Quelal, Nazate, Villacrés, and Cuarán: Obtención y caracterización de un hidrolizado proteico de quinua Chenopodium quinoa Willd

1. Introducción,

La quinua (Chenopodium quinoa Willd) ha sido cultivada por más de 7000 años, domesticada, conservada y considerada como un alimento básico por las culturas indígenas de la región andina, quienes lograron aprovechar su valor nutricional para la alimentación humana y animal (Jacobsen, Mujica & Ortiz, 2003; Pando & Castellanos, 2016). Este pseudocereal es considerado un cultivo estratégico para la seguridad y soberanía alimentaria de los pueblos debido a su calidad nutricional, variabilidad genética, adaptabilidad y bajo costo de producción (FAO, 2011; Peralta et al., 2012).

Según la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos es considerado uno de los mejores alimentos vegetales por su aporte nutritivo, principalmente, por su alto contenido de proteína (13.81-21.9 %, según la variedad), y es superior en relación con valores reportados en cereales como el trigo (8.6 %), arroz (9.9 %) y maíz (9.2 %) (Carrasco & Soto, 2010). En cuanto a sus aminoácidos, el grano se destaca por su contenido en lisina, superior al arroz y trigo (FAO, 2011; Villacrés et al., 2011). La FAO reporta que la quinua es uno de los alimentos de origen vegetal que provee todos los aminoácidos esenciales y se aproxima a los requerimientos establecidos para la nutrición humana (Martínez, 2013).

Por otra parte, las albuminas y globulinas son los principales tipos de proteína presentes en la quinua, con porcentajes entre 35 y 37 %, respectivamente (Vilcacundo & Hernández-Ledesma, 2017). En el caso de las globulinas se caracterizan por ser del tipo 11S constituidas por una masa molecular de 300-350 KD conformadas por seis pares de polipéptidos ácidos y básicos estabilizados por una unión disulfuro, y las albuminas son del tipo 2S, soluble en medio acuoso y de bajo peso molecular (Añon, 2003; Janssen et al., 2017).

La quinua al ser una fuente importante de proteínas puede ser aprovechada como fuente de oligopéptidos en la elaboración de concentrados e hidrolizados, debido a que proporcionan aminoácidos esenciales que permiten mejorar la asimilación de las proteínas ingeridas en el organismo, específicamente para personas con regímenes especiales (Parra, 2009; Souza et al., 2008), y además de su valor biológico, las proteínas pueden ser aprovechadas por sus propiedades tecnológicas en la industria (Elsohaimy, Refaay & Zaytoun, 2015).

En los últimos años hay un interés por alimentos nutracéuticos, los cuales mantienen una expectativa para promover la salud más allá de la nutrición básica convencional, donde se logre alcanzar beneficios sobre las funciones fisiológicas del organismo (Ramírez & Pérez, 2010; Saavedra et al., 2013). Es por ello, que el objetivo de esta investigación fue obtener un hidrolizado a partir de un concentrado proteico de quinua para mejorar sus características químicas y funcionales; y ampliar las posibilidades de uso de la quinua como ingrediente, aditivo o suplemento alimentario.

2. Materiales y métodos

Las semillas de quinua (Chenopodium quinoa Willd) variedad Tunkahuan fueron proporcionadas por el Programa Nacional de Leguminosas de la Estación Experimental Santa Catalina-INIAP.

2.1 Preparación de la muestra

El grano fue sometido a operaciones de limpieza y clasificación, luego fue lavado con agua destilada y posteriormente secado en una estufa de aire caliente forzado (HS122A) a 75 °C por 8 h. Los granos libres de saponina se molieron en un molino para granos (Retsch KG-5657 Haan), provisto de un tamiz (U.S malla 60), el cual alcanza un tamaño de partícula 250 µm. Esta fracción fue desengrasada con hexano grado reactivo por 24 h, después de retirar el solvente, la harina fue secada por 2 h a 60 °C. Posteriormente, las muestras fueron empacadas en fundas de polietileno y almacenadas en un lugar seco.

2.2 Preparación del concentrado proteico

La extracción de la proteína de quinua se realizó basándose en la metodología descrita por Villacrés et al. (2001), con algunas modificaciones, que se detallan a continuación.

2.2.1 Solubilización alcalina

Se preparó una suspensión de harina: agua destilada en una relación 1:10 (p/v), el pH fue regulado con una solución 1 N de Na OH hasta llegar a pH 9. Esta suspensión se agitó por 1 hora en un agitador Coler-Parmer 4658, las muestras se centrifugaron en una centrífuga marca Tenko (TGL 20 M) a 10 000 rpm durante 15 min. Se rescató el sobrenadante (primera extracción); con el precipitado se repitió el proceso de solubilización (segunda extracción).

2.2.2 Precipitación isoeléctrica

Con los sobrenadantes obtenidos a partir de la primera y segunda extracción, el pH fue regulado con dos tipos de ácido (ácido cítrico y clorhídrico) hasta llegar a 4.5. Las muestras se centrifugaron a 10000 rpm durante 15 min; se descartó el sobrenadante. Con el precipitado se realizó lavados con agua destilada (dos lavados, un lavado, sin lavado). Los precipitados fueron liofilizados en un equipo LABCONCO LYPH LOCK 12 a -30 °C y presión de -0.9 bares. Las muestras secas fueron empacadas en fundas de polietileno. Se evaluó el contenido de proteína por el método Kjeldahl 2.062 de la AOAC, 1984 y se determinó el rendimiento del concentrado proteico por diferencia de pesos.

2.3 Preparación de la proteína hidrolizada

Con el concentrado que contenía mayor contenido de proteína, se realizó una suspensión con agua destilada en una relación 1:10 (p/v), para la hidrolisis enzimática se trabajó con dos temperaturas (50 °C, 65 °C), dos pH (5.5, 6.5) y dos concentraciones de enzima papaína (0.0795; 0.159 UA/g de enzima). La hidrólisis se realizó durante 3 h con agitación constante en un macerador (Micromat C.O). La inactivación de la enzima se efectuó a 92 °C por 10 min. Las muestras se centrifugaron a 10000 rpm por 15 min, se rescató el sobrenadante, el cual fue liofilizado. La proteína hidrolizada se almacenó en fundas de polietileno. En esta fase del proceso se evaluó el grado de hidrólisis acorde a la metodología descrita por Kim et al. (1990).

2.4 Propiedades nutricionales y funcionales del hidrolizado

Con el mejor tratamiento del proceso de hidrólisis se evaluó el contenido de proteína, método Kjeldahl.2.062 de la AOAC (1984), digestibilidad de la proteína (Hsu et al., 1977), perfil de aminoácidos se realizó por cromatografía líquida de alta resolución (Umagat, Kucera & Wen, 1982) y las propiedades funcionales, como el índice de solubilidad (Bera & Mukherjee, 1989), índice de dispersibilidad por el método 46-24 de la A.A.C.C (1984), capacidad espumante y capacidad de retención de agua (Chau, Cheung & Wong, 1997).

2.5 Análisis estadístico

Se aplicó un diseño de varianza factorial (ANOVA) y la prueba de Tukey con un grado de significancia al 95 % (P<0.05) para establecer diferencias significativas. Los análisis fueron realizados por triplicado y los datos presentados son expresados como la media ± desviación estándar. El análisis estadístico se realizó en el programa INFOSTAT.

3. Resultados y discusión

3.1 Precipitación isoeléctrica

El punto isoeléctrico presenta una carga neta nula donde la proteína es capaz de precipitarse e incapaz de desplazarse hacia un campo eléctrico (Yúfera, 1995). El punto isoeléctrico (PI) en leguminosas es de 4.5; en el caso del trigo 4.22 y en las proteínas de arroz alrededor de 4.26 (Elsohaimy et al., 2015). Varias investigaciones muestran que la proteína de la quinua precipita en un rango de pH de 4.5-5.3; rango en el cual no se afecta la apariencia física (Callisaya et al., 2009; Lujan, 2014). Al respecto, Mufari (2015), estableció que el rango de mayor precipitación de las proteínas se logra a pHs comprendidos entre 4 y 4.25; con base a estas referencias se trabajó a un pH 4.5. Igualmente, la aplicación de ácidos orgánicos con distintos niveles de lavado, reflejó diferencias estadísticas significativas entre tratamientos, como se indica en la Tabla 1.

Tabla 1

Rendimiento y cuantificación en el concentrado de proteína

Letras distintas indican diferencias significativas entre las muestras (P < 0.05); n= 3.

Con la aplicación de ácido cítrico se obtuvo un menor rendimiento en referencia al ácido clorhídrico, y el contenido de proteína presentó variación en relación con el número de lavados realizados. Estas diferencias se deben al tipo de ácido utilizado; la aplicación de ácido clorhídrico, el cual posee una importante fuerza iónica podría lograr una mejor estructuración de las moléculas (Badui, 2006; Belitz & Grosch, 1997) y generar un mayor rendimiento en la obtención de proteína.

También en otros estudios similares, alcanzaron un contenido proteico de 70.10 % en un aislado proteico, a partir de quinua variedad INIAP-Tunkahuan (Tapia et al., 2016), 64.97 % con una harina comercial de quinua (Toapanta, 2016), 84.93 % en cultivos experimentales de quinua de La Paz-Bolivia (Callisaya et al., 2009), mientras que en quinuas de origen peruano (variedades blanca y rosada Junín) alcanzaron valores promedio de proteína de 73.53 % (Lujan, 2014). Otra investigación reportó valores superiores al 85 % de este analito a partir de diferentes variedades de quinua dulce boliviana (variedades Chucapaca, Jacha y Kurmi) y peruana (variedades Rosada y Pansakalla) (Steffolani et al., 2016). Factores como la variedad, parámetros de solubilización y precipitación pueden influir en la extracción y contenido de proteína. También, para la obtención del concentrado proteico, es necesario considerar un equilibrio entre su rendimiento y las pérdidas mínimas nutricionales, donde se pueda potenciar las propiedades funcionales del concentrado (Mufari, 2015).

3.2 Proteína hidrolizada de quinua

Las proteínas vegetales pueden modificarse de forma química o enzimática para alcanzar mayores beneficios funcionales, nutricionales y organolépticos (Robinso, 1991). El grado de hidrólisis permite estimar el porcentaje de enlaces peptídicos rotos en relación a la proteína de quinua en su estado original (Vioque et al., 2001). El porcentaje hidrolizado respecto a diferentes concentraciones enzimáticas, temperatura y pH, se presenta en la Figura 1.

La aplicación enzimática a 0.159 UA/g de enzima a 65 °C y pH 6.5 registró un grado de hidrólisis de 13.37 %, porcentaje mayor con relación a los otros tratamientos; sin embargo, el promedio alcanzado es menor en relación con leguminosas como el chocho (26.27 %) y soya (22.07 %) (Ávila, 2011; Villacrés, 2001). El bajo grado de hidrólisis de la proteína de quinua podría deberse a que la enzima alcanza a romper pocos enlaces internos de la proteína, lo que se traduce en que permanezcan intactos varios grupos carboxilos y aminos de los aminoácidos.

Figura. 1:

Porcentaje de hidrólisis de la proteína de quinua.

Tr1: 0.0795 UA-50 ºC - pH 5.5; Tr2: 0.0795 UA-50 ºC - pH 6.5; Tr3: 0.0795 UA-65 ºC - pH 5.5; Tr4: 0.0795 UA-65 ºC - pH 6.5; Tr5: 0.1590 UA-50 ºC - pH 5.5; Tr6: 0.1590 UA-50 ºC - pH 6.5; Tr7:0.1590 UA-65 ºC - pH 5.5; Tr8:0.1590 UA-65 ºC - pH 6.5

Letras distintas indican diferencias significativas entre las muestras (P < 0,05); n= 3

3.3 Caracterización nutricional y funcional del hidrolizado proteico de quinua

El contenido de proteína del hidrolizado alcanzó valores de 73.41 g/100g; sin embargo, en otras investigaciones, el contenido de proteína presente en hidrolizados de quinua amarga y negra a un pH de 3.2 alcanzaron valores de 77.81 y 50.75 %, respectivamente, en dicho estudio se usó pepsina como enzima para dicho proceso (Díaz, 2016); mientras que con la aplicación de alcalasa y la técnica de filtración por membranas, Aluko & and Monu (2003) obtuvieron un valor de 65.52 % en la proteína hidrolizada de quinua. En el caso de hidrolizados de chocho y soya se registraron valores de proteína de 99.3 y 85.53 %, respectivamente (Ávila, 2011; Villacrés, 2001).

La digestibilidad de la proteína a un pH de 6.78 alcanzó un valor de 87.75 %, este contenido es mayor en relación con el concentrado proteico de quinua que alcanzó una tasa de digestión de 78.37 % realizado por Elsohaimy et al. (2015). En el caso de leguminosas como el chocho, se reportó valores 85.9 % de digestibilidad en la proteína hidrolizada (Villacrés, 2001). La aplicación de procesos térmicos, eliminación de saponinas en quinua, modificaciones enzimáticas, entre otros, factores influyen en la tasa de digestión del hidrolizado (Belitz & Grosch, 1997; Valencia-Chamorro, 2016). También, se reportaron trazas de grasa, fibra y cenizas, las cuales no fueron eliminadas completamente durante los procesos de obtención del concentrado e hidrolizado, como se indica en la Tabla 2.

Tabla 2

Caracterización química del hidrolizado proteico de quinua.

Desviación estándar, n=3

La composición de aminoácidos del hidrolizado proteico se presenta en la Tabla 3. La proteína de quinua mantiene un adecuado balance de aminoácidos esenciales a excepción del triptófano. El hidrolizado registró un contenido importante de leucina, histidina y lisina (6.25, 4.28 y 4.25 g/100 g); en la investigación realizada por Elsohaimy et al. (2015) en el concentrado proteico reportó un valor superior de lisina (17.13 g/100 g) e inferior en cuanto a la histidina y leucina. En el caso de la semilla de quinua existió una cantidad significativa de leucina y lisina (5.95 y 5.42 g/100g) (US Department of Agriculture, Agricultural Research Service, 2005). Además, en el hidrolizado de quinua se registraron cantidades menores de isoleucina, fenilalanina, treonina, valina y metionina, al igual que en investigaciones realizadas en el concentrado proteico y el grano. En comparación con el requerimiento para niños de la FAO (1985), el equilibrio de aminoácidos es adecuado debido a que presentan un rango más amplio con relación a los cereales y a otras leguminosas (James, 2009). La calidad proteica (PDCAAS), estimada a base del aminoácido limitante y la digestibilidad de la proteína en el hidrolizado fue de 63.88 %. En el concentrado proteico y la semilla, el porcentaje fue menor; el proceso enzimático favoreció al incremento del PDCAAS (Benítez et al., 2008; Cervilla et al., 2012)

También, existió un importante contenido de ácido glutámico (12.75 g/100 g), en cantidad moderada arginina, ácido aspártico y la serina, no se detectó presencia de cisteina en el concentrado e hidrolizado proteico, pero en la semilla hubo una pequeña cantidad de este aminoácido. La quinua se caracteriza por tener en menor proporción aminoácidos de tipo azufrados. No se registró la presencia de triptófano en el hidrolizado, lo cual concuerda con la investigación realizada por Elsohaimy et al. (2015). En otros estudios realizados en harina de quinua, la cantidad de este aminoácido no es representativa o no se detecta (Cervilla et al., 2012); el tipo de procesamiento, las condiciones agrícolas y climáticas pueden afectar al contenido de aminoácidos y su variación.

Tabla 3

Comparación del contenido de aminoácidos del hidrolizado proteico de quinua en relación con un concentrado proteico y la semilla de quinua

(Elsohaimy et al., 2015)*; (US Department of Agriculture, Agricultural Research Service, 2005)**; (Ruales & Nair, 1994)***.

+ Patrón de requerimiento de aminoácidos para preescolares extrapolables a adultos (FAO, 1985)

++ Metionina + Cisteína; Fenilalanina + Tirosina; ND No detectable

En la Tabla 4 se indican las propiedades funcionales del hidrolizado de quinua. El índice de dispersibilidad fue de 83.71 %; sin embargo es menor a la reportada para chocho, donde se logra un 100 % de dispersibilidad (Villacrés, 2001). El uso de enzimas, el sustrato y otros factores utilizados pudieron influir en el grado de rotura de los enlaces peptídicos y en el contenido del índice de dispersibilidad.

Por otro lado, el comportamiento en cuanto a la solubilidad de las proteínas es diverso, y depende del número de grupos polares, apolares y su ordenación en la molécula (Belitz & Grosch, 1997). El índice de solubilidad a un pH 10 alcanzó el 85.35 %, mientras que en el estudio de Elsohaimy y colaboradores obtuvieron 75.21 % a pH 10, estableciendo que la solubilidad se incrementa con el aumento de pH. En leguminosas como el chocho alcanzó un valor máximo del 93 % a pH 4.5 (Villacrés, 2001 y 86.25 % a un pH 10 en el caso del hidrolizado de soya (Ávila, 2011). La formación de unidades peptídicas más pequeñas, más hidrofílicas y solvatadas permitieron la afinidad de la proteína por las moléculas de agua (Aluko & Monu, 2003; L. S. Bernardi et al., 1991).

La capacidad de retención de agua es otra propiedad funcional de los alimentos, en el caso del hidrolizado de quinua se obtuvo un valor de 0.33 g agua/ g proteína; mientras que en leguminosas como la proteína de chocho se registra valores de 0.54 g agua/ g proteína (Villacrés, 2001). La capacidad de retención de aceite fue 0.56 g aceite/ g proteína; fue menor en relación al hidrolizado de soya 1.60 g aceite/g proteína (Ávila, 2011), hidrolizado de chocho 2.00 g aceite/g proteína (Villacrés, 2001). Esto indica que la interacción proteína-lípido está directamente relacionada con la solubilidad; las proteínas insolubles fijan mayor cantidad de aceite, en el caso de la quinua puede existir presencia de cadenas polares que limitan esta propiedad. Además de factores como, la microestructura o el tamaño de la partícula, que limitan la retención de agua y aceite (Qi, Hettiarachchy, & Kalapathy, 1997; Villacrés et al., 2006).

Tabla 4

Propiedades funcionales del hidrolizado de quinua.

Desviación estándar, n=3

La capacidad de formación de espuma en la quinua a una concentración (2 %), se incrementó a medida que aumentó el pH, alcanzando a un pH 10 un valor de 125 %, como se indica en la Figura 2. Aluku & Monu (2003), establecieron que los hidrolizados proteicos en quinua alcanzan mayor capacidad espumante (aproximadamente 160 %) con relación a los permeados obtenidos por ultrafiltración (80 %), que presentan menor espumabilidad; la hidrólisis enzimática, al reducir el peso molecular aumenta la flexibilidad de las proteínas, lo que permite la formación de una membrana interfacial y, por lo tanto, la formación de espuma (Aluku & Monu, 2003). Un concentrado proteico de quinua alcanzó 75.41 % de capacidad espumante al 1 % de concentración (Elsohaimy et al., 2015), hidrolizados de proteína de amaranto alcanzaron valores de 15.9 % con una concentración de 1 % (p/v) de proteína (Castel, 2010), para hidrolizados de soya con 2 % de concentración y pH 10 se reportó 357.33 % de capacidad espumante (Ávila, 2011). La aplicación de la hidrólisis enzimática puede mejorar esta propiedad, debido a que la exposición de áreas hidrófobas y flexibilidad molecular de los polipéptidos permite mejorar la afinidad por su interfase (aire/agua) y aumentar la velocidad de adsorción (Martínez et al., 2007).

Figura. 2:

Efecto del pH sobre la capacidad espumante del hidrolizado de quinua

n=3.

4. Conclusiones

A partir de la harina desengrasada de quinua de la variedad Tunkahuan se obtuvo un concentrado proteico con un contenido de proteína de 72.81 %. La hidrólisis enzimática con papaína (0.159 UA/g de enzima) a 65 °C y pH de 6.5 permitió obtener un producto con un grado de hidrólisis de 13.37 %, con un porcentaje de proteína de 73.41 % y una tasa de digestibilidad de 87.75 %. El hidrolizado proteico presenta un perfil de aminoácidos esenciales adecuado acorde a las estimaciones de la FAO para niños en edad escolar; además presenta ciertas propiedades funcionales (solubilidad, dispersibilidad y capacidad de formación de espuma) podría ser utilizado como suplemento proteico en la industria alimentaria y puede tener importante actividad biológica y actuar como agentes antihipertensivos o antioxidantes.

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Obtención y caracterización de un hidrolizado proteico de quinua Chenopodium quinoa Willd

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