GelificacinAspectos generales en la formacin de geles proteicos

Se denomina gelificacin, al proceso cuando las molculas desnaturalizadas se agregan para formar una red proteica ordenada. productos lcteos La aptitud a la gelificacin es una prop funcional muy importante para muchas protenas. Tiene un papel fundamental en la preparacin de: clara de huevo coagulada geles de gelatina productos calentados a base de carne o pescado triturado geles proteicos de soja protenas vegetales texturadas

pastas de panadera

La gelificacin proteica no se aplica solamente para la formacin de geles slidos viscoelsticos, sino tambin para mejorar la adsorcin de agua, el espesado, la unin de partculas (adhesin) y para estabilizar emulsiones y espumas. En la mayora de los casos es indispensable un tratamiento trmico para conseguir la gelificacin. Puede necesitarse un enfriamiento posterior y a veces, una acidificacin ligera. una hidrlisis enzimtica moderada Varias protenas pueden gelificarse sin calentamiento con:

adicin de sales (La adicin de iones, como Ca , aumenta la velocidad de gelificacin y firmeza de gel)alcalinizacin seguida de retorno a neutralidad o pH de PI.

Formacin de geles a travs de protenas en solucin

La solubilidad proteica no siempre es indispensable para la gelificacin.

Mtodos para evaluacin de los geles proteicosSe mide la cantidad de agua englobada en el gel durante su formacin, o bien la prdida de agua que surge cuando se somete el gel a una compresin o centrifugacin moderada (es importante no romper la red proteica) Los geles tienen un comportamiento reolgico de slido viscoelstico.La viscoelasticidad es un tipo de comportamiento reolgico anelstico que presentan ciertos materiales que exhiben tanto propiedades viscosas como propiedades elsticas cuando se deforman.

mdulo de elasticidad umbral de deslizamiento tiempo de relajacin coeficiente aparente de viscosidad

pruebas empricas de penetracin o de compresin para Caracterizacin valorar firmeza, resistencia a rotura o adhesin. de los geles microscopa electrnica de barrido o transmisin (p/estructura de geles)Fotografa obtenida con microscopio electrnico de Barrido (SEM)

microscopa ptica (tamao, forma y posicin de los agregados, filamentos y amplitud de poros) El grado de despliegue de las estructuras proteicas secundarias y terciarias, puede conocerse por calorimetria diferencial, dicroismo circular, dispersin, ptica rotatoria , etc.

Scanning electron microscopy (SEM) de leche

La hidrofobicidad superficial de la protena puede determinarse por cromatografa de afinidad hidrfoba o por fijacin de reactivos hidrfobos fluorescentes (ej.: acido naftalensulfnico)

La disociacin en subunidades o la formacin de agregados puede seguirse por determinacin de las masas molares por cromatografa de permeacin del gel, electroforesis en presencia de dedocil sulfato de sodio, ultracentrifugacin, etc Tambin puede seguirse la agregacin por la elevacin de la viscosidad, de la absorbansia y/o la turbidez que provoca.La eliminacin de iones Ca++ por dilisis, la adicin de mercaptoetanol, cistena, EDTA, urea, detergentes o reactivos especficos, de tal o cual grupo qumico antes (o despus) de la formacin del gel, seguido de una medida de la dureza del gel (o de la disolucin del gel), orienta sobre la naturaleza e importancia de las interacciones proteina-protena.

Mecanismos de gelificacin y estructura de los gelesLos estudios sealan la necesidad de una desnaturalizacin y desdoblamiento de la protena, como pasos previos a la interaccin ordenada p-p y agregacin.

Esto explica, porque los concentrados proteicos de soja, previamente desnaturalizados por el calor, por los disolventes o bases, pueden gelificar sin necesitar un calentamiento posterior.formacin de la red proteica

se considera como resultado de un equilibrio entre las interacciones: protena-protena, protena- disolvente (agua) y F atractivas y repulsivas entre cadenas polipeptdicas prximas.

Fuerzas atractivas y repulsivas en la formacin de la red proteica

fuerzas atractivas

interacciones hidrfobas (> a T elevadas) electrostticas, (enlaces con los iones Ca 2+ y otros) enlaces hidrgeno (aumentados por enfriamiento) uniones disulfuro

fuerzas repulsivas

Las interacciones protena-agua, tienden a mantener separadas las cadenas polipeptdicas Repulsiones electrostticas

Las atracciones proteicas intermoleculares (y la gelificacin) se producen ms rpidamente con concentraciones proteicas elevadas, dada la > probabilidad de contactos intermoleculares. Para altas concentraciones proteicas la gelificacin puede producirse a T ambiente ( sin calentamiento y alejado del PI)

El establecimiento de uniones covalentes disulfuro conduce a la formacin de geles termodinmicamente irreversibles (ovolabmina). Los geles de gelatina estn estabilizados fundamentalmente por enlaces H, funden por calentamiento (30C) y el ciclo puede repetirse. Existen numerosos geles bajo forma de estructura hidratada fuertemente expandidos y con ms de 10g de H2O/g de P, y otros constituyentes alimenticios englobados en la red proteica, algunos geles pueden llegar a tener 98% de H2O, retenida fsicamente. A medida que la etapa de agregacin sea ms lenta con relacin a la desnaturalizacin, ms fcilmente podrn orientare antes de la agregacin los polipptidos parcialmente desdoblados.

Esto favorecer la formacin de un gel ordenado homogneo, de consistencia lisa, fuertemente expandido, muy elstico, transparente, estable frente a la sinrisis y exudacin. Por el contrario, los geles formados por partculas proteicas , groseramente agregados, son opacos, poco elsticos y claramente inestables (sinrisis y exudacin)

Propiedades gelificantes de algunas protenas alimenticias La mayora de las protenas pueden dar geles de protenas alimenticias La gelificacin trmica de las protenas miofrilares de los msculos estriados contribuye a la textura de numerosos alimentos: actan de agente ligante en las carnes picadas, trituradas o reconstruidas por compresin, estabilizan la emulsin de las salchichas, dan consistencia homognea, lisa y elstica. Los Aislados Proteicos de Soja suelen emplearse por sus prop de adsorcin- retencin de agua y prop gelificantes. Las prop. de coagulacin de las micelas de casena de la leche son aprovechadas para la preparacin de cuajadas, quesos y productos lcteos gelificados. La coagulacin, iniciada por la accin proteoltica de la quimosina, necesita la presencia de iones Ca y T> a 15C, tambin se provoca por acidificacin de la leche hasta el pH isoelctrico.

Las protenas del lactosuero en una concentracin >5% tienen buenas propiedades gelificantes a T 70-85 C.

Las protenas de clara de huevo son consideradas como el mejor agente gelificante o ligante, la gelificacin se produce en una zona grande de pH (de 3 a 11) cuando la concentracin es > a 5%. La gelatina es una protena pura que se obtiene de materias primas animales que contienen colgeno. Este alimento natural y sano tiene un excelente poder de gelificar. Adems, gracias a sus mltiples capacidades se emplea en los ms diversos sectores industriales para un sin nmero de productos.

TexturizacinNaturales: Provienen de tejidos vivientes (miofribrillas de la carne y del pescado)

Las P constituyen la base de la estructura y de la textura de numerosos alimentos

Fabricados: masa de miga de pan, geles de soja y de gelatina, cuajada, queso, emulsiones crnicas de salchicha.

Existen procedimientos de texturizacin que a partir de las protenas solubles de los vegetales o de la leche, conducen a estructuras fibrosas o en forma de pelcula con textura masticable y una buena capacidad de retencin de agua. Suelen utilizarse para sustituir o diluir las carnes

Coagulacin trmica y formacin de una pelculaLas soluciones concentradas de protena de soja pueden coagularse trmicamente sobre una superficie metlica lisa (secador de rodillo). Las pelculas proteicas finas e hidratadas pueden plegarse, prensarse juntas, cortarse, etc.

Formacin de fibra (hilado) El hilado de las protenas vegetales y de la leche tiene similitud con las fibras sintticas, se parte de concentrados de 90%.

Los pasos sucesivos son los siguientes:1) El coloidon, solucin concentrada de P (10-40%) se prepara elevando el pH por encima de 10.

Las repulsiones electrostticas provocan una disociacin completa de subunidades, y total desdoblamiento de las cadenas, obtenindose alta m.

2) El coloidn se fuerza a travs de una placa perforada (hilera, con ms de 1000 agujeros de 50 a 150 mm de D. Las molculas se orientan en el sentido del flujo. Tienden a alargarse y alinearse paralelamente las unas a las otras. 3) Los filamentos lquidos se sumergen a un bao de cido y NaCl, donde las P coagulan. Debido a su orientacin paralela y elongacin, las molculas proteicas de cada filamento reacciona entre s por enlaces hidrgeno y disulfuro para formar una fibra proteica hidratada. 4) Las fibras proteicas se van retirando mediante rodillos que estiran las fibras que acaban adoptando un alineamiento y asocindose ms estrechamente. Esta cristalizacin parcial aumenta la resistencia mecnica y el carcter masticable de las fibras ( pero disminuye su cap de retencin de agua)

5) Las fibras se comprimen y/o calientan entre rodillos para eliminar parte del agua, favorecer la adhesin y aumentar su dureza. Puede aadirse agentes ligantes (gelatina, clara de huevo, gluten, polisacridos) o aditivos alimenticios

Extrusin termoplstica Da grnulos y trozos secos, fibrosos y porosos, que despus de rehidratados poseen textura masticable, es menos costosa, se puede agregar almidn o amilosa. La adicin de NaCl (hasta un 3%) o de Ca reafirma la textura.

La mezcla puede describirse as:

P= 10.000-20.000 KP Mezcla-hidratada Protenapolisacrido T= 150-200 C t= 20-150 s fuerza de cizalla (tornillo sin fin) Estado pulverulento

Extrusin rpida con una hilera estrecha, y vuelve a P at, produce evaporacin de H2O interna, con formacin de burbujas de vapor

Consistencia pastosa viscosa

Enfriamiento endurecimiento

Masa proteopolisacrida estructura seca, fuertemente expandida

Caractersticas del producto Rehidrata en el agua, a 60C, absorbe de 2 a 4 veces su peso en agua y adquiere una estructura fibrosa, esponjosa y parcialmente elstica con masticanilidad parecida a la carne.

Las estructuras son estables a la esterilizacin Se usa en hamburguesas, albndigas de carne, ravioles, etc.

Formacin de la pasta proteicaUna propiedad nica de las protenas del gluten (albumen de trigo, < centeno y cebada) es su actitud para formar despus de la mezcla y amasado en presencia de agua y a T ambiente, una pasta fuertemente cohesiva y viscoeltica.

Base de la transformacin de harina de trigo en masa de panadera y posterior conversin en pan por fermentacin y coccin.Adems de las protenas del gluten (gliadinas y glutaninas), la harina del trigo contiene granos de almidn, pentosanos, lpidos polares y no polares, y protenas solubles que sumados constituyen la red pastosa y/o textura final del pan.

Las protenas son de gran tamao molecular, tienen un bajo contenido de AA ionizables son poco solubles en soluciones ac neutras, y tienen tendencia a formar enlaces hidrgeno, que contribuyen a la agregacin de protenas y fijacin de lpidos Esto explica la capacidad de adsorcin de agua, propiedades de cohesin - adhesin del gluten.

Fig 8

Propiedades emulsificantesAspectos generales de la formacin y ruptura de las emulsiones Las emulsiones son dispersiones en dos lquidos no miscibles, de los cuales uno se encuentra bajo la forma de una fase continua dispersante. La mayor parte de las emulsiones alimenticias son del tipo aceite en agua o bien agua en aceite.

Agua: lquido polar hidrfoboAceite: lquido hidrfobo (grasa fundida, aceite vegetal o animal, aceites esenciales) Muchas emulsiones contienen gotitas de gas o slidos dispersos.Mayonesa La mayonesa es una emulsin formada al dispersar aceite en un medio acuoso, la yema de huevo, que contiene un emulsionante denominado lecitina. La lecitina rodea a las gotitas de aceite (ver figura) e impide que se unan unas a otras.

Causas de inestabilidad de las emulsiones1) formacin de crema o sedimentacin de gotitas debido a fuerzas gravitacionales.

2) la floculacin de gotitas provocada por la brusca supresin de cargas elctricas y las repulsiones electrostticas entre gotitas debido a la modificacin de pH y o fuerza inica. Las gotitas se aglomeran en forma irregular, quedando separadas por una delgada capa de fase continua. 3) la coalescia o fusin de las gotitas entre s, fenmeno termodinmicamente espontneo, que presupone un aumento progresivo de tamao de las gotitas y conduce a la separacin de las dos fases en dos capas separadas por una interfase plana y de superficie mnima.

Emulsin Inicial

Decantacin

Floculacin

Colisin

Coalescencia

Representacin esquemtica de los mecanismos de desestabilizacin de una emulsin

Fenmenos que estabilizan las emulsiones1) Una dbil tensin interfacial agentes tensioactivos. entre las 2 fases y/o aadir

2) La presencia de una capa interfacial resistente, por ej. una capa de protenas adsorbidas que se opone mecnicamente a la coalescencia de gotitas.

3) La presencia de cargas electrostticas del mismo signo en la superficie de las gotitas dispersas cargadas estn rodeadas de una doble capa difusa de contra-iones.

4) Un dimetro pequeo de gotitas como el que se puede obtener con una agitacin intensa y una concentracin apropiada de un agente tensioactivo especfico

5) Una fuerte viscosidad de la fase continua que tambin origina una lenta formacin de cremas.

Para estabilizar las emulsiones se pueden utilizar diversos agentes emulsionantes:

1) electrolitos minerales, aportan cargas electroestticas a las gotitas dispersas 2) molculas tensoactivas de estructura anfipolar, la acumulacin de estas molculas en la interface disminuya considerablemente la tensin interfacial. 3) las material insolubles finamente divididas mojadas por las dos fases, absorbidas en la interface, que forman una barrera contra la coalescencia. 4) las macromolculas disueltas en la fase continua que tienen un papel estabilizante, ya sea porque aumentan la m de esta fase o porque se absorben en la interface.

Emulsiones alimenticias estabilizadas por protenasProductos alimenticios que son emulsiones: Leche, cremas, helados, mantequilla, queso fundido, mayonesas, carnes finamente picadas, embutidos.

Los constituyentes proteicos tienen un papel preponderante en la estabilizacin de estos sistemas coloidales. Las protenas se absorben en la interface entre las gotitas de aceite disperso y la fase continua acuosa continua y aportan propiedades fsicas y reolgicas (espesamiento, viscosidad, elasticidad-rigidez) que determinan la resistencia de las gotitas a la coalescencia. Segn el pH se puede producir la ionizacin de las cadenas laterales de AA y esto aporta fuerzas de repulsin electrosttica que favorecen la estabilidad de la emulsin.

Mtodos para determinar las propiedades emulsionantes de protenasPara catalogar las emulsiones alimenticias, se necesita determinar el tamao de las gotitas y su reparticin por grosor (y por tanto la superficie interfasial total), esto puede realizarse por microscopia, difusin de luz, sedimentacin por centrifugacin, etc.

Para comparar las propiedades emulsionantes de las protenas se utilizan dos pruebas:1) La capacidad emulsionante (CE) que es el volumen de aceite (ml) que se puede emulsionar por gramo de protena hasta que se produzca la inversin de fase. 2) la estabilidad de la emulsin (EE) se expresa como:

V de la emulsion final x100 V de la emulsion inicial

Facilitar la formacin de emulsiones bajando la tensin interfacial (poder emulsionante)Estas 2 pruebas confirman las funciones que presentan las protenas: Contribuir a la estabilidad de la E, (formando una barrera fsica en la interfase)

Factores que influencian la emulsificacinFrecuentemente existe una correlacin positiva entre solubilidad de la protena y capacidad emulsionante o estabilidad de la emulsin.

Las protenas sin disolver, contribuyen poco a la emulsificacin, ya que las P tienen que disolverse y emigrar a la interfase, para que acten las prop superficiales.

pH: algunas protenas en su PI son poco solubles < aptitud emulsionante, adems no pueden contribuir a la carga superficial de las gotitas de aceite (causa de la estabilidad de la emulsin por repulsiones electrostticas). Adems al pI, las protenas adoptan estructuras compactas con una fuerte viscoelasticidad. Esto puede impedir el desdoble y la adsorcin en la interfase

Por otra parte las interacciones hidrfobas entre lpidos y protenas se acumulan al PI, por esta causa los datos experimentales son contradictorios ya que:Algunas protenas tienen propiedades emulsionantes ptimas al PI: Otras protenas tienen propiedades emulsionantes optimas alejadas del PI:

gelatina, protena de clara de huevo

protena de soja, de cacahuete, casena , protenas de lactosuero

Al calentar bajan la m y la rigidez de la pelcula proteica absorbida en la interfase y por lo tanto disminuye la estabilidad de la emulsin. Sin embargo, la gelificacin de protenas fuertemente hidratadas aumenta la m superficial y rigidez, lo que estabiliza la emulsin ( por ejemplo, la gelificacin de protenas miofibrilares contribuye a la estabilidad trmica de las emulsiones de carne como salchichas) Cabeza polar (HIDRFILA)

Cola apolar (LIPFILA)

Propiedades espumantesAspectos fundamentales de las espumas o batidos alimenticios (formacin y ruptura) Son dispersiones de gotas de gas (aire o CO2) en una fase continua lquida o semi-slida que contiene surfactante soluble. merengue crema batida pastas helados soufls pan espuma de cerveza

Variedad de espumas o batidos alimenticios

Los helados contienen una emulsin de glbulos grasos (especialmente slidos y pequeos), con una suspencin de cristales de hielo dispersos, un gel de polisacrido, una solucin concentrada de azcares y protenas y burbujas de aire.

En las espumas hay una fase continua de capas lquidas delgadas (laminillas) que separa las burbujas de gas. Se necesita E mecnica para crear la interfase, y corrientemente se necesitan la presencia de agentes de superficie que rebajan la tensin de la interfase (mantener la interfase), formando una barrera protectora elstica entre las burbujas. Algunas protenas pueden formar estas pelculas protectoras.

Habitualmente una distribucin uniforme de burbujas pequeas da al alimento suavidad y ligereza, as como un aumento de la dispersin y perceptibilidad de aromas.

Hay similitud entre la formacin de una espuma y una emulsin, pero no hay una correlacin rigurosa entre ambas propiedades.

Las espumas son como las emulsiones en que capas de adsorcin rodean la fase dispersa en ambos sistemas. Sin embargo, las espumas necesitan una estructura proteica residual ms completa para su estabilizacin, adems difieren de las emulsiones en dos aspectos: la fase dispersa es un gas en las espumas y un lquido en las emulsiones;

las burbujas de gas de las espumas son mucho ms grandes que los glbulos en las emulsiones. Las espumas son sistemas coloidales por la delgadez de las capas que rodean las burbujas de gas.

espuma

Procedimientos para crear espumas Insuflar las burbujas de gas a travs de la barrera porosa (vidrio vitrificado) en una solucin acuosa de protenas poco concentrada.

La emulsin gaseosa se destruye, debido a la subida de las burbujas y a la separacin del lquido y se separa una capa superior de verdadera espuma . Esto tiene un gran volumen de fase dispersa, con burbujas deformadas por compresin en estructuras polidricas.

Si se introducen grandes cantidades de gas se puede convertir completamente el lquido en espuma. La expansin del volumen puede ser de 10 a100 %.

Las espumas o batidos pueden obtenerse por batido o agitacin de una solucin acuosa de protena (ms concentrada) en presencia de una gran masa gaseosa, consigue mejor dispersin del gas por las fuerzas de cizalla. El aumento de volumen es entre el 300 y 2.000%

Un tercer procedimiento es bajar bruscamente la presin de una solucin previamente comprimida. Esta tcnica se utiliza, por ejemplo, cuando la crema batida se forma al distribuirla mediante un aerosol.

Diferencia entre emulsiones y espumas: en stas la fraccin de volumen ocupada por la fase dispersa (gas) vara en una escala mucho> que en las emulsiones. Las espumas son inestables porque tienen > sup en la interfase

Mecanismos de desestabilizacin1) Drenado o prdida de lquido de la lamina lquida por gravedad, diferencia de presin y/o evaporacin: La P interna en las burbujas viene dada por la ec. de la P capilar de Laplace:

2 P Patm R

Donde: P y Patm (Pa); es la tensin entre fases (N.m-1); R radio de curvatura de la burbuja (m)

2) Difusin del gas de las burbujas pequeas hacia las burbujas grandes, difusin que es posible por la disolucin de gas en la fase acuosa.

3) Rotura de la laminilla lquida que separa las burbujas de gas, esto provoca un aumento del tamao de las burbujas por coalescencia y conduce al derrumbe de la espuma. Tambin surge la rotura cuando las dos pelculas proteicas absorbidas se aproximan la una a la otra a una distancia de unos 50150 como resultado de la prdida de lquidos.

Factores que estabilizan las espumas:Baja tensin entre fases Fuerte viscosidad de la fase lquida Pelculas proteicas absorbidas resistentes y elsticas

Valoracin de las propiedades espumantesLa eleccin depende del modo de formacin de la espuma: insuflado, batido, agitacin.

Por lo general el poder espumante aumenta con la concentracin proteica en la fase lquida hasta alcanzar un mximo.La estabilidad de la espuma puede apreciarse midiendo el grado de prdida de lquido o derrumbe de la espuma alcanzado despus de un cierto tiempo. La firmeza o rigidez puede valorarse midiendo la capacidad de una columna de espuma para soportar una masa determinada o bien midiendo la m de la espuma. En algunos casos es interesante ver el comportamiento de la espuma durante el calentamiento (merengues, souffls), para la preparacin de estos alimentos se aade sacarosa a la solucin proteica antes o durante la formacin de la espuma. La protena de clara de huevo por excelentes cualidades espumantes suele emplearse como patrn de comparacin frente a otras protenas.

Factores ambientales que influencian la formacin y estabilidad de una espumaFuerte solubilidad buena capacidad espumante y estabilidad

Solubilidad

Insolubilidad (ej. PI) estabilizan espumas aumentando la m superficial buena capacidad espumante y estabilidad

La mayora de las espumas se preparan a pH diferentes del pI de las protenas. Sales: influencian la solubilidad, m, desdoblamiento y agregacin. El NaCl aumenta la prdida de lquidos y reduce la estabilidad de las espumas, el Ca(II) puede mejorar la estabilidad al formar uniones entre los grupos carboxlicos de la protena. Sacarosa y otros azcares: reducen la expansin de la espuma pero mejoran su estabilidad porque aumentan la m global. Las glicoprotenas de la clara de huevo, contribuyen a la estabilizacin de las espumas porque absorben y retienen el agua en las laminillas.

Lpidos: mnimas proporciones (0,1%) alteran las propiedades espumantes, ya que impiden una conformacin favorable de las pelculas de protenas adsorbidas al colocarse en la interfase aire-agua Tiempo de agitado: es preciso que la duracin e intensidad de la agitacin logre un desdoblamiento y absorcin adecuada de la protena, sin embargo una agitacin demasiado intensa, puede disminuir el crecimiento y estabilidad de la espuma (la clara de huevo es muy sensible al exceso de batido, un tiempo > 6-8 min produce agregacin parcial de las protenas, las cuales no se absorben correctamente en la interfase, disminuyendo la m de las laminillas y no produce una estabilidad adecuada) Tratamientos Trmicos: moderados realizados antes de la formacin de las espumas mejoran algunas propiedades espumantes de la P de soja (70-78 C), lactosuero (40-60C), clara de huevo y sangre.

Tratamiento trmicos ms enrgicos provocan una expansin del aire, descenso de viscosidad, rotura de burbujas (las espumas de clara de huevo conservan su estructura durante el calentamiento)