Biorefinery of the relevant brown algae Saccharina latissima and Ascophylum nodosum towards novel, sustainable and functional ingredients

Abstract

[ES] Esta tesis doctoral pretende aportar conocimientos fundamentales y prácticos sobre la valorización de las algas pardas. Se ha tratado de comprender la relación entre la estructura y funcionalidad de sus polisacáridos y proteínas, considerando sus propiedades funcionales, tecnológicas y bioactivas. Todo ello se ha abordado desde una perspectiva de biorrefinería, enfocada a la economía circular y la sostenibilidad. En primer lugar, se ha llevado a cabo una optimización para la extracción de compuestos valiosos a partir de algas pardas utilizando diversas tecnologías innovadoras. Se investigó un pretratamiento a alta presión de algas pardas (A. nodosum y S. latissima) para extraer alginato y se comparó con el método de extracción convencional. El objetivo era comprender cómo las diferencias iniciales en la composición y estructura de la pared celular de las algas afectaban a la extracción de este polisacárido y a sus propiedades tecnológicas, así como, su capacidad como emulsionante y gelificante. Asimismo, se examinó la extracción de conjugados proteína-polisacárido mediante la aplicación secuencial de varios métodos de extracción, así como sus propiedades funcionales (capacidad de retención de agua y aceite, emulsionante) y bioactivas (actividad antioxidante y capacidad antihipertensiva). En estos estudios se observaron diferencias en la arquitectura de la pared celular de las algas, pertenecientes a distintos órdenes, como Fucales y Laminariales, que influyeron directamente en los compuestos extraídos y en sus propiedades estructurales y tecnológicas. Sin embargo, a pesar de estas diferencias, los resultados mostraron el potencial de los compuestos extraídos como ingredientes en la industria alimentaria y farmacéutica. La segunda sección de esta tesis exploró la valorización de los subproductos generados durante la extracción del alginato. Se realizó un estudio exhaustivo de todas las fracciones y subproductos producidos en este proceso con el objetivo de identificar las fracciones más prometedoras para su valorización. Los resultados mostraron que los residuos sólidos tenían el potencial más significativo debido a su composición fisicoquímica. Por lo tanto, se sugirieron posibles estrategias para valorizar estos residuos, destacando su alto potencial como ingredientes bioactivos, texturizantes o de valor añadido nutricional para aplicaciones alimentarias, de piensos, cosméticos y farmacéuticos. Además, a partir de este trabajo, se investigó la extracción secuencial y combinada por diferentes métodos para recuperar la mayor cantidad posible de proteína intracelular de estos residuos sólidos. Se comprobó que la fracción proteica de los extractos contenía un alto porcentaje de aminoácidos esenciales, adecuadas propiedades funcionales y una interesante actividad antihipertensiva. Finalmente, la tercera parte de esta tesis se centró en la generación de conocimiento a través de la elucidación estructural del alginato. Para ello, se desarrolló un método rápido para determinar la relación M/G del alginato, que mostró valores cercanos al método de referencia (1H NMR), demostrando su precisión. En conjunto, esta tesis doctoral representa un avance significativo en la generación de conocimiento y valorización de la biomasa algal y sus residuos en compuestos de alto valor. Además, estos enfoques son potencialmente aplicables a otras biomasas algales.

[CA] Esta tesi doctoral pretén aportar coneixements fonamentals i pràctics sobre la valorització de les algues marrons. S'ha tractat de comprendre la relació entre l'estructura i funcionalitat dels seus polisacàrids i proteïnes, considerant les seues propietats funcionals, tecnològiques i bioactivas. Tot això s'ha abordat des d'una perspectiva de biorrefinería, enfocada a l'economia circular i la sostenibilitat. En primer lloc, s'ha dut a terme una optimització per a l'extracció de compostos valuosos a partir d'algues marrons utilitzant diverses tecnologies innovadores. Es va investigar un pretractament a alta pressió d'algues marrons (A. nodosum i S. latissima) per a extraure alginat i es va comparar amb el mètode d'extracció convencional. L'objectiu era comprendre com les diferències inicials en la composició i estructura de la paret cel·lular de les algues afectaven l'extracció d'este polisacàrid i a les seues propietats tecnològiques, així com, la seua capacitat com a emulsionant i gelificant. Així mateix, es va examinar l'extracció de conjugats proteïna-polisacàrid mitjançant l'aplicació seqüencial de diversos mètodes d'extracció, així com les seues propietats funcionals (capacitat de retenció d'aigua i oli, emulsionant) i bioactivas (activitat antioxidant i capacitat antihipertensiva). En estos estudis es van observar diferències en l'arquitectura de la paret cel·lular de les algues, pertanyents a diferents ordes, com Fucales i Laminariales, que van influir directament en els compostos extrets i en les seues propietats estructurals i tecnològiques. No obstant això, malgrat estes diferències, els resultats van mostrar el potencial dels compostos extrets com a ingredients en la indústria alimentària i farmacèutica. La segona secció d'esta tesi va explorar la valorització dels subproductes generats durant l'extracció de l'alginat. Es va realitzar un estudi exhaustiu de totes les fraccions i subproductes produïts en este procés amb l'objectiu d'identificar les fraccions més prometedores per a la seua valorització. Els resultats van mostrar que els residus sòlids tenien el potencial més significatiu a causa de la seua composició fisicoquímica. Per tant, es van suggerir possibles estratègies per a valorar estos residus, destacant el seu alt potencial com a ingredients *bioactivos, texturitzants o de valor afegit nutricional per a aplicacions alimentàries, de pinsos, cosmètics i farmacèutics. A més, a partir d'este treball, es va investigar l'extracció seqüencial i combinada per diferents mètodes per a recuperar la major quantitat possible de proteïna intracel·lular d'estos residus sòlids. Es va comprovar que la fracció proteica dels extractes contenia un alt percentatge d'aminoàcids essencials, adequades propietats funcionals i una interessant activitat antihipertensiva. Finalment, la tercera part d'esta tesi es va centrar en la generació de coneixement a través de l'elucidació estructural de l'alginat. Per a això, es va desenvolupar un mètode ràpid per a determinar la relació M/G de l'alginat, que va mostrar valors pròxims al mètode de referència (1H NMR), demostrant la seua precisió. En conjunt, esta tesi doctoral representa un avanç significatiu en la generació de coneixement i valorització de la biomassa algal i els seus residus en compostos d'alt valor. A més, estos enfocaments són potencialment aplicables a altres biomasses algals.

[EN] This doctoral thesis aims to provide fundamental and practical knowledge on the valorization of brown seaweeds. It has sought to understand the relationship between the structure and functionality of their polysaccharides and proteins, considering their functional, technological and bioactive properties. All this has been approached from a biorefinery perspective, focused on circular economy and sustainability. First, an optimization for extracting valuable compounds from brown seaweeds was carried out using various innovative technologies. A high-pressure pre-treatment of brown seaweeds (Ascophyllum nodosum and Saccharina latissima) to extract alginate was investigated and compared with the conventional extraction method. The purpose was to understand how initial differences in algal cell wall composition and structure affected the extraction of this polysaccharide and its technological properties, such as its ability as emulsifier and gelling agent. Likewise, the extraction of protein-polysaccharide conjugates was examined by sequential application of several extraction methods, as well as their functional properties (water, oil retention activity and emulsifying capacity) and bioactive properties (antioxidant activity and antihypertensive capacity). In these studies, differences were observed in the cell wall architecture of the algae, belonging to different orders, such as Fucales and Laminariales, which directly influenced the extracted compounds and their structural and technological properties. However, despite these differences, the results showed the potential of the extracted compounds as ingredients in the food and pharmaceutical industries. The second section of this thesis explored the valorization of by-products generated during alginate extraction. An exhaustive study of all the fractions and by-products produced in this process was carried out to identify the most promising fractions for valorization. The results showed that solid wastes had the most significant potential due to their physicochemical composition. Therefore, possible strategies to valorize these wastes were suggested, highlighting their high potential as bioactive, texturizing, or nutritional value-added ingredients for food, feed, cosmetic, and pharmaceutical applications. Besides, from this work, sequential and combined extraction by different methods was investigated to recover as much intracellular protein as possible from these solid wastes. It was found that the protein fraction of the extracts contained a high percentage of essential amino acids, adequate functional properties, and an interesting antihypertensive activity. Finally, the third part of this thesis focused on generating knowledge through the structural elucidation of alginate. For this purpose, a rapid method was developed to determine the M/G ratio of alginate, which showed values close to the reference method (1H NMR), demonstrating its accuracy. Overall, this PhD thesis represents a significant advance in generating knowledge and valorizing algal biomass and its residues into high-value compounds. Furthermore, these approaches are potentially applicable to other algal biomasses.