Loading...
Publication
Functional proteins and peptides obtained from fish by-products
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 7.94 MB | Adobe PDF |
Authors
Abstract(s)
Marine processing industries face significant challenges due to excessive by-products, which contribute to both environmental and economic issues. By-products from fish processing, which can constitute between 30% and 70% of the fish's total weight, exacerbate these challenges. Activities like washing, thawing, cooking, and fishmeal production generate more wastewater, intensifying the industry's environmental impact. This research explored using fish by-products like sardine cooking effluent and codfish bloodwater (CFBW) in a sustainable, zero-waste approach. The functional proteins and peptides extracted from fish by-products enhanced their value. The research evaluated their properties and potential food uses, aligning with circular bioeconomy principles. Fish by-products were fractionated using membrane technology at laboratory and pilot scales, aligning with zero-waste and biorefinery approaches. Ultrafiltration (UF) membranes were used to extract bioactive peptide-enriched fractions from sardine cooking effluent and CFBW at the laboratory scale. The process involved analyzing the selective permeation of small peptides (<1 kDa) using different membranes. The membranes effectively rejected (>10 kDa) of proteins and peptides but had relatively low rejection of <1 kDa peptides, with UP010 from CFBW achieving a 2% rejection rate and GH from sardine cooking effluent operating at minimum pressure (1 bar) achieving a 23% rejection rate. Peptides from CFBW using MW and UP010 membranes demonstrated potent antioxidant activity (high ABTS+ and ORAC values). However, the peptide fractions from sardine cooking effluent using the GH membrane did not enhance antioxidant activity. Nevertheless, the peptide fractions from CFBW (UP010 membrane) and sardine cooking effluent (GH membrane, 1 bar pressure) inhibited E. coli growth. Peptide-enriched fractions from CFBW were successfully obtained using a pilot-scale process involving microfiltration (MF), UF, and reverse osmosis (RO). The process aimed to fractionate CFBW into protein- and peptide-rich fractions. Chemical and biological characterization revealed that CFBW and pretreated CFBW consisted primarily of proteins and peptides. UF membrane fractions had lower protein content but higher ash levels. The UF retentate with a MWCO of 50 kDa, followed by RO, displayed the highest antioxidant values, indicating the presence of potent antioxidants. Additionally, the UF permeate obtained with a MWCO of 50 kDa from the MF-PFG showed antimicrobial activity against E. coli. A pilot-scale integrated membrane process was developed to obtain protein- and peptiderich fractions from sardine cooking effluent. The process used UF, nanofiltration (NF), and RO combined with enzymatic hydrolysis. Specifically, the RO retentate fractions of NF retentate were derived from diluted sardine cooking effluent, diluted hydrolyzed UF retentate, and diluted non-hydrolyzed UF retentate. The process involved UF, nanofiltration (NF), and RO combined with enzymatic hydrolysis. Specifically, the RO retentate fractions of NF retentate fractions were derived from water-diluted sardine cooking effluent (sardine cooking effluent-NF-RO), water-diluted UF retentate hydrolyzed (UF-H-NF-RO), and water-diluted UF retentate non-hydrolyzed (UF-NH-NF-RO). UF-H-NF-RO showed enhanced antioxidant and antimicrobial activities. The UF-NH-NF-RO peptide fraction displayed significantly enhanced functional properties in terms of WHC, FBC, emulsifying properties, and foaming properties at pH 4. In vitro digestion analysis showed this fraction also had the highest antioxidant activity, and none of the fractions exhibited cytotoxicity. Finally, foamy fish sauces (FFSs) were developed and evaluated using protein/peptide and lipofish fractions obtained from centrifugation of sardine cooking effluent. The control sample (CS) used a butter-based sauce emulsified with lecithin. An alternative lipofish sauce (LS) substituted unsalted butter with fish oil and included lecithin as the emulsifier. Three other formulas, namely lipofish-sardine cooking effluent-NF-RO-sauce (LSS), lipofish-UFH-NF-RO-sauce (LHS), and lipofish-UF-NH-NF-RO-sauce (LNHS), replaced unsalted butter with fish oil and incorporated a combination of protein/peptide fractions and lecithin. Despite minor physicochemical differences, the sauce formulas showed improvements compared to the control, including enhanced fatty acid (FA) content and profile, slightly reduced viscosity, improved foaming capacity, and enhanced foam stability. In vitro digestion analysis demonstrated high recovery of FAs, with the formula LNHS exhibiting the highest efficacy in scavenging ABTS radicals, indicating strong antioxidant properties. Furthermore, the FFS received remarkable acceptance from the trained panelists, who highly praised its texture, aroma, color, and flavor. This study's findings on fish by-products have significant implications for sustainable development in the fish processing industry. The research showcased the potential to obtain functional ingredients through eco-friendly strategies, preserving their bioactivity. These outcomes promote responsible and sustainable fish processing, reducing waste and maximizing by-product utilization.
A indústria de processamento de peixe gera uma elevada quantidade de subprodutos que representam um problema ambiental e económico. Estes subprodutos podem ser sólidos como aparas e escamas (que podem representar, dependendo da espécie, 30 a 70% do peso do peixe) ou efluentes líquidos que resultam do processamento do mesmo. Para explorar uma metodologia que permita valorizar alguns dos efluentes gerados, o presente trabalho visou explorar 2 tipos de resíduos líquidos distintos, o efluente da cozedura da sardinha e a água sanguínea do bacalhau (CFBW), tentando usar metodologias verdes e com uma perspetiva de desperdício mínimo, para produzir frações proteicas/peptídicas de valor acrescentado e demonstrando a sua aplicação, alinhando o trabalho ao máximo com princípios de economia circular. Numa primeira abordagem, membranas de ultrafiltração (UF) foram usadas para produzir frações enriquecidas em péptidos bioativos usando efluente de cozimento de sardinha e CFBW, em escala laboratorial. As membranas rejeitaram proteínas e peptídos (>10 kDa) de ambas as matérias-primas. No entanto, a rejeição de peptídeos <1 kDa foi baixa para CFBW com a membrana UP010 alcançando 2% de taxa de rejeição, para o efluente de cozedura da sardinha com a membrana GH que, a 1 bar, alcançou 23% de taxa de rejeição. As frações de peptídeos de CFBW obtidas usando as membranas MW e UP010 exibiram elevada atividade antioxidante (ABTS+ e ORAC) mais elevada que a amostra original. Já as frações de peptídeos do efluente de cozimento de sardinha (membrana GH) não apresentaram melhoria da atividade antioxidante. No entanto, as frações de CFBW obtidas usando a membrana UP010 e do efluente de cozimento de sardinha usando a membrana GH (1 bar) mostraram efeito inibitório sobre o crescimento de E. coli. Foram obtidas com sucesso frações enriquecidas em péptidos, a partir do CFBW, utilizando um processo em escala piloto envolvendo microfiltração (MF), UF e osmose reversa (RO). A caracterização química e biológica revelou que o componente principal do CFBW (normal e pré-tratado) eram proteínas e peptídeos. As frações de membrana UF apresentaram menor teor de proteínas, mas níveis mais altos de cinzas. O retentado de UF (com membrana de 50 kDa) seguido de RO, apresentou os maiores valores antioxidantes. Além disso, o permeado de UF (membrana de 50 kDa) do MF-PFG apresentou atividade antimicrobiana contra a E. coli. Foi desenvolvido um processo de membranas, à escala piloto, para produzir frações ricas em proteínas e péptidos a partir do efluente de cozimento de sardinha. O processo envolveu UF, nanofiltração (NF) e RO combinados com hidrólise enzimática. Especificamente, as frações de retentado de RO das frações de retentado de NF foram derivadas do efluente de cozimento de sardinha diluído em água (NF-RO), retentado de UF diluído em água e hidrolisado (UFH-NF-RO), e retentado de UF diluído em água e não hidrolisado (UF-NH-NF-RO). A UFH-NF-RO mostrou atividades antioxidante e antimicrobiana. As diferentes frações de peptídeos foram comparadas em relação às propriedades funcionais, e a fração UF-NH-NFRO exibiu propriedades funcionais significativas em termos de capacidade de retenção de água (WHC), capacidade de ligação de gordura (FBC), propriedades emulsificantes e propriedades de formação de espuma a pH 4. A análise de digestão in vitro usando o protocolo INFOGEST mostrou que a fração UF-NH-NF-RO teve a maior atividade antioxidante, e nenhuma das frações apresentou efeitos citotóxicos. Finalmente foram desenvolvidas espumas/molhos de peixe utilizando as frações de proteína/péptidos e o óleo de peixe obtido a partir da centrifugação do efluente de cozimento de sardinha. Como controlo (CS) foi considerada uma receita de molho à base de manteiga emulsionado com lecitina. No estudo foi considerada uma receita em que a manteiga foi substituída pelo óleo de peixe, mantendo a lecitina como emulsionante (LS) e 3 outras fórmulas nas quais parte da lecitina foi substituída por diferentes frações proteicas/peptídicas obtidas a partir do efluente de cozedura de sardinha (mantendo a substituição da manteiga): NF-RO (LSS), UF-H-NF-RO (LHS) e UF-NH-NF-RO (LNHS). As fórmulas de espumas/molhos mostraram melhorias em comparação ao controlo, nomeadamente o aumento de ácidos gordos, uma redução leve na viscosidade e melhorias na capacidade de formação e estabilidade da espuma. A análise de digestão in vitro revelou alta recuperação de ácidos gordos, com a espuma/molho LNHS apresentando a melhor eficácia na quelação de radicais ABTS, indicando que este exibirá a maior capacidade antioxidantes das receitas consideradas. Adicionalmente, a análise sensorial das espumas/molhos produzidos foram bem percecionados pelos provadores, que avaliaram positivamnete a sua textura, aroma, cor e sabor. De um modo global, o trabalho produzido poderá ter implicações relevantes para o desenvolvimento sustentável da indústria de processamento de peixe, demonstrando que é possível obter com sucesso e de modo escalável, ingredientes funcionais, preservando/melhorando a sua bioatividade e funcionalidade, que podem ser usados no desenvolvimento de novos alimentos.
A indústria de processamento de peixe gera uma elevada quantidade de subprodutos que representam um problema ambiental e económico. Estes subprodutos podem ser sólidos como aparas e escamas (que podem representar, dependendo da espécie, 30 a 70% do peso do peixe) ou efluentes líquidos que resultam do processamento do mesmo. Para explorar uma metodologia que permita valorizar alguns dos efluentes gerados, o presente trabalho visou explorar 2 tipos de resíduos líquidos distintos, o efluente da cozedura da sardinha e a água sanguínea do bacalhau (CFBW), tentando usar metodologias verdes e com uma perspetiva de desperdício mínimo, para produzir frações proteicas/peptídicas de valor acrescentado e demonstrando a sua aplicação, alinhando o trabalho ao máximo com princípios de economia circular. Numa primeira abordagem, membranas de ultrafiltração (UF) foram usadas para produzir frações enriquecidas em péptidos bioativos usando efluente de cozimento de sardinha e CFBW, em escala laboratorial. As membranas rejeitaram proteínas e peptídos (>10 kDa) de ambas as matérias-primas. No entanto, a rejeição de peptídeos <1 kDa foi baixa para CFBW com a membrana UP010 alcançando 2% de taxa de rejeição, para o efluente de cozedura da sardinha com a membrana GH que, a 1 bar, alcançou 23% de taxa de rejeição. As frações de peptídeos de CFBW obtidas usando as membranas MW e UP010 exibiram elevada atividade antioxidante (ABTS+ e ORAC) mais elevada que a amostra original. Já as frações de peptídeos do efluente de cozimento de sardinha (membrana GH) não apresentaram melhoria da atividade antioxidante. No entanto, as frações de CFBW obtidas usando a membrana UP010 e do efluente de cozimento de sardinha usando a membrana GH (1 bar) mostraram efeito inibitório sobre o crescimento de E. coli. Foram obtidas com sucesso frações enriquecidas em péptidos, a partir do CFBW, utilizando um processo em escala piloto envolvendo microfiltração (MF), UF e osmose reversa (RO). A caracterização química e biológica revelou que o componente principal do CFBW (normal e pré-tratado) eram proteínas e peptídeos. As frações de membrana UF apresentaram menor teor de proteínas, mas níveis mais altos de cinzas. O retentado de UF (com membrana de 50 kDa) seguido de RO, apresentou os maiores valores antioxidantes. Além disso, o permeado de UF (membrana de 50 kDa) do MF-PFG apresentou atividade antimicrobiana contra a E. coli. Foi desenvolvido um processo de membranas, à escala piloto, para produzir frações ricas em proteínas e péptidos a partir do efluente de cozimento de sardinha. O processo envolveu UF, nanofiltração (NF) e RO combinados com hidrólise enzimática. Especificamente, as frações de retentado de RO das frações de retentado de NF foram derivadas do efluente de cozimento de sardinha diluído em água (NF-RO), retentado de UF diluído em água e hidrolisado (UFH-NF-RO), e retentado de UF diluído em água e não hidrolisado (UF-NH-NF-RO). A UFH-NF-RO mostrou atividades antioxidante e antimicrobiana. As diferentes frações de peptídeos foram comparadas em relação às propriedades funcionais, e a fração UF-NH-NFRO exibiu propriedades funcionais significativas em termos de capacidade de retenção de água (WHC), capacidade de ligação de gordura (FBC), propriedades emulsificantes e propriedades de formação de espuma a pH 4. A análise de digestão in vitro usando o protocolo INFOGEST mostrou que a fração UF-NH-NF-RO teve a maior atividade antioxidante, e nenhuma das frações apresentou efeitos citotóxicos. Finalmente foram desenvolvidas espumas/molhos de peixe utilizando as frações de proteína/péptidos e o óleo de peixe obtido a partir da centrifugação do efluente de cozimento de sardinha. Como controlo (CS) foi considerada uma receita de molho à base de manteiga emulsionado com lecitina. No estudo foi considerada uma receita em que a manteiga foi substituída pelo óleo de peixe, mantendo a lecitina como emulsionante (LS) e 3 outras fórmulas nas quais parte da lecitina foi substituída por diferentes frações proteicas/peptídicas obtidas a partir do efluente de cozedura de sardinha (mantendo a substituição da manteiga): NF-RO (LSS), UF-H-NF-RO (LHS) e UF-NH-NF-RO (LNHS). As fórmulas de espumas/molhos mostraram melhorias em comparação ao controlo, nomeadamente o aumento de ácidos gordos, uma redução leve na viscosidade e melhorias na capacidade de formação e estabilidade da espuma. A análise de digestão in vitro revelou alta recuperação de ácidos gordos, com a espuma/molho LNHS apresentando a melhor eficácia na quelação de radicais ABTS, indicando que este exibirá a maior capacidade antioxidantes das receitas consideradas. Adicionalmente, a análise sensorial das espumas/molhos produzidos foram bem percecionados pelos provadores, que avaliaram positivamnete a sua textura, aroma, cor e sabor. De um modo global, o trabalho produzido poderá ter implicações relevantes para o desenvolvimento sustentável da indústria de processamento de peixe, demonstrando que é possível obter com sucesso e de modo escalável, ingredientes funcionais, preservando/melhorando a sua bioatividade e funcionalidade, que podem ser usados no desenvolvimento de novos alimentos.
Description
Keywords
Fish by-products Membrane technology Biorefinery Bio-based circular economy Bioactive peptides Functional foods Subprodutos de peixe Tecnologia de membranas Biorrefinaria Economia circular baseada em biologia Peptídeos bioativos Alimentos funcionais
Pedagogical Context
Citation
Publisher
CC License
Without CC licence