ALTERNATIVNI SISTEMI ZA PRIDOBIVANJE ALGNE BIOMASE IN ASTAKSANTINA V KULTURI ALGE Haematococcus pluvialis

RAZISKOVALNI PROJEKT : 

Javni razpis za spodbujanje raziskovalcev na začetku kariere 2.1. 

Prednostno področje:   Zdravje – medicina

NASLOV PROJEKTA: 

ALTERNATIVNI SISTEMI ZA PRIDOBIVANJE ALGNE BIOMASE IN ASTAKSANTINA V KULTURI ALGE Haematococcus pluvialis .

ALTERNATIVE SYSTEMS FOR THE PRODUCTION OF ALGAE BIOMASS AND ASTAXANTINE IN Haematococcus pluvialis ALGAE CULTURE.

Št. javnega razpisa: 5442-1/2018/

Št. Vloge: 5442-1/2018/338

Trajanje projekta: 1. 4. 2019 – 31. 3. 2022

Vodji projekta:

 dr. Jana Ambrožič Dolinšek

 dr. Andreja Urbanek Krajnc
 

Nosilna raziskovalni organizacija:

Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede; 

Programska skupina: Raziskave za zagotavljanje varne hrane in zdravja (prof. dr. Škorjanc Dejan, P1-0164)

Naložbo sofinancirata:

Ministrstvo za izobraževanje, znanost in šport, Republika Slovenija (https://www.gov.si/drzavni-organi/ministrstva/ministrstvo-za-izobrazevanje-znanost-in-sport/ )Logo MIZS slo

Evropski sklad za regionalni razvoj, Evropska unija, Naložba v Prihodnost (www.eu-skladi.si )

EU sklad

Evropski skladi za programsko odbdobje 2014-2020 (http://www.eu-skladi.si/kohezija-do-2013/2014-2020/logotipi-2014-2020 ).

image003

Projekt delno financira Evropska unija, in sicer iz Evropskega sklada za regionalni razvoj (ESRR). Javni razpis za izbor operacij se izvaja v okviru Operativnega programa za izvajanje evropske kohezijske politike v obdobju 2014-2020, prednostne osi: 1. Mednarodna konkurenčnost raziskav, inovacij in tehnološkega razvoja v skladu s pametno specializacijo za večjo konkurenčnost in ozelenitev gospodarstva; prednostne naložbe: 1.1. Krepitev infrastrukture za raziskave in inovacije ter zmogljivosti za razvoj odličnosti na tem področju, pa tudi spodbujanje pristojnih centrov, zlasti takšnih, ki so evropskega pomena; specifičnega cilja: 1.1.1. Učinkovita uporaba raziskovalne infrastrukture ter razvoj znanja/kompetenc za boljše nacionalno in mednarodno sodelovanje v trikotniku znanja.

POVZETEK

Mikroalge veljajo danes za pomemben vir različnih kemikalij. Nekatere med njimi v stresnih razmerah poleg lipidov in ogljikovih hidratov proizvajajo tudi specifične sekundarne metabolite. Eden takih sekundarnih metabolitov je astaksantin, karotenoid z močnimi antioksidantskimi lastnostmi, ki se uporablja kot prehransko dopolnilo in farmakološki dodatek. Ena od mikroalg, ki akumulirajo astaksantin, je enocelična alga Haematococcus pluvialis

Namen projekta bo raziskati biologijo, življenjski cikel in metabolizem alge Haematococcus pluvialis v eksperimentalnem bioreaktorskem sistemu, ki bo v končni fazi vodil v biotehnološko proizvodnjo astaksantina. Osnovni eksperimentalni sistem za gojitev te alge je deloma že vzpostavljen. V nadaljevanju raziskav ga je potrebno še optimizirati. 

Ciljev projekta: 

(1) vzpostavitev  analitike za ugotavljanje prirastka alg in določanja deleža astaksantina in njemu podobnih sekundarnih metabolitov, ki nastajajo v kulturi te alge, 

(2) optimizacija postopkov za ekstrakcijo, čiščenje in določanje kakovosti produktov, 

(3) preizkušanje različnih alternativnih dejavnikov in sistemov za gojitev te alge, ki bodo med drugim vključevali uporabo ustrezno predelanega organskega in/ali anorganskega materiala, ki bo izviral iz bioloških odpadkov nastalih v urbanih okoljih. Pri tem se bo dejavno vključeval gospodarski sitem (Snaga d.o.o). 

Eden od rezultatov tega projekta bo analiza možne uporabe stranskih produktov v predelavi odpadkov podjetja Snaga d.o.o. za pridobivanje prehranskih dopolnil, v našem primeru astaksantina. S tem se bo biotehnološki postopek z algo Haematococcus pluvialis vključil v krožno gospodarstvo, ki mu je zavezana Snaga d. o. o.. Dobljene izkušnje bo mogoče uporabiti v načrtovanju novih rešitev pri predelavi organskih odpadkov.

IZHODIŠČE PROBLEMA

Astaksantin je ksantofilni karotenoid, ki spada med učinkovitejše antioksidante. V naravi je prisoten v številnih organizmih, predvsem v morskih mikroorganizmih. Najbogatejši vir astaksantina je alga H. pluvialis, ki lahko v ekstremnih ekoloških razmerah akumulira do 5 % suhe mase tega karotenoida.

V našem eksperimentalnem bioreaktorskem sistemu ta prirastek za sedaj znaša 2,8 % suhe mase. Cilj naše raziskave bo ta prirastek še izboljšati, pri čemer bi v preizkusili še alternativne načine gojenja te alge.

Naša raziskava bo nadgradnja projekta “Urbana zemlja za hrano”. Usmerjeno bo k pripravi primernih vmesnih proizvodov predelave bioloških materialov, v obstoječem primeru za gojitev alge H. pluvialis, proizvajalke pomembnega sekundarnega metabolita astaksantina.

CILJI PROJEKTA

  • Vzpostavitevanalitike za ugotavljanje prirastka alg in določanja deleža astaksantina in drugih njemu podobnih sekundarnih metabolitov, ki nastajajo v kulturi te alge:

tekočinska kromatografija visoke ločljivosti HPLC (High performance liquid chromatography) na Nacionalnim laboratorijem za zdravje, okolje in hrano (NLZOH), in analizirali karotenoidni profil na Q-TOF masnemu spektrometru.

  • Optimizacija postopkov za ekstrakcijo, čiščenje in določanje kakovosti produktov: 

Sistemi za ekstrakcijo in čiščenje vzorcev še vedno niso povsem optimizirani. Poseben problem predstavlja razbijanje celic. Več načinov razbijanja vzorcev alg bomo preizkusili in medsebojno primerjali: zamrzovanje, mletje, kemijsko (HCl), razbijanje z steklenimi kroglicami.

  1. Izboljšati prirast alge Haematococcus pluvialis in ustvariti rastne razmere za večji delež astaksantina, pri čemer bi v preizkusili alternativne načine gojenja te alge.

Alge (Haematococcus pluvialis) v zeleni fazi in rdeči fazi

Uporabljena alga:

Po primerjavi več sevov alge Haematococcus pluvialis (ChlorophyceaeVolvocales, Haematococcaseae), ki smo jih pridobili iz CCALA (Culture collection of Autotrophic Organisms), Inštituta za botaniko Akademije znanosti, Češka republika  za poskuse smo izbrali najbolj rastoči sev. 

Gojitveni sistem:

Osnovni eksperimentalni bioreaktorski sistem za gojitev alge Haematococcus pluvialis je deloma že vzpostavljen (Grujić, 2018). V nadaljevanju raziskav smo ga izboljšali in optimizirali za ustrezno rast alg. Optimizirali smo temperaturo, vlago svetlobo, optimalen PH gojišč,  ter za poskus uporabili ustrezne laboratorijske stekleničke. Pri razvoju alg smo redno izvajali mešanje alg zaradi preprečitve sedimentacije ter enakomerno osvetlitev in razporeditev hranil. Pri svetlobi smo upoštevali valovno dolžino in intenzitet sevanja.

Merjenje Biomase alg

Alga Haematococcus pluvialis tik pred sušenjem in tehtanjem  

Ekstrakcija

Ekstrakcija zelene in rdeče faze alg Haematococcus pluvialis 

Ekstrakcija rdeče faze alg Haematococcus pluvialis v tri različna nepolarna topila

Zamrznjene alge Haematococcus pluvialis pred ekstrakcijo 

Kultura alg (Haematococcus pluvialis) v stresu

Ekstrakti iz alge (Haematococcus pluvialis) v acetonu in v MTBE-u 

POMEN ZA RAZVOJ ZNANOSTI IN GOSPODARSTVA

Rezultati raziskave bodo pomembno prispevali k razvoju biotehnološkega pridobivanja astaksantina, po drugi strani bo vključeval tudi druga prednostna področja Slovenske Strategije Pametne specializacije (S4) in sicer, Biomasa in alternativne surovine in Sekundarne surovine vsaka od njiju z enim od Fokusnih podpodročij / tehnologije S4 in sicer, Trajnostna mobilizacija biomase in Predelava bioloških odpadkov v vredne produkte.

  • Rezultati raziskave bo možno uporabiti v drugih biotehnoloških raziskavah, tako na področju okoljskih znanosti (razvoj postopkov za predelavo zelenih odpadkov), fiziologije alg in človeške prehrane (prehranska dopolnila). 
  • Rezultati projekta bodo prispevali k razvoju alternativnih načinov uporabe zelenih odpadkov, ki jih bo podjetje Snaga  d.o.o. lahko razvijalo naprej skupaj z Univerzo v Mariboru.
  • Rezultati projekta bodo neposredno uporabni pri pridobivanju biomase že omenjene alge pri pridobivanju prehranskega dopolnila astaksantina.
  • Tekom projekta bomo razvili nove alternativni načini izrabe alg. 
  • Razviti postopki kompostiranja (Snaga d.o.o.) bodo namenjeni drugi trajnostni rabi kot je proizvodnja komposta. Produkte kompostiranja bomo uporabili za gojenje alg.

S projektom vzpostavljamo povezavo med raziskovalnim in podjetniškim okoljem, kjer bo povezovalni člen raziskovalec na začetku kariere. Javni razpis predstavlja vzvod za večjo povezanost in sodelovanje med raziskovalnimi organizacijami (UM, FKBV) in gospodarstvom (Snaga d.o.o.).  

Projekt spodbuja vlaganja zasebnega sektorja v raziskave, razvoj, ter hkrati spodbuja inovacije ter raziskovalno inovacijski potencial kohezijske regije Vzhodna Slovenija z dolgoročnim vplivom na večjo konkurenčnost regijskega in nacionalnega gospodarstva.

PROJEKTNA SKUPINA

Vodja projekta: dr. Jana Ambrožič Dolinšek
Fakulteta za naravoslovje in matematiko in Pedagoška fakulteta
Univerza v Mariboru
Koroška 160,, Slovenija

jana.amrozic@um.si
Področje: biologija, fiziologija rastlin, rastlinska biotehnologija

Vodja projekta: dr. Andreja Urbanek Kranjc
Katedra za botaniko in fiziologijo rastlin
Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede
Univerza v Mariboru
Pivola 10, 2311 Hoče, Slovenija
andreja.urbanek@um.si
Področje: Biologija, rastlinska fiziologija

Raziskovalci

dr. Biljana Todorović

biljana.todorovic@um.si

Področje: Biotehnika, rastlinska biotehnologija

Veno Jaša Grujić, mag. biologije in ekologije z naravovarstvom

veno.grujic@um.si

Področje: Biotehnika, rastlinska biotehnologija 

Strokovni sodelavci

dr. Roman Kranvogl

roman.kranvogl@nlzoh.si

Področje: Kemija, analizna kemija

Publikacije:

TODOROVIĆ, Biljana, GRUJIĆ, Jaša Veno, URBANEK KRAJNC, Andreja, KRANVOGL, Roman, AMBROŽIČ-DOLINŠEK, Jana. Identification and content of astaxanthin and its esters from microalgae Haematococcus pluvialis by HPLC-DAD and LC-QTOF-MS after extraction with various solvents. Plants. 2021, vol. 10, iss. 11, str. 1-14. ISSN 2223-7747. DOI: 10.3390/plants10112413. [COBISS.SI-ID 84256003], [JCRSNIP]
financer: ARRS, Programi, P1-0164, SI, Raziskave za zagotavljanje varne hrane in zdravja

GRUJIĆ, Jaša Veno, MOLNAR, Zoltan, TODOROVIĆ, Biljana, AMBROŽIČ-DOLINŠEK, Jana. Establishment and the characterization of the biomass and astaxanthin production in the culture of microalgae Haematococcus pluvialis. V: Book of abstracts. 9th Symposium on Microalgae and Seaweed Products in Plant/Soil-Systems, Mosonmagyaróvár, Hungary, 25-26 June 2019. Mosonmagyaróvár: Faculty of Agricultural & Food Sciences, 2019. Str. 50. [COBISS.SI-ID 24709128

GRUJIĆ, Jaša Veno, MOLNAR, Zoltan, TODOROVIĆ, Biljana, AMBROŽIČ-DOLINŠEK, Jana. Establishment of the bioreactor system for the astaxanthin producing microalgae Haematococcus pluvialis. V: Book of abstracts. 9th Symposium on Microalgae and Seaweed Products in Plant/Soil-Systems, Mosonmagyaróvár, Hungary, 25-26 June 2019. Mosonmagyaróvár: Faculty of Agricultural & Food Sciences, 2019. Str. 51. [COBISS.SI-ID 24709640]

GRUJIĆ, Jaša Veno, MOLNAR, Zoltan, TODOROVIĆ, Biljana, AMBROŽIČ-DOLINŠEK, Jana. The bioreactor system for the astaxanthin producing microalgae Haematococcus pluvialis: construction, quantification and determination of the astaxanthin. V: Book of abstracts. International Conference on Carotenoid research and applications in agro-food and health, COST Action CA15136, Lemesos, Cyprus, 26th-28th November 2019. [Lemesos: University of Technology, 2019]. Str. 67. https://www.eurocaroten.eu/sites/default/files/book-of-abstracts.pdf. [COBISS.SI-ID 25064200]
financer: ARRS, Programi, P1-0164, SI, Raziskave za zagotavljanje varne hrane in zdravja