Valorization of Aquaculture Byproducts through Enzymatic Hydrolysis: Production of Peptides with Antioxidant and ACE-Inhibitory Activity

Abstract

The valorization of aquaculture byproducts is a key strategy to promote sustainable food systems, reduce waste generation, and develop high-value functional ingredients. This study investigated the effect of various commercial food-grade proteolytic enzymes on blue tilapia (Oreochromis aureus) heads to produce protein hydrolysates with antioxidant and angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitory activities, with potential applications in functional foods and nutraceuticals. The enzymes used were Papain (PA), Protamex (PR), Neutrase/Flavourzyme (NF), and Alcalase/Flavourzyme (AF), along with a control without enzyme addition (C). Hydrolysis was conducted at pH 6.5–7.5 (according to each enzyme’s optimal range) and 55 °C for 180 minutes. The degree of hydrolysis (DH) was determined using the ortho-phthaldialdehyde (OPA) method. Antioxidant capacity was assessed using ABTS and ORAC assays, while ACE inhibition was quantified by HPLC using the hippuryl-histidyl-leucine (HHL) substrate. Protein hydrolysates (PHs) obtained with the different enzymes showed significant differences in the evaluated parameters (ANOVA, p < 0.05). The hydrolysate produced with AF exhibited the highest DH (55 ± 5%), followed by NF (32 ± 3%), PR (14 ± 1%), PA (4 ± 1%), and C (4 ± 1%). Regarding antioxidant capacity (ABTS), PHs from AF showed the highest radical scavenging activity (44 ± 3%), followed by NF (34 ± 2%), PR (19 ± 1%), PA (16 ± 1%), and C (12 ± 1%). The ORAC assay confirmed this trend: PHs from AF exhibited the highest activity (78.9 ± 1.5% at 0.5 mg/mL), followed by NF (71.5 ± 0.04%), PR (59.7 ± 1.7%), PA (56.3 ± 7.1%), and C (54.9 ± 0.3%). In terms of ACE inhibition, hydrolysis with AF was the most effective (59 ± 10% at 5 mg/mL), followed by NF (34 ± 7%), PA (18 ± 5%), PR (17 ± 3%), and C (12 ± 2%). At lower concentrations, PHs from AF maintained relevant inhibition levels (31 ± 1% at 0.5 mg/mL and 16 ± 8% at 0.05 mg/mL), demonstrating functional efficacy and stability across a broad dosage range. Although no direct linear correlation was observed between DH and the evaluated bioactivities, hydrolysis with AF combined a high DH with the greatest generation of functional compounds, suggesting a more efficient and targeted release of bioactive peptides. Overall, the results indicate that enzymatic hydrolysis of tilapia heads is a viable approach for producing functional ingredients with antioxidant and antihypertensive properties, adding value to aquaculture byproducts within a circular economy and sustainability framework.

La valorización de los subproductos de la acuicultura es una estrategia clave para promover sistemas alimentarios sostenibles, reducir la generación de residuos y desarrollar ingredientes funcionales de alto valor. Este estudio investigó el efecto de diversas enzimas proteolíticas comerciales de grado alimenticio en cabezas de tilapia azul (Oreochromis aureus) para producir hidrolizados proteicos con actividad antioxidante e inhibidora de la enzima convertidora de angiotensina (ECA), con posibles aplicaciones en alimentos funcionales y nutracéuticos. Las enzimas utilizadas fueron papaína (PA), Protamex (PR), neutrasa/flavourzyme (NF) y alcalasa/flavourzyme (AF), junto con un control sin adición de enzimas (C). La hidrólisis se realizó a pH 6,5-7,5 (según el rango óptimo de cada enzima) y 55 °C durante 180 minutos. El grado de hidrólisis (DH) se utiliza el método de orto-ftaldialdehído (OPA). La capacidad antioxidante se evaluó utilizando ensayos ABTS y ORAC, mientras que la inhibición de la ECA se cuantificó por HPLC utilizando el sustrato hippuril-histidil-leucina (HHL). Los hidrolizados de proteínas (PH) obtenidos con las diferentes enzimas mostraron diferencias significativas en los parámetros evaluados (ANOVA, p < 0,05). El hidrolizado producido con AF exhibió el DH más alto (55 ± 5%), seguido de NF (32 ± 3%), PR (14 ± 1%), PA (4 ± 1%) y C (4 ± 1%). Respecto a la capacidad antioxidante (ABTS), los PH de AF mostraron la mayor actividad de eliminación de radicales (44 ± 3%), seguidos de NF (34 ± 2%), PR (19 ± 1%), PA (16 ± 1%) y C (12 ± 1%). El ensayo ORAC confirmó esta tendencia: los PH de AF exhibieron la mayor actividad (78,9 ± 1,5% a 0,5 mg/mL), seguidos de NF (71,5 ± 0,04%), PR (59,7 ± 1,7%), PA (56,3 ± 7,1%) y C (54,9 ± 0,3%). En términos de inhibición de la ECA, la hidrólisis con AF fue la más efectiva (59 ± 10% a 5 mg/mL), seguida de NF (34 ± 7%), PA (18 ± 5%), PR (17 ± 3%) y C (12 ± 2%). A concentraciones más bajas, los PH de AF mantuvieron niveles de inhibición relevantes (31 ± 1% a 0,5 mg/mL y 16 ± 8% a 0,05 mg/mL), lo que demuestra eficacia funcional y estabilidad en un amplio rango de dosis. Aunque no se observó una correlación lineal directa entre DH y las bioactividades evaluadas, la hidrólisis con AF combinó una DH alta con la mayor generación de compuestos funcionales, lo que sugiere una liberación más eficiente y dirigida de péptidos bioactivos. En general, los resultados indican que la hidrólisis enzimática de cabezas de tilapia es un enfoque viable para producir ingredientes funcionales con propiedades antioxidantes y antihipertensivas, agregando valor a los subproductos de la acuicultura dentro de un marco de economía circular y sostenibilidad.