NAGIOS: RODERIC FUNCIONANDO

Innovative extraction and separation technologies to improve the recovery of microalgae nutrients and bioactive compounds with potential beneficial effects on human health

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Innovative extraction and separation technologies to improve the recovery of microalgae nutrients and bioactive compounds with potential beneficial effects on human health

dc.contributor.advisor	Collado, Maria Carmen
dc.contributor.advisor	Barba, Francisco Jose
dc.contributor.author	Zhou, Jianjun
dc.contributor.other	Departament de Medicina Preventiva i Salut Pública, Ciències de l'Alimentació, Toxicologia i Medicina Legal	es_ES
dc.date.accessioned	2023-07-11T07:58:32Z
dc.date.available	2024-07-11T04:45:10Z
dc.date.issued	2023	es_ES
dc.date.submitted	13-07-2023	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/88682
dc.description.abstract	Microalgae are rich in a wide variety of bioactive compounds, including proteins, polyphenols, polysaccharides, pigments, minerals, vitamins, etc., which can be directly utilized or separated to obtain higher added-value components. Extraction and separation are key steps in the processing of microalgae-related products, being innovative technologies a useful tool to improve the utilization of microalgae. Currently, microalgae and their bioactive compounds are being used as food, medical and pharma resources, due their potentially relevant impact on human health. In this study, the application of pulsed electric fields (PEF), pressurized liquid extraction (PLE), and ultrasound-assisted extraction (USN) improved the extraction efficiency of microalgae high-added-value compounds. Spirulina (Arthrospira platensis), Chlorella, and Phaeodactylum tricornutum have been selected as the target matrices to recover high-added-value compounds due their high content in valuable components. It was observed by scanning electron microscopy (SEM) that PEF and USN broke the microalgae cell wall structure during the extraction process. Moreover, when using PEF + PLE, the yield of Spirulina (Arthrospira platensis) high-added-value compounds was greatly increased (p < 0.05), and the extraction time was significantly reduced (p < 0.05). The high-added-value compounds, especially saccharide fraction (mainly polysaccharides) in microalgae, can be considered as a potential source of new prebiotics. However, the traditional separation process is complicated, with serious pollution issues and low yields. In this study, USN + membrane separation technology was used to separate crude polysaccharides from microalgae extracts. The results showed that relatively high purity polysaccharide fractions were obtained with 4 and 10 kDa membranes, while separation efficiency was higher when 100 and 150 kDa membranes were used. USN treatment increased the concentration of relatively low molecular weight saccharides fraction (4, 10 kDa) in the permeate (p < 0.05) but there was not a significant (p > 0.05) effect on the high molecular weight saccharides fraction (300, 500 kDa). In addition, this study explored the potential effect of microalgae extracts on the human gut health. The use of innovative extraction techniques significantly increased the antioxidant capacity of the microalgae extracts (p < 0.05), which was attributed to a higher yield of bioactive compounds. Spirulina (Arthrospira platensis) and Phaeodactylum tricornutum extracts significantly (p < 0.05) modulated the in vitro activation of the inflammatory NF-κB pathway on epithelial intestinal cell models. In addition, microalgae extracts inhibited the growth of foodborne and potential pathogenic bacteria (strains of Listeria, Staphylococcus, Salmonella, Escherichia )(p < 0.05), while promoting (p < 0.05) the growth of potentially beneficial bacteria (including Lactobacillus and Bifidobacterium strains). In vitro gut microbiota was modulated by Spirulina and P. tricornutum extracts, and after in vitro gastrointestinal digestion, microalgae extracts showed more evident benefits on specific microbial genera (Bifidobacterium) by targeted qPCR. In addition to microalgae, macroalgae bioactive compounds-Laminaria japonica polysaccharides (LJP), the main extract of kelp, has been widely used in the food industry due to their health effects such as regulating blood lipids, lowering blood sugar, antiinflammatory, and antioxidation. This study also investigated the effects of Laminaria japonica polysaccharides (LJP) on the rheological, gelatinization, and retrogradation properties of wheat starch (WS) gels. Dynamic rheological test showed that the addition of LJP decreased the storage and loss modulus. LJP significantly decreased the peak viscosity, breakdown, and setback value of WS. Moreover, LJP incorporation significantly reduced the WS gel hardness during storage. SEM results showed that the addition of LJP improved the structure of WS gel. The short and long-range ordered structure showed that the relative crystallinity and formation of ordered structure were reduced with the addition of LJP. Overall, this study established a new protocol for the efficient extraction of high-added-value compounds from microalgae by using innovative approaches (PEF, PLE, and USN). The innovative extraction technology combined with membrane separation technology enhanced the separation efficiency of microalgae´ polysaccharides. Moreover, microalgae extracts obtained through innovative extraction techniques have shown potential benefits for the human gut health. In addition, this study explored the ability of macroalgae polysaccharides to improve food qualities and found that LJP polysaccharides improved the quality of baked products, suggesting that the bioactive compounds of microalgae may also have the potential to improve food qualities, which needs further investigation in the future. This thesis provides novel data for the extraction, separation, and application of algae bioactive compounds with potential benefits to human health, which provides more ideas for the development and application of algae products.	en_US
dc.description.abstract	Las microalgas son ricas en una gran variedad de compuestos bioactivos, que incluyen proteínas, polifenoles, polisacáridos, pigmentos, minerales, vitaminas, etc., que pueden utilizarse o separarse directamente para obtener componentes de mayor valor. La extracción y la separación son pasos clave en la obtención y posterior procesamiento de los productos relacionados con las microalgas, representando las tecnologías innovadoras de procesado una estrategia innovadora y eficiente para mejorar la calidad de estos productos. Actualmente, las microalgas y sus compuestos (nutrientes, compuestos bioactivos, etc.) se utilizan como alimento y también con finalidades desde el punto de vista de salud, así pues, es necesario investigar su impacto en la salud intestinal humana. En la presente tesis, se observó como la aplicación de los pulsos eléctricos (PE), así como las extracciones con líquidos presurizados (PLE) y ultrasonidos (USN) mejoraron la eficiencia de extracción de nutrientes y compuestos bioactivos a partir de microalgas. Se ha seleccionado Spirulina (Arthrospira platensis), Chlorella y Phaeodactylum tricornutum para extraer los compuestos debido a su alto contenido en los mismos. Mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) se observó como tanto los PEF como los USN rompieron la estructura de la pared celular de las microalgas durante el proceso de extracción. Además, cuando se usó la combinación PE + PLE, el rendimiento de nutrientes y compuestos bioactivos a partir de Spirulina (Arthrospira platensis) aumentó considerablemente (p < 0.05) y el tiempo de extracción se redujo significativamente (p < 0.05). La fracción de polisacáridos de las microalgas es una fuente potencial de prebióticos, sin embargo, el proceso de separación tradicional para obtenerla es complicado, con una gran contaminación y bajo rendimiento. En este estudio, se utilizó la tecnología de separación por membrana + USN para separar los polisacáridos de los extractos de microalgas. Los resultados mostraron que se obtuvieron fracciones de polisacáridos de pureza relativamente alta con membranas de 4 y 10 kDa, mientras que la eficiencia de separación fue mayor con membranas de 100 y 150 kDa. El tratamiento con USN aumentó la concentración de la fracción de sacáridos de peso molecular relativamente bajo (4, 10 kDa) en el permeado (p < 0.05) pero no hubo un efecto significativo (p > 0.05) en la fracción de sacáridos de alto peso molecular (300, 500 kDa). El uso de técnicas de extracción innovadoras aumentó significativamente la capacidad antioxidante de los extractos de microalgas (p < 0.05), lo que se atribuyó a un mayor rendimiento en la recuperación de compuestos bioactivos antioxidantes. Los extractos de Spirulina (Arthrospira platensis) y Phaeodactylum tricornutum redujeron significativamente (p < 0.05) la activación lde la ruta inflamatoria NF-κB in vitro en un modelo celular epitelial intestinal. Asimismo, los extractos de microalgas inhibieron el crecimiento de bacterias patógenas (Listeria, Staphylococcus aureus, Salmonella, Escherichia coli) (p < 0.05), al tiempo que promovieron el crecimiento de cepas potencialmente beneficiosas como Lactobacillus spp. y Bifidobacterium spp. (p < 0.05). La microbiota intestinal se vió modulada por los extractos de Spirulina y P. tricornutum en un modelo in vitro de digestión gastrointestinal seguido de una fermentación colónica donde los extractos modularon grupos bacterianos específicos (Bifidobacterium) analizados mediante qPCR. Además de las microalgas, los polisacáridos de Laminaria japonica (LJP), el principal extracto de algas marinas, se han utilizado ampliamente en la industria alimentaria debido a sus efectos sobre la salud, como la regulación de los lípidos en la sangre, reducción de azúcar en la sangre, efecto antiinflamatorio y antioxidante. En la presente tesis se investigaron los efectos de los polisacáridos de Laminaria japonica (LJP) en las propiedades reológicas, de gelatinización y de retrogradación de los geles de almidón de trigo (AT). La prueba reológica dinámica mostró que la adición de LJP disminuyó el módulo de almacenamiento y pérdida. Los LJP disminuyeron significativamente la viscosidad máxima, la descomposición y el valor de retroceso de AT. Además, la incorporación de LJP redujo significativamente la dureza del gel AT durante el almacenamiento. Los resultados de SEM mostraron que la adición de LJP mejoró la estructura del gel de AT. La estructura ordenada de corto y largo alcance mostró que la cristalinidad relativa y la formación de la estructura ordenada se redujeron con la adición de LJP. En general, este estudio estableció un protocolo innovador para la extracción eficiente de nutrientes y compuestos bioactivos a partir de microalgas mediante técnicas innovadoras (PE, PLE y USN). La utilización de tecnologías innovadoras de extracción combinadas con la tecnología de separación por membrana mejoró la eficiencia de separación de los polisacáridos de microalgas. Además, los extractos de microalgas obtenidos a través de técnicas de extracción innovadoras han mostrado beneficios potenciales para la salud intestinal humana. Además, este estudio exploró la capacidad de los polisacáridos de las macroalgas para mejorar la calidad de los alimentos y encontró que los polisacáridos de LJP mejoraron la calidad de los productos horneados, lo que sugiere que los compuestos de las microalgas también pueden tener el potencial de mejorar la calidad de los alimentos, lo que requiere más investigación en el futuro.	es_ES
dc.format.extent	537 p.	es_ES
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	electrical pulses	es_ES
dc.subject	pressurized liquid extraction	es_ES
dc.subject	nutrients	es_ES
dc.subject	bioactive compounds	es_ES
dc.subject	health	es_ES
dc.subject	microalgae	es_ES
dc.title	Innovative extraction and separation technologies to improve the recovery of microalgae nutrients and bioactive compounds with potential beneficial effects on human health	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::CIENCIAS TECNOLÓGICAS::Tecnología de los alimentos	es_ES
dc.embargo.terms	1 year	es_ES
dc.rights.accessRights	open access	es_ES