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Analyse de la teneur en acide gras et de la composition en microalgues

Published: October 1, 2013 doi: 10.3791/50628
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2, 2,3, 1,2, 1,2, 1,2
1Bioprocess Engineering, Wageningen University and Research Center, 2AlgaePARC, Wageningen University and Research Center, 3Food and Biobased Research, Wageningen University and Research Center

Summary

Procédé pour la détermination de la teneur en acides gras et de la composition en micro-algues sur la base de la rupture mécanique des cellules, le solvant d'extraction à base de lipide, de transestérification, et la quantification et l'identification des acides gras par chromatographie en phase gazeuse est décrit. Un étalon interne tripentadecanoin est utilisé pour compenser les pertes possibles lors de l'extraction et de transestérification incomplète.

Abstract

Procédé pour déterminer la teneur et la composition des acides gras totaux présents dans les micro-algues est décrit. Les acides gras sont un constituant majeur de la biomasse de microalgues. Ces acides gras peuvent être présents dans différentes classes d'acyl-lipide. En particulier, les acides gras présents dans triacylglycérols (TAG) sont d'un intérêt commercial, car ils peuvent être utilisés pour la production de carburants de transport, les produits chimiques en vrac, des nutraceutiques (ω-3 acides gras), et les produits alimentaires. Pour développer des applications commerciales, les méthodes analytiques permettant la quantification de la teneur en acide gras et de la composition sont nécessaires. Les microalgues sont des cellules individuelles entourées par une paroi cellulaire rigide. Procédé d'analyse d'acide gras doit fournir suffisamment de rupture des cellules pour libérer tous les lipides d'acyle et la procédure d'extraction utilisée doit être capable d'extraire toutes les classes de lipides acyle.

Avec la méthode présentée ici tous les acides gras présents dans les microalgues peuvent être précise et reproductible idenTIFIÉ et quantifiés à l'aide de petites quantités d'échantillon (5 mg), indépendamment de leur longueur de chaîne, le degré d'insaturation, ou la classe de lipides, ils font partie.

Ce procédé ne fournit pas d'informations sur l'abondance relative des différentes classes de lipides, mais peut être étendu à séparer les classes de lipides de l'autre.

La méthode est basée sur une séquence de rupture mécanique des cellules, l'extraction par solvant à base de lipide, la transestérification des acides gras en esters gras méthyliques d'acide (FAME), et la quantification et l'identification de FAME à l'aide de Chromatographie en phase gazeuse (GC-FID). Un étalon interne de TAG (tripentadecanoin) est ajouté avant le procédé d'analyse pour corriger les pertes au cours de l'extraction et de transestérification incomplète.

Introduction

Les acides gras sont un des principaux constituants de la biomasse de microalgues et de faire généralement entre 5-50% du poids sec des cellules 1-3. Ils sont principalement présents sous la forme de glycérolipides. Ces glycérolipides à son tour principalement constitués de phospholipides, des glycolipides et triglycérides (TAG). En particulier, les acides gras présents dans le TAG sont d'intérêt commercial, car ils peuvent être utilisés comme une ressource pour la production de carburants de transport, les produits chimiques en vrac, des nutraceutiques (ω-3 acides gras), et les produits alimentaires 3-6. Microalgues peuvent croître dans des milieux de culture à base d'eau de mer, peut avoir une productivité de surface beaucoup plus élevé que les plantes terrestres, et peut être cultivé dans des photobioréacteurs à des endroits qui sont impropres à l'agriculture, peut-être même à l'étranger. Pour ces raisons, les microalgues sont souvent considérés comme une alternative prometteuse pour les plantes terrestres pour la production de biodiesel et d'autres produits en vrac 3-6. Potentiellement pas l agricoleet ou d'eau douce (lorsqu'elles sont cultivées dans des photobioréacteurs fermés ou quand microalgues marines sont utilisés) est nécessaire pour leur production. Par conséquent, les biocarburants dérivés de microalgues sont considérées comme 3 ème génération de biocarburants.

Le contenu cellulaire total en acides gras (% du poids sec), la composition de la classe de lipides, ainsi que la longueur de l'acide gras et le degré de saturation sont très variables selon les espèces de microalgues. En outre, ces propriétés varient avec les conditions de culture telles que la disponibilité des nutriments, la température, le pH, l'intensité lumineuse et 1,2. Par exemple, lorsqu'ils sont exposés à la privation d'azote, de micro-algues peuvent accumuler de grandes quantités de TAG. Dans des conditions de croissance optimales TAG constitue généralement moins de 2% du poids sec, mais lorsqu'ils sont exposés à la famine azote contenu de TAG peut augmenter jusqu'à 40% du poids sec des microalgues 1.

Les microalgues produisent principalement des acides gras à chaîne longue de 16 à 18atomes de carbone, mais certaines espèces peuvent apporter des acides gras allant jusqu'à 24 atomes de carbone en longueur. Les deux saturé ainsi que les acides gras hautement insaturés sont produits par des micro-algues. Ces derniers comprennent les acides gras avec des avantages nutritionnels (ω-3 acides gras) comme C20: 5 (acide eicosapentaénoïque, EPA) et C22: 6 (acide docosahexaénoïque, DHA) pour lesquels aucune solution de rechange végétales existent 1,2,4,7. Le (la distribution de) l'acide gras de longueur de chaîne et du degré de saturation détermine également les propriétés et la qualité des biocarburants d'algues dérivés et les huiles comestibles 4,8.

Pour développer des applications commerciales de microalgues dérivés des acides gras, des méthodes d'analyse fiables pour la quantification de la teneur en acides gras et la composition sont nécessaires.

Comme l'a également souligné Ryckebosch et al. 9, l'analyse des acides gras dans les microalgues se distingue des autres substrats (par exemple l'huile végétale, les produits alimentaires, les tissus d'animaux, etc) êtreprovoquer 1) microalgues sont des cellules individuelles entourées de parois cellulaires rigides, ce qui complique l'extraction des lipides; 2) microalgues contiennent une grande variété de classes de lipides et la distribution de la classe de lipides est très variable 7. Ces différentes classes de lipides ont une grande variété dans la structure chimique et des propriétés telles que la polarité. En outre, les classes de lipides autres que les lipides acyle sont produites, 3) contient des micro-algues d'une grande variété d'acides gras, variant de 12 à 24 atomes de carbone de longueur et contenant à la fois saturés ainsi que des acides gras hautement insaturés. Par conséquent, les méthodes mises au point pour analyser les acides gras dans les substrats autres que les micro-algues, pourrait ne pas être approprié pour analyser les acides gras dans les microalgues.

Comme examiné par Ryckebosch et al. 9, la principale différence entre les procédures d'extraction des lipides couramment utilisés dans les solvants est-systèmes qui sont utilisés. En raison de la grande variété de classes de lipides présents dans les microalgues, chacun variant de polarité, la extraitla quantité de lipides peut varier selon les solvants utilisés 10 à 12. Cela conduit à des incohérences dans le contenu lipidique et la composition présentée dans la littérature 9,10. En fonction du système de solvants utilisé, les méthodes basées sur l'extraction par solvant, sans rupture des cellules par le biais, par exemple, les battements de bourrelet ou sonication, risquent de ne pas extraire l'ensemble des lipides en raison de la structure rigide de certaines espèces de microalgues 9,13. Dans le cas de l'extraction des lipides incomplète, l'efficacité de l'extraction des différentes classes de lipides peut varier 14. Cela peut aussi avoir un effet sur ​​la composition en acides gras mesurée, car la composition en acides gras est variable entre les classes de lipides 7.

Notre procédé est basé sur une séquence de rupture mécanique des cellules, l'extraction par solvant à base de lipide, la transestérification des acides gras en esters gras méthyliques d'acide (FAME), et la quantification et l'identification de FAME à l'aide de Chromatographie en phase gazeuse en combinaison avec une ionisation de flammedétecteur de tion (GC-FID). Un étalon interne sous la forme d'un triacylglycérol (tripentadecanoin) est ajouté avant le procédé d'analyse. Les pertes éventuelles lors de l'extraction et de transestérification incomplète peuvent alors être corrigées pour. La méthode peut être utilisée pour déterminer le contenu ainsi que la composition des acides gras présents dans la biomasse de micro-algues. Tous les acides gras présents dans les différentes classes d'acyl-lipide, y compris le stockage (TAG), ainsi que des lipides membranaires (les glycolipides, phospholipides), sont détectés, identifiés et quantifiés avec précision et de façon reproductible par ce procédé en utilisant uniquement des petites quantités d'échantillon (5 mg) . Cette méthode ne fournit pas d'informations sur l'abondance relative des différentes classes de lipides. Cependant, le procédé peut être étendu à séparer les classes de lipides de l'autre 1. La composition des différentes classes de lipides et de la concentration de l'acide gras peut ensuite être déterminée individuellement.

Dans la littérature plusieurs autres méthodes sontdécrit à analyser les lipides dans les microalgues. Certaines méthodes sont axées sur le total des composants lipophiles 15, alors que d'autres méthodes sont axées sur les acides gras totaux 9,16. Ces solutions comprennent détermination gravimétrique des lipides totaux extraits, trans-estérification directe des acides gras combinés à la quantification en utilisant la Chromatographie, et cellules présentant une coloration avec des colorants fluorescents lipophiles.

Une solution couramment utilisée pour la quantification des acides gras par chromatographie est la quantification des lipides en utilisant une détermination gravimétrique 17,18. Avantages d'une détermination gravimétrique sont l'absence d'exigences pour l'équipement de pointe et coûteux comme un chromatographe en phase gazeuse; facilité à mettre en place la procédure, en raison de la disponibilité de l'équipement analytique standardisée (par exemple Soxhlet), et une détermination gravimétrique est moins de temps que Chromatographie méthodes fondées. L'avantage majeur de l'utilisation des méthodes de chromatographie sur la base de l'OTHer main est que, dans un tel procédé que les acides gras sont mesurés. Dans une détermination gravimétrique de l'acide non gras contenant des lipides, comme des pigments ou des stéroïdes, sont également inclus dans la détermination. Ces acides gras non-contenant des lipides peuvent constituer une part importante (> 50%) des lipides totaux. Si l'on ne s'intéresse qu'à la teneur en acide gras (par exemple pour des applications de biodiesel), il sera surestimée quand une détermination gravimétrique est utilisé. En outre, dans une détermination gravimétrique de la précision de la balance analytique utilisée pour peser les lipides extraits détermine la taille de l'échantillon qui doit être utilisé. Cette quantité est généralement beaucoup plus que la quantité nécessaire lorsque la Chromatographie est utilisée. Enfin, un autre avantage de l'utilisation de la Chromatographie sur détermination gravimétrique est que la Chromatographie fournit des informations sur la composition en acides gras.

Une autre alternative à notre méthode présentée est 16,19,20 de transestérification directe.Dans ce procédé, l'extraction des lipides et la transestérification des acides gras à FAMEs sont combinées en une seule étape. Cette méthode est plus rapide que l'extraction d'une étape séparée et la transestérification, mais la combinaison de ces étapes limite les solvants qui peuvent être utilisés pour l'extraction. Cela pourrait influencer négativement l'efficacité de l'extraction. Un autre avantage d'une extraction des lipides et la transestérification étape séparée est qu'il permet une séparation des classes de lipides supplémentaire entre les étapes 1. Ceci n'est pas possible lorsque la transestérification directe est utilisé.

D'autres méthodes couramment utilisées pour déterminer la teneur en lipides des microalgues sont coloration de la biomasse avec des taches fluorescentes lipophiles tels que le Nil rouge ou BODIPY et mesurer le signal de fluorescence 21,22. Un avantage de ces méthodes est qu'elles sont moins laborieux que les procédés alternatifs. Un inconvénient de ces méthodes est que la réponse fluorescente est, pour diverses raisons, variable entre spécies, les conditions de culture, les classes de lipides, et des procédures analytiques. A titre d'exemple, plusieurs de ces variations sont causées par des différences dans l'absorption du colorant par les micro-algues. L'étalonnage en utilisant une autre méthode quantitative est donc nécessaire, de préférence effectuée pour toutes les différentes conditions de culture et les stades de croissance. Enfin, cette méthode ne fournit pas d'informations sur la composition en acides gras et est moins précise et reproductible que les méthodes de chromatographie en fonction.

La méthode présentée est basée sur la méthode décrite par Lamers et al. 23 et Santos et al. 24 et a également été appliquée par d'autres auteurs 1,25-27. Également d'autres méthodes sont disponibles qui sont basés sur les mêmes principes et pourraient fournir des résultats similaires 9,28.

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Protocol

Une. Préparation de l'échantillon

Il existe deux protocoles alternatifs pour la préparation des échantillons inclus que les étapes 1.1 et 1.2. Ces deux méthodes conviennent également et donnent des résultats similaires, mais si une quantité limitée de volume de culture d'algues est disponible, méthode 1.1 est recommandée.

REMARQUE: Pour deux protocoles, préparer deux tubes perle de battage supplémentaires selon le protocole entier, mais sans ajouter les algues à eux pour être utilisé comme un vide. De cette manière, les pics dans le chromatogramme de CPG résultant de l'extraction de composants à partir de matériaux utilisés peuvent être identifiées et quantifiées.

1.1. Exemple de protocole Préparation Option 1: Recommandé Quand une quantité limitée d'algues Culture est disponible

  1. Déterminer la concentration en poids sec d'algues (g / L) dans le bouillon de culture, par exemple comme décrit par Breuer et al. 1.
  2. Transférer un volume de bouillon de culture qui contient de 5 à 10 mg de poids sec d'algues àun tube de centrifugation en verre. Calculer le montant exact de la biomasse transférée en utilisant la concentration de la biomasse déterminée à l'étape 1.1.1.
  3. Centrifugeuse 5 min à 1200 x g.
  4. Retirez la partie du surnageant, laisser environ 0,25 ml dans le tube.
  5. Re-suspendre l'algue dans le surnageant restant par pipetage doux le culot vers le haut et vers le bas et transférer le culot cellulaire complète à un tube de battage de talon en utilisant une pipette de 200 ul.
  6. Rincer le tube de centrifugeuse et la pipette en verre avec de l'eau de ± 0,15 ml et transférer le liquide dans le même tube de battage de talon.
  7. Tubes Centrifugeuse perle de batteur pour une minute à vitesse de rotation maximale pour s'assurer qu'aucune bulle d'air dans le fond des tubes. Il est possible de stocker des tubes perle de batteur fermés à -80 ° C.
  8. Lyophiliser les tubes perle de batteur contenant l'échantillon. Il est possible de stocker les tubes perle de batteur fermés à -80 ° C.

1.2. Exemple de l'option Protocole Préparation 2

  1. Centrifuger un volume indéterminé de bouillon de culture d'algues et éliminer le surnageant. Il n'est pas nécessaire de déterminer la concentration de la biomasse ou à mesurer le volume utilisé.
  2. Mesurer ou calculer l'osmolarité du milieu de culture en utilisant la concentration des principaux sels présents dans le milieu de culture.
  3. Laver le culot cellulaire en remettant en suspension le culot cellulaire dans le même volume, tel qu'il est utilisé dans l'étape 1.2.1, d'une solution de formiate d'ammonium, qui se rapproche de l'osmolarité du milieu de culture. Une solution de formiate d'ammonium equiosmolar empêche lyses cellulaires au cours du lavage des cellules.

NOTE: Le lavage des cellules est nécessaire pour éliminer les sels présents dans le milieu de culture. Ceci est particulièrement important pour l'analyse des acides gras dans les micro-algues marines en raison des concentrations élevées de sel dans leur milieu de culture. Si sels seraient encore présents, cela causerait une surestimation de la quantité de poids sec des cellules qui sera déterminé plus tard dans tson protocole. formate d'ammonium est utilisé pour laver les cellules car cette solution complètement s'évaporer lors de la lyophilisation et ne laisse aucun résidu.

  1. Centrifugeuse algues suspension et éliminer le surnageant.
  2. Lyophiliser le culot cellulaire.
  3. Peser 5 à 10 mg de poudre lyophilisée de microalgues dans un tube de battage de talon. Noter le poids exact.

2. Cellule de perturbation et extraction des lipides

NOTE: Cette section décrit une vaste procédure de rupture des cellules. Peut-être, certaines des mesures de perturbation de la cellule sont redondantes et moins vaste perturbation cellulaire pourrait obtenir les mêmes résultats pour certaines espèces de microalgues ou de la biomasse provenant de certaines conditions de culture. Ce devrait validation pour chaque situation spécifique cependant. Par conséquent, la vaste protocole de perturbation proposée est recommandé comme une méthode universelle convient à tout le matériel de micro-algues.

  1. Peser une quantité exacte de tripentadecanoin (triacylglycerol contenant trois C15: 0 acides gras) et l'ajouter à une quantité exactement connue 4:5 (v / v) de chloroforme: méthanol. De cette façon, la concentration de tripentadecanoin est exactement connue. Objectif pour une concentration de 50 mg / L. Tripentadecanoin sert d'étalon interne pour la quantification des acides gras.
  2. Ajouter 1 ml de chloroforme: méthanol 04:05 (v / v) contenant tripentadecanoin à chaque tube de battage (spécifié dans les réactifs et tableau des équipements). Vérifiez qu'il n'y a pas de perles restantes à l'intérieur du capuchon du tube de BeadBeater, cela se traduira par une fuite des tubes. Utiliser une pipette volumétrique pour plus précise de solvants.
  3. Perle battre les tubes perle de batteur 8x à 2500 tours par minute pendant 60 secondes, chaque fois avec un 120 sec interne entre chaque battement.
  4. Transférer la solution des tubes perle de batteur à 15 ml tube de centrifugation en verre résistant à la chaleur propre avec insert en Téflon capsules à vis. Assurez-vous de transférer toutes les perles du tube de battage de perles ainsi.
  5. Pour n'étaith le tube de battage de talon, ajouter 1 ml de chloroforme: methanol 04:05 (v / v) contenant tripentadecanoin dans le tube de battage de talon, à proximité capuchon et mélanger, et transférer cette solution sur le même tube de verre provenant de l'étape 2.4. Laver le tube trois fois (au total 4 ml de chloroforme: méthanol 04:05 (v / v) contenant tripentadecanoin est utilisé par échantillon - 1 ml ajoutés à l'étape 2.2 et 3 ml pour 3 étapes de lavage).
  6. Vortex les tubes en verre pour 5 s et de traitement par ultrasons dans un bain de sonication pendant 10 min.
  7. Ajouter 2,5 ml d'eau MilliQ, contenant 50 mM de 2-amino-2-hydroxyméthyl-propane-1 ,3-diol (Tris) et 1 M de NaCl, qui est réglée à un pH de 7 en utilisant une solution de HCl. Cela entraînera une séparation de phases entre du chloroforme et de méthanol: eau. 1 M de NaCl est utilisé pour améliorer l'équilibre des lipides vers la phase de chloroforme.
  8. Vortex pendant 5 secondes, puis sonication pendant 10 min.
  9. Centrifuger pendant 5 minutes à 1200 x g.
  10. Transférer la phase chloroformique à l'(phase inférieure) dans un tube en verre propre en utilisant un pipett Pasteur en verree. Assurez-vous de ne pas transférer tout ou interphase phase supérieure.
  11. Ré-extraire l'échantillon en ajoutant 1 ml de chloroforme à ancien tube (contenant le méthanol: solution d'eau).
  12. Vortex pendant 5 secondes, puis sonication pendant 10 min.
  13. Centrifuger pendant 5 minutes à 1200 x g.
  14. Recueillir la phase de chloroforme (phase inférieure) en utilisant une pipette Pasteur et la piscine de verre avec la première fraction chloroformique de l'étape 2.10.
  15. Si des difficultés sont expérimentés dans la collecte de la fraction chloroforme ensemble à l'étape précédente, répétez les étapes 2.11 à 2.14. Sinon, passez à l'étape 2.16.
  16. On évapore le chloroforme à partir du tube dans un courant d'azote gazeux. Après cette étape, les échantillons peuvent être conservés à -20 ° C sous une atmosphère d'azote gazeux.

3. Transestérification pour esters méthyliques d'acides gras

  1. Ajouter 3 ml de methanol contenant 5% (v / v) d'acide sulfurique dans le tube contenant les lipides extraits secs (tubes contenant l'origine de la fraction chloroforme) etfermer hermétiquement le tube.
  2. Vortex pendant 5 sec.
  3. Incuber les échantillons pendant 3 heures à 70 ° C dans un bloc chauffant ou un bain d'eau. Périodiquement (tous les ± 30 min) veiller à ce que les échantillons ne sont pas en ébullition (causée par un couvercle mal fermé) et les tubes vortex. Au cours de cette réaction sont des acides gras méthylés de leurs esters méthyliques d'acides gras (FAME).
  4. Échantillons refroidir à température ambiante et ajouter 3 ml eau MilliQ et 3 ml de n-hexane.
  5. Vortex pendant 5 secondes et on mélange pendant 15 min avec un rotateur pour tubes à essais.
  6. Centrifuger pendant 5 minutes à 1200 x g.
  7. Recueillir 2 ml de la phase hexane (en haut) et mettre dans un tube de verre frais en utilisant une pipette Pasteur en verre.
  8. Ajouter l'eau de 2 ml de la phase d'hexane recueillies à laver.
  9. Vortex pendant 5 secondes et centrifuger pendant 5 min à 1200 x g. Après cette étape, il est possible de conserver les échantillons à -20 ° C sous atmosphère d'azote gazeux (de séparation de phase n'est pas nécessaire).

4. Quantification des FAMEs Uchantent chromatographie en phase gazeuse

  1. Remplir des flacons en GC de la phase d'hexane (phase supérieure) à l'aide d'une pipette Pasteur en verre.
  2. Placez les bouchons sur les flacons de GC. Assurez-vous que les bouchons sont complètement scellés, et ne peuvent pas être transformés, pour éviter l'évaporation de la fiole.
  3. Remplir les solvants de lavage de GC (hexane), vider les flacons de déchets, et de mettre en flacons d'échantillon échantillonneur automatique. Avant d'exécuter les échantillons réels sur le GC, première manche 2 blancs ne contenant que de l'hexane sur le GC.
  4. Analyser les échantillons avec un GC-FID avec une colonne Nukol (30 mx 0,53 mm x 1,0 um). Utilisez la température d'entrée de 250 ° C et utiliser de l'hélium comme gaz porteur, la pression de 81,7 kPa et rapport de division de 0,1:1, débit total: 20 ml / min. Température du détecteur FID à 270 ° C avec H 2 débit de 40 ml / min, débit de 400 ml / min de débit d'air et il taux de 9,3 ml / min de débit. Régler le volume d'injection de 1 pl / échantillon. Avant et après lavage injecteur avec du n-hexane. Température initiale du four est réglé à 90 ° C pendant 0,5 min et ensuite soulevé l'esprith 20 ° C / min jusqu'à une température de four de 200 ° C soit atteinte. La température du four est ensuite maintenue à 200 ° C pendant 39 min. Une durée totale est de 45 min.

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Representative Results

Un chromatogramme typique que l'on obtient via ce procédé est présenté sur la figure 1. FAME sont séparés par taille et le degré de saturation par la colonne de GC et le protocole utilisé. Plus courtes longueurs d'acides gras à chaîne et d'acides gras saturés (plus moins de doubles liaisons) ont des temps de rétention. La colonne de CPG utilisée protocole et n'ont pas l'intention de séparer les isomères d'acides gras (même longueur de chaîne et le degré de saturation, mais différentes positions des doubles liaisons), mais cela pourrait être réalisé en utilisant une colonne de CPG et de protocole différent.

La concentration d'acide gras et de la composition peuvent être calculées en utilisant l'aire des pics de CPG, de la concentration de l'étalon interne (mg / L) (étape 2.1), et la quantité de biomasse ajoutée à l'échantillon (mg) (étape 1.1.2 ou 1.2. 6, selon lequel l'échantillon protocole de préparation a été choisi).

Le contenu de chaque acide gras particulier dans la biomasse (acide gras mg / g de poids sec) peut être déterminée b y

Equation 1
Avec Zone de FAME individu tel que déterminé par l'intégration du chromatogramme GC (Figure 1); zone de C15: 0 FAME tel que déterminé par l'intégration du chromatogramme GC (figure 1);

Equation 2
Avec [EST] la concentration de tripentadecanoin dans le chloroforme: solution méthanolique tel que déterminé dans l'étape 2.1; MW C15: 0 FA la masse moléculaire de la C15: 0 acide gras (242,4 g / mol); MW C15: 0 TAG le poids moléculaire de tripentadecanoin (765,24 g / mol);

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Tel que déterminé par l'exécution des solutions d'étalonnage sur la GC, constituant de mélanges de C15: 0 FAME et FAME de tous les acides gras individuels prévus dans l'échantillon, avec [C15: 0 FAME dans la solution d'étalonnage] la concentration de C15: 0 FAME dans le solution d'étalonnage (mg / L); [FAME individuelle dans la solution d'étalonnage] la concentration du FAME individuelle dans la solution d'étalonnage (mg / L), et les zones telles que déterminées par intégration du chromatogramme de CPG de la solution d'étalonnage.

La teneur totale en acides gras peut être calculée comme la somme de tous les acides gras particuliers. L'abondance relative de chaque acide gras peut être calculé en divisant la concentration de chaque acide gras particulier par la teneur totale en acides gras.

La composition en acides gras et la teneur de Scenedesmus obliquus UTEX393 (Chlorophyceae) sous deux remplie d'azote et épuiser conditions estreprésenté sur la Figure 2. composition en acides gras et le contenu sont très touchés par la famine d'azote. Dans S. obliquus, C16: 0 (acide palmitique) et C18: 1 (acide oléique) sont les deux acides gras les plus abondants.

La composition en acides gras et la teneur de Phaeodactylum tricornutum UTEX640 (diatomée) sous la fois rempli d'azote et d'épuiser les conditions sont indiqués sur la figure 3. Semblable à S. obliquus, la teneur en acide gras et de la composition sont fortement affectées par la privation d'azote. P. tricornutum produit également des quantités substantielles d'acides gras hautement insaturés, tels que C20: 5 (acide eicosapentaénoïque, de l'EPA), ainsi que les acides gras à chaîne très longue (acide lignocérique, C24: 0), qui peuvent être détectées par cette méthode.

Figure 1 < br /> Figure 1. Représentative chromatogramme GC-FID. Un échantillon dérivé de Scenedesmus obliquus exposée à la famine de l'azote a été utilisé. Seuls les 20 premières minutes du chromatogramme sont présentées. Au bout de 20 min pas de pics ont été détectés dans l'échantillon.

Figure 2
Figure 2. Composition des acides gras (de l'abondance relative des acides gras) de Scenedesmus obliquus (Chlorophyceae) dans les deux suffisamment d'azote (barres noires) et azote conditions de culture privés (barres blanches). L'ensemble des teneurs en acides gras étaient de 8,6 ± 0,5% et 44,7 ± 1,7% ( % de poids sec) sous atmosphère d'azote et d'azote suffisante privé conditions de culture, respectivement. Les barres d'erreur indiquent la valeur la plus élevée et la plus basse de deux répétitions d'analyse.

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Figure 3. Composition d'acide gras (abondance relative des acides gras) de Phaeodactylum tricornutum (diatomée) sous azote suffisantes deux (barres noires) et des conditions de culture azote privées (barres blanches). Le total des teneurs en acides gras ont été de 11,7 ± 0,9% et 30,5 ± 1,1% (% du poids sec) sous azote conditions de culture suffisantes et d'azote privé, respectivement. Les barres d'erreur indiquent la valeur la plus élevée et la plus basse de deux répétitions d'analyse.

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Discussion

Le procédé décrit peut être utilisé pour déterminer le contenu ainsi que la composition des acides gras totaux présents dans la biomasse de micro-algues. Les acides gras dérivés de toutes les classes de lipides, y compris le stockage (TAG), ainsi que des lipides membranaires (phospholipides et glycolipides), sont détectés. Toutes les longueurs de chaîne d'acides gras et les degrés de saturation qui sont présentes dans les micro-algues peuvent être détectées et distinguées. La méthode est basée sur la rupture mécanique des cellules, le solvant d'extraction à base de lipide, la transestérification des acides gras à FAME, et la quantification de FAME à l'aide de Chromatographie en phase gazeuse en combinaison avec un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID). Cette méthode nécessite de faibles quantités d'échantillon (5 mg), est précis et reproductible et peut être utilisé chez une grande variété d'espèces de microalgues. Cette méthode est destinée à être utilisée à des fins d'analyse et est spécialement conçu pour l'utilisation de petits échantillons. Le procédé n'est pas destiné à être mis à l'échelle en place et utilisée pour l'extraction de grosla quantité d'acides gras de microalgues. Une limitation de cette méthode est qu'il est laborieux et il peut prendre quelques jours de démarrer la procédure de l'obtention de résultats. En particulier dans le cas de la surveillance de processus pour la production d'acide gras de microalgues industriel cela peut être considéré comme une limitation. Si des résultats plus rapides sont nécessaires, d'autres options telles que la coloration avec des colorants fluorescents lipophiles pourraient être plus appropriés. Les recommandations suivantes sont faites à l'égard de l'exécution de la procédure d'analyse:

  1. L'extraction et la procédure de transestérification sont normalisés en utilisant un triacylglycérol (tripentadecanoin) comme étalon interne. L'utilisation d'un étalon interne est couramment utilisée pour la quantification des échantillons en utilisant des FAMEs chromatographie en phase gazeuse, mais le plus souvent un étalon interne est utilisé FAME. Il est recommandé d'utiliser un étalon interne de TAG plutôt que d'une norme interne de FAME et de l'ajouter avant la rupture des cellules et extraction par solvant. Pertes possibles lors de lipides extraction ou transestérification incomplète peuvent alors être corrigées pour tenir compte, car il est prévu que des pertes similaires se produiraient à l'étalon interne. Un étalon interne doit être utilisé que ne coéluent avec des acides gras produits par des microalgues. Parce que les microalgues produisent des acides gras à nombre pair de carbone, un TAG contenant un acide gras comportant un nombre impair d'atomes de carbone est un bon candidat. Étant donné que la colonne de CPG et de protocole non seulement séparée sur une longueur de chaîne mais également du degré d'insaturation, un acide gras saturé numéroté impair pourrait hypothétiquement co-élution avec un acide gras insaturé de numéro pair. Il devrait être validée que l'étalon interne utilisé n'est pas co-élution avec des acides gras présents naturellement dans l'échantillon. Dans notre expérience avec divers micro-algues, tripentadecanoin (TAG contenant trois C15: 0 acides gras) ne coéluent avec des acides gras naturellement présents dans les micro-algues.
  2. Saturés et des acides gras hautement insaturés donnent des réponses différentes GC-FID (les zones de pointe) à des concentrations identiques. C'est pourquoi les normes de FAME doit être utilisé pour le calibrage et la détermination des facteurs de réponse relatifs des différents acides gras tels que décrits dans la section des résultats représentatifs. Normes de FAMEs peuvent également être utilisés pour déterminer les temps de rétention d'acides gras individuels. En variante, GC-MS peut être utilisée pour l'identification d'acides gras.
  3. À la fois le temps de rétention relatif et de facteur d'acides gras individuels de réaction va changer avec l'âge de l'équipement de GC. Étalonnage fréquent des temps de rétention et par rapport facteur de réponse est donc recommandé.
  4. Perturbation mécanique des cellules est une étape importante dans cette méthode. Il est réalisé grâce à une combinaison de lyophilisation, bourrelet battement et sonication. Sans rupture des cellules, il est possible que tous les lipides sont extraits 9,13. Peut-être, certaines des mesures de perturbation de la cellule sont perturbation de cellules redondantes et moins étendue (par exemple perle court de temps de battement) peut donner le même resultats pour certaines espèces de microalgues ou de la biomasse provenant de certaines conditions de culture. Ce devrait validation pour chaque situation spécifique cependant, donc le vaste protocole de perturbation proposée est recommandé.
  5. Au cours de la procédure d'analyse, les solvants utilisés peuvent extraire les composants des tubes en plastique et embouts de pipette utilisés. Ces composants extraits peuvent interférer avec la détection des EMAG par GC-FID. Surtout, de longues périodes perle-beat et haute température pendant perle de battre entraînera composants contaminants. Notre expérience est que les composants extraits des tubes perle-beat se traduira par quelques pics supplémentaires dans le chromatogramme GC-FID, dont certains superposition avec FAMEs d'algues dérivés (principalement les acides gras saturés). Lorsque le procédé est exécuté sous la forme proposée, ce n'est jamais plus de 1-2% de la surface totale des pics. Refroidissement des tubes de perles batteur pendant perle de battre et d'utiliser de plus grandes quantités de biomasse par exemple permettra de réduire le pic relatifaire de ces pics dérivés de plastique. Il est recommandé d'utiliser des pipettes en verre et des tubes de verre, autant que possible tout au long du protocole. En outre, l'utilisation de flans pour vérifier et corriger les composants extraits de matières plastiques, mais aussi de vérifier et de corriger les contaminations par exemple dans les solvants utilisés, est recommandé.
  6. Pendant le processus perle de battre, à la fois la perle batteur et les tubes de perles batteur va chauffer. Lorsque bourrelet battement pendant un temps beaucoup plus long ou rpm beaucoup plus élevée que celle proposée dans ce procédé, et en l'absence de refroidissement est appliqué entre les deux, ce qui peut entraîner l'ébullition du solvant et éventuellement une rupture des tubes. Cela se traduira par une perte de l'échantillon. Dans notre expérience, cette situation se produit lorsque perles battre pour plus de 6 min à 6000 rpm.
  7. Les microalgues peut produire des acides gras hautement insaturés, qui peuvent être sensibles à l'oxydation. Ryckebosch et al. 9 observé aucun changement dans la composition en acides gras de l'oxydation provoquée par insaturé facides Atty au cours des différentes procédures d'extraction. Il a été proposé que les antioxydants naturels dans les micro-algues protègent ces acides gras insaturés de l'oxydation. Si on pense que l'oxydation peut se produire, une possibilité consisterait à ajouter un antioxydant synthétique tel que le butylhydroxytoluène (BHT), tant que l'antioxydant n'est pas co-éluer avec FAME, et aussi longtemps que la quantité d'antioxydant utilisée n'interfère pas avec la chromatographie 9. Pour empêcher l'oxydation pendant le stockage à long terme, il est recommandé de conserver les échantillons à -80 ° C sous une atmosphère d'azote gazeux.
  8. Lipases présentes dans les micro-algues peuvent potentiellement hydrolyser les lipides au cours de la procédure d'analyse et donc affecter les résultats. Ryckebosch et al. 9 ont trouvé que la lyophilisation inactive lipases. En outre, les lipases ne dégradent pas les acides gras, mais il suffit de les détacher dans le groupe de glycérol de glycérolipides. Ainsi, l'activité de la lipase ne doit pas interférer avec l'aci gras présentéd protocole. Enzymes impliquées dans la dégradation des acides gras agissent sur Coenzyme A activés acides gras et l'apparition d'une telle dégradation lors de l'extraction ne semble donc pas probable. Néanmoins, dans le cas où l'on soupçonne que la dégradation enzymatique des acides gras de glycérolipides pourrait affecter les résultats, une possibilité consisterait à ajouter un inhibiteur de lipase, tel que l'isopropanol, à condition que l'inhibiteur ne pas interférer avec le procédé d'analyse lui-même 9.

Ce procédé pourrait être étendu à quantifier et à déterminer la composition d'acide gras des lipides neutres (TAG) et les lipides polaires (phospholipides, glycolipides) en utilisant une extraction en phase solide (SPE) de l'étape de séparation, entre l'étape 2 (extraction des lipides) et l'étape 3 (transestérification ), comme décrit par exemple par Breuer et al. 1. En variante, une Chromatographie sur couche mince (TLC), l'étape peut être utilisé pour séparer différentes classes de lipides polaires, par exemple comme décrit par Wang et Benning 28.

Ce procédé pourrait être étendu à être utilisés dans, par exemple, les plantes, les tissus animaux et d'autres micro-organismes. En raison de l'importance accordée à la rupture des cellules, cette méthode est principalement adapté à l'analyse des acides gras dans des matériaux qui sont très difficiles à extraire.

La partie d'extraction du procédé (étapes 1 et 2) pourrait être utilisé pour l'extraction des pigments et autres composants lipophiles 23,25. La procédure d'interruption de cellule pourrait être utilisé pour l'extraction d'autres composants tels que de l'amidon ou des glucides par l'utilisation d'autres systèmes de solvant (y compris l'eau).

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Disclosures

Les auteurs ont rien à révéler.

Acknowledgments

Une partie de ce travail a été soutenu financièrement par l'Institut pour la promotion de l'innovation par la science et de la technologie-recherche stratégique de base (IWT-SBO) Lumière du soleil de projet et les cellules Biosolar. Erik Bolder et BackKim Nguyen sont reconnus pour leur contribution à l'optimisation de la procédure de coups de talon.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
tripentadecanoin (C15:0 TAG) Sigma Aldrich T4257 CAS Number 7370-46-9
TAG or FAME standards of all fatty acids expected in sample Sigma Aldrich
TAG or FAME standards of all fatty acids expected in sample Lipidox
TAG or FAME standards of all fatty acids expected in sample Larodan
Beadbeater Bertin Technologies Precellys 24
beadbeater tubes MP Biomedicals Lysing matrix E
116914500
GC-FID Hewlett-Packer HP6871
GC column Supelco Nukol 25357
Positive displacement pipette 100-1000μl Mettler Toledo MR-1000
Positive displacement pipet tips C-1000 Mettler Toledo C-1000
Pipetvuller, Pi-Pump 2 ml VWR 612-1925
glass tubes VWR SCERE5100160011G1
TUBE 16 X 100 MM BOROSILICATE 5.1 1 * 1.000 VWR SCERE5100160011G1
Teflon coated screw-caps VWR SCERKSSR15415BY10
STUART SCIENTIFIC SB2 test tube rotator VWR 445-2101
Heated Evaporator/Concentrator Cole-Parmer YO-28690-25

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