descargar documento

Gelificación
Aspectos generales en la formación de geles proteicos
Se denomina gelificación, al proceso cuando las moléculas
desnaturalizadas se agregan para formar una red proteica ordenada.
• productos lácteos
La aptitud a la gelificación es
una prop funcional muy
importante para muchas
proteínas.
Tiene un papel fundamental en
la preparación de:
• clara de huevo coagulada
• geles de gelatina
• productos calentados a base de
carne o pescado triturado
• geles proteicos de soja
• proteínas vegetales texturadas
• pastas de panadería
La gelificación proteica no se aplica solamente para la formación de
geles sólidos viscoelásticos, sino también para mejorar la adsorción
de agua, el espesado, la unión de partículas (adhesión) y para
estabilizar emulsiones y espumas.
En la mayoría de los casos es indispensable un tratamiento térmico para
conseguir la gelificación. Puede necesitarse un enfriamiento posterior y a
veces, una acidificación ligera.
• una hidrólisis enzimática moderada
Varias proteínas pueden
gelificarse sin
calentamiento con:
• adición de sales (La adición de iones,
como Ca , aumenta la velocidad de
gelificación y firmeza de gel)
•alcalinización seguida de retorno a
neutralidad o pH de PI.
Formación de geles a
través de proteínas en
solución
La solubilidad proteica no siempre es
indispensable para la gelificación.
Métodos para evaluación de los geles proteicos
Se mide la cantidad de agua englobada en el gel durante su formación, o
bien la pérdida de agua que surge cuando se somete el gel a una
compresión o centrifugación moderada (es importante no romper la red
proteica)
Los geles tienen un comportamiento reológico de sólido viscoelástico.
La viscoelasticidad es un tipo de
comportamiento reológico anelástico
que presentan ciertos materiales que
exhiben tanto propiedades viscosas
como propiedades elásticas cuando se
deforman.
módulo de elasticidad
umbral de deslizamiento
tiempo de relajación
coeficiente aparente de viscosidad
pruebas empíricas de penetración o de compresión para
Caracterización valorar firmeza, resistencia a rotura o adhesión.
de los geles
microscopía electrónica de barrido o transmisión (p/
estructura de geles)
Fotografía obtenida con
microscopio electrónico de
Barrido (SEM)
microscopía óptica (tamaño, forma y posición de los
agregados, filamentos y amplitud de poros)
Scanning electron
microscopy (SEM)
de leche
El grado de despliegue de las estructuras proteicas
secundarias y terciarias, puede conocerse por calorimetria
diferencial, dicroismo circular, dispersión, óptica rotatoria ,
etc.
La hidrofobicidad superficial de la proteína puede determinarse por
cromatografía de afinidad hidrófoba o por fijación de reactivos
hidrófobos fluorescentes (ej.: acido naftalensulfónico)
La disociación en subunidades o la formación de agregados puede
seguirse por determinación de las masas molares por cromatografía
de permeación del gel, electroforesis en presencia de dedocil sulfato
de sodio, ultracentrifugación, etc
También puede seguirse la agregación por la elevación de la
viscosidad, de la absorbansia y/o la turbidez que provoca.
La eliminación de iones Ca++ por diálisis, la adición de
mercaptoetanol, cisteína, EDTA, urea, detergentes o reactivos
específicos, de tal o cual grupo químico antes (o después) de la
formación del gel, seguido de una medida de la dureza del gel (o de
la disolución del gel), orienta sobre la naturaleza e importancia de
las interacciones proteina-proteína.
Mecanismos de gelificación y estructura de los geles
Los estudios señalan la necesidad de una desnaturalización y
desdoblamiento de la proteína, como pasos previos a la interacción
ordenada p-p y agregación.
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.
formación de la red proteica
se considera como resultado de un equilibrio entre las
interacciones: proteína-proteína, proteína- disolvente (agua) y F
atractivas y repulsivas entre cadenas polipeptídicas próximas.
Fuerzas atractivas y repulsivas en la formación de la red proteica
fuerzas
atractivas
• interacciones hidrófobas (> a T elevadas)
• electrostáticas, (enlaces con los iones Ca 2+ y otros)
• enlaces hidrógeno (aumentados por enfriamiento)
• uniones disulfuro
fuerzas
repulsivas
•Las interacciones proteína-agua, tienden a
mantener separadas las cadenas polipeptídicas
•Repulsiones electrostáticas
Las atracciones proteicas intermoleculares (y la gelificación) se
producen más rápidamente con concentraciones proteicas
elevadas, dada la > probabilidad de contactos intermoleculares.
Para altas concentraciones proteicas la gelificación puede
producirse a T ambiente ( sin calentamiento y alejado del PI)
El establecimiento de uniones covalentes disulfuro conduce a la
formación de geles termodinámicamente irreversibles (ovolabúmina).
Los geles de gelatina están estabilizados fundamentalmente por
enlaces H, funden por calentamiento (30°C) y el ciclo puede repetirse.
Existen numerosos geles bajo forma de estructura hidratada
fuertemente expandidos y con más 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 físicamente.
A medida que la etapa de agregación sea más lenta con relación a
la desnaturalización, más fácilmente podrán orientare antes de la
agregación los polipéptidos parcialmente desdoblados.
Esto favorecerá la formación de un gel ordenado homogéneo, de
consistencia lisa, fuertemente expandido, muy elástico,
transparente, estable frente a la sinérisis y exudación.
Por el contrario, los geles formados por partículas proteicas ,
groseramente agregados, son opacos, poco elásticos y claramente
inestables (sinérisis y exudación)
Propiedades gelificantes de algunas proteínas alimenticias
La mayoría de las proteínas pueden dar geles de proteínas alimenticias
La gelificación térmica de las proteínas miofrilares de los músculos
estriados contribuye a la textura de numerosos alimentos: actúan de
agente ligante en las carnes picadas, trituradas o reconstruidas por
compresión, estabilizan la emulsión de las salchichas, dan consistencia
homogénea, lisa y elástica.
Los Aislados Proteicos de Soja suelen emplearse por sus
prop de adsorción- retención de agua y prop gelificantes.
Las prop. de coagulación de las micelas de caseína de la leche son
aprovechadas para la preparación de cuajadas, quesos y productos
lácteos gelificados.
La coagulación, iniciada por la acción proteolítica de la quimosina,
necesita la presencia de iones Ca y T> a 15°C, también se provoca
por acidificación de la leche hasta el pH isoeléctrico.
Las proteínas del lactosuero en una concentración >5% tienen
buenas propiedades gelificantes a T 70-85 °C.
Las proteínas de clara de huevo son consideradas como el
mejor agente gelificante o ligante, la gelificación se produce en
una zona grande de pH (de 3 a 11) cuando la concentración es > a
5%.
La gelatina es una proteína pura que se obtiene de materias
primas animales que contienen colágeno.
Este alimento natural y sano tiene un excelente poder de gelificar.
Además, gracias a sus múltiples capacidades se emplea en los más
diversos sectores industriales para un sin número de productos.
Texturización
Las P constituyen la
base de la estructura y
de la textura de
numerosos alimentos
Naturales: Provienen de tejidos
vivientes (miofribrillas de la
carne y del pescado)
Fabricados: masa de miga de pan,
geles de soja y de gelatina, cuajada,
queso, emulsiones cárnicas de
salchicha.
Existen procedimientos de texturización que a
partir de las proteínas solubles de los vegetales o
de la leche, conducen a estructuras fibrosas o en
forma de película con textura “masticable” y una
buena capacidad de retención de agua.
Suelen utilizarse para sustituir o “diluir” las carnes
Coagulación térmica y formación de una película
Las soluciones concentradas de proteína de soja pueden coagularse
térmicamente sobre una superficie metálica lisa (secador de rodillo).
Las películas proteicas finas e hidratadas pueden plegarse, prensarse
juntas, cortarse, etc.
Formación de fibra (hilado)
El hilado de las proteínas vegetales y de la leche tiene similitud con
las fibras sintéticas, se parte de concentrados de 90%.
Los pasos sucesivos son los siguientes:
1) El “coloidon”, solución concentrada de P (10-40%) se prepara
elevando el pH por encima de 10.
Las repulsiones electrostáticas provocan una disociación completa
de subunidades, y total desdoblamiento de las cadenas,
obteniéndose alta m.
2) El coloidón se fuerza a través de una placa perforada (“hilera”, con
más de 1000 agujeros de 50 a 150 mm de D. Las moléculas se orientan
en el sentido del flujo. Tienden a alargarse y alinearse paralelamente las
unas a las otras.
3) Los filamentos líquidos se sumergen a un baño de ácido y NaCl,
donde las P coagulan. Debido a su orientación paralela y elongación,
las moléculas proteicas de cada filamento reacciona entre sí por
enlaces hidrógeno 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 asociándose más
estrechamente. Esta cristalización parcial aumenta la resistencia
mecánica y el carácter masticable de las fibras ( pero disminuye su cap
de retención de agua)
5) Las fibras se comprimen y/o calientan entre rodillos para eliminar
parte del agua, favorecer la adhesión y aumentar su dureza.
Puede añadirse agentes ligantes (gelatina, clara de huevo, gluten,
polisacáridos) o aditivos alimenticios
Extrusión termoplástica
Da gránulos y trozos secos, fibrosos y porosos, que después de
rehidratados poseen textura masticable, es menos costosa, se puede
agregar almidón o amilosa. La adición de NaCl (hasta un 3%) o de Ca
reafirma la textura.
La mezcla puede describirse así:
P= 10.000-20.000 KP
Mezcla-hidratada
Proteínapolisacárido
T= 150-200 °C
t= 20-150 s
fuerza de cizalla
(tornillo sin fin)
Estado
pulverulento
Extrusión rápida con
una hilera estrecha, y
vuelve a P at, produce
evaporación de H2O
interna, con formación
de burbujas de vapor
Consistencia
pastosa viscosa
Enfriamiento
endurecimiento
Masa
proteopolisacárida
estructura seca,
fuertemente
expandida
Características del producto
 Rehidrata en el agua, a 60°C, absorbe de 2 a 4 veces su peso en
agua y adquiere una estructura fibrosa, esponjosa y parcialmente
elástica con masticanilidad parecida a la carne.
 Las estructuras son estables a la esterilización
 Se usa en hamburguesas, albóndigas de carne, ravioles, etc.
Formación de la pasta proteica
Una propiedad única de las proteínas del gluten (albumen de trigo, <
centeno y cebada) es su actitud para formar después de la mezcla y
amasado en presencia de agua y a T ambiente, una pasta fuertemente
cohesiva y viscoelática.
Base de la transformación de harina de trigo en masa de panadería y
posterior conversión en pan por fermentación y cocción.
Además de las proteínas del gluten (gliadinas y
glutaninas), la harina del trigo contiene granos de
almidón, pentosanos, lípidos polares y no polares, y
proteínas solubles que sumados constituyen la red
pastosa y/o textura final del pan.
Las proteínas son de gran tamaño molecular, tienen un bajo
contenido de AA ionizables  son poco solubles en soluciones
ac neutras, y tienen tendencia a formar enlaces hidrógeno, que
contribuyen a la agregación de proteínas y fijación de lípidos
Esto explica la capacidad de adsorción de agua, propiedades de
cohesión - adhesión del gluten.
Fig 8
Propiedades emulsificantes
Aspectos generales de la formación y ruptura de las emulsiones
Las emulsiones son dispersiones en dos líquidos 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: líquido polar hidrófobo
Aceite: líquido hidrófobo (grasa fundida, aceite vegetal o animal,
aceites esenciales)
Muchas emulsiones contienen gotitas de gas o sólidos dispersos.
Mayonesa
La mayonesa es una emulsión 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 emulsiones
1) formación de crema o sedimentación de gotitas debido a fuerzas
gravitacionales.
2) la floculación de gotitas provocada por la brusca supresión de cargas
eléctricas y las repulsiones electrostáticas entre gotitas debido a la
modificación de pH y o fuerza iónica. Las gotitas se aglomeran en forma
irregular, quedando separadas por una delgada capa de fase continua.
3) la coalescia o fusión de las gotitas entre sí, fenómeno termodinámicamente espontáneo, que presupone un aumento progresivo de tamaño
de las gotitas y conduce a la separación de las dos fases en dos capas
separadas por una interfase plana y de superficie mínima.
Emulsión Inicial
Decantación
Floculación
Colisión
Coalescencia
Representación esquemática de los mecanismos
de desestabilización de una emulsión
Fenómenos que estabilizan las emulsiones
1) Una débil tensión interfacial
agentes tensioactivos.
entre las 2 fases y/o añadir
2) La presencia de una capa interfacial resistente, por ej. una capa
de proteínas adsorbidas que se opone mecánicamente a la
coalescencia de gotitas.
3) La presencia de cargas electrostáticas del mismo signo en la
superficie de las gotitas dispersas cargadas están rodeadas de
una doble capa difusa de contra-iones.
4) Un diámetro pequeño de gotitas como el que se puede obtener
con una agitación intensa y una concentración apropiada de un
agente tensioactivo específico
5) Una fuerte viscosidad de la fase continua que también origina
una lenta formación de cremas.
Para estabilizar las emulsiones se pueden utilizar diversos agentes
emulsionantes:
1) electrolitos minerales, aportan cargas electroestáticas a las
gotitas dispersas
2) moléculas tensoactivas de estructura anfipolar, la acumulación
de estas moléculas en la interface disminuya considerablemente
la tensión 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 macromoléculas 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 proteínas
Productos
alimenticios que son
emulsiones:
Leche, cremas, helados,
mantequilla, queso fundido,
mayonesas, carnes finamente
picadas, embutidos.
Los constituyentes proteicos tienen un papel preponderante en la
estabilización de estos sistemas coloidales.
Las proteínas se absorben en la interface entre las gotitas de aceite
disperso y la fase continua acuosa continua y aportan propiedades
físicas y reológicas (espesamiento, viscosidad, elasticidad-rigidez)
que determinan la resistencia de las gotitas a la coalescencia.
Según el pH se puede producir la ionización de las cadenas
laterales de AA y esto aporta fuerzas de repulsión electrostática
que favorecen la estabilidad de la emulsión.
Métodos para determinar las propiedades emulsionantes de
proteínas
Para catalogar las emulsiones alimenticias, se necesita determinar el
tamaño de las gotitas y su repartición por grosor (y por tanto la
superficie interfasial total), esto puede realizarse por microscopia,
difusión de luz, sedimentación por centrifugación, etc.
Para comparar las propiedades emulsionantes de las proteínas se
utilizan dos pruebas:
1) La capacidad emulsionante (CE) que es el volumen de aceite (ml) que
se puede emulsionar por gramo de proteína hasta que se produzca la
inversión de fase.
2) la estabilidad de la emulsión (EE) se expresa como:
V de la emulsion final
x100
V de la emulsion inicial
Facilitar la formación de
emulsiones bajando la tensión
interfacial (poder emulsionante)
Estas 2 pruebas confirman
las funciones que presentan
las proteínas:
Contribuir a la estabilidad de la
E, (formando una barrera física
en la interfase)
Factores que influencian la emulsificación
Frecuentemente existe una correlación positiva entre solubilidad
de la proteína y capacidad emulsionante o estabilidad de la
emulsión.
Las proteínas sin disolver, contribuyen poco a la emulsificación, ya
que las P tienen que disolverse y emigrar a la interfase, para que
actúen las prop superficiales.
pH: algunas proteínas en su PI son poco solubles  < aptitud
emulsionante, además no pueden contribuir a la carga superficial de
las gotitas de aceite (causa de la estabilidad de la emulsión por
repulsiones electrostáticas).
Además al pI, las proteínas adoptan estructuras compactas con una
fuerte viscoelasticidad. Esto puede impedir el desdoble y la adsorción
en la interfase
Por otra parte las interacciones hidrófobas entre lípidos y proteínas
se acumulan al PI, por esta causa los datos experimentales son
contradictorios ya que:
Algunas proteínas tienen
propiedades emulsionantes
óptimas al PI:
Otras proteínas tienen propiedades
emulsionantes optimas alejadas
del PI:
gelatina, proteína de clara de
huevo
proteína de soja, de cacahuete,
caseína , proteínas de lactosuero
 Al calentar bajan la m y la rigidez de la película proteica absorbida
en la interfase y por lo tanto disminuye la estabilidad de la emulsión.
Sin embargo, la gelificación de proteínas fuertemente hidratadas
aumenta la m superficial y rigidez, lo que estabiliza la emulsión ( por
ejemplo, la gelificación de proteínas miofibrilares contribuye a la
estabilidad térmica de las emulsiones de carne como salchichas)
Cabeza polar
(HIDRÓFILA)
Cola apolar
(LIPÓFILA)
Propiedades espumantes
Aspectos fundamentales de las espumas o batidos alimenticios
(formación y ruptura)
Son dispersiones de gotas de gas (aire o CO2) en una fase continua
líquida o semi-sólida que contiene surfactante soluble.
Variedad de espumas o
batidos alimenticios
merengue
crema batida
pastas
helados
souflés
pan
espuma de cerveza
Los helados contienen una emulsión de glóbulos
grasos (especialmente sólidos y pequeños), con
una suspención de cristales de hielo dispersos,
un gel de polisacárido, una solución concentrada
de azúcares y proteínas y burbujas de aire.
En las espumas hay una fase continua de capas líquidas delgadas
(laminillas) que separa las burbujas de gas.
Se necesita E mecánica para crear la interfase, y corrientemente se
necesitan la presencia de agentes de superficie que rebajan la
tensión de la interfase (mantener la interfase), formando una barrera
protectora elástica entre las burbujas. Algunas proteínas pueden
formar estas películas protectoras.
Habitualmente una distribución uniforme de burbujas pequeñas da
al alimento suavidad y ligereza, así como un aumento de la
dispersión y perceptibilidad de aromas.
Hay similitud entre la formación de una espuma y una emulsión,
pero no hay una correlación rigurosa entre ambas propiedades.
Las espumas son como las emulsiones en que capas de
adsorción rodean la fase dispersa en ambos sistemas.
Sin embargo, las espumas necesitan una estructura proteica
residual más completa para su estabilización, además difieren de
las emulsiones en dos aspectos:
la fase dispersa es un gas en las espumas y un líquido en las
emulsiones;
 las burbujas de gas de las espumas son mucho más
grandes que los glóbulos 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 través de la barrera porosa (vidrio
vitrificado) en una solución acuosa de proteínas poco concentrada.
La “emulsión gaseosa” se destruye, debido a la subida de las burbujas
y a la separación del líquido y se separa una capa superior de
“verdadera espuma” . Esto tiene un gran volumen de fase dispersa, con
burbujas deformadas por compresión en estructuras poliédricas.
Si se introducen grandes cantidades de gas se puede convertir
completamente el líquido en espuma. La expansión del volumen
puede ser de 10 a100 %.
Las espumas o batidos pueden obtenerse por batido
o agitación de una solución acuosa de proteína (más
concentrada) en presencia de una gran masa gaseosa,
consigue mejor dispersión 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 presión de una
solución previamente comprimida. Esta técnica se utiliza, por
ejemplo, cuando la crema batida se forma al distribuirla mediante
un aerosol.
Diferencia entre emulsiones y espumas: en éstas la fracción de
volumen ocupada por la fase dispersa (gas) varía en una escala
mucho> que en las emulsiones.
Las espumas son inestables porque tienen > sup en la interfase
Mecanismos de desestabilización
1) Drenado o pérdida de líquido de la lamina líquida por gravedad,
diferencia de presión y/o evaporación: 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 tensión entre
fases (N.m-1); R radio de curvatura de la
burbuja (m)
2) Difusión del gas de las burbujas pequeñas hacia las burbujas
grandes, difusión que es posible por la disolución de gas en la fase
acuosa.
3) Rotura de la laminilla líquida que separa las burbujas de gas, esto
provoca un aumento del tamaño de las burbujas por coalescencia y
conduce al derrumbe de la espuma.
También surge la rotura cuando las dos películas proteicas
absorbidas se aproximan la una a la otra a una distancia de unos 50150Å como resultado de la pérdida de líquidos.
Factores que estabilizan las espumas:
Baja tensión entre fases
Fuerte viscosidad de la fase líquida
Películas proteicas absorbidas resistentes y elásticas
Valoración de las propiedades espumantes
La elección depende del modo de formación de la espuma: insuflado,
batido, agitación.
Por lo general el poder espumante aumenta con la concentración
proteica en la fase líquida hasta alcanzar un máximo.
La estabilidad de la espuma puede apreciarse midiendo el grado de
pérdida de líquido o derrumbe de la espuma alcanzado después 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, soufflés), para la preparación de
estos alimentos se añade sacarosa a la solución proteica antes o
durante la formación de la espuma.
La proteína de clara de huevo por excelentes cualidades espumantes
suele emplearse como patrón de comparación frente a otras proteínas.
Factores ambientales que influencian la formación y
estabilidad de una espuma
Fuerte solubilidad buena capacidad espumante y estabilidad
Solubilidad
Insolubilidad (ej. PI) estabilizan espumas aumentando la m
superficial buena capacidad espumante y estabilidad
La mayoría de las espumas se preparan a pH diferentes
del pI de las proteínas.
Sales: influencian la solubilidad, m, desdoblamiento y agregación.
El NaCl aumenta la pérdida de líquidos y reduce la estabilidad de las
espumas, el Ca(II) puede mejorar la estabilidad al formar uniones
entre los grupos carboxílicos de la proteína.
Sacarosa y otros azúcares: reducen la expansión de la espuma
pero mejoran su estabilidad porque aumentan la m global.
Las glicoproteínas de la clara de huevo, contribuyen a la
estabilización de las espumas porque absorben y retienen el agua
en las laminillas.
 Lípidos: mínimas proporciones (0,1%) alteran las propiedades
espumantes, ya que impiden una conformación favorable de las películas
de proteínas adsorbidas al colocarse en la interfase aire-agua
 Tiempo de agitado: es preciso que la duración e intensidad de la
agitación logre un desdoblamiento y absorción adecuada de la proteína,
sin embargo una agitación 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 agregación parcial de
las proteínas, las cuales no se absorben correctamente en la interfase,
disminuyendo la m de las laminillas y no produce una estabilidad
adecuada)
 Tratamientos Térmicos: moderados realizados antes de la formación de
las espumas mejoran algunas propiedades espumantes de la P de soja
(70-78 °C), lactosuero (40-60°C), clara de huevo y sangre.
Tratamiento térmicos más enérgicos provocan una expansión del aire,
descenso de viscosidad, rotura de burbujas (las espumas de clara de
huevo conservan su estructura durante el calentamiento)