SUSFOOD2: Extraction and characterisation of BIOactives and CARBohydrates from seaweeds and seagrasses FOR FOOD-related Applications

Industrielle metoder for framstilling av karbohydrater fra makroalger er vel etablert, og har vært uendret med hensyn til effektivitet og rundt forbruk av vann og energi. Under produksjonen skapes betydelige mengder restprodukter. I dette EU-prosjektet har vi undersøkt nye og mer miljøvennlige fremstillingsmetoder basert på ultralyd, mikrobølger og enzymer og kombinasjoner av disse for å ekstrahere og isolere karbohydrater, vesentlig polysakkarider, med relevans til mat. Kilden har vært dyrket tare og ville bestander. Fokus har vært på rødalgen Gelidium sesquipedale som er en god kilde til agar som vokser i Atlanterhavet ved Frankrike, Portugal, Spania og Marokko og tareartene Alaria esculenta (Butare) og Saccharina latissima (Sukkertare) dyrket i Norge som er en mulig kilde til alginat. Nofimas hovedoppgave i prosjektet har vært kvalitative og kvantitative analyser for å evaluere effekten de nye mer miljøvennlige prosessene for ekstraksjon og framstilling av agar og alginat. En annen oppgave var å evaluere potensialet for å bruke disse produktene som ingredienser i mat. For karakterisering etablerte vi metoder for fysikalsk og kjemisk karakterisering av agar fra G. sesquipedale. Karbohydratsammensetningen ble bestemt via metodikk basert på reduktiv hydrolyse og GC-MS og molekylvekten ble målt med gelfiltreringskromatografi kombinert med en detektor basert på lysspredning. (SEC-MALLS). Vi framskaffet ny og oppdatert kunnskap om karbohydratstrukturer i det økonomiske viktige industriproduktet agar som var produsert med de nye prosessmetodene av partnere i Irland og Spania. Et arbeid er publisert i tidsskriftet Carbohydrate Polymers i 2020. For de norske tareartene/brunalgene A. esculenta og S. latissima har vi ekstrahert og karakterisert alginat. Uløselige restfraksjonen etter alginatekstraksjonen er blitt produsert og celluloseinnholdet er blitt karakterisert av Spansk partner. Egnetheten av denne sidestrømmen som en komponent til bruk i alternativet pakkemateriale for mat er blitt vurdert og funnet svært lovende. Vi har foretatt besøk hos agarprodusent i Spania (Hispanagar) og alginatprodusent Dupont i Haugesund. I løpet av det andre året i prosjektperioden undersøkte vi videre algepolysakkaridene agar og alginat som var framstilt med bruk av ultralyd og mikrobølgebaserte ekstraksjoner av partner i Irland. Resultatene relatert til agar er publisert i Algal Research i (2021). Vi fant spesielt ut at agar som var framstilt ved bruk av ultralyd får noe ulik struktur. For alginat har vi validert en kolorimetrisk metode for kvantifisering i løsninger med delvis opprenset alginat. Videre har vi bestemt molekylvekt og forholdet mellom de to ulike monosakkaridenhetene mannuron- og guluronsyre med 1HNMR. I avslutningsfasen undersøkte vi egnetheten av en serie med delvis opprensede agar og alginat prøver fra pilotskalaforsøk for bruk i mat. De ulike polysakkaridproduktene ble så sammenlignet med kommersielle alginat- og agarpreparater. Alle eksperimentelt produserte prøver hadde nedsatt funksjon relatert til gelstyrke, farge og smak sammenlignet med kommersielle rene prøver. Eksempelvis ble det framstilt fruktbasert agar gele og i de fleste prøvene ble det registrert en utpreget smak og lukt av tang samt grønt og rødt fargebidrag. Konklusjonen er at halvrensede polysakkarider som ble produsert med de alternative teknikkene ikke er egnet til mat. Resultatene fra prosjektet har blitt formidlet på prosjektets nettsider (www.biocarb4food.eu) og et sluttseminar (web basert) med mange deltakere fra industri, akademia og regulatoriske myndigheter i Europa.

BioCarb4Food has served to focus our attention specifically on the characterisation and application of seaweed hydrocolloids as potential food ingredients. During the project there has been significant knowledge transfer between project partners. International cooperation has been at the heart of the project. Nofima has established generic methods both for quality characterisation of agar and alginate. Further developments and understanding of innovative processing methods are totally dependent on such accurate quality evaluation of process conditions and products. We have had a full focus on industrial relevance of methods used as industry will be the ultimate end-user. Industrial site visits and building relationships with industry stakeholders between project partners has been important. Through the project website we have reached out a wide audience to explain the importance of our project and what we have learned in terms of significant results.

Carbohydrates are the most important source of food energy in the world being also key ingredients for food formulations, serving as thickeners, stabilizers and gelling agents or providing functional attributes. Functional and technological properties of polysaccharides depend on composition, structure and physicochemical characteristics, defined by source and extraction method employed. Seaweeds and seagrasses are a valuable and under-exploited source of carbohydrates, in particular cell wall polysaccharides (phycocolloids), and bioactive compounds such as polyphenols or carotenoids. Current industrial procedures used by European companies for carbohydrate extraction from seaweeds are highly inefficient in terms of processing time, water and energy requirements. Furthermore, the remaining biomass (generally much more than 50% of the initial material) is used as compost or simply disposedas organic waste. We propose to explore, in close collaboration with industry, novel, environmentally friendly and efficient extraction techniques (ultrasound, microwave, enzymes and their combinations), combined with the exploitation of the remaining biomass, rich in bioactive compounds, to sequentially obtain novel carbohydrate-based extracts and fibers (nanocellulose) from seaweeds and seagrasses. We will characterize structure technological properties, toxicity and bioactivity of the fractions obtained from the various extraction technologies and a life cycle assessment (LCA) will also be conducted for proving the sustainability of the procedures. The project is expected to contribute to improved process efficiency, development of ingredients with high added value from already commercialized seaweed species and from under-exploited sources (seagrasses) which can positively impact in the competitiveness of seaweed, food and non-food companies at EU scale by a better valorization of raw materials.