Processing of Phaeodactylum tricornutum biomass into valuable functional ingredients by high-pressure extraction techniques

Phaeodactylum tricornutum, the only species in the genus Phaeodactylum, belongs to a significant group of microalgae called diatoms. P. tricornutum is considered a promising feedstock of high-value products. Mainly, due to its ability to synthesize polyunsaturated fatty acids, like eicosapentaenoic acid, and carotenoids, especially fucoxanthin – a valuable pigment with multiple biological activities. This work aimed to develop multi-step P. tricornutum processing schemes for isolation of high-added value fractions using conventional and high-pressure extraction techniques. Various standard methods achieved the determination of chemical composition. Conventional and high-pressure extraction techniques like solid-liquid extraction (SLE), supercritical fluid extraction (SFE), and pressurized liquid extraction (PLE) were applied using various solvents in order to obtain extracts of various polarity. The high-pressure extraction techniques, SFE and PLE, were optimized using response surface methodology (RSM) in order to maximize total yield, carotenoid, and fucoxanthin content. In vitro antioxidant capacity of initial material, as well as all extracts were determined using the total phenolic content (by the Folin-Ciocalteu method), DPPH• and ABTS•+ assays. The activity of solid residues was tested with the same in vitro antioxidant capacity assays following the QUENCHER approach. The qualitative determination of pigments and quantitative determination of fucoxanthin content was performed using HPLC-DAD. The fatty acid profile was determined using GC-FID. Moreover, for all extracts, the antimicrobial activity was using the disc diffusion assay, determining the minimal inhibitory concentration for the active ones. This work demonstrates the feasibility of high-pressure techniques for the isolation of high-added value products from this rather underutilized feedstock.
Phaeodactylum tricornutum yra vienintelė Phaeodactylum genties rūšis, priklausanti mikrodumblių, vadinamų diatomomis, grupei. Dėl savo unikalios sudėties P. tricornutum yra laikoma puikiu šaltiniu, siekiant gauti aukštos kokybės produktus. Šie mikrodumbliai geba sintetinti polinesočiąsias riebalų rūgštis, tokias kaip eikozapentaeno rūgštis, ir karotenoidus, ypač fukoksantiną – pigmentą, kuris pasižymi įvairiapusiu biologiniu aktyvumu. Šio darbo tikslas buvo sukurti daugiapakopes P. tricornutum perdirbimo schemas, skirtas išgauti aukštos prodėtinės vertės frakcijas, naudojant tradicinius ir didelio slėgio ekstrakcijos metodus. Cheminė sudėtis nustatyta naudojant įvairius standartinius metodus. Norint gauti skirtingo poliškumo ekstraktus panaudoti tradiciniai ir didelio slėgio ekstrakcijos metodai, tokie kaip maceravimas (SLE), superkritinė ekstrakcija anglies dvidegieniu (SFE) ir ekstrakcija padidinto slėgio aplinkoje (PLE), naudojant įvairius tirpiklius. Didelio slėgio ekstrakcijos metodai (SFE ir PLE) optimizuoti taikant paviršiaus atsako metodologiją (RSM), siekiant gauti didžiausią išeigą, karotenoidų ir fukoksantino kiekį. Antioksidacinis aktyvumas (in vitro) pradinėje žaliavoje bei visuose ekstraktuose įvertintas nustatant bendrą fenolinių junginių kiekį Folin-Ciocalteu‘s metodu bei naudojant DPPH• radikalo ir ABTS•+ katijono radikalo blukinimo metodus. Antioksidacinis pajėgumas liekanose po atliktų ekstrakcijų nustatytas naudojant tuos pačius metodus, tačiau pritaikant QUENCHER procedūrą. Pigmentų kokybinis bei fukoksantino kiekybinis įvertinimas atliktas naudojant HPLC-DAD. Riebalų rūgščių sudėtis nustatyta naudojant GC-FID. Visų ekstraktų antimikrobinis aktyvumas įvertintas naudojant difuzijos į agarą metodą bei nustatant minimalią slopinančią koncentraciją. Šis darbas parodo didelio slėgio ekstrakcijos metodų, galinčių išskirti aukštos pridėtinės vertės produktus iš šios nepakankamai išnaudotos žaliavos, galimybes.