Valorisation of agri-food industry by-products to obtain protein hydrolysates through environmentally friendly and scalable processes

Abstract

Davant la situació actual i futura del món, on per una banda es produeix un creixent augment de la població i un canvi progressiu en les dietes, mentre que, per l'altra banda, s'està cercant una economia més sostenible basada en la circularitat, sorgeix la necessitat de plantejar alternatives a la producció d'aliments convencionals. Aquestes alternatives busquen tecnologies escalables que permetin la producció de nous ingredients a partir de subproductes de la indústria alimentària. Aquestes tecnologies són en base biotecnològica i en la present tesis doctoral s’han investigat la hidròlisis enzimàtica i la fermentació en fase sòlida. En aquest treball, s’ha utilitzat subproductes de 4 fonts diferents, que provenen de l’extracció d’olis de llavors oleaginoses i de la industria de la malta cervesera. S’ha proposat l’ús de la filtració al buit com a sistema de separació sòlid/líquid en procediment de producció d’hidrolitzats proteics, aplicant-lo directament sobre el subproducte sense aïllament previ de la proteïna i amb resultats favorables en rendiments de producció. El principal resultat del tractament amb els enzims ha estat l’augment del rendiment de producció i del contingut de proteïna respecte a mostres control sense enzim, així com la reducció del pes molecular d’aquesta fracció proteica. També s’ha pogut comprovar que el pH no va tenir cap efecte en la producció dels hidrolitzats. Els hidrolitzats proteics de les arrels de malta i dels tortons de colza i gira-sol, van tenir resultats favorables en l’activitat inhibidora de l’enzim convertidor de l’angiotensina, mentre que els hidrolitzats d’arrels de malta i tortó de camelina, van obtenir millores en les propietats emulsionants. Dos hidrolitzats proteics del tortó de camelina han mostrat ser un agent emulsionant en una formulació d’emulsió, amb resultats favorables en comparació amb la lecitina de soja. S'ha utilitzat també una tècnica de fermentació en fase sòlida, avaluant els factors de fermentació en una configuració de bioreactor multi-safates, on s'ha observat una estratificació dels factors entre les safates, afectant els productes fermentats dels tortons de colza i de gira-sol. Posteriorment, es va avaluar l’efecte del fong Rhizopus oryzae en els subproductes de les arrels de malta i dels tortons de colza i gira-sol. La fracció proteica es va veure concentrada en els casos del tortó de colza i l’arrel de malta, i hidrolitzada per enzims proteasa del fong, millorant les propietats emulsionants del producte fermentat. Malgrat la reducció d’antinutrients mitjançant una disminució de polifenols, no es va veure traduït en una millora de la digestibilitat proteica in vitro. Finalment, els dos processos investigats a escala laboratori s’han escalat a una escala semi-pilot, obtenint resultats similars. S’ha proposat una combinació dels dos processos en la valorització del tortó de colza. S'ha dut a terme la fermentació en fase sòlida del residu sòlid resultant de la hidròlisi enzimàtica, tancant el cercle de valorització i obtenint un producte fermentat amb una millora de l'activitat emulsionant. També s'ha realitzat la hidròlisi enzimàtica del producte fermentat del tortó de colza, amb el resultat d'un hidrolitzat proteic que presenta una fracció proteica més fragmentada que en el procediment simple. El present treball engloba l’avaluació de les condicions òptimes, l’escalat i la combinació de processos tecnològics, els quals són sostenibles per la producció de nous ingredients a partir de subproductes de la indústria alimentària.

Ante la situación actual y futura del mundo, donde por un lado se produce un creciente aumento de la población y un cambio progresivo en las dietas, mientras que, por otro lado, se está buscando una economía más sostenible basada en la circularidad, surge la necesidad de plantear alternativas a la producción de alimentos convencionales. Estas alternativas buscan tecnologías escalables que permitan la producción de nuevos ingredientes a partir de subproductos de la industria alimentaria. Estas tecnologías son en base biotecnológica y en la presente tesis doctoral se han investigado la hidrólisis enzimática y la fermentación en fase sólida. En este trabajo, se ha utilizado subproductos de 4 fuentes diferentes, que provienen de la extracción de aceites de semillas oleaginosas y de la industria de la malta cervecera. Se ha propuesto el uso de la filtración al vacío como sistema de separación sólido/líquido en procedimiento de producción de hidrolizados proteicos, aplicándolo directamente sobre el subproducto sin aislamiento previo de la proteína y con resultados favorables en rendimientos de producción. El principal resultado del tratamiento con las enzimas ha sido el aumento del rendimiento de producción y del contenido de proteína respecto a muestras control sin enzima, así como la reducción del peso molecular de esta fracción proteica. También se ha podido comprobar que el pH no tuvo ningún efecto en la producción de los hidrolizados. Los hidrolizados proteicos de las raicillas de malta i de las tortas de colza i girasol, tuvieron resultados favorables en la actividad inhibidora de la enzima convertidora de la angiotensina, mientras que los hidrolizados de las raicillas de malta y de la torta de camelina, obtuvieron mejoras en las propiedades emulsionantes. Dos hidrolizados proteicos de torta de camelina han mostrado ser un agente emulsionante en una formulación de emulsión, con resultados favorables en comparación con la lecitina de soja. Se ha utilizado también una técnica de fermentación en fase sólida, evaluando los factores de fermentación en una configuración de biorreactor multi bandejas, donde se ha observado una estratificación de los factores entre las bandejas, afectando los productos fermentados de las tortas de colza y girasol. Posteriormente, se evaluó el efecto del hongo Rhizopus oryzae en los subproductos de las raicillas de malta i de las tortas de colza y girasol. La fracción proteica se vio concentrada en los casos de la torta de colza y las raicillas de malta, e hidrolizada por enzimas proteasa del hongo, mejorando las propiedades emulsionantes del producto fermentado. A pesar de la reducción de antinutrientes mediante una disminución de polifenoles, no se vio traducido en una mejora de la digestibilidad proteica in vitro. Finalmente, los dos procesos investigados a escala laboratorio se han escalado a una escala semipiloto, obteniendo resultados similares. Se ha propuesto una propuesta de combinación de los dos procesos en la valorización de la torta de colza. Se ha llevado a cabo la fermentación en fase sólida del residuo sólido resultante de la hidrólisis enzimática, cerrando el círculo de valorización y obteniendo un producto fermentado con una mejora de la actividad emulsionante. También se ha realizado la hidrólisis enzimática del producto fermentado de la torta de colza, con el resultado de un hidrolizado proteico que presenta una fracción proteica más fragmentada que en el procedimiento simple. El presente trabajo engloba la evaluación de las condiciones óptimas, el escalado y la combinación de procesos tecnológicos, los cuales son sostenibles para la producción de nuevos ingredientes a partir de subproductos de la industria alimentaria.

Faced with the current and future situation of the world, where on the one hand there is a growing increase in population and a progressive change in diets, while, on the other hand, a more sustainable economy based on circularity is being sought, the need arises to propose alternatives to conventional food production. These alternatives seek scalable technologies that allow the production of new ingredients from by-products of the food industry. These technologies are biotechnology-based and in this doctoral thesis enzymatic hydrolysis and solid-phase fermentation have been investigated. In this work, by-products from 4 different sources have been used, which come from the extraction of oilseed oils and from the brewing malt industry. The use of vacuum filtration as a solid/liquid separation system in the production process of protein hydrolysates has been proposed, applying it directly to the by-product without prior isolation of the protein and with favorable results in production yields. The main result of the treatment with the enzymes has been the increase in production yield and protein content compared to control samples without enzymes, as well as the reduction of the molecular weight of this protein fraction. It has also been found that pH had no effect on the production of hydrolysates. Protein hydrolysates from rapeseed and sunflower meals, and malt rootlets had favorable results in the inhibitory activity of angiotensin-converting enzyme, while hydrolysates from malt rootlets and camelina meal obtained improvements in emulsifying properties. Two camelina meal protein hydrolysates have been shown to be an emulsifying agent in an emulsion formulation, with favorable results compared to soy lecithin. A solid-phase fermentation technique has also been used, evaluating the fermentation factors in a multi-tray bioreactor configuration, where a stratification of the factors between the trays has been observed, affecting the fermented products of rapeseed and sunflower meals. Subsequently, the effect of the fungus Rhizopus oryzae on the by-products of rapeseed and sunflower meals, and malt rootlets were evaluated. The protein fraction was concentrated in the cases of rapeseed meal and malt rootlets and has been hydrolysed by protease enzymes of the fungus, improving the emulsifying properties of the fermented product. Despite the reduction of antinutrients through a decrease in polyphenols, it did not translate into an improvement in protein digestibility in vitro. Finally, the two processes investigated at laboratory scale have been scaled to a semi-pilot scale, obtaining similar results. A proposal has been proposed to combine the two processes in the valorisation of rapeseed meal. The solid phase fermentation of the solid residue resulting from enzymatic hydrolysis has been carried out, closing the circle of valorisation and obtaining a fermented product with an improvement in emulsifying activity. Enzymatic hydrolysis of the fermented product of rapeseed meal has also been carried out, resulting in a protein hydrolysate that has a more fragmented protein fraction than in the simple procedure. The present work encompasses the evaluation of optimal conditions, scaling and the combination of technological processes, which are sustainable for the production of new ingredients from by-products of the food industry.