Food ingredients from cultivated seaweeds-Improving storage stability and protein recovery
Doktorsavhandling, 2019

There is a global demand for new vegetarian protein sources, and seaweed have for multiple reasons been identified as a promising candidate. The overall aim of this thesis was to evaluate the potential of three different Swedish seaweed species as food protein sources, but also as sources of unsaturated fatty acids, vitamins and minerals. To accomplish this, the goals were to i) obtain a seaweed biomass high in protein and lipids, ii) find strategies to maintain the quality of the seaweed biomass during drying and storage and iii) develop an efficient method for recovering seaweed proteins.

The protein and lipid content in seaweed is related, e.g. to the nutrient access and physical parameters of the surrounding environment. By applying alterative cultivation, the protein and fatty acid content in U. lactuca were increased 3.4 respective 1.5 times by nitrate addition. Furthermore, the protein content was increased by cultivation at low temperature (12 °C) and light (50 μmol photons m-2 s-1), and the fatty acid content was increased by low light and high temperature (18°C).

The polyunsaturated fatty acids (PUFAs) in seaweed could make the dried biomass susceptible to lipid oxidation, with co-oxidation of pigments and vitamins. However, during long-term storage (≤520 days) of oven- and freeze-dried P. umbilicalis and U. lactuca, there was only a moderate development of the lipid oxidation-derived aldehydes, malondialdehyde, 4-hydroxy-trans-2-hexenal and 4-hydryoxy-trans-2-nonenal, while there was a great loss of unsaturated fatty acids and ascorbic acid. Light stimulated the fatty acid loss as well as bleaching of chlorophyll.

Several advantages are foreseen from concentrating the seaweed proteins. This calls for food grade and scalable fractionation methods. The pH-shift process, using alkaline protein solubilisation followed by isoelectric precipitation, was in this work adapted and improved for P. umbilicalis, U. lactuca and S. latissima, e.g. by including freeze-thawing-stimulated protein precipitation. When then comparing the new pH-shift process to two other fractionation methods, the pH-shift method resulted in extracts with the highest protein content: 71%, 51% and 41% per dry weight for P. umbilicalis, U. lactuca and S. latissima, respectively. The protein contained 37-41% essential amino acids. The highest achieved protein yields using the pH-shift method were 23%, 6% and 25%, respectively, for the listed species. For U. lactuca, the yield was further raised to 29% by incorporating a pre-incubation step at pH 8.5 prior to further protein solubilisation at pH 12. The pH-shift process was also successfully used as a first step in a sequential recovery of proteins, carrageenan, pectin and cellulose from P. umbilicalis, showing potential as a biorefinery tool. Throughout the work, the effect of different protein analysis methods on the achieved concentrations of protein in seaweed and seaweed protein extracts was evaluated. This revealed that the analytical choice has a profound impact on the results, especially for the extracts.

To summarise, it was possible to increase the level of proteins and lipids in seaweed through alterative cultivation protocols, and the seaweed proteins could then be further concentrated using the pH-shift process. These results strengthen the possibility that seaweed biomass can be a valuable complement to terrestrial vegetarian food protein sources. If considering the seaweed PUFAs as an added value to recover along with proteins, caution must, however, be taken when it comes to pre-processing storage of the seaweed biomass; these nutrients easily degrade during storage of dried seaweeds, especially in the presence of light.

alterative cultivation

pH-shift

proteins

lipid oxidation

protein extraction

unsaturated fatty acids

ascorbic acid

long-term storage

sequential recovery

Seaweed

macroalgae

Sal KA, Kemigården 4, Göteborg
Opponent: Dr. Susan Løvstad Holdt, Technical University of Denmark, Danmark.

Författare

Hanna Harrysson

Chalmers, Biologi och bioteknik, Livsmedelsvetenskap

Gunilla B. Toth, Hanna Harrysson, Niklas Wahlström, Joakim Olsson, Annelous Oerbekke, Sophie Steinhagen, Alexandra Kinnby, Joel White, Eva Albers, Ulrica Edlund, Ingrid Undeland, Henrik Pavia, Effects of irradiance, temperature, nutrients, and pCO2 on the growth and biochemical composition of cultivated Ulva fenestrata

Hanna Harrysson, Johanna Liberg Krook, Karin Larsson, Cecilia Tullberg, Annelous Oerbekke, Gunilla Toth, Henrik Pavia, Ingrid Undeland, Effect of storage conditions on lipid oxidation, nutrient loss and colour of dried seaweeds, Porphyra umbilicalis Kützing and Ulva lactuca Linnaeus, subjected to different pretreatments

A Strategy for the Sequential Recovery of Biomacromolecules from Red Macroalgae Porphyra umbilicalis Kützing

Industrial & Engineering Chemistry Research,; Vol. 57(2018)p. 42-53

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Strategies for Improving the Protein Yield in pH-Shift Processing of Ulva lactuca Linnaeus: Effects of Ulvan Lyases, pH-Exposure Time, and Temperature

ACS Sustainable Chemistry & Engineering,; Vol. 7(2019)p. 12688-12691

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Jordens ökade befolkning samt miljöpåverkan från köttindustrin har skapat ett globalt behov av nya vegetariska proteinkällor. Dessutom har efterfrågan på vegetariskt protein ökat på grund av de negativa hälsoeffekter som har rapporterats av ett högt köttintag. Makroalger, även kallat tång, har identifierats som en alternativ proteinkälla eftersom proteininnehållet i dessa kan vara relativt högt. Hypotesen i denna avhandling har därför varit att makroalger skulle kunna utgöra en framtida proteinkälla och samtidigt bidra med värdefulla fleromättade fetter, vitaminer och mineraler. För att utvärdera hypotesen har vi studerat: (i) länken mellan odlingsbetingelser och algers sammansättning, (ii) lagringsstabilitet hos algerna samt (iii), extraktion av algproteiner. Tre vanligt förekommande svenska makroalger har använts, röd Porphyra umbilicalis, grön Ulva lactuca och brun Saccharina latissima.

Algers näringsinnehåll varierar och beror på mängden lösta näringsämnen i havet samt olika fysiska parametrar. Odlingsförsök med U. lactuca visade att protein- och fettinnehållet ökade när nitrat tillsattes i odlingsvattnet. Proteininnehållet ökade även vid låg temperatur och svagt ljus, medan fettinnehållet ökade vid hög temperatur och svagt ljus.

Det relativt höga innehållet av fleromättade fettsyror kan göra alger känsliga för oxidation, i dagligt tal kallat härskning. Detta kan även initiera nedbrytning av vitaminer och pigment. Under lagring av torkad P. umbilicalis och U. lactuca såg vi dock endast en svag ackumulering av de tre utvalda härskningsprodukterna MDA, HHE och HNE, men en kraftig nedbrytning av fleromättade fettsyror, C-vitamin och pigment, speciellt när algerna lagrades ljust. 

Trots det höga proteininnehållet i alger antas spjälkningen i mag-tarmkanalen vara dålig p.g.a. algernas starka cellväggar och höga innehåll av polyfenoler. Därför behövs en skalbar och miljövänlig process för att extrahera ut proteinerna från algerna. Vi fann att pH-skiftprocessen, där proteiner löses ut vid högt pH och sedan fälls ut vid lågt pH, gav proteinextrakt som i torkad form hade 71, 51 och 41% protein vardera från P. umbilicalis, U. lactuca och S. latissima, jämfört med 32, 20 och 10% protein i respektive obehandlad alg. Dessutom koncentrerades fettsyrorna in för både U. lactuca och S. latissima, vilket kan öka värdet på extrakten ytterligare. Generellt sett är proteinutbytet vid extraktion av algproteiner lågt men vår forskning har lett till att utbytet ökat från som lägst 6%, till som mest 29%. pH-skiftprocessen applicerades även som ett inledande steg i en lyckad sekventiell extraktion av protein, karragenan, pektin och cellulosa från P. umbilicalis, vilket visar på möjligheten att utnyttja hela algbiomassan utan att skapa restprodukter.

Resultaten från denna avhandling stärker hypotesen att alger är en lovande framtida proteinkälla. Genom optimerad odling kan det initiala proteininnehållet ökas och därefter koncentreras ytterligare med hjälp av pH-skiftsprocessen. För att parallellt med proteinerna kunna dra nytta av algernas fleromättade fettsyror behöver hänsyn tas till hur algerna behandlas före en eventuell extraktionsprocess, eftersom fettsyrorna lätt bryts ner, speciellt i närvaro av ljus.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Livsmedelsteknik

Styrkeområden

Livsvetenskaper och teknik (2010-2018)

ISBN

978-91-7905-144-0

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4611

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Sal KA, Kemigården 4, Göteborg

Opponent: Dr. Susan Løvstad Holdt, Technical University of Denmark, Danmark.

Mer information

Senast uppdaterat

2019-09-13