Propiedades funcionales de las proteínas
La funcionalidad de un sustancia se define como toda propiedad, nutricional o no, que interviene en su utilización. Este comportamiento depende de las propiedades físicas y químicas que se afectan durante el procesamiento, almacenamiento, preparación y consumo del alimento. Las propiedades funcionales permiten el uso de las proteínas como ingredientes en alimentos, aunque generalmente se incorporan en mezclas complejas. Las c aracterísticas sensoriales resultan de mas importancia para el consumidor que el valor nutricional, el que frecuentemente se altera para lograr buenas cualidades organolépticas, como textura, sabor, color y apariencia, las que a su vez son el resultado de interacciones conmplejas entre los ingredientes. Como ejemplo se puede señalar el caso de los productos de panadería, donde la viscosidad y la capacidad de formar pastas se relacionan justamente con las propiedades de las proteínas del gluten de trigo. Asi mismo, las características de textura y suculencia de los productos cárnicos son dependientes de las proteínas musculares (actina, miosina, actinomiosina y proteínas de la carne solubles en agua). La textura y las propiedades de cuajado de los productos lacteos se debe n a la estructura coloidal de las micelas de caseína; y la estructura de algunos pasteles y las propiedades espumantes de algunos postres o productos de confitería dependen de las propiedades de espumado y gelificacion de las proteínas de la clara de huevo. Los comportamientos aquí descritos, se deben a la estructura tridimiensional de las moléculas que componen el alimento. El papel funcional de varias proteínas en diferentes alimentos se enlista el e l sig cuadro: Cuadro!!
Los sistemas alimentarios son complejos y ocurren en ellos diversos fenómenos simultáneamente. Por ejemplo, los atributos sensoeriales de un pastel dependen de que ocurra gelificacion, espumado y emulsificacion de los ingredientes utilizados y lo ideal seria que un solo ingrediente poseyera funcionalidad multiple debido al resultado de las interacciones en sus proteínas constituyentes. La funcionalidad de una proteína no está del todo comprendida y hasta ahora no ha sido posible predecir su comportamiento en sistemas modelo, aunque se trabaja activamnte en este sentido. La relación entre la composición de aminoácidos y las propiedades funcionales y fisicoquímicas se puede visualizar como una serie de eventos que e stán interrelacionados. Por ejemplo, a partir de la composición y de su secuencia de aminoácidos y las propiedades funcionales y fisicoquímicas como hidrofobicidad, hidrofilicidad, tamaño, forma, carga neta y distribución de la carga, actividad superficial y viscosidad, que a su vez determinan las propiedades funcionales, como espumado, gelificacion, formación de películas o estructuras vítreas, capacidad para ligar a gua o aceite, emulsificacion, etcétera. Sin embargo los modelos de predicción de propiedades funcionales a partir de la información sobre sus aminoácidos son todavía limitados.
Empíricamente las propiedades funcionales de las proteínas son una manifestación de dos aspectos moleculares de las proteínas: a) las propiedades hidrodinámicas, y b) propiedades de la proteína relacionadas con la superficie. Las propiedades funcionales como la viscosidad, gelacion y texturizacion se relacionan con las primeras, que dependen del tamaño, forma y flexibilidad molecular. Las propiedades funcionales como la humectabilidad, dispersabilidad, solubilidad, espumado, emulsificacion y unión a sabores se relacionan con las propiedades de superficie de la proteína. En este caso abordaremos la solubilidad, emulsion y espumado.
Solubilididad Las propiedades funciónales de las proteínas a menudo se ven afectadas por la solubilidad de la proteína, específicamente en el caso del hinchamiento, espumado, emulsificacion y gelificacion. Las proteínas insolubles tienen un uso muy limitado en alimentos. La solubilidad de una proteína es la manifestación termodinámica del equilibrio entre las interacciones proteína-proteina y solvente-proteina, que a su vez dependen de la hidrofobicidad y naturaleza iónica de las mismas. Las interacciones hidrofobicas promueven las interacciones proteína-proteina que inciden en una disminución de la solubilidad, mientras que lñas interacciones ionicas promueven la relación proteína-agua que provoca un aumento de la solubilidad. El promedio de hidrofobicidad se define como: g =∑ Δgresiduo /n, donde ∑ Δgresiduo es la hidrofobicidad de cada residuo de aminoácido calculada a partir del cambio de energía libre a transferir de etanol a agua, y n es el numero total de residuos en la proteína. Por su parte. Los residuos ionicos introducen dos clases de fuerzas repulsivas entre las moléculas de proteínas en solución: repulsión electrostática entre las moléculas de proteína debidas a una carga neta positiva o negativa en cualquier pH distinto del isoeléctrico, y repulsión entre las capas de hidratación alrededor de los grupos ionicos. La solubilidad dependerá de la frecuencia de las cargas, definida como: Ecuación Se ha propuesto por Bigelow que la solubilidad de la proteína será mayor cuanto menor sea la hidrofobicidad promedio y mayor la frecuencia de carga. Si bien, e sta correlacion es empirica, se presenta en la mayoría de las proteínas y el modelo puede ser mejorado si solo se toman en cuenta la hidrofobicidad e hidrofilicidad superficiales y no las de toda la proteína, ya que solo la superficie que esta en contacto co n el agua es la que ejerce las propiedades funcionales. Clasificación de las proteínas con base en su solubilidad A continuación se mencionan las cuatro categorías e n que se clasifican las proteínas de acuerdo con las características de solubilidad:
Albuminas: Son las que se solubilizan en agua a pH 6.6 (albumina serica, ovoalbúmina, y -lactoalbumina).
α
Globulinas: Son las solubles en soluciones salinas diluidas a pH 7.0 (Glicinina, faseolina y -lactoglobulina).
α
Glutelinas: Son las solubles en soluciones acidas (pH 2) y alcalinas (pH 12)(Glutelinas de trigo).
Prolaminas: Son las solubles en etanol al 70% (Zeina, gluten de m aíz y las gliadinas del trigo).
Cabe mencionar que tanto las prolaminas como las glutelinas son proteínas altamente hidrofobicas. La solubilidad de las proteínas se afecta por las condiciones de la solución, como el pH, la fuerza ionica, la temperatura y la presencia de solventes organicos, además de las propiedades fisicoquímicas intrínsecas de las moléculas.
Propiedades emulsificantes Para formular una emulsion se requiere: aceite, agua, un emulsificante y energía, generalmente mecánica. Las proteínas como surfactantes son las preferidas para formular emulsiones alimenticias (aceite-agua), debido a que su superficie es activa y favorece la resistencia a la coalescencia (figura 3.48). no pueden utilizarse en emulsiones agua/aceite ya que no son solubles en el aceite. Una gran cantidad de alimentos procesados y naturales son emulsiones, como leche, yema de huevo, leche de coco, leche de soya, mantequilla, margarina, mayonesa, productos untables, aderezos de ensaldas, helados, salchichas y pasteles. En todos ellos las proteínas son importantes como emulsificantes. En la leche cruda los globulos de grasa se estabilizan gracias a las lipoproteínas que forman parte de las memnbranas y tras la homogenización éstas se reemplazan por una película de caseína y proteínas de suero, que son mas resistentes que las naturales, por lo que la la leche homogenizada es mas estable al cremado que la leche cruda. FIGURA 3.48 Metodos para determinar las propiedades emulsificantes Las propiedades emulsificantes de las proteínas se pueden evaluar por diversos métodos, como la determinación de la distribución del tamaño de las gotas de aceite formadas, la actividad emulsificante, la capacidad emulsificante y la estabilidad de la amulsion. En el cuadro 3.14 se concentran los métodos comúnmente usados en el estudio de las emulsiones. CUADRO 3.14 Indice de actividad emulsificante: Las propiedades físicas y sensoriales de una emulsion estabilizada con proteínas dependen del tamaño de las gotas formadas y el total del area interfacial formada. Existen varios métodos para determinar el tamaño de la gota: microscopia de
luz, aunque no es muy confiable, microscopia electrónica, métodos de dispersión de luz o contadores de tamaño de particula (Coulter counter). Proteína adsorbida: Para determinar la cantidad adsorbida, la emulsion se centrifuga, la fase acuosa se separa, y la fase de la crema se lava varias veces y se centrifuga para quitar cualquier proteína que se haya adsorbido débilmente. La cantidad de proteína adsorbida en las partículas de la emulsion se calcula a partir de la diferencia entre el total de la proteína inicial en la emulsion y la concentración presente en el fluido lavado de la fase de la crema. Generalmente, la carga de 2
proteína está en el rango de 1-3 mg/m de area interfacial. Para emulsiones altas en grasa con gotas de tamaño pequeño se requiere una mayor concentración de proteína para cubrir toda el area interfacial y asi lograr estabilizar la em ulsion. Capacidad emulsificante: La capacidad emulsificante (EC) es el volumen (mL) de aceite que puede ser emulsificado por gramo de proteína, en un ensayo en el que se añade ace ite paulatinamente y se reporta el volumen adicionado antes de que oc urra la inversión de la fase, caracterizada por una inversión de la emulsion de aceite en agua hacia agua en aceite. Este mét odo involucra la adicion del aceite o grasa fundida, a velocidad y temperatura constantes, sobre una solución acuosa de proteína con agitación continua con un homogeneizador. El punto de inver sión de la fase se reconoce por un cambio abrupto en la viscosidad o color, o por un aumento en la resistencia eléctrica. Para una emulsion estabilizada con proteínas la inversión de la fase se presenta generalmente cuando la fase apolar dispersa está e ntre 0.65-0.85. Estabilidad de la emulsion: las emulsiones estabilizadas por proteínas a menudo son estables por días y no se observa separación de la crema o de alguna fase aun si las em ulsiones se encuentran almacenadas en condiciones ambientales. Para evaluar la capacidad de la proteína como estabilizadora de emulsiones se somete la emulsion a diferentes condiciones drásticas, como altas temperaturas o a una fuerza centrifuga. Si se utiliza la centrifugación, la estabilidad se expresa como la disminución del area interfacial de la emulsion, o como el porcentaje de crema separada, o bien, por la cantidad de aceite coalescido. Factores que influyen en la emulsion Las emulsiones estabilizadas por proteínas se ven afectadas por las propias características moleculares de la proteína como por factores intrínsecos, como el pH, la fuerza ionica, la temperatura, la presencia de surfactantes de bajo peso molecular, de azucares, el volumen de la fase oleosa, el tipo de proteína, e l punto de fusión del aceite empleado, asi como los factores extrínsecos, como el tipo de equipo utilizado para formar la emulsion, velocidad de incorporación del aceite y el nivel de agitación. Esto dificulta la estandarización de los métodos y la comparación de resultados entre laboratorios. Una propiedad que incide en las propiedades emulsificantes es la solubilidad, pero no se re quiere una solubilizacion total de la proteína para lograr la emulsificacion: se pueden tener buenos resultados en un rango de solubilidad desde 25 hasta un 80%, aunque las proteínas altamente insolubles no funcionan como buenos emulsificantes.
El pH influye también pues se relaciona directamente con la solubilidad, y a un determinado pH algunas proteínas como la albumina sérica, la gelatina y la clara de huevo presentan su máxima actividad emulsificante y su máxima solubilidad.
