Chimia Algelor Marine

MINISTERUL EDUCAȚIEI NAȚIONALE SI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE

UNIVERSITATEA „OVIDIUS” DIN CONSTANȚA

FACULTATEA DE ȘTIINȚE APLICATE ȘI INGINERIE

SPECIALIZAREA: CHIMIE

LUCRARE DE LICENȚĂ

Coordonator științific:

Conf. univ. dr. ANCA DUMBRAVĂ

Absolvent:

CUCU ANTONIA BIANCA

CONSTANȚA

2016

MINISTERUL EDUCAȚIEI NAȚIONALE SI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE

UNIVERSITATEA „OVIDIUS” DIN CONSTANȚA

FACULTATEA DE ȘTIINȚE APLICATE ȘI INGINERIE

SPECIALIZAREA: CHIMIE

CHIMIA ALGELOR MARINE

Coordonator științific:

Conf . univ . dr . ANCA DUMBRAVĂ

Absolvent:

CUCU ANTONIA BIANCA

CONSTANȚA

2016

Rezumat

Lucrarea „Chimia algelor marine” este structurată în trei capitole.

În primul capitol al lucrării se prezentă informații generale în legătură cu algele marine, importanța lor ca aliment sau materie primă pentru obținerea unor compuși organici, clasificarea lor și compoziția chimică. Sunt descriși cei mai importanți compuși care intră în compoziția algelor marine și modalități de obținere a acestora.

În capitolul doi sunt descrise nanomateriale și materiale hibride pe bază de alginat, respectiv alginat nanostructurat, un domeniu modern și relativ nou al chimiei materialelor.

Cel de-al treilea capitol al lucrării reprezintă partea experimentală, în cadrul căreia s-a obținut alginatul de calciu din alge verzi culese de pe țărmul românesc al Mării Negre și s-a utilizat pentru obținerea unor materiale hibride anorganice – organice. Ca materiale anorganice s-au folosit un metal (argintul recuperat din resturi de argint, cu obținerea Ag@alginat) și un semiconductor cu bandă largă, care are multiple aplicații datorită proprietăților sale deosebite (oxidul de zinc, care a condus la ZnO@alginat). Prin experimentele realizate pe animalele de laborator, în care s-a utilizat pulbere de ZnO@alginat, s-a demonstrat creșterea eficienței oxidului de zinc în tratarea unor răni, prin încorporarea sa într-o matrice de alginat.

Cuprins

Introducere

Algele marine reprezintă o resursă naturală ușor accesibilă și cu un potențial de valorificare superior celui actual. Chimia marină, în general, cât și chimia algelor marine, reprezintă domenii foarte ofertante de studiu și de cercetare.

În lucrarea de licență ne-am propus să realizăm o sinteză a informațiilor legate de posibilitatea obținerii unor compuși chimici din algele marine. În mod tradițional, algele marine sunt surse de polizaharide, dar chimia modernă poate fi aplicată și în domeniul valorificării algelor. Astfel, nanoparticulele de alginat sunt importante mai ales prin faptul ca în interiorul lor pot fi încapsulate substanțe care se folosesc ca medicamente. Polizaharidele din alge pot fi utilizate și la obținerea materialelor hibride, având rolul de a acoperi nanoparticulele obținute în soluții care conțin, de exemplu, alginați solubili.

În partea experimentală ne-am propus obținerea unor materiale hibride anorganice – organice, care să îmbine proprietățile antioxidante ale substratului anorganic cu proprietățile dermoprotectoare și dermoreparatoare ale alginatului, și care să poată fi incluse în preparate topice.

I. ALGELE MARINE

I.1. Generalități

Mediul acvatic oferă o vastă gamă de alge, cele mai multe specii fiind de nivel microscopic și unicelulare. Algele fac parte din grupul Thallophyta, acestea au mărimi de oridnul micronilori până la taluri de zeci de metri. Pe malul Mării Negre prima și cea mai cunoscută algă este Ulva Lactuca sub denumirea locală de „sălățica de mare” [ ].

Culorile algelor se datorează diferiților pigmenți care absorb lumina (domeniul 300-700 nm). Reproducerea se realizeză asexuat (mitoză și fragmentare) și asexuat (gameți mobili). Algele folosesc ca sursă de carbon dioxidul de carbon și ionul bicarbonat (HCO3-), prin fotosinteza realizată de către pigmenți, se obține energia necesară procesului, oxigenul rezultat fiind efectul secundar [].

Una din primele utilizări ale algelor de către oameni este ca aliment, astfel de utilizări fiind consemnate în literatura chineză din secolele VIII-VI î.e.n. În Japonia se consumă produsul „konbu”, preparat din specii de Laminara și Alaria [Error: Reference source not found]. Singura țară europeană care a stabilit reguli specifice pentru folosirea algelor ca ingredient sau legume este Franța (în anul 1993) []. În timp s-a ajuns și la consumarea speciilor de Laminaria Saccharina, Algaria Esculenta, Porphyra Umbilicalis, Rhodymenia Palmate și Ulva, în țări precum Irlanda, Norvegia și, bineînțeles, și în Franța [Error: Reference source not found].

Norvegia este statul care în anul 1960 a produs din alge marine brune, uscându-le și măcinându-le, “făina de alge”. Uscarea se efectuează, în prezent, în cuptoare cu combustibil lichid, costurile fiind influențate și de prețul petrolului brut. Pentru obținerea de 10.000 de tone de făină de alge este necesară o cantitate de 50.000 de tone de alge marine umede. Algele constituie un adaos nutritiv în hrana păsărilor și a animalelor datorită conținutului ridicat în vitamine și săruri minerale. După extracția polizaharidelor, majoritatea algelor se utilizează ca furaje [].

În ceea ce privește prelucrarea algelor, principalele perfecționări tehnologice ce au fost aduse în decursul anilor se referă în special la fazele de purificare.

Plantele marine se remarcă prin conținutul ridicat de polizaharide, ale căror proprietăți determină o gamă variată de aplicații în industria alimentară, industria ușoară, farmacie, medicină și cosmetică. Dintre poliozele existente în cantități valorificabile sunt importante în special acidul alginic și sărurile sale, agarul și caragenanul. Sub denumirea de ,,alginați’’se includ acidul alginic, sărurile sale cu metale sau baze organice și derivații săi organici.

Acidul alginic, unul din componenții structurali ai algelor (în special algele brune Phaeophyta), se găsește în plante sub formă de sare a unui copolimer al acizilor D-manuronic și L-guluronic. Prezența sa este semnalată și în produsul exocelular al unor bacterii de tipul Azotobacter vinelandii [Error: Reference source not found].

Dacă acidul alginic și sărurile metalelor bi- și polivalente, insolubile în apă, se recomandă ca produse cu valoroase propietăți, alginații metalelor alcaline formează soluții apoase ale căror domenii de aplicabilitate sunt de asemenea variate. Alginatul de sodiu, de exemplu, cu diferite grade de polimerizare și puritate, se recomandă ca agent de îngroșare, stabilizare și emulsionare sau ca materie primă pentru realizarea unor geluri, filme sau fibre.

Deși această polizaharidă este practic prezentă în toate algele, exploatarea industrială privește numai un număr restrâns de specii, cu un conținut ridicat în acid alginic (de ex. Macrocystis pyrifera, Laminaria cloustonii, Laminaria digitata și Ascophyllum nodosum) sau mediu (de ex. Nereocystis luetkeana, Ecklonia maxima, Fucus vesiculosus, Fucus serratus și Laminaria sacchariana).

Agarul reprezintă principalul component care poate fi valorificat din anumite specii de alge roșii (Rhodophyta). Agarul este un compus macromolecular natural, având proprietăți care au condus la utilizarea lui în cele mai variate domenii, cum ar fi industria alimentară, industria ușoară, cosmetică, industria farmaceutică și medicină.

I.2. Clasificarea algelor

Algele marine sunt plante inferioare cu o organizare simplă, un corp ușor diferențiat, numit tal, constituit dintr-una sau mai multe celule. Înmulțirea lor are loc prin diviziune, spori sau gameți. Ciclul de dezvoltare constă la unele alge dintr-o singură generație, iar la altele, mai evoluate, din două generații alternante. Clasificarea în diviziuni se bazează pe proprietăți diferite, cum ar fi pigmentarea, natura chimică a produsului de stocare fotosintetic, organizarea membranelor fotosintetice și alte caracteristici morfologice. Cu numele de alge sunt denumite atât organisme procariote (fără nucleu individualizat) cât și organisme eucariote (cu nucleu individualizat). Din categoria procariotelor fac parte algele albastre-verzi. Dintre eucariote fac parte celelalte alge (verzi, brune, roșii, diatomee). Cele mai multe specii de alge sunt microscopice fiind denumite microalge și macroalge, plantele multicelulare în creștere, ele putând ajunge până la 60 de metri lungime [].

Microalgele au fost studiate la sfârșitul secolului al XIX-lea și au fost identificate aproximativ 40.000 de specii, speciile de alge cultivate reprezentând doar 10% din acestea. Microalgele sunt mecanisme acvatice unicelulare care se hrănesc prin fotosinteză. Microalgele oferă o bogată sursă de proteine, lipide, beta-caroten și acizi nucleici, elemente pe care le conțin de altfel oricare alte alimente din carne sau vegetale. Algele sunt convertori eficenți de energie solară datorită structurii lor celulare simple. Acestea sunt de interes pentru producătorii de biocombustibil datorită vitezei lor mari de creștere, toleranței la condiții de mediu nefavorabile, conținutul bogat în ulei. Cultivarea algelor marine nu concurează cu agricultura, neavând neapărat nevoie de sol pentru creștere, sunt extrem de biodegradabile și nu conțin sulf. De asemenea, pot fi folosite în zone cu cerințe limitate de apă [].

Mai multe tipuri de specii ale microalgelor: Tetraselmis, Nannochloropsis, Isochrysis, Pavlova, Chlorella, Chaetoceros, Skelotonema, Thassiosira și Nitzschia sunt crescute în scop comercial, pentru utilizarea în industria marină de pește, crustacee, unde aproximativ o cincime din biomasa de alge este transformată în produse, și utizată în acvacultură [Error: Reference source not found].

Macroalgele sunt fondatori ai multor ecosisteme de apă dulce, fiind plante acvatice multicelulare, fotosintetice și furnizează produse alimentare pentru o multitudine de organisme acvatice erbivore. Cresc pe substraturi pietroase stabile și prezintă o serie de tipuri: filamentoase, cu frunze, tubulare, taluri ramificate, tije și forme penate. Au un conținut maxim de clorofilă de 3 g care corespunde biomasei algale de circa 10 kg. Sunt clasificate în patru mari grupe în funcție de culoarea lor, care depinde de pigmentul ce predomină în celule [Error: Reference source not found]:

alge albastre, regnul Monera, Cyanophyta;

alge verzi, regnul Protista, Chlorophyta;

alge brune, regnul, Protista, Phaeophyta;

alge roșii, regnul Protista, Rhodophyta.

Regnul Monera cuprinde organisme procariote cu o organizare celulară, grupate în două încrengături: Schizophyta (Bacteriophyta) și Cyanophyta (cianobacterii). Mediul de viață al procariotelor este în sol, apă, aer, în corpul plantelor și animalelor. Bacteriile se hrănesc autrof și heterotrof [Error: Reference source not found].

Regnul Protista reprezintă un grup extrem de divers de organisme eucariote, care populează, în mod special, mediul umed sau în corpul plantelor și animalelor. Locomoția se realizează cu ajutorul flagelilor, pseudopodelor sau cililor.Au nutriție autotrofă sau heterotrofă, excepție făcând Euglena verde, care este mixotrofă [Error: Reference source not found].

Algele albastre-verzi, de asemenea numite și cianobacterii, sunt unicelulare, nu au nucleul legat de membrană, mitocondriile, aparatul Gogi, cloroplaste, reticulul endoplasmatic, apropiindu-se de bacterii prind modul lor de organizare. În citoplasmă se găsește un pigment asimilator numit ficocianobilina. Celulele algelor albastre au forme diferite: sferice, ovale, turtite, alungite, cu mărimi de la 0,5 la 60 microni. În colonii, algele albastre prezintă în ansamblu cu aspect globular, de șirag sau de filament. Toate funcțiile efectuate în eucariotele de aceste organisme membranare sunt efectuate la procariote prin membrana celulei bacteriene. Unele cianobacterii au vezicule de gaz care contribuie la flotabilitatea lor [].

Cianobacteriile cuprind doar o singură formă de clorofilă, clorofila a, un pigment de culoare verde. În plus, ele conțin diferite carotenoide gălbui, pigment albastru și în unele specii, se găsește pigmentul roșu. Cu toate acestea, multe specii sunt de fapt verzi, maro, galbene, negre sau roșii. Cele mai multe cianobacterii nu cresc în absența luminii, dar pot crește și în întuneric, dacă există o cantitate suficientă de glucoză pentru a acționa ca o sursă de carbon și energie. Pe lângă faptul că sunt fotosintetice, multe specii de cianobacterii pot „repara” atmosfera de azot, adică, pot transforma azotul molecular din aer în compuși care pot fi utilizați de către celulele vii. În Asia de Sud-Est, cianobacteriile fixatoare de azot de multe ori sunt crescute în orezării, eliminând astfel nevoia de a aplica îngrășăminte cu azot []. Algele albastre sunt foarte răspândite în natură, dar ele nu atrag deocamdată atenția datorită cantității reduse de biomasă accesibilă pentru valorificare.

Algele verzi, membrii ai diviziunii Chlorophyta, cuprind între 9 000 și 12 000 de specii, conținând pigmenți fotosintetici (clorofila a și b, caroten și xantofilă) și produsul de stocare (amidon) este format mai mult în cloroplaste, decât în citoplasmă. Talul lor poate fi laminar, alcătuit din două straturi de celule (Enteromorpha) sau filamentos-ramificat (Cladophora) având la bază un rizoid de ancorare și un perete celular de celuloză și pectină două straturi. Aceste formațiuni celulare se prezintă sub cele mai diverse forme, variind în mărime, includ forme (Actebularia, Caulerpa) unicelulare (Chlamydomonas), coloniale (Hydrodictyon, Volvox), filamentose (mătasea broaștei, Cladophora) și tubulare. Ele se găsesc în principal în habitatele de apă dulce și datează din urmă cu peste un miliard de ani, înainte de dezvoltarea plantelor []. Multe dintre algele verzi au o alternanță de faze haploide și diploide. Fazele haploide formează gametangia (organele sexuale de reproducere) și fazele diploide formează zoospori prin diviziunea de reducere (meioză). Există trei clase de Chlorophyta. Prima clasă, care conține cel mai mare număr de organisme, se numește Chlorophyceae, a doua clasă Charophyceae și a treia Ulvophyceae [Error: Reference source not found].

Algele brune, Phaeophyta se găsesc peste tot în lume, au în general, o organizare morfologică și anatomică destul de complexă, determinată de dimensiunile mari ale talurilor, care pot ajunge de la 70 la 100 m lungime, printr-o specializare a celulelor și țesuturilor. Cele mai mari alge brune sunt specia Varec. Morfologia talului este variată, cuprinzând forme filamentoase simple sau ramificate (Ectocarpaceae), laminare cu marginea întreagă (Laminaria) sau dantelată (Dictyota, Fucus) []. Ele cresc atașate de substraturile malurilor, doar un singur gen, Sargassum, are o formă liberă plutitoare. Conțin pigmenți din clorofila a, c, xantofile și fucox (fucoxanthin), o carotenoidă, care dau culoarea de galben-brun caracteristică. Acești pigmenți permit algelor brune să trăiască în ape mai adânci, deoarece sunt mai eficenți decât clorofila verde în absorția luminii solare. Algele brune au multe utilizări, în afară de furnizarea de hrană și habitat pentru animalele marine, acestea au fost prelucrate și utilizate ca îngrășăminte, dar și folosite ca aliment în mai multe părți ale lumii.

Algele roșii sunt plante marine unicelulare sau pluricelulare, numite și Rhodophyta, de culoare roșie sau roșie – violacee. Trăiesc în principal în apele de mică adâncime și mări tropicale adânci, câteva dintre specii apar și în apa dulce. Trăiesc atașate de roci printr-o structură numită piron iar unele specii încorporează carbonatul de calciu din ocean în pereții celulelor lor. Algele roșii conțin pigmenți din categoria ficobilinelor, care transferă energia absorbită clorofilelor, pentru fotosinteză. Pigmentul roșu este numit ficoeritrină iar pigmentul albastru este numit ficocianină. Ficobilinele absorb lumina verde, violet și albastră, care pot penetra apa adâncă. Acești pigmenți permit algelor roșii să fotosinteze în apă adâncă, cu puțină lumină disponibilă. Reproducerea în aceste organisme este un proces complex de faze sexuată și asexuată. Talul lor prezintă forme variate – filiforme simple, ramificate cu aspect de panglică sau frunză. În paralel cu diversitatea morfologică, se manifestă și cea anatomică, concretizată prin apariția unor țesuturi cu același grad de specializare ca al algelor brune [Error: Reference source not found].

I.3. Compoziția chimică a algelor

Compoziția chimică a algelor marine a reprezentat un subiect de mare interes pentru oamenii de știință. Aplicațiile multiple pe care și le-au găsit algele marine au constituit un motor care a antrenat și cercetarea în acest domeniu. Astfel, de la utilizările în industria alimentară, care au necesitat informații legate, de exemplu, de valoarea lor nutrițională și factorii care o influențează, până la utilizarea, mai recentă, în domeniul obținerii biocombustibililor, diferitele aspecte ale chimiei algelor marine au fost mereu în atenția cercetătorilor.

Polizaharide. Algele marine conțin polizaharide comune plantelor terestre, care au structuri macromoleculare formate din sute de mii de resturi de monozaharide, unite prin legături glicozidice. Polizaharidele sunt răspândite în plante, au aspect amorf dar cu ajutorul razelor X, au fost evidențiate existența unor zone cu structuri microcristaline. Polizaharidele sunt solide, insolubile sau greu solubile în apă, cu care formează soluții coloidale, la încălzire se descompun, nu prezintă gust dulce, iar prin hidroliză formează dizaharide și monozaharide, monozaharidele de tipul L-galactoză, 3,6-anhidro-D-galactoză, 3,6-anhidro-L-galactoză, L-fucoză, acizii D-manuronic și L-guluronic ce intră în structura polizaharidelor, fac parte din algele marine. Unele polizaharide conțin unități structurale esterificate cu acid sulfuric. În câteva cazuri, conținutul de sulf poate ajunge până la 30%.

Majoritatea polizaharidelor din algele marine intră în compoziția peretului celular. Acești compuși macromoleculari naturali sunt prezenți sub formă amorfă sau cristalină, alcătuind matricea și respectiv componenta fibrilară a membranelor celulare. Celuloza din alge este constituită, ca și cea din plantele superioare, din resturi de D-glucopiranoză unite 1,4-β-glicozidic.

Figura I.1.Structura macromoleculei de celuloză [].

La hidroliza totală a celulozei cu acid clorhidric de concentrație 40% se formează D-glucoza, cu randament de 96 – 98 %. La hidroliza parțială a celulozei se formează dizaharida numită celobioză, iar la hidroliza totală anhidro-β-D-glucopiranoza. Pe baza acestor rezultate s-a ajuns la concluzia că unitatea structurală cea mai simplă, denumită și unitate elementară de structură, a catenei macromoleculare de celuloză este anhidro-β-D-glucopiranoza. Celuloza constituie în majoritatea algelor componenta fibrilară din peretele celular, îndeplinind rolul de schelet [Error: Reference source not found].

Celuloza este un compus solid, de culoare albă, fără miros, cu o bună rezistență mecanică, insolubilă în apă și în solvenții organici uzuali, este solubilă în soluție de hidroxid de tetraaminocupru(II), [Cu(NH3)4](OH)2, numit și reactiv Schweizer. Este hidroscopică, reținând molecule de apă la suprafața zonelor microcristaline sau în interiorul zonelor amorfe. La încălzire se descompune fără să se topească. Propietățile chimice ale celulozei sunt datorate celor trei grupări hidroxil libere din fiecare unitate monomeră. Tratarea celulozei cu acid azotic duce la obținerea azotaților (nitraților) de celuloză [].

Amidonul este polizaharida de rezervă a plantelor, reprezentând o sursă potențială de glucoză. El se formează în frunzele plantelor în procesul de fotosinteză, din dioxid de carbon și apă. Este hidrolizat enzimatic în glucoză pentru a putea fi transportat în interiorul plantei până în locurile de depozitare, unde are loc refacerea amidonului.

Figura I.2. Structura moleculei de amiloză [Error: Reference source not found].

Amidonul nu este o substanță unitară, fiind alcătuită din două componente: amiloză (10-20%), cu structură liniară, și amilopectină (80-90%), cu structură ramificată, care se găsește în învelișul granului. Amidonul este o pulbere albă amorfă, insolubilă în apă rece, apa caldă determinând o umflare a granulelor, care la temperatură înaltă se sparg și formează soluții vâscoase sau geluri. La răcire, acestea trec într-un gel rigid. Amidonul formează cu iodul la rece o colorație albastră, care dispare la cald și reapare la rece. Colorația se datorează amilozei care formează un compus de incluziune prin pătrunderea iodului în spațiul din interiorul spirelor macromoleculare. Amilopectina formează cu iodul o colorație slab purpurie.

Agaroza constituie circa 70% din compoziția agarului și conține mai puțin de 10% din cantitatea totală de sulf. Acest compus macromolecular reprezintă de fapt un copolimer al 3,6-anhidro-α-L-galactozei cu β-D-galactoza, unite prin legături 1,3- și 1,4-glicozidice.

Polioza ulvina, izolată din specia Ulva lactuca la hidroliză conduce la D-xiloză(9,4%), L-ramnoză(31%), D-glucoză (19,2%), acid D-glucuronic(19,2%) și acid sulfuric (17,5%) [Error: Reference source not found].

Vitamine. Cantitățile de vitamine găsite în plantele marine sunt uneori comparabile cu cele existente în legume și fructe. Conținutul crește odată cu dezvoltarea plantei și atinge valoarea maxima la maturitate. Zona și anotimpul de recoltare influențează de asemenea concentrația în vitamine. În general, condițiile severe de climă conduc la scăderea cantităților de acid folic, niacină și riboflavină.

Vitamina B2 (riboflavina) este semnalată în multe alge marine. Se presupune că 56-96% din vitamin B2 se găsește sub formă legată. Ea este prezentă uneori în cantități mari și poate fi izolată sub formă cristalină. Vitamina B12 existentă în alge este pusă în evidență cantitativ la speciile Laminaria, Polysiphonia nigrescens și Rhodomela subfusca. Vitamina D și provitamina D sunt semnalate în unele plante marine, ca de exemplu în specia Ulva lactuca. Vitamina C (acidul ascorbic), ce caracterizează în general toate speciile studiate, se găsește în concentrații ce variază între 6-113 mg/100 g alge umede. Vitamina PP (nicotinamida) se izolează de unele specii de alge conținând între 14,1-25,5 µg/g.

Pigmenți vegetali. Din plantele marine se extrag și se separă pigmenții clorofilieni, carotenoizi și ficobilinici. Primele două grupe se găsesc în cloroplastele tuturor algelor, în timp ce fotobilinile caracterizează numai algele albastre și roșii. Insolubilă în apă, clorofila se poate extrage cu metanol din reziduul rămas după separarea polizaharidelor.

În tabelul I.1 se exemplifică compoziția chimică pentru câteva specii de microalge [Error: Reference source not found].

Tabelul I.1. Compoziția chimică (clase de compuși organici) pentru microalge [Error: Reference source not found].

Proteinele au structură macromoleculară și sunt produșii naturali care prin hidroliză trec în L-amino-acizi. Alături de apă, săruri anorganice, lipide, hidrați de carbon, acizi nucleici, vitamine, enzime ale materialelor lichide și gelificate din celule, proteinele sunt componentele importante și esențiale în funcționarea și susținerea interacțiunilor chimice și fizice necesare vieți. Proteinele au proprietatea de a fi specifice speciilor animale sau omului. Un exemplu concret îl reprezintă amidonul, glicogenul și grăsimile care nu diferă decat un pic de la o specie la alta. Proteina este de asemenea esențială în transformarea energiei chimice în energie mecanică, ea se găsește și în fibrele musculare din cilii și din flagelele organismelor inferioare [Error: Reference source not found].

Unul dintre cele mai vechi articole în legătură cu compoziția algelor marine, care a rămas mult timp ca lucrare de referință, a fost publicat în 1931 []. În cercetarea efectuată de autoarea articolului s-a determinat în principal compoziția elementală a unor specii de alge marine. În tabelul I.2 sunt prezentate principalele elemente identificate în algele marine și concentrația în care se găsesc în mai mult especii de alge, conform primelor informații disponibile [Error: Reference source not found].

Tabelul I.2. Compoziția chimică a unor alge marine [Error: Reference source not found].

În timp, au fost acumulate noi informații în legătură cu compoziția chimică a algelor marine, tehnicile experimentale moderne permițând o identificare mult mai precisă a compușilor care intră în compoziția algelor și a concentrației acestora.

De exemplu, specia Enteromorpha spp., o algă care se găsește în aproape toate mările și oceanele globului, a fost studiată ca potențială sursă de alimente. Analiza chimică a indicat că Enteromorpha spp. conține 9–14% proteine, 2–3,6% substanțe extractibile în eter, 32–36% cenușă, acizi grași n-3 și n-6 („n-3” și „n-6” indică poziția dublei legături C=C, numărând de la capătul care conține gruparea metil) 10,4 și 10.9 g/100 g cantitate totală de acizi grași. Proteinele din această specie de alge sunt ușor digerabile (au o digestibilitate de 98%) [].

În tablele I.3 și I.4 sunt redate informații în legătură cu compoziția elementală și conținutul de substanțe organice pentru Enteromorpha spp.

Tabelul I.3. Compoziția chimică a algelor marine Enteromorpha spp. [Error: Reference source not found].

Tabelul I.4. Tipurile și cantitățile de aminoacizi din Enteromorpha spp. [Error: Reference source not found].

Valoarea nutrițională a algelor reprezintă un subiect de actualitate, având în vedere posibila lor utilizare în alimentație. Efectul nutrițional a fost corelat cu cantitățile de fibre, substanțe minerale, lipide și vitamine [].

Habitatului și sezonul de vârstă al plantelor colectate, temperatura și salinitatea apei din jur, adâncimea de cufundare sunt factori care au o influență asupra naturii și cantității de constituenți prezenți în plantă; controlând acești factori externi, se poate ajunge la culture cu compoziții optime.

Asupra compoziției acidului alginic și alginaților, extrași din algele brune, au existat mult timp incertitudini. Conținutul de acid alginic din interiorul pereților celulari variază de la 14% la 40% din greutatea totală uscată. În algele marine brune, acidul alginic este prezent în principal sub formă de sare de calciu, cu toate că sărurile de magneziu, potasiu și sodiu pot fi de asemenea prezente. Algele marine brune (Alaria, Ascophyllum, Durvillea, Ecklonia, Egregia, Fucus, Laminaria, Turbinaria) constituie o importantă sursă de acid alginic. Acidul alginic este analog acidului pectic, însă este alcătuit din resturi ale acizilor D-manuronic și L-guluronic unite prin legături beta-1,4 glicozidice. Sub formă de extract, acidul alginic absoarbe apa rapid în proporție de 200-300 de ori față de propria masă. Culoarea sa variază de la alb la galben-brun. Azotul din acidul alginic nu se mai decelează astăzi în alginați purificați [Error: Reference source not found].

Figura I.3. Structura moleculei de acid alginic []

Formula brută a acidului alginic este (C13H20O14)n, excluzând prezența azotului din moleculă. Cercetările inițiale privind structura acestei polioze au evidențiat că alginatul este o glicoproteină constituită dintr-un suport azotat pe care sunt fixate un anumit numar de ,,verigi” tip hidrat de carbon, cu formula brută C13H20O14. Această polizaharidă este considerată inițial ca un homopolimer, constituit din unități de acid D-manuronic. Descoperirea acidului L-guluronic, alături de acidul D-manuronic, urmată de un studiu sistematic de structură a celor doi componenți, conduce la concluzia că acidul alginic este de fapt un amestec de doi homopolimeri sau un copolimer constituit din cele două unități structurale prezente: acidul D-manuronic și acidul L-guluronic. Pe baza cercetărilor efectuate se propune prima structură pentru acidul alginic ca un homopolimer liniar al acidului β-D-manuronic, sub formă piranozică []

După tratarea acidului alginic cu o soluție acidă metanolică, metilarea și oxidarea produsului, se constată prezența acidului D-manuronic sub forma unui 2,3,4-trimetilmanuronopiranozid. Derivatul metilat al acidului alginic, hidrolizat și oxidat simultan, conduce la acidul mezo-dimetoxisuccinic, dovadă incontestabilă a existenței grupelor metilice la C2 și C3 sau C4 și C5. Derivatul metilat al acidului alginic, hidrolizat cu o soluție metanolică de acid clorhidric, permite obținerea esterilor metilici ai 2,3-dimetil-D-manurozidelor, o probă certă a existenței grupelor metilice la C3 și C3.

Agarul. Utilizarea agarului își are originile în Japonia, în 1658, a fost folosit pentru prima dată în Orientul îndepărtat și mai târziu în restul țărilor producătoare de alge marine. Utilizarea acestuia a fost introdusă în Europa în 1859 și a fost folosit în medii de cultură bacteriologice în 1882 []. Agarul reprezintă un amestec bicomponent de polizaharide. Compoziția sa chimică este determinată, într-o măsură considerabilă, de specia de algă din care se izolează. Polioza separată din Gelidium amanasi, după acetilare, poate fi fracționată în două componente: una solubilă în cloroform, cu o structură liniară (agaroza) și alta insolubilă, ramificată (agaropectina). Agaroza reprezintă 70% din compoziția agarului și conține mai puțin de 10% din cantitatea totală de sulf [Error: Reference source not found]. Agarul este insolubil la rece, în stare uscată, dar solubil în apă caldă; în soluție diluată (1-2%) rămâne lichid la o temperatură care variază între 3-58 oC. Gelul său se topește la 90-100 oC.

În decursul anilor s-a descoperit că agarul este alcătuit din polioze polidisperse, formate din structuri ce sunt macromoleculare și similare, având gradul de substituție diferit. Macromoleculele acestei polizaharide sunt formate din: D-galactoză și 3,6-anhidro-L-galactoză. Absența metil-di-O-metil-D-galactozidei și dimetilacetalului 3,6-anhidro-L-galactozei din produșii de hidroliză confirmă ipoteza liniariății macromoleculei de agaroză[Error: Reference source not found].

În produșii de hidroliză ai agarului se găsesc și cantități mici de 6-O-metilgalactoză, D-xiloză, 4-O-metilgalactoză și acid piruvic. Cu excepția acidului piruvic, randamentele scăzute nu permit o precizare a distribuției acestor componenți în structura polimerului. Dimetilacetalul caracterizează fracțiunile agarului, cu un grad scăzut de esterificare. Agaroza reprezintă un copolimer liniar al D-galactozei și 3,6-anhidro-L-galactozei. Conținutul în sulf sugerează existența unei grupe esterice la 40 de resturi dizaharidice[].

Figura I.4. Structura chimică a agarului [Error: Reference source not found].

Caragenanul. Din unele alge (Chrondrus Crispus, Gigartina Stellata, Euchema spinosum) în Europa, Asia și America se izolează polioza cunoscută sub denumirea de caragenan, constituită dintr-un amestec de polizaharide asemănătoare din punct de vedere chimic. Prima fracționare a acestui produs s-a realizat pe baza solubilității sale în apă, la rece și la cald. Ulterior, prin utilizarea clorurii de potasiu se separă două fracțiuni distincte: K-caragenan (sub formă de precipitat), fracțiunea intermediară (precipită cu soluție de clorură de potasiu – 0,125 M) și λ-caragenan (în fracțiunea solubilă) [Error: Reference source not found]. Toți componenții astfel separați sunt eterogeni din punct de vedere chimic.

D-galactoza se identifică în produșii recției de hidroliză a caragenanului metilat. Izolarea D-galactozei într-o cantitate echivalentă cu cea de 3,6-anhidro-D-galactoză conduce la concluizia participării lor în structura caragenanului. În macromolecula K-caragenan unitățile structurale de D-galactoză-4-sulfat, legate 1,3-β-glicozidic, alternează cu cele de 3,6-anhidro-D-galactoză unite 1,4-α-glicozidic. Pentru fiecare a zecea moleculă de hexoză se presupune existența unor ramificații în poziția C6. K-caragenan este mai bogat în D-galactoză-4-sulfat. Conținutul total în sulfat al caragenanului este aproximativ de 28%, din care cea mai mare parte aparține fracțiunii λ [Error: Reference source not found].

Caragenanul, sau E407 ca aditiv alimentar, cu rol de îngroșare, gelifiant, emulgator și umectant, este utilizat pentru deserturi, geluri și glazuri, conserve de carne și hrană pentru animalele de companie. În plus, caragenanul interacționează cu proteinele pentru a stabiliza și îngroșa o gamă largă de produse: lapte, băuturi, shake-uri, înghețată și deserturi lactate. Caragenanul conduce la asimilarea lentă a mineralelor, fiind laxativ când se consumă în cantități mari [].

Figura I.5. Structura moleculară a diferitelor tipuri de caragenan [].

I.4. Prelucrarea algelor marine

Nutrienți minerali necesari pentru producerea algelor sunt: carbonul, fosforul, azotul, sulful, potasiul și magneziul. Elementele precum fierul și manganul sunt necesare în cantități mici, sodiul nu este necesar pentru multe specii. Alte posibile elemente precum cobalt, zinc, bor, cupru și molibden variază in funcție de fiecare specie de algă. Pe lângă elemntele de bază, unele alge (heterotrope) necesită și câteva elemente/substraturi organice: vitamine, acizi nucleici, factori de creștere etc. pentru dezvoltare [].

Ionii de calciu ajută la menținerea membranelor citoplasmatice, formării sărurilor cu coloizi și la precipitarea carbonatului de calciu. Calciul este implicat și în formarea citoscheletului algelor și poate fi depozitat pe pereții algelor sub formă de calcit și aragonit.

În figura I.3.1. se reprezintă materiile prime necesare creșterii algelor, sursele de energie implicate în procesul de dezvoltare a acestora, produsele care se pot obține din alge și utilizările lor [Error: Reference source not found].

Figura I.6. Potențialul biomasei de alge – materii prime, surse de energie, produse și aplicații [Error: Reference source not found].

Polizaharidele care se obțin din alge sunt agarul, alginatul (prin alginat înțelegânduse acidul alginic sau sărurile sale) și caragenanul.

În vederea producerilor agarului, alignatului și caragenanului, la cultivarea algelor trebuie să se aibă în vedere următoarele aspecte:

Ținându-se cont de biotopul original al algei care se dorește a se cultiva, trebuie să se țină cont ce concentrația totală de sare;

Pentru cultivarea cu succes a algei trebuie să existe o provizie suficientă de carbon, în special pentru cazurile în care aproape 50% din biomasa algei constă din carbon;

Azotul este al doilea element de bază, ca importanță, după carbon. Acest lucru se datorează faptului că în creșterea algei, biomasa algei este reprezentată de azot în proporție de 10%. Utilizarea azotaților, sărurilor de amoniu și ureei sunt cele mai bune soluții, alegerea îngrășământului trebuie făcută ținându-se cont și de partea economică, în funcție de specia de algă cu care se lucrează;

Trebuie să se țină cont și de concentrația celorlalte elemente importante pentru cultivarea algei: fosforul, potasiul, magneziul, sulfatul și sodiul;

De obicei, valoarea pH-ului trebuie menținută la un nivel mediu. Se recomandă obținerea unui pH cât mai neutru, însă se poate folosi și un pH ușor acidic;

Totodată, și elementele minore sunt esențiale în dezvoltarea culturilor, un element important fiind fierul;

Luând în calcul algele heterotrofe, trebuie adăugate componentele organice și substanțele pentru ajutarea creșterii (vitamine, hormoni etc.) [Error: Reference source not found].

Obținerea agarului. Agarul sse obține din algele marine crescute în ferme special în acest scop, după tehnologii ușor de realizat. Într-o primă etapă, algele marine se spală de impurități, se adaugă apă și apoi se încălzeșc, timp de câteva ore, algele în apă, în scopul dizolvării agarului din alge. După ce a avut loc dizolvarea agarului, amestecul este filtrat și se îndepărtează resturile de alge. Soluția filtrată este răcită și astfel se formează gelul. În funcție de necesitate, gelul este spălat pentru a elimina resturile de sare, eventual se foloseste și un înălbitor pentru decolorare. Pentru eliminarea apei din gel pot fi utilizate două procedee: înghețare-dezghețare și stoarcerea la presiune ridicată. Pentru eliminarea apei rămase se foloseste un cuptor cu aer cald. La final, produsul este măcinat până atinge mărimea dorită și se uniformizează. Procesul de producere a agarului este reprezentat schematic în figura I.7. [].

Figura I.7. Schema procesului de obținere a agarului din alge.

Obținerea alginatului. În procesul de obținere a alginatului se obține mai întâi alginatul de sodiu, solubil, prin transformarea tuturor alginaților din alge în săruri de sodiu. Soluția de alginat de sodiu se filtrează de resturile de alge marine. Recuperarea alginatului din soluția apoasă, care este foarte diluată, nu se recomandă să se facă prin evaporarea apei, existând două moduri de recuperare a alginatului:

– prin adăugarea unui acid. În mediu acid se va forma acidul alginic, insolubil în apă. Se obține un gel din care trebuie elimintă apa. Se adaugă apoi alcool și carbonat de sodiu, care transformă acidul alginic în alginat de sodiu. Alginatul de sodiu nu se dizolvă in amestecul de alcool și apă. Separarea finală se face prin centrifugare, uscare și măcinare până la mărimea dorită (în funcție de viitoare aplicație a sa).

– prin adăugare de sare de calciu. În prezența ionilor de calciu se formează texturi fibroase, care nu se dizolvă în apă și pot fi separate. În suspensia de alginat de calciu se poate adăuga acid, cu transformarea alginatului în acid alginic. Fibrele de acid alginic sunt ușor de separat. Pentru a obține alginatul de sodiu, peste acidul alginic se adaugă, cu agitare, alcool, cu formarea unei paste, și apoi, treptat, se adaugă carbonat de sodiu, până când acidul alginic este transformat în alginat de sodiu. Pasta de sodiu este extrudată cu autorul unor paleți și transportată pentru uscare și măcinare.

Schema procesului de obținere a alginatului din algele marine este reprezentată în figura I.8. [].

Figura I.8. Schema procesului de obținere a alginatului din alge [Error: Reference source not found].

Obținerea caragenanului. Pentru producerea caragenanului se pot folosi două metode, bazate pe principii diferite.

Metoda originală a fost folosită până la sfârșitul anilor 70’-80’. Caragenanul se extrăgea din alge marine într-o soluție apoasă. Resturile algelor marine erau separate prin filtrare și apoi se recupera caragenanul din soluție, eventual se putea folosi și sub formă uscată, însă aceasta ar fi conținut mai puțin caragenan.Acest proces de recuperare este dificil și destul de scump față de a doua metodă.

În a doua metodă, practic, caragenanul nu este extras din algele marine. Principiul de bază constă în spălarea algelor de impurități și apoi dizolvarea lor în alcalii și apă, lăsând nedizolvate caragenanul și celelalte componente insolubile în apă. Rezidurile insolubile în apă, conțin, în principal, caragenan și celuloză fiind uscate și vândute drept caragenan semi-rafinat. Deoarece caragenanul nu trebuie să fie recuperat din alge, procesul este mai simplu și mai ieftin.

Schema procesului de obținere a alginatului din algele marine este reprezentată în figura I.9. [Error: Reference source not found].

Figura I.9. Procesul de obținere a caragenanului din alge [Error: Reference source not found].

I.5. Utilizarea algelor marine și a compușilor obținuți din alge

Cu toate că algele marine sunt cunoscute și folosite din timpuri străvechi în alimentație, medicină și fertilizarea solului, astăzi cercetătorii din întreaga lume caută să elucideze problemele legate de explorarea și exploatarea acestei prețioase flore marine. Studiile privitoare la biologia și chimia algelor, sau cele axate pe optimizarea procedeelor tehnologice existente de valorificare, reprezintă de fapt măsura valorii de utilizare a acestor plante subacvatice în diversele ramuri de activitate. În condițiile în care se ia în discuție aportul pe care algele îl aduc omenirii, apare obligatoriu și considerarea a trei aspecte legate de: rolul lor în contextul ecologic, utilizarea directă după recoltare și industrializarea principalilor constituenți chimici separați prin prelucrare [Error: Reference source not found].

O dată cu creșterea recentă a interesului de a utiliza algele ca materie primă pentru biocombustibili, există un interes tot mai mare în utilizarea algelor de biomasă în mod optim, nu doar pentru a produce combustibil, ci și valorificând produsele secundare ale procesului. O astfel de utilizare optimă pe bază de biocombustibil din alge este mai viabilă economic. Valorificarea de coproduse reprezintă o opțiune atractivă în vedere faptul că lumea are experiența de a folosi algele pentru o gamă largă de produse. Reziduul ar putea fi apoi folosit pentru hrană, animale, pești sau păsări, sau pentru alte nutraceutice. Numărul de produse care pot fi fabricate din alge este practic nelimitat, datorită varietății de specii, a căror compoziție poate fi influențată prin schimbarea condițiilor de cultivare. Caracterizarea posibilelor aplicații ale algelor și a potențialului său pe piață este prezentată în figura I.10 [Error: Reference source not found].

Figura I.10. Schema utilizării, la nivel industrial, a algelor marine [].

Prima utilizare a algelor de către om datează de 2 000 de anii în țările din Asia în special China, unde au început să fie folosite ca sursă de hrană pentru a supraviețui în timpul foametei. Astăzi Japonia este principalul utilizator de alge comestibile, dezvoltându-se metode pentru cultivarea și recoltarea algelor. Alga roșie Nori, sau Porphyra, este cel mai important aliment algal comercial, în Japonia fiind cultivate aproximativ 100.000 de hectare de alge în golfuri puțin adânci și mări. Cultivarea poate avea loc pe tot parcursul anului și se obține un produs cu conținut ridicat de proteine, care poate fi utilizat într-o multitudine de alimente, cum ar fi: budinci, sosuri și creme, băuturi/sucuri, biscuiți dulci, bomboane de ciocolată, agenți de colorare alimentari, cașcavalul și untul sau margarina, geluri alimentare, stabilizator/ emulgator, ambalaje alimentare, agenți de îngroșare. Spirulina platensis, o algă verde-albastră câștigă popularitate în întreaga lume ca un supliment alimentar, fiind unul dintre alimentele cele mai nutritive cunoscute de om. Astăzi, utilizarea majoră a spirulinei este pentru extracția ficocianinei, un pigment fotosintetic albastru. O altă algă folosită ca potențial aliment este alga verde Chlorella. Acum Chlorella și Spirulina sunt vândute în principal în magazine alimentare de sănătate și ca hrană pentru pești. Produsele de importanță economică majore al speciei Chlorella sunt cele secundare, care sunt utilizate în conservanții pentru fructe și legume. Piața microalgală în prezent este dominată de Chlorella și Spirulina, în principal, din cauza conținutului lor ridicat de proteine, valoarea nutritivă și acestea sunt ușor de crescut. Algele sunt de asemenea adăugate la paste, alimente sau băuturi, fie ca suplimente nutritive sau coloranți alimentari naturali. Ele pot fi folosite și ca ulei, datorită acizilor grași și al antioxidanților pot fi folosite în industria alimentară,în special la produsele din fructe de mare[].

Celulele algale produc în mod natural diferite produse secundare, ca parte a metabolismului lor. Cercetătorii au colectat și izolat mii de specii diferite și le-au testat pentru producția de metaboliți de energie. Au studiat, de asemenea, cel mai bun mod de a crește algele la lumină optimă, apă si nutrienți pentru a obține cele mai bune și mai bogate producții de celule algale. Printr-o astfel de muncă, cercetătorii au descoperit mai multe specii de alge care pot produce combustibili. Ideea de a folosi algele drept sursă de combustibil nu este una nouă, au fost efectuate studii încă din 1950 privind producția de metan din alge. În anii 1970, criza energetică a stimulat mai multe cercetările, nu numai a producției de metan ci și a hidrogenului din alge. În 1980, eforturile de cercetare s-au mutat la producția de petrol din alge. Astăzi, uleiul produs din alge, numit și biocombustibil, a dominat frontul de cercetare și dezvoltare. Oamenii de știință sunt interesați de biocombustibili algali, deoarece aceștia sunt regenerabili, pot fi produși relativ ușor în interiorul bioreactoarelor și pot înlocui combustibilii fosili. Algele pot fi transformate în câteva produse, ca de exemplu: biodiesel prin trans-esterificare, diesel și benzină printr-o transformare directă catalitică, bioetanol prin fermentare, metan prin digestia anaerobă de căldură prin ardere și bio-petrol printr-o transformare termochimică. Astfel, microalgele pot furniza materie primă pentru combustibili lichizi regenerabili, cum ar fi biodiesel și bioetanol [Error: Reference source not found].

Microalgele sunt o sursă esențială de alimente, în creștere a tuturor moluștelor bivalve marine (scoici, stridii și scoici), stadiile larvare ale unor gasteropode marine (abalone, scoică), larve de mai multe specii marine de pești și creveți Peneide și zooplancton. Microalgele sunt utilizate ca hrană esențială și suplimente în acvacultura animalelor larvare și juvenile, inclusiv a stridiilor și a larvelor de pește. Cele mai frecvent utilizate specii în acvacultură sunt Chlorella, Tetraselmis, Isochrysis, Pavlova, Phaeodactylum, Chaetoceros, Nannochloropsis, Skeletonema și Thalassiosira [Error: Reference source not found].

Încă de la începutul civilizației algele au fost folosite în medicină datorită efectelor benefice asupra organismului, având proprietăți antibiotice, tonice și propietăți antiparazite. Primele înregistrări ale algelor ca plante medicinale au apărut în medicina chineză încă din anul 1500 [Error: Reference source not found]. Extractele de alge sunt recomandate în medicina naturistă pentru a corecta dezechilibrul nutrițional. Există cel puțin 40 de medicamente care conțin alge sau ingrediente active derivate din ele. Ingredientele constau în mare parte în polizaharide, partea principală din alge. Alginatul este ingredientul activ principal folosit ca medicament esofagian antiinflamator [].

Organismele algale sunt utilizate în domeniul produselor farmaceutice ca sursă bogată de metaboliți primari și secundari noi. Acești metaboliți pot fi potențiali compuși bioactivi de mare interes în industria farmaceutică. Microalgele conțin numeroși compuși bioactivi, care pot fi valorificați pentru uz comercial. Microalgele au o atracție semnificativă ca sursă naturală de molecule bioactive, deoarece acestea au potențialul de a produce compuși bioactivi în cultură, care sunt dificil de produs prin sinteză chimică. Ambele extracte celulare și extracte din mediul de creștere a diferitelor alge unicelulare (de exemplu Vulgaris chlorella, Chlamydomonas pyrenoidosa) s-au dovedit a avea activitate antibacteriană in vitro împotriva bacteriilor gram-pozitive și gram-negative. S-a raportat de asemenea că o gamă largă de compuși antifungici activi in vitro se obțin din extractele de alge verzi, diatomee și dinoflagelate. Microalgele, cum ar fi Ochromonas sp, Prymnesium parvum și o serie de alge verzi albastre produc toxine care pot avea potențiale aplicații farmaceutice. Diferite tulpini de cianobacterii sunt cunoscute pentru producerea intracelulară și metaboliții extracelulari cu diverse activități biologice, cum ar fi: antialgal, antibacteriene, antifungice și activitate antivirală. Temperatura de incubare, pH-ul mediului de cultură, perioada de incubare, constituenții mediului și intensitatea luminii sunt factorii importanți care influențează producția de agent antimicrobian [Error: Reference source not found].

Recent, divizia de consum a unei companii farmaceutice multinaționale a lansat o nouă linie de bandaje adezive și tampoane de tifon pe bază de fibre de alginat de calciu. Ele sunt promovate deoarece ajută la coagularea sângelui mai repede, gonflează alginații sub formă de pulbere de acid atunci când sunt umezite cu apă. Acest lucru a condus la utilizarea sa ca un comprimat dezintegrant pentru unele aplicații specializate [Error: Reference source not found].

II. Materiale pe bază de alginat

În mod general alginatul, compusul responsabil pentru flexibilitatea algelor, este extras din pereții celulari ai algelor marine, ca săruri de calciu, magneziu sau sodiu. Alginatul are un potențial de a forma filme, care prezintă o rezistență scăzută în apă din cauza hidrofiliei care prezintă grupe carboxil și hidroxil. Pentru a depăși acest lucru, alginatul a fost reticulat cu cationi polivalenți metalici, cum ar fi Ca2+ sau poliamine. Alginatul formează în soluții apoase geluri mai îngroșate, structura chimică efectivă a alginatului variază de la un gen?? la altul. Structura alginatului diferă în funcție de specie, condițiile de mediu, sezonul de recoltare și metoda de extracție utilizată. Un alginat de înaltă calitate formează geluri puternice și oferă soluțiilor apoase un aspect de îngroșare. S-a demonstrat că apele care au condiții mai turbulente prezintă un conținut de alginat mai mare decât apele calme [].

Gelurile de alginat de calciu sunt utilizate în industria alimentară pentru producerea de alimente restructurate ???, cum ar fi produsele din carne, rondele de ceapă, măsline, precum și în domeniul biotehnologiei pentru producerea de mărgele de alginat pentru imobilizarea celulelor sau a enzimelor.

Alginatul amfifil a fost sintetizat prin introducerea de fragmente hidrofobe (de exemplu: lanturi alchidice sau polimeri hodrofobi) la catena alginat. Acești derivați pot forma structuri structuri auto-asamblate, cum ar fi particule și geluri, în medii apoase și au potențial în multe aplicații, una dintre ele fiind livrarea substanțelor medicamentoase la nivel tisular. Soluțiile apoase ale acestor derivați de alginate au prezentat proprietăți tipice reologice ale rețelelor fizice reticulate, care ar putea fi utile repararea cartilajului si regenerarea celulară [].

Alginatul celular interactiv este un alginat care a intrat recent în atenția cercetătorilor, preparat prin introducere chimică a peptidelor sub formă de catene laterale. Peptidele incluzând secvența de acid-arginină glicină-aspartic(RGD) sunt utilizate la scară largă ca liganzi, datorită prezenței receptorilor de integrină [].

Alginatul de sodiu este o polizaharidă lineară, extrasă în mod uzual din algele brune. Această substanță reduce absorbția de stronțiu. Alginatul aderă la metalele grele din corpul uman îndepărtându-le, aderând de asemenea și la cele din expunerile anterioare ????.

Alginatul de potasiu este folosit ca aditiv alimentar, ca substanță de îngroșare, stabilizator, substanță de gelificare, pe o scară mai redusă fiind utilizat și în protecția dentară unde ca umplutură minerală inertă se adaugă pământ diatomeic (o rocă siliciasă rezultată din acumularea unor alge unicelulare – cochilii de diatomee).

II.1.Alginat nanostructurat

Sinteza nanoparticulelor de alginat a atras o atenție considerabilă în ultimii ani, datorită nenumăratelor lor de aplicații. Astfel, alginatul nanostructurat se poate folosi ca agent biosorbent pentru îndepărtarea ionilor de metale grele din soluțiile apoase, la purificarea apei contaminate cu ioni metalici toxici, în domenii biotehnologice și biomedicale drept catalizatori, în biosenzori antibacterieni etc.

Alginatul nanostructurat, cu dimensiuni în general între 10 și 100 de nm, s-a obținut sub diferite forme (nanocapsulele, nanosferele etc.). În astfel de particule pot fi înglobate enzime, substanțe medicamentoase și alți compuși. În figura II.1 sunt prezentate câteva tipuri de nanoparticule de alginat [].

Figura II.1. Nanoparticule de alginat: nanoagregat (a); nanocapsulă (b); structura interioară a unei nanosfere (c); nanocapsulă cu interior lichid (apă sau ulei); înveliș exterior (d).

Nanoagregatele pot fi descrise ca sisteme coloidale cu mărimi de ordinul nanometrilor, în care substanțe medicamentoase se pot dipersa fizic, având diferite morfologii. Nanocapsulele sunt sisteme veziculare în care substanța este înconjurată de o membrană polimerică, limitând în interior un miez lichid sau apos. Nanosferele sunt particule sferice cu interior gelifiat în care component captată este de asemenea dispersată fizic, inclusă în matrice sau absorbită de suprafață. Substanțele captate sunt deobicei polimeri naturali: albumina, legumina gelatinoasă, polizaharidele (alginații sau agaroza), acești polimeri hidrofili naturali fiind studiați tocmai datorită biodegrabilități și biocompatibilități lor [].

În principal formarea nanoparticulelor de alginat se bazează pe două metode:

1. prin complexare – formarea complexului poate avea loc într-o soluție apoasă, cu obținerea unor nanoagregate, sau la interfața cu o picătură de ulei, cu formarea unor nanocapsule. Complexarea se poate face în prezența unor agenți de reticulare (de exemplu cadmiul sau calciul) sau prin amestecarea alginatului cu un polielectrolit cu sarcină opusă, cum ar fi chitosanul;

2. prin formarea unei emulsii de alginat în ulei, cuplată cu gelifierea picăturilor de emulsie de alginat, cu formarea unor nanosfere de alginat [Error: Reference source not found].

Nanoparticule de alginat s-au format și prin tehnica desolvatării, într-un amestec de apă și acetonă. S-au folosit atât metoda adăugării continue de solvent, cât și metoda adăugării intermitente. În figura II.2 se prezintă morfologia nanoparticulelor de alginat, așa cum a fost determinată prin imagini SEM [Error: Reference source not found].

Figura II.2. Imagini SEM pentru nanoparticulele de alginat de sodiu obținute prin tehnica adăugării continue de solvent (stânga), respectiv a adăugării intermitente (dreapta).

Obținerea nanoparticulelor de alginat este importantă în special în tehnica farmaceutică, fiind folosite drept „recipiente” pentru transportul medicamentelor, care pot fi încorporate în nanoparticulele de alginat [, ].

Încapsularea uleiului de curcumă (turmelic), cu acțiune antimicrobiană, antifungică, antioxidantă, în nanoparticule de alginat conduce la obținerea unor preparate de uz cosmetic sau farmaceutic [].

II.2.Materiale hibride pe bază de alginat

Prin material hibrid înțelegem orice compus chimic dintr-o clasă de materiale în care componentele organice și anorganice sunt amestecate de la nivel celular sau chiar nanocelular.

Dezvoltarea materialelor hibride prezintă prezintă interes științific, dar și noi oportunități pentru viitor.

Dezvoltarea proceselor „verzi” (prietenoase cu mediul), care utilizează în mod natural biopolimeri pe bază de carbohidrați ca matrici pentru formarea unor compuși a fost impulsionată de biocompatibilitatea acestor matrici. De exemplu, s-au obținut nanoparticule de argint metalic, prin reducerea unor săruri de argint, în prezența alginatului, care joacă rol de agent stabilizator, prevenind agregarea nanoparticulelor [].

Folosind ca suport anorganic goetita, FeO(OH), și ca matrice organică alginatul, s-au obținut particule de FeO(OH)@alginat, sub forma unor mărgele, formă pe care o imprimă alginatul. Acest material s-a folosit, cu bune rezultate, la îndepărtarea ionilor Cr(III) și Cr(VI) din soluții apoase [].

Alte exemple??????

III. Partea experimentală

În partea experimentală ne-am propus obținerea alginatului de calciu din algele verzi care se găsesc în Marea Neagră, recoltarea acestora efectuându-se în special vara,atunci când datorită temperaturii rata lor de înmulțire atinge cote ridicate.

Alginatul de calciu obținut din alge verzi a fost folosit și la obținerea materialelor hibride anorganice – organice, prin depunerea sa pe particule de argint și pe pulbere de oxid de zinc.

III.1. Metode și tehnici de analiză

Pentru analiza produselor a fost folosit un spectometru UV-Viz care este cunoscut și sub numele de spectometru electronic ???. Folosindu-se radiația electromagnetică aceasta are două domenii de rezonanță:UV apropiat,adică într-un domeniu de 200-400 de nm, și cel vizibil, între 400-800 de nm.Este mai puțin dăunător, organismelor vii, folosirea acestui spectometru față de folosirea celorlalte spectometre care folosesc domenii din aria de acoperire a spectrului UV (de la 10 nm până la 400 de nm).

Moleculele organice au diferite nivele energetice ale stărilor lor electronice,acestea corespunzând cu ordinul de mărimi energetice transportate de radiația UV sau vizibilă.Faptul că stările energetice ale unei molecule se întind pe mai multe nivele energetice(spre deosebire față de stările energetice ale unui singur atom) se datorează și energiilor de vibrație ale legăturilor și ale nivelelor energetice de rotație ale atomilor.[] GASESTE ALTA SURSA, NU COPIA DE PE INTERNET!!!

Metodele optice de analiză prin iradierea electromagnetică produc o serie de fenomene fizice datorită cărora pot fi analizate probe solide, lichide sau gazoase; o parte din aceste fenomene sunt: reflexia, refracția, absorbția, difuzia etc. [].

Excitarea unui electron de valență situat într-un orbital molecular(OM) de legătură σ sau π sau într-un orbital de nelegătură n, spre un OM de antilegătură σ* sau π* constituie tranzițiile electronice în domeniul UV-Viz [Error: Reference source not found].

Figura III.1. Schematica tranzițiilor electronice posibili între orbitali moleculari ai formaldehidei [Error: Reference source not found].

III.2. Date experimentale și discuții

III.2.1. Obținerea alginatului de calciu și a materialelor hibride cu alginat de calciu

Alginatul de calciu a fost obținut din alge verzi care cresc în Marea Neagră, adaptându-se metoda utilizată pentru obținerea alginatului din alge brune [Error: Reference source not found].

Algele au fost colectate din Marea Neagră, zona Cazinou Constanța, în perioada septembrie-noiembrie 2015. Algele colectate au fost curățate de impurități, spălate cu apă, clătite cu apă distilată și tamponate pentru îndepărtarea apei.

Obținerea alginatului de calciu. Peste 15 g alge verzi umede, spălate cu apă distilată, se adaugă 100 g soluție Na2CO3 10% și se lasă împreună pentru o oră. Amstecul se filtrează iar în filtrat se adaugă, sub agitare continua, 5 g soluție CaCl2 2%. Se obține un precipitat alb, voluminos, care se filtrează, se spală cu apă distilată și se usucă.

Obținerea nanoparticulelor de alginat de calciu. Peste 15 g alge verzi umede, spălate cu apă distilată, se adaugă 100 g soluție Na2CO3 10% și se lasă împreună pentru o oră. Se filtrează algele, preparându-se astfel o soluție alginat de sodiu. Se adaugă în 99 mL soluție astfel obținută 1 g de miere (soluție 1%). Se adaugă în picături 20 mL soluție de 1% CaCl2, se agită amestecul timp de 4 ore. Nanoparticulele rezultate au fost colectate prin centrifugare, s-au spălat cu multă apă și s-au filtrat la vid. Nanoparticule sferice rezultate au dimensiuni între 10-100 nm [].

Obținerea Ag@alginat de calciu.

Obținerea argintului metalic din deșeuri de argint. Se tratează 10 mL soluție de resturi de argint cu 1 mL HCl 1:1 până la precipitarea totală. Se îndepărtează soluția de deasupra precipitatului prin decantare și AgCl depusă se spală prin decantare cu apă distilată până la reacția negativă pentru ionii clorură. Se adaugă apoi 10 mL HCl 1:1 și câteva granule de Zn până are loc reducerea totală la argint metalic, de culoare gri cenușiu (Ag brut). Argintul metalic astfel obținut se spală prin decantare cu apă distilată până la reacția negativă a ionilor de clorură [].

Obținerea Ag@alginat de calciu. Peste 0,10 g argint brut recuperat se adaugă 20 mL H2O și se ultrasonează amestecul într-o baie de ultrasonare, timp de 10 min. Se adaugă 25 mL soluție care conține alginat solubil, obținută din alge verzi și Na2CO3, și se agită cu un agitator magnetic. Se adaugă sub agitare continuă 25 mL soluție CaCl2 2%. La adăugarea CaCl2 se obține instantaneu un precipitat alb, voluminos, care prin agitare dispare. Se agită amestecul timp de o oră. Se obține o pulbere gri-cenușie, de culoare mai deschisă decât pulberea de argint. Se filtrează pulberea obținută, se spală cu apă distilată și se usucă. S-au obținut 0,90 g pulbere.

Obținerea ZnO@alginat de calciu. Peste 5 g ZnO (Loba Chemicals) se adaugă 50 mL H2O. Amestecul rezultat se ultrasonează pe baia de ultrasonare timp de 20 min, la frecvență mare. Se adaugă 50 mL soluție care conține alginat solubil, obținută din alge verzi și Na2CO3 și se agită cu un agitator magnetic. Se adaugă apoi 50 mL soluție CaCl2 2%. La adăugarea CaCl2 începe să precipite alginatul de calciu, în care se încorporează pulberea de ZnO. Se agită timp de o oră, se filtrează, se spală cu apă distilată și se usucă. S-au obținut 11 g de pulbere.

III.2.2. Caracterizarea alginatului de calciu și a materialelor hibride cu alginat de calciu

Compoziția chimică a materialului hibrid ZnO@alginat de calciu a fost estimată prin determinarea cantitativă a Zn2+ și Ca2+, atât ca sumă de oxizi cât și prin titrare cu EDTA.

Din datele experimentale a rezultat un raport molar de combinare Zn(II) : Ca(II) de 11,75 : 1.

Spectrele electronice. S-au înregistrat spectrele electronice pentru alginatul de calciu, alginatul de calciu obținut sub formă de nanoparticule (conform [Error: Reference source not found]) și materialele hibride pe bază de alginat de calciu.

Pentru înregistrarea spectrelor electronice ale pulberilor obținute, în domeniul 220 – 850 nm, s-a folosit un spectrofotometru Jasco V 550, dotat cu sferă integratoare.

a.

b.

c.

Figura III.1. Spectrele electronice pentru: alginatul de calciu sub formă de micro și nanoparticule (a); argintul metalic și Ag@alginat de calciu (b); oxidul de zinc și ZnO@alginat de calciu (c).

Din spectrele electronice se pot desprinde următoarele concluzii:

– pentru alginatul de calciu și oxidul de zinc, pulberi de culoare albă, în spectrele de absorbție în domeniul UV-Vis apar benzi de absorbție la lungimi de undă mici (energii mari), deci în domeniul UV;

– banda de absorbție foarte slabă, de la aproximativ 670 nm, în spectrul nanoparticulelor de alginat de calciu, poate fi corelată cu slaba colorație a pulberii, probabil datorită reactivilor folosiți pentru dispersarea alginatului, respectiv a mierii de albine;

– culoarea gri închis – cenușie a argintului metalic se corelează cu o absorbție continuă în domeniul vizibil. Un aspect asemănător are și spectrul pentru Ag@alginat, cu modificări în domeniul UV datorită reținerii alginatului de calciu;

– spectrul electronic al ZnO este de asemenea modificat în domeniul UV, ca urmare a interacțiunii cu alginatul de calciu;

– deși spectrele electronice în domeniul UV-Viz nu sunt foarte edificatoare pentru materialele studiate, deoarece acestea ori absorb doar în domeniul UV (alginatul, ZnO) ori absorb continuu în domeniul vizibil (Ag), comparându-se spectrele materialelor funcționalizate cu cele ale materialelor nefuncționalizate se pot vedea modificările datorate acoperirii particulelor materialelor anorganice de bază cu macromolecule de alginat. Aceste modificări arată interacțiunea dintre dele două materiale (materialul de bază, anorganic, și biopolimerul organic în care acesta a fost încorporat), demonstrând obținerea unui material nou și nu a unui amestec de doi compuși.

Morfologia pulberilor. Aspectul particulelor din care sunt alcătuite pulberile de alginat de calciu și ZnO@alginat s-a studiat la un microscop Nikon Eclipse E 600, 20x, 20X0,40.

Din imaginile obținute se poate vedea aspectul de microsfere al particulelor de alginat de calciu (figura III.3).

Figura III.3. Imagini obținute la microscopul optic pentru particulele de alginat de calciu sub formă de pulbere (stânga), respectiv pulbere dispersată în etanol (dreapta).

Figura III.3. Imagini obținute la microscopul optic pentru particulele de ZnO@alginat (pulberea – stânga, respectiv pulbere dispersată în etanol – dreapta).

În cazul materialului hibrid, particulele de ZnO sunt încorporate în alginat, aspectul particulelor formate fiind asemănător cu cel al particulelor de alginat de calciu (figura III.4).

III.2.3. Proprietățile antimicrobiene și antiinflamatoare ale ZnO@alginat de calciu

S-a demonstrat în ultimii ani că aplicarea descoperirilor din domeniul nanotehnologiei în tratamentul bolilor infecțioase, și în particular al bolilor de piele, implică două aspecte importante, și anume atât utilizarea nanomaterialelor cu proprietăți antimicrobiene, cât și încorporarea agenților terapeutici cu activitate cunoscută în așa-numite „nano-vehicule” pentru a se livra mai ușor în organism și a li se îmbunătăți eficiența. Abordarea ideală pentru a dezvolta un tratament topic pentru infecții microbiene la nivelul pielii constă în utilizarea unui (nano)material care să aibă atât proprietăți antimicrobiene cât și capacitatea de a servi ca un nano-vehicul. Încorporarea (nano)materialelor anorganice cu proprietăți antibacteriene (metale, oxizi metalici) în biopolimeri reprezintă de asemenea o direcție de cercetare pentru tratamentul infecțiilor microbiene [].

Proprietățile antimicrobiene ale oxidului de zinc au fost evidențiate de mai multe studii, factorii care influențează activitatea antibacteriană fiind structura cristalină și forma particulelor, dimensiunea particulelor etc. []. Solubilizarea ionilor de zinc(II) este un alt factor care influențează activitatea antimicrobiană a oxidului de zinc [, ].

Ionul alginat este un biopolimer, cu sarcină negativă, biocompatibil, cu o mare capacitate de gelifiere []. În consecință, încorporarea oxidului de zinc în alginat ar trebui să conducă la un material hibrid cu bune aplicații în tratamentul bolilor de piele. Capacitatea de gelifiere a alginatului ar fi de așteptat să producă o solubilizare a ionilor de zinc, deci la o intensificare a activității antimicrobiene a ZnO.

Pentru a demonstra această ipoteză, s-a preparat o mixtură pe bază de ZnO@alginat, adaptând rețeta existentă în Farmacopeea Română pentru prepararea mixturii pe bază de oxid de zinc []. Peste un amestec format din 3 g pulbere ZnO@alginat și 3 g talc (raport masic 1:1) s-a adăugat o soluție preparată din 9 g glicerină și 9 g apă distilată (raport masic 1:1). S-a triturat amestecul până cînd a devenit omogen.

Mixtura astfel preparată a fost utilizată pentru tratarea arsurilor termice de gradul doi produse unor animale de laborator. După trei zile de experiment, au fost recoltate probe sub anestezie, din aria tegumentară supusă procedeului experimental.

Ca animale de laborator s-au folosit șobolani din linia albinos de Wistar, femele cu vârsta de 14 săptămâni și greutate de 180-200 g. Animalele au fost crescute și întreținute în Biobaza Universității “Ovidius” din Constanța, respectându-se normele de igienă, alimentație și cazare impuse de legislația comunitară. S-a folosit un lot martor și un lot experimental de șobolani.

Țesuturile tratate cu mixtură pe bază de ZnO@alginat s-au vindecat mult mai repede ca cele tratate cu mixtură pe bază de oxid de zinc.

Metoda prin care s-a estimat eficiența tratamentului aplicat pe rănile produse animalelor de laborator a constat în determinarea conținutului tisular de malonildialdehidă (MDA) [].

Malonildialdehida este un produs al peroxidari lipidelor membranare consecință a toxicității radicalilor liberi ai oxigenului, concentrația sa crescând în situațiile în care apar procese de citoliză (proces de distrugere a integrității celulei) majoră, procese induse de acțiunea cumulativă a radicalilor liberi și a proceselor litice ce pot fi asociate cu nivelul crescut al concentrației de radicali liberi.

Pentru determinarea conținutului de MDA s-au prelevat țesuturi de la șobolani, s-au prelucrat după o procedură specifică și s-a determinat spectrofotometric concentrația de MDA din soluțiile obținute. În paralel s-a determinat concentrația proteinelor din probă și concentrația de MDA se raportează la cantitatea de proteină (mg).

Pentru lotul martor de referință s-a determinat o cantitate medie de MDA de 0,54 nmoli/ mg proteină iar pentru lotul experimental 0,34 nmoli/ mg proteină.

La tratarea tegumentului cu mixtura pe bază de ZnO@alginat s-a observat o scădere semnificativă a nivelului tisular de malonildialdehidă, respectiv o scădere a gradului de peroxidare lipidică, lucru care certifică efectul antioxidant și citoprotector al materialului testat.

În cazul aplicării mixturii pe bază de ZnO@alginat, variația concentrației malonildialdehidei indică o limitare a instalării proceselor de peroxidare a lipidelor membranare, comparativ cu lotul de referință și limitarea instalării fenomenului de stress oxidativ.

S-a demonstrat prin acest experiment că pulberea de ZnO@alginat are atât efect antioxidant, cât și cicatrizant la nivel tegumentar.

III.2.4. Metode de analiză cantitativă

Mineralizarea probelor. 0,1000 g probă de analizat se solubilizează în HCl concentrat. Se adaugă apă oxigenată 30%, pentru degradarea compușilor organici, și se aduce la sec. Cristalele obținute se dizolvă în HCl concentrat.

Determinarea cantitativă a zincului. La soluția obținută prin mineralizare se adaugă soluție tampon NH3 – NH4Cl și se titrează cu o soluție de EDTA 0,1 N, în prezența indicatorului eriocrom negru T, conform metodei complexonometrice din literatură [].

Determinarea cantitativă a calciului. La soluția obținută prin mineralizare se adaugă o soluție NaOH 4 N și se titrează cu EDTA 0,1 N, în prezența indicatorului murexid, conform metodei complexonometrice din literatură [Error: Reference source not found].

Determinarea conținutului de MDA din țesuturi [Error: Reference source not found]. O cantitate de aproximativ 50 mg țesut se dispersează în 5 mL soluție tampon tris-HCl 1M (pH = 7,4) iar amestecul obținut se omogenizează. După omogenizare se centrifughează probele timp de 30 minute la 5000 rot/min. Se iau câte 0,5 mL supernatant și se adaugă 2,5 mL soluție acid tricloracetic 10%. Probele se fierb 15 minute și se răcesc rapid, în flux de apă rece. Probele sunt centrifugate din nou, timp de 10 minute, la 5000 rot/min.

La 2 mL lichid supernatant se adauga 1 mL acid 2-tiobarbituric 0,67% iar probele sunt agitate energic, după care se fierb 15 minute și se răcesc rapid în flux continuu de apă rece.

Se formează un complex roz-palid și se citește absorbanța la 532 nm, față de proba martor.

Măsurătorile la lungimea de undă indicată au fost făcute folosind un spectrofotometru Cecil 2125.

III.3. Concluzii

Pornind de la alge marine verzi ca materie primă, am obținut microsfere de alginat de calciu, adaptând o metodă folosită pentru producerea alginatului din algele brune. Forma sferică a microparticulelor se obține în mod natural, fără a se urma o procedură specială.

Alginatul de calciu astfel obținut a fost depus pe materiale anorganice, cu obținerea unor materiale hibride anorganice-organice. Pulberile sintetizate au fost caracterizate prin spectre electronice, analiză chimică și microscopie optică.

Din testările realizate pe animale de laborator, s-a arătat că pulberea ZnO@alginat, sub formă de mixtură sau în alte preparate topice, își poate găsi utilizarea în tratarea arsurilor termice, prin refacerea epidermei și asigurând protecția împotriva agenților oxidanți cu rezultate mai bune ca pulberea de oxid de zinc.

CONCLUZII

Algele marine reprezintă o sursă naturală de compuși chimici care nu trebuie ignorată. În partea teoretică a lucrării de licență s-au prezentat principalele direcții de valorificare a algelor marine, actualizându-se informațiile legate de valorificarea, considerată deja clasică, prin obținerea agarului, alginaților și caragenanului. Asfel, deși alginații (acidul alginic și sărurile sale) se obțin la nivel industrial din algele marine, în ultimul timp s-au studiat alte aspecte legate de domeniul alginaților, care implică obținerea lor ca nanoparticule sau posibilitatea încapsulării unor materiale anorganice ori a unor substanțe organice, cu rol terapeutic, în structura lor.

În partea experimentală a lucrării de licență am reușit să obținem un material hibrid prin depunerea alginatului de calciu pe particule de oxid de zinc și să demonstrăm capacitatea acestei pulberi de a vindeca rănile provocate de arsurile termice.

Bibliografie