Enzymatic hydrolysis of the residue of the shrimp seven-beards (Xiphopenaeus kroyeri) and characterization of by-products

Orientador: Flavia Maria NettoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: O crescimento significativo do volume de resíduos de pescado representa um problema tanto para o meio ambiente como para a indústria de processamento. O aumento da industrialização de crustáceos tem contribuído para aumentar o volume desses resíduos. O resíduo do camarão processado representa aproximadamente 70% da matéria-prima, sendo composto por cefalotórax, exoesqueleto, vísceras e restos. O elevado teor de quitina, cerca de 20%, tem potencializado o aproveitamento tanto para sua própria obtenção quanto para a do seu principal derivado, a quitosana. A recuperação da fração protéica e da astaxantina, no isolamento da quitina, utilizando o processo enzimático, é uma alternativa para o aproveitamento global desse resíduo. Assim, este trabalho teve por objetivo estudar a recuperação dos componentes do resíduo da industrialização do camarão sete-barbas (Xiphopenaeus kroyeri) proteína quitina e astaxantina utilizando hidrólise enzimática. O resíduo industrial do descasque do camarão sete-barbas, coletado na indústria de processamento em dezembro e julho de anos sucessivos, apresentou a seguinte composição: 30 a 48% de proteína; 20% de quitina e concentração de astaxantina entre 2,4 e 8,39 mg/100 g, quando extraída em óleo e 3,53 a 12,71 mg/100 g quando extraída com solvente. A composição dos aminoácidos totais mostrou a isoleucina, ácido glutâmico, leucina e o ácido aspártico com as maiores concentrações. Do total de aminoácidos, cerca de 45% corresponderam aos aminoácidos essenciais. A composição dos ácidos graxos apresentou uma relação de 1:2 entre os ácidos graxos saturados e insaturados e percentuais de 15,42 e 23,97% para o eicosapentaenóico (EPA) e docosahexaenóico (DHA) em relação ao total de ácidos graxos, respectivamente. Os resultados obtidos neste estudo indicaram que a época de coleta não apresentou uma relação direta com a concentração dos componentes estudados.O alto conteúdo protéico indicou que este resíduo pode ser uma excelente fonte de proteínas. Para otimizar a recuperação da fração protéica por hidrólise com a enzima alcalase, utilizou-se a Metodologia de Superfície de Resposta, usando um planejamento composto 22 com relação enzima substrato E/S (0,18 a 5,83%) e temperatura (43,9 a 74,1°C). Os resultados indicaram que o fator E/S foi o que apresentou maior efeito na recuperação de proteína. As condições ótimas para o processo foram na região de E/S na faixa de 2,5 a 5,5% e temperatura na faixa de 55 a 60°C, onde se obteve a máxima recuperação de proteína, 55,78% e máximo grau de hidrólise (GH), 12,80% . Para avaliar a recuperação da quitina e da astaxantina em conjunto com a fração protéica, o resíduo úmido foi submetido à hidrólise com as enzimas alcalase e pancreatina. A reação, para as duas enzimas, foi conduzida até obter-se 5 e 10% de GH, utilizando-se o método do pH-stat. O processo enzimático com alcalase foi mais eficiente do que com pancreatina, aumentando a recuperação de proteína e de astaxantina, em 11 e 20%, respectivamente. O aumento do grau de hidrólise resultou em um incremento de 27% e 10% na recuperação da proteína e da astaxantina. A recuperação da astaxantina com mistura de solventes foi duas vezes mais eficaz do que a extração em óleo. A hidrólise enzimática do resíduo industrial do camarão sete-barbas com alcalase permitiu a obtenção de hidrolisado protéico, além de propiciar condições adequadas para a recuperação da astaxantina e da quitina. Os hidrolisados obtidos com alcalase e com pancreatina, com GH 5 e 10%, foram caracterizados quanto à sua composição química, composição de aminoácidos totais e livres, composição de ácidos graxos, distribuição de peso molecular por SDS-PAGE e cromatografia de exclusão molecular (CLAE-EM), perfil de hidrofobicidade por cromatografia de fase reversa (CLAE-FR) e solubilidade. Os hidrolisados apresentaram teor de proteína superior a 76%, 14% de cinza e baixo conteúdo de lipídios, 1,4 a 2,2%. Os hidrolisados obtidos com alcalase apresentaram somente peptídeos com peso molecular menor que 8 kDa, enquanto os hidrolisados com pancreatina, além de apresentarem peptídeos com peso molecular menor que 8 kDa, também apresentaram fração com peso molecular na faixa de 40 kDa, indicando que a actina não foi totalmente hidrolisada. A composição de aminoácidos livres apresentou maior concentração de arginina, fenilalanina, lisina e leucina, responsáveis pelo ¿flavor¿ do camarão e potencialmente com a função de agir como quimioatrativos em rações para peixes e/ou crustáceos. Os resultados indicaram que o resíduo pode ser utilizado para recuperação não só da quitina, mas também para obtenção de hidrolisados protéicos e de astaxantina, que são utilizados tanto na industria de alimentos como na alimentação animal, especialmente na aqüiculturaAbstract: The significant increase in the volume of fish waste from processing plants represents a considerable environmental problem. Increases in the processing of crustaceans have contributed to this increase. Shrimp residue represents about 70% of the raw material and is composed of the cephalothorax, exoskeleton, viscera and other parts. The high content of chitin in this residue, approx. 20%, has led to a potential use for this residue to obtain chitin and its principal derivative, chitosan. The recovery of the protein fraction and of astaxanthin by enzymatic means, during the isolation of chitin, is an alternative for the overall use of this residue. Thus the objective of this research was to study the recovery of the following components from the residue resulting from the industrialization of ¿sete-barbas¿ shrimp (Xiphopenaeus kroyeri) ¿ protein, chitin and astaxanthin ¿ using enzymatic hydrolysis. The specific objectives were: chemically characterize the industrial residue of ¿sete-barbas¿ shrimp; study and optimize the enzymatic hydrolysis process for the recovery of the protein fraction together with other valuable components such as chitin and astaxanthin and chemically and biochemically characterize the protein hydrolysates obtained. The residue from the industrial processing of ¿sete-barbas¿ shrimp was collected in December and July of consecutive years and presented the following composition: 30-48% protein; 20% chitin and an astaxanthin concentration between 2.4 and 8.39 mg/100g when oil extracted and between 3.53 and 12.71 mg/100g when solvent extracted. The amino acid concentration showed that isoleucine, glutamic acid, leucine and aspartic acid were present in the highest concentrations. About 45% of the total amino acids were essential amino acids. The ratio of saturated to unsaturated fatty acids was 1:2 and included 15,42 and 23,97% respectively of eicosapentaenoic (EPA) and docosahexaenoic (DHA) acids. The results obtained indicated that the season when the residues were collected had no direct effect on the concentration of the components under study. The high protein content indicated that this residue could be an excellent protein source. Response surface methodology was used to optimize protein recovery using the enzyme Alcalase. A compost 22 experimental design was used with the enzyme substrate ratio E/S between 0.18 and 5.83 and the temperature between 43.9 and 74.1°C. The results indicated that E/S had the greatest effect on protein recovery. The optimum conditions for the process were with an E/S in the range from 2.5 to 5.5% and temperature between 55 and 60°C, giving a maximum protein recovery of 55.78% and maximum degree of hydrolysis (DH) of 12.80%. To evaluate the recovery of chitin and astaxanthin together with the protein fraction, the moist residue was submitted to hydrolysis with both Alcalase and pancreatine. For both enzymes, the reaction was allowed to continue until 5 to 10% DH was obtained, using the pH-stat method. The enzymatic process with Alcalase was more efficient than with pancreatine, increasing the recovery of protein and astaxanthin by 11 and 20% respectively.The increase in degree of hydrolysis resulted in an increase of 27% and 10% respectively in the recovery of protein and astaxanthin. Astaxanthin recovery with a solvent mixture was twice as efficient as oil extraction. The enzymatic hydrolysis of the industrial residue from ¿sete-barbas¿ shrimp with Alcalase allowed for the production of the protein hydrolysate as well as providing adequate conditions to recover the astaxanthin and chitin. The hydrolysates obtained with Alcalase and pancreatine, with DH of 5 and 10%, were characterized with respect to their chemical composition, total and free amino acid composition, fatty acid composition, molecular weight distribution using SDS-PAGE and molecular exclusion chromatography (CLAE-EM), hydrophobic profile by reverse phase chromatography (CLAE-FR) and solubility. The hydrolystes showed protein contents above 76%, 14% ash and a low lipid content of 1.4 to 2.2%. The hydrolysates obtained with Alcalase only presented peptides with molecular weights of <8 kDa, whilst those obtained with pancreatine, in addition to peptides with molecular weights