PROTEINAS ALIMENTARIASPROPIEDADES FUNCIONALES

Dra. EMMA GUERRERO HURTADO

PROTEINAS ALIMENTARIAS

Proteínas con funciones estructurales o con actividad

biológica, digestibles no toxicas ,relativamente baratas y

organolépticamente aceptables

Propiedades funcionales que las proteinas otorgan a los

alimentos

INTERACCION PROTEÍNA AGUA

• Moléculas de agua del entorno de la proteína

• Moléculas de agua en el interior de la molécula proteica

Moléculas de agua atrapadaMoléculas parcialmente ordenadas:1/3 de la superficie proteicaMoléculas fuertemente unidas:1a capa de coordinación

C

O

O-

Oδ+

δ -

ION-DIPOLO

INTERACCION DE LA PROTEINA CON EL AGUA

CH2 O Hδ+δ - δ -

δ+

O DIPOLO-DIPOLO

C=O O

NH-----

---

O

ENLACES DE H

A través de sus enlaces Peptídicos ó

A través de las cadenas laterales de los aminoácidos

SOLUBILIDAD

• Propiedad considerada como un prerrequisito para obtener un

óptimo desarrollo del resto de las propiedades funcionales en la

preparación de alimentos, como son gelificación, emulsificación y

de espumeo, ya que una proteína insoluble tendrá muy poco uso

en alimentos (Damodaran, 1996a).

• La solubilidad de una proteína, en un medio ambiente dado, es la

expresión termodinámica del equilibrio entre las interacciones

proteína-proteína y proteína-solvente (Damodaran, 1996b).

• Propiedad funcional en que se basa :

• su extracción

• La Separación de fracciones proteicas

• Su utilización por impartir textura fina en Bebidas

• Para difundir en las interfases agua/aceite, agua/aire.

Emulsiones, espumas

• La solubilidad de las proteínas está dada por tres factores

• a) su grado de hidratación,

• b) su densidad y distribución de cargas a lo largo de la cadena y

• c) la presencia de compuestos no proteicos como fosfatos,

carbohidratos o lípidos que pueden tener un efecto sobre la

solubilidad.

• Por ser las proteínas electrolitos de alto peso molecular y de gran

orden estructural, son susceptibles a cambios profundos en su

solubilidad cuando se alteran el pH, la temperatura o la fuerza

iónica (Badui et al., 1999).

FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD

• pH:la carga eléctrica de los grupos ácidos y básicos de las cadenas laterales de los aminoácidos se ven alteradas conforme exista una modificación en el pH de la solución Esta alteración de la carga superficial de las proteínas elimina las interacciones electrostáticas que estabilizan la estructura terciaria .

pH= PI carga de las Proteínas = 0

• Cuando la carga neta de la proteína es cero, las fuerzas de repulsión entre las proteínas son mínimas, logrando interaccionar unas con otras mediante enlaces hidrofóbicos produciéndose con esto su precipitación.

• Al variar el pH, ya sea hacia pH´s más ácidos o básicos, estos

mismos aminoácidos irán adquiriendo cargas (positivas o negativas

respectivamente) lo cual provocará que las fuerzas de repulsión

entre las proteínas vayan en aumento, provocando esto mayor

interacción proteína-agua (Damodaran, 1996a; Damodaran,

1996b; Vojdani, 1996).

pH > PI Proteínas (-)pH < PI proteínas (+)

pH afecta la capacidad de fijación del agua por las cadenas

laterales de aas.

• Ej. pérdida de agua por carne fresca

• Homogenizado de musculo puede duplicar su capacidad de

retención de agua si su pH baja de 5 (PI) a 3,5.

TEMPERATURA

• En general la solubilidad de las proteínas se ve incrementada a temperaturas de entre 0 y 40-50°

• Al elevar laT°, se da un incremento de la energía cinética afectando las interacciones no covalentes que mantienen estable tanto las estructuras secundarias como terciarias de la proteína provocando con esto su desnaturalización, exponiendo los grupos hidrofóbicos que se encontraban en su interior los cuales interaccionan entre sí, provocando que se de una disminución de la solubilidad y así precipitando (Vojdani, 1996; Borderias y Montero, 1988; Badui et al., 1999).

La desnaturalización:

• puede incrementar la capacidad de fijación de agua por la

naturaleza hidrofílica del enlace peptídico expuesto, en

alrededor de 30-45%p/p

•Si en cambio conduce a la agregación se favorece la

interacción p/p ej liberación de agua durante el asado.

Fuerza iónica• La fuerza iónica es una medida de la concentración y del número

de cargas eléctricas en solución proveniente de los aniones y

cationes disueltos aportados por la sal. Esta fuerza determina la

capacidad de las proteínas (i.e., miofibrilares) para ligar agua y así

poder entrar en solución.

• Existen dos fenómenos que ocurren a diferentes fuerzas iónicas:

la solubilización (salting-in) y la insolubilización (salting-out) por

salado (Borderias y Montero, 1988).

• SOLUBILIZACIÓN POR SALADO

Interacción proteína-agua

En la solubilización por salado los cationes y aniones de las sales

neutras tienen afinidad por los grupos iónicos de las cadenas

laterales de los aminoácidos ionizables, lo que provoca una

menor interacción entre las proteínas, produciéndose así la

solubilización.

Este fenómeno se da a concentraciones bajas de iones (entre 0.5

y 1.0M).

• INSOLUBILIZACIÓN POR SALADO• Interacción proteína-proteína

CC salina > 1M

se establece una competencia entre las proteínas y los iones salinos por las moléculas de agua necesarias para la solubilización, produciéndose un efecto deshidratante en la superficie de las mismas, lo cual trae consigo interacciones entre las moléculas de proteína, generando una agregación y finalmente una precipitación. Este fenómeno es conocido como la insolubilización por salado (Kotodziejska et al., 1980).

Los iones compiten con las proteínas para su respectiva solubilización rompen los puentes de hidrógeno o las interacciones electrostáticas.

• La precipitación por salado no se da en los sistemas alimenticios.

• A cc de 1 mol.dm-3 las sales de ClNa, ClK incrementan la solubilización por salado de importancia en el procesado de alimentos:En el curado de carne de cerdo se inyectan iones ClNa en forma de salmuera se fijan a la actina y Miosina aumentando : jugosidad y aumento de peso

En salchichas las sales emulgentes: ClNa, fosfato sódico y potásico, polifosfatos, citratos solubilizan las proteínas miofibrilares haciéndolas emulgentes: regiones hidrófobas ligan moléculas de grasa

VISCOSIDADResistencia al flujo

• FACTORES QUE AFECTAN LA VISCOSIDAD

diámetro de la película proteica> diámetro > viscosidad< diámetro < viscosidad : disociación de los agregados

concentración proteica : interacción P_P

PROPIEDAD FUNCIONAL EN:Pastas SalsasCremas SopasBebidas

DESARROLLAN ALTA VISCOSIDAD:

DESARROLLAN BAJA VISCOSIDAD:

proteínas con alta absorción inicial de aguaCaseinato SódicoProteinas de soya

proteínas con baja absorción inicial de agua e hinchamientoProteínas del suero lácteo

NO DESARROLLAN VISCOSIDAD

proteínas en polvo desnaturalizadas por el calor, .insolubles

Asociación

Polimerización

Precipitación

Floculación

Coagulación

Gelificación

cambios a nivel molecular o de subunidades

Formación de grandes complejos

Agrega ción con pérdida de solubilidad parcial o total

Agrega ción al azahar sin desnaturalización, por supresión de repulsiónIntercatenaria

Agrega ción al azahar con desnaturalización predomina la Interacción P_P con coágulo grosero

Agregación ordenada con desnaturalización previa que forma red proteica ordenada

Gelificación Térmica• Se produce cuando las moléculas de proteína (en una solución

protéica) son desnaturalizadas por calor provocando su

desdoblamiento para luego interaccionar de forma ordenada entre sí

a través de diferentes tipos de enlaces :

• puentes de H, enlaces iónicos, puentes disulfuro y las asociaciones

hidrofóbicas.

• Cuando la agregación alcanza un cierto punto crítico, se produce un

gel con un infinito número de enlaces cruzados interpeptídicos

formando una red tridimensional continua que retiene gran cantidad

de agua (Bryant y McClements, 1998; Nakai-Modler , 2000).

FUERZAS ATRACTIVAS

• Interacciones hidrofóbicas: favorecidas por la Tº

• Interacciones electrostáticas: puentes de calcio y otros cationes divalentes

• Puentes de hidrogeno, potenciados por el enfriamiento: ej la gelatina funde cuando se calienta a30ºC y puede repetirse numerosas veces el ciclo de gelificación-fusión

• Enlaces disulfuro: geles irreversibles por calentamiento: ovoalbúmina y B lactogloobulina

FUERZAS RESPULSIVAS

• Interacción P-H2O

• PH diferente al PI

• Si la red tridimensional se da primordialmente con enlaces de hidrógeno, el gel producido será térmicamente reversible (i.e., geles de colágeno).

• si las interacciones se producen por medio de interacciones hidrofóbicas, el gel producido (coagulo) será irreversible (i.e., clara de huevo);

• Si las cadenas polipeptídicas que se entrecruzan mediante polimerizaciones de enlaces sulfidril-disulfuro (proteínas del suero y cárnicas) (Damodaran, 1996b).

MECANISMOS DE FORMACION DEL GEL

Partiendo de una disolución de proteína en agua:

1. Disociación

2. Desnaturalización

3. Agregación : orienta los polipéptidos

• A. Lenta

gel ordenado homogéneo, suave elástico,Transparente, estable a la

sinéresis

• A. rapida

• gel opaco, inestable a la sinéresis

LA GELIFICACION ES IMPORTANTE EN:

• Diversos productos lácteos como yogurt

• Clara de huevo coagulada

• Geles de gelatina

• Productos de carne o pescado triturado y calentado

• Geles de proteína de soya

• Proteínas vegetales texturizadas por extrusión o hilado

• En masas panarias

LA GELIFICACION SE USA PARA:

• Formar geles viscoelásticos

• Mejorar la absorción de agua• • Mejorar los efectos espesantes

• Fijar partículas

• Estabilizar emulsiones

TEXTURA

Propiedad funcional en • alimentos procedentes de tejidos vivos:

Miofibrillas en carnes y pescados

• Alimentos fabricados: masa, gelatina, salchicha, miga de pan, cuajada

BIOQUIMICA DE LA TEXTURIZACION

• Desnaturalización.: Desplegamiento parcial de estructura nativa

espacial

Rotura de enlaces intracatenarios::hidrogeno, hidrófobo, disulfuro:

oxidacion, reducción, proteólisis, temperatura, trat. mecánico, con

agentes hidrófobos, modif. Del pH o salinas.

• Organización y reorientación: extrusión, laminados

• Fijación y rigidificación: Redistribución de enlaces intra e

intermoleculares rotos en el curso del desplegamiento

TEXTURIZACION DE PROTEÍNAS LÁCTEAS O VEGETALES

• Produce películas o fibras:Textura masticableRetención de agua

• Ejm, variedad de derivados de soyaderivados lácteos: caseinato, coprecipitados y proteínas de suero,quinua, gluten de maíz, harina de guisantes ,amaranto,

Utilidad• como sucedáneos de la carne: aspecto y sabor similares a

distintos tipos de carne: salchichas, perritos calientes, hamburguesas o las croquetas de pollo.

• Como extensores de la carne:

ESPUMAS ALIMENTICIAS

• Dispersiones de burbujas de gas (aire) suspendidas en el seno de un liquido viscoso o de un semisólido (Badui 1999):

– merengues, cakes, marshmallow, Mouse, espuma de cerveza, pan, helados

Gas : aire ó CO2

Fase continua: disolución o suspensión acuosa de proteínas

Las burbujas están separadas por una fase continua de capas delgadas de liquido : laminillas

• Por la incorporación de aire, el alimentos es: ligero, suave,

digestible, menos denso, poroso, de mayor volumen.

• La distribución uniforme de burbujas pequeñas suele conferir

cuerpo, suavidad y ligereza al alimento y aumentan la

dispersión y perceptibilidad de los aromas (Fennema, 1993),

además de favorecer su digestibilidad.

MECANISMO DE FORMACIÓN DE ESPUMAS

Formación de película estable (barrera elástica) disminución de la tensión superficial

Cambios estructurales (desnaturalización de la superfice)

Adsorción y orientación en la interfase

Difusión de moléculas a la interfase

Introducción de aire:: ( > por batido)

Laminilla acuosa

Película De proteína

aire

H2O

H2O

Desplazamiento de la proteínas desde la menor tensión superficial con arrastre de moléculas de agua que : restaure el grosor de la laminilla

Espesor de la película proteica100um a 10 um: película se rompe

PROTEINAS CON PROPIEDADES ESPUMANTES

B-CASEINA enrollamiento al azahar flexible• rebaja la tensión superficial e interfasial.• Forma película delgada menos estable

K-Caseina se despliega lentamente, se extiende menos. película mas resistente

Seralbúmina ( globular) flexible: se adsorbe en la interfase. es estabilizadora

Clara de huevo, espuma de menor densidad , estable al calorPropiedad espumante óptima a pH natural 8-9 y a PI:4-5

• Las proteínas globulares pueden ser eficaces agentes de superficie : si pueden desplegarse sin agregarse ni perder su solubilidad: Producen películas gruesas que favorecen la estabilización de la espuma

Ejm: lactosuero, lisozima, ovoalbúmina

Métodos de desplegamiento:por calentamiento moderado

Por agentes reductores

Por proteólisis parcial

FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LA ESPUMA

• ClNa: aumentan el overrum(incremento porcentual del volumen)Disminuye estabilidad: reducen viscosidad

• Calcio mejora la estabilidad: puentes entre grupos COO-

• La sacarosadisminuye la expansión aumenta viscosidad absorbe y retiene agua en las laminillas

• Lípidos polares con actividad de superficie: Se sitúan en la interfase, interfieren con la conformación mas deseable de la película de proteína adsorbida:

• Tiempo e Intensidad del batido:>6-8´ produce agregación-

coagulación en la interfase, dejando muy poca proteína nativa para

ligar agua. (detener batido en pico de rigidez)

• Temperatura, el tratamiento térmico moderado previo mejora el

overrrum pero pueden disminuir la estabilidad.

• Concentración proteica, a medida que aumenta hasta 10% aumenta

la estabilidad.

• PH >estabilidad cerca al PI (proteínas situadas en la interfase)

PROPIEDADES EMULSIFICANTES

• La proteína:Forma películas gruesas alrededor de las gotitas de una emulsión dándole una barrera física frente a la coalescencia

• Se adsorbe en la interfaseOrienta sus grupos

• La estabilidad depende: viscoelasticidad Espesor de la película proteica100um a 10 um: pelicula se rompe laminillas

canal de drenaje

FACTORES QUE AFECTAN LA EMULSIFICACION

• SolubilidadCorrelación positiva con emulsificación y estabilidad

• pHpI: escasa solubilidadInteracción hidrofóbica entre lípidos y proteínas

• ConcentraciónGenera buclesMayor repulsión electrostáticaSe satura la adsorción de mas moléculasGenera la adsorción en multicapas

• Malos emulgentes:Proteinas globularesEstructura estableElevada hidrofobia ejm. lactosuero, lisozima, ovoalbúmina

• Mejor emulgente:CaseínatosSolublesEstructura disociada y desplegada en estado nativoHidrofobia global relativamente altaRegiones hidrofílicas e hidrofóbicas bien separadas

PROTIENAS EMULSIFICANTES

FORMACION DE MASA

Gluten de trigo Centeno y cebada

Pasta visco elástica fuertemente cohesiva

Contribuyen a la red de la masa y/o textura del pan:• Gliadinas• Gluteninas• Albúminas y globulinas• Gránulos de almidón • Pentosanos• Lípidos polares• Lípidos apolares

masa

80% DEL 12% DE PROTEINAS

70%

2%

15%

CARACTERÍSTICAS DEL GLUTEN

• Gliadinas y Gluteninas parcialmente desplegadas

• Proteínas de elevado peso molecular

• Poco solubles en disoluciones acuosas neutras: bajo contenido de aminoácidos ionizables (Lys, Arg, Hys)

• Tendencia a formar puentes de hidrogeno: alto contenido de glutamina (+33%)

• Presencia de aminoácidos apolares : interacción hidrofóbica

• Capacidad de formar puentes S-S

• Amasado:Matriz compleja: almidón-proteína-lípidoreducción S-S, que debilita el gluten

• Reposo:. S-S por la glutenina

• En el horneado, se debilitan enlaces entre lipidos polares y proteinas por el calorA media que se aumenta la T° se gelatiniza el almidón (> 50°C).Los lipidos translocan y se acomplejan con el almidónLa grasa funde tapa los porosLa grasa forma estructura cristalina liquida que facilita la producción de estructura en la masa orientada para retener el gas

• Gluteninas PM

Responsables de la elasticidad y cohesividad

Exceso de gluteninas:

Inhibición de la expansión del CO2: celdillas de aire abiertas

• Gliadinas:Conformación en hélice flojas, por repetición de secuencias: prolina, glicina y valina

• Gliadinas

Responsables de la fluidez, extensibilidad y expansión de la masa

• Exceso de Gliadinas :

Películas débiles permeablesPobre retención de CO2

Colapso de la masa

PROTEÍNAS DEL GLUTEN

MODIFICACION DEL GLUTEN

• Fosforilación. > Retención de agua

• Acilación > solubilidad en agua pH 7-9, y < solubilidad a pH <4

• Quelación : fitato de calcio o sodio. Fosfatos y citratos de sodio y potasio. Gluten mas hidratado

• Reducción: sulfito o bisulfito de sodio o de potasioSucedáneo de carne de cangrejo

FORMACION DE MASA

• Orientación de las proteínas

• Alineación y desplegamiento

• Interacciones hidrofóbicas

• Formación de enlace s-S

• Formación de red proteica tridimensional viscoelástica :Membrana que retiene los gránulos de almidón y resto de componentes