Name: 著者スポットライト:産業における持続可能なイノベーションのための海藻の生物活性化合物の探索
Uploaded: 2023-11-21T14:20:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Exploring Seaweed's Bioactive Compounds for Sustainable Innovations in Industries at JoVE.com

この研究は、MARE-Marine and Environmental Sciences Centre(UIDP/04292/2020およびUIDB/04292/2020)およびAssociate Laboratory ARNET(LA/P/0069/2020)に付与された戦略的プロジェクトを通じて、ポルトガル科学技術財団(FCT)の支援を受けました。FCTはまた、Marta V. Freitas(UI/BD/150957/2021)とTatiana Pereira(2021.07791. BD)。この作業は、ポルトガル2020プログラムの下でERDF(欧州地域開発基金)が共同出資するプロジェクトHP4A(すべての人のための健康的なパスタ)(共同プロモーション番号039952)によっても財政的に支援され、COMPETE 2020 - 競争力と国際化運用プログラムを通じて行われました。

1. バイオマスの収穫と調製
<ol><li>G. gracilisの標本は干潮時に収穫し、乾燥、光、空気への暴露を避けるために、暗くて冷やした箱に入れて実験室にすばやく輸送します。</li>
	<li>実験室では、各葉状体を流水で洗浄し、完全に洗浄して、破片、壊死部分、着生植物、およびその他の生物を表面から取り除きます。</li>
	<li>野生バイオマスを常時曝気した海水(31-35 psu)中の気候室(20±1°C)?...

Gracilaria gracilisの利用:持続可能なイノベーションのための生物活性の可能性

液体培地中の抗菌活性試験は、液体培地に懸濁した微生物に対する抗菌物質の有効性を評価するために使用され、通常、微生物の成長を阻害または殺す物質の能力を決定するために実行されます35、36、37、38.それらは、抗菌剤に対する微生物の感受性を評価するために使用され、試験管または微?...

海藻類は、医薬品、食品、飼料、環境分野で利益を得るための興味深い天然原料と見なすことができます。それらは、関連する生物学的特性を持つ、陸生生物には見られない多くの分子を生合成します1,2。しかし、大量のバイオマスストックを確保するためには、海藻に最適化された培養プロトコルを実施する必要があります。
養殖方法は、海藻の性質と全体的な形態を常に考慮する必要があります。 Gracilaria gracilis はクローン分類群であり、付着器官は複数の栄養軸を生成します。このようにして、断片化による伝播(栄養繁殖)が達成され、これらの軸のそれぞれが主葉状体3から独立した生命を完全に採用することができる。クローン分類群は、葉状体を小さな断片に分割することで大量のバイオマスが得られ、それが急速に再生し、遺伝的に同一の新しい個体に成長するため、単純で迅速なワンステップ培養方法とうまく統合できます。このプロセスでは、ハプロンティックタリーとディプロンティックタリーの両方を使用できます。この属は複雑なハプロ-ディプロンティック同型三相性生活環を示すが、改良作物を達成するために株の遺伝的更新が必要な場合を除き、胞子形成はめったに必要ではない。この場合、四胞子(減数分裂によって形成されるハプロン胞子)と手肉胞子(有糸分裂によって形成される双発胞子)の両方が巨視的なタリーを生じさせ、栄養繁殖によって成長および繁殖することができる4。成長サイクルは、着生植物の出現や他の生物の付着などの他の生物学的要因の中でも、環境条件と個体の生理学的状態によって決定されます。したがって、高い生産性を確保し、良質なバイオマスを生産するためには、生育条件の最適化が不可欠です5。
G. gracilisを含む海藻からの生理活性化合物の抽出は、さまざまな方法で達成できます6,7。抽出方法の選択は、対象化合物、目的とする用途、海藻の特性によって異なります。本研究では、海藻バイオマスから水やエタノールなどの緑色溶媒を用いて生理活性物質を溶解・抽出する溶媒抽出に着目しました。抽出は、多用途で効果的な方法でマセラシオンによって行うことができ、幅広い化合物に使用できます。これは、バイオマスを溶媒に長時間浸す、通常は室温またはわずかに高温で行う、シンプルで広く使用されている方法です。溶媒を攪拌して、抽出プロセスを強化します。所望の抽出時間の後、溶媒は濾過または遠心分離によって固体材料から分離される。
水は、その安全性、入手可能性、および幅広い食品との適合性により、食品用途で一般的に使用される溶媒です。水抽出は、多糖類、ペプチド、特定のフェノール類などの極性化合物に適しています。ただし、非極性化合物を効果的に抽出できない場合があります。エタノールは、食品用途でも広く使用されている溶媒であり、フェノール化合物、フラボノイド、特定の色素など、さまざまな生理活性分子の抽出に効果的です。エタノールは一般的に食品に安全に使用できると認識されており、簡単に蒸発して抽出された化合物を残します。抽出方法の選択では、効率、選択性、費用対効果、環境への影響などの要因を考慮する必要があることは注目に値します。溶媒濃度、抽出時間、温度、圧力などの抽出パラメータの最適化は、 G. gracilis やその他の海藻由来の生理活性化合物の最適な収量を達成するために重要です。
海藻類は、細菌、真菌、ウイルスなど、幅広い微生物に対して抗菌活性を示すことがわかっています8。この活性は、フェノール類、多糖類、ペプチド、脂肪酸などの生理活性成分に起因します。いくつかの研究は、 大腸菌、 黄色ブドウ球菌、 サルモネラ 属菌、 緑膿菌などの病原体に対する有効性を実証しています9。海藻の抗菌活性は、微生物の細胞壁、膜、酵素、およびシグナル伝達経路を妨害する可能性のある生理活性化合物の存在に起因します10。これらの化合物は、微生物の増殖を阻害し、バイオフィルムの形成を阻害し、免疫応答を調節する可能性があります。
紅海藻は、シャク植物とも呼ばれ、さまざまな微生物に対して抗菌活性を示すことができる藻類のグループです。このグループ内では、 G. gracilis には、報告されている抗菌活性に寄与する可能性のあるさまざまな生理活性化合物が含まれています。特定の分子はさまざまですが、 G. gracilis で報告され、抗菌特性を持つ可能性のある一般的なクラスは、多糖類、フェノール類、テルペノイド、および色素です11。ただし、これらの成分の存在と量は、海藻の収集場所、季節性、タリーの生理学的条件、環境条件などの要因によって異なる可能性があることに注意することが重要です。したがって、 G. gracilis の抗菌化合物の特定のクラスと濃度は、それに応じて異なる場合があります。
G. gracilis は、フリーラジカルを除去し、酸化ストレスを軽減することが示されているさまざまなフェノール化合物を含む抗酸化特性を保持することもわかっています12。抗酸化物質は、活性酸素種によって引き起こされる損傷から細胞を保護するのに役立ち、潜在的な健康上の利点があります。抗酸化能は、2,2-ジフェニル-1-ピクリルヒドラジル(DPPH)フリーラジカル捕捉活性など、さまざまな方法で直接評価でき、間接的には総ポリフェノール含有量(TPC)の定量化を通じて評価できます13。
成分は顕著な生理活性を有すると報告されていますが、その細胞毒性評価は、生きた細胞や組織と接触して使用される天然および合成物質を評価するために不可欠です。細胞毒性の測定にはいくつかの方法があり、それぞれに利点と限界があります。全体として、それらは、細胞に対する多くの物質の有害な影響を評価すると同時に、細胞の損傷と死のメカニズムを調査するためのさまざまなオプションを提供します14。
この研究では、Mosmann (1983)15によって導入された比色法である3-(4,5-ジメチルチアゾール-2-イル)-2,5-ジフェニルテトラゾリウムブロマイド(MTT)アッセイを使用します。この方法は、代謝活性細胞によるテトラゾリウム塩の紫色のホルマザン生成物への還元を測定します。ホルマザン結晶の量が多いほど、生細胞の数が多くなり、細胞毒性の間接的な測定値が得られます14。この研究では、 G. gracilis の水とエタノール抽出物を皮膚化粧品の製剤に組み込むことを意図しているため、 in vitro 細胞毒性評価はケラチノサイト(HaCaT)細胞株で行われます。
食品用途に関しては、海藻は一般的に低カロリーで、食物繊維、必須元素、アミノ酸、多糖類、多価不飽和脂肪酸、ポリフェノール、ビタミンが豊富です2,16。G. gracilisも例外ではなく、興味深い栄養価を持っています。Freitas et al. (2021)4 は、養殖された G. gracilis は、野生の海藻と比較して、タンパク質とビタミン C のレベルが高く、総脂質のレベルを維持することを発見しました。これは、栄養学的に言えば、野生資源の開発よりも生産が好ましいため、経済的および環境的利点を表す可能性があります。さらに、消費者は自分が食べる食品の種類にますます関心を持っているため、食品を豊かにするための新しい成分を導入し、新しいリソースを使用して、製品に付加価値を与え、「クリーンラベル」を主張できる抽出物を入手することが重要です。その上、現在の市場は非常に競争が激しく、メーカーを競合他社と差別化するための新製品と革新的な戦略の開発が必要です17。
パスタなどの栄養価の低い商品に海藻などの水産資源を豊富に含め、新たな食品として導入する戦略であり、栄養価の異なる商品による市場の差別化戦略です。一方、 G. gracilis はフィコビリタンパク質18などの天然赤色色素の供給源であり、食品産業への応用が期待されています。この海藻はいくつかの分野で高い関心を示しており、その適用は海藻全体、抽出物、および/または残りのバイオマスを使用して行うことができます。この作業では、そのようなアプリケーションの例をいくつか示します。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Absolute Ethanol</td>
			<td>Aga, Portugal</td>
			<td>64-17-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium Chloride</td>
			<td>PanReac</td>
			<td>12125-02-9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Amphotericin B</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>1397-89-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical scale balance</td>
			<td>Sartorius, TE124S</td>
			<td>22105307</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bacillus subtilis subsp. spizizenii</td>
			<td>German Collection of Microorganisms and Cell Cultures (DSMZ)</td>
			<td>DSM 347</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biotin</td>
			<td>Panreac AppliChem</td>
			<td>58-85-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>Eppendorf, 5810R</td>
			<td>5811JH490481</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chloramphenicol</td>
			<td>PanReac</td>
			<td>56-75-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CO2 Chamber</td>
			<td>Memmert</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cool White Fluorescent Lamps</td>
			<td>OSRAM Lumilux Skywhite</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Densitometer McFarland</td>
			<td>Grant Instruments</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM medium</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D5796</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMSO</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>67-68-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DPPH</td>
			<td>Sigma, Steinheim, Germany</td>
			<td>1898-66-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Escherichia coli (DSM 5922)</td>
			<td>German Collection of Microorganisms and Cell Cultures (DSMZ)</td>
			<td>DSM5922</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol 96%</td>
			<td>AGA-Portugal</td>
			<td>64-17-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethylenediaminetetraacetic Acid Disodium Salt Dihydrate (Na2EDTA)</td>
			<td>J.T.Baker</td>
			<td>6381-92-6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum (FBS)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>F7524</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter Paper (Whatman No.1)</td>
			<td>Whatman</td>
			<td>WHA1001320</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flasks</td>
			<td>VWR International, Alcabideche, Portugal&#160;</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Folin-Ciocalteu</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>31360.264</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gallic Acid&#160;</td>
			<td>Merck</td>
			<td>149-91-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Germanium (IV) Oxide, 99.999%</td>
			<td>AlfaAesar</td>
			<td>1310-53-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HaCaT cells &#8211; 300493</td>
			<td>CLS-Cell Lines Services, Germany&#160;</td>
			<td>300493</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot Plate Magnetic Stirrer</td>
			<td>IKA, C-MAG HS7</td>
			<td>06.090564</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iron Sulfate</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>10124-49-9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laminar flow hood</td>
			<td>TelStar, Portugal</td>
			<td>526013</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LB Medium&#160;</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>J106</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Listonella anguillarum</td>
			<td>German Collection of Microorganisms and Cell Cultures (DSMZ)</td>
			<td>&#160;DSM 21597</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manganese Chloride</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>7773.01.5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipettes&#160;</td>
			<td>Eppendorf, Portugal</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microplates</td>
			<td>VWR International, Alcabideche, Portugal&#160;</td>
			<td>10861-666</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microplates</td>
			<td>Greiner</td>
			<td>738-0168</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microplates (sterile)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>10022403</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microplate reader</td>
			<td>&#160;Epoch Microplate Spectrophotometer, BioTek, Vermont, USA</td>
			<td>1611151E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MTT</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>289-93-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Muller-Hinton Broth (MHB)</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>90004-658</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Binder, FD115</td>
			<td>12-04490</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Binder, BD115</td>
			<td>04-62615</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Penicillin</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>1406-05-9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH meter Inolab</td>
			<td>&#160;VWR International, Alcabideche, Portugal&#160;</td>
			<td>15212099</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pippete tips</td>
			<td>Eppendorf, Portugal</td>
			<td>5412307</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pyrex Bottles Media Storage</td>
			<td>&#160;VWR International, Alcabideche, Portugal&#160;</td>
			<td>16157-169</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary Evaporator</td>
			<td>Heidolph, Laborota 4000</td>
			<td>80409287</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotavapor</td>
			<td>IKA HB10, VWR International, Alcabideche, Portugal</td>
			<td>07.524254</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Carbonate (Na2CO3)</td>
			<td>Chem-Lab</td>
			<td>497-19-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride (NaCl)&#160;</td>
			<td>Normax Chem</td>
			<td>7647-14-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Phosphate Dibasic</td>
			<td>Riedel-de Ha&#235;n</td>
			<td>7558-79-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SpectraMagic NX</td>
			<td>Konica Minolta, Japan</td>
			<td></td>
			<td>color data analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectrophotometer</td>
			<td>Evolution 201, Thermo Scientific, Madison, WI, USA</td>
			<td>5A4T092004</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Streptomycin</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>57-92-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thiamine</td>
			<td>Panreac AppliChem</td>
			<td>59-43-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin-EDTA</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>T4049</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tryptic Soy Agar (TSA)</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>ICNA091010617</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tryptic Soy Broth (TSB)&#160;</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>22091</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrapure water&#160;</td>
			<td>Advantage A10 Milli-Q lab, Merck, Darmstadt, Germany</td>
			<td>F5HA17360B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum pump</td>
			<td>Buchi, Switzerland</td>
			<td>FIS05-402-103</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vitamin B12</td>
			<td>Merck</td>
			<td>68-19-9</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

valorization of the red seaweed gracilaria gracilis through a biorefinery approach

海藻は、貴重でマルチターゲットの生物活性成分を得るための豊富な原料として、継続的に高まっています。本研究では、化粧品、薬理学、食品、飼料用途の寒天やその他の原料の供給源として商業的に利益を得るために世界中で養殖されている食用紅海藻である Gracilaria gracilisの可能性を探ります。
G. gracilis の生育条件は、栄養繁殖と胞子形成によって最適化され、物理化学的条件を操作して大量のバイオマスストックを達成しました。エタノールと水を用いた緑色抽出法は、海藻バイオマスに対して実施されました。抽出物の生理活性の可能性は、細胞毒性、抗酸化性、および抗菌特性に関する一連の in vitro アッセイを通じて評価されました。さらに、乾燥海藻バイオマスをパスタの配合に取り入れ、食品の栄養価を高めました。 また、G. gracilis から抽出した色素は、天然着色料としてヨーグルトに配合され、その安定性が評価されました。どちらの製品も、市場に出る前に最高の最終処方を達成することを目指して、半訓練された官能パネルの評価に提出されました。
結果は、 G. gracilis がバイオマス全体、抽出物および/または色素として適用されるかどうかにかかわらず、その多様性を裏付けています。この作業は、いくつかの最適化されたプロトコルを実装することで、食品、化粧品、水産養殖市場に利益をもたらす可能性のある製品の開発を可能にし、環境の持続可能性とブルーサーキュラーエコノミーを促進します。
さらに、バイオリファイナリーのアプローチに沿って、残留海藻バイオマスは植物成長のためのバイオスティミュラントとして使用されたり、ポルトガルのレイリアにあるMARE-Polytechnicの社内養殖システムの水質浄化に使用される炭素材料に変換されます。

&#160;Seaweeds can be regarded as an interesting natural raw material to be profited by the pharmaceutical, food, feed, and environmental sectors. They biosynthesize a panoply of molecules, many not found in terrestrial organisms, with relevant biological properties1,2. However, seaweed-optimized cultivation protocols need to be implemented to ensure a large biomass stock.
Cultivation methods must always consider the nature of the seaweed thalli and overall morphology. Gracilaria gracilis is a clonal taxon, meaning the attachment organ produces multiple vegetative axes. Propagation by fragmentation (vegetative reproduction) is thus achieved, as each of these axes is fully able to adopt an independent life from the main thallus3. Clonal taxa can be successfully integrated with simple and fast one-step cultivation methodologies, as large amounts of biomass are obtained by splitting the thallus into small fragments that quickly regenerate and grow into new, genetically identical individuals. Both haplontic and diplontic thalli may be used in this process. Although the genus exhibits a complex haplo-diplontic isomorphic triphasic life cycle, sporulation is rarely necessary except when genetic renewal of the stocks is required to achieve improved crops. In this case, both tetraspores (haplontic spores formed by meiosis) and carpospores (diplontic spores formed by mitosis) give rise to macroscopic thalli that can then be grown and propagated by vegetative reproduction4. Growth cycles are dictated by environmental conditions and the physiological state of the individuals, among other biological factors such as the emergence of epiphytes and the adhesion of other organisms. Therefore, optimizing growing conditions is crucial to ensure high productivity and produce good quality biomass5.
The extraction of bioactive compounds from seaweed, including G. gracilis, can be achieved through various methods6,7. The choice of the extraction method depends on the specific compounds of interest, the target application, and the characteristics of the seaweed. In this study, we focused on solvent extraction, which involves using green solvents, such as water or ethanol, to dissolve and extract bioactive compounds from the seaweed biomass. The extraction can be carried out through maceration in a versatile and effective way and can be used for a wide range of compounds. It is a simple and widely used method involving soaking biomass in a solvent for an extended period, typically at room or slightly elevated temperatures. The solvent is stirred to enhance the extraction process. After the desired extraction time, the solvent is separated from the solid material by filtration or centrifugation.
Water is a commonly used solvent in food applications due to its safety, availability, and compatibility with a wide range of food products. Water extraction is suitable for polar compounds such as polysaccharides, peptides, and certain phenolics. However, it may not effectively extract non-polar compounds. Ethanol is also a widely used solvent in food applications and can be effective for extracting a variety of bioactive molecules, including phenolic compounds, flavonoids, and certain pigments. Ethanol is generally recognized as safe for use in food and can be easily evaporated, leaving behind the extracted compounds. It is worth noting that the choice of extraction method should consider factors such as efficiency, selectivity, cost-effectiveness, and environmental impact. The optimization of extraction parameters, such as solvent concentration, extraction time, temperature, and pressure, is crucial to achieving optimal yields of bioactive compounds from G. gracilis or other seaweeds.
Seaweeds have been found to exhibit antimicrobial activity against a wide range of microorganisms, including bacteria, fungi, and viruses8. This activity is attributed to bioactive components, including phenolics, polysaccharides, peptides, and fatty acids. Several studies have demonstrated their efficacy against pathogens such as Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Salmonella sp., and Pseudomonas aeruginosa, among others9. The antimicrobial activity of seaweeds is attributed to the presence of bioactive compounds that can interfere with microbial cell walls, membranes, enzymes, and signaling pathways10. These compounds may disrupt microbial growth, inhibit biofilm formation, and modulate immune responses.
Red seaweeds, also known as rhodophytes, are a group of algae that can exhibit antimicrobial activity against a variety of microorganisms. Within this group, G. gracilis contains various bioactive compounds that may contribute to its reported antimicrobial activity. While the specific molecules can vary, the common classes that have been reported in G. gracilis and may possess antimicrobial properties are polysaccharides, phenolics, terpenoids, and pigments11. However, it is important to note that the presence and amounts of these components can vary depending on factors such as the location of seaweed collection, seasonality, physiological condition of the thalli, and environmental conditions. Therefore, the specific class and concentration of antimicrobial compounds in G. gracilis may vary accordingly.
G. gracilis has also been found to hold antioxidant properties, containing various phenolic compounds, which have been shown to scavenge free radicals and reduce oxidative stress12. Antioxidants help to protect cells from damage caused by reactive oxygen species and have potential health benefits. Antioxidant capacity can be evaluated directly through different methods, including the 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) free radical scavenging activity and, indirectly, through the quantification of total polyphenolic content (TPC)13.
Even though an ingredient is reported to have a prominent bioactivity, its cytotoxicity assessment is indispensable in evaluating natural and synthetic substances to be used in contact with living cells or tissues. There are several methods for measuring cytotoxicity, each one with advantages and limitations. Overall, they offer a range of options to evaluate the harmful effects of many substances on cells and, at the same time, to investigate the mechanisms of cell damage and death14.
In this work, we use the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay, a colorimetric method introduced by Mosmann (1983)15. This method measures the reduction of tetrazolium salts to a purple formazan product by metabolically active cells. The higher the amount of formazan crystals, the higher the number of viable cells, thus providing an indirect measure of cytotoxicity14. Since in this work, G. gracilis water and ethanol extracts are intended to be incorporated into dermo-cosmetic formulations, the in vitro cytotoxicity evaluation is performed in a keratinocyte (HaCaT) cell line.
Concerning the food application, seaweeds are generally low in calories and nutritionally rich in dietary fibers, essential elements and amino acids, polysaccharides, polyunsaturated fatty acids, polyphenols, and vitamins2,16. G. gracilis is no exception, having an interesting nutritional value. Freitas et al. (2021)4 found that cultivated G. gracilis had higher levels of protein and vitamin C and maintained the level of total lipids compared to wild seaweed. This may represent an economic and environmental advantage, as nutritionally speaking, production is preferable to the exploitation of wild resources. In addition, consumers are increasingly concerned about the type of food they eat, so it is important to introduce new ingredients for food enrichment and use new resources to obtain extracts that can add value to a product and claim a &#34;clean label.&#34; Besides, the current market is very competitive, requiring the development of new products and innovative strategies to differentiate manufacturers from their competitors17.
The enrichment of products with poor nutritional value, such as pasta, with marine resources, including seaweed, is a strategy to introduce this resource as a new food and a market differentiation strategy through a product with distinct nutritional value. On the other hand, G. gracilis is a source of natural red pigments such as phycobiliproteins18, having high potential for applications in the food industry. This seaweed has shown high interest in several areas, and its application can be made using the whole seaweed, extracts and/or the remaining biomass. In this work, we demonstrate some examples of such applications.

著者スポットライト:産業における持続可能なイノベーションのための海藻の生物活性化合物の探索 

バイオリファイナリーアプローチによる紅海藻 Gracilaria gracilis の価値化

Our research is focused on the prospection of new bioactive compounds from seaweed that can be useful in different sectors such as food, cosmetic, and pharmaceutical industries. There is a growing awareness in society about the potential of marine organisms to deliver bioactive compounds. These compounds can be used to produce sustainable and safer functional cosmetics to improve the quality of food products and serve as source of new chemical structures for the development of new pharmaceutical drugs.One of the challenges of using seaweed in the development of new food products is to avoid using high amounts that could lead to unpleasant sensory properties in food. Using seaweed extracts is a way to get around this problem. With this protocol, we were able to develop pasta, wheat, add nutritional value by incorporating whole algae.Usually, the addition of these ingredients provides less common sensory properties. However, with the developed formulation, a consumer acceptance was still achieved.

抗菌活性
得られた結果を解釈する際には、阻害の割合が高いほど、その特定の菌株の増殖を阻害する抽出物の有効性が高くなり、その結果、抽出物が抗菌剤としてより興味深いものになることに留意する必要があります。この方法論により、特定の細菌株に対してより大きな活性を持つ抽出物を迅速に特定し...

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ここでは、 Gracilaria gracilisの統合的な価値化を目的としたいくつかのプロトコル(野生種の収穫、自社栽培、生物活性成分の抽出)について説明します。抽出物の抗酸化作用、抗菌作用、細胞毒性作用が評価され、海藻バイオマスと色素が豊富に含まれた食品の栄養と安定性の評価も行われます。

The interest in seaweeds as an abundant feedstock to obtain valuable and multitarget bioactive ingredients is continuously growing. In this work, we ...

私たちの研究は、食品、化粧品、製薬業界などのさまざまな分野で役立つ可能性のある海藻からの新しい生理活性化合物の探索に焦点を当てています。海洋生物が生理活性物質を運搬する可能性について、社会的な認識が高まっています。これらの化合物は、持続可能で安全な機能性化粧品の製造に使用され、食品の品質を向上させ、新しい医薬品開発のための新しい化学構造の供給源として役立ちます。新しい食品の開発に海藻を使用する際の課題の1つは、食品に不快な感覚特性をもたらす可能性のある大量使用を避けることです。海藻エキスを使用することは、この問題を回避する方法です。このプロトコルにより、パスタ、小麦を開発し、藻類を丸ごと取り入れることで栄養価を高めることができました。通常、これらの成分の添加は、あまり一般的でない官能特性を提供します。しかし、開発された処方では、消費者の受け入れが達成されました。

valorization-red-seaweed-gracilaria-gracilis-through-biorefinery

Research

JoVE Journal

Biology

Valorization of the Red Seaweed Gracilaria gracilis Through a Biorefinery Approach

The interest in seaweeds as an abundant feedstock to obtain valuable and multitarget bioactive ingredients is continuously growing. In this work, we explore the potential of Gracilaria gracilis, an edible red seaweed cultivated worldwide for its commercial interest as a source of agar and other ingredients for cosmetic, pharmacological, food, and feed applications.
G. gracilis growth conditions were optimized through vegetative propagation and sporulation while manipulating the physicochemical conditions to achieve a large biomass stock. Green extraction methodologies with ethanol and water were performed over the seaweed biomass. The bioactive potential of extracts was assessed through a set of in vitro assays concerning their cytotoxicity, antioxidant, and antimicrobial properties. Additionally, dried seaweed biomass was incorporated into pasta formulations to increase food&#39;s nutritional value. Pigments extracted from G. gracilis have also been incorporated into yogurt as a natural colorant, and their stability was evaluated. Both products were submitted to the appreciation of a semi-trained sensorial panel aiming to achieve the best final formulation before reaching the market.
Results support the versatility of G. gracilis whether it is applied as a whole biomass, extracts and/or pigments. Through implementing several optimized protocols, this work allows the development of products with the potential to profit the food, cosmetic, and aquaculture markets, promoting environmental sustainability and a blue circular economy.
Moreover, and in line with a biorefinery approach, the residual seaweed biomass will be used as biostimulant for plant growth or converted to carbon materials to be used in water purification of the in-house aquaculture systems of MARE-Polytechnic of Leiria, Portugal.

Here, we describe several protocols aiming at an integrated valorization of Gracilaria gracilis: wild species harvesting, in-house growth, and extraction of bioactive ingredients. The extracts&#39; antioxidant, antimicrobial, and cytotoxic effects are evaluated, along with the nutritional and stability assessment of food enriched with whole seaweed biomass and pigments.

生物学

Extraction of the Bioactive Ingredients from Gracilaria gracilis

Extraction of the Bioactive Ingredients from Gracilaria gracilis  

To begin, grow Gracilaria gracilis in 250 milliliters of flat bottom flasks in a climatic room. Once the biomass has been scaled up, dried, and ground, weigh the resulting dried biomass. Dissolve it in 100 milliliters of solvent and mix by stirring in a vessel protected from light for 30 minutes.Perform extractions with ethanol and water separately at room temperature. Filter the liquid extracts through filter paper to separate them from the remaining biomass. Centrifuge the extracts at 8, 000 G for 10 minutes, at room temperature.Freeze dry the aqueous extracts and use a rotary evaporator at 40 degrees Celsius to evaporate the ethanol extracts.

Gracilaria gracilisからの生理活性成分の抽出

Evaluation of the Antioxidant and Cytotoxic Effects of Gracilaria gracilis Extracts

Evaluation of the Antioxidant and Cytotoxic Effects of Gracilaria gracilis Extracts  

To begin, take the aqueous and ethanol extracts obtained from the dried Gracilaria gracilis. In a 96 well microplate, dispense two microliters of each sample and 198 microliters of DPPH dissolved in absolute ethanol. Then, using a microplate spectrophotometer, measure the absorbance at 517 nanometers.Take the human keratinocytes grown in 96 well plates overnight. Add two microliters of the DMSO dissolved extracts to 198 microliters of the medium in microplate wells. Remove the culture medium.Add 100 microliters of MTT to the cells and incubate in the dark for 30 minutes. To solubilize the intracellular formazan crystals, add 100 microliters of DMSO. Using a microplate reader, measure the absorbance at 570 nanometers.The DPPH test demonstrated that the temperature of 40 degrees Celsius showed higher inhibition values of oxidant activity compared to extracts obtained at room temperature or 70 degrees Celsius. No cytotoxic effects were observed on human keratinocytes, suggesting that at the maximum assay concentration, both aqueous and ethanol extracts are safe for cutaneous use.

Gracilaria gracilis抽出物の抗酸化作用および細胞毒性作用の評価

Pasta Production Using Gracilaria gracilis, Nutritional Evaluation, and Sensory Evaluation

Pasta Production Using Gracilaria gracilis, Nutritional Evaluation, and Sensory Evaluation  

To begin, combine predefined portions of rice flour, gracilaria gracilis, and chlorella vulgaris in the equipment, and add approximately 30%water to the mixture. After a few minutes of mixing, followed by extruding the pasta, using the equipment, cut it manually. To produce chifferi, dry the pasta at 68 degrees Celsius for 42 minutes, followed by an additional five hours and 30 minutes at 76 degrees Celsius, simulating an industrial process.Finally, vacuum seal the samples and store them in a dark place at room temperature. Take one gram sample in a glass crucible with a filter bottom and position it in the fiber analyzer. Add 150 milliliters of preheated 1.25%sulfuric acid, and two milliliters of anti-foaming agent to the column of each crucible.Remove the solvent and rinse the crucible three times with deionized water to prepare the sample for the basic hydrolysis. After washing the crucibles three times with 150 milliliters of acetone, carefully transfer those to an oven set at 150 degrees Celsius for one hour. Record the final weight.Transfer the crucibles to a muffle furnace, set at 500 degrees Celsius for three hours, and then record the final weight. To determine the fatty acids profile, add two milliliters of 2%sulfuric acid solution in methanol to a 50 milligram sample. Heat the mixture at 80 degrees Celsius for two hours.Then, cool the mixture to room temperature and add one milliliter of ultrapure water and two milliliters of N-heptane to each sample. After vortexing the mixture for one minute, centrifuge it for five minutes. Later, recover the upper N-heptane phase containing the fatty acid methyl esters and transfer it to gas chromatography vials.Analyze the samples in a gas chromatograph equipped with a TR-FAME capillary column, an auto sampler, and a flame ionization detector. Determine the fatty acid profile by comparing the resulting retention times with a standard. Incubate porcelain crucibles for three hours at 105 degrees Celsius.Allow them to cool in a desiccator, and then record their weights. After incubating 10 grams of the sample, as demonstrated previously, calculate its moisture content using the displayed equation. Then, transfer the crucibles with the dried samples to an incinerator heated to 525 degrees Celsius for four hours.After cooling the samples, record their weight. To assess consumer acceptance, use chifferi pasta samples cooked in distilled water for eight minutes. Conduct sensory tests in individual sensory booths located in a sensory analysis laboratory.Evaluate the visual appearance, color, texture, odor, sea taste, overall taste, overall evaluation, and purchase intent of the samples. The pasta received ratings of five and six on a hedonic scale of one to nine for sea taste and visual appearance, respectively. The pasta had a purchase intention score of five and an overall appreciation score of six.

Gracilaria gracilisを用いたパスタ製造、栄養評価、官能評価

Incorporation of Seaweed Extract in Yogurt and Color Stability Evaluation 

To begin, add 50 milliliters of sodium phosphate buffer to one gram of Gracilaria gracilis. After homogenizing the mixture, use a mortar and pestle to macerate the sample for 10 minutes. Transfer the solution to a tube and centrifuge it for 20 minutes at 12298g.After combining the supernatant, slowly add 65%ammonium sulfate, then pellet the precipitate by centrifugation and dissolve it in distilled water. Perform dialysis of the extract using a tubing membrane against water for 24 hours, followed by freeze drying. To incorporate the extract, mix it in yogurt at a concentration of 0.21%Store the samples in individual glass flasks at 4 degrees Celsius until analysis.To check the color stability of the extract in yogurt, calibrate the colorimeter using a white ceramic plate. Fill a cell with approximately 28 grams of the sample and analyze its color. The color stability of the yogurts with pigment was evaluated for 12 days at 4 degrees celsius.The incorporation of the extracts in yogurts showed good color attention with a color difference of 7.01 plus or minus 2.36 after 12 days of storage.