< Terug naar vorige pagina

Project

Inzicht in de extractieprincipes van carrageen om inzicht te krijgen in de structurele organisatie van de celwand van rode zeewier

Carrageen is een type gesulfateerd galactaan dat wordt aangetroffen in de celwand van rode zeewieren, de carrageenofyten. In 2015 werd wereldwijd meer dan 60 duizend ton droge carrageenofyten verwerkt om aan de industriële vraag naar carrageen te voldoen. Deze industrieën gebruiken carrageen als geleer- of verdikkingsmiddel. De gelerende eigenschappen van carrageen hangen sterk af van de carrageentypes en kationen die worden gebruikt om de gels te maken. Over het algemeen zijn er drie belangrijke soorten carrageen. De eerste twee, κ- (kappa) en ι- (iota) carrageen worden gebruikt om respectievelijk een sterke en zwakke gel te vormen. Deze twee soorten carrageen worden in verschillende verhoudingen aangetroffen in de gametofytlevensfase van de carrageenofyt. Het derde type, λ-(lambda)carrageen, is niet-gelerend (precursortype) en kan als verdikkingsmiddel worden gebruikt. λ-carrageenan wordt in de tetrasporofytlevensfase van de carrageenofyt aangetroffen. Het conventionele extractieproces van carrageen wordt gekarakteriseerd door hoge temperaturen (80-90°C) en relatief lange extractietijden (4-8 uur). Met deze condities wilt men carrageenan op efficiënte wijze vrijzetten uit de  celwand van carrageenofyten. Eens gesolubiliseerd, wordt het uit deze oplossing teruggewonnen door isopropanolprecipitatie. Voor zeewiersoorten met een hoge verhouding gelerend carrageenan (κ-,ι-carrageenan), wordt gewoonlijk alkali toegevoegd tijdens het extractieproces om de precursos carrageen om te zetten in gelerend carrageen, waardoor de concentratie van gelerend carrageen wordt gemaximaliseerd en de gelerende eigenschappen worden verbeterd. De combinatie van deze hoge extractietemperaturen, lange extractietijd en het gebruik van alkali degradeert de zeewierbiomassa, resulterend in optimale carrageenopbrengsten. In tegenstelling, als gevolg van deze intense extractie condities zullen andere temperatuurgevoelige zeewiercomponenten die naast carrageenan waardevol kunnen, zoals phycobiliproteïnen (licht oogstend eiwitcomplex dat uniek is voor rode zeewieren en cyanobacteriën), worden gedenatureerd en kunnen ze zo hun functionaliteit verloren (bijvoorbeeld kleur). Bovendien maakt het gebruik van het filtratiehulpmiddel (isopropanol) om de resterende biomassa te scheiden van het in water oplosbare carrageenan het moeilijk om de biomassa terug te winnen, aangezien de biomassa aan het filtratiehulpmiddel hecht. Dat is jammer, aangezien de biomassa nog relatief rijk is aan andere verbindingen (bijv. eiwitten, pigmenten, vezels enz.). Vanwege het grote volume carrageenofyten dat wordt verwerkt, zal de valorisatie van zelfs een fractie van deze zijstroomcomponenten waarde toevoegen aan de carrageenindustrie.

Om deze uitdaging aan te gaan, is inzicht in het extractiemechanisme van carrageen nodig om een strategie te ontwikkelen voor een duurzamere extractie van carrageen. Kennis over de natieve structuur van carrageen, de oplosbaarheid ervan in de celwandmatrix en of er fysieke barrières zijn die de extractie beperken, zijn enkele van de vragen die moeten worden beantwoord om deze extractie te verbeteren.

Dit doctoraatsproject heeft tot doel de principes van carrageenextractie beter te begrijpen door het effect te bestuderen van verschillende extractieparameters op de carrageenopbrengst (hoeveel carrageen kan worden verkregen bij de geteste extractieparameters) en kwaliteit (welke soorten carrageen worden verkregen onder de extractieparameters getest). De reologische eigenschappen van de carrageengels gemaakt van de experimentele carrageenextracties werden ook gekarakteriseerd. De onderzochte extractieparameters omvatten tijd, temperatuur en effect van zouttoevoeging. Daarnaast werd ook het effect van zeewierdeeltjesgrootte onderzocht om te bepalen of carrageenextractie oppervlakteafhankelijk is of niet. De resulterende opbrengst en kwaliteit van de carrageenrijke precipitaten (CRP) geëxtraheerd door middel van de verschillende extractieomstandigheden zouden inzicht kunnen geven in de structurele organisatie van carrageen in de celwand van zeewier.

Het carrageen uit Chondrus crispus werd gekozen als onderzoeksobject, omdat het hybride carrageen bevat (κ-, ι-carrageen en een klein deel van hun voorlopers (respectievelijk μ- en ν-carrageen) in hun gametofytlevensfase, terwijl λ -carrageen kan worden gevonden in zijn tetrasporofytlevensfase, met andere woorden, het extractiegedrag van κ-, ι- en λ-carrageen kan worden bepaald door middel van dit species worden bepaald.

Onze resultaten toonden aan dat de twee levensfasen van zeewier verschillend gedrag vertoonden wanneer extractie werd uitgevoerd bij kamertemperatuur. Enerzijds was het λ-carrageen uit tetrasporofytzeewier gemakkelijker te extraheren, omdat bijna al het carrageen al bij kamertemperatuur kon worden geëxtraheerd via verschillende opeenvolgende extracties. Aan de andere kant kon het hybride carrageen uit de gametofyt niet goed worden geëxtraheerd bij kamertemperatuur. Toen de temperatuur werd verhoogd, nam ook de opbrengst van hybride carrageen toe. Er werd ook gevonden dat er slechts een korte tijd (<2 uur) nodig was voor efficiënte carrageenextractie, aangezien het verlengen van de extractietijd >2 uur niet resulteerde in een substantiële verhoging van de opbrengst. Met betrekking tot het effect van zouttoevoeging werd waargenomen dat het type zouten in het extractiemedium een rol speelden bij de extractie van carrageen. Toen de endogene zeewierzouten werden verwijderd door een wasstap, werd een kleine maar significante toename in carrageenopbrengst bij kamertemperatuur waargenomen. Ondertussen versterkte de toevoeging van tweewaardige kationen in het extractiemedium de weerstand van het zeewier tegen warmte-extractie bij 60oC. Aangezien de carrageenstructuur ook sterk wordt beïnvloed door kationen, zou kunnen worden verondersteld dat het verschil in opbrengst tussen de verschillende soorten toegevoegd zout te wijten was aan het feit dat de carrageenstructuur werd aangetast door de manipulatie van zouten in het extractiemedium, wat uiteindelijk de extraheerbaarheid van carrageen bepaalde.

Samenstellings- en reologische analyse van het carrageen geëxtraheerd door middel van de verschillende T-t (temperatuur-tijd) omstandigheden leek te suggereren dat precursoreenheden (niet-gelerend carrageen) een hogere extraheerbaarheid hebben bij lagere temperaturen en sneller kunnen uitlogen dan getransformeerde eenheden (gelerend carrageen). Dit werd geconcludeerd aangezien lagere niveaus van 3,6-anhydrogalactose gedetecteerd werden in het CRP geëxtraheerd bij kamertemperatuur (22°C) vergeleken met extracties van 45°C en 90°C. 3,6-anhydrogalactose wordt alleen aangetroffen in gelerend carrageen, omdat het het resultaat is van transformatie van de voorlopereenheden en de component is die verantwoordelijk is voor de geleerfunctie. Bovendien vertoonde carrageen van extracties van 15 minuten (0,25 uur) ook een hogere hoeveelheid sulfaat in vergelijking met extracties gedurende 2 of 8 uur. Een hoger sulfaatgehalte kan ook duiden op voorlopereenheden, aangezien voorlopereenheden oorspronkelijk een sulfaatgroep hebben in de C6 van de galactose, voordat deze wordt gesplitst om de anhydroring in de getransformeerde 3,6-anhydrogalactose te vormen. De reologische eigenschappen van de gels gemaakt van de experimentele carrageenextracties ondersteunden ook de waargenomen samenstellingstrend. Gels gemaakt van CRP geëxtraheerd bij 22°C hadden de laagste G'-waarde vergeleken met gels gemaakt van CRPs geëxtraheerd bij extracties bij hogere temperaturen, wat kan worden verklaard door de lagere hoeveelheid 3,6-anhydrogalactose die bij de kamertemperatuur werd gedetecteerd. De viscositeit van de gels gemaakt van CRPs geëxtraheerd gedurende 0,25 uur extracties waren ook hoger in vergelijking met gels gemaakt van CRPs die gedurende 2 tot 8 uur waren geëxtraheerd. Dit kan worden verklaard door de hogere hoeveelheid sulfaat die in de CRPs in de eerste is gedetecteerd. Het is bekend dat voorlopereenheden niet kunnen geleren vanwege hun volumineuze structuur (met één extra sulfaatgroep vergeleken met het gelerende carrageen), waardoor een meer viskeuze eigenschap in oplossing wordt verkregen. Er werden geen samenstellings- of reologische verschillen gevonden in het CRP of de gels gemaakt van deze CRPs geëxtraheerd bij 45 en 90°C en tussen 2 en 8 uur.

Mechanische desintegratie van de gedroogde zeewierchips veroorzaakte een toename van het specifieke oppervlak. Door ze te zeven in fracties van verschillende grootte kon de relatie tussen carrageenextractie en oppervlak bestudeerd worden. Carrageenextractie uit deze fracties met afnemende grootte (die een toenemend specifiek oppervlak hebben) bij kamertemperatuur en 45°C resulteerde slechts in een lichte toename van de CRPopbrengst bij fracties met afnemende grootte. Bij 90°C waren er geen verschillen in de CRPopbrengst voor de geteste extractietijd. Hieruit bleek dat bij een mildere temperatuur, hybride carrageenextractie slechts in geringe mate oppervlakte-afhankelijk is. De combinatie van kleinere deeltjesgrootte en milde extractietemperatuur kon de effectiviteit van hoge temperaturen niet vervangen. Dit resultaat toonde aan dat carrageenextractie niet oppervlakte-afhankelijk is. Tegelijkertijd werd er waargenomen dat het rode pigment phycoerythrine sterk uit het zeewier diffundeerde met afnemende fracties van de zeewiergrootte. Dit verschil in extractiegevoeligheid zou kunnen worden benut om de pigmenten eerst te valoriseren voorafgaand aan de carrageenextractie.

Op basis van deze experimentele resultaten en postulatie van de structurele organisatie van carrageen, werd een alternatieve extractiemethode getest. Deze nieuwe methode was succesvol in het extraheren van carrageen met optimale opbrengsten bij kamertemperatuur.

Datum:5 apr 2019 →  20 dec 2021
Trefwoorden:Carrageenan
Disciplines:Voedseltechnologie
Project type:PhD project