Pre-processing of red seaweeds to increase the protein yield

Abstract

<p>There is an increasing need for new sustainable food sources to meet the demands of a growing population. Marine protein, mainly from fish, constitutes 6.2 % of the global protein consumption today. The marine environments have the potential to play a significant role in future food security by increasing the utilisation of traditional and new species. Seaweeds have a long tradition as a food source and are gaining interest as a potential protein source. The rigid cell wall in seaweeds makes digestion and extraction of protein and other valuable components challenging. There are several new, sustainable methods of extraction that are being investigated for efficient disruption of the cell wall structures. This includes methods such as pulsed electric field, ultrasound, and enzymes. <p>This thesis aimed to investigate the efficiency of novel, greener processing techniques to increase protein yields from the red seaweed <i>Palmaria palmata</i>. The methods investigated were pulsed electric field, ultrasound, and enzymes. In addition, the seasonal variation of the biochemical composition of <i>P. palmata</i> was investigated to optimise utilisation and identify potential bottlenecks for consumption. <p>Pulsed electric field and ultrasound treatments of <i>P. palmata</i> showed limited effect on disrupting the cell wall structures, where the supernatants were rich in galactose and ash, and contained limited amounts of protein. Enzymatic-assisted extraction, on the other hand, showed a high potential in disrupting the cell wall structures, increasing the extraction yields of xylose and glucose significantly. This resulted in a protein enrichment in the pellets. There were no synergistic or additive effects by combining pulsed electric field or ultrasound with enzymatic extraction. The protein-enriched pellets have a high potential as a food and feed ingredient. <p>The analysed compounds in <i>P. palmata</i> showed a clear seasonal trend, with higher protein, ash and iodine contents during winter and spring and lower contents during summer and autumn. The dry matter and sugar (carbohydrates) contents showed an opposite trend. In addition to seasonal variations, there were significant differences between two harvesting sites that represented highly different environments. At one of the sites, the material was harvested in the intertidal zone (Håkøybotn), whereas at the other site (Kårvik), the material was harvested from a floating bridge where the material was permanently submerged underwater. This was reflected in the protein and iodine content, with higher protein content in the material from Kårvik, and higher iodine content in the material from Håkøybotn. It is important to have knowledge about such seasonal and geographical impacts on the biochemical composition when choosing a harvesting site and time, as it can have a large effect on the final products.

<p>Det er et økende behov for nye bærekraftige matkilder for å møte kravene til en voksende befolkning. Marint protein, hovedsakelig fra fisk, utgjør i dag 6,2 % av det globale proteininntaket. De marine miljøene har potensial til å spille en betydelig rolle i fremtidig matsikkerhet ved økt utnyttelse av tradisjonelle og nye arter. Sjøgress har en lang tradisjon som matkilde og får økende interesse som en potensiell proteinkilde. Den stive celleveggen i tang og tare gjør fordøyelse og ekstraksjon av protein og andre verdifulle komponenter utfordrende. Det er flere nye, bærekraftige metoder for ekstraksjon som undersøkes for effektiv forstyrrelse av celleveggstrukturer. Dette inkluderer metoder som pulserende elektrisk felt, ultralyd og enzymer. <p>Denne avhandlingen hadde som mål å undersøke effektiviteten av nye, grønnere prosesseringsteknikker for å øke proteinutbyttet fra den røde algen <i>Palmaria palmata</i>. Metodene som ble undersøkt var pulserende elektrisk felt, ultralyd og enzymer. I tillegg ble den sesongmessige variasjonen av den biokjemiske sammensetningen av <i>P. palmata</i> undersøkt for å optimalisere utnyttelsen og identifisere potensielle flaskehalser for konsum. <p>Behandlinger med pulserende elektrisk felt og ultralyd av <i>P. palmata</i> viste begrenset effekt på å forstyrre celleveggstrukturene, hvor supernatantene var rike på galaktose og aske, og inneholdt begrensede mengder protein. Enzymassistert ekstrakjon, derimot, viste et høyt potensial i å forstyrre celleveggstrukturene, og økte ekstraksjonsutbyttet av xylose og glukose betydelig. Dette resulterte i en proteinberikelse i pelleten. Det var ingen synergistiske eller additive effekter ved å kombinere pulserende elektrisk felt eller ultralyd med enzymatisk utvinning. De proteinberikede pelletene har et høyt potensial som mat- og fôringrediens. <p>De analyserte forbindelsene i <i>P. palmata</i> viste en klar sesongmessig trend, med høyere protein, aske og jodinnhold om vinteren og våren, og lavere innhold om sommeren og høsten. Tørrstoff og sukkerinnholdet (karbohydrater) viste en motsatt trend. I tillegg til sesongvariasjoner var det betydelige forskjeller mellom to høstingssteder som representerte svært forskjellige miljøer. På det ene stedet ble materialet høstet i tidevannssonen (Håkøybotn), mens det på det andre stedet (Kårvik) ble høstet fra en flytebrygge hvor materialet var permanent under vann. Dette ble reflektert i protein og jodinnholdet, med høyere proteinnivå i materialet fra Kårvik, og høyere jodinnhold i materialet fra Håkøybotn. Det er viktig å ha kunnskap om slike sesongmessige og geografiske påvirkninger på den biokjemiske sammensetningen når man velger høstingssted og tid, da dette kan ha stor effekt på sluttproduktene.