Extraction of proteins from the microalga Scenedesmus obliquus br003 followed by lipid extraction of the wet deproteinized biomass using hexane and ethyl acetate

Bioresource Technology 307 (2020) 123190
4

---

Fig. 1. E
ffect of different parameters of extraction on the protein yield of S. obliquus BR003 biomass. The conditions of the protein extraction were optimized using
the response surface methodology. a) Correlation between the observed and predicted data. b) Extraction time and pH at 60 °C. c) Extraction time and temperature at
pH 12. d) pH and temperature with an extraction time of 3 h.
Fig. 2. E
ffect of the pH and SDS on the protein yield of S. obliquus BR003 biomass. The conditions of the protein extraction were optimized using the response surface
methodology. a) Correlation between the observed and predicted data. b) SDS concentration and pH with an extraction time of 3 h at 60 °C.
M.L. Amorim, et al.
Bioresource Technology 307 (2020) 123190
5

---

production of the deproteinized biomass of S. obliquus BR003.
3.3. Production of the deproteinized biomass of S. obliquus BR003
The deproteinized S. obliquus biomass was produced using two
di
fferent conditions. The optimal condition of protein extraction was
pH 12 at 60 °C for 3 h, and the moderate condition was pH 10.5 at 50 °C
for 2 h. These conditions were determined according to the optimiza-
tion of the extraction of proteins from S. obliquus BR003 (section 3.2).
However, the optimal condition for the extraction was too severe and
required a large amount of NaOH which may limit its use at a com-
mercial scale. The BR003 strain showed a considerable bu
ffering effect
in pH values near 11 as observed in the protein extraction of the marine
microalgae Nannochloropsis spp. (
Gerde et al., 2013
).
Thus, the deproteinized biomass was also produced using a mod-
erate condition which is more adequate for commercial applications,
and this condition theoretically resulted in a protein yield of 18%, with
con
fidence interval (95% confidence) between 15.9% and 20.2% and
prediction interval (95% con
fidence) between 14.6% and 21.8% ac-
cording to the model obtained using the central composite design
(section 3.2). Production of the deproteinized biomass of S. obliquus
BR003 using the optimal (pH 12 at 60 °C for 3 h) and moderate (pH
10.5 at 50 °C for 2 h) conditions resulted in protein yields of
20.6 ± 5.6 and 15.4 ± 3.1%, respectively. These results are in the
prediction ranges of the model obtained using the central composite
design (section 3.2).
3.4. E
ffect of protein extraction on the emulsion stability, lipid extraction,
and size distribution of the lipid droplets
Wet lipid extraction of microalgal biomass is a promising strategy
because it abolishes the need for complex and costly steps of biomass
dewatering and drying (
Dong et al., 2016
). The biomass dehydration
and lipid extraction require high energy inputs and contributed nearly
21 to 30% and 39 to 57% of the total energy requirement of a micro-
algae biofuels production system, respectively (
Dasan et al., 2019
).
However, the emulsion produced during the wet lipid extraction may
cause losses of product or solvent (
Dong et al., 2016
). Indeed, it has
been suggested that microalgal proteins play an important role in the
formation and stability of such emulsions (
Law et al., 2018
). Herein, the
solvents ethyl acetate and hexane were used in the wet lipid extraction
of the deproteinized biomass of S. obliquus BR003 in order to provide a
better comprehension of the e
ffect the extraction of dispersible proteins
in the biore
fining of freshwater microalgae. The best sequence of
biore
fining of S. obliquus is certainly a primary extraction of proteins
followed by the extraction of lipids and carbohydrates because the
primary extraction of lipids followed by a secondary extraction of
proteins results in protein losses higher than 30% (
Ansari et al., 2017
).
The use of deproteinized biomass of S. obliquus BR003 resulted in
better results of emulsion and solvent release indexes in comparison to
the control treatment (
Fig. 3
). Interestingly, the biomass treated with
the moderate condition of protein extraction (pH 10.5 at 50 °C for 2 h)
presented the best results for the emulsion and solvent release indexes,
and after one hour the emulsion was reduced to 46% of the initial
volume (
Fig. 3
a). Conversely, the control biomass and the biomass
submitted to the optimal condition of protein extraction (pH 12 at 60 °C
for 3 h) remained as an emulsi
fied mixture of approximately 74%
(
Fig. 3
a). The higher emulsifying capacity of the biomass submitted to
the optimal condition of protein extraction (pH 12 at 60 °C for 3 h) is
possibly a result of the harsher extraction conditions.
The combination of high temperature, high pH and long extraction
time can trigger physical
–chemical changes in proteins and lipids
(
Damodaran and Parkin, 2017; Salimon et al., 2011
). At such harsh
conditions, the proteins can denature, or even degrade, exposing non-
polar amino acids, such as leucine and alanine which are abundant in S.
obliquus proteins (
Becker, 2007; Damodaran and Parkin, 2017
). The
non-polar amino acids could increase the emulsifying behavior of non-
extracted proteins and peptides. In addition, the alkaline hydrolysis of
lipids might occur during the protein extraction producing glycerol and
free fatty acids (
Salimon et al., 2011
). The free fatty acids have a non-
polar carbonic chain and an ionizable carboxilic acid headgroup
(
–COOH) which could increase the emulsifying capacity of the depro-
teinized biomass (
Kent, 2007
).
Fig. 3. Emulsion stability kinetics and lipid yield of control and deproteinized
biomasses of S. obliquus BR003. The deproteinized biomasses of S. obliquus
BR003 were produced using optimal (pH 12 at 60 °C for 3 h) and moderate (pH
10.5 at 50 °C for 2 h) conditions of protein extraction. a) Emulsion index ki-
netic. b) Solvent release index kinetic. c) Lipid yield.
M.L. Amorim, et al.