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PROTEINS FUNCTIONALIZATION: A STRATEGY THAT BOOST THE PERFORMANCE OF THESE MACROMOLECULES FOR INNOVATIVE PHARMACEUTICAL AND FOOD DEVELOPMENTS

OSMOTIC DEHYDRATION OF GREEN MANGO SAMPLES (Mangifera indica L., Filipino Var.) IN TERNARY SOLUTIONS

ABSTRACT Background: in Colombian the consumption of fresh green mango (also known as mango “biche”) is quite popular, and is consumed with lemon juice, salt, and honey. However, its high humidity content and high water activity makes of mango a highly perishable fruit, thus requiring processing alternatives. Osmotic dehydration (OD) is an interesting alternative for the conservation of mango. In OD, binary solutions (Solute + water) and ternary solutions (2 Solutes + water), have been traditionally used, however, more water removal can be achieved using ternary solutions, which leads to the improved organoleptic properties of dehydrated products Objetives: to evaluate the kinetic water loss (WL), solutes gain (SG), weight reduction (WR), water activity (a w ), and volume (Shrinking Coefficient, SC)) in green mango (Mangifera indica L. Filipino variety) osmotically dehydrated (OD). Additionally, to calculate water and solutes diffusivity (D ef ) for each treatment. Methods: green mango samples, with maturity scale zero, were used. Ternary solutions of sucrose at 40% and NaCl at 3, 6 and 9% were used for OD. The binary solution of sucrose with water as control treatment, was used. In the osmotic process samples were taken out at different times of OD (15, 30, 60, 90, 180, 240, and 300 min). Results: the findings show that at a higher concentration of NaCl, the dehydration kinetics was more rapid, a w and SC were smaller and, water and solutes D ef were higher. The samples dehydrated with the greatest solutes concentration (40 - 9%) reached the highest WL, SG, and WR with 89.52, 13.10, and 46.68%, respectively. Coefficients D efw and D efs showed a magnitude order of 10-10 m2/s, which is within the interval of dehydrated foods. Conclusions: this research showed that binary (sucrose + water) and ternary (NaCl + sucrose + water) solutions, are suitable for dehydrating green mango, however, the ternary solutions were more effective.

RESUMEN Antecedentes: en Colombia el consumo de mango verde fresco (también conocido como mango “biche”) es popular, y se consume con zumo de limón, sal y miel. Sin embargo, su alto contenido de humedad y alta actividad de agua hace que el mango sea un fruto altamente perecedero, por lo que requiere alternativas de procesamiento. La deshidratación osmótica (OD) es una interesante alternative para la conservación de mango. En OD se utilizan tradicionalmente soluciones binarias (solute + agua) y soluciones ternarias (2 solutos + agua), sin embargo, puede removerse mayor cantidad de agua utilizando soluciones ternarias, las cuales permiten mejorar las propiedades organolépticas de productos deshidratados. Objetivos: evaluar las cinéticas de pérdida de agua (WL), ganancia de solutos (SG), reducción de peso (WR), actividad de agua (a w ) y volumen (coeficiente de encogimiento, SC) en muestras de mango verde (Mangifera indica L. Filipino variety) deshidratadas osmóticamente (OD). Adicionalmente, calcular la difusividad (D ef ) del agua y de solutos, en los distintos tratamientos. Métodos: se usaron mangos verdes con escala de madurez cero. En la OD se usaron soluciones ternarias compuestas por sacarosa (40%) y NaCl al 3, 6 y 9%. Como tratamiento control se usó una solución binaria de sacarosa más agua. En el proceso osmótico las muestras fueron tomadas a diferentes tiempos de OD (15, 30, 60, 90, 180, 240, and 300 min). Resultados: Los resultados mostraron que al incrementar la concentración de NaCl, las WL fueron más rápidas, la a w y el SC fueron menores y las D ef de agua y solutos mayores. Las muestras deshidratadas con la máxima concentración de solutos (40-9%), alcanzaron las mayores WL, SG y WR con valores de 59.82, 13.10 y 46.68%, respectivamente. Los coeficientes D efw and D efs mostraron orden de magnitude de 10-10 m2/s, valor que se encuentra en el intervalo para alimentos deshidratados. Conclusiones: esta investigación mostró que soluciones binarias (sacarosa + agua) y ternarias (NaCl + sacarosa + agua) son adecuadas para deshidratar mango verde, sin embargo, las soluciones ternarias fueron más efectivas.

KINETIC MODELING OF THE ENZYMATIC HYDROLYSIS OF PROTEINS OF VISCERAS FROM RED TILAPIA (Oreochromis sp.): EFFECT OF SUBSTRATE AND ENZYME CONCENTRATION

ABSTRACT Background: The growth of world aquaculture has generated important environmental impacts as discard residues that are important sources of protein, which has been used to manufacture low-value products, such as animal food, fish flour and fertilizers. Objectives: To evaluate the effect of enzyme and substrate concentration on the degree of hydrolysis (DH) of proteins in the red tilapia (Oreochromis sp.) viscera (RTV). Methods: The commercial alcalase 2.4 L enzyme was used at different concentrations to hydrolyse the proteins in RTV at 53.5°C and a pH of 9.5 in a 1 L magnetically stirred, jacketed, glass batch reactor connected to an automatic titrator. Each experiment was conducted over 6 h in which every consumed volume of base was recorded every 5 min to determine the corresponding DH at each point. Results: The results indicated that increasing the enzyme concentration produced an increase in the DH and in the reaction rate, while increasing the substrate concentration produced a decrease in both parameters. For this reason, a mathematical model was adjusted for the inhibition of substrate from the exponential kinetic equation d(DH)/dt = a*EXP[-b*(DH)] to explain the behavior of the DH as a function of substrate concentration in this hydrolytic process. The parameters a and b were estimated from a nonlinear regression. Based on these results, the reaction constants were determined as Ks = 456.75 g L-1, K2 = 1.2191 min-1, Kd = 0.2224 min-1, KM = 1.8963 and K3 = 0.1173 L g-1 min-1, which allowed the generation of a good correlation between the predicted and experimental values at the different evaluated operating conditions. This correlation was supported by a low average relative error (ARE) of 3.26%. Conclusion: Under evaluated experimental conditions, the kinetics of the hydrolysis reaction followed a substrate inhibition mechanism without product inhibition, which was adjusted through a typical exponential Equation that involves two parameters (a and b) associated with the kinetic constants (Ks, K2, and Kd).

RESUMEN Antecedentes: El crecimiento de la acuicultura en el mundo ha provocado importantes impactos ambientales como el descarte de residuos que son importantes fuentes de proteína, los cuales han sido usados para manufacturar productos de bajo valor tales como: alimento para animales, harina de pescado y fertilizantes. Objetivo: Evaluar el efecto de la concentración de enzima y de sustrato sobre el grado de hidrolisis (GH) de las proteínas presentes en las vísceras de tilapia roja (Oreochromis sp.) (VTR). Métodos: Se empleó la enzima comercial alcalasa 2.4 L a diferentes concentraciones para hidrolizar las proteínas presentes en la VTR a 53°C y a un pH de 9.5 en un reactor de vidrio de 1 L con chaqueta, magnéticamente agitado y conectado a un titulador automático. Cada experimento se llevó cabo por 6 h registrando cada 5 min el volumen de base cosumido para determinar el grado de hidrolisis correspondiente a cada punto. Resultados: Los resultados indicaron que un incremento en la concentración de enzima producía un incremento en el GH y en la velocidad de reacción, mientras que un aumento en la concentración de sustrato provocaba una disminución en ambos parámetros. Por esta razón, se ajustó un modelo matemático para la inhibición de sustrato a partir de la ecuación de cinética exponencial d(GH)/dt = a*EXP[-b*(GH)] para explicar el comportamiento del GH como una función de la concentración de sustrato en este proceso hidrolítico. Los parámetros a y b fueron evaluados mediante una regresión no lineal. Con base en estos resultados, las constantes de reacción fueron determinadas como Ks = 456.75 g L-1, K2 = 1.2191 min-1, Kd = 0.2224 min-1, KM = 1.8963 and K3 = 0.1173 L g-1 min-1, los cuales permitieron obtener una buena correlación entre los valores experimentales y los predichos a las diferentes condiciones de operación. Esta correlación fue soportada por un bajo error medio relativo del 3.26%. Conclusión: Bajo las condiciones experimentales evaluadas, la cinética de la reacción de hidrólisis siguió un mecanismo de inhibición por sustrato sin inhibición por producto, el cual fue ajustado mediante una ecuación típica exponencial que involucra dos parámetros (a and b) asociados a las constantes cinéticas Ks, K2, and Kd.

PHYSICOCHEMICAL COMPARISON OF COMMERCIAL VS. EXTRACTED β-GLUCANS AND STRUCTURAL CHARACTERIZATION AFTER ENZYMATIC PURIFICATION

ABSTRACT Background: β-glucans (1-3: 1-4) are soluble fibers applied to foods due to their technological properties (water binding capacity, viscosity, emulsification and stabilization) and their beneficial effects on health. The functional properties of β-glucans can be lost during the extraction and purification processes. The high viscosity of β-glucans is related to a high molecular weight and its physiological properties in the intestine. Therefore, to characterize the fiber after its extraction and purification is fundamental to understand its possible applications in foods. Objectives: characterize β-glucans extracted (EβG) and compare them with three commercial β-glucans (CβG-A, CβG-B and CβG-C) to identify its possible applications in foods and to evaluate if enzymatic purification affects molecular and structurally the β-glucans. Methods: barley β-glucans were extracted (EβG), characterized by chemical analyzes, rheological behavior, and color, and compared to three commercial β-glucans samples. Then, the extract was purified and its structural and molecular characteristics were calculated. Results: EβG contained 64.38 ± 3.54% of β-glucans, high starch contamination (12.70 ± 1.73%), high content of calcium (8894 mg/kg), pseudoplastic behavior, and dark color (L* = 52.77 ± 0.7). All commercial samples showed low starch contamination, lighter color, and Newtonian behavior. After purification starch and protein contamination decreased (0.85 ± 0.46% and 5.50 ± 0.12% respectively), increased the content of βG (69.45 ± 0.81%) and increased brightness (L* = 92.60 ± 1.70). Purified β-glucans (PβG) showed a molar weight of 690 ± 1.6 kDa and species with degree polymerization 3 (DP3) to 11 (DP11) were identified on the structure. Conclusions: EβG extracts before the purification presented a high viscosity and contamination. The enzymatic purification process was effective and allowed to maintain a high molar mass of PβG and its distinctive molecular structures (species with DP3 and DP4). The commercial samples CβG-A and CβG-B showed a low content of β-glucans. Finally, CβG-C presented the best physicochemical and rheological properties for its subsequent application in food.

RESUMEN Antecedentes: los β-glucanos (1-3: 1-4) son fibras solubles aplicadas a los alimentos debido a sus propiedades tecnológicas (capacidad de retención de agua, viscosidad, emulsificación y estabilización) y a sus efectos beneficiosos en la salud. Las propiedades funcionales de los β-glucanos pueden perderse durante los procesos de extracción y purificación. La alta viscosidad de los β-glucanos está relacionada con un alto peso molecular y con sus propiedades fisiológicas en el intestino. Por lo tanto, caracterizar la fibra después de su extracción y purificación es fundamental para comprender sus posibles aplicaciones en alimentos. Objetivos: caracterizar β-glucanos extraídos (EβG) y compararlos con tres marcas comerciales (CβG-A, CβG-B y CβG-C) para identificar su futura aplicación en alimentos y evaluar si la purificación enzimática afecta molecular y estructuralmente los β-glucanos. Métodos: se extrajeron β-glucanos de cebada (EβG), caracterizados por análisis químicos, comportamiento reológico y color, y se compararon con tres muestras comerciales. Posteriormente, el extracto (EβG) se purificó y se identificaron sus características estructurales y su peso molecular. Resultados: EβG contenía 64.38 ± 3.54% de β-glucanos, alta contaminación con almidón (12.70 ± 1.73%), alto contenido de calcio (8894 mg / kg), comportamiento pseudoplástico y color oscuro (L* = 52.77 ± 0.7). Todas las muestras comerciales mostraron una baja contaminación con almidón, color más claro y comportamiento newtoniano. Después de la purificación de EβG, la contaminación con almidón y proteína disminuyó (0.85 ± 0.46% y 5.50 ± 0.12%, respectivamente), aumentó el contenido de βG (69.45 ± 0.81%) y aumentó su luminosidad (L* = 92.60 ± 1.70). Los β-glucanos purificados (PβG) mostraron un peso molar de 690 ± 1,6 kDa y se identificaron en la estructura especies con grado de polimerización desde 3 (GP3) hasta 11 (GP11). Conclusiones: los EβG antes de la purificación presentaron alta viscosidad y contaminación. El proceso de purificación enzimática fue efectivo y permitió mantener una alta masa molar de la fibra y sus estructuras moleculares características (especies con GP3 y GP4). Las muestras comerciales CβG-A y CβG-B mostraron un bajo contenido de β-glucanos. Finalmente, la CβG-C presentó las mejores propiedades fisicoquímicas y reológicas para su posterior aplicación en alimentos.

INFLUENCE OF SPRAY DRYING PROCESS ON THE QUALITY OF AVOCADO POWDER: A FUNCTIONAL FOOD WITH GREAT INDUSTRIAL POTENTIAL

ABSTRACT Background: Colombia is the fifth largest producer of avocado and its agribusiness chain lacks value-added diversified products. Therefore, at the governmental level, there has been promotion of internationalization policies aimed at opening up new markets and innovation with improved technology and food consumption patterns, while spray drying is an alternative conservation for avocado, a highly perishable fruit. Objectives: the aim of this study was to optimize the spray drying process for obtaining Hass avocado powder with better physicochemical properties and processing. Methods: an experimental design "Optimal" was used in the response surface methodology based on four factors: (A) maltodextrin (MD) concentration (2.81 to 11.25% w/w), (B) air inlet temperature (140-160°C), (C) outlet air temperature (80-90°C) and (D) atomizer disk speed (20000-26000 rpm). Results: The response variables where statistically significant differences (p<0.05) were found including: moisture, water activity, solubility, color coordinates (L*, a*, b*) hygroscopicity, wettability, extractable oil and deposit formation versus factors studied. Optimized value factors were: (A) 6.93% (B) 160°C (C) 84°C and (D) 26000 rpm. Conclusions: The experimental process optimization is presented as an effective tool for agribusiness, which improves product quality in terms of the factors that affect it, and in the case of avocado, allows the development of new value-added products, with potential uses in the food industry, pharmaceutical, cosmeceutical, among others.

RESUMEN Antecedentes: Colombia es el quinto productor de aguacate y su cadena de agronegocios no cuenta con productos diversificados de valor agregado. Por lo tanto, a nivel gubernamental, se han promovido políticas de internacionalización dirigidas a abrir nuevos mercados e innovación con tecnología mejorada y con patrones en el consumo de alimentos, mientras que el secado por aspersión es una alternativa de conservación del aguacate, una fruta altamente perecedera. Objetivos: el objetivo de este estudio fue optimizar el proceso de secado por atomización para obtener polvo de aguacate Hass con mejores propiedades fisicoquímicas y de procesamiento. Métodos: se utilizó un diseño experimental "optimización" en la metodología de superficie de respuesta basado en cuatro factores: (A) concentración de maltodextrina (MD) (2,81 a 11,25% p/p), (B) temperatura del aire de entrada (140-160°C), (C) temperatura del aire de salida (80-90°C) y (D) velocidad del disco del atomizador (20000-26000 rpm). Resultados: las variables de respuesta donde se encontraron diferencias estadísticamente significativas (p<0,05) incluyen: humedad, actividad del agua, solubilidad, coordenadas de color (L *, a *, b *), higroscopicidad, humectabilidad, extracción de aceite y formación de depósitos frente a los factores estudiados. Los factores de valor optimizados fueron: (A) 6.93% (B) 160°C (C) 84°C y (D) 26000 rpm. Conclusiones: La optimización del proceso experimental se presenta como una herramienta efectiva para los agronegocios, que mejora la calidad del producto en términos de los factores que lo afectan, y en el caso del aguacate, permite el desarrollo de nuevos productos de valor agregado, con posibles usos en la industria alimentaria, farmacéutica, cosmecéutica, entre otras.