MICROEST. diseño y caracterización microestructural de nuevos

MICROEST. diseño y caracterización
microestructural de nuevos alimentos,
nuevos ingredientes funcionales y su
interacción en su matriz alimentaria
Convenio AZTI/DAPA
Informe FINAL- 2007
para:
Dirección de Innovación y Desarrollo Tecnológico,
Viceconsejería de Política e Industria Alimentaria,
Dpto. Agricultura, Pesca y Alimentación , Eusko
Jaurlaritza - Gobierno Vasco
Sukarrieta, 24 de Enero de 2007
Tipo documento
Informe FINAL- 2007
MICROEST. diseño y caracterización microestructural de
nuevos alimentos, nuevos ingredientes funcionales y su
interacción en su matriz alimentaria
Titulo documento
Fecha
24/01/2008
Proyecto
MICROEST. diseño y caracterización microestructural de
nuevos alimentos, nuevos ingredientes funcionales y su
interacción en su matriz alimentaria
Código
IA2007038
Cliente
Dirección
de
Innovación
y
Desarrollo
Tecnológico,
Viceconsejería de Política e Industria Alimentaria, Dpto.
Agricultura, Pesca y Alimentación, Eusko Jaurlaritza Gobierno Vasco
Equipo de proyecto:
Juan Carlos Arboleya
Esther Sanmartín
Responsable
proyecto
Juan Carlos Arboleya
Revisado por
Irene Gartzia/Coordinadora Area NA&B
Fecha
Aprobado por
Antonio Duch (Director Tecnológico de la UIA)
Fecha
IA2007038- Informe Anual 2007
2/12
© AZTI Tecnalia 2007
ÍNDICE
1.
INTRODUCCION .................................................................................................. 4
2.
BENEFICIOS GENERADOS................................................................................ 8
3.
2.1
RESULTADOS MÁS IMPORTANTES Y UTILIDAD DE ESTOS ................... 8
2.2
PRODUCCION CIENTIFICA, DIVULGACION – PLAN DE DIFUSION..... 10
2.3
POSIBILIDADES DE TRANSFERENCIA – INTERES DE EMPRESAS ..... 10
2.4
PLANTEAMIENTO DE NUEVOS PROYECTOS Y OTRAS ACCIONES...... 10
2.5
FORMACION DE PERSONAL Y DEL GRUPO DE TRABAJO ..................... 11
2.6
ENTREGABLES Y OTROS INFORMES ........................................................ 12
CONCLUSIONES................................................................................................ 12
IA2007038- Informe Anual 2007
3/12
© AZTI Tecnalia 2007
INTRODUCCION
PROTEÍNAS FUNCIONALES
Las proteínas han sido consideradas tradicionalmente como un importante componente
nutricional en alimentos. En las últimas décadas, numerosos estudios han demostrado, que
además de su aporte en aminoácidos esenciales, confieren una serie de propiedades
funcionales y biológicas específicas dotándoles de un importante valor añadido. Sin embargo,
el uso de las proteínas como ingredientes alimentarios es a menudo limitado debido a su
inestabilidad frente al procesamiento.
La obtención de proteínas modificadas con nuevas o mejoradas propiedades biológicas y
funcionales podría diversificar de una manera significativa su uso en el procesado de
alimentos. En este sentido, numerosos trabajos han demostrado que la glicosilación no
enzimática de proteínas bajo condiciones controladas puede ser un método eficaz para
mejorar o generar nuevas propiedades funcionales y biológicas, produciendo glicoproteínas de
gran interés tecnológico e industrial (Kato 2002).
El aprovechamiento de subproductos de la industria alimentaria es una actividad de gran
importancia, ya que permite revalorizar los nutrientes presentes, evitando su posible vertido
y el consiguiente deterioro medioambiental que origina. La industria pesquera genera una
importante cantidad de subproductos de bajo valor añadido que son destinados
fundamentalmente a la elaboración de piensos, aceites y harinas de pescado para consumo
animal. El objetivo de nuestro proyecto es el aprovechamiento de residuos de túnidos
producidos en la industria conservera. El uso de la glicosilación no enzimática de estos
residuos será utilizado para una mejora en sus propiedades funcionales: solubilidad,
capacidad espumante, capacidad emulsionante, capacidad gelificante.
La bibliografía existente respecto a glicosilación de proteínas de pescado con diferentes tipos
de carbohidratos está especialmente centrada en una variedad de pescado llamada carpa
mientras que ha sido imposible encontrar ningún trabajo relacionando la glicosilación con la
utilización de proteínas originarias de residuos de túnido.
En 1997, (Saeki and Inoue 1997) publican un trabajo donde muestran una mejora en la
solubilidad de proteínas miofibrilares de carpa en medio de baja fuerza iónica mediante
glicosilación con glucosa vía reacción de Maillard a 40ºC y 65% de humedad relativa. En este
trabajo se muestra como la solubilidad total de estas proteinas aumenta a mayor grado de
glicosilación a diferentes concentraciones salinas. Para clarificar el mecanismo que rige una
mejora de la solubilidad causada por glicosilación, (Tanabe and Saeki 2001) publicaron un
estudio sobre el efecto de la reacción de Maillard utilizando glucosa y ribosa en la solubilidad
IA2007038- Informe Anual 2007
4/12
© AZTI Tecnalia 2007
a baja fuerza iónica y la capacidad de formación de filamentos de la miosina de pescado, el
cual sugirió que dicha mejora en la solubilidad fue causado por la solubilización de la miosina
y por la disociación de los filamentos de miosina. En un estudio diferente (Saeki 1997)
muestran el mismo comportamiento con el mismo tipo de proteína proveniente de carpa
cuando las condiciones de glicosilación fueron en medio de alta fuerza iónica y diferentes
temperaturas de reacción (40, 50 y 60ºC). Estos conjugados mostraron una mejora en su
capacidad emulsionante y en su actividad Ca-ATPasa. La regulación de la reacción de
Maillard en sus etapas previas es importante para una mejora en las propiedades
funcionales de esta proteína glicosilada. Trabajos similares mostraron una mejora en la
estabilidad térmica y emulsionante del mismo tipo de proteína (carpa) conjugándola con
dextrano (Saeki 1998) y ribosa (Saeki and Tanabe 1999) a tiempos de reacción medio
presentando los máximos valores a 0.5M NaCl. En este contexto Fujiwara et al. (1998)
observó también una mejora en la estabilidad térmica y capacidad emulsionante cuando
proteínas miofibrilares de carpa fueron conjugadas con dextrano a 40ºC y 50ºC. La utilización
del efecto protector del dextrano fue necesaria para preparar un conjugado con alta
solubilidad.
El comportamiento respecto a la solubilidad de neoglicoproteína de proteínas miofibrilares de
carpa con otros polísacaridos tales como alginato también han sido publicados (Sato et al.
2000). En dicha investigación se observó que cuando una cantidad mayor de 30
g/ mg de
alginato es conjugado a la proteina miofibrilar a una fuerza iónica baja, la solubilidad fue
considerablemente aumentada sin una pérdida significativa de lisina disponible. Dicha
conjugación fue confirmada en el caso de la miosina de cadena pesada, actina y tropomiosina.
La continuación de este trabajo (Sato et al. 2003) fue enfocada en el estudio de su capacidad
emulsionante. El estudio de sus propiedades funcionales de este conjugado fue realizado a
diferentes cocentraciones salinas y pHs. A baja concentración salina la proteína miofibrilar
fue altamente soluble con una pequeña pérdida de lisina disponible. La estabilidad térmica
fue efectivamente mejorada con dicha glicosilación y su capacidad emulsionante resultó ser
excelente a cualquier concentración salina. Dicha funcionalidad persistió incluso cerca de su
punto isoeléctrico. Un año después, (Maitena et al. 2004) publicó exactamente el mismo
trabajo, mientras que Sato et al. (2005) ha realizado estudios frecuentes de caracterización de
proteína miofibrilar proveniente de carpa conjugada con alginato preparado por alginato
liasa genéticamente recombinado mostrando propiedades funcionales considerablemente
mejoradas.
Otros trabajos publicados han estudiado los efectos de la reacción de Maillard en otro tipo de
especies tales como músculo de diferentes especies de marisco
(Katayama et al. 2002)
mediante la utilización de glucosa en un rango de concentración salina de 0.05 a 0.5M NaCl.
IA2007038- Informe Anual 2007
5/12
© AZTI Tecnalia 2007
La solubilidad a 0.1M NaCl alcanzó un 83% cuando más del 60% de residuos de lisina de la
proteína en cuestión fueron modificadas por la glucosa. Miosina, actina y paramiosina de las
proteínas glicosiladas fueron solubilizadas independientemente de la concentración de NaCl.
La miosina glicosilada perdió su capacidad de formación de filamentos y se mostró en forma
de monómero a 0.1M NaCl. Un estudio similar enfocado en el efecto de la humedad relativa y
concentración de glucosa en la solubilidad de proteína de músculo de ciertos mariscos fue
llevado a cabo por el mismo autor (Katayama and Saeki 2004) donde concluye que dichos
parámetros son importantes para la supresión de la desnaturalización de la miosina.
Recientemente el grupo de Saeki ha publicado (Nakamura 2005) un estudio sobre uno de los
mayores alérgenos en marisco, la tropomiosina que conjugado con azúcares reductores
(glucosa, ribosa, maltosa y maltotriosa) vía Maillard, la alergenicidad fue aumentada en
períodos iniciales de la reacción de Maillard y la tendencia de este efecto dependió del tipo de
azúcar. La carga superficial de la proteína no mostró relación con el aumento de
alergenicidad por lo que concluyen que este cambio podría estar relacionado a cambios
estructurales causados por la reacción de Maillard.
En conclusión, podríamos decir que la investigación realizada en relación a proteínas de
pescado glicosiladas con diferentes azúcares ha estado centrada especialmente en la especie
carpa (y en pocos casos en la proteína miofibrilar del músculo de marisco), ciñéndose en la
mayoría de los casos a la miosina. Propiedades tales como la mejora de la solubilidad ha sido
realizada en diferentes condiciones de temperatura de reacción, tiempo de reacción, humedad
relativa, pH y concentración salina, así como estabilidad térmica y propiedades
emulsionantes. Es inexistente sin embargo el estudio de sus propiedades espumantes y
gelificantes así como un mayor entendimiento de su conformación estructural relacionada a
cambios en sus propiedades funcionales. Sobre el estudio de proteínas originarias de túnidos
y especialmente de residuos de túnidos no existe ningún trabajo realizado.
ESTUDIO DE CAMBIOS MICROESTRUCTURALES, TEXTURA Y ORGANOLÉPTICOS
EN PRODUCTOS LACTEOS
POR APLICACIÓN DE NUEVAS FORMULACIONES,
NUEVAS TECNOLOGÍAS DE CONSERVACIÓN U OTROS PROCESOS
La congelación por cambio brusco de presión y recristalización puede resultar positiva para
su aplicación en algunos productos de la industria alimentaria. Como el fin último del
alimento obtenido es su consumo, la fase final de este proyecto estaría dedicada a la
evaluación de la calidad del producto obtenido, centrándose especialmente en helados. Para
dilucidar el efecto que pueda tener un tratamiento de altas presiones en este producto es
necesario entender perfectamente la microestructura del mismo. Un helado es un alimento
coloidal complejo que está formado por cuatro fases principales: burbujas de aire, glóbulos de
IA2007038- Informe Anual 2007
6/12
© AZTI Tecnalia 2007
grasa, cristales de hielo y una fase acuosa descongelada. Las burbujas de aire están
normalmente rodeadas de partículas de grasa que a su vez se rodean de componentes como
proteínas o diferentes emulsificantes. La fase acuosa consiste normalmente en azúcares y
polisacáridos de alto peso molecular]. Las diferentes etapas en el proceso de manufacturación
(homogeneización, pasteurización, maduración, congelación) contribuyen a la estructura
final. Proteínas y emulsificantes compiten por el espacio interfacial que determinará la
estabilidad de la emulsión]. Durante el proceso de congelado y aeración todos los
componentes y factores mencionados contribuirán al desarrollo de una estructura final: una
espuma discontinua, una red de glóbulos de grasa parcialmente coalescentes que rodean a las
burbujas de aire, cristales de hielo y una fase acuosa. Las características organolépticas del
producto final estarán regidas por la microestructura conseguida.
Por otra parte, la buena estabilidad del producto final durante su almacenamiento
(mantenimiento de sus características organolepticas y estructurales) está relacionada con la
composición interfacial de las partículas de grasa y de su composición en la fase continua. El
uso de espesantes puede estabilizar la agregación y floculación aunque el producto
almacenado puede sufrir cambios en su viscosidad por diferentes tipos de mecanismos
durante el tiempo.
Aunque existen precedentes sobre el efecto beneficioso de las altas presiones sobre las
características microestructurales y sensoriales en diferentes alimentos, la bibliografía
existente sobre el tratamiento de altas presiones aplicado a los helados es escasa. Un estudio
realizado a altas presiones sobre nata pasteurizada no mostró cambios dramáticos en el
tamaño de partícula de grasa o en su comportamiento reológico, lo cual hace que esta técnica
pueda tener un gran potencial en el uso de este tipo de productos alimentarios para inducir
las modificaciones de textura deseadas asociado al comportamiento del agua/hielo, y para
asegurar la seguridad microbiológica de estos productos. De hecho, se ha podido valorar un
efecto benéfico de las altas presiones sobre la población microbiana.
Existe sin embargo la posibilidad de que algunos de los componentes de un helado puedan
resultar modificados ante una aplicación de altas presiones con un consecuente cambio en su
microestructura y por lo tanto en sus propiedades sensoriales. Un ejemplo es la reducción de
la capacidad emulsionante y espumante de la β-lactoglobulin bajo la influencia de altas
presiones], lo cual puede suponer un cambio en las características finales del producto. Se
hace por tanto necesario el control físico-químico y organoléptico de los helados a través del
estudio de su microestructura.
IA2007038- Informe Anual 2007
7/12
© AZTI Tecnalia 2007
1.
BENEFICIOS GENERADOS
1.1 RESULTADOS MÁS IMPORTANTES
DESCRIPCIÓN DE LOS RESULTADOS Y ENTREGABLES REALIZADOS
El objetivo global de este proyecto pretendió:
1. Estudio y caracterización de componentes tecnológicos: Nuevos Ingredientes Alimentarios
especialmente de origen marino que proporcionen ciertas características especialmente de
tipo tecnológico así como el estudio de sus interacciones con otros componentes que puedan
repercutir en el producto final.
2. El acercamiento hacia la producción de alimentos sostenibles mediante un mejor
aprovechamiento de subproductos.
3. La obtención de ingredientes alimentarios de menor coste y propiedades mejoradas.
4. La obtención de ingredientes alimentarios de alto valor añadido por sus propiedades
funcionales.
5. Caracterización, estudio de microestructura y evaluación de la calidad de diversas
formulaciones en diferentes productos antes y después de aplicación de nuevas tecnologías
(colaboración con área de nuevas tecnologías).
Los objetivos específicos son:
Los objetivos de este proyecto están enfocados en todos los aspectos de caracterización y
diseño microestructural en alimentos. Para ello se trabaja en el estudio de las características
químico-físicas de los ingredientes que componen los alimentos, teniendo en cuenta la
influencia que sobre ellos tienen parámetros como el procesado y las propias interacciones
entre ingredientes. El uso de biopolímeros (polisacáridos y proteínas) para diseñar
microestructuras con propiedades deseadas de textura será también nuestro objetivo.
Desarrollo:
En una primera etapa se establecieron dos objetivos principales. Por un lado, la continuación
del trabajo de diseño de un ingrediente funcional a partir de proteínas originarias de
subproductos pesqueros, mediante el uso de nanorreactores que producen modificaciones
químicas específicas según el polímero utilizado. Y por otro, el estudio de cambios
IA2007038- Informe Anual 2007
8/12
© AZTI Tecnalia 2007
microestructurales, de textura y organolépticos en diversos productos (lácteos, geles de
pescado, huevos) por aplicación de nuevas formulaciones, nuevas tecnologías de conservación
u otros procesos. En este punto, se realizaron trabajos sobre el efecto que tiene la tecnología
de pulsos de luz como método de inactivación microbiana en la gelificación de la clara de
huevo. Los resultados han sido interesantes y se está trabajando en la elaboración de una
publicación científica.
En cuanto al desarrollo de proteínas funcionales de origen pesquero, se consiguió
financiación por parte del departamento de Educación del Gobierno Vasco, y se realizaron
trabajos de experimentación. Se aisló una fracción proteica del subproducto de industria
conservera, y se modificó con el fin de mejorar sus propiedades funcionales de cara a su
posible utilización como ingrediente funcional. La modificación que se aplicó, fue la
glicosilación, estudiando posteriormente las propiedades emulsionantes y de formación de
film tanto de la muestra nativa como de la muestra glicosilada. Los resultados obtenidos en
un primer momento revelaron una clara modificación de la fracción proteica, si bien no se
vieron cambios importantes al estudiar sus propiedades funcionales.
En un segundo periodo, este estudio se centró exclusivamente en las propiedades
emulsionantes, siendo el resultado positivo para los complejos glicosilados recogidos a los
nueve días del proceso de glicosilación.
En una última etapa, se ha buscado obtener más información sobre la proteína nativa de
nuestra fracción, así como obtener proteínas aisladas con las que trabajar de forma más
reproducible. El trabajo se ha desarrollado en el Instituto de Fermentaciones Indutriales del
CSIC (Madrid). Los resultados obtenidos en este punto son
interesantes, ya que se ha
conseguido aislar proteínas de distintos tamaños de forma muy definida, siendo además
identificadas mediante el uso de la proteómica. Los resultados conseguidos aparecerán en
una publicación que se encuentra en proceso.
Respecto al objetivo de nuevos ingredientes funcionales y su interacción en su matriz
alimentaria, se han realizado trabajos sobre la interacción resultante entre ovalbumina y
goma xantana a diferente pH. El objetivo de este estudio ha sido el de realizar un complejo
alimenticio con capacidad espumante. En este mismo contexto, se han realizado estudios
reológicos de gelatina extraída a partir de pieles de bacalao como sustituto de la mantequilla
en platos elaborados. Se ha participado con una presentación oral, en la conferencia Delivery
of Functionality in Complex Food Systems, University of Massachusetts, Amherst, MA, USA
del 8 de octubre al 10 de octubre de 2007. Los resultados presentados en esta conferencia
están plasmados en un artículo ya presentado y en revisión.
IA2007038- Informe Anual 2007
9/12
© AZTI Tecnalia 2007
1.2 PRODUCCION CIENTIFICA, DIVULGACION – PLAN DE DIFUSION
Contribuciones:
•
Envío de dos artículos científicos en el tema de proteínas funcionales a partir de
residuos pesqueros (Journal of Agricultural and Food Chemistry)
•
Presentación de artículo científico en el tema de microestructuras alimentarias (Food
Byophysics) Juan-Carlos Arboleya, Andoni Aduriz, Daniel Lasa, Javier Vergara,
Antonio Duch, Idoia Olabarrieta e Iñigo Martínez de Marañón. FROM CHEF´S
MIND TO THE DISH: How scientific approach can help to make the way easier
•
Realización de una presentación oral en el congreso Delivery of Functionality in
Complex Food Systems, University of Massachusetts, Amherst, MA, USA. Octubre
2007
Juan-Carlos Arboleya, Andoni Aduriz, Daniel Lasa, Javier Vergara, Antonio Duch,
Idoia Olabarrieta e Iñigo Martínez de Marañón. FROM CHEF´S MIND TO THE
DISH: How scientific approach can help to make the way easier
1.3 POSIBILIDADES DE TRANSFERENCIA – INTERES DE EMPRESAS
Se han realizado contactos con diferentes empresas del sector alimentario para la
transferencia de dichos resultados, como la industria conservera SALICA y BARNA, S.A.
Por último, todos los resultados conseguidos en el campo de microestructura de alimentos
han sido transferidos y utilizados para la preparación de platos de alto cocina en el
restaurante Mugaritz
1.4 PLANTEAMIENTO DE NUEVOS PROYECTOS y OTRAS ACCIONES
Como continuación de parte de los trabajos iniciados en 2007 en esta línea, se presenta al
Convenio Marco 2008 una propuesta en la cual se va a continuar en el estudio de las
propiedades funcionales de proteínas funcionales a partir de residuos pesqueros, en la
elaboración de nuevas texturas en diferentes productos y en el efecto del uso de nuevas
tecnologías en la matriz alimentaria.
IA2007038- Informe Anual 2007
10/12
© AZTI Tecnalia 2007
1.5 FORMACION DE PERSONAL Y DEL GRUPO DE TRABAJO
En el contexto de este proyecto las becarias Sanmartín Sierra (tesis doctoral) y Estibalitz
Fernández (Beca de Formación de Tecnológos, Fundación de Centros Tecnológicos), están
realizando tareas dirigidas a su formación.
IA2007038- Informe Anual 2007
11/12
© AZTI Tecnalia 2007
1.6 ENTREGABLES Y OTROS INFORMES
Entregables:
•
Informes de vigilancia tecnológica y de mercado.
•
Informes de diseño y desarrollo de experimentos y formulaciones.
•
Informes de seguimiento
2.
CONCLUSIONES
Alguna de las conclusiones más relevantes de los trabajos realizados son:
•
Se han estudiado y
caracterizado nuevos ingredientes alimentarios de origen
marino que proporcionen ciertas características especialmente de tipo tecnológico
•
Se han avanzado en la producción de alimentos sostenibles mediante un mejor
aprovechamiento de subproductos.
•
Se han avanzado en la producción de ingredientes alimentarios de menor coste y
propiedades mejoradas.
•
Se ha estudiado la microestructura y evaluación de la calidad de diversas
formulaciones en diferentes productos antes y después de aplicación de nuevas
tecnologías (colaboración con área de nuevas tecnologías).
IA2007038- Informe Anual 2007
12/12
© AZTI Tecnalia 2007