Valorización de proteínas vegetales mediante hidrólisis enzimática para la obtención de péptidos con propiedades funcionales y biológicas

Abstract

A través de los años, diferentes estudios han centrado su atención a la dieta y su relación en la prevención de enfermedades. Ello ha potenciado la investigación en torno a compuestos de origen natural capaces de ejercer una actividad biológica. Dentro de estos compuestos de origen natural se han identificado diversos péptidos bioactivos, capaces de modular procesos fisiológicos y por consiguiente tener un efecto positivo sobre la salud humana. Además de esto, dichos compuestos naturales son de interés al poseer diversas aplicaciones industriales (e.g., nutracéuticos, ingredientes de alimentos funcionales o aplicaciones tecnológicas).

Hay gran número de fuentes que han sido utilizadas para el aislamiento o la producción de péptidos bioactivos (BAPs), siendo las proteínas de origen animal (e.g., huevos, carne, pescado, leche) las más estudiadas hasta la fecha. Sin embargo, las fuentes vegetales (e.g., trigo, soja, maíz, patata, arroz) han despertado un creciente interés de la comunidad científica y la opinión pública, en contraste con las de origen animal, debido a su mayor sostenibilidad; la necesidad de implementar estrategias eficientes y económicamente viables para la producción a escala industrial; una mayor demanda de dietas saludables y equilibradas por parte de los consumidores así como una tendencia creciente a sustituir la ingesta de carne por dietas vegetarianas/veganas. Los cereales y las legumbres resultan ser hasta el momento las principales fuentes de BAPs vegetales.

En el contexto actual de economía circular, una alternativa a estas fuentes son los subproductos generados por las actividades agrícolas o la Industria Alimentaria. En el contexto andaluz, destacan en este sentido los subproductos resultantes del procesado de oleaginosas u otros residuos agrícolas (e.g., cáscaras, pulpa, cáscara de la semilla, hojas, tallos, raíces, etc.). Estos sustratos presentan un contenido importante en proteína que los convierte en candidatos para valorización como fuente de péptidos bioactivos.

Los BAPs están constituidos por secuencias de aminoácidos que no ejercen actividad cuando están encriptados en el interior de la proteína, siendo necesario implementar un método para la liberación de estos. La fragmentación de la proteína para liberar secuencias activas se puede llevar a cabo principalmente mediante hidrólisis química, fermentación microbiana o hidrólisis enzimática. Esta última es uno de los métodos más estudiados y confiables para la producción de BAPs. Frente a los otros métodos, presenta numerosas ventajas: (i) presentan alta selectividad frente al sustrato, minimizando las reacciones paralelas no deseadas (ii) permiten un mejor control de la reacción, (iii) se puede llevar a cabo en condiciones de pH y temperatura moderadas, (iv) no generan subproductos de reacción tóxicos. Estas ventajas han permitido que la hidrólisis enzimática esté ampliamente implementada a nivel industrial para aplicaciones alimentarias y nutracéuticas.

Las actividades biológicas que exhiben los BAPs son dependientes de la proteína de origen, así como de la longitud y secuencia de aminoácidos presente en el péptido. Los estudios más relevantes, enfocados en estos compuestos, y que toman como fuente proteínas de origen vegetal, se han centrado principalmente en estudiar sus actividades: antioxidante, antihipertensiva, hipocolesterolémica, antimicrobiana, anticancerígena inmunomoduladora y opioide.

Otra aplicación fundamental de la hidrólisis enzimática es la mejora de las propiedades tecno-funcionales de las proteínas, tales como solubilidad, capacidad emulsificante o de retención de agua o lípidos. Este conjunto de propiedades son necesarias de cara a la incorporación de proteínas en matrices alimentarias complejas. En el caso de las proteínas vegetales, su uso como ingrediente funcional se ha visto limitado por su baja solubilidad, alergenicidad y presencia de factores antinutricionales (e.g. inhibidores de tripsina). En este sentido, la incorporación de hidrolizados de proteína vegetales como ingredientes en alimentos o formulaciones nutracéuticas mejora sus propiedades funcionales respecto a la proteína nativa, lo que favorece su incorporación como endulzantes, conservantes de color, reguladores de acidez, antiaglomerantes, emulsionantes, potenciadores de sabor y espesantes.

Las proteínas vegetales son sustratos interesantes para obtener productos con valor añadido para la industria farmacéutica y alimentaria, tales como péptidos con actividades biológicas y/o funcionales mejoradas, mediante su hidrólisis enzimática. Desde los primeros estudios en proteínas lácteas y otras fuentes animales, existe un interés científico creciente hacia las proteínas de origen vegetal. Sin embargo, se requieren más trabajos que investiguen la extracción de proteína de biomasa vegetal, el impacto de los tratamientos enzimáticos sobre las proteínas vegetales, con especial interés en evaluar la mejora en las propiedades tecno-funcionales, así como la liberación de péptidos con actividad biológica.

Considerando lo anterior, el objetivo de esta tesis ha sido la valorización de proteínas de origen vegetal como sustratos para obtener péptidos con propiedades biológicas y tecnofuncionales (e.g., capacidad antioxidante, antihipertensiva, y emulsificante).

Para alcanzar este objetivo, el trabajo experimental se estructuró en cuatro etapas principales: 1.--- Estudio preliminar para la selección de las harinas vegetales a estudiar. 2.--- Estudio de la capacidad emulsificante de hidrolizados de harinas vegetales sobre emulsiones O/W de aceite de pescado. 3.--- Estudio de la capacidad antioxidante de hidrolizados de harinas vegetales sobre emulsiones O/W de aceite de pescado. 4.--- Estudio de la capacidad antihipertensiva de hidrolizados de harinas vegetales. emulsiones O/W de pescado, siendo esta una vía interesante para generar valor agregado a estos substratos provenientes de la industria de las oleaginosas.

There exists a scientific interest in peptides with bioactive and techno-functional properties obtained from the enzymatic hydrolysis of plant-based proteins as well as by-products from agro-industrial processes. In this matter, the objective of this thesis was to evaluate different plant-based sources as protein substrates to obtain peptides with bioactive (e.g., antioxidant and antihypertensive capacity) and techno-functional properties (emulsifier capacity) by means of enzymatic hydrolysis. To reach this objective, the following specific objectives were established: i. Identify and select potential protein plant-based sources through a literature review. ii. Production of the enzymatic hydrolysates of the plant-based meals selected, evaluating their in vitro biological (i.e. DPPH scavenging, metal chelating, ACE inhibitory) and techno-functional (i.e. emulsion activity and stability indices) properties. iii. Selection of the plant protein sources based on their in vitro emulsifying, antioxidant, and antihypertensive properties. iv. Study on the incorporation of plant hydrolysates with in vitro emulsifying properties on the physical and oxidative stability of 5% w/w fish oil emulsions. v. Study on the use of plant hydrolysates as antioxidant ingredients to retard lipid oxidation of 5% w/w fish oil emulsions. vi. Production of ACE inhibitory peptide fractions by size-exclusion chromatography and membrane ultrafiltration processes.