Mikroalgi jako naturalne źródło karotenoidów

Mikroalgi to samożywne organizmy wodne, które przeprowadzają proces fotosyntezy – kluczowy dla pozyskiwania substancji organicznych, potrzebnych do funkcjonowania. Aby było to możliwe, w mikroalgach muszą znajdować się substancje barwiące. Należą do nich m.in.: chlorofil, fikobiliproteiny i karotenoidy. Są one wykorzystywane w głównej mierze w produkcji żywności oraz kosmetyków. Karotenoidy najczęściej pozyskuje się z gatunków, takich jak: Synechococcus sp., Synechocystis sp. lub Rhodosorus sp.

Uzyskanie karotenoidów z mikroalg opiera się na szeregu procesów, które muszą być zoptymalizowane pod względem możliwie największej wydajności, przy zachowaniu niskich kosztów eksploatacyjnych. Pierwszym etapem jest hodowla mikroalg, którą zwykle realizuje się w otwartych lub zamkniętych zbiornikach wodnych, w sterylnych warunkach. Na hodowlę wpływają czynniki środowiskowe, takie jak: dostęp do światła, temperatura, zasolenie, obecność tlenu, azotu, węgla, toksyn, grzybów i bakterii, a także stężenie mikroalg, efektywność ich mieszania czy częstość zbiorów. Następnie mikroalgi poddaje się ekstrakcji. Jest to proces skomplikowany, ze względu na bardzo trwałe ścianki komórkowe, które uniemożliwiają doprowadzenie jakichkolwiek substancji. Należy więc zniszczyć je w pierwszej kolejności, a dopiero potem użyć rozpuszczalników do ekstrakcji. Etap ten jest jednym z najważniejszych, a zarazem najtrudniejszych. Do ekstrakcji nie wystarczy sam rozpuszczalnik organiczny. Zostały opracowane różne metody, wymagające często dużych nakładów energetycznych i finansowych. Należy do nich m.in. ekstrakcja, wykorzystująca płyny w stanie nadkrytycznym, dzięki której można otrzymać aż 90% karotenoidów, znajdujących się w mikroalgach. Wykorzystywana jest również ekstrakcja pod wysokim ciśnieniem, a także wspomagana mikrofalami lub ultradźwiękami. Zarówno mikrofale, jak i ultradźwięki umożliwiają bardziej znaczące rozbicie wiązań w komórkach, przez co większa ilość rozpuszczalnika może dostać się do wnętrza i odebrać karotenoidy. Ostatnim krokiem jest poddanie wyekstrahowanych karotenoidów oczyszczaniu, analizie oraz identyfikacji, aby ostateczny produkt odznaczał się jak największą czystością i funkcjonalnością.

Najważniejsze czynniki, wpływające na hodowlę

Kluczowymi elementami każdej hodowli mikroalg są dostęp do światła oraz odpowiednia temperatura. W zależności od koloru oświetlenia można otrzymać pigmenty o różnym składzie. Według badań im większe natężenie światła, tym większe uzyskuje się stężenie karotenoidów w komórkach mikroalg. Dla niektórych gatunków zbyt duże natężenie światła jest jednak niebezpieczne, ze względu na ryzyko stresu oksydacyjnego, który może doprowadzić do zniszczenia komórek. Temperatura hodowli wpływa na procesy metaboliczne oraz strukturę komórkową mikroalg. Optymalna temperatura zależy od konkretnego hodowanego szczepu. Wysoka temperatura (nawet do 60°C) sprzyja gromadzeniu się karotenoidów w szczepach niebiesko-zielonych mikroalg, ale w innych przypadkach może powodować narażenie na stres. Kolejnym istotnym czynnikiem jest utrzymanie prawidłowego pH hodowli. Mikroalgi, z których pozyskiwane są karotenoidy, najlepiej utrzymują się w pH obojętnym i lekko zasadowym.

Zapewnienie odpowiednich warunków hodowli oraz dobór i wykorzystanie metod ekstrakcyjnych stanowią największe wyzwania w produkcji karotenoidów z mikroalg. Głównym aspektem, limitującym ich wykorzystanie jako źródła barwników, są koszty tych procesów, dlatego ich użycie jest ekonomicznie nieopłacalne na szeroką skalę, np. w przemyśle farbiarskim. W przyszłości jednak, gdy odpowiednie metody zostaną zoptymalizowane, użycie takich pigmentów może zapewnić większą czystość środowiska.