Aplicación de tecnologías emergentes para la obtención de Zinc-protoporfirina y proteínas funcionales a partir de co-productos cárnicos

[ES] El hígado de cerdo es un coproducto de origen animal que contiene una elevada cantidad de proteínas, así como otros compuestos de interés, entre los que destacan las enzimas como la ferroquelatasa (FeQ). La FeQ actúa como catalizadora en la formación del pigmento zinc protoporfirina (ZnPP), responsable del color característico del jamón de Parma y que puede resultar relevante en la elaboración de productos cárnicos crudo-curados. Así, en la presente Tesis Doctoral se va a estudiar la aplicación de tecnologías emergentes, como los ultrasonidos (US), para favorecer la extracción de la enzima FeQ y para la mejora de la formación del pigmento ZnPP. Asimismo, con el objetivo de la valorización del hígado como fuente de proteínas, en primer lugar se estudiará su estabilización mediante el secado convectivo, a un amplio rango de temperaturas, para optimizar el producto (fracción proteica). Posteriormente, el hígado deshidratado se desgrasará y desodorizará utilizando técnicas convencionales como el arrastre por vapor con aplicación de vacío (AVV) y CO2 supercríticos (CO2-SC), para lograr un producto rico en proteínas que sea aceptable organolépticamente por el consumidor. Los resultados experimentales mostraron que la aplicación de US intensificó en gran medida la extracción de la enzima FeQ del hígado de cerdo. Así, la aplicación de US durante la extracción de FeQ condujo a una mejora de la actividad enzimática y consecuentemente a un aumento de la formación de ZnPP. En cuanto a la formación de ZnPP asistida por US a partir hígado homogeneizado (Hhc) e hígado homogeneizado, con adición de oxihemoglobina (Hhc+OxiHb), el máximo de ZnPP formado cuando se aplicaron US a baja potencia (7.05 W/L) fue de 0.405 mmol ZnPP/L en Hhc y 0.449 mmol ZnPP/L en Hhc+OxiHb, alcanzándose este valor a las 12 h, mientras que sin aplicación de US el máximo se alcanzó a las 24 h, siendo éste de 0.322 mmol ZnPP/L en Hhc y 0.430 mmol ZnPP/L en Hhc+OxiHb. Sin embargo, cuando se aplicaron US a moderada potencia (36.53 W/L) fue solo de 0.037 mmol ZnPP/L a 24 h de incubación, debido a que el sistema de control de temperatura no pudo ser controlado. En relación al secado de hígado de cerdo a diferentes temperaturas (de -10 a 70ºC), los resultados revelaron que el aumento de la temperatura de secado influyó tanto en la actividad enzimática como en la concentración de FeQ aparente. Así, la condición óptima se encontró en el rango de 10 a 20ºC. Además, la temperatura de secado y el desgrasado también influyó en las propiedades fisicoquímicas y tecno-funcionales del hígado de cerdo, siendo la temperatura de 40ºC la que conllevó una menor degradación de proteínas en comparación con el deshidratado a 70ºC. En cuanto a la desodorización, los resultados mostraron que ambas técnicas (AVV y CO2-SC) fueron eficaces en la reducción y eliminación compuestos volátiles (COVs) característicos del hígado del cerdo. A través del AVV se redujo el contenido de COVs se redujo en su conjunto un 67.5%, mientras que mediante CO2-SC se redujo un 81.2%, con respecto al hígado de cerdo deshidratado sin desodorizar. Además, tras la aplicación de CO2-SC se eliminaron COVs característicos del olor desagradable del hígado de cerdo. Asimismo, mediante la extracción con CO2-SC se redujo el contenido de grasa un 24.9%, en comparación con la muestra sin desodorizar. Así pues, se puede concluir que las tecnologías emergentes como los US mejoraron el proceso de extracción de FeQ, así como su actividad enzimática en la formación de ZnPP. Además, mediante el secado y desgrasado del hígado, es posible alargar la vida útil del hígado. Así, a partir del hígado deshidratado se extrajo FeQ con actividad catalítica para la formación del pigmento ZnPP, y a partir del hígado deshidratado-desgrasado se recuperó la fracción proteica, la cual presentaba excelentes propiedades fisicoquímicas y tecno-funcionales. La extracción mediante CO2-SC resultó ser una alternativa a la técnica AVV para la desodorización.
[CA] El fetge de porc és un coproducte d'origen animal que conté una elevada quantitat de proteïnes, així com altres compostos d'interès, entre els quals destaquen els enzims com la ferroquelatasa (FeQ). La FeQ actua com a catalitzadora en la formació del pigment zinc protoporfirina (ZnPP), responsable del color característic del pernil de Parma i que pot resultar rellevant en l'elaboració de productes carnis crucurats. Així, en aquesta Tesi Doctoral s'estudiarà l'aplicació de tecnologies emergents, com els ultrasons (US), per afavorir l'extracció de l'enzim FeQ i per a la millora de la formació del pigment ZnPP. Així mateix, amb l'objectiu de la valorització del fetge com a font de proteïnes, en primer lloc se n'estudiarà l'estabilització mitjançant l'assecatge convectiu, a un ampli rang de temperatures, per optimitzar el producte (fracció proteica). Posteriorment, el fetge deshidratat es desgreixarà i desodoritzarà utilitzant tècniques convencionals com l'arrossegament per vapor amb aplicació de buit (AVV) i CO2 supercrítics (CO2-SC), per aconseguir un producte ric en proteïnes que sigui acceptable organolèpticament pel consumidor. Els resultats experimentals van mostrar que l'aplicació US va intensificar en gran mesura l'extracció de l'enzim FeQ del fetge de porc. Així, l'aplicació US durant l'extracció de FeQ va conduir a una millora de l'activitat enzimàtica i conseqüentment a un augment de la formació de ZnPP. Quant a la formació de ZnPP assistida per US a partir fetge homogeneïtzat (Hfp) i fetge homogeneïtzat, amb addició de oxihemoglobina (Hfp+OxiHb) , el màxim de ZnPP format quan es van aplicar US a baixa potència (7.05 W/L) va ser de 0.405 mmol ZnPP/L a Hhc i 0.449 mmol ZnPP /L a Hhc+OxiHb, assolint-se aquest valor a les 12 h, mentre que sense aplicació d'US el màxim es va assolir a les 24 h, sent aquest de 0.322 mmol ZnPP/L a Hhc i 0.430 mmol ZnPP/L a Hhc+OxiHb . Tot i això, quan es van aplicar US a moderada potència (36.53 W/L) va ser només de 0.037 mmol ZnPP/L a 24 h d'incubació, pel fet que el sistema de control de temperatura no va poder ser controlat. Pel que fa a l'assecatge de fetge de porc a diferents temperatures (de -10 a 70ºC), els resultats van revelar que l'augment de la temperatura d'assecatge va influir tant en l'activitat enzimàtica com en la concentració de FeQ aparent. Així, la condició òptima es va trobar al rang de 10 a 20ºC. A més, la temperatura d'assecatge i el desgreixat també va influir en les propietats fisicoquímiques i tecnofuncionals del fetge de porc, sent la temperatura de 40ºC la que va comportar una menor degradació de proteïnes en comparació del deshidratat a 70ºC. Pel que fa a la desodorització, els resultats van mostrar que ambdues tècniques (AVV i CO2-SC) van ser eficaces en la reducció i eliminació compostos volàtils (COVs) característics del fetge del porc. A través de l'AVV es va reduir el contingut de COVs es va reduir en conjunt un 67.5%, mentre que mitjançant CO2-SC es va reduir un 81.2%, respecte al fetge de porc deshidratat sense desodoritzar. A més, després de l'aplicació de CO2-SC es van eliminar COV característics de l'olor desagradable del fetge de porc. Així mateix, mitjançant l'extracció amb CO2-SC es va reduir el contingut de greix un 24.9%, en comparació de la mostra sense desodoritzar. Així doncs, es pot concloure que les tecnologies emergents com els US van millorar el procés d'extracció de FeQ, així com la seva activitat enzimàtica a la formació de ZnPP. A més, mitjançant l'assecatge i desgreixatge del fetge, és possible allargar la vida útil del fetge. Així, a partir del fetge deshidratat es va extreure FeQ amb activitat catalítica per a la formació del pigment ZnPP, ia partir del fetge deshidratat-desgreixat es va recuperar la fracció proteica del fetge, la qual presentava excel·lents propietats fisicoquímiques i tecnofuncionals. L'extracció mitjançant CO2-SC va resultar ser una alternativa a la tècnica de AVV per a la desodorització.
[EN] Pork liver is a co-product of animal origin that contains a high amount of protein, as well as other compounds of interest, among which enzymes such as ferrochelatase (FeCH). FeCH acts as a catalyst in the formation of the pigment zinc protoporphyrin (ZnPP), responsible for the characteristic color of Parma ham and which may be relevant in the production of raw-cured meat products. Thus, in this Doctoral Thesis, the application of emerging technologies, such as ultrasound (US), will be studied to favor the extraction of the FeCH enzyme and to improve the formation of the ZnPP pigment. Likewise, with the aim of valorizing the liver as a source of protein, its stabilization by means of convective drying will first be studied, at a wide range of temperatures, to optimize the product (protein fraction). Subsequently, the dehydrated liver will be defatted and deodorized using conventional techniques such asvacuum steam distillation (VSD) and supercritical CO2 (SC-CO2), to achieve a protein-rich product that is organoleptically acceptable to the consumer. The experimental results showed that the application of US greatly enhanced the extraction of FeCH enzyme from pork liver. Thus, the application of US during the FeCH extraction led to an improvement in the enzymatic activity and consequently to an increase in the ZnPP formation. Regarding US-assisted ZnPP formation from homogenized pork liver (HLi) and homogenized pork liver, with the addition of oxyhemoglobin (HLi+OxyHb, the maximum ZnPP formed when US was applied at low power (7.05 W/L) was 0.405 mmol ZnPP/L in Hhc and 0.449 mmol ZnPP /L in Hhc+OxyHb, reaching this value at 12 h, while without application of US the maximum was reached at 24 h, being 0.322 mmol ZnPP/L in Hhc and 0.430 mmol ZnPP/L in Hhc+OxyHb. However, when US was applied at moderate power (36.53 W/L) it was only 0.037 mmol ZnPP/L at 24 h of incubation, because the temperature control system could not be controlled. Regarding the drying of pig liver at different temperatures (from -10 to 70ºC), the results revealed that the increase in the drying temperature influenced both the enzymatic activity and the apparent FeCH concentration. Thus, the optimal condition was found in the range of 10 to 20ºC. In addition, the drying temperature and defatting also influenced the physicochemical and techno-functional properties of pork liver, being the temperature of 40ºC the one that led to less protein degradation compared to that dehydrated at 70ºC. Regarding deodorization, the results showed that both techniques (VSD and SC-CO2) were effective in reducing and eliminating volatile compounds (VOCs) characteristic of pig liver. Through AVV the content of VOCs was reduced as a whole by 67.5%, while through SC-CO2 towas reduced by 81.2%, with respect to dried pork liver without deodorizing. In addition, after the application of SC-CO2, VOCs characteristic of the unpleasant odor of pig liver were eliminated. Likewise, by extraction with SC-CO2, the fat content was reduced by 24.9%, compared to the sample without deodorization. Thus, it can be concluded that emerging technologies such as US improved the FeCH extraction process, as well as its enzymatic activity in the ZnPP formation. Furthermore, by drying and defatting the liver, it is possible to extend the lifespan of the liver. Thus, from the dehydrated liver, FeCH was extracted with catalytic activity for the formation of the ZnPP pigment, and from the dried-defatted liver, the protein fraction of the liver was recovered, which presented excellent physicochemical and techno-functional properties. The SC-CO2 extraction turned out to be an alternative to the VSD technique for the deodorization.
The authors acknowledge the financial support from the “Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO)” and “Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA)” in Spain (Projects RTA2017-00024-C04-03 and RTA2017-00024-C04-02).