Extraction, Characterization, and Biological Activities of Laminarin and Fucoidan from Laminaria hyperborea

Abstract

Fucoidan og laminaran finnes som biprodukter i sidestrømmer som stammer fra alginatproduksjon. Utnyttelse av restråstoff fra tare kan generere produkter av kommersiell verdi, og dermed føre til økonomisk vekst for tareforedlingsindustrien. Utnyttelse av biprodukter har også mange miljømessige fordeler. Arbeidet som presenteres i denne avhandlingen har vist at laminaran og fucoidan kan ekstraheres fra Laminaria hyperborea blader og/eller stilk ved bruk av varmtvanns- og/eller eksudatekstraksjonsteknikker. Renseprosessene ble hovedsakelig basert på separasjon av forbindelsene i fraksjonene ved bruk av forskjellige typer membranteknologi. De oppsamlede fraksjonene var imidlertid urene og bestod av betraktelige mengder mannitol og ukjente mineraler. Det eneste unntaket var en uløselig laminaranfraksjon. Rensingsprosedyrene som ble anvendt var derfor utilstrekkelige, og må optimaliseres.

Strukturell karakterisering av fraksjonene ble utført. Monosakkaridsammensetning, sulfateringsgrad (DS) og gjennomsnittlig molekylvekt ble bestemt ved bruk av henholdsvis HPAEC- PAD, Vario EL Cube og SEC-MALS analyser. Strukturell karakterisering ble utført ved bruk av NMR. Forsøkene viste tilstedeværelsen av fucoidanfraksjoner med høye gjennomsnittlige molekylvekter. I tillegg ble strukturelle forskjeller observert mellom fucoidan fraksjonene, avhengig av om de ble ekstrahert fra L. hyperborea blader eller stilk.

De biofunksjonelle aktivitetene til laminaran og fucoidan ble undersøkt basert på fraksjoner med varierende massedistribusjoner. Det ble vist at fucoidan reduserte veksten av Staphylococcus aureus som er en Gram-positiv bakteriestamme. Den samme effekten ble ikke sett for utvalgte Gram-negative bakteriestammer, noe som indikerer at den antimikrobielle aktiviteten til fucoidan kan være forårsaket av interaksjon med bakterienes cellevegg. Det ble også vist at den antimikrobielle aktiviteten til fucoidan ikke var avhengig av massedistribusjonene til fraksjonene. Det ble observert at fucoidan reduserte biofilmdannelsen av S. aureus. Resultatene antydet at den observerte antibiofilmaktiviteten ikke var avhengig av massedistribusjonene til fraksjonene. Fucoidanfraksjonene kunne ikke brukes som prebiotiske substrater for Pseudoalteromonas sp., en marin probiotisk mikroorganisme. Bakteriestammen kunne derimot bruke laminaran som karbonkilde. Det ble også vist at den prebiotiske aktiviteten til laminarin økte med økende gjennomsnittlig molekylvekt. Dette indikerer at laminaran, og da spesielt polymerer med høy molekylvekt, kan ha potensiale som prebiotikum i fiskefôr.

Fucoidan and laminarin are found as by-products in side streams originating from alginate production. Proper exploitation of algal rest raw material may generate products of commercial value, and thus yield financial gain for the seaweed processing industry. Utilization of by-products have many advantages from an environmental point of view as well. The work presented in this thesis has shown that laminarin and fucoidan can be obtained from Laminaria hyperborea fronds and/or stems using warm water and/or exudate extraction techniques. The purification processes were mainly based on separation of the compounds present in the fractions by using different types of membrane technology. The acquired fractions were, however, impure and consisted of considerable amounts of mannitol and unknown minerals. The only ex- ception was an insoluble laminarin fraction obtained as a precipitate from L. hyperborea fronds. The purification procedures were thus determined to be inadequate, and need further of optimization.

Comprehensive structural characterization of the obtained fractions was performed. Experiments included monosaccharide composition analysis by HPAEC-PAD, degree of sulfation analysis by Vario EL Cube, determination of molecular weights by SEC-MALS, and structural characterization by NMR spectroscopy. The analyses showed the presence of novel fucoidan fractions with high average molecular weights. Additionally, structural differences were observed between fucoidans extracted from L. hyperborea fronds and stems.

The biofunctional activities of laminarin and fucoidan were assessed based on varying mass distributions. It was found that fucoidan moderately suppressed the growth of Staphylococcus aureus which is a Gram positive bacterial strain. The same effect was not seen for selected Gram negative bacterial strains, indicating that the antimicrobial activity of fucoidan may arise from interaction with the bacterial cell wall. It was also shown that the antimicrobial activity of fucoidan did not depend on the mass distributions of the fractions. Additionally, fucoidan was observed to moderately suppress the biofilm formation of S. aureus. The results suggested that the observed antibiofilm activity was not dependent on the mass distributions of the fractions. The fucoidan fractions could not be used as prebiotic substrates for Pseudoalteromonas sp. which is a marine probiotic microorganism. Nevertheless, the bacterial strain could use laminarin as a carbon source. It was also shown that the prebiotic activity of laminarin increased with increasing polymer mass distributions. Indicating that laminarin, particularly polymers with higher mass distributions, may have potential as an active ingredient if utilized in fish feed.