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Encapsulación de proteasa como alternativa para el
desarrollo de un ingrediente alimentario
Protease encapsulation as an alternative for development of a food ingredient
Yessica Lorena Díaz M.1, Laura Sofía Torres V.1 y Johanna A. Serna J.1
resumen
ABSTRACT
La encapsulación es un método en el que las sustancias son
introducidas en una matriz para evitar su pérdida y facilitar
su incorporación en diferentes productos. Por esto, se plantea
encapsular proteasa mediante secado por atomización como
alternativa para el desarrollo de un ingrediente alimenticio.
Las condiciones óptimas de encapsulación fueron 44% de
enzima y 116°C, obteniendo una concentración de enzima de
12,71±0,07 mg proteína total/mL muestra, actividad enzimática similar a la de la enzima pura, siendo esta de 1,166 y 1,163
U/mL respectivamente y una liberación de la enzima en agua
del 1% en una hora. A partir de lo anterior, se infiere que este
método contribuye positivamente en la estabilidad y permite el
diseño de matrices que pueden ser incorporadas como aditivos
en alimentos.
Encapsulation is a method in which substances are introduced
into a matrix to prevent loss and facilitate incorporation into
various products. Therefore, protease arises encapsulated by
spray drying as an alternative for development of a food ingredient. Optimal conditions of encapsulation were 44% enzyme
and 116°C, obtaining an enzyme concentration of 12.71±0.07
mg total protein/mL sample, enzymatic activity similar to the
pure enzyme, this being 1.166 and 1.163 U/mL respectively
and a release of the enzyme in 1% water in one hour. From the
above it follows that this method contributes positively stability
and allows the design of matrices that can be incorporated as
additives in food.
Palabras clave: aditivos alimentarios, enzimas, microencapsulación, secado por pulverización.
Key words: food additives, enzymes, microencapsulation,
spray drying.
Introducción
Actualmente, la subalimentación ha generado problemas
de salud pública como la desnutrición proteico-energética
cuya prevalencia se presentan en mayor concentración en
los países en desarrollo, la cual corresponde al 12,9% a
nivel mundial y al 13,2% en Colombia (FAO, 2015; Kamel
et al., 2016; WFP, 2016).
Una forma de combatir esta enfermedad es aumentando la
ingesta de proteínas, aunque no se trata solo de la cantidad,
sino también de la calidad de la proteína y del poder de
adquisición, ya que las enormes brechas generadas por el
progreso desigual, continua dejando a millones de personas en pobreza y vulnerabilidad, lo que conlleva a que esta
opción pueda verse limitada (ONU, 2015).
No obstante, la ingesta de proteínas no garantiza una digestibilidad total, puesto que existen limitantes que hacen
su absorción incompleta, siendo de 90% para proteínas
de origen animal y de 60-70% en las de origen vegetal
(González-Torres et al., 2007); lo que da lugar al uso de enzimas para contribuir en la división de proteínas nutritivas
en péptidos y aminoácidos de manera que sean absorbibles.
Dichas enzimas pueden incorporarse por separado al alimento o incluidas en el mismo como un ingrediente de la
formulación, pero esto no debe hacerse de manera directa
pues el proceso catalítico iniciaría en una fase diferente a la
intestinal, que es la de mayor asimilación, por esto se debe
realizar acondicionamiento previo del material.
Una alternativa para ello es la encapsulación, debido a que
ha permitido introducir sustancias como antioxidantes,
minerales, vitaminas, fitoesteroles, luteína, ácidos grasos,
licopeno, probióticos y enzimas en matrices evitando su
pérdida y facilitando su incorporación en diferentes productos, siendo el secado por atomización la técnica más
usada. Sin embargo, las condiciones del proceso difieren
dependiendo del tipo de componente y material de recubrimiento empleado (Nedovic et al., 2011).
ISSN: 0120-9965 Fecha de recepción: 13-06-2016 Aceptado para publicación: 21-09-2016
Doi: 10.15446/agron.colomb.v34n1supl.57759
1
Facultad de Ingenierías, Programa de Ingeniería Agroindustrial, Universidad La Gran Colombia. Armenia (Colombia). [email protected]
Agronomía Colombiana 34(1Supl.), S693-S696, 2016
TABLA 1. Condiciones de encapsulación mediante secado por atomización.
Temperatura de secado(°C)
Concentración de enzima
(%)
Entrada
T1
16
94
T2
44
94
T3
16
116
T4
44
116
T5
10
105
T6
50
105
T7
30
90
T8
30
120
T9
30
105
Tratamiento
Salida
Concentración del material
de recubrimiento (%)
40
30
A las partículas obtenidas se les cuantificó la concentración de enzima y a partir de este parámetro, se seleccionó las condiciones óptimas para llevar a cabo el proceso de encapsulación.
Por lo anterior, el objetivo de este trabajo es definir las
condiciones óptimas para realizar la encapsulación de
enzimas, a partir de las características requeridas para el
desarrollo de ingrediente alimentario.
Metodología
Encapsulación
La encapsulación de la enzima fungal proteasa FP 31
(Proenzimas, Colombia) se realizó en un equipo de secado
por atomización (Lab-Scale Spray Dryer 7614YC-015 - Pilotech, China), a diferentes condiciones de temperaturas
de secado y concentraciones de enzima proporcionadas
mediante un diseño central rotatorio (Tab. 1). Se utilizó
maltodextrina grado alimentario (Tecnas, Colombia)
con dextrosa equivalente (DE) de 17 como material de
recubrimiento.
Cuantificación de la concentración de enzima y
determinación de la actividad enzimática
La cuantificación de la concentración de enzima se realizó
con el método de Bradford. Para ello, las muestras fueron
sometidas a un pretratamiento para liberar la enzima en
donde 0,25 g de muestra se diluyeron en 2,5 mL de agua
bidestilada, luego se homogenizó en un vortex (G-560,
Fisherbrand, USA) por 2 min. Posteriormente, se tomaron
0,05 mL de la solución de la muestra y se le adiciono 2,5
mL del reactivo de Bradford (Sigma-Aldrich, Alemania),
se mezcló y tras pasar 2 min se llevaron a lectura a 595 nm
empleando un espectrofotómetro de luz visible (Genesys10
UV-VIS Scanning 335906 - ThermoScientific, USA). Los
resultados obtenidos son expresados en mg de proteína
total/mL de muestra. La determinación de la actividad
enzimática se realizó mediante el análisis de actividad de
proteasa no específico de Sigma que emplea caseína como
S694
sustrato, el cual es reportado por Cupp-Enyard (2008).
Para este análisis se emplearon únicamente las partículas
obtenidas a condiciones óptimas.
Determinación del porcentaje de liberación
en agua de la enzima encapsulada
Para determinar el porcentaje de liberación, se tomó 1 g
de la enzima encapsulada a condiciones óptimas y se puso
en 500 mg de agua destilada. La liberación de la enzima
encapsulada se evaluó en un intervalo de 2 min durante 1
h, utilizando como parámetro de seguimiento la concentración de enzima cuantificada llevando a cabo la metodología
descrita anteriormente.
Análisis estadístico
Los resultados fueron sometidos a un análisis de varianza
(Anova), con comparación de los valores medios mediante
la prueba de Tukey a un nivel de significancia del 95%,
utilizando el software estadístico Statgraphics®.
Resultados y discusión
Cuantificación de la concentración de enzima
La concentración de enzima contenida en las partículas,
obtenidas mediante secado por atomización se muestra
en la tabla 2, evidenciando que el tratamiento que presentó
mayor concentración de enzima fue el 4, con 12,71±0,07 mg
de proteína total/mL de muestra, en donde se empleó una
temperatura de entrada de 116°C. Asimismo, se muestra
que el tratamiento que menor concentración de enzima
presentó fue aquel que se realizó a 105°C (tratamiento 5),
con 5,16±0,05 mg de proteína total/mL de muestra, lo cual
es coherente, teniendo en cuenta la proporción de enzima
que se dispuso para encapsular inicialmente, siendo esta
de 44% para T4 y 10% para T5.
Agron. Colomb. 34(1Supl.), 2016
TABLA 2. Concentración de enzima contenida en partículas obtenidas
mediante secado por atomización (± desviación estándar).
Tratamiento
Concentración de enzima
( mg proteína total/mL)
T1
6,26±0,16
T2
12,61±0,21
T3
7,91±0,04
T4
12,71±0,07
T5
5,16±0,05
T6
12,16±0,10
T7
8,16±0,06
T8
9,59±0,05
T9
10,68±0,05
baja evaporación del agua a bajas temperaturas (SalazarLeyva et al., 2014).
La ecuación que representa el comportamiento de la actividad enzimática, en función de las condiciones de proceso
es (Ec. 1).
[enzima] = -71,5 + 0,726Ci + 1,26T - 0,00356Ci2
- 0,00538T2 - 0,00308CiT
(1)
Se puede observar que el factor más relevante es la temperatura, seguido de la concentración inicial de enzima, los
factores menos significativos son generados por los efectos
de interacción. Por lo tanto el parámetro más relevante en
el proceso es la temperatura de secado.
Dado que ningún P-valor es inferior a 0,05, ninguno de los
tratamientos tiene efecto estadísticamente significativo sobre la concentración de enzima para un nivel de confianza
del 95,0%. Sin embargo, para llevar a cabo la encapsulación
de la enzima proteasa, se selecciona aquel que proporcione
las condiciones óptimas de proceso.
En la figura 1 se presentan las líneas de contorno y superficie de respuesta obtenidas, se observa que la concentración
de enzima encapsulada incrementa con la concentración
inicial a alimentar y es influenciada por la temperatura; se
observa que el punto óptimo se obtiene a temperatura de
116°C, valores superiores e inferiores generan disminución
de la concentración de enzima, esto puede ser generado por
la afectación térmica de la enzima a altas temperaturas y la
Determinación de la actividad enzimática
La enzima encapsulada presentó una actividad enzimática
similar a la de la enzima pura, siendo esta de 1,166 y 1,163
U/mL respectivamente. Lo anterior ratifica lo encontrado
en la literatura, en donde se afirma que el proceso de encapsulación contribuye a que la enzima inmovilizada presente
una alta actividad ya que esta ocluida en la capsula en forma
soluble (Salazar-Leyva et al., 2014).
Liberación en agua de la enzima encapsulada
Se presentó una liberación de enzima del 1% luego de
trascurrir 60 min de haberse puesto en contacto con agua,
lo que podría indicar que este ingrediente puede ser incorporado a matrices que requieran ser rehidratadas para su
consumo, garantizando con ello que la liberación total de
AB
120
Concentración
enzima encapsulada
105
100
95
20
30
40
Concentración enzima
encapsulada
(mg protéina total/mL de muestra)
Temperatura
(°C)
4
6
8
10
110
90
10
4
6
8
10
12
> 12
<
115
12
9
6
120
110
3
10
25
50
100
40
55
90
Temperatura
se secado
(°C)
Concentración de
enzima a encapsulada
(%)
FIGURA 1. Superficie de respuesta para los valores de concentración de enzima contenida en partículas obtenidas mediante secado por atomización.
A: contornos y B: superficie de respuesta.
Díaz M., Torres V. y Serna J.: Encapsulación de proteasa como alternativa para el desarrollo de un ingrediente alimentario
S695
la enzima no se presente antes de ser ingerida. La condición anterior puede ser atribuida, según lo reportado por
Zhang et al. (2016), al tamaño de poro obtenido ya que si
este es más pequeño en comparación con las dimensiones
de las moléculas de la enzima, dicha liberación se daría en
menor proporción.
Conclusión
A partir de lo anterior, se infiere que este método de encapsulación contribuye positivamente en la estabilidad
de la enzima proteasa y permite consigo el desarrollo
de ingredientes que puedan ser incorporadas como aditivos en diferentes matrices alimentarias, generando de
este modo productos con valor agregado y con posibles
funcionalidades.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Departamento Administrativo
de Ciencia, Tecnología e Innovación de Colciencias por la
financiación del proyecto “Efecto de la adición de ácidos
orgánicos y enzimas en los parámetros de calidad física
y nutricional de un alimento extruido para tilapia (oreochromis spp) en la fase de alevinaje” del cual deriva esta
investigación.
Literatura citada
Cupp-Enyard, C. 2008. Sigma’s non-specific protease activity assaycasein as a substrate. J. Visualized Exp. 19(2). Doi: 10.3791/899
S696
FAO. 2015. Estado de la inseguridad alimentaria en el mundo. Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la
Agricultura, Roma.
González-Torres, L., A. Téllez-Valencia, J.G. Sampedro y H. Nájera.
2007. Las proteínas en la nutrición. Rev. Salud Publ. Nutr. RESPYN 8(2).
Kamel, T.B., T.E.D., R.H. Elkabarity y R.K. Ahmed. 2016. Protein
energy malnutrition associates with different types of hearing
impairments in toddlers: Anemia increasescochlear dysfunction. Int. J. Pediatric Otorhinolaryngology 85, 27-31. Doi:
10.1016/j.ijporl.2016.03.018
Nedovic, V., A. Kalusevica, V. Manojlovicb, S. Levica y B. Bugarskib.
2011. An overview of encapsulation technologies for food
applications. Procedia Food Sci. 1, 1806-815. Doi: 10.1016/j.
profoo.2011.09.265
ONU. 2015. Objetivos de desarrollo del milenio: Informe de 2015.
Organización de las Naciones Unidas. New York, NY.
Salazar-Leyva, J.A., J. Lizardi-Mendoza, J.C. Ramírez-Suarez, G.
García-Sanchéz, J.M. Ezquerra-Brauer, E.M. Valenzuela-Soto
y R. Pacheco-Aguilar. 2014. Utilización de materiales a base de
quitina y quitosano en la inmovilización de proteasa: Efectos
en su estabilización y aplicaciones. Rev. Mex. Ing. Quím.
13(1), 129-150.
W FP. 2016. Desnut rición.En: ht t p://es.w f p.org / ha mbre/
desnutrici%C3%B3n/desnutrici%C3%B3n; consulta: mayo
de 2016.
Zhang, Z., R. Zhang, L. Chen y D.J. McClements. 2016. Encapsulation
of lactase (β-galactosidase) into κ-carrageenan-based hydrogel
beads: Impact of environmental conditions on enzyme activity.
Food Chem. 200, 69-75. Doi: 10.1016/j.foodchem.2016.01.014
Agron. Colomb. 34(1Supl.), 2016