“LA INTERDISCIPLINARIEDAD EN LA INGENIERÍA QUÍMICA”

ESTUDIO COMPARATIVO DEL EFECTO EMULGELTE ENTRE PROTEÍNA DE SOYA Y GOMA ARÁBIGA A DIFERENTES pH

M. A. Puga-Medina a, H. Espinosa-Andrews b, N. Morales-Hernández b*

a Centro Universitario de Ciencia Exactas e Ingenierías, Universidad de Guadalajara Blvd. Marcelino García Barragán 1421, Guadalajara, Jalisco, 44430, México.

b Unidad de Tecnología Alimentaria, Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco A.C. Av. Normalistas 800, Colinas de la Normal. Guadalajara, Jalisco, 44270, México.

*nmorales@ciatej.mx Resumen El objetivo de este trabajo fue evaluar el perfil de carga en función del pH y tensión interfacial de dos biopolímeros empleando como materiales proteína de soya soluble (SS) o goma arábiga (GA), y su efecto en la formación de una emulsión en función del pH evaluando la carga de emulsión, expresada como potencial z, y la estabilidad al cremado de emulsiones. Se determinó el potencial zeta en función del pH para los biopolímeros de manera independiente, mostrando para la SS valores de +21.1±1.9y -29.5±3.3mV y para la GA de -13.5±0.8 y -21.7±0.2mV a pH 3.0 y 7.0 respectivamente. La tensión interfacial se evaluó a concentraciones de 1 a 4% (p/p) a pH de 3.0 y 7.0 para cada biopolímero. La SS disminuyó más la tensión interfacial, en comparación a la GA, obteniendo valores de 9.2±0.35 y 6.9±0.1mN/m a pH de 3.0 y 7.0, respectivamente. El cremado relativo de la emulsión (f=0.1 v/v) fue relacionado con la tensión interfacial de los biopolímeros y el potencial zeta de las emulsiones. Los resultados mostraron la siguiente tendencia: GA (pH 3.0)>GA (pH 7.0)>SS (pH 3.0)>SS (pH 7.0). Esto se debe a que el cambio de pH afecta los grupos ionizables de los biopolímeros, haciendo que estos se encuentren más disponibles, favoreciendo así la adsorción en la interfase agua-aceite y ayudando a la estabilidad de una emulsión. Introducción Las emulsiones son sistemas coloidales ampliamente empleados en la industria que están constituidas por tres regiones: fase dispersa, fase continua e interfase. Sin embargo, las emulsiones son termodinámicamente inestables debido a que el contacto entre las moléculas de aceite y agua son enérgicamente desfavorables, provocando una separación de fases [1]. Es posible formar emulsiones que sean estables mediante la adición de agentes emulsionantes, los cuales ayudan a disminuir la tensión interfacial, favoreciendo la estabilidad de la emulsión. Existen varios mecanismos que pueden contribuir a la inestabilidad de una emulsión, como es el cremado. El cremado es un fenómeno que ocurre debido a la separación de una emulsión en dos fases por diferencia de densidades, debido al efecto de la gravedad. Entre los biopolímeros más utilizados como ingredientes en la industria alimentaria se encuentran las proteínas y los polisacáridos. Sus características particulares determinan sus atributos tecnológicos en un alimento, como formación de geles, retención de agua, encapsulamiento o formación y estabilización de espumas y/o emulsiones. La goma arábiga es un polielectrolito de carga negativa que se obtiene de los árboles de acacia en la región del África subsahariana y que está compuesto principalmente por azúcares como galactosa, arabinosa, ramnosa y ácido glucurónico, además de poseer un contenido de proteína (~2% p/p) que le confiere su capacidad como emulsificante [2]. Aunado a su alta solubilidad y baja viscosidad a altas concentraciones, así como sus propiedades formadoras de barrera, este biopolímero es ampliamente utilizado.

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La proteína de soya es un ingrediente ampliamente usado debido al alto contenido de nutrientes y a las propiedades funcionales que posee [3]. Conteniendo como fracciones principales glycina (11S) y conglycina (7S), como emulsificante, la proteína de soya tiene la habilidad de reducir la tensión interfacial en la interface aceite-agua y promover la formación de glóbulos pequeños que ayudan a la estabilización de la emulsión [4]. Factores como pH, tensión interfacial y la concentración del biopolímero, se deben de tomar en cuenta para una buena adsorción del biopolímero en la interfase aceite-agua al momento de realizar una emulsión, por lo cual es importante caracterizar la distribución de carga de cada uno de los biopolímeros, para así determinar la capacidad de un material para adsorberse en la interfase agua-aceite, generando una emulsión más estable.El objetivo de este trabajo fue evaluar dicho parámetros en emulsiones hechas con proteína de soya soluble o goma arábiga. Metodología Materiales. El aislado de proteína de soya se adquirió en América Alimentos SA de CV (Zapopan, Jalisco), la goma Arábiga (GA) en ColloidesNatrules International (Rouen, Francia) y el aceite de cacahuate en Sesajal, SA de CV (Guadalajara, Jalisco). Preparación de soluciones de biopolímeros. Se preparó una solución de GA al 10% (p/p) dispersándola en agua desionizada y se dejó en agitación constante a temperatura ambiente por 18 horas para una mejor hidratación. La obtención de la fracción soluble de soya (SS), se realizó mediante un método modificado de extracción propuesto por Liu y col., [5]. Se dispersó el aislado de proteína de soya en buffer de TRIS-HCl 30mM a pH de 8.5 en una relación 1:15 y se agitó en un termobaño Boekel (BoekelScientific, Feasterville, PA.) a 40 °C por 1 h. Posteriormente, la dispersión se centrifugó a 9000 g en el equipo Hermle Z383K (HermleLabortechnik, Wehingen, Alemania) por 30 min a 4°C. El sobrenadante se recolectó y al precipitado se le realizó un segundo lavado empleando las mismas condiciones. Ambos sobrenadantes se mezclaron. Las soluciones se almacenaron a 4° C hasta su uso. Distribución de carga en función del pH. El potencial zeta se determinó realizando mediciones de la movilidad electroforética de la dispersión de biopolímeros al aplicarse un campo eléctrico. Para ello, las soluciones se prepararon a una concentración de 0.05% (p/p) y se colocaron en un titulador automático MPT-2 (Malvern Instruments, Worcestershire, UK) donde se ajustó el pH utilizando NaOH 0.1 N o HCl 0.1 N. El potencial zeta se midió en un Zetasizer Nano ZS90 (Malvern Instruments).Las mediciones se realizaron en un rango de pH 2.0 a 8.0, con un intervalo de 0.5 entre cada una y una tolerancia de ± 0.05 unidades. Tensión interfacial. Se prepararon diferentes concentraciones de los biopolímeros individuales, de 1.0 a 4.0% (p/p), y se determinó la tensión interfacial empleando aceite de cacahuate de acuerdo al método del anillo de Du Nouy usando un tensiómetro (CSC Scientific, Fairfax, EUA). Las soluciones al estar en contacto con la fase oleosa se dejaron reposar 30 min a 20 °C a pH 3.0 y 7.0 previo al análisis. Todas las mediciones se realizaron por duplicado. Preparación de la emulsión. Con base a los resultados obtenidos en la metodología anterior, se realizaron emulsiones con GA o SS al 4.0% (p/p) de concentración con aceite de cacahuate (f=0.1) en un Ultra-turrax T-25 (IKA-Werke, Alemania) homogenizando a 13500 rpm por 3 min a pH de 3.0 y 7.0.

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Carga de la emulsión. Se midió el potencial zeta de la emulsión a partir de la movilidad electroforética de los glóbulos usando un equipo de dispersión de luz, ZetasizerNanoseries ZS90. Se realizó una dilución 1:5 a las emulsiones empleando agua desionizada y se colocó en una celda tipo zeta dipcell Zen 1002 (Malvern Instruments, Worcestershire, Reino Unido) y se efectuaron las mediciones a 20 °C, por duplicado. Cremado relativo. Se evaluó la estabilidad al cremado relativo de las emulsiones al 4% (p/p) de cada biopolímero. Se colocaron en tubos para su centrifugación a 250rpm en 5diferentes intervalos de tiempo (1, 3, 5, 7 y 10 minutos). Posteriormente, se midió la longitud formada de cremado y se calculó el cremado relativo con respecto a la capa formada en una solución sin biopolímero. Resultados Distribución de carga en función del pH En la Figura 1 se muestra la distribución de carga de ambos biopolímeros en función del pH.

Se observa que la GA presentó una carga negativa durante todo el intervalo de pH, teniendo valores cercanos a la neutralidad por pH 2.0, debido al pKa de los grupos carboxílicos (1.8-2.2), alcanzando un valor estable de potencial zeta a un pH de 4.5 de 20 ± 2mV. Para la SS presentó un pI cercano a pH 4.35, por debajo de este punto, la proteína mostró valores positivos y a pH 2.0 se obtuvieron los valores máximos de potencial de 27.5±4.3mV y por arriba del pI se presentaron valores negativos, donde a partir de pH 7.0 se obtuvo valores por arriba de -30.0±3.3mV. Esto es debido a su composición de aminoácidos, los cuales están conformados por grupos carboxílicos y grupos amino.Existen resultados reportados tanto para la SS [6], donde se aprecia una tendencia similar en cuanto al comportamiento del perfil de carga pero se presentan cambios en los valores obtenidos que pueden atribuirse al proceso de extracción, el cual contribuye a la obtención de distintas fracciones solubles, para esta extracción de soya soluble se identificó la presencia de las fracciones 7S y 11S (datos no mostrados)

F�� 1. Potencial zeta de GA y SS en función del pH

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

-35

-30

-25

-20

-15

-10

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0

5

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Tensión interfacial La Tabla 1 muestra los valores de tensión interfacial de SS y GA evaluados a dos diferentes pH.

Se observó que ambos biopolímeros disminuyeron la tensión interfacial con respecto al agua; se muestra un comportamiento inverso entre la concentración de biopolímero y la tensión interfacial en los intervalos estudiados. El efecto del pH sobre la tensión interfacial resultó no ser significativo para la GA, mientras que en el caso de la SS, se obtuvieron los valores más bajos a (6.9±0.14mN/m) a un pH

de 7.0. Esto puede atribuirse al plegamiento de la estructura de la proteína con el pH, debido a que es más soluble en valores mayores de su pI, donde se tiene exceso de grupos carboxilos ionizados ocasionando una mayor repulsión entre las moléculas y sus grupos funcionales se encuentren menos impedidos y esto facilite mejor la adsorción de la SS en la interfase agua-aceite [7]. Mientras que a pH 3.0 se encuentran presentes fracciones de soya precipitada o aglomerada provocando que los grupos ionizables no estén tan disponibles. Carga de la emulsión

En la Tabla 2 se muestran los resultados obtenidos de potencial z de las emulsiones realizadas con SS y GA a pH de 3.0 y 7.0. Se observa que las emulsiones de ambos biopolímeros obtuvieron valores cercanos a aquellos que se presentan en el perfil de carga en la Figura 1.

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G& '( )*+ ,- ./ 012 SS ./ 412 ,- ./ 012

58.79±0.71 516.93±0.95 6710486109 524.4±0.72

El potencial zeta es un indicador de la carga superficial de una partícula, el cual puede ser utilizado para predecir y controlar la estabilidad de una emulsión. Entre mayor sea el valor absoluto de potencial zeta en una suspensión, más estable será ésta debido a que las partículas cargadas se repelen entre ellas y evitan la tendencia de agregarse [8]. Siendo así, la emulsión de SS soluble a pH 7.0 presenta los valores

T:;<=>; ?;@:ABCD=CE HIJKIL

aN OQaRRUVW XY ZQ[\Y]Wa XY ^[_a ^[`bc`Y

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hijki lm Tensión interfacial de SS y GA en función de dos pH

nop qrstop uvwuxov wuyrtrvxuop puzvuyuxosu{op |}~����� rvstr las concentración a un pH determinado para cada biopolímero.

hijki 2. Potencial zeta de emulsiones de SS y GA en función del pH

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mayores de potencial zeta debido a que sus grupos ionizables generan una mayor carga repulsiva por el posible arreglo que tiene la proteína a dicho pH. Cremado relativo En la Figura 2 se presentan los resultados obtenidos de cremado relativo de las emulsiones de ambos biopolímeros a dos diferentes pH y distintos tiempos de centrifugación. Se observa que las emulsiones de GA, en ambos valores de pH, presentan la mayor tendencia a desestabilizarse (88.29±2.41 y 85.30±3.71 % a pH de 3.0 y 7.0, respectivamente), mientras quelas emulsiones elaboradas con SS obtuvieron valores menores (65.97±3.08 y 49.60±4.32 a pH 3.0 y 7.0 respectivamente). Esto puede deberse a que las proteínas tienen la capacidad de adsorberse rápidamente en la interface formada cuando se homogenizan la fase acuosa y oleosa debido a que su estructura se desdobla y eso facilita la creación de glóbulos más pequeños [4] que ayudan a la estabilidad de una emulsión.La GA, por su parte, presenta habilidad como emulsionante debido a la fracción de proteína que tiene en su estructura pero, pero comparada con un biopolímero proteico es mínima su eficiencia desde el tiempo de 1minuto. Las emulsiones realizadas con GA presentaron una desestabilización mayor en comparación con las realizadas con SS.Este efecto puede ser relacionado con los resultados generados en la prueba de tensión interfacial y los valores obtenidos de carga de las emulsiones, ya que se presentó una tendencia similar.

Las letras indican diferencia significativa (p<0.05) en los tratamientos con respecto al tiempo de desestabilización Conclusiones La tensión interfacial, el pH y la concentración de biopolímeros son parámetros que influyen de manera directa en la generación de una emulsión. Las emulsiones preparadas con SS no solo presentaron los valores más bajos de tensión interfacial, sino que también se obtuvieron los valores mayores absolutos de potencial z, aspectos que señalan que la SS extraída tiene buenas propiedades emulgentes, en comparación a la GA, debido a que se generan emulsiones más estables al cremado, en especial a pH 7.0.

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������ 2. Cremado relativo a dos pH de emulsiones de GA y SS

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Referencias 1. McClements DJ.,“Food emulsions: principles, practice, and techniques”. CRC series in contemporary food science. 2nd

ed. Boca Raton: CRC Press, 2004 2. Anderson, D. M. W.; Howlett, J. F.; McNab, C. G. A. “The AminoAcid Composition of the Proteinaceous Component of

GumArabic (Acacia senegal(L.) Willd.)”. Food Addit. Contam, 2, 159-164, 1985. 3. Tang, X., Wu, Q., Le, G., Shi, Y., “Effects of heat treatment on structural modification and in vivo antioxidant capacity of

soy protein”. Nutrition, 28, 1180–1185, 2012. 4. Walstra, P., “Principles of emulsion formation”.Chemical Engineering Science, 48, 333–349, 1993. 5. Liu, C., Wang, H., Cui, Z., He, X.,Wang, X., Zeng, X., Ma, H.,“Optimization of extraction and isolation for 11S and 7S

globulins of soybean seed storage protein”. Food Chemistry, 102, 1310-1316, 2007. ©ª Malhotra, A., Coupland, J. N.,“The effect of surfactants on the solubility, zeta potential, and viscosity of soy protein

«¬­®¯°±¬”. Food Hydrocolloids, 18(1), 101–108, 2004. 7. Pelegrine, D. H. G., Gasparetto, C. A., “Whey proteins solubility as function of temperature and pH”. LWT-Food Science

and Technology, 38(1), 77-80, 2005. 8. Heurtault, B., et al., "Physico-chemical stability of colloidal lipid particles". Biomaterials. 24(23): p. 4283-4300, 2003.

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