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I Subproductos cárnicos como fuente de ingredientes tecnológicos y péptidos bioactivos (1)
Subproductos cárnicos como fuente de ingredientes tecnológicos y péptidos bioactivos (1)
Uno de los grandes retos a los que se enfrenta la industria cárnica actual es la gestión de los subproductos que genera. La industria cárnica produce anualmente toneladas de subproductos que representan un coste para el sector de procesado de carne, así como un problema medioambiental importante.
El tratamiento o manejo inadecuado de los subproductos puede provocar problemas importantes, como la crisis generada en el pasado con la propagación de las encefalopatías espongiformes. El Reglamento (CE) N° 1069/2009, del Parlamento Europeo y del Consejo y el Reglamento (UE) N° 142/2011, de la Comisión, constituyen desde el 4 de marzo de 2011 el marco legal comunitario aplicable a los subproductos derivados de los mismos (SANDACH), quedando derogado desde esa fecha el Reglamento (CE) 1774/2002. En España, el
Real Decreto 1528/2012 estableció las condiciones de aplicación de la normativa comunitaria sobre SANDACH.
Los subproductos animales pueden definirse como cuerpos enteros o partes de animales, productos obtenidos de animales, que pueden, pero no están destinados al consumo humano directo. La definición de subproductos depende de varios factores, incluidas las tradiciones, la cultura y la religión, pero generalmente se aceptan como tales, cadáveres, pieles, huesos, recortes de carne, sangre, tejidos grasos, cuernos, pies, pezuñas u órganos internos (Lafarga et al. 2014). Diferentes procesos industriales se utilizan en la industria cárnica para tratar y reducir la generación de subproductos. Pero en la mayoría de los casos, estos subproductos se descartan como residuo o son utilizados con fines de escaso valor.
Por todo esto, el aprovechamiento y valorización de los subproductos es un tema que se ha instalado con fuerza en diversos sectores, pues el camino hacia la sustentabilidad implica, para muchos, cerrar los círculos productivos, disminuyendo el impacto ambiental y, al mismo tiempo, aumentar la competitividad a través de nuevos negocios.
Hoy en día, se está haciendo un gran esfuerzo para convertir subproductos y residuos en un recurso valioso con un significativo valor añadido y/o un fuerte potencial económico. Los subproductos cárnicos son ricos en lípidos, carbohidratos y proteínas, que se pueden considerar materias primas para la generación de biomoléculas de interés como hidrolizados de proteínas con
bioactividades o enzimas relevantes, extractos con propiedades funcionales o péptidos bioactivos como ingredientes alimentarios para la industria de alimentos, piensos y alimentos para mascotas. Otras aplicaciones están dirigidas a productos no comestibles como fertilizantes, sustancias de interés para la industria química o farmacéutica o generación de energía (Toldrá et al. 2016). En la Figura 1 se muestran las principales aplicaciones de los subproductos generados en la industria cárnica.
En este sentido, una de las líneas más estudiadas y prometedoras para la revalorización de subproductos cárnicos es la producción de hidrolizados de proteínas, que se pueden utilizar como potenciadores de sabor, emulsionantes, gelificantes o nutrientes como fuente de aminoácidos esenciales, minerales y vitaminas, e ingredientes funcionales como péptidos bioactivos. (Mora et al. 2014). Los hidrolizados de proteínas y péptidos bioactivos se preparan convencionalmente mediante hidrólisis enzimática, fermentación microbiana o hidrólisis química (Keskin et al. 2021).
Hidrólisis enzimática
La hidrólisis enzimática es un proceso que generalmente se realiza en condiciones suaves y controladas (pH, temperatura, concentración de sustrato y actividad enzimática), es el método más común para generar hidrolizados y péptidos bioactivos (Zambrowicz et al. 2013).
La alta especificidad y la ausencia de disolventes orgánicos residuales y productos químicos tóxicos en las preparaciones finales, han posicionado la hidrólisis enzimática como el proceso preferido en las industrias alimentaria y farmacéutica para la producción de hidrolizados y péptidos bioactivos.
Y SUS APLICACIONES
Sangre
Plasma Células sanguíneas
INDUSTRIA ALIMENTARIA ALIMENTACION ANIMAL INVESTIGACION RECUPERACIÓN DE PROTEINAS
HIDROLIZADOS/PEPTIDOS
INDUSTRIA ALIMENTARIA HEMOGLOBINA
HIDROLIZADOS/PEPTIDOS
Recortes/huesos
INDUSTRIA ALIMENTARIA ALIMENTACION ANIMAL COSMETICA QUIMICA COLAGENO
HIDROLIZADOS/PEPTIDOS
Piel
COLAGENO CUERO
HIDROLIZADOS/PEPTIDOS
Principales subproductos de la Industria Cárnica
Aplicaciones
Los estudios con enzimas digestivas también son atractivos para imitar la digestión humana y evaluar su efecto sobre la liberación de péptidos bioactivos (Marciniak et al. 2018). La hidrólisis secuencial de proteínas utilizando una combinación de enzimas proteolíticas se emplea para la producción de fragmentos más pequeños, que son los que pueden presentar actividades biológicas (Singh et al. 2014).
Los hidrolizados y péptidos preparados por hidrólisis enzimática utilizando enzimas de calidad alimentaria generalmente se consideran GRAS (generalmente reconocidos como seguros). Sin embargo, el alto costo de las enzimas, junto con un bajo rendimiento de producción (debido a la especificidad de los sitios de escisión por una enzima), hace que la industria busque métodos alternativos. Este proceso también necesita un control estricto del pH y la temperatura de la reacción para lograr resultados óptimos de hidrólisis. Además, la naturaleza de las proteínas alimentarias con matrices complejas limita la interacción enzima-sustrato.
Fermentación
La fermentación es un método antiguo de conservación de alimentos con el que se pueden formar hidrolizados y péptidos bioactivos. Los productos fermentados generalmente se producen mediante fermentación tanto natural como controlada de bacterias del ácido láctico (LAB). Las LAB son importantes en la producción de productos fermentados al impartir propiedades nutricionales y tecnológicas, incluido el desarrollo de textura y sabor (Savijoki et al. 2006).
Los polipéptidos generados por las proteasas cárnicas endógenas se degradan aún más por las enzimas bacterianas durante la fermentación, lo que libera hidrolizados y péptidos bioactivos potenciales en los productos cárnicos (Wu et al. 2015).
La producción de péptidos bioactivos por fermentación microbiana es relativamente económica en comparación con el método enzimático. Sin embargo, la explotación industrial de la fermentación con el propósito de producir péptidos bioactivos se ve impedida debido al bajo rendimiento y falta de especificidad en su formación (Raveschot et al. 2018).
Hidrólisis química
La hidrólisis química de proteínas se usa ampliamente por ser simple y menos costosa. Se utilizan ácidos o bases para romper enlaces peptídicos para producir péptidos y aminoácidos libres (Wang et al. 2017). Sin embargo, la hidrólisis química tiene muchas limitaciones, como las di-
ficultades para controlar el proceso, que dan como resultado composiciones químicas variables.
Además, la hidrólisis con productos químicos fuertes y disolventes en condiciones extremas de temperatura y pH, da lugar a pobres cualidades nutricionales (Kristinsson et al. 2000) y funcionalidades inferiores a las de los productos obtenidos con enzimas (Wisuthiphaet et al. 2016). La hidrólisis alcalina también da como resultado a menudo una disminución del valor nutricional de los hidrolizados, además de la posible formación del derivado de aminoácido lisinoalanina, altamente indeseable en los alimentos (De Groot et al. 1969). Por todo esto, la hidrólisis química no es el método preferido para la producción péptidos bioactivos.
Tecnalia trabaja actualmente en varios proyectos de investigación a nivel nacional e internacional relacionados con la aplicación de este tipo de procesos para la revalorización de proteínas presentes en diferentes subproductos de la industria alimentaria con el fin de obtener hidrolizados y péptidos tanto para aplicaciones tecnológicas como funcionales. También se han explorado métodos novedosos como altas presiones, ultrasonidos, extracciones asistidas por microondas, campos eléctricos pulsados e hidrólisis de agua subcrítica para mejorar el grado de hidrólisis en la producción de péptidos bioactivos (Bamdad et al. 2017). El principio de estas tecnologías se basa en procesos físicos.
Altas presiones hidrostáticas (HHP) Esta tecnología ecológica y no térmica se ha utilizado en la industria alimentaria para mejorar la seguridad microbiana, las propiedades nutricionales y funcionales de los productos alimenticios (Naderi et al. 2017). El punto de interés es el daño mínimo a los compuestos bioactivos debido a la aplicación de temperatura baja o moderada.
Ultrasonidos (US) Los Ultrasonidos son otra tecnología física ecológica y no térmica en la que se utilizan ondas ultrasónicas (por encima de 20 kHz) para la producción de péptidos, y que depende de la onda mecánica que viaja a través del medio. Pero por sí solos no son suficientes para romper los enlaces peptídicos; por lo tanto, se aplican en combinación con hidrólisis enzimática para mejo-
Almacenes con temperatura controlada
rar la producción de péptidos bioactivos. La sonicación mejora la liberación de péptidos bioactivos de los alimentos al aumentar la accesibilidad de las enzimas a los enlaces peptídicos (Cárcel et al. 2012).
Microondas (MO) Un microondas utiliza radiación electromagnética con un rango de frecuencia de 300 MHz y 300 GHz (Barba et al. 2016). La energía se transfiere a través de interacciones moleculares mediante los mecanismos de rotación dipolar y conducción iónica. La principal ventaja de esta tecnología es la capacidad de acelerar la hidrólisis de proteínas en péptidos mediante la rápida degradación de proteínas en combinación con la hidrólisis enzimática.
Campos eléctricos pulsados (PEF) Otro método prometedor para producir péptidos bioactivos a partir de fuentes alimentarias es la tecnología de campos eléctricos pulsados. El principio de PEF es utilizar pulsos cortos de campos eléctricos con una intensidad entre 10 y 80 kV / cm en un período corto, como micro o milisegundos (Mohamed et al. 2012), con lo que se mejora la producción de péptidos bioactivos potenciales mediante el despliegue, la desnaturalización o la gelificación. Las ventajas de este método incluyen un tiempo de tratamiento corto, menor consumo de energía e inactivación de microorganismos (Li et al. 2013).
Hidrólisis con agua subcrítica (SCW) Se ha empleado la hidrólisis con agua subcrítica para recuperar una amplia gama de moléculas de alto valor agregado, incluida la recuperación de hidrolizados de proteínas en forma de péptidos o aminoácidos (Zhang et al. 2018). Esta hidrólisis no requie-
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Hidrolizados proteicos obtenidos en Tecnalia mediante hidrólisis enzimática.
DESHUESADORA DE PALETAS PRODUCTIVIDAD - FIABILIDAD - RENTABILIDAD
DESCORTEZADORA DE JAMONES GUILLOTINA PARA CONGELADOS
DESHUESADORA DE JAMONES
GUBIADORA NEUMÁTICA MANUAL
MÉTODOS CONVENCIONALES Y NUEVOS MÉTODOS UTILIZADOS PARA
Hidrólisis con agua subcrítica (SCW) Fermentación Hidrólisis enzimática Hidrólisis química
Altas presiones hidrostáticas (HPP)
Proteínas Alimentarias
Métodos convencionales
Nuevos métodos
Hidrolizados/Péptidos activos
Ultrasonidos (US) Microondas (MO)
Campos eléctricos pulsados (PEF)
Hidrólisis enzimática
re enzimas ni disolventes y el tiempo de reacción es considerablemente corto. Dado que el agua es el medio de reacción en la hidrólisis, los péptidos producidos pueden usarse sin purificación posterior. Sin embargo, el costo de infraestructura industrial para esta técnica es alto (Lachos et al. 2017).
Generalmente, los péptidos obtenidos por cualquiera de estas técnicas requieren un secado por atomización para convertirse en polvo para aplicaciones posteriores. Por tanto, se necesita un diseño sistemático de ensayos de secado por pulverización para optimizar los parámetros del proceso con el fin de preservar los atributos deseables del péptido.
Es necesario considerar el efecto del secado sobre las propiedades funcionales como la bioactividad y la biodisponibilidad de los péptidos, así como tener en cuenta el estado de las partículas peptídicas después del secado, incluido el contenido de humedad, la vida útil, la solubilidad, la facilidad de uso, el control del sabor/olor, etc. (Mohan et al. 2015). Dado que el secado por aspersión es uno de los pasos más costosos y que consumen más energía en la producción de hidrolizados de proteínas, también se debe tener cuidado para equilibrar el consumo de energía del proceso de secado, la selección de la temperatura de entrada/salida, y la calidad final del producto (Kristinsson et al. 2000).
En la producción industrial, a menudo se debe llegar a un compromiso entre el rendimiento de hidrolizado que se puede lograr, frente a la cantidad de agua que debe eliminarse para obtener un producto final seco, por ejemplo, agregar menos agua durante la hidrólisis para minimizar el costo de secado (Wang et al. 2020).
Aplicaciones tecnológicas de hidrolizados proteicos
Como consecuencia del proceso de hidrólisis, las propiedades moleculares de las proteínas cambian, produciéndose la disminución del peso molecular, aumento de la carga y la liberación de grupos hidrofóbicos, entre otros fenómenos. Estos cambios potencian diversas características tecno-funcionales como baja viscosidad, mayor capacidad, dispersión y alta solubilidad, que les conceden ventajas para el uso en muchos productos alimentarios respecto a las proteínas originales. También las propiedades nutricionales de los hidrolizados reflejan una mayor digestibilidad y menor alergenicidad cuando se les compara con las proteínas (Toldrá et al. 2016)
Proceso de Fermentación en Tecnalia para la obtención de hidrolizados proteicos.
Por ejemplo, la gelatina es una proteína obtenida del colágeno mediante hidrólisis que se utiliza ampliamente en la industria alimentaria por su capacidad gelificante y como agente clarificante y estabilizador. Los hidrolizados de proteínas cárnicas también pueden dar lugar a ingredientes aromatizantes, donde sus propiedades sensoriales dependerán de la concentración y contenido de péptidos y aminoácidos libres. Es el caso de hidrolizados de proteínas obtenidas de fuentes porcinas, bovinas o pollo. (Toldrá et al., 2016)
Aplicaciones funcionales de péptidos bioactivos
El interés de los péptidos bioactivos en diferentes disciplinas como la farmacéutica y la alimentación proviene de las funciones biológicas identificadas en diferentes secuencias peptídicas cortas, de entre 2 y 20 aminoácidos. De hecho, péptidos bioactivos sintéticos están siendo utilizados en terapias contribuyendo al tratamiento de enfermedades cardiovasculares, gastrointestinales, inmunosupresoras, diabéticas, osteoporóticas, obesidad, antibacterianas u oncológicas.
Sin embargo, los péptidos obtenidos de manera sintética han mostrado algunos efectos secundarios y graves. Así, la tendencia es el estudio de péptidos bioactivos naturales con efectos secundarios mínimos (Mora et al. 2017).
El proteoma o proteínas de la carne se considera una buena fuente de biopéptidos funcionales. Estos biopéptidos forman parte de las proteínas, pero su secuencia necesita ser liberada para ser transportada al torrente sanguíneo y ejercer su actividad. Se pueden generar de forma natural y estar presenten en los productos frescos o curados, produciéndose, por ejemplo, durante el proceso de fermentación, generalmente relacionados con bacterias lácticas o en procesos de curado, donde la actividad dependerá de actividad de las enzimas musculares endógenas y de las condiciones de procesamiento como de los ingredientes añadidos y el tiempo de curación (Mora et al. 2017).
Otro mecanismo clave para la obtención de péptidos bioactivos es la digestión gastrointestinal debida a la acción de la saliva, estómago, intestino y enzimas pancreáticas (Mora et al. 2014).
Sin embargo, la obtención o liberación de biopéptidos mediante digestión in vitro utilizando enzimas (Hidrólisis enzimática) o microrganismos comerciales y condiciones controladas (Fermentación) para garantizar su producción, se presenta como la mejor opción para la revalorización de los subproductos cárnicos.
La sangre es una fuente rica de proteínas y proteínas como la hemoglobina que pueden dar lugar a biopéptidos con propiedades antimicrobianas e inhibitorias de ACE para la prevención de la hipertensión (Etemadian et al. 2021). El colágeno es la proteína más abundante en los subproductos de la industria cárnica y, mediante procesos de hidrólisis enzimática se han encontrado actividades antioxidantes entre otras (Toldrá et al.2016).
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Las proteínas de los subproductos cárnicos pueden ser una fuente importante de hidrolizados y péptidos bioactivos con propiedades tecnológicas y funcionales. Estos productos tienen ciertas ventajas demostradas ya que son naturales y parecen ser más seguros para el consumo humano. Los principales esfuerzos que se están realizando hoy en día en investigación van dirigidos a la obtención de productos con aplicaciones novedosas o a la mejora de los procesos existentes, con el fin de agregar valor a los subproductos de la industria alimentaria. Los péptidos bioactivos ofrecen un gran potencial para su incorporación en alimentos funcionales y nutracéuticos. Además, el uso de subproductos reduce adicionalmente las amenazas ambientales y crea oportunidades de empleo dando lugar a mayores oportunidades económicas, mejorando así la calidad de vida general de nuestras comunidades
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AUTORAS
Fernández-de Castro, Laura; Díaz de Apodaca, Elena; Villarán, M.Carmen TECNALIA, Basque Research and Technology Alliance mcarmen.villaran@tecnalia.com
Este artículo tendrá una segunda parte en el próximo número de Cárnica en el que se abordarán aplicaciones concretas obtenidas mediante subproductos cárnicos.
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