时期也不与农业耕地竞争(3]。

几项研究都集中在脂质生产微藻,一些物种的脂质含量很高,等小球藻sp。4,5),Phaeodactylum tricornutum(5- - - - - -7),Tetraselmis suecica(7),Nannochloropsis oculata(5,7),Isochrysis galbana(5,7),而Chaetoceros calcitrans(5,7]。此外,他们可能会成为一个可持续的来源使用食品和生物燃料产业,根据其内容的饱和和不饱和脂肪酸(7,8]。海洋硅藻Chaetoceros calcitrans,属于类硅藻纲,突出在微藻的种类作为一个潜在的生产者的胞内脂质(9]。硅藻是特殊的微藻不仅因为他们没有鞭毛也因为细胞壁由重叠的部分称为细胞膜,聚合形成的蛋白石的硅(10]。

在微藻油脂提取,细胞破碎技术必须精心挑选,由于脂质细胞。细胞破碎的方法应该有效为了解放从microalgal细胞胞内脂质和考虑过程所需的能量(11]。然而,总的来说,传统的技术(即。,mechanical, chemical, and thermal/thermochemical methods) used for cell disruption and extraction are expensive and are often hindered by low efficiency levels [12]。关于新兴细胞中断技术,治疗使用超声波和微波被视为承诺的,因为他们是简单,简单,有效的方法需要小的脂质提取时间和保持提取物的质量(13- - - - - -16]。例如,Menendez et al。17验证,脂质提取Nannochloropsis gaditana生物量与微波和超声波有很多优势,要求较低的溶剂,降低能源消耗,以及萃取时间短,导致较低的环境影响的过程。

超声波在细胞破坏,这种现象称为空化形成气体微气泡生长和崩溃暴力18]。因此,邻近组织的压力和温度增加,引起细胞壁的破坏,释放可溶性化合物,提高大规模转移,使溶剂访问单元格内容(16,19]。在细胞的破坏通过微波,电离电磁波频率300兆赫到300兆赫,和电磁能量转化为热量通过两种机制:离子传导和偶极子旋转18]。效率破坏的超声波和微波通常取决于细胞结构,脂质含量,微波和超声波条件下(14,16,19]。然而,尽管这些优势,缺乏这些技术应用于信息Chaetoceros calcitrans生物质。

因此,本研究旨在评估技术的微波和超声波细胞破碎的复苏和脂肪酸的脂质Chaetoceros calcitrans在混合营养的条件下培养。

2。材料和方法

海洋microalgaChaetoceros calcitrans用于实验,捐赠了Laboratorio de Biologia Marinha e Biomonitoramento (LABIOMAR),实验室,属于大学联邦达·巴伊亚(UFBA),位于萨尔瓦多,巴伊亚,巴西。剩余甘油(纯度82.09%)是由BSBIOS工业e Comercio德生物柴油南巴西S / A,公司位于帕苏风杜,南里奥格兰德,巴西。它的副产品alkaline-catalyzed大豆油和甲醇酯交换。

康威介质(20.)是用于培养液(最终体积的10%),并准备与无菌海水的盐溶液(2毫升·L⁻¹),维生素的解决方案(0.1毫升·L⁻¹)和硅酸溶液(2毫升·L⁻¹)。盐溶液包含45 g·L⁻¹C₁₀H₁₄O₈Na₂h·2₂O (Na₂EDTA), 33.6 g·L⁻¹H₃薄₃,100 g·L⁻¹纳米₃,0.36 g·L⁻¹MnCl₂h·4₂啊,1.3 g·L⁻¹FeCl₃h·6₂啊,20 g·L⁻¹不₂阿宝₄h·2₂啊,和1毫升·L⁻¹微量金属解决方案包含21 g·L⁻¹ZnCl₂,20 g·L⁻¹CoCl₂h·6₂啊,9 g·L⁻¹(NH₄)₆莫₇O₂₄h·4₂啊,和20 g·L⁻¹CuSO₄h·5₂o .维生素的解决方案包含0.05克·L⁻¹维生素B12和1 g·L⁻¹维生素B1,硅酸溶液包含40 g·L⁻¹硅酸钠。海洋水产养殖的海水收集站(FURG),位于卡海滩(格兰德河、巴西)。之前在定性滤纸过滤,盐度是调整至28日事业单位(实际盐度单位)使用手册盐度计(Biobrix,型号211,巴西)。海水,硅酸盐溶液,溶液被高压灭菌法灭菌15分钟的121°C。维生素的解决方案被过滤消毒分别通过一个0.22μm过滤器。

在文化旨在生物质用于细胞破坏化验,microalga培养在2 L与1800毫升康威介质厄伦美厄烧瓶,依照Walne [20.),与修改。中制备的5.61 g·L⁻¹残余甘油,硅酸盐浓度和硝酸钠的解决方案被修改70 g·L⁻¹和50 g·L⁻¹分别推荐以前的研究(未发表的数据)。

最终体积培养液(10%)包含0.55克·L⁻¹生物量是添加到烧瓶,这些被放置在一个孵化器与光周期(Eletrolab el - 202、巴西),在12 h光/暗周期在30°C。光提供的荧光灯泡模拟自然光,3000 lx的辐照度。大气直接不断注入流量为0.2 L·分钟⁻¹泵和玻璃棉过滤系统,确保空气不育。10天之后,生物质被离心分离回收(18800×g;15分钟),用蒸馏水洗净,再次离心(18800×g;15分钟)和冻干。

在细胞的破坏分析,部分0.3 g冻干生物质用于测试:(1)化学干扰(控制),外加5毫升盐酸2 M,接着浸泡在浴缸1 h在80°C;(2)中断通过微波,2.45 MHz的频率和功率为1.4千瓦(Brastemp、模型BMS35BBHNA、巴西),外加20毫升蒸馏水样品,按照李et al。1440],曝光时间,105,和300年代;由超声(3)中断,20 kHz的频率和功率为130 W(美国科尔改,模型CPX 130),外加20毫升蒸馏水,按照李et al。14),和曝光时间5、10和20分钟。在治疗结束时,脂质提取和量化,布莱和戴尔提出的(21推荐的),有大量的溶剂Manirakiza et al。22]。

能源的消耗(EC)(表示为GJ·m⁻³)估计,使用下面的方程,基于Alagoz et al。23]: 在哪里的力量,是时间治疗,样品的体积。

特定的能量(SE)被定义为微藻的能量供应单位质量23]: 在哪里是细胞悬液的浓度。在这两个方程,相应的单位被正确转换。

酯化的脂质分数从生物质中提取是根据方法进行改编自梅特卡夫et al。24]。脂肪酸概要文件是由气相色谱法。为了独立和量化脂肪酸混合物,一个气相色谱仪(日本岛津制作所,2010 +),配备分流/不分流进样注射器、毛细管柱RTX®1 (30 m内部直径×0.25×0.25毫米μ米粒子直径)和火焰离子化检测器(FID),是使用。氦,流速为1.25毫升·分钟⁻¹是载气。注入器和检测器温度调整到260°C;注入的体积是1µl .分离的色谱条件如下:列的初始温度是50°C,这是提高到200°C 6°C·分钟⁻¹,维持4分钟。在第二温度增加,温度提高到240°C在2°C·分钟⁻¹和维持10分钟。比较保留时间和用于识别脂肪酸甲酯标准,量化的面积归一化。

分析进行了一式三份,提交给方差分析结果(方差分析)和图基的测试在95%置信水平()或t以及在95%置信水平()。美国Statistica 5.0(统计软Inc .)软件使用。

3所示。结果与讨论

3.1。微波和超声波破坏

脂质提取的内容后,生物质是提交给超声波显著降低(当曝光时间从5分钟增加到10分钟,无显著差异(10分钟至20分钟(图)1)。因此,最佳状态与生物质通过超声波的5分钟的治疗,因为总脂质达到24.6±1.3%,没有显著差异(从化学干扰的值(24.2±1.0%)。另一方面,最长曝光导致显著不同()总脂肪的百分比,与化学破坏。值降低为20.7±1.7%(10分钟)和20.4±0.3%(20分钟)。

300年代使用微波预处理(图1)导致脂质含量(16.3±1.0%)显著不同()从105年代(22.3±1.6%)和40年代(24.2±0.9%),不同(从化学)既不互相也不破坏(24.2±1%)。

比较两种方法(图1)导致的结论是,他们在最低的曝光时间取得最好的结果,不同的既不互相(微波40年代为24.2±0.9%的脂类和超声波5分钟和24.6±1.3%脂质)也从控制(24.2±1.0%)。减少脂肪的复苏Chaetoceros calcitrans由于增加曝光时间下两种方法评估可能与脂质降解在剧烈条件下的生物治疗。根据Naghdi et al。25),长时间暴露于声波降解法可以产生自由基,可能恶化的质量通过氧化脂质,而Prommuak et al。26)发现,增加曝光时间导致脂质减少产量小球藻寻常的和Haematococcus pluvialis由脂质氧化引起的。此外,Kalil et al。18)观察到治疗微波和超声波等可能导致一些微生物化合物的热降解温度增加。

据李et al。14),从微藻中提取脂质效率取决于物种和提取的方法。Viswanathan et al。13)研究了三种方法的细胞破坏的影响(高压釜、超声波和高压均质化)恢复从财团的微藻脂质(小球藻minutissima,衣藻globosa,栅藻bijuga),发现脂质含量的增加,从10.78%提高到12.22%,超声应用的时候,与样品相比没有治疗。

李在al。14)评估五个细胞破坏的方法(高压釜、珠磨、微波、超声波和渗透压休克10%氯化钠)当他们研究了微藻Botryococcusspp。小球藻寻常的,栅藻spp。他们发现,脂质含量最高的是通过微波。然而,在microalga的情况下Botryococcusspp。,超声波产生低的脂质含量值(8.8%),证据表明,不同的微藻有截然不同的行为当中断技术被应用,因为不同的宪法的细胞壁。Kurokawa et al。27)建立最有效的超声波频率的细胞破坏Chaetoceros股薄肌(2.2兆赫),Chaetoceros calcitrans(3.3兆赫)Nannochloropsisspp。(4.3兆赫)率的基础上衡量hemocytometry藻细胞的破坏。

马等。16细胞破坏microalga相比)小球藻种虫害的微波和超声波和显示,前者是更快和更有效的在细胞破坏比后者针对脂质提取。作者认为结果不仅要生成的高压也快速加热和微波湿度细胞内过程,由于爆炸而在超声过程中,细胞空泡形成的泡沫的冲击。在莫拉等的工作。28],微波方法已成功应用于4种不同微藻物种在更短的治疗时间相比,超声波的方法。这种行为是类似于我们的结果,因为相同的脂质提取两种方法的性能观察。然而,虽然使用微波方法治疗时间是40年代,超声波,5分钟。

考虑上述结果,与脂质复苏的最佳值,为40年代和超声波与微波治疗5分钟被选出的评估脂肪酸概要和能源消耗。

3.2。脂肪酸的概要文件

观察脂肪酸(图2)表明,治疗导致增加饱和脂肪酸(美国)和多不饱和脂肪酸(欧米伽)。关于美国,棕榈酸增加了3.3倍中断后微波和超声波破坏后增加了三倍,而化学破坏。关于欧,亚油酸(C18: 2 n9t)提高约2.3倍,而γ亚麻酸(C18: 3 n6)增加了约2.8倍。在的情况下α亚麻酸(C18: 3 n3),比例最高的是通过化学破坏。的单不饱和脂肪酸(MUFAs) tetradecenoic酸(碳:1)降低了28%,生物质提交接受超声微波和21.6%。同样,9 -十六碳烯酸(C16: 1)降低了25.8%和26.2%,分别。

李等人。29日),在他们的研究:超声波提取豆油,发现减少内容的不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸含量增加用于评估氧化的程度,因为前者更容易氧化,而后者更稳定。这也许可以解释的显著增加内容棕榈酸和9 -十六碳烯酸的减少内容发现本研究在超声波和微波应用。

microalga马等人研究了细胞破坏小球藻种虫害,发现十六烷酸和亚油酸1.3%和6.6%,分别由微波治疗。作者还观察到减少9 -十六碳烯的10%和3%α亚麻酸,分别由微波干扰,而超声波的使用导致减少7.7%和8.4%,分别。根据Pingret et al。30.),这种行为可能是由于脂质氧化由于生成羟基自由基(OH˙)在超声波和微波,因为他们坚持双键的不饱和脂肪酸作为他们的强烈活动的结果和氧化能力。

3.3。电力能源消耗

表1显示了估计的能源消耗微波(40)和超声(5分钟)在细胞破坏。有一个表达差异与能源消耗,相当于增加了大约50%使用微波炉时代替超声波(从1.95 GJ·m³2.80 GJ·m³、职责)。哈利姆et al。11]研究细胞破坏microalgaChlorococcum种虫害的超声波。200毫升含有生物细胞悬液是用的最大功率130 W在25分钟,代表0.975 GJ·米的能源消耗⁻³。李等人。14)研究的几种方法在三种微藻细胞的破坏。微波技术导致脂质提取最高,为30%Botryococcusspp,为10%小球藻寻常的,10%的栅藻spp。微波的能源消耗为2.1 GJ·m⁻³(100毫升细胞悬液,5公斤·m⁻³细胞浓度、700 W功率和5分钟)。

这两种技术适用于扩大,需要一个单元,是环保的12]。尽管较高的治疗时间,超声波技术被选中,因为它需要更少的能量比微波炉。然而,进一步优化其工艺参数应整个流程在经济上可持续的,也就是说,细胞悬液的浓度,以减少能源消耗率。

4所示。结论

超声波技术(5分钟)和微波(40岁)应用于细胞microalga的中断Chaetoceros calcitrans是有效的,因为脂质含量24.6%和24.2% w / w的值(干基),分别与无显著差异()与化学干扰(24.2%)。然而,他们使用更少的化学物质和不太耗时。关于脂肪酸的概要文件,这两个中断技术导致了更高比例的美国和欧米伽。考虑到比微波治疗超声消耗更少的能量,从这种技术中提取油脂的建议Chaetoceros calcitrans。

数据可用性

数据通讯作者的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢斗篷(协调上级级员工改进)和CNPq(国家科学和技术发展委员会)颁发的奖学金。

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