Download capitulo 18 recuperación de proteínas y lípidos de subproductos

CAPITULO 18
RECUPERACIÓN DE PROTEÍNAS Y LÍPIDOS DE SUBPRODUCTOS
ACUÁTICOS
Jacek Jaczynski
Yi-Chen Chen
Joaquín Rodrigo
J. Antonio Torres
INTRODUCCIÓN
Desde tiempos prehistóricos los productos de la pesca han sido un componente
importante de la alimentación de homínidos y posteriormente del Homo sapiens
(Stewart, 1984). Una ensalada de pescado en una receta china que data de 1300 a.C.,
describiendo una carpa marinada y con especias, es la receta de cocina más antigua
que se conoce (Zugarramurdi y col., 1995). Los métodos de procesamiento de pescado
tales como ahumado, fermentación, y seco salado fueron básicos para la creación de
industrias en el imperio romano (McCann, 1988). China tiene una larga tradición en
acuicultura y ya en el 2000 a.C., el pescado era cultivado para servir como alimento
(Kreuzer, 1974). Esta antigua tradición, y la experiencia acumulada a lo largo de los
años, contribuyó probablemente a que en la actualidad China tenga la industria de
acuicultura más grande del mundo (Anónimo, 2004).
El procesamiento de alimentos inevitablemente genera tanto subproductos como
desechos, y la industria de alimentos de origen acuático no es la excepción. De hecho,
la utilización de estos subproductos, y la reducción en la cantidad de desechos, son los
factores más importantes para determinar la viabilidad económica de esta industria
(Gildberg, 2002). En las pesquerías tradicionales y no industrializadas, la mayoría del
trabajo es realizado por personal entrenado y experto que se renueva de forma
generacional. En ellas, la mayoría del pescado es utilizado para consumo humano,
alimentación animal o para fertilizantes agrícolas. Por otro lado, la industrialización de
las pesquerías, dirigida a incrementar los beneficios económicos, ha traído importantes
desarrollos, pero paralelamente ha incrementado la cantidad de subproductos
generados (Gildberg, 2002). Ejemplos típicos de este problema son la pesca por
arrastre, el procesado de krill (Euphausia superba) y el fileteado mecanizado de
pescado. Durante la captura por arrastre del camarón, langostino y gamba es común
encontrar que el 90% de la captura sea fauna de acompañamiento sin valor comercial,
por lo que es desechada (Raa y Gildberg, 1982). Por otro lado, en el procesado
comercial de krill, el rendimiento de la recuperación de carne es extremadamente bajo,
oscilando entre 10 y 15% de su peso (Suzuki, 1981). Finalmente, en el fileteado
mecánico de pescado, el rendimiento en filetes fluctúa entre 30 y 40% generando un
60-70% de subproductos (Gildberg, 2002). Si bien la práctica de “moler y sencillamente
desechar” este 60-70% de subproductos es frecuente, esta estrategia debe
considerarse como una forma irresponsable de aprovechar los recursos disponibles
para satisfacer nuestras necesidades nutricionales.
Existen serios malentendidos en cuanto a la definición de subproductos de
alimentos acuáticos. En los procesos de la industria pesquera, así como en la literatura
científica, son tres los términos que frecuentemente se utilizan en forma poco
diferenciada para describir los mismos materiales: (1) despojos, (2) desechos y
(3) subproductos. Los dos primeros términos implican que dichos materiales no pueden
ser utilizados y deben ser eliminados, por lo que tienen una connotación negativa. En
cambio, el tercer término sugiere que si se le trata de forma adecuada se podría
recuperar algún componente con valor, y por lo tanto es positivo. Actualmente, la
definición más común es denominar subproducto a cualquier material, comestible o no,
que resulte del procesado del producto principal. Un ejemplo típico es el fileteado de
pescado, donde el filete es el producto principal y la piel, cabeza e intestino serían los
subproductos. Es un error denominar a estos subproductos como “desechos” ya que la
carne que queda en la piel y en la cabeza es de buena calidad (Strom y Eggum, 1981).
Si se aplica de forma exitosa una tecnología de recuperación de esta carne, esto añade
valor al proceso y además reduce la contaminación ambiental.
Los subproductos pueden ser procesados para la obtención de cuatro clases de
producto: (1) fertilizantes agrícolas, (2) alimentos para animales, (3) alimentos para el
hombre con valor agregado y (4) ingredientes especiales. En general, la conversión a
fertilizantes resulta en un menor valor comercial, mientras que su transformación en
alimentos para el hombre o ingredientes especiales consigue el mayor valor añadido a
los subproductos. Se ha estimado que el valor añadido a los subproductos resultante
de su transformación hacia alimentos para el hombre incrementará cinco veces en la
próxima década (Gildberg, 2002).
SITUACIÓN GLOBAL DE PESQUERÍAS Y SUBPRODUCTOS
Existe buena información sobre la captura mundial de pesca y la producción de
piscifactorías en el Departamento de Pesquerías de la Organización para la Agricultura
y Alimentos (FAO por sus siglas en inglés) de las Naciones Unidas. Sin embargo, la
cantidad de subproductos sólo puede ser estimada (Anónimo, 2004). Si bien la captura
mundial de pesca se ha mantenido estable en los últimos veinte años, y se pronostica
que no incrementará en el futuro, el sector de acuicultura incrementó su producción en
un 27% en el mismo periodo (Tabla 1) y actualmente contribuye con un 50% de las
capturas de pescado (Vannuccini, 2004). La FAO predice que el aumento futuro en la
demanda de alimentos acuáticos sólo puede ser satisfecho por un incremento en la
producción de las piscifactorías. Por otro lado, en el 2002, cerca del 76% de la
producción pesquera mundial fue utilizada para consumo humano directo y el 24%
restante se destinó a la producción de harina y aceite de pescado, la cual genera pocos
subproductos. Sin embargo, y a pesar de utilizar una cuarta parte de los recursos
pesqueros, esta industria contribuye sólo con un 3.8% al valor económico de la
industria pesquera (Anónimo, 2004).
< TABLA 1 >
Alrededor de 100 millones de toneladas son capturadas para consumo humano
directo, pero solo una fracción de este enorme recurso es utilizado. Por ejemplo, en el
fileteado comercial de bacalao, salmón, trucha, tilapia, dorada, abadejo y otras
especies comerciales se genera un 60-70% como subproducto. La cantidad de carne
de pescado y aceite remanente en este subproducto varía ampliamente, pero en
función del peso total del pescado procesado fluctúa típicamente de 20-30% y 5-15%,
respectivamente. El aceite de pescado es altamente poliinsaturado (alto contenido de
ácidos grasos omega-3), y por lo tanto es muy susceptible a la oxidación , resultando
en desarrollo de rancidez. Si se recupera eficientemente el aceite del subproducto y es
utilizado para consumo humano, la harina remanente y libre de grasa se puede destinar
a la producción de alimento balanceado para animales.
Los 100 millones de toneladas capturadas para consumo humano no incluyen la
fauna de acompañamiento y la pesca descartada, estimada aproximadamente en unos
30 millones de toneladas, los que representan recursos disponibles no utilizados
(Zugarramurdi y col., 1995). Otro recurso no utilizado a gran escala comercial para
consumo humano es el krill que solamente se utiliza para la producción de alimento
para piscicultura. El krill podría contribuir en forma importante a satisfacer las
necesidades nutricionales humanas de proteínas, y por lo tanto evitar problemas
ambientales asociados a la sobrepesca, así como prevenir la extinción de algunas
especies marinas. Este enorme recurso, estimado entre 400 y 1550 millones de
toneladas, podría ser capaz de sostener entre 70 y 200 millones de toneladas anuales
en captura de krill (Suzuki y Shibata, 1990). La biomasa de krill disponible para
consumo humano es comparable a la biomasa de todas las demás especies acuáticas
capturadas por el hombre, y es probablemente la mayor de cualquier especie animal
multicelular en el planeta (Nicol y Endo, 1999). El krill es poco utilizado para consumo
humano debido a la falta de una tecnología eficaz para la recuperación de su carne.
Los krill son pequeños crustáceos que se asemejan a camarones (Figura 1) pero
contienen enzimas proteolíticas extremadamente activas. Durante la cosecha, estas
enzimas son liberadas, de tal forma que literalmente licuan su carne a velocidades muy
rápidas (Kolakowski y Lachowicz, 1982).
< Figura 1 >
OPORTUNIDADES
El volumen de la biomasa de los subproductos acuáticos y especies
subutilizadas es asombroso. Al mismo tiempo, la sobrepesca, el agotamiento y otros
problemas medioambientales asociados con el procesado de alimentos acuáticos, son
cada vez más importantes en los medios populares. La población mundial está
incrementando, y en el futuro será aún más difícil cubrir sus necesidades nutricionales,
principalmente las de proteínas y lípidos, utilizando recursos acuáticos. Aunque la
acuicultura puede aliviar estos problemas, es muy importante desarrollar tecnologías
más eficientes para mejorar los rendimientos de productos destinados al consumo
humano y al mismo tiempo reducir la cantidad de subproductos. El desafío es también
encontrar usos adecuados para los productos recuperados, de forma que al final el
proceso sea económicamente viable y ecológicamente sostenible.
El desarrollo de tecnologías de recuperación más eficientes requiere el estudio
de algunas propiedades fundamentales de las materias primas, pues sólo así es
posible manipular su comportamiento, y de ese modo incrementar el rendimiento de
recuperación de los procesos industriales. Por definición, carne es la porción
comestible obtenida a partir de tejidos musculares y es una mezcla principalmente de
agua, proteínas y lípidos intramusculares. Por lo tanto, para desarrollar nuevas
tecnologías, es necesario conocer el comportamiento de estos tres componentes.
PROPIEDADES DEL AGUA EN LOS ALIMENTOS
El contenido de agua de un producto de la pesca depende de la especie y puede variar
ampliamente alcanzando incluso hasta el 90%. En el producto final, el agua no sólo
controla su peso y por lo tanto los beneficios económicos, sino que también influye en
en las propiedades organololepticas percibidas por el consumidor. Desde el punto de
vista de la nutrición humana, el agua no contribuye en calorías, y por ello cuanto mayor
sea su cantidad, más dietético (menos calorías) será el producto. Sin embargo, cuando
el agua es añadida al producto, se necesitan componentes que la retengan para
prevenir pérdidas por escurrido. Las proteínas de la carne (músculo) tienen buena
capacidad de retención del agua (WHC por sus siglas en inglés) si el producto no es
maltratado, particularmente desde el punto de vista térmico. Por ejemplo, las proteínas
del músculo de krill tienen muy buena WHC, sin embargo, son muy sensibles al abuso
de temperatura (Suzuki, 1981).
En los sistemas de carne, el agua proporciona un medio de reacción en el cual
otros componentes tales como proteínas y lípidos están suspendidos o disueltos. Por
ello, es de vital importancia conocer la forma en la que el agua interacciona con estos
componentes. La molécula de agua es un dipolo debido a la ligera carga eléctrica
negativa y positiva que poseen los átomos de oxígeno e hidrógeno, respectivamente
(Figura 2). Esto ocurre debido a que el oxígeno atrae electrones de los dos átomos de
hidrógeno provocando una ligera electronegatividad en el oxígeno y dejando al
hidrógeno ligeramente positivo. Esto significa que la molécula de agua tiene una ligera
carga electrostática que le permite formar puentes de hidrógeno con otras moléculas
cargadas (Figura 2). Esta propiedad es muy importante en tecnología de alimentos,
porque algunos componentes tales como las proteínas pueden estar cargadas y por lo
tanto formar puentes de hidrógeno. Por esta razón, los componentes de la carne son
solubles en agua si están cargados para que así sea posible su interacción con el agua
a través de enlaces de hidrógeno.
< FIGURA 2 >
PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS PROTEÍNAS Y LÍPIDOS DEL PESCADO
Proteínas del pescado
Hay dos tipos de músculos en alimentos acuáticos, el músculo estriado, que tiene un
aspecto franjeado característico, y el músculo liso que no muestra estas franjas. El
músculo estriado es el principal componente en la carne de pescado y animales
terrestres, mientras que el músculo suave es característico de la carne de moluscos. El
músculo de pescado también puede ser dividido en músculo blanco y oscuro. El
músculo oscuro recorre el cuerpo del pescado por debajo de la piel.
Las proteínas del músculo pueden clasificarse en:
(1) Proteínas miofibrilares
Son proteínas solubles en soluciones salinas concentradas, siendo la actina y la
miosina las más abundantes y de mayor importancia por su funcionalidad. En el
proceso de contracción muscular son también importantes la tropomiosina y
troponina que actúan como proteínas reguladoras, iniciando o terminando el
proceso contráctil de la actina y la miosina. Estos agentes contráctiles
conforman los haces de miofibrillas del tejido muscular unidos por el tejido
conectivo o proteínas del estroma. En general, la carne de pescado tiene menos
tejido conectivo que la de animales terrestres (pescado – 3-5%, vacuno – 1628%) (Suzuki, 1981).
(2) Proteínas sarcoplásmicas
Son proteínas solubles en soluciones salinas diluidas y corresponden al miógeno
y globulinas. En el músculo, la mioglobina cumple una función similar a la de la
hemoglobina de la sangre. Ambas forman un complejo con el oxígeno, pero sus
funciones son diferentes. La mioglobina es esencialmente un mecanismo de
almacenamiento de oxígeno en las células. Es una proteína conjugada con una
globina (cadena peptídica) y una parte no proteica, el hemo de hierro compuesto
por un átomo de hierro y porfirina.
(3) Proteínas del tejido conjuntivo
Son proteínas insolubles en soluciones salinas concentradas a bajas
temperaturas, pero al calentarlas en agua a 60 ó 70 °C las fibras de colágeno se
contraen a un tercio o un cuarto de su longitud inicial. A 80 °C, el colágeno se
transforma en gelatina y es soluble en agua. A diferencia del colágeno, la
reticulina no se transforma en gelatina al hervir.
La fuerza iónica (IS por sus siglas en inglés) es un factor importante en la
solubilidad en agua de las proteínas. La IS representa el estado de electrolitos o sales
ionizadas presentes en un sistema. Generalmente, cuanto mayor es la fuerza iónica,
mayor es la concentración de sales en el sistema. La miosina y actina son solubles en
agua a valores de IS extremadamente bajos o por encima de 0,6. Por ello, a la IS
fisiológica del músculo en el pescado, alrededor de 0,05 para trucha arco iris, estas
proteínas son insolubles en agua. Las proteínas del estroma son completamente
insolubles en agua mientras que las sarcoplásmicas son bastante solubles pero
disminuye al aumentar la IS (Lanier y col., 2005; Suzuki, 1981).
Las proteínas, incluidas las del músculo de pescado, contienen alrededor de
veinte aminoácidos (AA). Todos los AA son indispensables para el crecimiento y
mantenimiento de procesos metabólicos en el ser humano, pero a nueve de ellos se les
clasifica como “esenciales” (EAA por sus siglas en inglés), pues el organismo humano
no puede sintetizarlos y deben de estar presentes en la dieta. El valor biológico (BV por
sus siglas en inglés) de una proteína mide su eficiencia para satisfacer las necesidades
del organismo. Las proteínas del huevo se consideran como una fuente de referencia y
se les asigna un BV de 100, lo cual significa que el 100% del nitrógeno es absorbido y
retenido. Las proteínas de la leche, vacuno, pescado, maíz y arroz tienen un BV de 93,
75, 75, 72 y 59, respectivamente (Whitney y Rolfes, 2005; Murano, 2003). El BV de las
proteínas del krill es ligeramente superior al de las proteínas de la leche (Suzuki y
Shibata, 1990).
Los AA tienen un grupo amino y uno ácido (carboxilo) unidos a un carbono
central, que al reaccionar para formar proteínas, forman enlaces denominados
peptídicos (Figura 3). Al diferencia de los puentes de hidrógeno, que mantienen los
dipolos de agua, o que resultan de las interacciones entre proteína y agua, el enlace
peptídico es mucho más fuerte. En soluciones, los grupos amino y ácido terminales
pueden estar cargados electrostáticamente, y participan en interacciones agua-proteína
vía puentes de hidrógeno (Figura 3). Aunque la energía del enlace de los puentes de
hidrógeno es baja, cuando se presentan en gran número, estabilizan de forma eficiente
la compleja estructura tridimensional de las proteínas.
< FIGURA 3 >
Las diferentes cadenas laterales de los AAs otorgan una gran diversidad de
características a las proteínas. Mientras que las cadenas hidrofóbicas limitan su
solubilidad en agua, las polares o hidrofílicas (cargadas) pueden resultar en una
considerable interacción de agua-proteína a través de los puentes de hidrógeno. La
interacción con agua es esencial para la solubilidad de las proteínas así como para su
capacidad de retención de agua, mientras que la interacción débil hidrofóbica, puede
resultar sin embargo en interacciones proteína-proteína y producir su agregación
seguida de una precipitación.
La cadena lateral del AA cisteína contiene un grupo sulfidrilo (–SH) que cuando
es oxidado, por ejemplo durante un tratamiento térmico, forma un enlace covalente
llamado enlace disulfuro (–S-S–). La fuerza de los enlaces –S-S– en combinación con
las interacciones débiles entre AA hidrofóbicos son esenciales en la gelificación de las
proteínas de pescado, y por ello responsables de la textura de productos con gran valor
agregado como el surimi. Las cadenas laterales también pueden ser modificadas
químicamente, dando como resultado a proteínas con propiedades funcionales
diferentes. Aunque estas modificaciones químicas pueden producir proteínas no
permitidas para consumo humano, ellas pueden ser interesantes aplicaciones no
convencionales de las proteínas recuperadas de subproductos.
Las condiciones a las cuales las proteínas son sometidas afectan la carga
electrostática de la cadena lateral de sus AA, modificando la solubilidad de las
proteínas (Figura 4). Añadiendo ácido a una solución, éste se disocia donando iones
hidrógeno (es más riguroso decir que son iones hidronio H3O+), neutralizando las
cargas negativas de las proteínas y dando como resultado una mayor carga positiva
global. Añadiéndole una base a la solución, la proteína eventualmente tendrá una
mayor carga negativa (Figura 4). Conforme la proteína adquiere una carga global
positiva o negativa, comienza gradualmente a haber una interacción electrostática con
los dipolos del agua. A medida que aumentan las interacciones proteína-agua, las
interacciones hidrofóbicas proteína-proteína disminuyen. Por lo tanto, a la vez que la
proteína se hace más polar (cargada) su solubilidad en agua se incrementa.
< FIGURA 4 >
Es posible ajustar el pH de la solución de proteína a un valor tal que el número de
cargas negativas en su superficie sea igual al número de cargas positivas, y así, la
molécula de la proteína adopta una carga electrostática global cero o neutra. El pH al
cual esto ocurre se denomina punto isoeléctrico (pI) (Figura 4). El punto isoeléctrico es
específico para una proteína y es muy importante desde el punto de vista tecnológico,
pues conforme disminuyen las cargas de la superficie de las proteínas también lo
hacen las interacciones proteína-agua y por consecuencia su solubilidad en agua. La
hidrofobicidad producida por las interacciones proteína-proteína son mayores en el pI, y
por ello a este pH las proteínas precipitan fácilmente.
Este comportamiento de las proteínas permite modificar su solubilidad para
inducir su precipitación ajustando el pH. Como aparte del agua, las proteínas son el
mayor constituyente del pescado, esta propiedad puede ser utilizada para recuperarlas
a partir de subproductos. Mientras que las proteínas de la carne sean solubles,
favorecidas por la interacción proteína-agua, las impurezas (espinas, piel, escamas,
etc.) son insolubles y pueden ser separadas fácilmente por precipitación o
centrifugación. Las proteínas se recuperan a continuación ajustando el pH a su pI
lográndose su precipitación debido a interacciones proteína-proteína. Por ejemplo, las
proteínas de la leche (caseína) y de la soya se recuperan por medio de la aplicación de
este principio. En la fabricación del queso, la caseína de la leche precipita a pH 4,6,
separándose la cuajada de la leche (queso) y el suero como subproducto.
Las proteínas del pescado, al igual que otras proteínas, pierden su funcionalidad
si ocurre una desnaturalización, un fenómeno físico-químico complejo que produce
realineamientos espaciales de la estructura tridimensional de la proteína nativa,
principalmente por rotura de los enlaces de hidrógeno que la estabilizan. Si esta
estructura es modificada significativamente, la proteína perderá solubilidad, WHC, ó
formará geles más débiles. El alimento tendrá una textura pobre y presentará
desprendimiento de agua. La desnaturalización puede ser reversible o no, dependiendo
de la proteína y del nivel o intensidad del agente desnaturalizante. Una
desnaturalización típica es la inducida por abusos térmicos, como durante el
almacenamiento en congelación del pescado por tiempos excesivos o a temperaturas
no adecuadas. En general, las proteínas derivadas de pescados de aguas frías son
más sensibles al daño por temperatura que sus homólogos de aguas más calidas. Las
radiaciones ionizantes y el pH son otros ejemplos de agentes desnaturalizantes.
Lípidos del pescado
La grasa del músculo de pescado varía ampliamente con la especie, edad, estación de
desove, alimentación y región anatómica. El contenido de proteína del músculo del
pescado es relativamente variable, pero el de la grasa es por lo general inversamente
proporcional a su contenido de agua. Esto significa que cuanta más grasa contenga la
carne del pescado, menor será su contenido de agua.
Los depósitos de grasa se encuentran esparcidos por toda la estructura
muscular, pero la concentración de células grasas parece ser más elevada cerca de las
miocomatas y en las regiones entre el músculo blanco y el oscuro (Kiessling y col.,
1991). El músculo oscuro contiene algunos triglicéridos dentro de las células
musculares, incluso en peces magros, dado que este músculo es capaz de metabolizar
lípidos directamente para la obtención de energía. Por ello, el músculo oscuro contiene
más grasa que el blanco, más suministro de oxígeno sanguíneo para metabolizar
grasas, mayor concentración de mioglobina pro-oxidativa, y además debemos
considerar la presencia de las mitocondrias, los organelos celulares que oxidan
sustratos para producir energía. Estas características que permiten al músculo oscuro
utilizar directamente los lípidos para la obtención de energía (Kiessling y col., 1991),
tienen que ser consideradas desde el punto de vista de su conservación pues la
oxidación de esas grasas, en su mayoría poliinsaturadas, podrían desarrollar olores
desagradables, incluyendo rancidez (Hultin y col., 2005). Las células del músculo
blanco dependen del glucógeno como fuente de energía para el metabolismo
anaeróbico. Por estas razones, la carne de pescado blanco es preferida por los
consumidores, pero sería beneficioso desde el punto de vista económico, desarrollar
una tecnología para eliminar el aceite de pescado del músculo oscuro, y así añadir
valor a un producto con poco valor económico.
Los lípidos más importantes de la masa muscular, los triglicéridos utilizados para
producir los aceites de pescado, son químicamente una molécula de glicerol unida
covalentemente a través de enlaces tipo ester a tres cadenas de ácidos grasos (AG) de
diferente longitud y niveles de saturación (Figura 5). Las propiedades funcionales de los
aceites de pescado dependen de la composición de los AG unidos al glicerol. En
general, los lípidos son hidrofóbicos y por ser de menor densidad específica que el
agua, tienden a coalescer o aglutinarse y flotar en la superficie de una solución acuosa
si se espera el tiempo suficiente, o se aplica una centrifugación adecuada. Al contrario
que las proteínas del músculo, los triglicéridos de pescado no tienen cargas eléctricas y
no forman enlaces de hidrógeno con el agua. Por esta razón son frecuentemente
llamados componentes apolares o hidrofóbicos. Debido a su carácter hidrofóbico, los
lípidos pueden interaccionar con cadenas laterales (R) hidrofóbicas de los AA de las
proteínas del músculo de pescado, formando enlaces hidrofóbicos débiles lípidoproteína.
< FIGURA 5 >
El aceite de pescado, en estado líquido a temperatura ambiente, suele ser
procesado a temperaturas más frías que lo vuelven más viscoso. Para facilitar la
separación del aceite de las mezclas de carne de pescado, el productor podría elevar
ligeramente la temperatura, pero sólo lo necesario para hacer el aceite un poco menos
viscoso. Esta estrategia es utilizada en la industria de la leche donde se la calienta
ligeramente para la producción de crema, aunque es necesario señalar que los AG en
leche son en su mayoría saturados, y por lo tanto menos susceptibles a la oxidación.
Otro tipo de lípidos, probablemente más importantes que los triglicéridos para un
tecnólogo pesquero, son los fosfolípidos, componentes integrales de las membranas
celulares. Este compuesto tiene dos AG covalentemente unidos a través de enlaces
tipo ester con una molécula de glicerol. El tercer grupo formando un enlace con la
molécula de glicerol es un fosfato cargado positivamente y a su vez unido a otro grupo
cargado, que en la mayoría de los casos es un grupo colina (Figura 6). Debido a estos
grupos cargados y a sus dos AG, los fosfolípidos tienen propiedades lipo e hidrofílicas,
por lo que son frecuentemente denominados compuestos anfifílicos. Los fosfolípidos
pueden crear enlaces hidrofóbicos con otras sustancias y al mismo tiempo pueden
interactuar con agua y proteínas cargadas (Figura 6). Por ello, los fosfolípidos, que
pueden utilizarse como emulsificantes en la formulación de alimentos, dificultan la
separación del aceite de pescado del agua y las proteínas. Las estrategias comunes
para controlar la oxidación lipídica, causada por esta mala separación, son el envasado
al vacío, almacenamiento bajo congelación, así como el uso de antioxidantes
(tocoferoles, vitamina E, etc.) y de absorbentes de oxígeno.
< FIGURA 6 >
Los fosfolípidos de membrana suelen tener un mayor grado de insaturación,
mayor área que los triglicéridos del músculo, y están relacionados con procesos
prooxidantes como los producidos en la mitocondria. Además, son parte de las
membranas celulares semipermeables, que requieren un cierto nivel de fluidez para su
funcionamiento, el cual está en función del punto de fusión de los AG de los fosfolípidos
que depende de su longitud y nivel de insaturación. Por ello, los fosfolípidos de
membrana son más susceptibles a la oxidación que los triglicéridos intramusculares, y
aunque su contenido en el músculo de pescado es menor que el de triglicéridos, ellos
contribuyen más al desarrollo de rancidez (Hultin y col., 2005). El problema es
complejo, pues los fosfolípidos son difíciles de separar de las suspensiones de pescado
por sus características anfifílicas.
A diferencia de los productos de fuentes de origen terrestre, las reacciones de
oxidación son un problema más frecuente en los productos de pescado graso debido al
alto nivel de insaturación de sus lípidos. Aunque los AG poliinsaturados (PUFA por sus
siglas en inglés) han sido correlacionados con una buena salud cardiovascular, los
PUFA son altamente susceptibles a la oxidación lipídica. La mayor parte de estos
beneficios han sido relacionados con el ácido eicosapentaenoico (EPA por sus siglas
en inglés, 20:5ω-3) y el docosahexaenoico (DHA por sus siglas en inglés, 22:6ω-3), lo
cual ha originado como productos de alto valor añadido a diferentes suplementos
alimentarios comercializados por su contenido de estos AG. La nomenclatura omega-3
(ω-3) se refiere a que el primer doble enlace (C=C) aparece en el tercer átomo de
carbono de la cadena del AG, contando desde el extremo con el grupo metilo (Figura
5). En los Estados Unidos de América (EUA), el DHA es comúnmente utilizado en el
enriquecimiento de fórmulas infantiles, siendo el pescado y sus productos una
excelente fuente natural de estos AG. Ambos, DHA y EPA, son ejemplos de AG
omega-3 (ω-3) considerados AG esenciales (AGE) desde el punto de vista de la
nutrición humana, porque al igual que los EEA, los AGE no pueden ser sintetizados por
el cuerpo humano, y por ello deben estar presentes en la dieta.
RECUPERACIÓN DE PROTEÍNAS FUNCIONALES Y LÍPIDOS DE
SUBPRODUCTOS
Aspectos generales
El principio del punto isoeléctrico (pI) ha sido utilizado ampliamente en la elaboración
de queso y separación de proteínas de soja. En la elaboración del queso, por
acidificación o acción de las bacterias ácido lácticas (LAB por sus siglas en inglés), la
leche alcanza un pH 4,6 donde la principal proteína, la caseína, precipita a su pI
produciéndose la cuajada. El pI de las proteínas del músculo de pescado es de 5,5, por
lo que precipitan a este pH y se vuelven gradualmente más solubles conforme el pH es
más ácido o básico que este valor. Hay que recordar también la importancia de la IS
como factor en la solubilidad de las proteínas.
La solubilización y precipitación isoeléctrica de las proteínas del músculo de
pescado, junto con la separación del aceite de pescado, fue recientemente patentado
por tecnólogos de alimentos de la Universidad de Massachussets (Hultin y Kelleher,
1999, 2000, 2001, 2002). Desde entonces diferentes laboratorios han realizado
investigación en esta área. En general, hay cinco etapas en la separación de proteínas
y lípidos basada en esta estrategia (Figura 7). La primera etapa es homogeneizar, lo
que se logra al moler los subproductos en agua utilizando una relación en peso de 1:6.
En la segunda etapa, las proteínas del músculo de pescado presentes en el
subproducto son solubilizadas a pH ácido o básico. Como se explicó anteriormente
(Figura 4), conforme el pH se desplaza del pI, las proteínas del músculo de pescado
presentan mayor carga electrostática negativa o positiva en su superficie, dependiendo
de si se usa un pH bajo o alto, respectivamente. Estos cambios de carga debilitan las
interacciones hidrofóbicas proteína-proteína, y aumentan la repulsión electrostática
proteína-proteína, favoreciendo las interacciones proteína-agua que permiten la
solubilidad de la proteína en agua. Cuando las proteínas comienzan a interactuar con el
agua, se produce un drástico aumento de la viscosidad, que disminuye tan pronto como
las proteínas se hacen solubles. El incremento de viscosidad al comenzar la
solubilización es un parámetro importante del procesado que puede producir problemas
en la homogeneización creando gradientes de pH, diferencias en la solubilidad de
proteínas y formación de espuma. Esta limitante se reduce manteniendo la solución a
un pH controlado, lo que se facilita en los sistemas continuos de recuperación de
proteínas y lípidos.
<FIGURA 7>
La tercera etapa comienza cuando las proteínas del músculo están
completamente solubilizadas. Por centrifugación, se separa la solución en las
fracciones ligera, media y pesada, correspondientes al aceite de pescado, las proteínas
solubilizadas y las impurezas libres de grasa (huesos, piel, escamas, proteínas
insolubles de la piel, etc.), respectivamente (Figura 7). Aunque los triglicéridos son
hidrofóbicos, y relativamente fáciles de separar, los fosfolípidos de membrana no lo son
debido a sus características anfifílicas
La tercera etapa genera un aceite crudo de pescado rico en PUFA ω-3
provenientes de la fracción ligera, y puede ser utilizado para numerosas aplicaciones
no sólo en alimentos. La fracción pesada es la mayor, tiene contenido bajo en grasa y
es rica en minerales como Ca, Mg y P. Por lo tanto puede ser el componente principal
en el desarrollo de pienso para alimentación animal así como para la comida de
mascotas. En la etapa cuatro, el pH de la fracción media con las proteínas solubles del
músculo de pescado, es ajustado hasta el pI de las proteínas del músculo de pescado
(5,5). A este pH las proteínas precipitan debido al incremento de las interacciones
hidrofóbicas proteína-proteína y un descenso en las interacciones proteína-agua, así
como en la repulsión electrostática proteína-proteína. Al igual que en el ajuste del pH
de la etapa 2, conforme las proteínas comienzan a disminuir su interacción con los
dipolos de agua, la viscosidad de la solución incrementa significativamente y la solución
a este problema es la misma, mantener el pH a 5,5.
Las proteínas ya precipitadas se separan por centrifugación, y en los sistemas
continuos, el agua recuperada, normalmente tan clara como la añadida en la primera
etapa, puede ser reutilizada. Durante todo el proceso, la temperatura se mantiene entre
1 y 8 °C para reducir la degradación de lípidos y proteínas. Las proteínas mantienen
sus propiedades funcionales, incluyendo la capacidad de formar geles, por lo que
pueden ser utilizadas como ingrediente activo en alimentos como el surimi, que en EUA
es consumido preferentemente como sucedáneo de carne de cangrejo y langosta.
Proteínas y lípidos del músculo de pescado
Las curvas de solubilidad de las proteínas del músculo de pescado en función
del pH muestran que el mayor grupo de proteínas, las miofibrilares, son solubles en
agua a pH ácidos y básicos (Figura 8). La menor solubilidad, es decir la máxima
precipitación de proteína, se produce entre pH 5 y 6. Sin embargo, la fuerza iónica de la
solución tiene un papel muy importante en la solubilidad en agua de la miosina. Cuando
la IS es ajustada a 0.2, el pH para la solubilidad mínima de las proteínas miofibrilares
cambia aproximadamente en una unidad y la precipitación se produce en condiciones
de mayor acidez. Esta diferencia es importante si se utiliza un sistema de recuperación
continuo de proteínas y lípidos. Después de utilizar un ácido en el primer ajuste de pH
(Etapa 2), se necesitará una base para ajustar el pH a 5,5 en la Etapa 4 y lo opuesto
ocurre cuando se utiliza una base primero. En ambos casos, los ajustes de pH
incrementarán la IS. En los sistemas continuos de recuperación el agua de proceso es
reciclada y por lo tanto se puede producir una acumulación de sal, afectando al pH al
cual las proteínas miofibrilares precipitan.
< Figura 8 >
El segundo grupo mayor de proteínas, las proteínas sarcoplásmicas, son solubles tanto
a pH ácido como básico (Figura 8). Estas proteínas no precipitan con las miofibrilares
entre pH 5 y 6, pero la IS también juega un papel importante en su precipitación y
conforme aumenta la IS, comienzan a precipitar a pH 5,5. Por lo tanto en un sistema
continuo, la recuperación de las proteínas sarcoplásmicas podría mejorar conforme se
acumula sal.
La solubilización y precipitación isoeléctrica consigue una recuperación
relativamente alta de proteínas, incluso en procesos en lotes a nivel piloto, utilizando un
sistema estacionario de frascos independientes y separación por centrifugación. Al
contrario de los procesos en lotes, es probable que un sistema continuo con reciclaje
de agua sea incluso más eficiente que el mostrado por un sistema estacionario de
recipientes independientes con separación por centrifugación (Tabla 2, Hultin y col.,
2005). En general, el rendimiento de recuperación de proteína parece ser ligeramente
superior cuando la solubilización es llevada a cabo a pH ácido en comparación con un
medio básico (Tabla 2). El mejor rendimiento de recuperación se alcanza cuando las
proteínas son precipitadas a pH 5,5, y es peor cuando son precipitadas a pH 5 que
cuando lo son a pH 6. Esto se debe a que la solubilidad de las proteínas miofibrilares
aumenta más rápidamente a pH ácido que a pH básico (Figura 8).
< Tabla 2 >
El primer paso en el proceso de recuperación de proteínas por solubilización y
precipitación isoeléctrica es la homogeneización de los subproductos. Típicamente, un
homogeneizador de carne (por ejemplo un MCH-10, Stephan Machinery, Columbus,
OH, EUA) se utiliza para reducir el tamaño de partícula por debajo de 0.2 mm para así
aumentar el área superficial y facilitar la solubilización. Después del fileteado, el
porcentaje del contenido de hueso, piel, escamas y otros residuos es más alto que en
el pescado entero. Por ello, es importante determinar la fracción en la que se acumulan
estas impurezas, siendo su contenido de cenizas un buen indicador. Cuanto mayor es
el contenido de cenizas en una fracción, mayor es el contenido de impurezas en ella.
El contenido de cenizas en base seca en el subproducto remanente de trucha
después de su fileteado y en krill entero es de 13,9 y 17,4%, respectivamente, mientras
que el de los filetes de trucha sin espinas ni piel y el de carne de cola de krill es de 5,5
y 11,1%, respectivamente (Tabla 3). En el caso de las proteínas de krill y trucha
recuperadas por solubilización y precipitación isoeléctrica este contenido varía entre
4,3-6,0 y 0,9-2,1 %, respectivamente. Por lo tanto, las proteínas recuperadas por
solubilización y precipitación isoeléctrica parecen contener menos impurezas (espinas,
piel, escamas, etc.) que los filetes sin espinas y piel y la carne de la cola de krill. Por
otro lado en la fracción pesada, las impurezas libres de grasa recuperadas en la Etapa
3 (Figura 7), contienen 41.1% de cenizas (Tabla 3). Esta fracción es mucho más alta en
minerales importantes como Ca, P y Mg, y por lo tanto, puede ser utilizada en piensos
para alimentación animal y de mascotas. Como esta fracción contiene una cantidad
mínima de aceite de pescado, ella no confiere olor a pescado ni otorga problemas de
rancidez a la carne de los animales alimentados con esta fracción.
< Tabla 3 >
Si las proteínas recuperadas son para ser utilizadas en productos para
alimentación humana, su caracterización nutricional es esencial (Tabla 4). El contenido
de EAA para las proteínas de krill y trucha recuperadas por solubilización y
precipitación es comparable con el de las de soja desgrasada, y con el patrón de EAA
para proteínas de alto valor biológico establecidas por el Consejo de Investigación en
Alimentos y Nutrición (FNB por sus siglas en inglés) (Hui, 1999). Las proteínas de soja
son el típico ejemplo de proteínas vegetales que pese a ser una excelente fuente de
EAA, son más bajas en contenido de metionina del que recomienda la FNB, y también
la lisina es menor que en las proteínas de origen animal. Las proteínas de krill y trucha
recuperadas por solubilización y precipitación son una excelente fuente de metionina y
lisina. Aunque las proteínas de krill y trucha recuperadas por solubilización y
precipitación son inferiores en algunos EAA cuando los comparamos con los patrones
de FNB, estos productos no son utilizados para la alimentación humana directa sin
algún proceso de formulación, y por ello pueden ser una muy buena fuente nutritiva
para la alimentación humana.
< Tabla 4 >
Aunque la solubilización a pH ácido generalmente resulta en mayores
porcentajes de recuperación comparándolos con los obtenidos a pH básico (Tabla 2), la
calidad de la textura de los geles de proteínas hechos con proteínas recuperadas a pH
básico es mejor que la de los elaborados con proteínas recuperadas a pH ácido
(Figura 9, Hultin y col., 2005). Los geles de proteínas recuperadas a pH básico son más
firmes, y también tienen mayor blancura, que los de proteínas recuperadas a pH ácido
(Hultin y col., 2005). Por lo tanto, y a pesar de tener la recuperación a pH básico un
menor rendimiento, la mayor calidad de las proteínas recuperadas es un aspecto
importante a considerar para el productor. Sin embargo, esta característica particular
dependerá de la aplicación final y del precio de las proteínas recuperadas.
< Figura 9 >
La concentración de lisina es también crítica en algunas aplicaciones que no son
alimentarias. Las proteínas pueden ser químicamente modificada para hacer hidrogeles
biodegradables súper absorbentes (SAH por sus siglas en inglés) en los que una alta
concentración de lisina es esencial (Damodaran, 2004). Alrededor de 1 g de estos SAH
es capaz de atrapar 400 g de agua o solución salina en una red de gel, y podrían ser
una alternativa para los SAH basados en hidrocarbonos no degradables utilizados en
pañales, toallas de papel y otros productos con gran mercado.
El krill tiene una actividad proteolítica endógena alta (Kolakowski y Lachowicz,
1982), lo cual ha impedido hasta cierto punto su desarrollo tecnológico hacia productos
alimentarios (Suzuki, 1999). La Figura 10 muestra la viscoelasticidad (G’) de proteínas
recuperadas de músculo de krill usando la solubilización y precipitación isoeléctrica.
Conforme la pasta de proteína de krill es sometida a rampas lentas de calentamiento
(1°C/min) en un reómetro dinámico, las proteínas comienzan a formar un gel lo cual
resulta en un aumento de la elasticidad y un descenso de la viscosidad de la pasta
(aumenta G’). Las proteínas del plasma bovino (BPP por sus siglas en inglés), han sido
utilizadas como inhibidores de la proteasa en la industria del surimi cuando se utilizan
especies con tendencia a la proteólisis enzimática, tales como la merluza del Pacifico.
Cuando la pasta de proteína de krill es formulada sin BPP y calentada lentamente en
un reómetro dinámico, se produce una proteólisis extensiva hasta los 60 °C y las
proteínas no forman un gel. Sin embargo, cuando se añade 1% de BPP (peso/peso,
base húmeda) a la pasta de proteína de krill y es calentada a la misma rampa de
temperatura, las proteínas recuperadas gelifican (Figura 10). Por lo tanto, parece que la
proteasa del krill responsable de la degradación es retenida con las proteínas
recuperadas por solubilización y precipitación, al igual que la catepsina L en la merluza
del Pacifico durante los lavados con agua utilizados en la elaboración de surimi (Choi y
col., 2005). Además del BPP, existen diferentes inhibidores de actividad proteasa
disponibles comercialmente, y su utilización es muy recomendable en las formulaciones
con proteínas de krill. Otra alternativa podría ser el calentamiento rápido tipo óhmico.
< Figura 10 >
Desde el punto de vista económico la recuperación rápida de proteína es
importante. La separación durante la Etapa 5 (Figura 7) es relativamente lenta debido
al pequeño tamaño de partícula de las proteínas del músculo que fueron primero
solubilizadas y posteriormente precipitadas. Por lo tanto, se necesita una fuerza de
centrifugación relativamente alta y un largo tiempo de residencia en el decantador para
conseguir esta separación. El tamaño de las partículas puede aumentarse
incrementando el tiempo en la Etapa 4, usando preferiblemente alrededor de 24 h, para
así incrementar las interacciones hidrofóbicas proteína-proteína después del ajuste de
pH. Es importante que la temperatura durante este periodo sea controlada entre 1 y
8°C para así minimizar la desnaturalización de proteína y el crecimiento de
microorganismos.
De acuerdo con la ley de Stoke (Ecuación 1), la velocidad (S) de una partícula
bajo centrifugación depende de cuatro variables: (1) densidad diferencial entre las
fases (∆ρ), (2) viscosidad (µ), (3) fuerza centrífuga (g) y (4) tamaño de la partícula
expresado como diámetro equivalente (D).
S=
∆ρ * g * D 2
µ
(1)
La única variable para un sistema de recuperación utilizando una centrífuga con
velocidad dada, es el tamaño de la partícula. Si el tamaño de la partícula se aumenta
en tres veces, la velocidad aplicada a la partícula aumentará nueve veces. El tamaño
de la partícula de proteína no sólo puede ser aumentado proporcionando un mayor
periodo de interacción hidrofóbica proteína-proteína, sino que también puede ser
logrado por la adición de floculantes. Los floculantes son comúnmente utilizados en la
industria de alimentos y en el tratamiento de agua de bebida con la finalidad de
clarificar soluciones, existiendo por ello muchas alternativas comerciales (Figuras 11 y
12). El segundo ajuste de pH (Etapa 4) necesita normalmente 10 min en un sistema de
recuperación continuo. El floculante puede ser inyectado en un reactor biológico (Etapa
4) para inducir floculación de proteínas y por lo tanto incrementar la eficiencia de
separación de la siguiente etapa. El floculante no debe tener efectos adversos en el
color o propiedades gelificantes de las proteínas recuperadas y debe estar aprobado
por las autoridades locales correspondientes.
< Figura 11 y 12 >
Los lípidos recuperados en la Etapa 3, como fracción ligera, son ricos en PUFA
ω-3 tales como DHA, EPA y ácido alfa linolénico (ALA), y gracias a su reconocido
efecto beneficioso sobre la salud humana, son ingredientes de alto valor comercial para
la producción de alimentos funcionales. La solubilización y precipitación isoeléctrica se
producen a pH relativamente extremos, lo cual puede causar degradación de estos AG
que son muy sensibles a la oxidación. La degradación de los AG es mínima si se
controla la temperatura y el tiempo de exposición al pH extremo durante la etapa de
solubilización (Etapa 2) y primera separación (Etapa 4) es corto (Figura 13). Por lo
tanto, este aceite de pescado crudo puede ser refinado y utilizarse en suplementos
dietéticos, alimentos funcionales, nutracéuticos y en aplicaciones no alimentarias tales
como cosméticos y aceites industriales para pinturas.
< Figura 13 >
Importancia del surimi en la industria pesquera
El surimi es un proceso comercial basado en múltiples lavados con agua que
permite recuperar principalmente las proteínas miofibrilares del músculo de pescado.
Sin embargo, el procesado de pescado fresco utilizando esta tecnología, recupera sólo
las proteínas miofibrilares (Lee, 1999), mientras que la solubilización y precipitación
isoeléctrica permite la recuperación del 77.7 al 91.3% de todas las proteínas (Tabla 2).
La baja eficiencia de la tecnología del surimi significa que las proteínas no recuperadas
se acumulan en el agua de lavado. Incluso más importante que este bajo rendimiento
de recuperación, es el consumo de grandes cantidades de agua limpia, alrededor de 20
veces el peso de la carne sin espinas (Lee, 1999). El agua de descarte generada por el
proceso surimi en enormes cantidades tiene una alta demanda biológica de oxígeno
(BOD por sus siglas en inglés) y por lo tanto, necesita de un tratamiento antes de ser
eliminada. Su baja eficiencia, alto consumo de agua fresca y el daño medioambiental
que pueden causar, han generado una presión política para que en algunas regiones
se demande que estas plantas sean cerradas. En la actualidad existe una demanda
legal del Centro Nacional de Regulación Medioambiental (NELC por sus siglas en
inglés) en contra de los propietarios y operadores de una planta de surimi localizada en
Warrenton City, OR. NELC alega que la planta ha estado violando la Ley de Aguas
Limpias (Clean Water Act en inglés) de forma sistemática, degradando los acuíferos
locales y poniendo en peligro las poblaciones de salmón plateado y salmón cabeza de
acero” (NELC, 2003).
Se ha propuesto recientemente un tratamiento con quitosano-alginato por parte
de la Universidad Estatal de Oregon, como una nueva tecnología alternativa para
reducir la demanda biológica de oxígeno (DBO) en el agua de descarte de las plantas
procesadoras de surimi (Figura 14). El agua de lavado del surimi (SWW) puede ser
tratada de forma efectiva con el complejo quitosano-alginato, utilizándose en la
proporción de mezcla de 0.2 (w/w) y con una concentración del complejo de 0.1 kg/ton
de SWW (Savant y Torres, 2000, 2003; Wibowo, 2003; Wibowo y col., 2005a,b). El
quitosano, derivado deacetilado de la quitina, es un subproducto del procesado de
crustáceos, particularmente del camarón, langostino y la gamba. Posteriormente a la
extracción de la carne, los caparazones son desmineralizados usando ácido clorhídrico,
lavados y secados para obtener la quitina, que entonces es deacetilada química o
enzimáticamente. El alginato, por otra parte, es un polisacárido extraído de las paredes
celulares de algas pardas y usado en la industria de alimentos como espesante,
estabilizador o agente gelificante.
<FIGURA 14>
El contenido en proteína cruda de los sólidos insolubles recuperados, utilizando
la tecnología del complejo quitosano-alginato, excede el 70% (Wibowo, 2003; Wibowo y
col., 2005b), mientras que las cantidades de proteína recuperada varían con la
concentración existente en las SWW, que fluctúa entre 0.5 y 2.3 % (Lin y Park, 1996;
Morrissey y col., 2000). Después del tratamiento con el complejo polimérico, las
proteínas son recuperadas por centrifugación y pueden ser enviadas a zonas para
desecho, incorporadas al surimi, o venderse como componente para piensos. La
recuperación de proteínas de las SWW genera también agua para su potencial
reutilización en la planta.
Los sólidos recuperados de las SWW, mediante el complejo quitosano-alginato,
contienen proteínas con una alta concentración de EAA. Sustituyendo un 15% de la
proteína de la dieta de animales de laboratorio con estos sólidos (el nivel máximo de
sustitución recomendado por los productores comerciales de piensos para animales) se
demostró que no tienen impacto fisiológico negativo y son de un valor nutricional
equivalente a la caseína utilizada en la dieta control. Este estudio no mostró diferencias
en el índice de crecimiento y la observación post-mortem de órganos internos no
mostró daños producidos por la dieta experimental, lo que fue confirmado por análisis
sanguíneo. Estudios posteriores demostraron que incluso la substitución del 100% de
la proteína de la dieta por la de SWW no tiene impacto fisiológico negativo y es
nutricionalmente equivalente o superior a otras fuentes de proteínas, mostrando una
mayor relación de eficiencia proteica (PER por sus siglas en inglés) y relación neta de
proteína (NPR por sus siglas en inglés) que la caseína utilizada como control. Este
resultado tiene fuertes implicaciones para la región donde la planta de surimi se
encuentre localizada. Por ejemplo en Oregon, que no es un productor importante, se
necesitan 100 mil toneladas de pienso para mantener la producción avícola anual, lo
que representa una excelente oportunidad de mercado local para las proteínas SWW.
Se han utilizado muchas proteínas para modificar las propiedades mecánicas de
los geles de surimi, siendo las de la clara de huevo y los concentrados del suero de la
leche las más frecuentemente empleadas. Otras fuentes, como los extractos de
leguminosas y las proteínas del plasma porcino, también han sido propuestas. Estas
proteínas son añadidas para inhibir el fenómeno Modori (la degradación proteolítica de
la miosina del pescado cuando los geles se incuban a temperaturas de 60 ºC), o para
mejorar el fenómeno de setting (la mejora de las propiedades mecánicas por la acción
de las enzimas transglutaminasas endógenas ó añadidas) (An y col., 1996; GarcíaCarreño, 1996; Sánchez y col., 1998; Benjakul y col., 2001). Cuando se añaden al
surimi bajas concentraciones de proteínas de SWW, se mejoran sus propiedades
mecánicas con un impacto mínimo en el color.
Consideraciones de equipamiento
En la Etapa 1 se utiliza un homogeneizador continuo que reduce el tamaño de
partículas de los subproductos por debajo de 0,2 mm, pero lo suficientemente grande
como para permitir la separación en la Etapa 3. Después de la homogenización, el
producto resultante es bombeado hasta el Bioreactor 1 (Figura 15) para la reacción de
solubilización que requiere unos 10 min. El bioreactor está equipado con una sonda
que continuamente monitoriza el pH de la solución en el tanque y proporciona
información al centro de control, que es programable y permite establecer el valor de
pH al cual se quiere mantener el Bioreactor 1. Como el homogeneizado entrante tiene
un pH cercano a neutro, típicamente 6,6-7,0, y como además este bioreactor de
solubilización está programado para mantener el pH ácido o básico, se requiere una
bomba anexa al tanque para ajustar rápidamente el pH. Una vez que el llenado inicial
del bioreactor ha sido finalizado, se establece un equilibrio (homeostasis) y el
bioreactor funcionará continuamente bajo control automático de pH.
< Figura 15 >
Los bioreactores en los sistemas de recuperación continua de proteínas y lípidos
están equipados con agitadores, que permiten una mezcla adecuada para eliminar
gradientes de pH y la excesiva entrada de aire que podría crear espuma. Además de
las bombas para regular el flujo de ácido/base, hay otras para la inyección de aditivos
de uso alimentario que controlan la formación de espuma y la separación de la
emulsión. El sistema experimental ilustrado en la Figura 15 tiene control de temperatura
y trabajando a 300 L/h, puede procesar alrededor de 43 kg/h de materia prima.
Los bioreactores a escala piloto están fabricados de cristal Pirex y acero
inoxidable, pero en los de nivel industrial se emplea polietileno (PE) de resistencia
industrial, el cual soporta los valores de pH utilizados en la solubilización y precipitación
isoeléctrica, a las condiciones de operación de una planta procesadora de pescado.
Basado en el diseño piloto del sistema mostrado en la Figura 15, se ha diseñado un
sistema bioreactor modular de 600 L para procesar 11 ton/día de materia prima. El uso
de PE en este sistema modular es competitivo y parece factible para su empleo
industrial. Finalmente, es necesario tener precauciones especiales de manejo con el
bioreactor ya que en la Etapa 2 se manejan ácidos y bases de alta concentración.
Después de 10 min para el ajuste de pH en la Etapa 2, la solución es bombeada
al decantador para su separación (Figura 16). Normalmente, los decantadores
industriales permiten fuerzas centrifugas por debajo de 4000 x g. En cuanto al pH, el
decantador sólo funciona bajo condiciones extremas en la Etapa 3, en la que es
necesario tener previstos protocolos de seguridad. Si el sistema de recuperación
funciona de forma continua, los flujos de todas las etapas deberán ser calibrados
apropiadamente. Además, si la descarga del bioreactor es de 300 L/h, los
decantadores deben de ser capaces de manejar los mismos volúmenes. Los
decantadores que normalmente se utilizan en las plantas de proceso del surimi no
funcionan bajo condiciones extremas de acidez o basicidad, y deben ser evaluados
apropiadamente antes de ser usados para la tecnología aquí propuesta.
< Figura 16 >
La Figura 17 muestra ejemplos de material recuperado a partir de subproductos
de pescado. En la Etapa 3, el aceite de pescado (Figura 17 a), rico en ω-3 PUFA, es
recuperado además de las impurezas libres de grasa (Figura 17 b) que son ricas en
minerales. En la Etapa 5, las proteínas funcionales del músculo (Figura 17 c y d) son
recuperadas junto con el agua que es reciclada para ser nuevamente utilizada en la
Etapa 1.
< Figura 17 >
CONCLUSIONES
La cantidad de subproductos generados por el procesado de los alimentos acuáticos
así como el volumen de las sobrecapturas, descartes y pescado de bajo valor
comercial, es enorme. Al mismo tiempo, la sobrepesca de algunas especies
comerciales de pescado es un problema ecológico que las autoridades de gobierno
están tratando de controlar con políticas que tienen un fuerte impacto en la rentabilidad
de la industria pesquera.
La acuicultura ha experimentado un gran crecimiento durante los 25 últimos
años, suplementando de forma efectiva recursos naturales decrecientes. Sin embargo,
esta industria tiene impactos en el medio ambiente y por ello es posible que su
velocidad de crecimiento se vea disminuida. Por ello, es indudable que el reto
tecnológico más importante es la optimización del procesado del pescado, que no ha
cambiado esencialmente en muchos años y que contribuye en forma significativa a los
problemas de contaminación en las zonas pesqueras.
La nueva tecnología de solubilización de proteínas para el tratamiento de
subproductos proporciona a la vez una gran oportunidad, así como un reto de
implementación comercial a gran escala. La solubilización y precipitación isoeléctrica
de las proteínas del músculo de pescado ha sido utilizada por mucho tiempo para
recuperar proteínas de la leche y de soja. Conociendo bien las proteínas del músculo
de pescado y su comportamiento, podremos ser capaces de desarrollar esta tecnología
a nivel industrial para incrementar significativamente la eficiencia de la industria de
alimentos de origen acuático. En el caso particular de la industria del surimi, la nueva
tecnología basada en el complejo polimérico quitosano-alginato para el tratamiento del
agua de descarte ofrece una gran oportunidad para aliviar los problemas
medioambientales y de bajo rendimiento que caracterizan a esta industria.
Además de la investigación básica, será necesario desarrollar aplicaciones para
los productos recuperados. Probablemente se podría usar un modelo similar al de la
industria láctea y el procesado de la soja. Las agencias del gobierno, así como las
académicas, deben también estar comprometidas y colaborar en este esfuerzo.
PREGUNTAS DE REPASO
1) ¿Han incrementado significativamente las capturas pesqueras en los pasados
cinco años?
2) ¿Cuál es el porcentaje aproximado de subproductos (ej., cabeza, vísceras,
estructura, etc.) al filetear el pescado (usando por ejemplo bacalao, salmón,
trucha, tilapia, dorada, abadejo)?
3) ¿Cuál es la biomasa estimada sostenible de krill que puede estar disponible para
consumo humano anualmente en comparación con el consumo humano de otros
alimentos acuáticos?
4) ¿Cómo definiría subproductos de pescado?
5) ¿Por qué las moléculas de agua son llamadas dipolos?
6) ¿Qué propiedad tiene que tener una proteína para ser soluble en agua?
7) ¿Qué son los enlaces peptídico y tipo ester?
8) ¿Por qué ciertos lípidos son anfifílicos? ¿Cuál es su nombre genérico? Defina
sus grupos moleculares principales.
9) ¿Por qué los lípidos de membrana del pescado son difíciles de eliminar de una
solución?
10) ¿Cómo definiría el punto isoeléctrico de las proteínas?
11) Describa las semejanzas entre la elaboración del queso y la tecnología de
recuperación de lípidos y proteínas descritas en este capítulo.
12) Enumere y justifique dos ejemplos de cómo incrementaría el tamaño de partícula
de las proteínas. Explique como este incremento podría contribuir a aumentar la
velocidad de sedimentación en el centrifugado.
13) Defina surimi, describa un producto comúnmente consumido en EUA y enumere
los problemas actuales de industria del surimi.
14) Describa la solución aquí propuesta para mejorar la eficiencia de la producción
de surimi y reducir los problemas medioambientales que causa.
BIBLIOGRAFIA
An, H., Margo, Y.P., Seymour, T.A. 1996. Roles of endogenous enzymes in surimi
gelation. Trends in Food Science and Technology 7: 321-326.
Anónimo. 2004. The state of world fisheries and aquaculture. Food and Agriculture
Organization. Rome (Italy).
Benjakul, S., Visessanguan, W., Srivilai, C., 2001. Porcine plasma protein as proteinase
inhibitor in bigeye snapper (Priacanthus tayenus) muscle and surimi. Journal of the
Science of Food and Agriculture 81(10): 1039-1046.
Choi, Y.J., Kang, I.S., Lanier, T.C. 2005. Proteolytic enzymes and control in surimi. In:
Surimi and Surimi Seafood, 2nd ed. Park, J.W. (ed.). CRC Press. Boca Raton (United
States).
Damodaran, S. 2004. Protein-polysaccharide hybrid hydrogels. U.S. Patent No.
6,821,331.
García-Carreño, F.L., 1996. Proteinase inhibitors. Trends in Food Science and
Technology 7, 197-203.
Gildgerg, A. 2002. Enhancing returns from greater utilization. In: Safety and Quality
Issues in Fish Processing. Bremner, H.A. (ed.). Woodhead Publishing Limited.
Cambridge (U.K.).
Hui, Y.H. 1999. Soybean and soybean processing. In: Wiley Encyclopedia of Food
Science and Technology (2nd ed.). Francis, F.J. (ed.). John Wiley and Sons. Hoboken
(United States).
Hultin, H.O., Kelleher, S.D. 1999. Process for isolating a protein composition from a
muscle source and protein composition. U.S. Patent No. 6,005,073.
Hultin, H.O., Kelleher, S.D. 2000. High efficiency alkaline protein extraction. U.S. Patent
No. 6,136,959.
Hultin, H.O., Kelleher, S.D. 2001. Process for isolating a protein composition from a
muscle source and protein composition. U.S. Patent No. 6,288,216.
Hultin, H.O., Kelleher, S.D. 2002. Protein composition and process for isolating a
protein composition from a muscle source. U.S. Patent No. 6,451,975.
Hultin, H.O., Kristinsson, H.G., Lanier, T.C., Park, J.W. 2005. Process for recovery of
functional proteins by pH shift. In: Surimi and Surimi Seafood, 2nd ed. Park, J.W. (ed.).
CRC Press. Boca Raton (United States).
Kiessling, A., Aasgaard, T., Storebakken, T., Johansson, L., Kiessling, K.H. 1991.
Change in the structure and function of the epaxial muscle of rainbow trout
(Oncorhynchus mykiss) in relation to the age. III. Chemical composition. Aquaculture
93. 373-387.
Kolakowski, E., Lachowicz, K. 1982. Application of partial autoproteolysis to extraction
of protein from Antarctic krill (Euphausia superba). Part 3. Changes in and yield of
nitrogen substances during autoproteolysis of fresh and frozen krill. Die Nahrung 26:
933-939.
Kreuzer, R. 1974. Fish and its place in culture. In: Fishery Products. Kretizer, R. (ed.).
Fishing News (Books). West Byfleet (U.K.).
Lanier, T.C., Carvajal, P., Yongsawatdigul, J. 2005. Surimi gelation chemistry. In: Surimi
and Surimi Seafood, 2nd ed. Park, J.W. (ed.). CRC Press. Boca Raton (United States).
Lee, C.M. 1999. Surimi: Science and technology. In: Wiley Encyclopedia of Food
Science and Technology (2nd ed.). Francis, F.J. (ed.). John Wiley and Sons. Hoboken
(United States).
Lin, T.M., Park, J.W., 1996. Extraction of proteins from Pacific whiting mince at various
washing conditions. Journal of Food Science 61: 432-438.
McCann, A.M. 1988. The Roman port of Cosa. Scientific American 258(3):84-91.
Morrissey, M.T., Park, J.W., Huang, L. 2000. Surimi processing waste: its control and
utilization. p. 127-165. In: Park JW, editor. Surimi and surimi seafood. Marcel Dekker
Inc. New York (USA).
Murano,
P.S.
2003.
Understanding
Food
Science
Wadsworth/Thomason Learning. Belmont (United States).
and
Technology.
NELC. 2003. Current Litigation: Suit Challenges Seafood Facility’s Pollution of
Columbia Tributary (http://nelconline.org/nelc.asp?id2=8687&id3=NELC&). Visited
12/04/04.
Nicol, S., Endo, Y. 1999. Krill fisheries: Development, management and ecosystem
implications. Aquatic Living Resources 12(2):105-120.
Raa, J., Gildberg, A. 1982. Fish Silage: A Review. CRC Press. Boca Raton (United
States).
Sánchez, A., Ramírez, J.A., Morales, O.G., Montejano, J.G. 1998. Detection of protease
inhibitors in leguminose extracts and its effect on endogenous proteases from fish
muscle. Ciencia y Tecnologia Alimentaria 2(1): 12-19.
Savant, V.D., Torres J.A. 2000. Chitosan based coagulating agents for treatment of
Cheddar cheese whey. Biotechnology Progress 16:1091-1097.
Savant, V.D., Torres J.A. 2003. Fourier transform infrared analysis of chitosan based
coagulating agents for treatment of surimi waste water. Journal of Food Technology
1(2): 23-28.
Stewart, K.M. 1994. Early hominid utilization of fish resources and implications for
seasonality and behaviour. Journal of Human Evolution 27(13): 229-245.
Strom, T., Eggum, B.O. 1981. Nutritional value of fish viscera silage. Journal of the
Science of Food and Agriculture 32:115-120.
Suzuki, T. 1981. Fish and Krill Protein: Processing Technology. Applied Science
Publishers. London (U.K.).
Suzuki, T. 1999. Krill protein processing. In: Wiley Encyclopedia of Food Science and
Technology (2nd ed.). Francis, F.J. (ed.). John Wiley and Sons. Hoboken (United
States).
Suzuku, T., Shibata, N. 1990. The utilization of Antarctic krill for human food. Food
Reviews International 6(1): 119-147.
Taskaya, L, Jaczynski, J. 2005. Flocculation-enhanced protein recovery from trout
processing by-products by isoelectric solubilization/precipitation. 7th Joint Meeting 50th
Annual Atlantic Fisheries Technology Conference and 29th Annual Seafood Science
and Technology Society of the Americas, Norfolk, VA.
Vannuccini, S. 2004. Overview of fish production, utilization, consumption and trade.
Food and Agriculture Organization Fisheries Information, Data and Statistics Unit.
Rome (Italy).
Whitney, E., Rolfes, S.R. 2005. Understanding Nutrition, 10th ed. Wadsworth/Thomason
Learning. Belmont (United States).
Wibowo, S. 2003. Effect of the molecular weight and degree of deacetylation of chitosan
and nutritional evaluation of solid recovered from surimi processing plant. [PhD
dissertation], Corvallis, OR: Oregon State Univ. 142 pp.
Wibowo, S., Savant, V., Cherian, G., Savage, T.F., Torres, J.A. 2005a. Evaluation as a
feed ingredient of surimi wash water protein recovered using a chitosan-alginate
complex. Journal of Aquatic Food Products Technology 14(1): 55-72.
Wibowo, S., Velazquez, G., Savant, V., Torres, J.A. 2005b. Surimi wash water
treatment for protein recovery: effect of chitosan-alginate complex concentration and
treatment time on protein adsorption. Bioresource Technology 96: 665–671.
Zugarramurdi, A., Parin, M.A., Lupin, H.M. 1995. Economic engineering applied to the
fishery industry. Food and Agriculture Organization Fisheries Technical Paper 351.
Rome (Italy).
Tabla 1. Producción y utilización pesquera global en millones de toneladas y
estimación de aporte a la alimentación humana.
Fuente: Adaptada de Anónimo. 2004. Estado de acuicultura y pesquerías mundiales.
Organización para la Agricultura y Alimentos. Roma (Italia).
1998
1999
2000
2001
2002
2003
Captura
87.7
93.8
95.5
92.9
93.2
90.3
Acuicultura
30.6
33.4
35.5
37.8
39.8
41.9
Total
118.2 127.2 131.0 130.7 133.0 132.2
Consumo humano
93.6
95.4
96.8
99.5 100.7 103.0
Uso no alimentario
24.6
31.8
34.2
31.1
32.2
29.2
5.9
6.0
6.1
6.1
6.2
6.3
15.8
15.9
15.9
16.2
16.2
16.3
Población (miles de millones)
Aporte alimentación per capita, kg
Figura 1. La biomasa sostenible anual de krill disponible para consumo humano ha
sido estimada como mayor a la suma de todas las demás especies acuáticas en
explotación comercial.
ESTOMAGO
HEPATOPANCREAS
INTESTINO
CORAZON
COLA
AGALLAS
Menor actividad proteolítica
Mayor actividad
proteolítica
Figura 2. Las moléculas de agua son dipolos eléctricos con una función importante en
la solubilidad de los componentes de un alimento.
(a) Oxígeno del dipolo agua cargado negativamente (2δ–) con respecto a los dos
hidrogeniones positivos (δ+)
(b) Representación esquemática de como los dipolos de agua forman puentes de
hidrógeno
(a)
(b)
2δ
δ–
Polo negativo
del dipolo
O
δ+
H
H
Polos positivos
del dipolo
δ+
Los puentes de hidrogeno
mantienen los dipolos de agua
juntos y también interaccionan
con otras moléculas cargadas
del alimento permitiendo su
solubilidad en el agua
H2O
H
+NH
3
C
COOH
R
Átomo de
carbono central
H
NH2
C
COO–
R
Dos aminoácidos
Figura 3. Las proteínas son polímeros de aminoácidos formados por un carbono
central unido a un grupo amino (+NH3), un grupo ácido (COO–) y una cadena lateral (R)
única para cada aminoácido. Dependiendo de las propiedades de la cadena, las
proteínas participan en interacciones hidrofóbicas proteína-proteína y forman enlaces
de hidrógeno proteína-agua.
Grupo amino
(cargado positivamente)
+NH
3
H
C
–R
Dipolo de agua
O
H
C
N
Enlace peptídico
covalente fuerte
H
C
Grupo ácido o
carboxílico (cargado
negativamente)
COO–
R+
Las cadenas laterales pueden
tener carga positiva o negativa y
permitir interacciones proteínaagua mediante puentes de
hidrogeno
Dipolo de agua
Péptido: dos aminoácidos
unidos por enlace peptídico
La cadena lateral puede ser
hidrofóbica y mediar interacciones
proteína-proteína a través de
enlaces hidrofóbicos débiles
Al añadir una base, la
proteína se vuelve más
electronegativa
+
+
–– H
– +
+
+
+
+
Las interacciones proteínaagua son numerosas y la
proteína es soluble en agua
+
+
+
–
– –
(a)
Añadiendo un ácido las
proteínas se vuelven
más electropositivas
Las interacciones proteína-proteína
mediante enlaces hidrofóbicos débiles
son favorecidas
+
+
+
(c)
Condiciones ácidas
+
En el pI, las interacciones
proteína-agua (solubilidad
en agua) son mínimas y la
proteína precipita
–
–
La carga neta de la proteína en su pI es cero
–
–
(b)
–
+
OH
–
–
+
Dipolo de agua
Condiciones básicas
Figura 4. El punto isoeléctrico (pI) de una proteína es el pH al cual su carga
electrostática neta es cero.
(a) La proteína está a su pI, y por ello la interacción proteína-agua es mínima, se
produce un máximo número de interacciones hidrofóbicas débiles del tipo proteínaproteína y la proteína precipita.
(b y c) La proteína está en condiciones más ácidas o básicas que su pI, y por ello las
interacciones proteína-agua son numerosas y la proteína es soluble.
Interacciones proteínaagua mediante enlaces
de hidrogeno débiles
Figura 5. Los lípidos más importantes de la masa muscular, los triglicéridos, están
compuestos por un glicerol unido a tres ácidos grasos (AG) mediante enlaces
covalentes fuertes.
Molécula de glicerol
del triglicérido
H2O
H
HC
Carboxilo
terminal del AG
Terminal
metilo del AG
O
O H H OC
O
HC
O C
HC
H
O C
AG ω-3 son los de
doble enlace en el
3er carbono desde
el metilo terminal
C4
C3
C2
CH3
CH3
O
Enlace covalente fuerte del
tipo éster une la molécula de
glicerol con cada AG
CH3
ácidos grasos del triglicérido
Figura 6. Los fosfolípidos, al igual que los triglicéridos, pueden interaccionar
hidrofóbicamente con moléculas apolares. Por sus grupos cargados pueden interactuar
también con moléculas cargadas como las proteínas y con dipolos como el agua, lo
que permite su solubilidad en agua.
Porción colina
CH3
3HC
fosfato Molécula de
glicerol
O
H
N+ CH2CH O P O C H
CH3 2
O–
Las cargas positivas y negativas de la
colina y el fosfato, respectivamente,
permiten interacciones con moléculas
cargadas como proteínas y agua
Porción de AG
O
HC
O C
CH3
HC
H
O C
CH3
O
Las cadenas de AG hidrofóbicas permiten
interacciones con moléculas hidrofóbicas
como proteínas y triglicéridos
Figura 7. Diagrama general para la recuperación de proteínas y lípidos usando
solubilización y precipitación isoeléctrica. Los materiales enmarcados son las
fracciones que se recuperan para incorporar en alimentos y el desarrollo de otras
aplicaciones.
Etapa 1. Homogenización de subproductos
en agua (1:6, peso/peso)
Fracción
ligera, agua
Fracción pesada,
proteínas precipitadas
Etapa 2. Primer ajuste de pH para
solubilizar las proteínas en agua
Etapa 5. Segunda separación
Etapa 4. Segundo ajuste de
pH para precipitar proteínas
Etapa 3. Primera separación
Fracción
ligera aceite
de pescado
Fracción pesada,
impurezas libres
de grasa
Fracción media,
solución de
proteínas
Figura 8. Solubilidad en función del pH y la fuerza iónica (IS) de las proteínas más
importantes del músculo de pescado clasificadas en proteínas miofibrilares y
sarcoplásmicas.
2.5
100
IS=0.01
IS=0.05
80
Proteína miofibrilar (g/L)
IS=0.14
IS=0.51
1.5
60
IS=1.08
IS=2.91
1.0
40
Miofibrilar, sin ajuste de IS
0.5
Miofibrilar, IS = 0.2
20
Sarcoplásmica, sin ajuste de IS
Sarcoplásmica, con ajuste de IS
0.0
1
2
3
4
5
6
7
pH
8
9
10
11
12
13
0
Solubilidad de proteínas (%)
2.0
Tabla 2. Recuperación de proteína a partir de subproductos de trucha usando
solubilización y precipitación isoeléctrica. Los rendimientos se calcularon en base seca
como (concentración de proteína cruda en subproductos/concentración de proteína
cruda en fracción recuperada) x 100.
%
pH
Recuperación
(solubilización/precipitación)
de proteína
2.5/5.5
89.0
2.5/5.0
81.9
2.5/6.0
85.9
2.0/5.5
91.3
3.0/5.5
86.2
12.5/5.5
84.4
12.5/5.0
77.7
12.5/6.0
83.4
12.0/5.5
82.9
13.0/5.5
88.1
Tabla 3. Las proteínas recuperadas de subproductos de krill y trucha por solubilización
y precipitación isoeléctrica tienen un bajo contenido en cenizas, lo cual implica que la
fracción impurezas libres de grasa (Etapa 3, Figura 7) retiene cenizas procedentes de
espinas, piel, escamas, aletas, y otros. El % de ceniza reportado está en base seca.
%
ceniza
Carne
cola krill
11.1
Filete de trucha sin piel
y espinas
5.5
Krill
entero
17.4
Subproducto trucha
después de su fileteado
13.9
Fracción impurezas
libres de grasa
41.1
2.5
2.1
3.0
1.6
12.0
0.9
12.5
1.4
13.0
2.1
2.0
6.0
2.5
4.3
3.0
4.0
12.0
4.9
12.5
5.7
13.0
5.7
Proteínas
solubilizadas a pH
Proteínas
solubilizadas a pH
%
ceniza
Tabla 4. Las proteínas del músculo, recuperadas por solubilización y precipitación
isoeléctrica de subproductos de krill y trucha, son ricas en aminoácidos esenciales
(EAA). En esta tabla aparece también el contenido de EAA de las proteínas aisladas de
soja, junto con los patrones de EAA para proteínas de alto valor biológico que
satisfacen los requerimientos de humanos según lo establecido por el Consejo de
Investigación para la Nutrición y Alimentación (FNB por sus siglas en inglés)
Fuente: Adaptado de Hui, Y.H. 1999. Soybean and soybean processing. En: Wiley
Encyclopedia of Food Science and Technology (2nd ed.). Francis, F.J. (ed.). John Wiley
and Son, Hoboken, NJ).
Abreviaturas: Tr - treonina, Val - valina, Met - metionina, Ile - isoleucina, Leu - leucina,
Fe - fenilalanina, His - histidina, Lis - lisina, Trp - triptófano.
Proteínas Krill
solubilizadas a pH
Proteínas de trucha
solubilizadas a pH
Aminoácidos esenciales
Tr
Val Met
Ile
Leu
Fe
His
Lis
Trp Total
Subproducto
trucha
después de
fileteado
1.8
2.2
1.4 1.8
3.1
1.6
1.2
3.5
0.5
17.2
2.0
3.7
4.6
2.6 3.9
6.6
3.4
2.1
7.4
1.0
35.3
2.5
3.4
4.3
2.2 3.6
6.0
3.1
1.9
6.7
0.9
32.3
3.0
3.7
4.7
2.6 4.0
6.6
3.4
2.1
7.3
0.9
35.2
12.0
3.8
5.0
2.6 4.2
6.9
3.5
2.3
7.6
1.1
37.2
12.5
3.9
4.9
2.6 4.1
6.9
3.5
2.2
7.6
1.1
36.9
13.0
4.1
5.1
2.6 4.3
7.1
3.7
2.3
7.8
1.2
38.2
Krill entero
2.2
2.6
1.5 2.5
4.0
2.2
1.1
4.4
0.7
21.2
2.0
4.8
6.0
2.9 5.5
9.0
5.0
2.6
9.2
1.5
46.6
2.5
4.5
5.8
3.2 5.7
8.9
4.9
2.5
9.2
1.6
46.3
3.0
4.8
5.9
3.3 5.9
9.2
5.2
2.6
9.6
1.6
48.1
12.0
4.6
5.8
3.4 5.7
8.8
5.1
2.7
9.2
1.7
47.0
12.5
4.5
5.6
3.2 5.5
8.6
5.0
2.5
8.9
1.5
45.3
13.0
4.4
5.5
3.1 5.5
8.4
4.8
2.5
8.7
1.5
44.3
soja
3.9
4.6
1.1 4.6
7.8
5.0
2.6
6.4
1.4
37.4
FNB
3.5
4.8
2.6 4.2
7.0
7.3
1.7
5.1
1.1
37.3
Media
17.2
34.3
37.4
47.0
45.5
Figura 9. Las proteínas recuperadas a pH básico de la trucha (después de su fileteado)
presentan una mejor textura cuando se las compara con las obtenidas a pH ácido.
Esfuerzo de corte (Pa x 103)
13.0
12.5
12.0
11.5
11.0
10.5
2.5
3
12
12.5
pH de solubización de la proteína
13
Figura 10. Las proteínas de músculo de krill recuperadas por solubilización y
precipitación isoeléctrica presentan una pobre capacidad para formar geles, debido
principalmente a la alta actividad de las proteasas endógenas. Las proteínas del
plasma bovino (BPP por sus siglas en inglés) inhiben esta actividad y permiten una
buena gelificación.
G', viscoelasticidad (Pa x 10-3)
30
Con BPP
25
20
15
Sin BPP
10
5
0
0
20
40
60
Temperatura (°C)
80
100
Figura 11. El tamaño de partículas de las proteínas de músculo de pescado
precipitadas en la etapa 4 (Figura 7) puede incrementarse mediante floculantes iónicos
de alto peso molecular. Después de 10 min de reacción con un floculante iónico de alto
peso molecular (poliacrilamida aniónica tipo A 150HMW, Cytec Industries Inc., West
Paterson, NJ), la separación puede realizarse a flujos mayores y el sobrenadante
resultante logra una densidad óptica comparable a la del agua limpia.
Fuente: Adaptada de Taskaya L, Jaczynski J. 2005. Flocculation-enhanced protein
recovery from trout processing by-products by isoelectric solubilization/precipitation. 7th
Joint Meeting 50th Annual Atlantic Fisheries Technology Conference and 29th Annual
Control
2.5
50 mg/l
80 mg/l
100 mg/l
125 mg/l
Densidad óptica (595 nm)
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
10
20
30
40
Tiempo (min)
50
60
70
80
Figura 12. La utilización de floculantes mejora la separación de proteínas en el
decantador de la Etapa 5 (Figura 7). La baja densidad óptica del agua después de este
tratamiento permite su re-utilización en el sistema de recuperación.
(a) Ejemplo de proteínas precipitadas sin floculante.
(b) Las mismas proteínas después de incubación por 10 min con un floculante iónico de
alto peso molecular (poliacrilamida aniónica tipo A-150HMW, Cytec Industries Inc.,
West Paterson, NJ, Taskaya y Jaczynski, 2005).
(a)
(b)
Contenido de acido graso en los acidos grasos totales (%)
Figura 13. Los ácidos grasos ω-3 (n3) y ω-6 (n6) no se degradan significativamente por
efecto del sistema de recuperación por solubilización y precipitación isoeléctrica. Por lo
tanto, estos componentes deseables para la salud cardiovascular se pueden utilizar en
suplementos dietéticos y alimentos funcionales.
control
25
2.0
2.5
3.0
12.0
EPA
DHA
pH para solubilización de las proteínas
12.5
13.0
20
15
10
5
0
n3 total
n6 total
n3/n6
LN
Acido graso
L
AN
Figura 14. Mediante ajuste del pH a 6 y el complejo polimérico quitosano-alginato,
preparado con una proporción en peso de 0.2, adicionado al agua de lavado de surimi
(SWW por sus siglas en inglés) a la razón de 0.1 kg/ton, se logra la precipitación de las
proteínas solubles e insolubles. En la figura se presenta la muestra no tratada (a),
ajustada a pH 6 (b), y con la adición del complejo a las concentraciones de 0.05 (c), 0.1
(d), 0.2 (e) y 0.3 (f) kg/ton SWW.
Control
pH 6
(a)
(b)
pH 6 +
0.05 kg/ton (Chi-Alg)
(c)
pH 6 +
0.1 kg/ton (Chi-Alg)
(d)
pH 6 +
0.2 kg/ton (Chi-Alg)
(e)
pH 6 +
0.3 kg/ton (Chi-Alg)
(f)
Figura 15. Los bioreactores son capaces de ajustar el pH en forma continua y
automática. Además homogenizan y ajustan la temperatura de la muestra, bombean
producto de entrada y salida del reactor, y dosifican en forma precisa los inhibidores de
emulsiones, floculantes de proteínas, agentes antiespumantes y otros aditivos
permitidos. El bioreactor, en el primer plano de esta figura, se utiliza para la
solubilización de proteínas, y el que se muestra al fondo se utiliza para la precipitación
isoeléctrica. En medio de ambos aparece el panel de control de esta unidad de
laboratorio. Los lípidos, las proteínas en solución y las impurezas insolubles son
separados en un decantador antes de que la solución de proteínas sea bombeada para
su precipitación. Este sistema trabaja en modo continuo a un flujo de 300 L/h.
Figura 16. Las centrífugas decantadoras son equipos normalmente utilizados en la
industria pesquera y pueden ser empleados con fines de separación en sistemas
pilotos de recuperación de proteínas y lípidos por solubilización y precipitación
isoeléctrica continuos. (Ilustraciones son cortesía de Alfa Laval).
(a) Ejemplo de unidad comercial
(b) Vista transversal del contenedor de la centrífuga decantadora.
(a)
(b)
Alimentación
procedente del
bioreactor
Tubo de alimentación
Caja de cambios
Puerto de
descarga
Pared del contenedor
Fase líquida
pesada
Cinta transportadora
Fase líquida ligera
Distribuidor
de entrada
Terminal
cónica
Sólidos
Figura 17. Mediante la solubilización y precipitación isoeléctrica se obtienen de los
subproductos de pescado productos importantes. Además, después de la separación
de proteínas en la Etapa 5, el agua (no mostrada) se utiliza nuevamente (reciclada) en
la Etapa 1.
(a) Aceite de pescado recuperado en la Etapa 3
(b) Impurezas libres de grasa (espinas, piel, escamas, aletas, proteínas insolubles, etc.)
recuperadas en la Etapa 3
(c) Proteínas funcionales recuperadas en la Etapa 5
(d) Geles de las proteínas recuperadas en la Etapa 5 como demostración de un
producto con alto valor agregado
Aceite de trucha
recuperado de
subproductos
(a)
Subproductos de
trucha
(b)
Proteína de músculo
recuperada de
subproductos del
fileteado de trucha
(c)
Geles obtenidos de proteína de
músculo recuperada
Humedad = 85%
pH = 5.5
Sal = 2%
(d)