Revaloració de la fracció cel·lular de la sang de porc procedent d'escorxadors industrials

Abstract

La sang de porc és un subproducte comestible que es genera als escorxadors industrials durant el procés d'obtenció de la canal. Aquest subproducte es caracteritza per presentar una elevada càrrega contaminant i, degut a l'elevat volum que es genera, és necessari trobar estratègies que permetin la seva revaloració i aprofitament, a la vegada que disminuïm la contaminació ambiental i les despeses que es deriven del seu processament abans de l'abocament. La fracció cel·lular (FC) constitueix el 40 % de la sang de porc i conté principalment l'hemoglobina (Hb), que representa al voltant del 90 % del contingut en proteïna d'aquesta fracció (un 35 % aproximadament). L'elevat percentatge en proteïna i en ferro, i les seves bones propietats funcionals fan que l'aprofitament d'aquest subproducte com a primera matèria o ingredient de la indústria alimentària sigui una alternativa molt útil a l'hora de reduir les despeses de la indústria càrnia, sempre que es resolguin els problemes de l'enfosquiment i dels sabors estranys que pot conferir la FC quan s'addiciona a productes alimentaris. Una altra possible utilització de la FC és aprofitar les propietats colorants de l'Hb o del grup hemo, com a colorant d'origen natural en diversos productes alimentaris. Els objectius del present treball eren, en primer lloc, determinar les millors condicions d'aplicació del procés de conservació de la FC mitjançant la deshidratació per atomització i caracteritzar físico-químicament i microbiològica el concentrat d'Hb en pols. En segon lloc, avaluar l'eficàcia de diferents additius antioxidants i/o segrestants del ferro per prevenir l'enfosquiment que pateix la FC durant la deshidratació. En tercer lloc, aplicar tractaments d'altes pressions hidrostàtiques com a procés d'higienització i avaluar els efectes d'aquest tractament sobre la microbiota contaminant, el color i les propietats funcionals de la FC. Finalment, desenvolupar un procés d'obtenció d'hidrolitzats proteics descolorats a partir de l'Hb amb la finalitat d'utilitzar-los com a ingredients nutricionals i/o funcionals. La millor temperatura de deshidratació per atomització de la FC hemolitzada era 140ºC. La FC en pols presentava un contingut en humitat del 5,3 % i un percentatge de solubilitat proteica del 96 %. La deshidratació per atomització induïa canvis en l'estructura nativa de l'Hb i, per tant, un cert grau de desnaturalització que pot conduir a una disminució de les seves propietats funcionals. L'extracte sec de la FC en pols estava composat per un 94,6 % de proteïna, un 3 % de sals minerals i un 0,7 % de greix. Els valors CIE L*a*b* del color de la FC en pols eren força constants i reflectien el color vermell marró fosc d'aquesta, a causa de l'oxidació del ferro hèmic que es produeix durant la deshidratació. La càrrega contaminant de la FC fresca de la sang de porc era força elevada i el tractament d'hemòlisi amb ultrasons i la centrifugació posterior no produïen una reducció significativa de la microbiota contaminant, obtenint un producte amb uns recomptes microbiològics de l'ordre de 106 ufc·mL-1. La deshidratació per atomització produïa una disminució d'una unitat logarítmica dels recomptes totals de la FC hemolitzada. Tanmateix, el producte en pols encara reflectia l'elevada contaminació de la primera matèria, fet que condiciona negativament la seva utilització com a ingredient alimentari, a no ser que es millorin les condicions de recollida de la sang a l'escorxador o que aquesta o la FC es sotmeti a algun tractament d'higienització prèviament a la deshidratació. Les isotermes de sorció a 20ºC de la FC en pols tenien forma sigmoïdal i una histèresi estreta i llarga. L'equació GAB és un bon model matemàtic per ajustar les dades de sorció obtingudes experimentalment i determinar la isoterma d'adsorció de la FC deshidratada per atomització. El percentatge d'humitat de la FC deshidratada a 140ºC es corresponia a un valor d'aw a 20 ºC d'aproximadament el 0,16. Tenint en compte que estava per sota dels valors d'aw corresponents a la capa monomolecular, es pot garantir la conservació a temperatura ambient del producte, sempre que s'envasi en recipients tancats que no permetin l'entrada d'humitat de l'exterior. De l'estudi de la possible estabilització del color de la FC deshidratada per atomització mitjançant l'addició d'antioxidants i/o segrestants de ferro, es va observar que només l'àcid ascòrbic, la glucosa, l'àcid nicotínic i la nicotinamida, tenien efectes positius sobre el color del producte en pols. L'ascòrbic i la glucosa no milloraven la conservació del color de l'Hb però disminuïen l'enfosquiment que es produeix durant la deshidratació, amb la qual cosa es pot obtenir un producte en pols de color marró més clar. L'addició de dextrina o L-cisteïna no disminuïa l'enfosquiment ni evitava el canvi de color de l'Hb. L'àcid nicotínic i la nicotinamida protegien el color de l'Hb durant el procés de deshidratació i l'emmagatzematge de la FC en pols. Les millors condicions d'aplicació del tractament amb altes pressions hidrostàtiques (HHP) sobre la FC eren 400 MPa, a 20ºC, durant 15 minuts, perquè produïen una millora significativa de la qualitat microbiològica, no afectaven negativament al color, no comprometien gaire la solubilitat proteica l'Hb i, malgrat que produïen un augment de la viscositat, la FC romania fluida després del tractament. Aquest tractament permetia una reducció de la microbiota contaminant de la FC d'entre 2 i 3 unitats logarítmiques. L'aplicació de l'alta pressió i la posterior deshidratació per atomització permetien obtenir un producte en pols amb recomptes totals de l'ordre de 2,8 unitats logarítmiques. El color de la FC pressuritzada en pols era igual que el de la FC control deshidratada, perquè ambdues mostres presentaven la mateixa susceptibilitat a l'oxidació del grup hemo produïda per la deshidratació. L'alta pressió incrementava la susceptibilitat de l'Hb als efectes desnaturalitzants de la deshidratació, fonamentalment a pH 7 (PIE), ja que es va observar una disminució de la solubilitat proteica a pH neutre després dels 2 processos tecnològics. La FC en pols presentava una màxima capacitat escumant al PIE de l'Hb. L'aplicació del tractament HHP produïa una disminució de la capacitat escumant de la FC en pols, però no tenia efectes negatius sobre l'estabilitat de l'escuma formada. Tampoc es van observar efectes negatius del tractament HHP sobre l'activitat emulsionant de l'Hb. La màxima activitat emulsionant de l'Hb s'aconseguia amb una concentració de FC en pols de l'1,5 % a pH 7 i de l'1 % a pH 4,5. Les pastes obtingudes per escalfament de la FC presentaven característiques molt diferenciades depenent del pH. A pH neutre es formaven unes pastes dures i consistents, mentre que a pH àcid les pastes eren poc consistents, molt adhesives i més elàstiques que les anteriors. Aquestes tenien una capacitat de retenció d'aigua molt superior que les de pH 7, en les quals l'aigua quedava retinguda per capil·laritat. La textura i capacitat de retenció d'aigua de les pastes tampoc eren afectades pel tractament HHP. El tractament HHP incrementava l'activitat de la Tripsina sobre l'Hb quan el substrat i l'enzim es tractaven conjuntament i afavoria el procés d'obtenció d'hidrolitzats descolorats a partir de la FC, la qual cosa permetia assolir el mateix grau de descoloració amb una dosi d'enzim inferior. El tractament d'hidròlisi de la FC amb la utilització combinada de Tripsina seguida d'un tractament amb Pepsina permetia l'obtenció d'un hidrolitzat proteic d'Hb descolorat i hidrolitzava completament la globina, donant lloc a 2 pèptids de 10,8 i 7,4 KDa. Val a dir que també produïa un 60 80 % de nitrogen soluble en TCA, constituït fonamentalment per pèptids petits i aminoàcids lliures. Els hidrolitzats trípsics i pèpsics d'Hb, obtinguts a partir de FC no pressuritzada i deshidratats per atomització a 180ºC, eren de color blanc i tenien un contingut en humitat del 4,7 %, un 84,2 % de proteïna i 9,7 % de sals minerals. El procés d'hidròlisi permetia una reducció considerable de la contaminació de la FC, obtenint un producte en pols amb uns recomptes totals de l'ordre de 102-103 ufc·g-1. Pel que fa a la funcionalitat dels hidrolitzats d'Hb deshidratats per atomització, aquests presentaven una elevada solubilitat proteica a pH 5 i 7 i romanien solubles després d'un escalfament a 80ºC durant 30 min. Tanmateix, aquesta hidròlisi afectava molt negativament la capacitat de mantenir escumes estables i l'activitat emulsionant.

La sangre de cerdo es un subproducto comestible generado en los mataderos industriales durante el proceso de obtención de la canal. Este subproducto se caracteriza por presentar una elevada carga contaminante y debido a los grandes volúmenes que se generan, es necesario encontrar estrategias que permitan su revalorización y aprovechamiento. A su vez, se diminuye la contaminación ambiental y los gastos que se derivan de su procesamiento antes del vertido. La fracción celular (FC) constituye el 40 % de la sangre de cerdo y contiene principalmente la hemoglobina (Hb), que representa cerca del 90 % del contenido en proteína de esta fracción (un 35 % aproximadamente). El elevado porcentaje en proteína y en hierro, y sus buenas propiedades funcionales hacen que el aprovechamiento de este subproducto como materia primera o ingrediente de la industria alimentaria sea una alternativa muy útil para reducir los gastos de la industria cárnica, siempre que se resuelvan los problemas de oscurecimiento i de sabores extraños que puede conferir la FC cuando se adiciona a productos alimentarios. Otra posible utilización de la FC es aprovechar las propiedades colorantes de la Hb o del grupo hemo, como colorante de origen natural en diversos productos alimentarios. Los objetivos del presente trabajo eran, en primer lugar, determinar las mejores condiciones de aplicación del proceso de conservación de la FC mediante la deshidratación por atomización y caracterizar físico-química y microbiológicamente el concentrado de Hb en polvo. En segundo lugar, evaluar la eficacia de diferentes aditivos antioxidantes y/o quelantes de hierro para prevenir el oscurecimiento que sufre la FC durante la deshidratación. En tercer lugar, aplicar tratamientos de altas presiones hidrostáticas como un proceso de higienización y evaluar los efectos de este tratamiento sobre la microbiota contaminante, el color y las propiedades funcionales de la FC. Finalmente, desarrollar un proceso de obtención de hidrolizados proteicos decolorados a partir de la Hb con la finalidad de utilizarlos como ingredientes nutricionales y/o funcionales. La mejor temperatura de deshidratación por atomización de la FC hemolizada era 140ºC. La FC en polvo presentaba un contenido en humedad del 5,3 % y un porcentaje de solubilidad proteica del 96 %. La deshidratación por atomización inducía cambios en la estructura nativa de la Hb y, por tanto, un cierto grado de desnaturalización que puede conducir a una disminución de sus propiedades funcionales. El extracto seco de la FC en polvo estaba compuesto por un 97 % de proteína, un 3 % de sales minerales y un 0,7 % de grasa. Los valores CIE L*a*b* del color de la FC en polvo eran bastante constantes y reflejaban su color rojo marrón oscuro, debido a la oxidación del hierro hémico que se produce durante la deshidratación. La carga contaminante de la FC fresca de la sangre de cerdo era bastante elevada y el tratamiento de hemólisis con ultrasonidos y la centrifugación posterior no producían una reducción significativa de la microbiota contaminante, obteniéndose un producto con unos recuentos microbiológicos del orden de 106 ufc·mL-1. La deshidratación por atomización producía una disminución de 1 unidad logarítmica de los recuentos totales de la FC hemolizada. Sin embargo, el producto en polvo aún reflejaba la elevada contaminación de la materia primera, hecho que condiciona negativamente su utilización como ingrediente alimentario, a no ser que se mejoren las condiciones de recogida de la sangre en el matadero o que esta o la FC se someta a algún tratamiento de higienización previamente a la deshidratación. Las isotermas de sorción a 20ºC de la FC en polvo tenían forma sigmoidal i una histéresis estrecha y larga. La ecuación GAB es un buen modelo matemático para ajustar los datos de sorción obtenidos experimentalmente y determinar la isoterma de adsorción de la FC deshidratada por atomización. El porcentaje de humedad de la FC deshidratada a 140ºC se correspondía a un valor de aw a 20ºC de aproximadamente el 0,16. Teniendo en cuenta que estaba por debajo de los valores de aw correspondientes a la capa monomolecular, se puede garantizar la conservación a temperatura ambiente del producto, siempre que se envase en recipientes cerrados que no permitan la entrada de humedad del exterior. Del estudio de la posible estabilización del color de la FC deshidratada por atomización mediante la adición de ácido ascórbico y/o secuestrantes de hierro, se observó que sólo el ácido ascórbico, la glucosa, el ácido nicotínico y la nicotinamida, tenían efectos positivos sobre el color del producto en polvo. El ascórbico y la glucosa no mejoraban la conservación del color de la Hb pero disminuían el oscurecimiento que se produce durante la deshidratación, con lo cual se puede obtener un producto en polvo de color marrón más claro. La adición de dextrina o L-cisteína no disminuía el oscurecimiento ni evitaba el cambio de color de la Hb. El ácido nicotínico y la nicotinamida protegían el color de la Hb durante la deshidratación y el almacenaje de la FC en polvo. Las mejores condiciones de aplicación del tratamiento con altas presiones hidrostáticas (HHP) sobre la FC eran 400 MPa, a 20ºC, durante 15 min, porque producían una mejora significativa de la calidad microbiológica, no afectaban negativamente al color, no comprometían mucho la solubilidad proteica de la Hb y, aunque producían un aumento de la viscosidad, la FC permanecía fluida después del tratamiento. Este tratamiento permitía una reducción de la microbiota contaminante de la FC de entre 2 y 3 unidades logarítmicas. La aplicación de la alta presión y la posterior deshidratación permitían obtener un producto en polvo con recuentos totales del orden de 2,8 unidades logarítmicas. El color de la FC presurizada en polvo era igual que el de la FC control deshidratada, porque ambas muestras presentaban la misma susceptibilidad a la oxidación del grupo hemo producida por la deshidratación. La alta presión incrementaba la susceptibilidad de la Hb a los efectos desnaturalizantes de la deshidratación, fundamentalmente a pH 7 (PIE), ya que se observó una disminución de la solubilidad proteica a pH neutro después de los 2 procesos tecnológicos. La FC en polvo presentaba una máxima capacidad espumante al PIE de la Hb. La aplicación del tratamiento HHP producía una disminución de la capacidad espumante de la FC en polvo, pero no tenía efectos negativos sobre la estabilidad de la espuma formada. Tampoco se observaron efectos negativos del tratamiento HHP sobre la actividad emulsionante de la Hb. La máxima actividad emulsionante de la Hb se conseguía con una concentración de FC en polvo del 1,5 % a pH 7 y del 1 % a pH 4,5. Las pastas formadas por calentamiento de la FC presentaban características muy diferenciadas dependiendo del pH. A pH neutro se formaban unas pastas duras y consistentes, mientras que a pH ácido las pastas eran poco consistentes, muy adhesivas y más elásticas que las anteriores. Estas tenían una capacidad de retención de agua muy superior que las de pH 7, en las cuales el agua quedaba retenida por capilaridad. La textura y capacidad de retención de agua de las pastas tampoco eran afectadas por el tratamiento HHP. El tratamiento HHP incrementaba la actividad de la Tripsina sobre la Hb cuando el substrato y la enzima se trataban conjuntamente y favorecía el proceso de obtención de hidrolizados decolorados a partir de la FC, lo cual permitía conseguir el mismo grado de decoloración con una dosis de enzima inferior. El tratamiento de hidrólisis de la FC con la utilización combinada de Tripsina seguida de un tratamiento con Pepsina permitía la obtención de un hidrolizado proteico de Hb decolorado y hidrolizaba completamente la globina, dando lugar a 2 péptidos de 10,8 y 7,4 KDa. También producía un 60-80 % de nitrógeno soluble en TCA, constituido fundamentalmente por péptidos y aminoácidos libres. Los hidrolizados trípsicos y pépsicos de Hb, obtenidos a partir de FC no presurizada, deshidratados por atomización a 180ºC, eran de color blanco y tenían un contenido en humedad del 4,7 %, un 84,2 % de proteína y un 9,7 % de sales minerales. El proceso de hidrólisis permitía una reducción considerable de la contaminación de la FC, obteniendo un producto en polvo con recuentos totales del orden de 102-103 ufc·g-1. Con respecto a la funcionalidad de los hidrolizados de Hb deshidratados por atomización, estos presentaban una elevada solubilidad proteica a pH 5 y 7 y permanecían solubles después de un calentamiento a 80ºC durante 30 min. Sin embargo, esta hidrólisis afectaba muy negativamente la capacidad de mantener espumas estables y la actividad emulsionante.

Porcine blood is an edible by-product generated in a great volume in industrial abattoirs during the carcass obtaining process. This by-product is highly contaminant if it is considered and treated as waste and dumped. Therefore, it is necessary to find strategies that permit its valorization and exploitation. This would allow, at the same time, to reduce the environmental impact and the expenses derived from the processing, always necessary prior to its dumping. The red blood cells fraction (RBC) constitutes the 40 % of porcine blood and mainly contains the haemoglobin (Hb), which represents the 90 % of the protein content of this fraction (approximately 35 %). The high iron and protein contents as well as to its good functional properties make the RBC interesting as a food ingredient, provided that the dark colour and blood flavour problems, which appear when it is added to food products, would be solved. Another possibility would be to use RBC as a natural colorant in several food products by taking advantage of the colorant properties of haemoglobin or haem group. The aims of the present work were, first, to determine the best conditions for the application of spray drying to the RBC as a preservation process and to characterise the Hb concentrate powder by means of physical-chemical and microbiological analyses. The second objective was to evaluate the efficiency of different antioxidants and/or iron chelating agents in order to prevent the darkening of RBC during dehydration. The third objective was to apply a high hydrostatic pressure treatment as an hygienisation process, and to evaluate the effects of this treatment on contaminating microbiota, the colour and the functional properties of RBC. Finally, to develop a process to obtain discoloured protein hydrolysates from the Hb with the purpose of using them as nutritional and/or functional ingredients. The best spray-drying temperature of the haemolysate RBC was 140ºC. Spray-dried RBC presented a moisture content of 5.3 % and a protein solubility of 96 %. Spray drying induced changes in the native Hb structure and, therefore, certain denaturation degree that can lead to a decrease of its functional properties. The dry matter of powdered RBC was composed of 94.6 % of protein, 3 % of mineral salts and 0.7 % of fat. The CIE L*a*b* colour parameters of spray-dried RBC were quite constants and reflected their dark red brown colour due to the oxidation of the haeminic iron that takes place during the spray-drying. Raw RBC fraction from porcine blood had a quite high microbiological contamination level. The ultrasound haemolysis treatment and the later centrifugation did not significantly reduce the contaminating microbiota, the product obtained had microbiological counts around 106 cfu·mL-1. Spray drying decreased in one logarithmic unit the total counts of haemolysated RBC. However, the dried product still reflected the high contamination of the raw material. This negatively determines its utilisation as a food ingredient unless the conditions of blood collection are improved or some hygienisation treatment is applied to the RBC prior to dehydration. The sorption isotherms of spray dried RBC at 20ºC presented a sigmoidal shape and a narrow and long hysteresis. The GAB equation was found to be a good mathematical model to fit the sorption data obtained experimentally and to determine adsorption isotherm of spray dried RBC. The moisture content of dried RBC at 140ºC corresponded approximately to a aw value of 0.16 at 20ºC. Since it is below the values of aw corresponding to the monomolecular layer, we can guarantee the preservation of the product at room temperature, provided it is packaged in closed containers that do not allow the humidity entrance from outside. The study of the possible stabilisation of the spray dried RBC colour, by means of the addition of antioxidants and/or iron chelators, showed that only ascorbic acid, glucose, nicotinic acid and nicotinamide, had positive effects on the colour of the dried product. Although ascorbic acid and glucose did not improve the colour preservation, they decreased the darkening occurring during the dehydration and consequently, a lighter dried product was obtained. Dextrin or cisteine addition neither decreased darkening nor prevented the Hb colour change. Nicotinic acid and nicotinamide protected the colour of Hb during the dehydration and the storage of the dried RBC. The best application conditions of the high hydrostatic pressure treatment (HHP) on the RBC were 400 MPa for 15 minutes at 20ºC. This treatment produced a significant improvement of the microbiological quality (2-3 log10 reduction). The HHP treatment did not have any negative effects on the colour and the solubility of Hb and, although a slightly increase in viscosity was produced, the RBC remained fluid after the treatment. The application of high pressure and later dehydration allowed obtaining a dried product with total microbial counts of 2.8 logarithmic units. The colour of the pressurised and spray dried RBC and of the non-pressurised one was the same, because both samples presented the same susceptibility to the oxidation of the haem group produced by the dehydration. The application of high pressure increased the susceptibility of Hb with respect to the denaturant effects of dehydration, mainly at pH 7 (IEP), since, after both technological processes, a decrease in protein solubility at neutral pH was observed. Spray dried RBC had a maximum foaming capacity at the IEP of Hb. The application of HHP treatment decreased the foaming capacity of dried RBC, but it did not have any negative effects on the stability of the formed foam. Neither a negative effect of the application of the HHP treatment on emulsifying activity of Hb was observed. The maximum emulsifying activity of Hb was reached with a 1.5 % of dried RBC at pH 7 and 1 % at pH 4.5. The pastes induced by heating presented very different characteristics depending on the pH. At neutral pH, hard and consistent pastes were formed, whereas at acid pH, the pastes were less consistent, more adhesive and more elastic than the previous ones. The latter had higher water holding capacity than those of pH 7 pastes, in which, the water was retained by capillarity. The texture and the water holding capacity of pastes were not affected by the application of the HHP treatment. The application of the HHP treatment increased the activity of tripsin on Hb when the substrate and the enzyme were treated jointly. This treatment favoured the production of discoloured hydrolysates from the RBC, allowing to reach the same discoloration degree with a lower enzyme dosage. The hydrolysis treatment of the RBC, with the combined utilisation of tripsin followed by a treatment with pepsin, allowed obtaining a discoloured hydrolysate and completely hydrolysed globin, giving two peptides of 10.8 and 7.4 KDa. In addition, it also produced a 60-80 % of soluble nitrogen in TCA, constituted mainly by small peptides and free aminoacids. The trypsic and pepsic Hb hydrolysates, obtained from non-pressurised RBC and spray dried at 180ºC, were white and they had a moisture content of 4.7 %, 84.2 % of protein and 9.7 % of mineral salts. The hydrolysis process produced a substantial reduction of the RBC contamination, obtaining a dried product with total microbial counts of about 102-103 cfu·g-1. Concerning the functionality of spray dried Hb hydrolysates, they presented a high protein solubility at pH 5 and 7 and remained soluble after heating for 30 min at 80ºC. Nevertheless, this hydrolysis negatively affected both the capacity to maintain stable foams and the emulsifying activity.