Protein recovery from underused marine biomass towards food and feed applications

Abstract

A extração proteica de biomassa subutilizada pode abordar preocupações relacionadas com a sustentabilidade na crescente população global. Este estudo visou otimizar a recuperação e solubilização de proteínas de resíduos de sardinha através da extração com água subcrítica. A pesquisa incluiu a avaliação de condições de armazenamento (seco, fresco e congelado), temperatura de hidrólise (variando de 120 a 250 °C), e o impacto da extração sequencial (120 °C seguido por 150 °C e 180 °C). As frações obtidas foram caracterizadas quanto ao seu teor de proteína, lípidos e cinzas, bem como o seu peso molecular, atividade emulsificante e gelificante e potencial antioxidante. A quantificação de proteína foi realizada através do método de Kjeldahl, o teor de cinzas foi determinado numa mufla e o teor de lípidos foi analisado com o método de Bligh e Dyer. A análise do peso molecular foi efetuada através de HPLC-GPC, enquanto a atividade emulsificante foi avaliada com o UltraTurrax T25 e a atividade gelificante com o método de inversão de tubo. Adicionalmente, a atividade antioxidante foi medida através de ensaios colorimétricos padrão. A congelação surgiu como a melhor escolha para preservar um elevado teor de proteína sem escurecimento e caramelização, especialmente em contexto académico. As melhores condições dos ensaios de temperatura de hidrólise foram selecionadas para extrações sequenciais subsequentes. O hidrolisado da segunda extração a 120-150 °C apresenta um teor de proteína de (65,8 ± 1,0) %, enquanto o hidrolisado da extração a 120-180 °C aumenta para (73,9 ± 0,5) %. O hidrolisado da primeira extração a 120-150 °C exibe atividade gelificante, enquanto o hidrolisado da segunda extração revela uma forte atividade emulsificante, destacando a importância da extração sequencial no contexto de uma biorrefinaria. Além disso, os hidrolisados resultantes das extrações sequenciais exibem uma notável atividade antioxidante, superando aqueles obtidos através de extrações simples. Assim, a extração sequencial de duas etapas com água subcrítica demonstrou a sua eficácia como uma abordagem sustentável para a recuperação de proteínas a partir de resíduos de sardinha. Além disso, ambas as frações recuperadas apresentam um grande potencial como ingredientes valiosos ricos em proteínas, funcionais e/ou bioativos, adequados para a incorporação em formulações alimentares e para alimentação animal.

Efficiently extracting protein from underutilized biomasses through sustainable methods can address sustainability concerns in the growing global population. This study aimed to optimize protein recovery and solubilization from sardine waste through subcritical water extraction. The research included an assessment of storage conditions (dry, fresh and frozen), hydrolysis temperatures (ranging from 120 to 250 °C), and the impact of sequential extraction (120 °C followed by 150 °C and 180 °C). The obtained fractions were characterized for their protein, lipid, and ash content, as well as their molecular weight, emulsifying and gelling activity, and antioxidant potential. Protein quantification was achieved using the Kjeldahl method, ash content determined in a muffle furnace, and lipid content analysed with the Bligh and Dyer method. Molecular weight analysis was carried out using HPLC-GPC, while emulsifying activity was assessed with the UltraTurrax T25 and gelling activity with the tube inversion method. Additionally, antioxidant activity was measured using standard colorimetric assays. In evaluating storage conditions, freezing emerged as the most favourable choice for preserving high protein content without browning and caramelization while being a practical choice in an academic setting. Optimal conditions from the hydrolysis temperature experiments were chosen for subsequent sequential extractions, considering the content percentages of the fractions, browning, and caramelization. The second extraction hydrolysate at 120-150 °C boasts a protein content of (65.8 ± 1.0) %, while the 120-180 °C extraction hydrolysate increases this to (73.9 ± 0.5) %. The first extraction hydrolysate at 120-150 °C displays gelling activity, while the second extraction hydrolysate reveals robust emulsifying activity, highlighting the significance of sequential extraction in a biorefinery context. Additionally, the hydrolysates resulting from sequential extractions exhibit remarkable antioxidant activity, outperforming those obtained through single extractions. Taken together, the utilization of a two steps sequential subcritical water extraction has demonstrated its effectiveness as a sustainable approach for protein recovery from sardine residues. Furthermore, both recovered fractions exhibit substantial potential as valuable protein-rich, functional and/or bioactive ingredients suitable for the incorporation into food and feed formulations.