PROCESO PARA LA EXTRACCIÓN, AISLADO Y PURIFICACIÓN DE
PROTEÍNA DE AJONJOLÍ
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está relacionada con un proceso eficaz y eficiente para extraer, aislar y purificar industrialmente la proteína de semillas de ajonjolí a partir de la harina de dichas semillas, en un medio acuoso.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Como es sabido el ajonjolí es un cultivo oleaginoso cuya semilla contiene una gran cantidad de aceite, razón por la cual se explota ¡ndustrialmente para la extracción y comercialización del aceite contenido, dicho aceite es destinado para uso doméstico e industrial. El aceite puede comercializarse como aceite denominado cru- do, o como aceite denominado tostado, el primero siendo obtenido de las semillas crudas y el segundo extraído mecánicamente a partir de semillas tostadas de ajonjolí.
Las semillas del ajonjolí también se comercializan enteras o des- cortezadas, química o mecánicamente, destinadas para consumo humano como ingrediente de algunos productos alimenticios; puede
usarse en panadería, ya sea cruda, lavada o tostada.
Por el alto contenido de aceite tiene importancia y explotación agroindustrial; pero se han hecho algunas investigaciones a partir de las cuales es posible obtener un mayor beneficio desde el punto de vista nutrimental y funcional de sus componentes, tal como su proteína.
Después de la extracción del aceite, la harina de ajonjolí desgrásada contiene aproximadamente 50% de proteína, por lo cual se usa primordialmente como ingrediente para la formulación de dietas para el sector pecuario.
La harina de ajonjolí con cascarilla desgrasada es poco atractiva para usarse en la alimentación humana porque además de proteína contiene otros componentes indeseables presentes en la cascarilla como el ácido oxálico y fítico; algunos de estos componentes limitan su utilización para la manufactura de productos alimenticios porque reducen su valor nutrimental y funcional.
Sin embargo, el alto contenido de proteína en la harina desgrasada de ajonjolí, es altamente atractivo y por tanto se hace importante aislar esa proteína contenida.
Actualmente se ha logrado el aislamiento de la proteína de la soya y de chícharo, por lo que dichas proteínas y principalmente la pro-
teína de soya, se comercializan ampliamente.
Sin embargo, las composiciones, características y propiedades de las semillas y la proteína que estas contienen son muy distintas y por tanto el proceso de aislado en las diferentes semillas difiere.
Se sabe que las proteínas pueden precipitar a un pH determinado y específico, denominándose precipitación isoeléctrica, y a ese valor de pH, en el que las proteínas precipitan se denomina punto isoe- léctrico. Para que la precipitación se lleve acabo, es necesario so- lubilizar las proteínas en un medio específico de acuerdo a las propiedades de las mismas, para separarlas del resto de los componentes y después llevarlas, por medio de un ajuste de pH, hasta el punto de precipitación isoeléctrica.
Pero para lograr solubilizar las proteínas es necesario realizar investigación con el fin de poder determinar concentraciones de solutos, tipo de medio disolvente, tiempos de reacción, temperaturas, pH, etc.; al igual que para lograr obtener el punto isoeléctrico en el cual precipite la mayor cantidad de proteína. Los factores anteriores, requieren de múltiples pruebas, estudios y análisis que conllevan a una gran inversión de tiempo, dinero y personal.
Sin embargo, se sabe que la precipitación isoeléctrica de proteínas trae problemas como cambios en la estructura de la proteína y puede afectar la disponibilidad de nutrimentos y las propiedades fun-
cionales,
El uso de la proteína de ajonjolí aislada se ve limitada por la dificultad con la que esta proteína se aisla.
Hasta antes de la presente invención, se han desarrollado a través de una serie de investigaciones a nivel laboratorio, diversas formas y procesos no eficaces, desde el punto de vista industrial, que tienen como propósito aislar la proteína de ajonjolí para su caracterización y para la determinación de su funcionalidad y de sus propiedades nutrimentales.
De dichos estudios se desprende que la proteína de ajonjolí es altamente digerible cuando se encuentra aislada, por estar libre de factores antinutrimentales.
Se sabe también que la proteína de ajonjolí tiene un buen balance de aminoácidos azufrados, además el 85% de la lisina está disponible.
Por las características y propiedades que representa la proteína de ajonjolí, es importante extraerla, aislarla y purificarla, a niveles industriales para hacerla disponible y accesible a la población con beneficios a la nutrición humana.
La presente invención se ha desarrollado después de múltiples
pruebas, estudios, análisis e investigaciones, para lograr un proceso a través del cual se pueda extraer y aislar la proteína de ajonjolí a niveles industriales.
OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene como objetivo primordial hacer disponible un proceso eficiente para la extracción, purificación y aislamiento de proteína de ajonjolí a partir de la harina de dichas semillas en un medio acuoso.
Aún otro objetivo de la presente invención es hacer disponible la proteína de ajonjolí aislada con excelentes propiedades nutrimentales, funcionales y con buena digestibilidad.
Un objetivo más de la presente invención es hacer disponible la proteína de ajonjolí, que además pueda aplicarse como ingrediente y/o aditivo, importante en diversos tipos de alimentos para consumo humano, por ejemplo: en productos lácteos, productos aereantes, productos cárnicos, así como en productos de panificación, suplementos alimenticios, productos que requieran la propiedad de emul- sificación.
Otros objetivos y ventajas de la presente invención serán aparentes del estudio de la siguiente descripción y los dibujos que se acom-
pañan con fines exclusivamente ilustrativos y no limitativos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
De manera general, el proceso para la extracción, aislado y purificación de la proteína de ajonjolí, de conformidad con la presente invención, consiste en la extracción de la proteína de ajonjolí a partir de la harina del ajonjolí desgrasada, en un medio acuoso pa- ra su solubilización con un álcali a una temperatura específica, separada por filtración o centrifugación y concentrada posteriormente por medio de equipos de ultrafiltración o por precipitación isoeléctrica, para después enfriarse y neutralizarse, y finalmente secarse; pudiendo omitirse este último paso y quedando en forma líquida.
El proceso se desarrolla de manera continua y en cada etapa del proceso se deben controlar los factores que influyen directamente en el rendimiento del proceso, como son la temperatura, el pH, la concentración y tipo de álcali, los sólidos totales, el tiempo de re- acción, y el tipo y concentración del ácido para la neutralización.
Las características fisicoquímicas principales de la proteína son la solubilidad a diferentes valores de pH y los pesos moleculares de las fracciones proteínicas solubilizadas.
Las características de solubilidad son útiles en la determinación de
las condiciones óptimas de extracción y purificación de las proteínas a partir de fuentes naturales. La solubilidad entonces, se relaciona con los cambios en las interacciones de los residuos hidrofó- bicos e hidrofílicos sobre la superficie de las proteínas; esta solu- bilidad depende principalmente del pH, de la fuerza iónica, del tipo de solvente y de la temperatura, puesto que la solubilidad de las proteínas se ve marcada e irreversiblemente reducida cuando se involucra el calentamiento.
Como estudios importantes para el desarrollo del proceso, y partiendo de los conocimientos arriba citados, se realizaron curvas de solubilidad de la harina de ajonjolí desgrasada a diferentes valores de pH y temperaturas y a diferentes tiempos de reacción, a partir de los cuales se desprenden las condiciones óptimas de solubiliza- ción, el pH, la fuerza iónica, el tipo de solvente y la relación de harina/disolvente ideales para la solubilización de la mayor fracción proteínica evitando la desnaturalización de las mismas.
Una vez obtenido el solubilizado (fracción clarificada) se lleva a cabo la separación de las proteínas para poder conocer el peso molecular de las fracciones proteínicas; lo anterior se realiza por medio del método SDS-PAGE (Electroforesis en gel de poliacrilamida con SDS). El análisis permite conocer si la proteína está desnaturalizada o hidrolizada y para conocer el peso molecular de las frac- ciones proteínicas.
También se observan diferencias en el perfil de proteínas solubilizadas en función del pH y se pueden considerar tres grupos:
1. Proteínas solubles a un valor de pH 2: tamaño de fracciones proteínicas entre 14 kDa y 33 kDa.
2. Proteínas solubles a valores de pH de 3 a 6: tamaño de fracciones proteínicas entres 25 kDa y 33 kDa.
3. Proteínas solubles a valores de pH de 7 a 11: tamaño de fracciones proteínicas: tres < 14 kDa, dos de 22 kDa, tres de 33 kDa y cinco proteínas de pesos entre 45 y 60 kDa.
La determinación de los tamaños de las fracciones proteínicas de las proteínas solubilizadas, permitió determinar el peso molecular mínimo de las fracciones proteínicas que fue de 10 kDa, por consiguiente, en el caso de concentración por ultrafiltración, se determinó la utilización de membranas de ultrafiltración con límite de corte de 10,000 Daltons.
Para una mayor solubilidad y concentración de la proteína, se parte de semilla de ajonjolí descortezada mecánicamente, la cual posteriormente molida hasta obtener harina, misma que es desgrasada hasta un contenido de aceite de entre 0.5 a 2%.
El descortezado puede bien efectuarse en forma química, aunque se han visto mejores resultados en la extracción y aislado de la proteína si el descortezado se efectúa mecánicamente.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO
Los detalles característicos del proceso para la extracción, aislado y purificación de la proteína de ajonjolí, se muestra claramente en la siguiente descripción.
El proceso se desarrolla de manera continua y en cada etapa del proceso se deben controlarse los factores que influyen en el proceso como son la temperatura, el pH, la concentración y tipo de álcali, los sólidos totales, el tiempo de reacción, y el tipo y concentración del ácido para la neutralización.
El proceso para la extracción, aislado y purificación de proteínas de ajonjolí, de conformidad con la presente invención, comprende las etapas de:
Solubilización.- La harina de ajonjolí desgrasada procedente de semillas descortezadas mecánicamente, teniendo un contenido de aceite de entre 0.5 a 2.0%, es sometida a un proceso de solubiliza- ción con agua más un álcali seleccionado del grupo que consiste en hidróxido de calcio, hidróxido de amonio, hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, entre otros, preferiblemente hidróxido de sodio; para obtener un valor de pH de entre 9 a 11.
En esta etapa, al mezclar el álcali con el agua se llega a un valor de pH de hasta 12, el cual debe bajar al agregar la harina desgra-
sada en un tiempo no mayor a 5 minutos, el tiempo de so I u b i I iza- ció n debe ser de entre 15 minutos hasta 2 horas, y a una temperatura de entre 25 a 45° C; el pH debe estar en el rango de 9 a 11.
La etapa de solubiiización se lleva a cabo en constante agitación en un tanque con agitador que gira entre 60 y 200 rpm.
Separación.- Una vez terminado el tiempo de solubilización, la proteína solubilizada se separa de la pasta de harina mediante un pro- ceso de filtración o centrifugación, para la cual se puede emplear cualquier equipo de separación, seleccionado del grupo que consiste de filtro-prensa, filtro de placas, filtro rotatorio al vacío, centrífuga de canasta, centrífuga decanter, centrífuga de platos, entre otros, usándose preferiblemente una centrífuga decanter.
El pH debe de mantenerse en el rango de 9 a 11 y el clarificado debe estar en el rango de 4-7% de sólidos totales, en tanto que la pasta residual debe de oscilar entre 20 a 22% de sólidos totales.
Concentración.- Una vez que se separa la proteína solubilizada, se somete a un proceso de concentración mediante membranas por ultrafiltración usando membranas de ultrafiltración con límite de corte de 10,000 Daltons para la concentración de la proteína, en un rango de temperatura de 25 a 45° C y una presión de entre 20 a 100 libras/pulgada cuadrada. El pH debe mantenerse en el rango de
9 a 11.
En esta etapa los sólidos deben medirse con refractómetro sin que rebase los 20° Bx, para poder obtener un concentrado con 12 a 17% de sólidos totales.
Enfriamiento.- Una vez que se obtiene el concentrado de proteína, se somete a enfriamiento a través de un ¡ntercambiador de calor el cual se selecciona del grupo que consiste de intercambiador tubular, intercambiador de placas, entre otros, bajándose la temperatura a un rango de entre 5 a 15° C.
Neutralización.- Una vez enfriado el concentrado de proteína, se somete una neutralización para bajar el pH a un rango entre 6.5 a 7.5 mediante un ácido que se selecciona del grupo que consiste en ácido fosfórico, ácido acético, ácido clorhídrico, ácido cítrico, ácido nítrico, entre otros, y preferiblemente ácido clorhídrico.
El concentrado hasta esta etapa se encuentra en estado líquido con un contenido de proteína mínimo de 90%(base seca), y puede llegar hasta esta etapa, pero también puede llevarse hasta un secado.
Secado.- Una vez ajustado el pH del concentrado, se somete a secado por cualquier método y preferiblemente por aspersión, en un rango de temperatura de entrada de entre 180 a 260° C y una temperatura de salida de entre 70 a 110° C obteniéndose un polvo aislado con al menos 90% de proteína (base seca).
A través de todo el proceso hasta antes del enfriamiento es importante no rebasar los 45° C
El proceso puede comprender antes de la etapa de concentración por ultrafiltración, al menos un prefiltrado con malla 100 y preferiblemente dos prefiltrados, el último con malla 300.
Desde la solubilización hasta la concentración, la relación harina/agua debe ser de 1:8 a 1:20.
En una modalidad, el proceso para la extracción, aislado y purificación de proteínas de ajonjolí, consiste en las siguientes etapas:
Solubilización.- La harina de ajonjolí desgrasada procedente de semillas descortezadas mecánicamente, teniendo un contenido de aceite de entre 0.5 a 2.0%, es sometida a un proceso de solubilización con agua más un álcali seleccionado del grupo que consiste en hidróxido de calcio, hidróxido de amonio, hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, entre otros, preferiblemente hidróxido de so- dio; para obtener un valor de pH de entre 9 a 11.
En esta etapa, al mezclar el álcali con el agua se llega a un valor de pH de hasta 12, el cual debe bajar al agregar la harina desgrasada en un tiempo no mayor a 5 minutos el tiempo de solubilización debe ser de entre 15 minutos hasta 2 horas, y a una temperatura de entre 25 a 45° C, el pH debe estar en el rango de 9-11.
La etapa de solubilización se lleva a cabo en constante agitación en un tanque con agitador que gira entre 60 a 200 rpm.
Primera separación.- Una vez terminado el tiempo de solublliza- ción, la proteína solubilizada se separa de la pasta de harina mediante un proceso de filtración o centrifugación, para la cual se puede emplear cualquier equipo de separación, seleccionado del grupo que consiste de filtro-prensa, filtro de placas, filtro rotatorio al vacío, centrífuga de canasta, centrífuga decanter, centrífuga de platos, entre otros, usándose preferiblemente una centrífuga decanter.
El pH debe de mantenerse en el rango de 9 a 11 y el clarificado debe estar en el rango de 4-7% de sólidos totales, en tanto que la pasta residual debe de oscilar entre 20 a 22% de sólidos totales.
Concentración.- la concentración se efectúa por precipitación isoeléctrica ajustando el pH de la solución con un ácido al punto isoeléctrico (pH 4 - 5).
Segunda separación.- el precipitado se separa por medio de centrifugación; una vez esto, los sólidos totales se ajustan.
Enfriamiento.- Una vez que se obtiene el concentrado de proteína, se somete a enfriamiento a través de un intercambiador de calor el cual se selecciona del grupo que consiste de intercambiador tubu-
lar, intercambiador de placas, entre otros, bajándose la temperatura a un rango de entre 5 a 15° C.
Neutralización.- Una vez enfriado el concentrado de proteína, se somete una neutralización para subir el pH a un rango entre 6.5 a
7.5 mediante un álcali.
El proceso puede incluir además el secado preferiblemente por aspersión, en un rango de temperatura de entrada de entre 180 a 260° C y una temperatura de salida de entre 70 a 110° C, obteniéndose un polvo aislado con al menos 90% de proteína (base -seca).
El Invento ha sido descrito suficientemente como para que una per- sona con conocimientos medios en la materia pueda reproducir y obtener los resultados que mencionamos en la presente invención. Sin embargo, cualquier persona hábil en el campo de la técnica que compete el presente invento puede ser capaz de hacer modificaciones no descritas en la presente solicitud, sin embargo, si para la aplicación de estas modificaciones en una estructura determinada o en el proceso de manufactura del mismo, se requiere de la materia reclamada en las siguientes reivindicaciones, dichas estructuras deberán ser comprendidas dentro del alcance de la invención.