Impact of food processing on the protein quality and functional properties of oilseed by-products

Abstract

Introdução Em uma população mundial em crescimento contínuo, um desafio atual é o consumo de proteínas de fácil abastecimento, baixo custo e que atendam aos aspectos ambientais, sociais e sensoriais. As proteínas, como fonte primária de nitrogênio, são macronutrientes indispensáveis para a manutenção da saúde. Encontrar fontes de proteína adequadas é um desafio, pois depende das preferências dos consumidores, disponibilidade industrial, localização geográfica e elementos culturais. Uma fonte de proteína pode divergir em sua qualidade nutricional no perfil de aminoácidos, biodisponibilidade e digestibilidade. A digestibilidade proteica especifica a quantidade de proteína absorvida por um organismo em relação à quantidade consumida e depende da estrutura da proteína, de processamentos prévios e da presença de fatores anti-nutricionais (ANFs), como inibidores de tripsina, taninos e fitatos. A busca contínua por novas e sustentáveis fontes proteicas traz os resíduos agroindustriais como potenciais fontes alternativas para a alimentação humana devido ao seu alto teor proteico. O processamento de alimentos pode melhorar a qualidade proteica das proteínas vegetais, visando aumentar a digestibilidade das proteínas vegetais e a inativação dos ANFs. No entanto, os métodos térmicos convencionais também podem levar a desvantagens nutricionais. Assim, as tecnologias emergentes visam produzir produtos proteicos de alta qualidade, como aquecimento ôhmico, campo elétrico pulsado, alta pressão, ultrassom, plasma frio e processos enzimáticos. Essas técnicas também podem ser usadas para preservar suas propriedades tecno-funcionais. No entanto, poucas avaliações foram feitas sobre o uso de proteínas vegetais, e mais estudos são necessários para validar a aplicação dessas abordagens e sua eficácia para melhorar o valor nutricional das proteínas vegetais. Além disso, embora as tecnologias emergentes tenham grande potencial para preservar as propriedades tecno-funcionais e melhorar a qualidade das proteínas, essas abordagens ainda estão no estágio inicial de suas aplicações industriais. Atender a garantia de uma produção econômica, ecologicamente correta e sustentável para alcançar e ajudar a reduzir os desperdícios e resíduos de alimentos é um desafio determinante para os processamentos emergentes. Objetivos O objetivo geral desta tese é avaliar o impacto do processamento de alimentos, como cozimento, micro-ondas e ultrassom, na qualidade da proteína de resíduos agroindustriais provenientes de sementes oleaginosas, visando fontes de proteína vegetal para a nutrição humana. Diferentes sementes oleaginosas das indústrias de processamento de óleo vegetal, incluindo as sementes de abóbora, linhaça, chia, gergelim e uva, foram selecionadas e avaliadas. Estas amostras foram caracterizadas pela composição centesimal, concentração de ANFs, perfil e score de aminoácidos e digestibilidade de proteínas in vitro (IVPD). Após esta triagem e seleção das melhores fontes de proteína (tortas de sementes de abóbora, linhaça e gergelim), os processamentos de cozimento, micro-ondas e ultrassom foram aplicados. O delineamento experimental (composto central) foi utilizado para avaliar a influência de parâmetros independentes de processamento (temperatura, pH e tempo) no IVPD das tortas de sementes selecionadas. O processamento também foi usado para avaliar seu impacto sobre os ANFs, a composição e score de aminoácidos, a digestibilidade proteica in vitro-corrigida pelo escore de aminoácidos (IVPDCAAS) e as propriedades funcionais (solubilidade, capacidade de retenção de água e óleo e formação de espuma) das amostras. Metodologias A composição centesimal dos resíduos de sementes oleaginosas foi realizada utilizando procedimentos oficiais da AOAC para umidade, cinzas, lipídios, proteína e conteúdo de fibra. As análises espectrofotométricas de atividade de inibição da tripsina, concentração de taninos e ácido fítico das tortas de sementes foram usadas para medir a concentração de fatores anti-nutricionais. Um método multi-enzimático (tripsina, quimotripsina e pepsina) foi usado para determinar a digestibilidade da proteína in vitro (IVPD) dos resíduos. Cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) foi utilizada para avaliar o perfil de total aminoácidos, enquanto o aminoácido triptofano foi determinado por espectrofotômetro. Com o perfil de aminoácidos das amostras foi possível calcular o escore de aminoácidos e a digestibilidade proteica in vitro-corrigida pelo escore de aminoácidos (IVPDCAAS). Os processamentos de alimentos (cozimento, micro-ondas e ultrassom) foram avaliados sobre a influência dessas tecnologias na qualidade proteica e nas propriedades funcionais (solubilidade, capacidade de retenção de água e óleo e formação de espuma) das amostras. Resultados e Discussão Em relação ao screening das tortas de sementes de abóbora, linhaça, chia, gergelim e uva, os resíduos apresentaram até 40% de proteína e 70 ? 85% de IVPD. Para o perfil de aminoácidos essenciais, a semente de chia não apresentou nenhuma deficiência, enquanto o primeiro aminoácido limitante na semente de gergelim e linhaça marrom foi a lisina; na semente de abóbora, uva e linhaça dourada foram os aminoácidos sulfurados. Após este screening, sementes de abóbora, linhaça e gergelim foram selecionadas para serem processadas por cozimento, micro-ondas e ultrassom. A partir do delineamento experimental, os melhores parâmetros foram 87,8 ºC de temperatura, pH 8,0 e 37 min de tempo de processamento, onde aumentaram o IVPD para os resíduos em até 96,1%. O ácido fítico foi completamente inativado e a atividade inibitória da tripsina diminuiu em até 84%, enquanto os taninos não foram detectados nas amostras. O perfil de aminoácidos foi determinado tanto para as sementes cruas e processadas, e o primeiro aminoácido limitante para todas as amostras foi a lisina. O processamento influenciou muito a composição de aminoácidos, reduzindo alguns aminoácidos essenciais. Porém, o cozimento, o micro-ondas e o ultrassom não diminuíram o escore de aminoácidos para os aminoácidos essenciais das amostras, exceto para a lisina nas tortas de semente de gergelim, afetando diretamente o IVPDCAAS de amostras de sementes de gergelim processadas. Em relação às propriedades tecno-funcionais, a solubilidade proteica, a capacidade de retenção de água e óleo e as propriedades de formação de espuma na matriz vegetal para amostras processadas demonstraram que estes resíduos são fontes promissoras e podem ser utilizadas como alternativas proteicas em formulação de alimentos. Considerações Finais Cozimento, micro-ondas e ultrassom são métodos de processamento promissores que demonstraram potencial para aumentar a digestibilidade proteica de proteínas vegetais e reduzir os fatores anti-nutricionais de resíduos de sementes oleaginosas. Portanto, as proteínas de resíduos agroindustriais são ótimas alternativas para agregar valor comercial a esses subprodutos, minimizando os impactos ambientais negativos e conservando os recursos naturais.

Abstract: In a continuously increasing world population, a current challenge is searching for alternative protein sources, such as plant proteins, with easy supply, low cost, and meeting environmental, social, and sensory aspects. It depends on consumers? preferences, industrial availability, geographical location, and cultural elements. Due to their high protein content, agro-industrial wastes and by-products are potential alternative sources for the human diet. The choice of a protein source greatly depends on its nutritional quality regarding the amino acid profile, bioavailability, and digestibility. The presence of antinutritional factors (ANFs) on a protein source, such as trypsin inhibitors, tannins, and phytates, can significantly influence the protein digestibility, and consequently, protein quality. Food processing may enhance the plant proteins? quality by the inactivation of ANFs, increasing digestibility. Nevertheless, conventional thermal methods may lead to nutritional disadvantages. Thus, emerging technologies with mild process conditions, such as ultrasound and microwave, can produce high-quality products. These techniques can also be used to preserve protein techno-functional properties. This thesis?s main objective is to evaluate the impact of food processing, such as cooking, microwave, and ultrasound, on the protein quality of oilseed by-products targeting plant-based protein sources for human nutrition. First, different oilseed by-products from edible oil processing industries were screened, including pumpkin, flaxseed, chia, sesame, and grapeseed. They were characterized by the proximate composition, ANFs, amino acid profile, and in vitro protein digestibility (IVPD). The raw oilseed meals present up to 40% protein content (dry basis) and IVPD between 70 ? 85%. In terms of essential amino acid profile, chia seed did not show any deficiency, while the first limiting amino acid in sesame seed and brown flaxseed was lysine and in pumpkin seed, grapeseed, and flaxseed were sulfur amino acids. After the screening, pumpkin seed, flaxseed, and sesame seed meals were processed by cooking, microwave, and ultrasound. Experimental design (central composite) was used to evaluate the influence of processing parameters (temperature, pH, and time) on the IVPD. The best parameters were temperature of 87.8 ºC, pH 8.0, and 37 min, which increased IVPD responses for the oilseed by-products up to 96.1%. Processing was also used to evaluate their impact on ANFs, amino acid composition and score, in vitro protein digestibility-corrected amino acid score (IVPDCAAS), and functional properties (i.e., solubility, water- and oil-holding capacity, and foaming) of the samples. Phytic acid was completely inactivated, and trypsin inhibitory activity decreased up to 84%, while tannins were not detected in the samples. Processing greatly influenced the amino acid composition by reducing some essential amino acids. The first limiting amino acid for all samples was lysine. Nevertheless, cooking, microwave, and ultrasound did not decrease the amino score for the essential amino acids, except for lysine in sesame seed meal, directly affecting the IVPDCAAS. Regarding techno-functional properties, the protein solubility, water- and oil-holding capacity, and foaming properties in the plant matrix demonstrated promising results. Oilseed meals can be used as alternative protein sources for food formulation systems. Therefore, the processes established the potential to increase protein digestibility and eliminate ANFs of oilseed residues. However, further studies are needed to validate these approaches? industrial applications. Finally, proteins from agro-industrial wastes are alternatives for adding commercial value to these products, minimizing negative environmental impacts, and conserving scarce natural resources.