Gelificación de Proteínas I

Publicado el 4 abril 2010
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La gelificación de proteínas es un de las caracteristicas mas importante y de mayor función industrial en el área de la ciencia y tecnología en alimentos. Y es que la funcionalidad de las proteinas está en la industria cárnica, en la conservera y en muchas otras.

Generalidad

Primero hay que diferenciar la gelificación de los otras fenomenos similares en los que el grado de dispersión de una solucion proteica también decrece (tal como ocurre con la asosiación, agregación, polimerización. precipitación, floculación y coagulación). Generalmente. las reacciones de asociación de proteinas,afectan a modificaciones que alcanzan el nivel de subunidades o de la rnolécula mientras que las reacciones de polimerización o agregación, implican la capacidad de formar complejos de gran tamaño. La precipitacibn incluye todas Ias reacciones de agregacian conducentes a una perdida total o parcial de solubilidad. La floculación se refiere a reacciones de agregación desordenada que se producen en ausencia de desnaturalizacion y que a menudo se originan a causa de la desaparición de repulsiones electrostaticas entre cadenas. Se definen como coagulación las reacciones de agregación no ordenadas que se producen con desnaturalización y en las que predominan las reacciones de agregación o las interacciones proteína – proteína con relación a las interacciones proteína- disolvente; esto conduce a la formación de un gran coagulo.Se demonima gelificación cuando las moleculas desnaturalizadas se agregan para formar una red proteíca ordenada.

La aptitud a Ia gelificación es una propiedad funcional muy importante para muchas proteinas. Tiene un papel fundamental en la preparación de numerosos alimentos, entre los cuales hay diversos productos lácteos; la clara de huevo coagulada; los geles de gelatina; diversos productos calentados a base de carne o pescado triturados; los geles proteicos de soja; las proteínas vegetales texturadas por extrusión o trefilado y las pastas de panadería. La gelificación proteica no se aplica solamente para la formación de geles sólidos viscoelásticos, sino también para mejorar la absorción de agua, el espesado, la unión de partículas (adhesión) y para estabilizar emulsiones y espumas. Aurique están bien establecidas las condiciones prácticas para la gelificación de las diversas proteínas, no se logra fácilmente el óptimo a causa de factores ambientales, los pretratamientos de la proteína, empleo de mezclas de proteínas, etc. En la mayoría de los casos es indispensable un tratamiento térmico para conseguir la gelificación. Puede necesitarse un enfriamiento posterior y a veces, resulta aconsejable una acidificación ligera. Asimismo, puede necesitarse una adición de sales, concretamente iones calcio, lo que aumenta la velocidad de gelificacion y la firmeza de gel (caso de las proteínas de soya, lactosuero y suero albúmina). No obstante, varias proteínas pueden gelificarse sin calentamiento, con sólo únicamente una hidrólisis enzimática moderada (micelas de caseína, clara de huevo, fibrina), una simple adición de iones calcio, (micelas de caseína) o una alcalización seguida de un retorno a la neutralidad o al pH isoeléctrico (proteínas de soya). Mientras que se puedan formar numerasos geles a partir de proteínas en solución (ovoalbumina) y otras proteínas en la clara de huevo , beta -lactogiobulina y otras proteinas de lactosuero, micelas de caseína, suero dealbumina, proteinas de soya), también se pueden formar geles (colágeno, proteínas miofibrilares, tales como la actomiosina, concentrados proteicosde soya, parcialmente o totalmente desnaturalizados, etc.), de las dispersiones acuosas o salinas de proteínas insolubles o poco solubles; es decir, la solubilidad proteica no siempre es indispensable para la gelificación.

Métodos de evaluación de los geles proteicos

Frecuentemente 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. En este caso es importante no romper la red proteica. Aunque frecuentemente el contenido en agua es muy elevado, los geles tienen un comportamiento reológicode visoelástico. Para determinar las principales características físicas pueden utilizarse diversos instrumentos,tales como el módulo de elasticidad, el umbral de deslizamiento, el tiempo de relajación o incluso el coeficiente aparente de viscosidad.

No obstante, ‘frecuentemente se prefiere hacer pruebas empíricas de penetración o de compresión para valorar la firmeza, resistencia a la rotura o la adhesión del gel. Los resultados dependen de los instrumentos y condiciones de medida, por tanto, para poder hacer comparaciones es indispensable una normalización previa.

La microscopía electrónica de transmisión o de barrido, permite estudiar la estructura de los geles. Como se indicó anteriormente, el examen
microscópico da el tamaño, forma y posición de los agregados y/o de los filamentos, así como la amplitud de los poros. Pueden utilizarse métodos físicoquímicos para seguir las sucesivas etapas de la gelificación, los mecanismos e interacciones que surgen. El grado de despliegue de las estructuras proteicas secundarias y terciarias, puede conocerse por microcalorimetria diferencial, dicroismo circular, dispersión, optica rotatoria o bien por medidas de propiedades antigénicas residuales. La hidrofobicidad superficial de la proteína puede determinarse por cromatografía de afinidad hidrófoba o por fijación de reacrivos hidrófobos fluorescentes (acido naftalensulfónico, acido cis-parinarico). 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 !a absorbancia 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. Frecuentemente se utilizan como parámetros para comparar diversos geles entre sí, los margenes de temperatura. pH y concentración en proteína que permiten la formación de un gel la velocidad de gelificación a .distintas temperaturas la transparencia de gel la resistencia de gel al almacenamiento, al calor, a la congeiación/descongelación el tipo de desestabiiización observado (fusión, sinéresis, exudación). Algunas de las pruebas mencionadas anteriormente pueden realizarse sobre muestras de pequeño volumen o utilizando sistemas teóricos simples.

Mecanismos de gelificación y estructura de los geles

Aún no se conocen totalmente el mecanismo y las interacciones relativas a la formación de la red proteica tridimensional característica de los geles. No obstante, prácticamente, todos los estudios señalan la necesidad de una desnaturalizacibn y desdoblamiento de la proteína, como pasos previos a la interacción ordenada proteína-proteína y agregación. Esto explica, por ejemplo, porque los concentrados proteicos de soya, previamente desinaturalizados por el calor, por los disolventes o bases, pueden gelificar sin necesitar un calentamiento posterior. La formación de la red proteica se considera como resultado de un equilibrio entre las interacciones proteína-proteína, interacciones proteína disolvente (agua) y fuerzas atractivas y repulsivas entre cadenas polipeptídicas próximas. Se sabe, que las fuerzas atractivas las representan las interacciones hidrófobas (acrecentadas a temperaturas elevadas), electroestáticas, (tales como los enlaces, con los iones ca++ y otros divalentes), enlaces hidrógeno (aumentados por enfriamiento) y/o las uniones disulfuro. Su incidencia respectiva puede variar en función de la naturaleza de la proteína las condiciones del medio y las diversas etapas del proceso de gelificación. Las repulsiones electrostríticas, (sobre todo a pH alejados del punto isoeléctrico) y las interacciones proteína-agua, tienden a mantener separadas las cadenas polipeptídicas . Kas atracciones proteícas intermoleculares ( y la geificación) se producen más rapidamente con concentraciones proteícas elevadas dada su mayor probabilidad de contactos intermoleculares. En el caso de concentraciones proteicas elevadas.aun se puede producir una gelificación en condiciones ambientales que no sean especialmente: favorables para Ia agregación (por calentamiento a pH alejados del punto isoléctrico, etc.), El estabiecirniento de uniones covaientes disulfuro conduce, conduce habitualmente, a la formación de geles térmicamente irreversibles, como ocurre con los geles de ovoalbiimina Q de beta-lactoglobulina (). Los geles de gelatina, que están estabilizados fundamentalmente por enlaces hidrógenos, funden por calentamiento (alrededor de 30°C) el ciclo de gelifjcacibn-fusión puede repetjrse varias veces. Los geles de proteina de soja tienen un compartimento intermedio y su consistencia disminuye cuando la temperatura de calentamiento sobrepasa 80°C. AIgunas proteínas de naturaleza difetente pueden formar geles cuando se calientan juntas (cogelificación). Las proteinas también pueden formar geles por interacciones con agentes polisacáridos gelificantes. Las in- teracciones iónicas no específicas entre la gelatina cargada positivamente y los alginatos o pectinatos cargados negativamente, producen geles de alto punto de fusión (80°C). Por otro lado, se sabe que al pH de la leche se pueden establecer interaciones iónicas específicas entre una zona cargada positivamente de la caseína k y el carragenato kappa polisulfato. Así las micelas de caseína pueden quedar incluidos en los geles de carragenato. Existen numerosos geles bajo forma de estructura hidratada fuertemente expandidos y con más de 10 g de agua por g de proteína y con otros diferentes constituyentes alimenticios englobados en la red proteica. Por esto, algunos geles proteicos pueden llegar a contener hasta un 98% de agua; aunque una gran parte de esta agua tenga propiedades idénticas a las del agua de una solución salina diluida, está retenida físicamente y no puede expulsarse con facilidad. Se emitieron numerosas hipótesis para explicar las fuerzas responsables de la gran capacidad de retención de agua de los geles. Es posible que después de la desnaturalización térmica de las estructuras secundarias, grupos libres CO y NH de los enlaces peptídicos procedan, respectivamente, de zonas polarizadas negativa y positivamente a lo largo de la cadena polipeptídica y creen así un sistema extendido de ca-pas sucesivas de agua. Después del enfriamiento, las moléculas proteicas pueden reunirse, formando de nuevo enlaces de hidrógeno de manera que reproduzcan la estructura necesaria para englobar el agua libre. También es probable que los poros de la red proteica retengan el agua capilar. Partiendo de una solución acuosa de proteínas, las primeras etapas de gelificación térmica son, corrientemente, las siguientes (ecuación 3):

)

 

(ecuación 1) Disociación reversible de la estructura cuaternaria en subunidades o monómeros (la disociación irreversible de polímeros naturales también puede constituir la primera etapa de la desnaturalización).

(ecuacion 2) Desnaturalización irreversible de estructuras secundaria y terciaria (el desdoblamiento es frecuentemente parcial)

Aunque el estado gelificado final corresponde a agregados de proteína parcialmente desnaturalizado, (PD)x, no se sabe siempre con cual de los esquemas siguientes está implicado:


Corrientemente la primera parte de la ecuación se considera aplicable a las reacciones de floculación, mientras que la segunda parte los sería mas generalmente para as reacciones coagulación grosera. En las condiciones mas favorables a la desnaturalización que a la agregación  ( fuerte carga proteíca neta a pH bajos o elevados, fuerzas ionicas muy debiles , presencia de ciertod iones . presencia de agentes disociantes, tales como la urea, guanidina, los detergentes, el calentamiento produce  reacciones según el esquema de la reacción.  A medida que la etapa de agregación sea más lenta con relación a la desnaturalización, más fácilmente podrán orientarse 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 sinéresis y exudación. Por el contrario, los geles formados por partículas proteicas, groseramente agregados, son opacos, poco elásticos y claramente inestables (sinéresis y exudación). Apoyan esta hipótesis  las características de los geles formados por calentamiento de plasma bovino (con 5% de proteínas) a una temperatura determinada, comprendida entre 70 y 100°C: la dureza mecánica de los geles aumenta con la temperatura. mientras que su capacidad de retención de agua se reduce (calculada por la pérdida de agua por centrifugación del gel a baja velocidad – sin deformación del gel – sobre una placa metálica). La observación de los geles al microscopio electrónico con barrido, indica que el fenómeno responsable de estas diferencias de comportamiento es una agregación irregular (no ordenada), de los constituyentes proteicos que se produce a temperaturas iguales o superiores a 90°C.  El gel formado es mas heterogéneo y comporta a la vez grandes agregados proteicos (res- ponsables del aumento de dureza) y grandes “agujeros” llenos de una fase acuosa fácilmente extraible al comprimir. Por lo tanto, una temperatura elevada favorece las interacciones proteína-agua. La adición de cloruro de sodio o el ajuste al pH isoeléctrico, tiene efectos análogos, porque implica una supresión de las repulsiones electrostáticas entre las cadenas polipéptidicas. Generalmente, el desdoblamiento de las moléculas proteicas aumenta la exposición de los grupos reactivos. en especial de los grupos hidrófobos de las proteínas globulares. Las interacciones hidrófobas proteína-proteína, también resultan favorecidas y representan la causa principal de la posterior agregación. Al tener las proteínas una masa molecular elevada y un fuerte porcentaje de aminoácidos hidrófobos, tendrán tendencias a formar redes más compactas. Las interacciones hidrófobas, tendrán tendencias a formar redes más compactas. Las interacciones hidrófobas resultan favorecidas a temperaturas elevadas, mientras que la formación de enlaces hidrófobos se favorece durante el enfriamiento. También el calentamiento puede liberar bs grupos SH internos y promover la formación o el cambio de uniones disulfuro. La presencia de un gran número de grupos SH y S-S reforzará la red intermolecular y tendrá tendencia a hacer el gel térmicamente irreversible. Las uniones calcio mejoran la firmeza y estabilidad de numerosos geles. La zona de pH en la cual se produce la gelificación se ensancha con el aumento de la concentración proteica. Esto indica que los numerosos enlaces hidrófobos y disulfuro formados con fuerte concentración proteica pueden compensar las fuerzas electrostáticas de repulsión inducidas por la alta carga neta de la proteína (a pH alejados del punto isoeléctrico). En el punto isoeléctrico, la ausencia de fuerzas repulsivas conduce a la formación de un gel menos expandido, menos hidratado y menos consistente. Las proteínas que poseen altos porcentajes de aminoácidos hidrófobos(> 31,5% sobre una base molar) tales como la hemoglobina, catalasa. ovoalbúmina y ureasa. tendrán, en general, zonas de pH de gelificación dependiente de la concentración proteica, mientras que los que tengan un débil porcentaje de aminoácidos hidrófobos (22-31,5%) tales como las y-globulinas, alfa-quimotripsina, protrombina, seroalbúmina, conalbúmina, ovomucoide, gelatina y las proteínas de soja, no presentan modificaciones de la zona de pH de gelificación, cuando la concentración proteica varía. Esta diferencia de comportamiento puede servir de base para clasificar los geles obtenidos por calentamiento: 1 ) Las proteínas tales como la ovoalbúmina que precipitan por el calor a baja concentración proteica y dan, a alta concentración, un gel opaco. 2) Las proteínas. tales como la gelatina que permanecen solubles con baja concentración proteica durante el calentamiento y dan un gel claro y termorreversible con concentración fuerte. Las proteínas tales como la caseína, beta-lactoglobulina y pepsina, se comportan como proteínas del grupo 2, aunque su porcentaje molar de aminoácidos hidrófobos sea 38, 34,6 y 34 respectivamente; sin duda, se puede atribuir este comportamiento a su baja masa molecular. La ovoalbúmina purificada se comporta como las caseinas, pero cuando se mezcla a la conalbúmina, se comporta como las proteínas del grupo 1, debido a la formación de enlaces proteína- proteína y de un aumento aparente del peso molecular (36-38).

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Comentarios

Una respuesta para “Gelificación de Proteínas I”

  1. rosa daniela garcia on junio 14th, 2011 11:54

    Cual es la velocidad de gelificacion de la gelatina? y cuales son los parametros que mas se utiliza para controlar la calidad de una gelatina? cual el la materia prima utilizada para la fabricación de gelatina neutra?. Agradeceria mucho sus respuestas…..!!

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