Sample characteristics and pigment concentration of arctic snow and permafrost algal strains

Ten algal strains from snow and permafrost substrates were tested for their ability to produce secondary carotenoids and ?-tocopherol in response to high light and decreased nitrogen levels. The Culture Collection of Cryophilic Algae at Fraunhofer IBMT in Potsdam served as the bioresource for this study. Eight of the strains belong to the Chlorophyceae and two strains are affiliated to the Trebouxiophyceae. While under low light, all 10 strains produced the normal spectrum of primary pigments known to be present in Chlorophyta, only the eight chlorophyceaen strains were able to synthesize secondary carotenoids under stress conditions, namely canthaxanthin, echinenone and astaxanthin; seven of them were also able to synthesize minor amounts of adonixanthin and an unidentified hydroxyechinenone. The two trebouxiophyceaen species of Raphidonema exhibited an unusually high pool of primary xanthophyll cycle pigments, possibly serving as a buffering reservoir against excessive irradiation. They also proved to be good alpha-tocopherol producers, which might also support the deactivation of reactive oxygen species. This study showed that some strains might be interesting novel candidates for biotechnological applications. Cold-adapted, snow and permafrost algae might serve as valuable production strains still exhibiting acceptable growth rates during the cold season in temperate regions.

Downwelling spectral irradiance as measured in different depths, remote sensing reflectance and phytoplankton pigment concentration during POLARSTERN cruises ANT-XXIV/1, ANT-XXIV/4, ANT-XXVI/4 and Maria S. Merian cruise MSM18/3

The composition and abundance of algal pigments provide information on phytoplankton community characteristics such as photoacclimation, overall biomass and taxonomic composition. In particular, pigments play a major role in photoprotection and in the light-driven part of photosynthesis. Most phytoplankton pigments can be measured by high-performance liquid chromatography (HPLC) techniques applied to filtered water samples. This method, as well as other laboratory analyses, is time consuming and therefore limits the number of samples that can be processed in a given time. In order to receive information on phytoplankton pigment composition with a higher temporal and spatial resolution, we have developed a method to assess pigment concentrations from continuous optical measurements. The method applies an empirical orthogonal function (EOF) analysis to remote-sensing reflectance data derived from ship-based hyperspectral underwater radiometry and from multispectral satellite data (using the Medium Resolution Imaging Spectrometer - MERIS - Polymer product developed by Steinmetz et al., 2011, doi:10.1364/OE.19.009783) measured in the Atlantic Ocean. Subsequently we developed multiple linear regression models with measured (collocated) pigment concentrations as the response variable and EOF loadings as predictor variables. The model results show that surface concentrations of a suite of pigments and pigment groups can be well predicted from the ship-based reflectance measurements, even when only a multispectral resolution is chosen (i.e., eight bands, similar to those used by MERIS). Based on the MERIS reflectance data, concentrations of total and monovinyl chlorophyll a and the groups of photoprotective and photosynthetic carotenoids can be predicted with high quality. As a demonstration of the utility of the approach, the fitted model based on satellite reflectance data as input was applied to 1 month of MERIS Polymer data to predict the concentration of those pigment groups for the whole eastern tropical Atlantic area. Bootstrapping explorations of cross-validation error indicate that the method can produce reliable predictions with relatively small data sets (e.g., < 50 collocated values of reflectance and pigment concentration). The method allows for the derivation of time series from continuous reflectance data of various pigment groups at various regions, which can be used to study variability and change of phytoplankton composition and photophysiology.

Biogenic halocarbons from the Peruvian upwelling region during METEOR cruise M91

Halocarbons, halogenated short-chained hydrocarbons, are produced naturally in the oceans by biological and chemical processes. They are emitted from surface seawater into the atmosphere, where they take part in numerous chemical processes such as ozone destruction and the oxidation of mercury and dimethyl sulfide. Here we present oceanic and atmospheric halocarbon data for the Peruvian upwelling obtained during the M91 cruise onboard the research vessel Meteor in December 2012. Surface waters during the cruise were characterized by moderate concentrations of bromoform (CHBr3) and dibromomethane (CH2Br2) correlating with diatom biomass derived from marker pigment concentrations, which suggests this phytoplankton group as likely source. Concentrations measured for the iodinated compounds methyl iodide (CH3I) of up to 35.4 pmol L-1, chloroiodomethane (CH2ClI) of up to 58.1 pmol L-1 and diiodomethane (CH2I2) of up to 32.4 pmol L-1 in water samples were much higher than previously reported for the tropical Atlantic upwelling systems. Iodocarbons also correlated with the diatom biomass and even more significantly with dissolved organic matter (DOM) components measured in the surface water. Our results suggest a biological source of these compounds as significant driving factor for the observed large iodocarbon concentrations. Elevated atmospheric mixing ratios of CH3I (up to 3.2 ppt), CH2ClI (up to 2.5 ppt) and CH2I2 (3.3 ppt) above the upwelling were correlated with seawater concentrations and high sea-to-air fluxes. The enhanced iodocarbon production in the Peruvian upwelling contributed significantly to tropospheric iodine levels.

Ability of Gordonia alkanivorans strain 1B for high added value carotenoids production

Currently, carotenoids are valuable bioactive molecules for several industries, such as chemical, pharmaceutical, food and cosmetics, due to their multiple benefits as natural colorants, antioxidants and vitamin precursors. Hence, the increasing interest on these high added-value products has led to the search of alternatives, more cost-effective and with better yields, towards their industrial production. Indeed, microbial metabolism offers a promising option for carotenoids production. Herein it is shown the potential of the dibenzothiophene desulfurizing bacterium Gordonia alkanivorans strain 1B as a high carotenoid-producer microorganism. The novel carotenoids, produced under different culture conditions, were extracted with DMSO and then further analyzed both through spectrophotometry and HPLC. When grown in glucose-sulfate-light, strain 1B was able of achieving 2015 g carotenoids per g DCW in shake-flask assays, with about 60% corresponding to lutein, canthaxanthin and astaxanthin. Further optimization studies open a new focus of research aiming to get a hyper pigment-producer strain that may be applied towards different industrial sectors.

Crescimento celular e produção de carotenoides pela microalga haematococcus pluvialis

O crescimento celular da microalga Haematococcus pluvialis e a bioprodução de carotenoides são influenciados pelas diferentes condições de cultivo. Dentre os corantes naturais, a astaxantina tem importante aplicação farmacêutica, cosmética e na indústria de alimentos. Este pigmento além de colorir, possui propriedades biológicas, dentre elas a atividade antioxidante. A produção de astaxantina através do cultivo de H. pluvialis pode alcançar até 4% do peso seco da microalga. O objetivo desse trabalho foi avaliar o crescimento celular, bem como a produção de carotenoides pela microalga Haematococcus pluvialis em diferentes condições de cultivo e a atividade antioxidante dos extratos carotenogênicos. Foram utilizados os meios autotróficos Blue Green-11 (BG-11), BAR (Barbera Medium) e BBM (Bold Basal Medium) e os meios mixotróficos BBM e glicose e BBM e acetato de sódio, empregando 10 ou 20% de inóculo em pHs iniciais de 6, 7 ou 8, aeração de 0,30 L.min-1 , sob iluminância de 6 Klx, 24±1ºC durante 15 dias em fotobiorreatores de 1 L. A concentração celular foi avaliada diariamente através de leitura de absorvância a 560 nm. A ruptura celular foi realizada através de 0,05 g de células secas com 2 mL de dimetilsulfóxido e a concentração de carotenoides totais determinada a partir de leitura espectrofotométrica a 474 nm. Os meios de cultivo BG-11, BBM e glicose e BBM e acetato de sódio apresentaram, respectivamente, o maior crescimento celular e produção de carotenoides totais de 0,64, 1,18 e 0,68 g.L-1 , e 3026,66, 2623,12 e 2635,38 µg.g-1 , empregando 10% de inóculo em pH inicial de 7. Com base nesses resultados, foram selecionados esses três meios para dar continuidade ao trabalho. O meio de cultivo BBM e acetato de sódio obteve o melhor valor de concentração celular máxima, com 1,29±0,07 g.L-1 e de carotenoides totais 5653,56 µg.g-1 empregando pH inicial de 7 e concentração de inóculo de 20%. Este meio foi selecionado para a realização dos cultivos com injeção de 30 % de CO2 uma vez ao dia durante 1 hora, realizados durante 22 dias, em pH inicial de 7 e 20% de inóculo, com 30% de injeção de CO2 uma vez ao dia durante 1 hora. Nestas condições o crescimento celular alcançou o máximo de 1,13 g.L-1 (10 dias), carotenoides totais específicos de 2949,91 µg.g-1 e volumétricos de 764,79 µg.g-1 .L-1 (22 dias). A capacidade antioxidante dos extratos carotenogênicos também foi avaliada pelos métodos DPPH, FRAP e ABTS, não sendo possível quantificá-la através do DPPH e FRAP. Por outro lado, utilizando o método ABTS, em 90 minutos de reação, o poder de inibição encontrado foi de 35,70 % μg-1 . Assim, a condição que mais se destaca é a utilização do meio de cultivo BBM e acetato de sódio, com pH inicial 7, com 20% de inóculo, 0,30 L.min-1 de aeração, 6 Klx e 24±1ºC, uma vez que o crescimento celular e a bioprodução de carotenoides foi significativamente superior quando comparada às demais condições estudadas. Além disso, os carotenoides produzidos pela H. pluvialis, nesta condição, apresentaram capacidade antioxidativa.

Ruptura celular, extração e encapsulamento de Astaxantina de Haematococcus pluvialis (Volvocales, Chlorophyta)

O interesse na produção de astaxantina de fontes naturais vem aumentando significativamente, devido principalmente à sua capacidade como potente agente antioxidante. Na obtenção da astaxantina por via biotecnológica, a microalga Haematococcus pluvialis é um dos micro-organismos industrialmente mais interessantes. Entretanto, como a maioria dos carotenoides, a astaxantina é uma molécula altamente insaturada que pode ser facilmente degradada por processos térmicos. Em função desta instabilidade, uma possibilidade que se abre, a fim de proteger sua atividade biológica de fatores ambientais e reforçar a sua estabilidade física, é o encapsulamento. Neste sentido, este trabalho vem contribuir em inovações relacionadas ao desenvolvimento de tecnologia para ruptura celular, extração e nanoencapsulamento de astaxantina produzida por via biotecnológica, mais especificamente de astaxantina obtida através do cultivo de H. pluvialis. Neste estudo, os cultivos foram realizados em meio BBM e acetato de sódio e conduzidos a temperatura constante de 25±1 ºC em fotobiorreatores de 1 L com aeração por borbulhamento de ar de 300 mL.min-1 , agitação manual diária e sob iluminância constante de 444 µmol fótons.m-2 s -1 durante 15 dias, sendo inoculados com suspensão de microalgas previamente preparada, na proporção de 10%, e pH ajustado em 7,0. A biomassa foi recuperada dos cultivos por centrifugação e seca a 35 °C por 48 h. Em seguida, foram empregadas diferentes técnicas de ruptura celular (química, mecânica e enzimática). Após a ruptura, foi realizada a extração dos carotenoides e a quantificação dos carotenoides totais (µg.g-1 ) e da extratibilidade (%). Entre os solventes testados no método de ruptura química, o diclorometano foi o selecionado para a extração dos pigmentos carotenoides. Dentre as técnicas mecânicas de ruptura celular, a maceração da biomassa congelada com terra diatomácea resultou na maior extratibilidade e carotenoides totais (66,01% e 972,35 μg.g-1 ). A melhor condição de lise da parede celular de H. pluvialis, utilizando o preparado enzimático Glucanex® , ocorreu em pH do meio reacional de 4,5 a 55 ºC, com atividade inicial de β-1,3-glucanase de 0,6 U.mL-1 e um tempo de reação de 30 min, alcançando-se 17,73% de atividade lítica relativa. Nestas condições, com a reação enzimática assistida por ultrassom sem congelamento prévio da biomassa, atingiu-se 83,90% e 1235,89 µg.g -1 , respectivamente, para extratibilidade e carotenoides totais. Dentre as técnicas combinadas testadas, a maceração com terra diatomácea associada à lise enzimática apresentou valores de extratibilidade e carotenoides totais de, respectivamente, 93,83% e 1382,12 µg.g-1 . No encapsulamento do extrato contendo astaxantina obtido por lise enzimática associada por ultrassom, envolvendo a coprecipitação com PHBV (poli(3-hidroxibutirato-cohidroxivalerato)) em fluidos supercríticos, o aumento da pressão tendeu a reduzir o diâmetro da partícula formada, enquanto que o aumento da relação biomassa contendo astaxantina:diclorometano usada na etapa de extração incrementou o percentual de encapsulamento e a eficiência de encapsulamento para ambas pressões testadas (80 e 100 bar). Os maiores valores de percentual de encapsulamento (17,06%) e eficiência de encapsulamento (51,21%) foram obtidos nas condições de 80 bar e relação biomassa:diclorometano de 10 mg.mL -1 . Nestas condições, o diâmetro médio de partícula foi de 0,228 µm. Com base nos resultados obtidos, técnicas para a obtenção de astaxantina de H. pluvialis e seu encapsulamento foram desenvolvidas com sucesso, podendo ser extendidas a outros produtos intracelulares de microalgas.

Macroalgae and commercial macroalgal polysaccharides as potential functional ingredients in muscle foods

Ulva rigida (UR) and Palmaria palmata (PP) were included in farmed Atlantic salmon diets at levels of 0-15% for 19 and 16 weeks, respectively. Quality and shelf-life parameters of salmon fillets stored in modified atmosphere packs (MAP) (60% N2 : 40% CO2) at 4ºC were compared to controls fed astaxanthin. Salmon fillets were enhanced with a yellow/orange colour. Proximate composition, pH and lipid oxidation were unaffected by dietary UR and PP. Salmon fed 5% UR and 5-15% PP did not influence sensory descriptors (texture, odour, oxidation flavour and overall acceptability) of cooked salmon fillets. Pig diets were supplemented with commercial wet- and spray-dried macroalgal (Laminaria digitata) polysaccharide extracts containing laminarin (L, 500 mg/kg feed) and fucoidan (F, 420 mg/kg feed) (L/F-WS, L/F-SD) for 3 weeks and quality and shelf-life parameters of fresh pork steaks (longissimus thoracis et lumborum) stored in MAP (80% O2 : 20% CO2) were examined. Level (450 or 900 mg L and F/kg feed) and duration (3 or 6 weeks) of dietary L/F-WS and mechanisms of antioxidant activities in pork were investigated. L/F-WS reduced (p < 0.05) lipid oxidation and lowered levels of saturated fatty acids in fresh pork after 3 weeks feeding. L/F-SD was added directly to mince pork (0.01 - 0.5%) and quality and shelf-life parameters of fresh pork patties stored in MAP (80% O2 : 20% CO2) were assessed. Direct addition of the L/F-SD increased levels of lipid oxidation and decreased surface redness (a* values) of fresh pork patties. Lipid oxidation was reduced in cooked patties due to the formation of Maillard reaction products. Cooked pork patties containing L/F-SD were subjected to an in vitro digestion and a cellular transwell model to confirm bioaccessibility and uptake of antioxidant compounds. In mechanistic studies, fucoidan demonstrated antiand pro-oxidant activities on muscle lipids and oxymyoglobin, respectively.