High pressure extraction of diterpenes from the seaweed Bifurcaria bifurcata

Abstract

Os recursos marinhos tem sido vistos como uma alternativa promissora aos recursos fosseis finitos, permitindo impulsionar a implementacao dos conceitos de biorefinaria, economia circular e economia azul. De facto, tem-se observado um aumento dos investimentos biotecnologicos marinhos, em particular envolvendo algas, devido a sua composicao heterogenea e abundancia em compostos bioativos. A Bifurcaria bifurcata (macroalga castanha) tem merecido especial destaque devido a sua capacidade de biossintetizar diterpenos lineares (raramente encontrados noutras especies). Contudo, as metodologias de extracao convencionais normalmente usadas para extrair estes compostos envolvem solventes organicos, muitas vezes toxicos, recorrendo a elevadas temperaturas que promovem a degradacao de compostos termo-sensiveis. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo estudar e otimizar a extracao de diterpenos da B. bifurcata recorrendo a uma metodologia amiga do ambiente, nomeadamente, a extracao por alta pressao (HPE). Esta foi comparada com a extracao convencional em Soxhlet, usando diclorometano. Recorreu-se a um desenho Box-Behnken, para estudar os efeitos lineares, quadraticos e de interacao de 3 variaveis independentes (pressao (..1), percentagem de etanol (..2), e tempo (..3)) nas variaveis de resposta (rendimento de extracao e conteudo em diterpenos, mg g-1 de extrato e mg kg-1 de peso seco), e atraves da metodologia de superficie de resposta foram estimadas as condicoes otimas de extracao (..1: 600 MPa; ..2: 80%; ..3: 5 min). Sob as condicoes otimas de HPE, conseguiu-se obter um extrato com um teor em diterpenos (612,22 } 10,58 mg g-1 de extrato) 12,2 vezes superior ao obtido pela extracao convencional (50,14 } 13,18 mg g-1 de extrato). Do mesmo modo, a quantidade de diterpenos extraida por kg de biomassa seca foi tambem superior nos extratos de HPE (38 954,14 } 633,11) face aos extratos convencionais (6 394,29 } 766,87). A atividade antioxidante, expressa em valores de IC50, do extrato obtido sob as condicoes otimas mostrou-se consideravelmente superior (27,59 } 1,59 ƒÊg mL-1) ao obtido pelo metodo convencional (777,15 } 16,25 ƒÊg mL-1). Em suma, estes resultados indicam que a metodologia de HPE e uma metodologia bastante promissora, comparativamente as metodologias convencionais para a obtencao de extratos da B. bifurcata enriquecidos em diterpenos lineares.

Marine resources have been seen as a promising alternative for finite fossil resources, allowing to boost the concepts of biorefinery, circular economy and blue economy. In fact, an increase of the marine biotechnology investments has been observed, in particular involving algae, due to their heterogeneous composition and abundance in bioactive compounds. Bifurcaria bifurcarta (brown macroalgae) has earned special emphasis due to their ability to biosynthesize linear diterpenes (rarely found in other species). However, the conventional extraction methods normally used to extract these compounds involve the use of organic solvents, often toxics and mostly at high temperatures, which lead to the degradation of thermo-sensible compounds. In this context, the main objective of this work was to study and optimize the diterpenes extraction from B. bifurcata through an eco-friendly methodology, namely, high pressure extraction (HPE). This was compared with a conventional Soxhlet extraction, using dichloromethane. Box-Behnken design was employed to evaluate the linear, quadratic, and interaction effects of 3 independent variables (pressure (𝑋1), ethanol percentage (𝑋2), and time of extraction (𝑋3)) on response variables (extraction yield and diterpenes content (mg g-1 of extract and mg kg-1 of dry weight) and the optimal extraction conditions (𝑋1: 600 MPa; 𝑋2: 80%; 𝑋3: 5 min) were estimated by response surface methodology (RSM). The B. bifurcata extract obtained at the HPE optimal conditions showed a diterpenes content (612.22 ± 10.58 mg g-1 de extract) 12.2 fold higher than that obtained by conventional extraction (50.14 ± 13.18 mg g-1 de extract). Similarly, diterpenes content per kg of dry biomass was also higher in HPE extracts (38 954.14 ± 633.11) than in Soxhlet extracts (6 394.29 ± 766.87). The antioxidant activity, expressed as IC50 values, of the extract obtained under optimal conditions showed to be considerably higher (27.59 ± 1.59 μg mL-1) than that obtained by the conventional method (777.15 ± 16.25 μg mL-1). In conclusion, these results indicate that HPE is a promising methodology, comparatively to conventional methodologies to obtain linear diterpenes rich extracts from B. bifurcata.