Vliv způsobu kultivace a dezintegrace řasové biomasy na obsah a výtěžnost nutričních faktorů

Ing. Dušan SAMEK

Doctoral thesis

Influence of Cultivation and Disintegration Methods of Algal Biomass on Contents and Yields of Nutritional Factors

Abstract:

Cílem disertační práce bylo sledovat vliv způsobu kultivace vybraných zelených sladkovodních mikrořas a sinice a také různého mechanismu dezintegrace řasové biomasy na obsah nutričních složek v jejich biomase. V práci byly použity zelené sladkovodní mikrořasy rodů Chlorella, Scenedesmus a sinice rodu Spirulina, která je označována jako modro-zelená mikrořasa, jež byly kultivovány při autotrofních i heterotrofních podmínkách. V jejich biomase byly stanoveny obsahy sušiny, popela, dusíkatých látek, minerálních prvků, chlorofylů a i b, karotenoidů a aminokyselinové, proteinové a lipidové profily. Byla stanovena stravitelnost vyšetřovaných řas in vitro enzymaticko-gravimetrickou filtrační metodou s využitím inkubátoru Daisy po 24 hodinové enzymatické hydrolýze pepsinem, pankreatinem a kombinované hydrolýze obou enzymů. Bylo provedeno mechanické a enzymatické pokultivační rozrušení řasové biomasy s cílem sledovat, zda tyto způsoby ošetření biomasy vedou ke změně výtěžnosti obsažených nutričních složek či ovlivňují její stravitelnost. Byly srovnány účinky dvou metod enzymatického způsobu ošetření řasové biomasy s využitím čistého enzymu celulasy a komerčně dostupného celulasového produktu Celluclast 1,5L na stravitelnost řas. V řasové biomase byly stanoveny její základní chemické charakteristiky; obsah sušiny v rozmezí 83,6 - 96,0 %, obsah popela v rozmezí 4,8 - 17,8 %, obsah dusíkatých látek byl v intervalu od 22,7 - 55,6 %. Mikrořasy byly ohodnoceny jako dobrý zdroj esenciálních, neesenciálních a sirných aminokyselin. Bylo pozorováno, že mikrořasy kultivované autotrofně v solárním fotobioreaktoru a při autotrofním režimu ve venkovní otevřené kultivaci s kaskádovým uspořádáním obsahovaly vyšší množství aminokyselin ve srovnání se vzorky kultivovanými pod autotrofním laboratorním či heterotrofním režimem. Společným znakem pro vyšetřované druhy mikrořas byla přítomnost proteinů o molekulových hmotnostech v rozmezí 14,3 až 27 kDa a 70 až 116 kDa. Heterogenita mezi proteinovými profily mikrořas byla pozorována v oblasti mezi 30 až 70 kDa. Nejvíce lipidů bylo obsaženo v mikrořase Scenedesmus quadricauda, predominantně zastoupené mastné kyseliny ve všech vzorcích mikrořas byly nasycená mastná kyselina - palmitová; monoenové mastné kyseliny - palmitolejová a olejová; dienová mastná kyselina - linolová a polyenové mastné kyseliny - gama-linolenová a alfa-linolenová. Mechanické pokultivační ošetření řasové biomasy mělo pozitivní vliv na zvýšení výtěžnosti lipidůa gama-linolenové kyseliny. Ve vyšetřovaných mikrořasách byly stanoveny chlorofyly a karotenoidy a bylo zjištěno, že heterotrofně kultivovaná řasová biomasa obsahovala výrazně méně pigmentů ve srovnání s autotrofně kultivovanou mikrořasou. Dále bylo zjištěno, že vyšetřované mikrořasy jsou dobrým zdrojem minerálních prvků především draslíku, fosforu a železa. Nejméně stravitelnou mikrořasou při všech typech provedených hydrolýz byl Scenedesmus quadricauda, jehož stravitelnost byla třikrát nižší ve srovnání se sinicí Spirulina platensis, která vykazovala nejvyšší hodnoty stravitelnosti. Mechanické a enzymatické pokultivační ošetření biomasy zelených sladkovodních mikrořas mělo významný vliv na zvýšení hodnot stravitelností.

Abstract:

The aim of this work was to investigate the influence of cultivation methods of green freshwater micro-algae and cyanobacterium and their dezintegration on contents of nutritional factors in their biomass. In the study, green freshwater micro-algae from genus Chlorella, Scenedesmus and cyanobacterium (blue-green micro-alga) Spirulina that were cultivated under autotrophic and heterotrophic regime were used. In their algal biomass contents of dry matter, ash, crude protein, mineral elements, chlorophyll a and b, carotenoids were determinated and sequentially their amino acid, protein and lipid profiles were assessed. Digestibility by enzymatically gravimetric filter in vitro method using the incubator Daisy after 24 hours of enzymatic hydrolysis with pepsin, pancreatin and combined hydrolysis by both enzymes in investigated algae was also assessed. Further, it was performed mechanical and enzymatic post-harvesting treatment of algal biomass to monitor whether this way of treatment may change yields of nutritional factors or may influence the digestibility. Thus, the effects of two methods of enzymatic post-harvesting treatment of algal biomass using pure enzyme cellulase and a commercially available cellulase product Celluclast 1.5 L on the digestibility of algae were compared. In the algal biomass, its basic chemical characteristic were determined, dry matter and ash contents in micro-algae ranged from 83.6 to 96.0% and from 4.8 to 17.8% respectively, crude protein content was in the interval of 22.7 - 55.6%. Micro-algae have been evaluated as a good source of essential, non-essential and sulphur amino acids. It was observed, that micro-algae autotrophically cultivated in solar photobioreactor and in open outdoor cultivation with a cascade type contained higher amounts of amino acids compared with algal samples originated from laboratory or heterotrophic regimes. Investigated micro-algal species together contained proteins of molecular weight in the range of 14.3 to 27 kDa and from 70 to 116 kDa. Significant heterogenity between the protein profiles of micro-algae was observed in the area between 30 and 70 kDa. The richest source of lipids was micro-alga Scenedesmus quadricauda; in all algal samples, predominantly represented fatty acids were: saturated fatty acid - palmitic; monounsaturated fatty acids - palmitoleic and oleic; diene fatty acid - linoleic and polyunsaturated fatty acids - gama-linolenic and alfa-linolenic. Mechanical post-harvesting treatment of algal biomass had a positive effect on increasing the yield of lipids and gama-linolenic acid. The contents of chlorophylls and carotenoids in investigated micro-algae were mostly higher in comparison with literary sources; it was also observed, that heterotrophically cultivated algal biomass contained significantly less amount of pigments with comparison to autotrophically cultivated algae. It was evaluated that the investigated micro-algae are a good source of mineral elements especially potassium, phosphorus and iron. Scenedesmus quadricauda was the poorest digestible micro-alga in all types of hydrolysis, while Spirulina platensis was very digestible micro-alga. Mechanical and enzymatic post-harvesting treatment of algal biomass of green freshwater micro-algae led to a significant effect on the increase in digestibility.

Keywords

Zelené sladkovodní mikrořasy, sinice, kultivace, pokultivační ošetření, aminokyseliny, proteiny, minerální prvky, mastné kyseliny, stravitelnost.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 9. 2013

Accessible from:: 1. 9. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 19. 9. 2013
• Supervisor: doc. Ing. Miroslav Fišera, CSc.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Food Chemistry and Technology / Food Technology