{"id":13490,"date":"2024-05-13T10:27:44","date_gmt":"2024-05-13T16:27:44","guid":{"rendered":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=13490"},"modified":"2024-07-01T14:56:28","modified_gmt":"2024-07-01T20:56:28","slug":"rompiendo-barreras-celulares-metodos-aplicados-para-la-extraccion-de-lipidos-en-microalgas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=13490","title":{"rendered":"Rompiendo barreras celulares: m\u00e9todos aplicados para la extracci\u00f3n de l\u00edpidos en microalgas"},"content":{"rendered":"

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Luis Alfredo Ortega-Clemente* ORCID: 0000-0002-1894-7425
\n<\/span>Ivonne Mena-Va\u0301zquez* <\/span>ORCID: 0009-0008-9431-8410
\n<\/span>Lorena Rodri\u0301guez-Rami\u0301rez* <\/span>ORCID: 0009-0006-2258-8628<\/span><\/p>\n

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CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 27, No.126, julio-agosto 2024<\/p>\n

DOI: https:\/\/doi.org\/10.29105\/cienciauanl27.126.3<\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Descargar PDF<\/a><\/p>\n

En la actualidad, diversos me\u0301todos han sido desarrollados al extraer li\u0301pidos de microalgas con la finalidad de aprovechar el perfil u\u0301nico de a\u0301cidos grasos que incluyen saturados e insaturados, los cuales poseen un potencial como materia prima para una variedad de productos, aplicaciones alimentarias, cosme\u0301ticas y fuente de energi\u0301a: biometano, biodiesel e incluso combustibles de aviacio\u0301n. Sin embargo, la eleccio\u0301n del sistema es crucial, ya que la composicio\u0301n y cantidad depende de la especie de microalga y de la te\u0301cnica de extraccio\u0301n (Shanmuganathan et al<\/em>., 2023), puesto que se deben considerar algunos factores: tiempo de procesamiento, eficiencia, seguridad, viabilidad econo\u0301mica, preservacio\u0301n de las caracteri\u0301sticas y la naturaleza de los residuos generados (Straessner et al<\/em>., 2023).<\/p>\n

Estos procedimientos se clasifican en dos categori\u0301as principales: meca\u0301nicos y no meca\u0301nicos, los segundos incluyen la extraccio\u0301n con solventes, fluidos supercri\u0301ticos y li\u0301quidos io\u0301nicos, mientras que los primeros implican te\u0301cnicas como la extraccio\u0301n asistida por microondas y ultrasonidos. El conocimiento de estos me\u0301todos es esencial si se quiere aprovechar al ma\u0301ximo el potencial de los li\u0301pidos de las microalgas como una fuente valiosa de energi\u0301a y de productos sostenibles.<\/p>\n

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ME\u0301TODOS QUI\u0301MICOS DE EXTRACCIO\u0301N DE LI\u0301PIDOS EN MICROALGAS<\/h4>\n
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El principio aplicado en la extraccio\u0301n de li\u0301pidos de microalgas con solventes se basa en el concepto de \u201clo semejante disuelve a lo semejante\u201d, el mecanismo y la interaccio\u0301n se observa en la figura 1A (Khoo et al<\/em>., 2023), difusio\u0301n del solvente a la superficie de la microalga, adsorcio\u0301n del solvente a trave\u0301s de la pared celular hacia el citoplasma, interaccio\u0301n entre los li\u0301pidos neutros y el solvente para formar complejos de li\u0301pidos orga\u0301nicos por fuerzas de van der Waals, desorcio\u0301n del\u00a0complejo hacia el exterior a trave\u0301s de la pared celular por un gradiente de concentracio\u0301n, difusio\u0301n del complejo hacia la fase fluida.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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El mecanismo de extraccio\u0301n de li\u0301pidos neutros involucra la disolucio\u0301n del solvente, sin embargo, algunos forman complejos con li\u0301pidos polares, los cuales esta\u0301n fuertemente unidos a las protei\u0301nas de la pared celular por puentes de hidro\u0301geno y fuerzas electrosta\u0301ticas. Si se desea romper estas asociaciones y extraer eficientemente los li\u0301pidosneutros se necesita emplear un solvente polar (metanol, etanol o isopropanol), la combinacio\u0301n de un solvente orga\u0301nico polar y otro no polar facilita la extraccio\u0301n de los li\u0301pidos neutros (Russell y Rodri\u0301guez, 2023).<\/p>\n

Entre las te\u0301cnicas ma\u0301s relevantes se encuentra el me\u0301todo Folch, que consiste en la adicio\u0301n de una mezcla de cloroformo y metanol (Folch et al<\/em>., 1957). Por otra parte, se menciona la de hexano-alcohol (metanol, etanol o isopropanol), proceso desarrollado por Bligh y Dyer (1959), que implica la maceracio\u0301n de las microalgas en mezcla de cloroformo, metanol y agua en proporciones especi\u0301ficas (Wetterwald et al<\/em>., 2023).<\/p>\n

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La figura 1B muestra el principio de extraccio\u0301n de las te\u0301cnicas mencionadas, destacan por la obtencio\u0301n de triglice\u0301ridos y los fosfoli\u0301pidos, pero requieren precauciones debido al uso de cloroformo, metanol y hexano, productos to\u0301xicos e inflamables. En la extraccio\u0301n Soxhlet, la muestra es colocada en el aparato de Soxhlet, comu\u0301nmente es utilizado hexano como solvente (figura 1C) en el que se emplea un ban\u0303o caliente repetitivo con el solvente haciendo ma\u0301s eficiente la extraccio\u0301n. La importancia de este sistema radica en su habilidad para extraer una amplia variedad de li\u0301pidos y manejar grandes volu\u0301menes de muestra, siendo esencial al momento de entender las caracteri\u0301sticas lipi\u0301dicas de diversas cepas de microalgas, sin embargo, requiere un volumen mayor de solventes generando mayor cantidad de residuo (Matchim-Kamdem y Lai, 2023).<\/p>\n

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Figura 1. M\u00e9todos mec\u00e1nicos de extracci\u00f3n de l\u00edpidos en microalgas.<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Existen ma\u0301s metodologi\u0301as que mencionan Santos-Sa\u0301nchez et al<\/em>. (2016), quienes concluyen que, de los anteriores, el paso ma\u0301s importante es la disrupcio\u0301n celular, que se puede lograr utilizando el disolvente apropiado combinado con sonicacio\u0301n o microondas. Sin embargo, coinciden en\u00a0el empleo del disolvente que genera residuos to\u0301xicos, lo que dificulta las aplicaciones industriales (Santos-Sa\u0301nchez et al<\/em>., 2016).<\/span><\/p>\n

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Los fluidos supercri\u0301ticos implican el uso de dio\u0301xido de carbono (CO2) en estado intermedio, entre gas y li\u0301quido, al aplicarle condiciones especi\u0301ficas de temperatura y presio\u0301n superiores a su punto cri\u0301tico (Mienis et al<\/em>., 2023) disuelve los li\u0301pidos permitiendo su extraccio\u0301n. Adema\u0301s, los fluidos supercri\u0301ticos son amigables con el medioambiente. Las ventajas de e\u0301ste incluyen la alta selectividad, la ausencia de residuos qui\u0301micos y la posibilidad de ajustar y optimizar las condiciones y extraer especi\u0301ficamente ciertos tipos de li\u0301pidos de excelente calidad, reduciendo los tiempos.<\/p>\n

De igual forma, los li\u0301quidos io\u0301nicos tienen un catio\u0301n orga\u0301nico y un anio\u0301n inorga\u0301nico a temperatura ambiente. Durante el procesamiento, las microalgas se mezclan con un li\u0301quido io\u0301nico que interactu\u0301a con los li\u0301pidos y los disuelve de manera eficiente y selectiva, separa\u0301ndolos de las ce\u0301lulas y extrayendolos de la biomasa. Las ventajas incluyen la capacidad para manipular las propiedades fi\u0301sicas y qui\u0301micas del li\u0301quido io\u0301nico, bajo impacto ambiental, biodegradables, lo que hace que sea econo\u0301mico, viable y ecolo\u0301gico en la generacio\u0301n de biocombustibles y otros productos de intere\u0301s industrial (Xie et al<\/em>., 2023).<\/p>\n

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ME\u0301TODOS MECA\u0301NICOS<\/h4>\n
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Los me\u0301todos meca\u0301nicos implican el uso de fuerza fi\u0301sica para romper las paredes celulares de las microalgas mediante presio\u0301n, cizallamiento o vibracio\u0301n y permitir la liberacio\u0301n de los li\u0301pidos. Tienen amplias ventajas: no contaminan la biomasa, garantizan la pureza de los productos finales, reducen la degradacio\u0301n, no requieren temperaturas elevadas y se promueve la preservacio\u0301n de los li\u0301pidos, evitan el uso de solventes qui\u0301micos y reducen el impacto ambiental, son versa\u0301tiles a la hora de aplicarlos en la investigacio\u0301n biotecnolo\u0301gica, en la industria de biocombustibles y otros\u00a0ge\u0301neros relacionados con la energi\u0301a. Sin embargo, presentan la desventaja de que algunos de los procesos son lentos y se necesitan grandes cantidades de biomasa.<\/span><\/p>\n

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El molino de cuencas implica la trituracio\u0301n y molienda en cuencas especializadas, utilizando la fuerza meca\u0301nica para romper las ce\u0301lulas (figura 2A). La importancia de e\u0301ste radica en su capacidad de garantizar una extraccio\u0301n de hasta 75% de li\u0301pidos. Algunas ventajas son: selectividad y posibilidad de procesar grandes volu\u0301menes de muestra de manera continua y eficaz (Russell y Rodri\u0301guez, 2023). Otra estrategia es la homogeneizacio\u0301n a alta presio\u0301n, que implica someter la muestra a presio\u0301n a trave\u0301s de una va\u0301lvula o boquilla, lo que resulta en una ruptura meca\u0301nica de las ce\u0301lulas y una liberacio\u0301n de los li\u0301pidos. La importancia de esta te\u0301cnica radica en garantizar una extraccio\u0301n completa, es eficaz en microalgas con paredes celulares ri\u0301gidas, presenta eficiencia y potencial de preservar los li\u0301pidos extrai\u0301dos, re- duce el impacto ambiental y tiempo de proceso.<\/p>\n

La ultrasonicacio\u0301n es otra tecnologi\u0301a innovadora basada en lisis celular (figura 2B) en la propagacio\u0301n de ondas ultraso\u0301nicas de alta frecuencia que provocan microcavitacio\u0301n y cambios de presio\u0301n, rompen las paredes celulares y liberan los li\u0301pidos intracelulares. Las ventajas son: eficiencia energe\u0301tica, velocidad y selectividad, es u\u0301til para microalgas delicadas, es suave, no requiere temperaturas elevadas y permite su aplicacio\u0301n en una amplia gama de cepas.<\/p>\n

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Figura 2. M\u00e9todos qu\u00edmicos de extracci\u00f3n de l\u00edpidos en microalgas (Yao et al<\/em>., 2018).<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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El microondas utiliza radiacio\u0301n electromagne\u0301tica no ionizante de alta frecuencia, e\u0301sta penetra las ce\u0301lulas de las microalgas y estimula las mole\u0301culas de agua, generando calentamiento y presio\u0301n interna que facilita la ruptura de la pared celular y permite la liberacio\u0301n eficaz de los li\u0301pidos. Las ventajas de este me\u0301todo\u00a0incluyen extraccio\u0301n ra\u0301pida, eficiencia, menor consumo de energi\u0301a y puede realizarse a temperaturas ma\u0301s bajas en comparacio\u0301n con las tradicionales.<\/span><\/p>\n

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Finalmente, el campo ele\u0301ctrico pulsado implica el empleo de pulsos ele\u0301ctricos intensos y de corta duracio\u0301n a las ce\u0301lulas, los cuales crean perforaciones en la membrana celular, facilitando la liberacio\u0301n de los li\u0301pidos almacenados. Ofrece la ventaja de ser una te\u0301cnica no te\u0301rmica, se puede ajustar a diferentes especies y se pueden procesar volu\u0301menes variables de muestra, lo que facilita su aplicacio\u0301n en la investigacio\u0301n cienti\u0301fica (Santos-Sa\u0301nchez et al<\/em>., 2016, Niu et al<\/em>., 2023).<\/p>\n

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CONCLUSIO\u0301N<\/h4>\n
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Los sistemas de extraccio\u0301n de li\u0301pidos de microalgas juegan un papel crucial en la generacio\u0301n sostenible de biocombustibles y otros productos energe\u0301ticos. El uso del me\u0301todo Folch, hexano-alcohol, Bligh y Dyer y Soxhlet sigue presentando desafi\u0301os con el uso de solventes to\u0301xicos, pero proporcionan una forma efectiva de extraer li\u0301pidos a nivel laboratorio. Por otro lado, los procedi- mientos meca\u0301nicos: molino de cuencas, homogeneizacio\u0301n a alta presio\u0301n, ultrasonido, microondas y campo ele\u0301ctrico pulsado, aprovechan la fuerza fi\u0301sica para romper las ce\u0301lulas y liberar los li\u0301pidos, ofreciendo preservacio\u0301n de lo extrai\u0301do, reduciendo el impacto ambiental al evitar el uso de qui\u0301micos y altas temperaturas, usados mayormente a nivel industrial debido a las cantidades de biomasa empleada.<\/p>\n

Adema\u0301s, las te\u0301cnicas emergentes, fluidos supercri\u0301ticos y los li\u0301quidos io\u0301nicos, tambie\u0301n han ampliado las posibilidades de forma selectiva, ya que permiten una extraccio\u0301n eficiente y especi\u0301fica de diferentes tipos de li\u0301pidos, proporcionando una vi\u0301a hacia una produccio\u0301n sostenible y de alta calidad en la industria de los biocombustibles y la biotecnologi\u0301a, los cuales pueden ser aplicados a nivel planta piloto o incluso a nivel industrial. A pesar de que se necesita emplear mayor cantidad de biomasa, la variedad de me\u0301todos disponibles brinda opciones para adaptarse a diferentes tipos de microalgas.<\/span><\/p>\n

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* TecNM\/Instituto Tecnolo\u0301gico de Boca del Ri\u0301o, Boca del Ri\u0301o, Veracruz.
\nContacto: luisortega@bdelrio.tecnm.mx; ivonne18429@gmail.com; 218n0002@itstb.edu.mx<\/p>\n

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REFERENCIAS<\/h4>\n
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Folch, Jordi, y Sloane, Stanley. (1957). A simple method for the isolation and purification of total lipides from animal tissues, Journal of Biological Chemestry<\/em>, 226, https:\/\/doi.org\/10.1016\/S0021-9258(18)64849-5<\/p>\n

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Matchim, Kamdem, y Lai, Nanjun. (2023). Alkyl carbamate ionic liquids for permeabilization of microalgae biomass to enhance lipid recovery for biodiesel production, Heliyon<\/em>, 9(1), https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.heliyon.2022.e12754<\/p>\n

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Mienis, Esther, Vandamme, Dries, y Foubert, Imogen. (2023). Enzyme-assisted disruption of oleaginous microalgae to increase the extraction of lipids: Nannochloropsis as a case study, Current Opinion in Food Science<\/em>, 51, https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.cofs.2023.101034<\/p>\n

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Niu, Qi, Prins, Wolter, y Ronsse, Frederik. (2023). Microalgae fractionation and pyrolysis of extracted microalgae biopolymers, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis<\/em>, 172, https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.jaap.2023.106000<\/p>\n

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Russell, Callum, y Rodri\u0301guez, Cristina. (2023). Lipid extraction from Chlorella vulgaris<\/em> y Haematococcus pluvialis<\/em> using the switchable solvent DMCHA for biofuel production, Energy, 278, https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.energy.2023.127983<\/p>\n

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Santos-Sa\u0301nchez, N.F., Valadez-Blanco, R., Herna\u0301ndez-Carlos, B., et al<\/em>., (1916). Lipids rich in \u03c9-3 polyunsaturated fatty acids from microalgae, Applied Microbiology and Biotechnology<\/em>, 100, https:\/\/doi.org\/10.1007\/s00253-016-7818-8<\/p>\n

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Shanmuganathan, Rajasree, Le, Quynh, Hoang, Aloufi, Abeer, et al<\/em>. (2023). High efficiency lipid production, biochar yield and chlorophyll a content of Chlorella<\/em> sp. microalgae exposed on sea water and TiO2 nanoparticles, Environmental Research<\/em>, 232, https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.envres.2023.116263<\/p>\n

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Straessner, Ralf, Nikolausz, Marcell, Silve, Aude, et al<\/em>. (2023). Holistic exploitation of pulsed electric field-treated and lipid extracted microalgae Auxeno chlorella<\/em> protothecoides, utilizing anaerobic digestion (AD), Algal Research<\/em>, 69, https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.algal.2022.102950<\/p>\n

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Wetterwald, Laure, Leybros, Antoine, Fleury, Gatien, et al<\/em>. (2023). Supercritical CO2 extraction of neutral lipids from dry and wet Chlorella vulgaris<\/em> NIES 227 microalgae for biodiesel production, Journal of Environmental Chemical Engineering,<\/em> 11(5), https:\/\/ doi.org\/10.1016\/j.jece.2023.110628<\/p>\n

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Xie, Zhen, Meng, Xianguang, Yu, Siteng, et al<\/em>. (2023). Continuous extraction and application potential of value-added products from a promising microalga Coelastrella auxenochlorella<\/em> SDEC-28 for green microalgae-based industry, Journal of Cleaner Production<\/em>, 13(9364), https:\/\/doi.org\/10.1016\/J.JCLEPRO.2023.139364<\/p>\n

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Yao, Shunyu, Mettu, Srinivas, Law, Sam, et al<\/em>. (2018). The effect of high-intensity ultrasound on cell disruption and lipid extraction from high-solids viscous slurries of Nannochloropsis<\/em> sp. Biomass, Algal Research<\/em>, 35, https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.algal.2018.09.004<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Recibido: 27\/11\/2023 <\/strong>
\nAceptado: 12\/04\/2024<\/strong><\/p>\n

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