Edible oil from Tiger nut (Cyperus esculentus L.): mechanical pressing and aqueous enzymatic extraction methods

The tiger nut tuber of the Cyperus esculentus L. plant is an unusual storage system with similar amounts of starch and lipid. The extraction of its oil employing both mechanical pressing and aqueous enzymatic extraction (AEE) methods was investigated and an examination of the resulting products was carried out. The effects of particle size and moisture content of the tuber on the yield of tiger nut oil with pressing were initially studied. Smaller particles were found to enhance oil yields while a range of moisture content was observed to favour higher oil yields. When samples were first subjected to high pressures up to 700 MPa before pressing at 38 MPa there was no increase in the oil yields. Ground samples incubated with a mixture of α- Amylase, Alcalase, and Viscozyme (a mixture of cell wall degrading enzyme) as a pre-treatment, increased oil yield by pressing and 90% of oil was recovered as a result. When aqueous enzymatic extraction was carried out on ground samples, the use of α- Amylase, Alcalase, and Celluclast independently improved extraction oil yields compared to oil extraction without enzymes by 34.5, 23.4 and 14.7% respectively. A mixture of the three enzymes further augmented the oil yield and different operational factors were individually studied for their effects on the process. These include time, total mixed enzyme concentration, linear agitation speed, and solid-liquid ratio. The largest oil yields were obtained with a solid-liquid ratio of 1:6, mixed enzyme concentration of 1% (w/w) and 6 h incubation time although the longer time allowed for the formation of an emulsion. Using stationary samples during incubation surprisingly gave the highest oil yields, and this was observed to be as a result of gravity separation occurring during agitation. Furthermore, the use of high pressure processing up to 300 MPa as a pre-treatment enhanced oil yields but additional pressure increments had a detrimental effect. The quality of oils recovered from both mechanical and aqueous enzymatic extraction based on the percentage free fatty acid (% FFA) and peroxide values (PV) all reflected the good stabilities of the oils with the highest % FFA of 1.8 and PV of 1.7. The fatty acid profiles of all oils also remained unchanged. The level of tocopherols in oils were enhanced with both enzyme aided pressing (EAP) and high pressure processing before AEE. Analysis on the residual meals revealed DP 3 and DP 4 oligosaccharides present in EAP samples but these would require further assessment on their identity and quality.

Desenvolvimento, avaliação físico-química e biológica de hidrolisado proteico de resíduos agroindustriais para surubim

Pós-graduação em Aquicultura - FCAV

THE POTENTIAL OF INDUSTRIAL WASTE AND AGRICULTURAL FEEDSTOCK TOWARDS SUSTAINABLE BIOFUELS PRODUCTION: TECHNO-ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL IMPACT PERSPECTIVES

This Ph.D. research is comprised of three major components; (i) Characterization study to analyze the composition of defatted corn syrup (DCS) from a dry corn mill facility (ii) Hydrolysis experiments to optimize the production of fermentable sugars and amino acid platform using DCS and (iii) Sustainability analyses. Analyses of DCS included total solids, ash content, total protein, amino acids, inorganic elements, starch, total carbohydrates, lignin, organic acids, glycerol, and presence of functional groups. Total solids content was 37.4% (± 0.4%) by weight, and the mass balance closure was 101%. Total carbohydrates [27% (± 5%) wt.] comprised of starch (5.6%), soluble monomer carbohydrates (12%) and non-starch carbohydrates (10%). Hemicellulose components (structural and non-structural) were; xylan (6%), xylose (1%), mannan (1%), mannose (0.4%), arabinan (1%), arabinose (0.4%), galatactan (3%) and galactose (0.4%). Based on the measured physical and chemical components, bio-chemical conversion route and subsequent fermentation to value added products was identified as promising. DCS has potential to serve as an important fermentation feedstock for bio-based chemicals production. In the sugar hydrolysis experiments, reaction parameters such as acid concentration and retention time were analyzed to determine the optimal conditions to maximize monomer sugar yields while keeping the inhibitors at minimum. Total fermentable sugars produced can reach approximately 86% of theoretical yield when subjected to dilute acid pretreatment (DAP). DAP followed by subsequent enzymatic hydrolysis was most effective for 0 wt% acid hydrolysate samples and least efficient towards 1 and 2 wt% acid hydrolysate samples. The best hydrolysis scheme DCS from an industry's point of view is standalone 60 minutes dilute acid hydrolysis at 2 wt% acid concentration. The combined effect of hydrolysis reaction time, temperature and ratio of enzyme to substrate ratio to develop hydrolysis process that optimizes the production of amino acids in DCS were studied. Four key hydrolysis pathways were investigated for the production of amino acids using DCS. The first hydrolysis pathway is the amino acid analysis using DAP. The second pathway is DAP of DCS followed by protein hydrolysis using proteases [Trypsin, Pronase E (Streptomyces griseus) and Protex 6L]. The third hydrolysis pathway investigated a standalone experiment using proteases (Trypsin, Pronase E, Protex 6L, and Alcalase) on the DCS without any pretreatment. The final pathway investigated the use of Accellerase 1500® and Protex 6L to simultaneously produce fermentable sugars and amino acids over a 24 hour hydrolysis reaction time. The 3 key objectives of the techno-economic analysis component of this PhD research included; (i) Development of a process design for the production of both the sugar and amino acid platforms with DAP using DCS (ii) A preliminary cost analysis to estimate the initial capital cost and operating cost of this facility (iii) A greenhouse gas analysis to understand the environmental impact of this facility. Using Aspen Plus®, a conceptual process design has been constructed. Finally, both Aspen Plus Economic Analyzer® and Simapro® sofware were employed to conduct the cost analysis as well as the carbon footprint emissions of this process facility respectively. Another section of my PhD research work focused on the life cycle assessment (LCA) of commonly used dairy feeds in the U.S. Greenhouse gas (GHG) emissions analysis was conducted for cultivation, harvesting, and production of common dairy feeds used for the production of dairy milk in the U.S. The goal was to determine the carbon footprint [grams CO2 equivalents (gCO2e)/kg of dry feed] in the U.S. on a regional basis, identify key inputs, and make recommendations for emissions reduction. The final section of my Ph.D. research work was an LCA of a single dairy feed mill located in Michigan, USA. The primary goal was to conduct a preliminary assessment of dairy feed mill operations and ultimately determine the GHG emissions for 1 kilogram of milled dairy feed.

Efectos de los procesos de ultrafiltración y de hidrólisis enzimática sobre las propiedades funcionales del plasma bovino deshidratado

En la Argentina la sangre obtenida del faenado del ganado bovino es considerada un subproducto de menor valor, a pesar de su alto contenido de proteínas de gran calidad. A diferencia de lo que ocurre en algunos países, en los cuales la sangre (o alguno de sus componentes) se utiliza como complemento alimenticio humano, en nuestro país sólo una pequeña fracción de la sangre recolectada es aprovechada, destinándola principalmente a consumo animal. En este trabajo de Tesis se evaluó el potencial como aditivo alimentario humano del plasma bovino deshidratado, un derivado de la sangre bovina que se utiliza únicamente como complemento nutricional animal. En la Primera Parte de este trabajo se obtuvo Plasma Desmineralizado mediante un proceso de diafiltración y se evaluaron algunas de sus propiedades funcionales (Solubilidad, Capacidad de Retención de Agua, capacidad de Retención de Aceite, Capacidad Emulsionante, Capacidad Espumante y Capacidad Antioxidante), comparándolas con las del plasma sin diafiltrar. Como resultado de las tareas llevadas a cabo en esta Primera Parte, se lograron establecer las condiciones operativas para efectuar el proceso de diafiltración de manera eficaz y se pudo evaluar el efecto de dicho proceso sobre las Propiedades Funcionales del plasma consideradas. La Solubilidad del plasma resultó alta en un amplio rango de pH, e incluso mejoró luego del proceso de diafiltración en algunos valores de pH. Los procesos realizados al plasma aumentaron su Capacidad de Retención de Agua; en cambio, su Capacidad de Retención de Aceite disminuyó. El plasma mostró una Capacidad Emulsionante acorde a lo descripto en la bibliografía; la diafiltración y la posterior deshidratación no la afectaron, pero sí aumentaron la estabilidad de las emulsiones formadas. El plasma mostró una gran capacidad para formar espumas estables, las cuales no resultaron afectadas por los procesos efectuados sobre el mismo. El plasma deshidratado original mostró una Capacidad Antioxidante similar a la descripta en la bibliografía. El efecto del proceso de diafiltración sobre la misma no pudo ser establecido. En la Segunda Parte de este trabajo se obtuvieron dos hidrolizados enzimáticos a partir del plasma, utilizando la enzima Alcalase, con diferentes grados de hidrólisis. Se evaluaron las propiedades funcionales de los hidrolizados, comparándolas entre sí y con las del plasma original. Como resultado de estas tareas se definieron las condiciones del proceso de hidrólisis, comprobándose la obtención de fragmentos proteicos y péptidos de distinto tamaño molecular. Con respecto a las Propiedades Funcionales, los hidrolizados obtenidos resultaron ligeramente más solubles que el plasma deshidratado original, y la hidrólisis con Alcalase afectó notoriamente a las propiedades surfactantes de las proteínas plasmáticas, tanto a la Capacidad Emulsionante como a la Capacidad Espumante. En cambio, la hidrólisis enzimática aumentó marcadamente la Capacidad Antioxidante del plasma deshidratado. Los hidrolizados obtenidos presentaron una actividad de secuestro de radicales libres significativamente mayor que la del plasma original, y esa mayor actividad antioxidante resultó asociada al menor tamaño de los péptidos obtenidos. En virtud de los resultados obtenidos, se concluye que el plasma bovino deshidratado, tanto en su forma original como desmineralizado, tiene potenciales aplicaciones como aditivo alimentario para mejorar algunas propiedades funcionales de los alimentos, y que los hidrolizados que se obtuvieron de él con la enzima Alcalase poseen una alta capacidad antioxidante, que los haría viables para ser utilizados como aditivos conservantes para prolongar la vida útil de los alimentos. De ser viable su uso en alimentos humanos, esto aumentaría el valor agregado de este subproducto de la industria cárnica. Por último, se discuten algunas líneas de trabajo que deberían realizarse para completar su posible implementación en la industria alimenticia humana.

Obtenção de um hidrogel proveniente de proteínas da corvina (micropogonias furnieri) e solubilização das proteínas fibrosas residuais

Com o aumento na captura de pescado e da poluição do meio ambiente, esta-se à margem de exceder a estimativa do limite da sustentabilidade, e obviamente isto faz com se utilize os recursos marítimos com mais inteligência e precaução. Aplicando tecnologia enzimática ou química é possível recuperar as proteínas do processamento do pescado, produzindo hidrolisados e isolados protéicos. Uma grande quantidade de proteínas insolúveis está disponível em escamas, peles e ossos, subprodutos do processamento do pescado, que podem ser solubilizadas através de fungos e bactérias. Utilizando isolados protéicos é possível obter biopolímeros, estes têm chamado a atenção nos últimos anos, pois são biodegradáveis, não-tóxicos e geralmente biocompatíveis. Os hidrogéis protéicos são polímeros que podem absorver uma quantidade de água a partir de 10 até centenas de vezes o seu peso seco. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um hidrogel protéico, com propriedades superabsorventes, a partir das proteínas solúveis e insolúveis da corvina (Micropogonias furnieri). Para a produção dos hidrolisados a partir das proteínas solúveis foi utilizado processo enzimático (Alcalase e Flavourzyme) e químico (solubilização ácida e alcalina). Nos processos de solubilização das proteínas insolúveis foram utilizados microrganismos (bactérias e fungos). Tanto as bactérias como os fungos avaliados apresentaram capacidade de solubilizar as proteínas insolúveis presentes nos resíduos (escamas, ossos, cartilagens e outros). A bactéria que atingiu a maior atividade proteolítica foi a Bacillus velesensis (47,56 U mL-1) e o fungo foi o Penicillium sp. (E20) (31,20 U mL-1). Para a produção dos hidrogéis, foram utilizados isolados protéicos provenientes de solubilização ácida ou alcalina, produzidos a partir de resíduos da industrialização de pescado, modificados quimicamente com dianidrido etilenodiamino tetraacético (EDTAD) e adicionados de agente de ligação cruzada (glutaraldeído). Algumas proteínas modificadas ainda foram submetidas a tratamento com etanol. Foram realizadas análise estrutural das proteínas modificadas e estudo da capacidade de retenção de água dos hidrogéis assim obtidos. Os hidrogéis produzidos apresentaram alta capacidade de retenção de água. A máxima absorção de água foi alcançada pelo hidrogel ácido sem o tratamento com etanol foi de 103,25 gágua/ggel seco, enquanto que a mesma amostra tratada com etanol alcançou 216,05 gágua/ggel seco. Os hidrogéis produzidos podem ser utilizados em diversas indústrias, tais como, farmacêutica, alimentícia, médica, agroindústria, entre outras, que necessitem de hidrogéis com alta capacidade de retenção de água.

Hidrolisados protéicos de anchoita (engraulis anchoita): obtenção, atividade antioxidante e aplicação em embutido emulsionado

Uma alternativa para pescados subaproveitados e subprodutos da industrialização de pescado é o desenvolvimento de processos para recuperação e/ou alteração das proteínas musculares de pescados. O objetivo deste trabalho foi a obtenção de hidrolisados protéicos de carne mecanicamente separada (CMS) de anchoita (Engraulis anchoita) e a avaliação da sua atividade antioxidante, aplicando-os bem embutido preparado com o surimi de anchoita. Foram produzidos diferentes hidrolisados com as enzimas microbianas Alcalase, Flavourzyme e Protamex, fixando a concentração de substrato e de enzima e os parâmetros pH e temperatura foram variados. Os hidrolisados foram efetivos contra a inibição da peroxidação lipídica (43,8±0,2%) e no poder redutor, onde o hidrolisado com a enzima Flavourzyme em 1 hora de reação mostrou-se mais efetivo. No seqüestro de radicais livres, como o DPPH, o hidrolisado com a enzima Flavourzyme, obtido em tempo de hidrólise de 5 horas, alcançou valores acima de 45,0% em concentração de 5 mg/mL. Na produção de surimi foram testadas lavagens da CMS de anchoita com soluções de bicarbonato de sódio 0,5%, ácido fosfórico 0,05% e cloreto de sódio 0,3%. O maior rendimento (90,5%) e uma coloração mais clara (W= 50,24±1,81) foram encontrados no surimi obtido por lavagens com bicarbonato de sódio e cloreto de sódio (BS), em comparação ao surimi que se utilizou água, ácido fosfórico e cloreto de sódio (AF) ou com soluções de cloreto de sódio, ácido fosfórico e bicarbonato de sódio (AB). Na força de gel o surimi AF (1154,25 ± 4,37 g.mm) obteve maior valor, sendo utilizado para a produção de salsichas. Foram analisadas diferentes concentrações de surimi (70, 75 e 80%) em salsichas, que foram submetidas às análises de cor e textura. Não houve influência da concentração de surimi nas características tecnológicas da salsicha, exceto nos valores de luminosidade. A salsicha com 75% de surimi de anchoita foi caracterizada pela composição proximal, valor energético total (VET) e conteúdo de sódio. A salsicha com surimi e comercial apresentou composição semelhante. O produto com surimi apresentou menor VET (193,7Kcal/100g) e conteúdo de sódio (520 mg/100g) que a salsicha comercial. Nas condições de estudo, no embutido emulsionado, não foi verificada ação antioxidante de hidrolisados, porém houve efeito sobre a CMS de anchoita.