Produção de nanopartículas contendo peptídeos bioativos de microalgas

Abstract

A produção de peptídeos bioativos de distintas fontes de proteínas vem ganhando espaço na produção científica e tecnológica, despertando interesse do setor empresarial. Paralelamente a isso, devido à elevada concentração de proteínas na biomassa das microalgas Spirulina e Chlorella, estas apresentam grande potencial para a extração de biocompostos com alto valor agregado, como biopeptídeos de microalgas. As proteínas são uma importante fonte de peptídeos bioativos, mas estes não estão ativos na proteína precursora e devem ser liberados para que apresentem efeitos fisiológicos desejados. Essa liberação pode ser feita através de hidrólise enzimática a partir de proteases, sendo um dos métodos mais utilizados para a produção destes biocompostos. Dentro deste contexto, vários estudos vêm mostrando o uso da tecnologia por secagem em spray dryer para a obtenção de nanopartículas que contenham compostos bioativos, sendo, essa técnica, amplamente utilizada para transformar líquidos em pós, podendo ser aplicada em materiais sensíveis à temperatura. Este estudo teve como objetivo obter peptídeos bioativos através da reação enzimática, tendo como substrato a biomassa de Spirulina sp. LEB 18 e Chlorella pyrenoidosa e, na sequência, obter nanopartículas contendo os biopeptídeos. Primeiramente, foram testadas as 3 proteases comerciais (Protemax 580 L, Protemax N 200 e pepsina) para a produção de hidrolisados proteicos de microalgas, para isso foram realizados 3 delineamentos compostos centrais para cada microalga em estudo (Chlorella e Spirulina). Os delineamentos utilizados foram do tipo 23 com três repetições no ponto central, variando-se a concentração de enzima (5 a 10 U.mL-1), a concentração de substrato (5 a 10 %) e o tempo de reação (60 a 240 min). Após, realizou-se 2 delineamentos compostos rotacionais do tipo 22 com pontos centrais, um para cada microalga, utilizando-se para a hidrólise a enzima Protemax 580L (5 U.mL-1) variando-se a concentração de substrato e tempo de reação, para todos ensaios estudou-se a solubilidade, capacidade de retenção de água, atividade antioxidante e digestibilidade. Foi selecionado um ensaio para cada microalga, levando em conta os melhores resultados. Então nova hidrólise enzimática foi realizada sendo o sistema reacional composto pela enzima Protemax 580 L (5 U.mL-1) e pela biomassa de Spirulina sp. LEB 18 ou Chlorella pyrenoidosa (4% de proteína) durante tempo de 200 min. Os hidrolisados foram purificados por filtração a vácuo com membranas millipores de diferentes tamanhos (0,45; 0,2 e 0,1 µm) e por colunas com membrana vertical Amicon® Ultra 0.5 (3K e 10K), sendo que após cada etapa, foi realizado teste de atividade antioxidante pelos métodos de poder redutor, DPPH e ABTS, a fim de verificar a permanência da atividade antioxidante. Utilizou-se nano spray dryer Büchi modelo B 90 para a secagem das amostras, sendo o tamanho das partículas obtidas analisados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Por fim, conclui-se que a biomassa de microalgas pode ser utilizada como fonte de produção de peptídeos bioativos com elevada atividade antioxidante e que dentre as microalgas estudadas, Spirulina sp. LEB 18 apresentou melhores resultados, em todas as análises realizadas, quando comparada com Chlorella pyrenoidosa. Esse estudo, também visou utilizar a nanobiotecnologia para obtenção de nanoparículas contendo os biopeptídeos, para tal, utilizou-se o nano Buchi Spray Dryer B-90, o qual gerou partículas nanométricas de 14 a 18 nm para o hidrolisado de Spirulina e de 72 a 108 nm para o hidrolisado de Chlorella.

The bioactive peptides production from different protein sources has been earning ground in scientific and technological production, arousing interest from the corporate sector. Alongside this, due to high protein concentration in Spirulina and Chlorella biomass, these have great potential for extracting biocompounds with high value, such as biologically active peptides. Proteins are an important source of bioactive peptides, but these are not active on the precursor protein and must be released to present the intended physiological effects. This release can be done by enzymatic hydrolysis from proteases, one of the most widely used method for biocompounds producing. In this context, several studies have shown the use of spray drying technology to obtain nanoparticles with bioactive compounds, and this is a widely used technique to transform liquids in powders and can be applied in temperature sensitive materials. The aimed of this study was to obtain bioactive peptides by enzymatic reaction using as substrate Spirulina sp. LEB 18 and Chlorella pyrenoidosa biomass and, subsequently, obtain nanoparticles containing biopeptides. First, were tested three commercial proteases (Protemax 580 L, Protemax N 200 and pepsin) to produce protein hydrolysates of microalgae that have been conducted for three central composites studied for each microalgae (Chlorella and Spirulina). The designs used were of 23 type with three replications at the center point varying the enzyme concentration (5 to 10 U.mL-1), substrate concentration (5 to 10%) and reaction time (60-240 min). After, 2 rotational composite designs 22 type with center points, one for each microalgae, using Protemax 580L (5 U.mL -1) enzyme for hydrolysis varying the substrate concentration and reaction time, for all assays was studied solubility, water holding capacity, digestibility and antioxidant activity. Were selected an assay for each microalgae, considering the best results. Then new enzymatic hydrolysis was performed with the reaction system comprising by Protemax 580 L (5 U.mL-1) enzyme and Spirulina platensis sp. LEB-18 or Chlorella pyrenoidosa biomass (4% protein) during 200 min. The hydrolysates were purified by vacuum filtration with millipore membranes of different sizes (0.45, 0.2 and 0.1 mM) and vertical columns Amicon® ultra 0.5 (3K and 10K) membrane, after each step, tests were performed by reducing power methods, DPPH and ABTS in order to assess the continuing antioxidant activity. Büchi nano spray dryer model B 90 were used for drying the samples, the particle size obtained were analyzed by scanning electron microscopy (SEM). Finally, it was concluded that the microalgae biomass can be used as a source for the bioactive peptides with antioxidant activity production and among the studied microalgae, Spirulina sp. LEB 18 showed the best results in all analyzes compared with Chlorella pyrenoidosa. This study also aimed to use nano-biotechnology to obtain nanoparticles containing biopeptides, to achieve this, were used B-90 nano spray dryer, which generated nano-sized particles from 14 to 18 nm for Spirulina hydrolysate and 72-108 nm for Chlorella hydrolysate.

Spirulina e a Chlorella são microalgas que possuem biomassa rica em proteínas com valores acima de 50%, apresentando grande potencial para a extração de biocompostos com alto valor agregado. A hidrólise enzimática de proteínas de microalgas tem sido descrito como um método muito promissor para melhorar a digestibilidade desta proteína e para obter um produto equilibrado de proteína destinado à alimentação humana. Este trabalho objetivou estudar a reação de hidrólise da biomassa de Chlorella pyrenoidosa e Spirulina sp. LEB 18, utilizando-se proteases comerciais (Protemax 580L, Protemax N200 e pepsina) que atuam em diferentes faixas de pH, para obtenção de hidrolisados proteicos com potencial aplicação em alimentos ou suplementos alimentares, aumentando as características funcionais e nutricionais dos alimentos. Foram realizados 3 delineamentos compostos central para cada microalga em estudo. O delineamento utilizado foi do tipo 23 com três repetições no ponto central, variandose a concentração de enzima (5 a 10 U.mL-1), a concentração de substrato (5 a 10%) e o tempo de reação (60 a 240 min), totalizando 11 experimentos por planejamento. Os maiores graus de hidrólise 55,31% e 52,9% foram atingidos para as microalgas Spirulina sp. LEB 18 e Chlorella pyrenoidosa, respectivamente, foram obtidos após 4 h de reação, correspondendo ao sistema reacional composto por 10 U.mL-1 de enzima (Protemax 580L) e 5% de substrato.

Chlorella and Spirulina are microalgae having protein rich biomass with values above 50%, showing great potential for extracting biocompounds with high added value. Enzymatic hydrolysis of proteins from microalgae has been described as a promising method to improve the digestibility of this protein and to provide a balanced protein product for human consumption.This aim of this study was to assess the hydrolysis reaction of the biomass of Chlorella pyrenoidosa and Spirulina sp. LEB 18, using commercial proteases that act in different pH ranges, to obtain protein hydrolysates with promising application in food or food supplement, improving functional and nutritional food properties. Three central composite study designs were carried out for each microalga (Chlorella and Spirulina). The 23 type central composite design was utilized with three replications at the central point, varying the enzyme concentration (5 to 10 U.mL-1), the concentration of substrate (5 to 10%) and reaction time (60 to 240 min), for a total of 11 experiments per planning. The highest degrees of hydrolysis (52.9% and 55.31%) for Spirulina sp. LEB 18 and Chlorella pyrenoidosa, respectively, were obtained with 4 h of reaction, corresponding to a reactional system consisting of 10 U.mL-1 of enzyme (Protemax 580L) and 5% substrate. The results show that it is possible to obtain enzymatic protein hydrolysates with different DH from Spirulina sp. LEB 18 and Chlorella pyrenoidosa biomass.

A Spirulina vem sendo comercializada em diversos países devido à sua aplicação em alimentos, principalmente pelo seu elevado conteúdo de proteínas. Os hidrolisados proteicos possuem propriedade fisiológica bastante importante, estes têm uma absorção gastrointestinal mais efetiva, quando comparada às proteínas intactas, ou mesmo à ingestão de aminoácidos livres. O objetivo deste trabalho foi obter diferentes hidrolisados enzimáticos a partir da biomassa da microalga Spirulina sp. LEB 18 verificando suas propriedades funcionais e seu potencial antioxidante. Realizou-se um delineamento composto rotacional do tipo 22 com pontos centrais, totalizando 11 ensaios, onde variou-se a concentração de substrato e tempo de reação. As reações hidrólise da biomassa de Spirulina com a enzima Protemax 580 L foram realizadas em tampão pH 9,5 à 180 rpm de agitação e temperatura constante de 60°C. A hidrólise enzimática das proteínas aumentou a digestibilidade, solubilidade, a capacidade de retenção de água e a capacidade antioxidante dos hidrolisados, verificando deste modo a obtenção de peptídeos biologicamente ativos da biomassa da microalga Spirulina sp. LEB 18.

Spirulina is being marketed in several countries due to its application in food, mainly to its high protein content. Protein hydrolysates have very important physiological property, they have a more effective gastrointestinal absorption as compared to the intact proteins, or to ingestion of free amino acids. The aim of this study was to obtain different enzymatic hydrolysates from biomass of Spirulina sp. LEB 18 checking its functional properties and its antioxidant potential. Was carried out a composite design type 22 with central points, totaling 11 trials, which was varied substrate concentration and reaction time. The reactions of Spirulina biomass hydrolysis with the enzyme Protemax 580 L were performed in pH 9.5 buffer at 180 rpm stirring and a constant temperature of 60 °C. Enzymatic hydrolysis increased the digestibility of the proteins, solubility, water holding and antioxidant capacity of the hydrolysates, checking thereby obtaining biologically active peptides biomass of microalgae Spirulina sp. LEB 18.