Desarrollo de una metodología para la obtención de astaxantina a partir de cultivos líquidos de la microalga Haematococcus lacustris
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2025-05
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Resumen
La astaxantina es un carotenoide ampliamente reconocido por sus potentes propiedades antioxidantes, sintetizado por la microalga Haematococcus pluvialis bajo condiciones de estrés. En estas condiciones, las células se transforman en aplanosporas, desarrollando paredes celulares gruesas que dificultan su extracción, debido a su resistencia tanto mecánica como química. Esta complejidad se acentúa al tratarse de una molécula sensible a diversos factores, lo que convierte su obtención en un proceso desafiante. Con el fin de obtener astaxantina, se diseñó una metodología que abarca las etapas de cultivo, recuperación celular, secado, disrupción y extracción.
Durante la fase de acumulación de biomasa, la microalga fue cultivada en medio BBM bajo un fotoperiodo 12:12 h (luz/oscuridad), utilizando luz monocromática roja a una intensidad de 55 µmol/m²·s. Posteriormente, para la inducción de estrés y acumulación de astaxantina, se establecieron experimentalmente las siguientes condiciones: reducción de fósforo al 25% y nitrógeno al 75%, fotoperiodo 16:8 h y luz azul a 120 µmol/m²·s. Bajo estas condiciones, se alcanzó una concentración de astaxantina de 83.48 mg/L. Este proceso fue asistido por un sistema de control lumínico y monitoreo de temperatura diseñado específicamente, el cual presentó un consumo de corriente promedio de 1.762 A.
En cuanto a la recuperación celular, se evaluaron concentraciones de Derypol (coagulante comercial a base de taninos) entre 150 y 300 ppm, y sulfato de aluminio entre 300 y 1000 ppm. Donde, la mejor condición fue 500 ppm de sulfato de aluminio a un pH de 4.91, logrando un rendimiento del 97.44%. Para la etapa de secado, se compararon dos métodos: horno (40–60 °C) y microondas (350–700 W). El secado por microondas a 560 W fue el más eficiente, ya que redujo considerablemente el tiempo de proceso sin comprometer la calidad bioquímica de la biomasa.
Respecto a la disrupción celular, se ensayaron tres métodos: extracción directa con DMSO, molienda y ultrasonido. La molienda y el DMSO presentaron rendimientos similares, alcanzando aproximadamente 24 mg/g de astaxantina extraída, mientras que el ultrasonido a 70 W y 40 kHz aplicando 5 ciclos de 20 min, permitió solo 2.197 mg/g, evidenciando su limitada eficacia para romper la pared celular a baja potencia. Finalmente, se evaluó el efecto de diferentes solventes de extracción (etanol, acetato de etilo y su mezcla 1:1 v/v). La combinación etanol:acetato de etilo fue la que mejor preservó la estabilidad química de la astaxantina, demostrando una fuerte capacidad antioxidante (CI50 = 42.55 μg/mL) determinada mediante el ensayo DPPH. Finalmente, empleando la metodología definida se alcanzó un rendimiento de extracción de astaxantina de 26,485 mg/g, con un rendimiento total de 79.46%.
Descripción
Abstract
Astaxanthin is a carotenoid widely recognized for its potent antioxidant properties, produced by the microalga Haematococcus pluvialis under stress conditions. Under these conditions, cells transform into aplanospores, forming thick cell walls that make extraction difficult due to their mechanical and chemical resistance. This complexity is accentuated by the sensitivity of the molecule to many factors, making its extraction a challenging process. To obtain astaxanthin, a methodology was designed that includes the stages of culture, cell recovery, drying, disruption, and extraction.
During the biomass accumulation phase, the microalgae were grown in BBM medium under a 12:12 h photoperiod (light/dark), using red monochromatic light, at an intensity of 55 µmol/m² s. Then, to induce stress and accumulate astaxanthin, the following conditions were experimentally defined: phosphorus reduction to 25% and nitrogen to 75%, a 16:8 h photoperiod, and blue light at 120 µmol/m² s. Under these conditions, an astaxanthin concentration of 83.48 mg/L was achieved. This process was assisted by a specifically designed lighting control and temperature monitoring system, which presented an average current consumption of 1.762 A.
As to cell recovery, concentrations of Derypol (a commercial tannin-based coagulant) between 150 and 300 ppm and aluminum sulfate between 300 and 1000 ppm were evaluated. The best condition was 500 ppm of aluminum sulfate at a pH of 4.91, achieving a yield of 97.44%. For the drying stage, two methods were compared: oven (40–60°C) and microwave (350–700 W). Microwave drying at 560 W was the most efficient, as it significantly reduced the processing time without compromising the biochemical quality of the biomass.
Regarding cell disruption, three methods were tested: direct extraction with DMSO, grinding, and ultrasound. Grinding and DMSO showed similar yields, reaching approximately 24 mg/g of extracted astaxanthin, whereas ultrasound at 70 W and 40 kHz applying 5 cycles of 20 min, allowed only 2,197 mg/g, evidencing its limited efficacy in disrupting the cell wall at low power. Finally, the effect of different extraction solvents (ethanol, ethyl acetate and their 1:1 v/v mixture) was evaluated. The ethanol:ethyl acetate combination was the one that best preserved the chemical stability of astaxanthin, demonstrating a strong antioxidant capacity (IC50 = 42.55 μg/mL) determined by the DPPH assay. Finally, using the defined methodology, an astaxanthin extraction yield of 26,485 mg/g was achieved, with a total yield of 79.46%.
Palabras clave
Biosíntesis, Xantofila, Biopigmento, Algal, Extracción
Keywords
Biosynthesis, Xanthophyll, Biopigment, Algal, Extraction