Apuntes: Propiedades Funcionales de Aislados proteicos Ing. Rolando Gonzlez SOJA 1- Introduccin 1- 1 Historia y usos El cultivo de la soja (Glycine max (L)) se remonta a ms de 7000 aos, en China. Pero es recin en 1712 cuando es llevada a Europa por Engelbert Kaenpfer, un botnico alemn quien analiz en detalle varios de los productos japoneses a base de soja. La soja fue introducida en EEUU en 1804, siendo utilizada inicialmente como forraje. Alrededor de 1920 se comienza a utilizar el aceite en diversas aplicaciones. Recin en 1950 se comienza a usar en la alimentacin humana. En los ltimos 30 aos comienza la aplicacin de los derivados de soja en formulacin de alimentos de bajo costo, aprovechando el buen valor nutricional de sus protenas, que aunque son deficitarias en amino cidos azufrados, se destacan entre las de origen vegetal como aquellas con valor biolgico mas cercano al de las protenas crnicas y al de las casenas. Por razones de hbitos alimentarios, el uso de la soja en formulaciones alimentarias se ha extendido particularmente como aditivo funcional. No obstante, existe un mercado especial que demanda productos elaborados con soja como: porotos de calidad, harinas, concentrados y aislados proteicos, aceites y productos bebible semejantes a la leche. Se han desarrollado diversas tecnologas para obtener derivados proteicos y existe en el mercado una gama de productos que pueden ser utilizados como ingredientes por la industria alimentaria (crnica, productos horneados, productos dietticos, etc.). Los derivados de soja se dividen en tres grupos de acuerdo a su contenido en protenas: harina de soja, concentrados y aislados proteicos; a partir de los cuales varios tipos de productos se forman de acuerdo a su textura: polvos, granulados y fibrosos. Durante el proceso de obtencin de aislados y concentrados las protenas son sometidas a fraccionamientos, modificaciones qumicas, fsicas y enzimticas para cambiar y mejorar su funcionalidad y por lo tanto su aplicabilidad en bebidas, embutidos, salsas, tortas, blanqueadores de caf, mayonesas, aderezos, cremas congeladas, mousses, panes, productos lcteos, etc. Ciertos aislados comerciales son utilizados en la industria por la propiedad de modificar su estructura durante los procesos de coccin produciendo un aumento en la firmeza del producto final; caracterstica directamente vinculada a la propiedad funcional de gelificacin.

El estudio de los aislados proteicos de soja, fundamentalmente orientado a las propiedades fsico-qumicas y estructurales, vinculndolas con las propiedades funcionales del conjunto, es un campo de inters no solo para definir los usos posibles sino tambin para precisar las condiciones de proceso necesarias para obtener productos proteicos con posibilidades de aplicacin diferente. 1- 2- Composicin del grano de soja y caractersticas sus protenas Existen ms de 300 variedades de soja, que se distinguen en su color, tamao, forma y composicin. La semilla o grano comprende tres partes principales: la envoltura, los cotiledones y el hipocotiledon, cuyas porciones promedio respectivas se detallan en la siguiente tabla:

Porcentaje ponderado de la semilla Grano entero Cotiledon Envoltura Hipocotiledon 100 90 8 2

Composicin (% P/P seco) Protena (Nx 6.25) 40 43 8.8 41 Lpidos 20 23 1 11 Glcidos (incluye fibras) 35 29 86 43 Cenizas 4.9 5.0 4.3 4.4

Aproximadamente un 85-95% de las protenas de reserva del grano de soja son globulinas, protenas insolubles en agua cerca de su punto isoelctrico (pH 4.2-4.6) pero solubles en soluciones salinas diluidas o a pH neutro o ligeramente alcalino. La globulinas de soja generalmente son clasificadas por su coeficiente de sedimentacin: 2S, 7S, 11S y 15S., siendo las mas importantes la 7S y la 11S. Las fracciones 7S y 11S tienen una estructura cuaternaria compleja y una elevada tendencia a sufrir reacciones de asociacin-disociacin, tienen un bajo contenido de -hlice y estn compuestas principalmente por estructuras -antiparalelas y random coil. La presencia de grupos SH y uniones SS es de importancia porque estos residuos tienen mucha influencia en la funcionalidad. La globulina 7S o -conglicinina es una glicoprotena formada por tres tipos de subunidades: , y . La estructura cuaternaria se encuentra estabilizada por interacciones de tipo hidrofbico. La globulina 11S tambin llamada glicinina, presenta una estructura constituida por 6 subunidades no idnticas. Cada subunidad esta compuesta por dos componentes polipeptdicas, uno con punto isoelctrico cido y el otro bsico. Estos polipptidos estn unidos por una unin disulfuro.

Como ya se ha dicho, durante el proceso de elaboracin de aislados de soja se realizan diversos tratamientos que afectan a la estructura proteica provocando cambios en la funcionalidad (solubilidad, absorcin de agua, gelificacin, etc.). En los aislados del tipo comercial la informacin acerca de estos tratamientos no esta disponible ya que son procesos protegidos por patentes. Las protenas de soja son sensibles a tratamientos fsicos y qumicos que tienen poco o ningn efecto sobre otros componentes. La aplicacin de calor hmedo y alteracin del pH son ejemplos de tratamientos que pueden cambiar las propiedades fsicoqumicas de las protenas de soja, tal como su solubilidad, su viscosidad y su peso molecular. Tales modificaciones han jugado un rol importante en el desarrollo de protenas de soja para la alimentacin humana. 2- PROPIEDADES FUNCIONALES 2-1 Definiciones El trmino propiedades funcionales puede ser definido como toda propiedad no nutricional que influencia la utilidad de un ingrediente en un alimento Las propiedades funcionales son propiedades fisicoqumicas que determinan que una protena pueda ser utilizada como ingrediente de un alimento, debido a que es capaz de impartirle caractersticas deseadas, ya sea estructurales u organolpticas. Las protenas forman parte de estructuras alimentarias complejas y es importante el conocimiento especfico de su funcin como ingredientes. Propiedades como solubilidad, capacidad de hinchamiento, viscosidad, textura, absorcin de agua y grasa, capacidad de emulsificacin, de espumado y de gelificacin son de inters general. La viscoelasticidad del gluten, la anfipaticidad de las casenas, las propiedades estructurales de las miofibrillas y la tendencia del colgeno y la gelatina a formar geles (redes), reflejan diferencias en su estructura primaria y en sus caractersticas de plegamiento (por ej., modificaciones conformacionales e interacciones protena-protena). En la siguiente tabla se muestran algunas de las propiedades funcionales que son importantes para la elaboracin de diferentes alimentos. Estas propiedades varan con la temperatura, concentracin de protena, fraccin proteica y de las condiciones de pH, fuerza inica y constante dielctrica del medio. Tambin son afectadas por el tratamiento, interaccin con otras macromolculas, por las condiciones de proceso y por modificaciones por mtodos fsicos, qumicos y enzimticos.

Alimento Bebidas Confitera Salsas Panificacin Productos Lcteos Productos Crnicos

Propiedad funcional Solubilidad a diferente pH, estabilidad al calor, viscosidad Dispersabilidad, emulsificacin Viscosidad, emulsificacin, retencin de agua Absorcin de agua, emulsificacin, espumado, pardeamiento. Emulsificacin, retencin de materia grasa, viscosidad, espumado, gelificacin, coagulacin Emulsificacin, gelificacin, cohesin, absorcin, retencin de agua y materia grasa

Estas propiedades bsicas pueden ser utilizadas como indicadores de su comportamiento en el producto final, pero en muchos casos es inevitable un ensayo bajo las condiciones prcticas. La mayor parte de los alimentos formulados son espumas, emulsiones, o productos similares a geles por lo tanto, para que las protenas puedan utilizarse como ingredientes de estos productos, deben poseer propiedades funcionales relacionadas con la solubilidad, la capacidad de espumado, la emulsificacin y la gelificacin, segn sea el caso. La creciente demanda mundial de alimentos, as como el aumento de las exigencias de los consumidores, respecto a la calidad y variedad de los mismos, hace del estudio de las propiedades funcionales de las protenas un campo de creciente importancia. 2-2 Clasificacin de las propiedades funcionales: Estas propiedades pueden

clasificarse en: i. propiedades de hidratacin, dependientes de la interaccin protena-agua ii. propiedades dependientes de las interacciones protena-protena iii. propiedades superficiales En el primer grupo (i) se incluyen propiedades tales como: absorcin y retencin de agua, solubilidad, viscosidad, hinchamiento, adhesin y dispersabilidad. El segundo grupo (ii) interviene en fenmenos tales como: precipitacin, gelificacin y formacin de otras estructuras diferentes (fibras y pastas proteicas, por ejemplo). El tercer grupo (iii) se refiere a las propiedades de emulsificacin y espumantes de las protenas. Estos grupos no son totalmente independientes. La viscosidad y la solubilidad dependen tanto de la interaccin protena-protena como de la interaccin protena-agua. 2- 3 Propiedades de hidratacin 2-3.1- Humectabilidad, dispersabilidad y absorcin de agua La interaccin de la protena con el agua al hidratarse, hincharse o solubilizarse determinar la capacidad de esa protena para impartir las propiedades funcionales deseadas al alimento. Al considerar la hidratacin progresiva de un alimento se puede observar lo siguiente: Las primeras etapas estn relacionadas con la adsorcin y absorcin de agua, mientras que la dispersibilidad y la viscosidad involucran la solvatacin y la solubilidad de la protena. Estas ltimas etapas son necesarias tambin para las propiedades de espumado y emulsificacin.

Las propiedades higroscpicas de los polvos proteicos pueden afectar marcadamente sus propiedades funcionales as como su estabilidad durante el almacenaje. Estos se ha observado en aislados de protena de pescado, aislados de soja y en casenas. La adsorcin de agua durante el almacenaje puede favorecer adems, reacciones qumicas tales como el pardeamiento y resultar en polimerizacin de la protena. La temperatura, el pH, la fuerza inica de los solventes y el grado de agitacin son los factores que mas afectan la dispersabilidad. Otro trmino muy utilizado en la literatura es el swelling o hinchamiento. Esta es una propiedad muy importante en alimentos tales como carnes procesadas y masas, donde las protenas deben embeberse y retener agua sin disolverse confirindoles cuerpo, espesamiento y viscosidad. Existe una relacin muy estrecha entre la viscosidad y el hinchamiento y los factores que afectan la viscosidad tambin afectan el hinchamiento; es decir, concentracin de protenas, pH y temperatura afectan positivamente el hinchamiento y la viscosidad, mientras que el NaCl los deprime.

ADSORCINvapor de agua

POLVO DESHIDRATADOagua lquida

HINCHAMIENTO

ABSORCIN

SOLUBILIZACIN

2- 3-2- Solubilidad La solubilidad de una protena estara indicando la capacidad de una miscela proteica de formar una dispersin coloidal, involucrando varios procesos concatenados: mojado, hinchamiento y disolucin. La solubilidad es una propiedad importante generalmente evaluada a travs del ndice de Solubilidad de Nitrgeno (NSI) o del Indice de Dispersabilidad de Protena (PDI). Los datos de solubilidad de protenas se ven muy influenciados por la naturaleza del solvente utilizado (pH, fuerza inica, temperatura), tiempo de agitacin, historia previa de la protena y condiciones de extraccin.

Para obtener funcionalidad en usos tales como gelificacin, actividad emulsionante y espumado es necesario una protena soluble. Las protenas con baja solubilidad tienen usos limitados a aquellos alimentos que requieren alta capacidad de absorcin de agua o alta contribucin a la viscosidad. Los tratamientos con lcali, generalmente mejoran la solubilidad de las protenas de soja, particularmente si el pH excede los 10.5 causando disociacin y desagregacin de las protenas Los tratamientos trmicos en general reducen la solubilidad de la mayora de las protenas. En estos casos el grado de solubilidad puede ser tomado como un ndice de desnaturalizacin 2- 3-3- Viscosidad Los conocimientos sobre la viscosidad y propiedades de flujo de las dispersiones proteicas son de importancia prctica en la formulacin de alimentos (control de textura), particularmente para alimentos fluidos tales como: sopas crema, bebidas, etc. No obstante, para el caso de sistemas concentrados tales como el de las carnes cocidas la caracterizacin reolgica se complica ya que las caractersticas viscoelsticas deben tenerse en cuenta. La viscosidad de las dispersiones proteicas es influenciada por las propiedades hidrodinmicas de los componentes, por ejemplo: tamao y forma de la partcula. Estas a su vez son afectadas por el pH, fuerza inica y tratamientos durante el procesamiento que alteran la conformacin, la estructura, grado de agregacin, hidratacin e hinchamiento. La viscosidad de un fluido ( ) se define como la friccin interna de un material o su resistencia al flujo. Su expresin matemtica est determinada por la relacin entre el esfuerzo de corte ( esfuerzo de corte), = /D

o fuerza por unidad de rea tangencial) y el gradiente de velocidad

(D o variacin de la velocidad en la direccin perpendicular al plano de aplicacin del

La viscosidad o coeficiente de viscosidad se expresa en poises (dinas*s/cm) o Pa*s, correspondiendo a 1 poise 0,1 Pa*s., la viscosidad es una constante, solo dependiente de la temperatura y la composicin. Para un fluido no-newtoniano, la relacin

= D, no es

lineal. Para estos casos la viscosidad puede crecer (fluido dilatante) o disminuir (fluido pseudoplstico) con el aumento de D. Entonces la viscosidad para dado valor de D se expresa como viscosidad aparente.

app= /DPara describir el comportamiento del fluido se realiza el reograma. La clasificacin del comportamiento reolgico para fluidos est basado en ese comportamiento.Fluido

Viscoso

Plastico

No Newtoniano

Newroniano

No Binghan

Binghan

Viscoelastico

Viscoinelastico

Plastoelstico

Plastonoelstico

Los fluidos no newtonianos pueden ser viscoelsticos o viscoinelsticos. Los viscoelsticos son aquellos que presentan una deformacin viscoelstica y tienen un comportamiento reolgico de caractersticas tanto de slido (componente elstico), como de lquido (componente viscoso). Los alimentos slidos son en mayor o menor medida viscoelsticos. Los fuidos viscoelsticos son fluidos que al someterlos a un esfuerzo constante presentan una deformacin que varia con el tiempo de aplicacin y al llevar el esfuerzo a 0, presenta una cierta recuperacin de la deformacin efectuada. Los fluidos viscoinelsticos son aquellos en que la relacin esfuerzo de corte vs. gradiente de velocidad no es lineal y no presentan recuperacin, luego de la aplicacin del esfuerzo. Estos pueden ser clasificados como independientes o dependientes del tiempo. Los fluidos no newtonianos (o viscoinelsticos), independientes del tiempo son aquellos en que a una temperatura constante, su viscosidad depende nicamente de la magnitud del esfuerzo de corte o del gradiente develocidad. Son los ya mencionados pseudoplsticos y dilatantes. Los fluidos no newtonianos (o viscoinelsticos) dependientes del tiempo se clasifican en tixotrpicos o reopcticos. Los fluidos tixotrpicos son aquellos en que a una temperatura y gradiente de velocidad constante, presentan una disminucin del esfuerzo de corte (o de viscosidad). Los reopcticos son aquellos fluidos que a una temperatura y gradiente de velocidad constante presentan un aumento en el esfuerzo de corte (o de la viscosidad). Los fluidos plsticos de Bingham son aquellos en que la relacin esfuerzo de corte y gradiente de velocidad es lineal, aunque la curva no parte desde el origen, ya que requieren un cierto esfuerzo inicial (o ( < 0 0

) para que comiencen a fluir. Para esfuerzos de corte pequeos

) se comportan como slidos.

Fluidos plsticos no Bingham son aquellas materiales plsticas que presentan una relacin no lineal entre el esfuerzo de corte y el gradiente de velocidad. Se clasifican en plastoelsticos y plastoinelsticos, si tras ser sometidos al esfuerzo presentan reversibilidad parcial o total a la deformacin. La medida de viscosidad para un sistema diluido puede ser utilizada para estimar el peso molecular utilizando la viscosidad intrnseca y los parmetros de la ecuacin propuesta por Mark Houwink:

[ ] = K M ndonde [] : viscosidad intrnseca, M: peso molecular, K y n: parmetros de Mark Houwink. No obstante para sistemas compuestos por mezclas de protenas de distinto PM, el peso molecular medio obtenido es cuestionable, ya que el radio hidrodinmico de cada especie es alterado por el medio(concentracin, fuerza inica) de manera diferente. A medida que la concentracin aumenta la viscosidad de la dispersin proteica va aumentando, al principio de manera lineal y luego, a partir de una cierta concentracin crtica, el incremento es de mayor orden el cual depende del tamao y forma de las partculas; pudindose utilizar la siguiente expresin: =K C m

donde: n= viscosidad a un gradiente de velocidad constante C: concentracin en g/100g K y m: parmetros de la regresin. Superada la concentracin crtica (alejamiento del rgimen diluido) las partculas hidratadas interaccionan entre s. Tales interacciones se hacen ms evidentes cuando mayor es el radio hidrodinmico y mayores son las fuerzas de atraccin entre partculas. Estas fuerzas de interaccin determinan el comportamiento viscoelstico de las dispersiones concentradas. Por lo tanto es importante destacar que la evaluacin de la viscosidad es dependiente del tipo de fluido. La viscosidad de dispersiones diluidas puede ser medida utilizando viscosmetros, pero cuando se trata de sistemas tan complejos como las pastas y emulsiones crnicas, la utilizacin de remetros es necesaria para caracterizar reolgicamente al sistema. Cuando se trata de alimentos con caractersticas de slidos, la evaluacin de las propiedades mecnicas, utilizando compresmetros es una buena alternativa. 2-4- Propiedades de interaccin protena-protena 2- 4-1 Viscosidad Se la incluye tambin para este caso, ya que la viscosidad de una dispersin cambia cuando ocurren fenmenos de asociacin-disociacin o de agregacin proteica. 2- 4- 2 Gelificacin

Los geles de protenas estn formados por matrices tridimensionales o mallas de polipptidos parcialmente asociados en los cuales existe agua retenida. La habilidad de una protena de formar geles y proveer una matriz estructural para retener agua, sabores, azcares y dems ingredientes, es til en la aplicacin alimentaria. Esta propiedad es la base de carnes procesadas y as como de muchos alimentos orientales texturizados. La gelificacin inducida por calor es muy importante en productos crnicos, adems de otros como el tofu. Una de las caractersticas ms salientes de los geles de protenas de soja es su elevada capacidad de retencin de agua, en comparacin por ejemplo con las protenas de leche. Esta propiedad resulta indeseable en quesos donde se desea que ocurra sinresis pero resulta de utilidad en emulsiones crnicas y yogurt . Los geles proteicos pueden ser divididos en dos tipos: los formados por agregacin al azar y aquellos formados por asociacin de molculas o cadenas en forma mas ordenada. Se denomina gelificacin cuando las molculas desnaturalizadas se agregan para formar una red proteica ordenada. En la mayora de los casos es indispensable un tratamiento trmico para conseguir la gelificacin. Puede necesitarse un enfriamiento posterior y a veces resulta aconsejable una acidificacin ligera. Asimismo, puede necesitarse una adicin de sales, lo que aumenta la velocidad de gelificacin y/o firmeza del gel. No obstante varias protenas pueden gelificar sin calentamiento, con solo una hidrlisis enzimtica moderada, una simple adicin de iones calcio. Aun no se conocen totalmente el mecanismo y las interacciones relativas a la formacin de la red proteica tridimensional caracterstica de los geles. No obstante, prcticamente, todos los estudios sealan la necesidad de una desnaturalizacin y un desdoblamiento de la protena, como pasos previos a la interaccin ordenada protena-protena y agregacin. La formacin de la red proteica se considera como resultado de un equilibrio entre las interacciones protena-protena, interacciones protena-disolvente (agua) y entre las fuerzas atractivas y repulsivas. Las fuerzas atractivas las representan las interacciones hidrfobas (acrecentadas a temperaturas elevadas), electroestticas (tales como los enlaces con los iones Ca2+ y otros divalentes), enlaces puente hidrgeno (aumentados por enfriamiento) y/o uniones disulfuro. Su incidencia respectiva puede variar en funcin de la naturaleza de la protena, las condiciones del medio y las diversas etapas del proceso de gelificacin. Las repulsiones electrostticas, (sobre todo a pH alejados del punto isoelctrico) y las interacciones protenaagua, tienden a mantener separadas las cadenas polipeptdicas. Las atracciones proteicas intermoleculares (y la gelificacin) se producen mas rpidamente con concentraciones proteicas elevadas, dada su mayor probabilidad de contactos intermoleculares. El establecimiento de uniones covalentes disulfuro conduce, habitualmente, a la formacin de geles trmicamente irreversibles, como ocurre con los geles de ovoalbmina. Los

geles de gelatina, que se estabilizan fundamentalmente por enlaces hidrogeno, funden por calentamiento (alrededor de 30C) y el ciclo de gelificacin-fusin puede repetirse varias veces. Los geles de protena de soja tienen un comportamiento intermedio y su consistencia disminuye cuando la temperatura de calentamiento sobrepasa 80C. Algunas protenas de naturaleza diferente pueden formar geles cuando se calientan juntas (cogelificacin). Las protenas tambin pueden formar geles por interaccin con agentes polisacridos gelificantes, por ejemplo: las interacciones inicas no especficas entre la gelatina cargada positivamente y los alginatos o pectinatos cargados negativamente que producen geles de alto punto de fusin (80C). Existen numerosos geles bajo forma de estructura hidratada fuertemente expandidos y con ms de 10 g de agua por g de protena y con otros diferentes constituyentes atrapados en la red proteica. Por esto, algunos geles proteicos pueden llegar a contener hasta un 98% agua; aunque una gran parte de esta agua tenga propiedades idnticas a las del agua de una solucin salina diluida, est retenida fsicamente y no puede expulsarse con facilidad. Existen diferentes hiptesis para explicar las fuerzas responsables de la gran capacidad de retencin de agua de los geles. Es posible que despus de la desnaturalizacin trmica de las estructuras secundarias, grupos libres CO2- y NH+ de los enlaces peptdicos procedan, respectivamente de zonas polarizadas negativa y positivamente a lo largo de la cadena polipeptdica y creen as un sistema extendido de capas sucesivas de agua. Despus del enfriamiento, las molculas proteicas pueden reunirse, formando de nuevo enlaces hidrgeno de manera que reproduzcan la estructura necesaria para englobar el agua libre. Tambin es probable que los poros de la red proteica retengan el agua capilar. Partiendo de una solucin acuosa de protenas, las primeras etapas de gelificacin trmica son, corrientemente las siguientes: 1. Disociacin reversible de la estructura cuaternaria en subunidades o monmeros (la disociacin irreversible de polmeros naturales tambin pueden constituir la primera etapa de la desnaturalizacin) 2. Desnaturalizacin irreversible de estructuras secundaria y terciaria (el (PN) n PN n PD (1) desdoblamiento an es frecuente parcial):

donde PN es la protena natural, PD es protena desnaturalizada y n un nmero pequeo conocido.

Aunque el estado gelificado final corresponde a agregados de protenas parcialmente desnaturalizado, (PD)x, no se sabe siempre con cual de los esquemas siguientes est implicado:

x PN x PN

(PN)x xPD

(PD)x (PD)x

(2) (3)

Corrientemente la primera parte de la ecuacin (2) se considera aplicable a las reacciones de floculacin, mientras que la segunda parte lo sera ms generalmente para las reacciones de coagulacin grosera. En las condiciones mas favorables a la desnaturalizacin que a la agregacin (fuerte carga proteica neta a pH bajos o elevados, fuerzas inicas muy dbiles, presencia de ciertos iones, presencia de agentes disociantes, tales como urea, guanidina, detergentes), el calentamiento produce reacciones segn el esquema de la ecuacin (3). A medida que la etapa de agregacin sea ms lenta con relacin a la desnaturalizacin, ms fcilmente podrn orientarse 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 sinresis y exudacin. Por el contrario, los geles formados por partculas proteicas, groseramente agregados, son opacos, poco elsticos y claramente inestables (sinresis y exudacin). La observacin de los geles al microscopio electrnico de barrido, indica que el fenmeno responsable de estas diferencias de comportamiento es una agregacin irregular (no ordenada), de los constituyentes proteicos que se produce a temperaturas iguales o superiores a 90C. El gel formado es mas heterogneo y comporta a la vez grandes agregados proteicos (responsables del aumento de dureza) y grandes agujeros llenos de una fase acuosa fcilmente extrable al comprimir. Por lo tanto, una temperatura elevada favorece las interacciones protena-agua. La adicin de cloruro de sodio o el ajuste al pH isoelctrico, tiene efectos anlogos, porque implica una supresin de las repulsiones electrostticas entre las cadenas polipeptdicas. La desnaturalizacin es frecuentemente un requisito para que tenga lugar la formacin del gel, pero tambin pueden formarse geles amorfos o pastas de protenas y desnaturalizadas, como as tambin geles a partir de protenas nativas en ciertas condiciones. Un pre-requisito absoluto para que ocurra la formacin del gel es la interaccin entre molculas proteicas, cadenas o agregados de manera de formar una red tridimensional ms o menos ordenada y estable en el espacio dependiendo del origen y las caractersticas de las molculas puestas en juego. Cuanto mas ordenada sea esta estructura se obtendrn geles mas transparentes Por lo expuesto, el calentamiento de la protena por encima de la temperatura de desnaturalizacin no es la nica etapa crtica en el proceso de gelificacin trmica. La tendencia de la protena a replegarse durante el rgimen de enfriamiento juega un papel importante en la

formacin del gel, como as tambin evitar la recuperacin completa de la estructura proteica, que evitara la gelificacin. La presencia de estructuras secundarias dentro del gel, afecta sus caractersticas reolgicas, ya que, por ejemplo, la presencia de estructuras permite el establecimiento de interacciones - a travs de puentes de hidrogeno lo que le da mas fuerza a la estructura del gel. Otro factor importante es el tamao molecular de los agregados que forman parte del gel, en general cuanto mas grandes son estos agregados mas fuerte es el gel. La zona de pH en la cual se produce la gelificacin se ensancha con el aumento de la concentracin proteica. Esto indica que los numerosos enlaces disulfuro e interacciones hidrofbicas y formados con fuerte concentracin proteica pueden compensar las fuerzas electrostticas de repulsin inducidas por la alta carga neta de la protena (a pH alejados del puntos isoelctrico). En el punto isoelctrico, la ausencia de fuerzas repulsivas conduce a la formacin de un gel menos expandido, menos hidratado y menos consistente. Las protenas que poseen altos porcentajes de aminocidos hidrfobos (> 31.5% sobre una base molar) tales como la hemoglobina, catalasa, ovoalbmina y ureasa, tendrn, en general, zonas de pH de gelificacin dependiente de la concentracin proteica, mientras que los que tengan un dbil porcentaje de aminocidos hidrfobos (22-31.5%) tales como las -globulinas, -quimiotripsina, protrombina, seroalbmina, conalbumina, ovomucoide, gelatina y las protenas de soja, no presentan modificaciones de la zona de pH de gelificacin, cuando la concentracin proteica vara. Esta diferencia de comportamiento puede servir de base para clasificar los geles obtenidos por calentamiento: 12las protenas tales como ovoalbmina que precipitan por el calor a baja las protenas, tales como gelatina que permanecen solubles con baja concentracin concentracin proteica y dan, a alta concentracin un gel opaco. proteica durante el calentamiento y dan un gel claro y termorreversible con concentracin alta. 2- 5 Propiedades de superficie 2- 5-1- Emulsificacin 2- 5-1.a- Definicin Las emulsiones son dispersiones de dos lquidos no miscibles, de los cuales uno se encuentra bajo la forma de pequeas gotitas y el otro bajo la forma de una fase continua dispersa. La habilidad de una protena para actuar como agente emulsionante y espumante depende tanto de su velocidad de migracin a la interfase como de su capacidad de formar un film estable, pero los requerimientos estructurales son diferentes si se desea que acte como agente espumante o emulsionante. Teniendo en cuenta que todo lquido considerado

separadamente, tiende a reducir al mximo su superficie en contacto con el aire o con otro lquido no miscible, la creacin de una superficie interfacial importante exige un aporte de energa Es proporcional a la superficie A y a la tensin interfacial (12 a 25 dinas cm-1 para la mayora de las interfases aceite-agua).

Es = A . Este trabajo reversible necesario para formar el film interfacial permanece en el sistema como energa potencial, el sistema es termodinmicamente inestable y rpidamente se producirn las transformaciones necesarias para reducir esa energa, en este caso por reduccin del rea interfacial. Por lo expuesto anteriormente, la obtencin de una emulsin es un proceso dinmico y altamente energtico, el rea interfacial se crea generalmente por homogeneizacin a alta presin y las gotas nacientes deben ser rpidamente protegidas contra la coalescencia prematura mediante la adsorcin de un agente emulsificador en la interfase. 3-5.1.b- Estabilidad Sin embargo, la emulsin resultante es inestable a causa de tres fenmenos de desestabilizacin fundamentales 1- Cremado Debido al movimiento ascendente de las gotas de una emulsin que tienen menor densidad que el medio que las rodea. La formacin de la crema o flotacin de las gotitas es debida a las fuerzas gravitacionales y corresponde a la ecuacin de Stokes: v = 2 rr g p / 9 dondev: velocidad de cada o de subida de la gotita r: radio de la gotita g: aceleracin de la gravedad p: diferencia de densidad entre las dos fases lquidas : coeficiente de viscosidad de la fase continua

2- Floculacin Es una agregacin de gotas provocada por la brusca supresin de cargas elctricas y por tanto de las repulsiones electrostticas entre gotitas, debido a la modificacin de pH y/o fuerza inica. Por ello las gotitas se aglomeran de manera irregular quedando separadas las unas de las otras por una delgada capa (laminilla) de fase continua. La floculacin aumenta el tamao aparente de las gotitas y por lo tanto la velocidad de formacin de crema. La velocidad con que

se producir el proceso de floculacin depender del balance de fuerzas atractivas y repulsivas entre las partculas adsorbidas en la interfase3-

Coalescencia

Es un fenmeno espontneo, desde el punto de vista termodinmico que presupone un aumento progresivo de tamao (y de dispersin del tamao) de las gotitas y conduce finalmente a la separacin de las dos fases en dos capas separadas por una interfase plana y de superficie mnima. La sedimentacin, la floculacin, las colisiones debidas a movimientos brownianos u otros movimientos de agitacin, agrupan las gotitas entre si y motivan la coalescencia. Representacin esquemtica de los mecanismos de desetabilizacin de una emulsin.

EMULSION

CREMADO FLOCULACION COLISION

COALESCENCIA

Sin embargo, diversos fenmenos tienden a estabilizar las emulsiones:1-

Un gran exceso de protenas normalmente aumenta la estabilidad. Estos implica

alto peso molecular y a menudo concentraciones de protenas en el medio relativamente altas. La presencia de estos films con fuertes impedimentos estricos evitan tambin la coalescencia.2-

La repulsin electrosttica se puede aumentar por la presencia de cargas

electrostticas del mismo signo en la superficie de las gotitas dispersas a causa de ionizacin o

de adsorcin de iones. Esta repulsin electrosttica se opone a las fuerzas de atraccin de Van der Waals entre gotitas.3-

Formacin de capas de hidratacin alrededor de la gota de aceite por lo que los una dbil tensin interfacial entre las dos fases puede estabilizar una emulsin tamao de gotas grandes son relativamente mas inestables que las gotas chicas.

grupos hidroflicos orientados por el agua estn presentes en la interfase4-

permitiendo deformaciones de las gotas.5-

De acuerdo con la ley de Stokes disminuyendo el tamao de gota decrece la velocidad de cremado. El tamao de la partcula depender de la energa entregada al sistema y del tipo de eumlsificador utilizado. La concentracin de gotas de una emulsin y el tamao de las mismas son parmetros claves en la determinacin del tiempo de desestabilizacin.6-

la cantidad del solvente afecta las repulsiones estricas. Agregando sal a una fase de acuerdo a la ley de Stokes se puede disminuir la velocidad de cremado por disminuyendo la diferencia de densidades ( ), disminuyendo la velocidad de

continua acuosa normalmente disminuye las repulsiones estricas.7-

aumento de la viscosidad de la fase continua.8-

cremado. De las dos principales macromolculas alimenticias -carbohidratos y protenas- son las protenas las que predominan en la mayora de las espumas y emulsiones. La preponderancia de las protenas sin duda refleja su gran hidrofobicidad comparado con los polisacridos y a su vez sta refleja el amplio espectro de la naturaleza qumica de los aminocidos que la constituyen, que van desde cadenas carbonatadas hasta hidrocarburos aromticos y desde grupos no polares hasta ionizables. Adems existe la posibilidad de modificar las cadenas laterales para variar la funcionalidad superficial. La protena difunde y se adsorbe en la interfase. La cadena de polipptidos puede desenrollarse hasta un determinado grado y dispersarse en la interfase (desnaturalizacin superficial). Los residuos de polipptidos en la interfase pueden interactuar con los residuos de las molculas de protenas de la vecindad y ensamblarse y formar una malla continua o precipitar (coagular) en la interfase. Esta etapa va acompaada de un aumento de la presin superficial (disminucin de la tensin interfacial). La prdida de la estructura en el paso de desnaturalizacin esta asociado con la estructura terciaria y cuaternaria. La caracterstica ms importante, responsable de las propiedades emulsionantes de una protena soluble, es su tendencia a difundirse hacia la interfase y adsorberse. Desde el momento que parte de una molcula entra en contacto con la interfase, los residuos de aminocidos no polares se orientan hacia la fase no acuosa, la energa libre del sistema desciende y la protena restante se adsorbe espontneamente. Durante el proceso de adsorcin la mayor parte de las

protenas se despliegan completamente y si hay disponible una gran superficie se extienden en una capa monomolecular. Muchos autores consideran que cuanto mas hidrfoba es la protena mas elevada ser la concentracin proteica en la interfase y menor la tensin interfacial. A baja concentracin la capa de protena adsorbida puede tratarse como un gas bidimensional con molculas desenrolladas tanto como su estructura terciaria lo permita y la velocidad de adsorcin ser controlada por difusin. A medida que aumenta la concentracin, se genera una barrera electrosttica sobre el lado acuoso de la interfase a raz de la orientacin preferencial de los grupos cargados de las protenas hacia la fase acuosa polar. Las molculas proteicas deben tener suficiente energa cintica para superar la barrera electrosttica y comprimir las molculas ya adsorbidas en la interfase para permitir la adsorcin de nuevas molculas. Existir una barrera de energa de activacin y la habilidad de las molculas de protena de crear espacio en el film existente, penetrar y reacomodarse ser el paso determinante de la velocidad de adsorcin. A pesar de su gran tamao, una vez que la cadena polipeptdica arriba a la interfase esta se adsorbe rpidamente. Para que ocurra la adsorcin solo es necesario que una pequea seccin de la macromolcula entre en la regin interfacial. Las molculas que han sido ya adsorbidas tienen un efecto inhibitorio sobre otras molculas que se quieren adsorben. Las ultimas que arriban, aunque tengan que establecer solo una pequea regin de contacto con la interfase para llegar a ser parte del film interfacial, se encuentran con una barrera fsica provista por los movimientos dinmicos de los rulos y las colas. Adems, existe una barrera elctrica a menos que el sistema est muy cercano al punto isoelctrico. La estabilidad de una emulsin es una estabilidad cintica, el sistema no es estable termodinmicamente. En realidad, las dos fases separadas estn en estado estable por lo cual las emulsiones se mueven en forma espontnea e irreversible en esa direccin. 2- 6 Espumado La capacidad de las protenas de formar espumas estables es una propiedad importante en tortas, souffles, coberturas batidas, etc. El proceso de formacin de espumas es mas lento que el de una emulsin ya que el aire se va incorporando gradualmente a medida que se produce la migracin de las molculas hacia la interfase y la reduccin de la tensin superficial por la desnaturalizacin parcial de la protena en la interfase. Durante el perodo en que se incorpora el aire se da el tiempo suficiente para que la molcula proteica se desenrolle y forme un film coherente y continuo, hecho que no ocurre durante una emulsificacin. Otra diferencia es que existe un exceso de fase dispersa (aire). Adems para que se forme una lamella estable es necesario que no haya repulsiones

electrostticas entre los componentes del film, cuanto mas estructurada sea la protena ms rgido y cohesivo ser el film. Los requerimientos estructurales para que una molcula sea un buen agente espumante son, en primer lugar que sea soluble, pequea y flexible para que pueda absorberse rpidamente a la interfase y cubrir la superficie recin formada. Adems debe interactuar inmediatamente con las molculas adyacentes para formar un film estable. Para cumplir con estos dos requerimientos debe ser anfiflica y estructuralmente dinmica. Cuando se evala la capacidad de formacin de espuma se mide la habilidad de la protena para adsorberse y desenrollarse rpidamente en la interfase. Esta primariamente relacionada con su coeficiente de difusin, generalmente protenas pequeas difunden mas rpidamente a la interfase, la superficie es cubierta rpidamente por una fina capa de protena. La subsecuente asociacin de las protenas a la interfase esta relacionada con su habilidad para absorberse e insertarse en un film, preexistente impidiendo la ruptura de la integridad del film por interacciones repulsivas. Una protena idealmente adecuada para formar espumas debe ser relativamente pequea, flexible y con una significativa hidrofobicidad expuesta. Esto facilita la orientacin y absorcin en la interfase. La estabilidad de la espuma depende de las propiedades reolgicas y adhesivas del film alrededor de las burbujas del gas, que determinan la resistencia de la lamella a drenar y de las burbujas a colapsar. Las propiedades fsicas de la membrana del film estn determinadas por las propiedades estructurales y conformacionales de la protena: superficie topogrfica, fuerza mecnica, viscoelasticidad y capacidad de absorcin de agua. Aunque son numerosos los estudios que sealan la importancia de una alta solubilidad de las protenas, necesaria para que se manifieste una buena capacidad espumante y una buena estabilidad, se acepta que las partculas proteicas insolubles (tal como: protenas miofibrilares, micelas y otras protenas en su pI) pueden tener un papel beneficioso en la estabilizacin de las espumas, aumentando probablemente la viscosidad superficial Estas propiedades requieren que la protena retenga cierta estructura secundaria y terciaria en la interfase. Protenas con mayor peso molecular exhiben mayor fuerza del film y estabilidad de la espuma. Protenas con carga neta mnima poseen mejor estabilidad espumante y condiciones que minimizan la carga tienden a aumentar la estabilidad. Parece paradjico que se requiera que la protena se desenrolle rpidamente en la interfase y que retenga considerablemente su estructura secundaria y terciaria en la interfase; por lo que existe un balance crtico entre formacin y estabilizacin del film. La habilidad de una protena para actuar como agente espumante, por lo tanto, puede caracterizarse por medidas de poder espumante que es la cantidad de espuma producida despus

de incorporar un cierto volumen de aire o gas y por medidas de estabilidad de la espuma a travs de su permanencia en funcin del tiempo. Como medidas del poder espumante pueden utilizarse distintos parmetros, los mas empleados son el volumen de espuma producido luego de un periodo de tiempo fijo de batido (overrum) y la cantidad de liquido que se incorpora a una espuma que es una medida indirecta de la distribucin del tamao de burbujas. Como medidas de estabilidad pueden utilizarse disminucin del volumen de la espuma o drenaje de liquido con el tiempo.