Extração de fucoidano a partir de extração assistida por ultrassom e ácido cítrico de algas pardas Sargassum cymosum C. Agardh: caracterização química e estrutural com aplicação na produção de hidrogéis visando impressão 3D

Abstract

O fucoidano é um heteropolissacarídeo sulfatado prevalente em algas pardas, que exibe atividade biológica e antioxidante. A primeira etapa do estudo otimizou as condições de extração assistida por ultrassom (EAU), utilizando o delineamento experimental Box-Behnken (BBD), a fim de maximizar o rendimento do fucoidano extraído da alga Sargassum cymosum C. Agardh. Foi avaliada a influência da razão solvente/biomassa, tempo e potência ultrassônica sobre o rendimento de fucoidano. Os resultados mostraram que a potência ultrassônica exerceu o maior efeito no aumento do rendimento (17,12%±0,24). A caracterização do material obtido foi por análises químicas (sulfato, fucose, carboidratos, proteína e polifenóis) e estruturais (composição de monossacarídeos, espectroscopia no Infravermelho na região média (MIR-ATR) ressonância magnética nuclear (1H NMR) e massa molecular). A atividade antioxidante foi investigada através dos ensaios FRAP, ABTS e DPPH. O fucoidano extraído na condição otimizada exibiu baixa massa molecular (8 kDa) e, em sua estrutura, presença de fucose, sulfato e outros monossacarídeos, confirmado pelos espectros MIR-ATR e 1H NMR. O material extraído apresentou atividade antioxidante para o ensaio com ABTS (22,1±0,005 µmol TE g-1) e baixa atividade antioxidante para FRAP (0,86±0,004 mg TE g-1) e DPPH (3,4 mmol TE / 100 g-1). A partir dos resultados obtidos conclui-se que a otimização do rendimento foi eficiente. Na segunda etapa, hidrogéis foram formulados contendo o fucoidano (FU) extraído da alga parda, ágar (AG) e alginato de sódio (SA) comerciais, através da gelificação térmica visando impressão 3D. Foram elaboradas três formulações, com as seguintes concentrações: 1%FU 1%AG 3%SA, 1%FU 2%AG 2%SA e 1%FU 3%AG 1%SA. A caracterização das matrizes poliméricas foi através de análises físicas (potencial zeta, diâmetro da partícula, índice de polidispersão (PDI)), química (pH) e estruturais (reologia, MIR-ATR e MEV). Além disso, foram caracterizadas por aparência visual, printabilidade (precisão de deposição (DA) e taxa de espalhamento (SR)) e textura. A formulação 1%FU 2%AG 2%SA se destacou pelos bons resultados de potencial zeta (-25.5±2.47 mV), diâmetro da partícula (3,703±22.62 µm) e PDI (0.483±0.11). As análises reológicas das formulações revelaram comportamento pseudoplástico (n<1), com diferenças nas temperaturas de gelificação. A melhor taxa de recuperação (79,6%) foi obtida pela formulação 1%FU 2%AG 2%SA. A varredura de amplitude evidenciou maior força do gel com 3% de ágar e a varredura de frequência demonstrou a estabilidade das formulações. O MIR-ATR evidenciou melhores interações repulsivas entre cadeias carboxilas, sulfato e radical hidroxila dos polissacarídeos, na formulação 1%FU 2%AG 2%SA. A microscopia das formulações mostrou aspecto morfológico no formato de lâminas com maior formação de poros nas maiores concentrações de ágar ou alginato de sódio. A melhor printabilidade foi alcançada pela formulação 1%FU 2%AG e 2%SA (DA e SR próximos de 1), com diâmetro de agulha de 1,2 mm e 10 mm/s de velocidade de impressão. Os cubos impressos com parâmetros citados acima exibiram ótima precisão de impressão (99,66%±0,05), estabilidade estrutural após 1 hora de impressão (99%±0,05) e textura macia. Em síntese, este estudo apresenta a caracterização e aplicação do fucoidano, extraído da espécie Sargassum, na impressão 3D. Essa inovação abre novas possibilidades para a utilização do fucoidano nos setores alimentício, nutricional, biomédico, entre outros.

Fucoidan is a sulfated heteropolysaccharide predominant in brown algae, which has biological and antioxidant activity. The first stage of the study optimized the conditions of ultrasound-assisted extraction (UAE), using the Box-Behnken experimental design (BBD), in order to maximize the yield of fucoidan extracted from the alga Sargassum cymosum C. Agardh. The influence of the solvent/biomass ratio, time and ultrasonic power on the fucoidan yield was evaluated. The results demonstrated that ultrasonic power had the greatest effect on increasing yield (17.12%±0.24). Characterization of the material obtained by chemical (sulfate, fucose, carbohydrates, proteins and polyphenols) and structural analyzes (composition of monosaccharides, Attenuated Total Reflectance Mid-Infrared Spectroscopy (MIR-ATR), nuclear magnetic resonance (1H NMR) and molecular weight). The antioxidant activity was investigated using the FRAP, ABTS and DPPH assays. The fucoidan extracted under the optimized condition exhibited a low molecular weight (8 kDa) and, in its structure, the presence of fucose, sulfate and other monosaccharides, confirmed by MIR-ATR and 1H NMR spectra. The extracted material showed antioxidant activity for the ABTS assay (22.1±0.005 µmol TE g-1) and low antioxidant activity for FRAP (0.86±0.004 mg TE g-1) and DPPH (3.4 mmol TE / 100g-1). From the results obtained, it can be concluded that the optimization of performance was efficient. In the second stage, hydrogels were formulated containing fucoidan (FU) extracted from brown seaweed, agar (AG) and sodium alginate (SA) commercial, through thermal gelation for 3D printing. Three formulations were prepared, with the following concentrations: 1%FU 1%AG 3%SA, 1%FU 2%AG 2%SA and 1%FU 3%AG 1%SA. The characterization of the polymer matrices was through physical (zeta potential, particle diameter, polydispersity index (PDI)), chemical (pH) and structural (rheology, MIR-ATR and SEM) analyses. Furthermore, they were evaluated by visual appearance, printability (deposition accuracy (DA) and spreading rate (SR) test and texture. The 1%FU 2%AG 2%SA formulation stood out for its good results in zeta potential (-25.5±2.47 mV), particle diameter (3.703±22.62 µm) and PDI (0.483±0.11). Rheological analyzes of the formulations revealed pseudoplastic behavior (n<1), with differences in gelation temperatures. The best recovery rate (79.6%) was obtained by the 1%FU 2%AG 2%SA formulation. The amplitude sweep showed greater gel strength with 3% agar and the frequency sweep demonstrated stability of the formulations. MIR-ATR showed better repulsive interactions between carboxyl, sulfate and hydroxyl radical chains of polysaccharides, in the 1%FU 2%AG 2%SA formulation. Microscopy of the formulations showed a morphological appearance in the shape of sheets with greater formation of pores in the highest concentrations of agar or sodium alginate. The best printability was obtained by the 1%FU 2%AG and 2%SA formulation (DA and SR close to 1), with a needle diameter of 1.2 mm and 10 mm/s printing speed. The cubes printed with the parameters mentioned above exhibited excellent printing accuracy (99.66%±0.05), structural stability after 1 hour of printing (99%±0.05) and a soft texture profile. In summary, this study presents the characterization and application of fucoidan, extracted from the Sargassum species, in 3D printing. This innovation opens up new possibilities for the use of fucoidan in the food, nutritional, biomedical sectors, among others.