3.8. Propiedades funcionales de las proteínas PDF

Preview

Summary

Download 3.8. Propiedades funcionales de las proteínas PDF

Description

3.8 Propiedades funcionales de las proteínas •

3.8

187

PROPIEDADES FUNCIONALES DE LAS PROTEÍNAS

La funcionalidad de una sustancia se define como toda propiedad, nutricional o no, que interviene en su utilización.100, 48 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 características sensoriales resultan de más 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 complejas 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. Así mismo, las características de textura y suculencia

188 • Proteínas 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 lácteos se deben 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 gelificación de las proteínas de la clara de huevo. Los comportamientos aquí descritos, se deben a la estructura tridimensional de las moléculas que componen el alimento. El papel funcional de varias proteínas en diferentes alimentos se enlista en el cuadro 3.13.

CUADRO 3.13 Papel de las proteínas en sistemas alimenticios Función

Propiedad Física/Química

Alimento

Tipo de proteína

Solubilidad

Hidrofilicidad, carga neta,

Bebidas.

Viscosidad

Hidrofilicidad, hidrodinámica del tamaño y forma.

Sopas, salsas postres y aderezos.

Gelatina, soya.

Absorción de agua

Hidrofilicidad.

Salchichas, pasteles y panes.

Proteínas musculares y huevo.

Gelación

Atrapamiento de agua, formación de redes.

Cárnicos, geles, pasteles, panadería, quesos.

Proteínas musculares, proteínas del huevo y de la leche.

Adhesión-cohesión

Hidrofobicidad, interacciones iónicas y puentes de hidrógeno.

Cárnicos, salchichas, pastas, panificación.

Proteínas musculares proteínas del huevo, proteínas del suero.

Elasticidad.

Interacciones hidrofóbicas, puentes disulfuro.

Panadería y cárnicos.

Proteínas musculares. Gluten y proteínas de cereales

Emulsificación y espumado.

Hidrofobicidad, hidrofilicidad, flexibilidad y rigidez, tamaño, estructura. Adsorción interfacial y formación de películas.

Mayonesas, aderezos.

Proteínas musculares, huevo, leche y soya. Aislados proteínicos de soya y ajonjolí. Leche y huevo.

Capacidad de ligar grasa y sabores.

Fuente: Kinsella, 1985.

Merengues, helados y productos batidos

Interacciones hidrofóbicas, Productos de panadería atrapamiento. bajos en grasa, donas.

Proteínas del suero. Proteínas aisladas de ajonjolí.

Proteínas lácteas, proteínas de huevo, gluten y proteínas de cereales.

3.8 Propiedades funcionales de las proteínas •

189

Los sistemas alimentarios son complejos y ocurren en ellos diversos fenómenos simultáneamente. Por ejemplo, los atributos sensoriales de un pastel dependen de que ocurra gelificación, espumado y emulsificación de los ingredientes utilizados y lo ideal sería que un solo ingrediente poseyera funcionalidad múltiple debido al resultado de las interacciones entre sus proteínas constituyentes. Por ejemplo, la clara de huevo es capaz de generar gelificación, emulsificación, espumado, absorción de agua y coagulación por calor, lo cual la hace una proteína deseable en muchos alimentos. De otra manera, se debe conjuntar un amplio rango de propiedades fisicoquímicas cuando se parte de preparaciones complejas, consistentes en mezclas de diferentes proteínas. La industria alimentaria se encuentra a la búsqueda de proteínas alternativas que puedan competir con las que actualmente dominan el mercado y que posean características nutritivas, funcionales y sensoriales adecuadas para utilizarse en el desarrollo de nuevos productos alimenticios.131 Esta búsqueda se centra más hacia las proteínas vegetales, que tradicionalmente han desempeñado un papel importante en la nutrición humana, particularmente en países en desarrollo donde el consumo promedio de proteína es menor al requerido para garantizar un buen estado nutricional.76, 131 La forma más común de comercializar estas fuentes proteicas es la producción de aislados proteicos que tienen diversas aplicaciones como ingredientes y aditivos alimentarios y cuyas propiedades dependen del número y tipo de proteínas presentes, así como de su pureza. Los de soya dominan el mercado, aunque existen otras opciones como los de canola, trigo, chícharo y almendras,131 y existe uno más, de proteínas de ajonjolí que se comercializa a nivel internacional.37 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 activamente 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 están interrelacionados. Por ejemplo, a partir de la composición y de su secuencia de aminoácidos se pueden deducir propiedades fisicoquímicas como hidrofobicidad, hidrofilicidad, tamaño, forma, carga neta y distribución de la carga, actividad superficial y viscosidad,30 que a su vez determinan las propiedades funcionales, como espumado, gelificación, formación de películas o estructuras vítreas, capacidad para ligar agua o aceite, emulsificación, etcétera. Sin embargo, los modelos de predicción de propiedades funcionales a partir de la información sobre sus aminoácidos son todavía limitados.153 La consideración de otros parámetros, como la relación hidrofobicidad/hidrofilicidad, estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, flexibilidad/rigidez molecular y capacidad para interactuar/reaccionar con otros compuestos resultan cruciales para el mejor modelamiento así como para el desarrollo de nuevas aplicaciones. 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 su superficie. Las propiedades funcionales como la viscosidad, gelación y texturización se relacionan con las primeras, que dependen del tamaño, forma y flexibilidad molecular. Las propiedades funcionales, como la humectabilidad, dispersabilidad, solubilidad, espumado, emulsificación y unión a sabores se relacionan con las propiedades de superficie de la proteína.30 Aunque existen diversos métodos de clasificación13, 78, 125, 126 sólo se presenta a continuación la propuesta de Cheftel19 quien considera tres grandes grupos. Propiedades de hidratación. Dependen de las interacciones proteína–agua y son: absorción de agua, capacidad de mojado (humectación), capacidad de hinchamiento, capacidad de retención de agua, adhesividad, dispersabilidad, solubilidad y la viscosidad como propiedad hidrodinámica.

190 • Proteínas Propiedades relacionadas con interacciones proteína-proteína. Se trata de las propiedades de precipitación, gelación, formación de estructuras como pueden ser la formación de masa, de fibras, de películas, la adhesión y la cohesión. Propiedades de superficie. Dependen en forma importante de la composición superficial de la proteína, puesto que de acuerdo a la misma dependerá la capacidad de ligar grasas y sabores. La emulsificación y el espumado son dos propiedades relacionadas más directamente con los fenómenos de superficie. En realidad, estos grupos de propiedades están interrelacionados; por ejemplo, la gelación involucra no solamente interacciones proteína-proteína sino también proteína-agua, en tanto la viscosidad y la solubilidad dependen de las relaciones entre proteína-agua y proteína-proteína.

3.8.1 Propiedades de hidratación El agua es un componente esencial de los alimentos y modifica las propiedades fisicoquímicas de las proteínas, por ejemplo, al ejercer un efecto plastificante sobre las proteínas amorfas o semicristalinas modifica su temperatura de transición vítrea y de fusión (TD). La transición vítrea se refiere a la conversión de un sólido vidrioso amorfo a un estado flexible plastificado, en tanto que la temperatura de fusión se refiere a la transición de un sólido cristalino a una estructura desordenada.29 La dispersabilidad, la humectabilidad, el hinchamiento, la solubilidad, el “espesamiento” o aumento en viscosidad, la capacidad de atrapamiento de agua, la gelación, la coagulación, la emulsificación y el espumado, dependen todas de las interacciones proteína-agua. Las moléculas de agua se unen a diferentes grupos en las proteínas, como los grupos cargados mediante interacciones ion-dipolo. Así mismo, se unen al esqueleto del enlace peptídico, a los grupos amida de Asn y Gln, y al grupo hidroxilo de los residuos Ser, Thr y Tyr por interacciones dipolo-dipolo. En el caso de unión a los residuos no polares se induce una interacción dipolo-dipolo, o bien una “hidratación” hidrofóbica. La capacidad para ligar agua de las proteínas se expresa como los gramos de agua por gramo de proteína cuando una proteína en polvo es equilibrada con vapor de agua a una humedad relativa del 90 al 95%. Se relaciona con la composición de aminoácidos: si hay una mayor concentración de aminoácidos cargados la capacidad de hidratación es mayor y puede ser calculada a partir de su composición de aminoácidos usando la siguiente ecuación empírica.84 a 5 ƒ C 1 0.2 ƒ N

[Ec. 31]

Donde a es gramos de agua/gramo de proteína, y ƒC, ƒp y ƒN son las fracciones de los residuos cargados, no polares, y polares, respectivamente. No obstante, el modelo es válido para proteínas monoméricas, ya que en el caso de las oligoméricas se presenta una interfase entre subunidad y subunidad, lo que provoca que los resultados experimentales sean mayores que los predichos por la ecuación. En la mayoría de las proteínas se cuenta con una monocapa de agua con una actividad acuosa (aW) de 0.05-0.03, en tanto las multicapas de agua se forman en un rango de actividad de agua de 0.30.7. El agua presente en la monocapa se asocia primariamente con los grupos iónicos, no se congela y no toma parte en las reacciones químicas como solvente: se le denomina agua “ligada” o tipo I. En una aW 5 0.9, las proteínas ligan arriba de 0.3-0.5 g agua/g de proteína. Los factores ambientales como pH, fuerza iónica, tipo de sales, temperatura y conformación de la proteína, influyen sobre la capacidad de ligar agua de las proteínas. Las proteínas presentan la menor capacidad de hidratación en

3.8 Propiedades funcionales de las proteínas •

191

su punto isoeléctrico, en el que predominan las interacciones proteína-proteína. Por encima y por debajo del mismo se modifica la carga neta y pueden hincharse y unir más agua. En la mayoría de las proteínas a pH 9 y 10 se presenta la mayor capacidad por la ionización del hidroxilo de los residuos de Tyr. Arriba del pH 10 disminuyen los grupos cargados positivamente de los grupos e-amino de Lys lo que se traduce en una reducción de la capacidad de ligar agua. En una baja concentración de sales (, 0.2 M) se incrementa la capacidad de ligar agua y cuando hay altas concentraciones de sales, gran parte del agua existente se liga a los iones de la sal y se deshidratan las proteínas.173 Conforme la temperatura se incrementa, disminuyen los hidrógenos unidos y la hidratación de los grupos iónicos disminuye. Por tanto, una proteína desnaturalizada suele unir 10% más de agua que su equivalente en estado nativo, aunado al hecho de que incrementa el área superficial de las proteínas, aunque también se debe señalar que se puede dar el fenómeno de agregación, con el consiguiente incremento de las interacciones proteína-proteína, y por ende, baja la capacidad de ligar agua. No existe necesariamente una correlación entre la capacidad de ligar agua y la solubilidad.2 En general, las proteínas desnaturalizadas presentan baja solubilidad a pesar de que unan la misma cantidad de agua que una proteína nativa, lo que indica que la solubilidad depende también de otros factores termodinámicos. Para las aplicaciones en alimentos la capacidad de retención del agua es más importante que la capacidad de ligar el agua, lo que se refiere a la capacidad de las proteínas para embeber agua y retenerla contra una fuerza gravitacional dentro de una matriz proteínica, como los geles de proteínas o en los músculos de carne o pescado. Por ejemplo, la capacidad de atrapar agua se asocia con la jugosidad y suavidad de carne picada para alcanzar la textura requerida en embutidos.132, 167, 174

Solubilidad Las propiedades funcionales de las proteínas a menudo se ven afectadas por la solubilidad de la proteína, especialmente en el caso del hinchamiento, espumado, emulsificación y gelificación.64, 167, 176 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-proteína y solvente-proteína, que a su vez dependen de la hidrofobicidad y naturaleza iónica de las mismas.63 Las interacciones hidrofóbicas promueven las interacciones proteína-proteína que inciden en una disminución de la solubilidad, mientras que las interacciones iónicas promueven la relación proteína-agua que provoca un aumento de la solubilidad. El promedio de la hidrofobicidad se define como: Dg 5 SDg residuo/n, donde Dgresiduo es la hidrofobicidad de cada residuo de aminoácido calculada a partir del cambio de energía libre al transferir de etanol a agua, y n es el número total de residuos en la proteína. Por su parte, los residuos iónicos introducen dos clases de fuerzas repulsivas entre las moléculas de proteínas en solución: repulsión electroestática 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 iónicos. La solubilidad dependerá de la frecuencia de las cargas, definida como: s 5 (n1 + n2)/n donde n+ y n⫺ son el número total de residuos cargados positiva o negativamente, donde n es el número total de residuos.

192 • Proteínas Se ha propuesto por Bigelow11 que la solubilidad de la proteína será mayor cuanto menor sea la hidrofobicidad promedio y mayor la frecuencia de carga. Si bien, esta correlación es empírica, se presenta en la mayoría de las proteínas y el modelo puede ser mejorado si sólo se toman en cuenta la hidrofobicidad e hidrofilicidad superficiales y no las de toda la proteína, ya que sólo la superficie que está en contacto con 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 en que se clasifican las proteínas de acuerdo con las características de solubilidad: Albúminas son las que se solubilizan en agua a pH 6.6 (albúmina sérica, ovoalbúmina, y a-lactoalbúmina). Globulinas son las solubles en soluciones salinas diluidas a pH 7.0 (glicinina, faseolina y b-lactoglobulina). Glutelinas son las solubles en soluciones ácidas (pH 2) y alcalinas (pH 12) (glutelinas de trigo). Prolaminas son las solubles en etanol al 70% (zeína, gluten de maíz y las gliadinas del trigo). Cabe mencionar que tanto las prolaminas como las glutelinas son proteínas altamente hidrofóbicas. La solubilidad de las proteínas se afecta por las condiciones de la solución, como el pH, la fuerza iónica, la temperatura y la presencia de solventes orgánicos, además de las propiedades fisicoquímicas intrínsecas de las moléculas.151 A continuación se detallan algunos efectos.

Solubilidad y pH En los valores de pH por arriba y por debajo del pH isoeléctrico, las proteínas tienen una carga neta positiva o negativa, respectivamente. En el punto isoeléctrico las proteínas presentan una solubilidad mínima, que al graficar, permite observar curvas en forma de U. Algunas proteínas alimenticias, como b-lactoglobulina (pI 5.2) y albúmina sérica bovina (pI 5.3), son altamente solubles en su pH isoeléctrico, porque no hay repulsión electrostática y contienen una alta concentración de residuos hidrofílicos en su superficie comparados con los no polares por lo que la proteína permanecerá soluble en su pI. No debe olvidarse que una proteína en su pI no es que no tenga carga, sino que las cargas positivas igualan a las negativas en su superficie. En este punto, si la hidrofilicidad y las fuerzas de repulsión por hidratación provenientes de estos residuos cargados son mayores que las interacciones hidrofóbicas proteína-proteína, la molécula se mantendrá soluble en su pI. Muchas proteínas son altamente solubles a pH alcalino (8-9), al que normalmente se lleva a cabo la extracción de proteínas de fuentes vegetales, como sucede en la producción de asilados de soya o de otras leguminosas. La proteína se recupera del extracto por precipitación isoeléctrica en el rango de pH de 4.5-4.8. El comportamiento ante el pH cambia si la proteína se trata térmicamente, como consecuencia de la desnaturalización debido al cambio de hidrofobicidad superficial por el desplegamiento, lo que acarrea un incremento en las interacciones proteína-proteína.87 Así, por ejemplo, el aislado de proteínas del suero nativo es completamente soluble en el intervalo de pH de 2 a 9, pero cuando se calienta a 70°C por un minuto hasta 10 min se desarrolla un perfil de solubilidad en forma de U con un mínimo de solubilidad a pH de 4.5 (figura 3.45).

3.8 Propiedades funcionales de las proteínas •

Porcentaje de solubilidad

100 80

••

•• •• • ••••

• • •

• ••

• •• • • •

•

•• •

• • •• • • • •

••

•

• •

•

• •

•

• •

• • • •• •• • • • • • • •• • •

• •

• • •

•

• •

••

•

• • •

• •

• •• • • •

20 0

• • • •• • •

••

•• • • • •• • • •• •

•

60 40

193

• • • • • • • • • • • • • •• •• •• • • • • • • • • • • • • •

3

4

5

6

••

•

• •

7

pH

Figura 3.45 Perfiles de solubilidad respecto del pH para glicinina después de incubaciones a 0.6 mg/mL por 16 h a 20ºC: I 5 (n) 0.5, (◆) 0.2 y (*) 0.03.87

Solubilidad y fuerza iónica La fuerza iónica de una solución salina se representa por la siguiente ecuación. m 5 0.5 S Ci Z12 donde Ci es la concentración de un ión, y Z1 es su valencia. En una fuerza iónica baja (, 0.5), los iones neutralizan la carga en la superficie de la proteína. La solubilidad disminuye para las proteínas que contienen una alta incidencia de zonas no polares y se incrementa para las proteínas que no. El primer comportamiento es típico de las proteínas de soya,86 y el segundo lo presenta la b-lactoglobulina. El descenso en la solubilidad es causado porque se incrementan las interacciones hidrofóbicas, en tanto la mayor solubilidad se debe a un descenso e...