FisicoquĆmica
PROPIEDADES TECNOLĆGICAS Y FUNCIONALES DE LAS PROTEĆNAS ALIMENTARIAS
Las proteĆnas lĆ”cteas representan aproximadamente el 30% del total de las proteĆnas dietĆ©ticas de los adultos en los paĆses occidentales. Aunque estas proteĆnas en su estado nativo tienen como una de sus funciones el transporte de molĆ©culas, estĆ”n presentes en los alimentos en varios estados estructurales, lo que refleja la variedad de procesamiento utilizado industrialmente.
Aunque se conoce el impacto de la alteraciĆ³n estructural de las proteĆnas de la leche en las propiedades tecno-funcionales de los alimentos (viscosidad, etc.), la comprensiĆ³n de su efecto sobre las propiedades funcionales (declaraciones de propiedades saludables) de estos alimentos aĆŗn estĆ” en construcciĆ³n. Es un consenso que las matrices de alimentos no son inertes a la adiciĆ³n de compuestos bioactivos, sin embargo, este hecho se ignora durante el desarrollo de alimentos funcionales, generalmente basado en la simple incorporaciĆ³n de estos compuestos en los alimentos. Con el fin de guiar el desarrollo de alimentos funcionales y garantizar los efectos beneficiosos asociados, es crucial comprender cĆ³mo los cambios estructurales inducidos a las matrices proteicas de alimentos afectan la actividad biolĆ³gica de los compuestos bioactivos. En este contexto, el presente proyecto de investigaciĆ³n propone una estrategia de ingenierĆa inversa para generar conocimiento que permita predecir el comportamiento de los carotenoides en las matrices de proteĆnas sometidas a diferentes procesos industriales. A travĆ©s de la asociaciĆ³n de resultados obtenidos en matrices y modelos reales, el objetivo es establecer reglas genĆ©ricas para el comportamiento (interacciĆ³n / actividad biolĆ³gica) de carotenoides en matrices complejas de mĆŗltiples proteĆnas. AdemĆ”s de la comunidad cientĆfica, el conocimiento generado por esta propuesta tambiĆ©n interesarĆ” a las empresas en el Ć”rea de alimentos / ingredientes funcionales, asĆ como a los organismos reguladores.
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MICROESTRUCTURA DE PRODUCTOS LĆCTEOS
La tecnologĆa alimentaria puede definirse como un intento controlado de preservar, transformar, crear o destruir una estructura que ha sido transmitida por la naturaleza o por el procesamiento. Actualmente existen numerosas herramientas de caracterizaciĆ³n disponibles para sondear la estructura de los alimentos con el fin de diseƱar racionalmente procesos que mejoren la calidad de los productos.
Una caracterĆstica de interĆ©s para la soluciĆ³n de problemas y defectos actualmente en evidencia, es la identificaciĆ³n y caracterizaciĆ³n de las micro y nanoestructuras de la leche y los productos lĆ”cteos. La Figura 1A resume los principales componentes de la leche organizados por el tamaƱo promedio de sus rayos hidrodinĆ”micos, mientras que la Figura 1B muestra las principales estructuras de la leche y tambiĆ©n los ingredientes y partĆculas mĆ”s comĆŗnmente utilizados y encontrados en la tecnologĆa de procesamiento de productos lĆ”cteos.
Figura 1: caracterizaciĆ³n de las micro y nanoestructuras de leche y productos lĆ”cteos: (A) diĆ”metros hidrodinĆ”micos promedio de las principales estructuras presentes en la leche en micrĆ³metros; (B) partĆculas principales encontradas en productos lĆ”cteos
El aire ocluido en las partĆculas atomizadas afecta directamente la calidad final de la leche en polvo, como, por ejemplo, la baja densidad volumĆ©trica y la formaciĆ³n de finos. La incorporaciĆ³n de aire en el concentrado se produce en varios puntos, y cuanto mayor es la capacidad de formaciĆ³n de espuma, mayor es la capacidad de incorporar aire atmosfĆ©rico.
Durante el secado, aumenta la concentraciĆ³n de sĆ³lidos, la viscosidad y la tensiĆ³n superficial de las partĆculas, formando una capa en el exterior que dificulta la difusiĆ³n. Esto se vuelve mĆ”s pronunciado a medida que avanza el secado y cuando la humedad de las partĆculas alcanza alrededor del 10% al 20%, que es el llamado "punto crĆtico de humedad", la temperatura de las partĆculas aumenta gradualmente con el secado. Sin embargo, si la temperatura del aire que rodea las partĆculas es lo suficientemente alta, puede producirse un sobrecalentamiento, desnaturalizando la proteĆna, lo que influye en la solubilizaciĆ³n inadecuada de la leche en polvo y el endurecimiento de la lactosa amorfa que impide la difusiĆ³n del vapor. Por lo tanto, con el vapor y el aire restantes en el interior, las partĆculas se expanden presionando la capa exterior, hinchĆ”ndose como una esfera hueca con un espesor de capa de alrededor de 1 micrĆ³metro, en algunos casos, explosiones, como se muestra en la figura 2.
Figura 2: Datos morfolĆ³gicos de la leche entera en polvo, con presencia de partĆculas con caracterĆsticas de explosiones.
Otra aplicaciĆ³n extremadamente Ćŗtil de las tĆ©cnicas se refiere a la caracterizaciĆ³n de productos deshidratados. En la superficie de la totalidad de las partĆculas de leche en polvo hay pequeƱos glĆ³bulos de grasa que no estĆ”n protegidos por la membrana de la lipoproteĆna, llamada grasa libre, que pueden causar problemas, como la rancificaciĆ³n del producto cuando se almacena durante mucho tiempo, la aglomeraciĆ³n de partĆculas y dificultad en la reconstituciĆ³n.
Como se muestra en la figura 3, la ineficiencia del proceso de homogeneizaciĆ³n de la leche concentrada dirigida a la producciĆ³n de leche entera en polvo, tuvo una influencia directa en la cantidad de grasa libre, que tiende a involucrar a las cĆ©lulas de aire en las partĆculas de leche en polvo o a formar "erupciones" "En su superficie, promueve la oxidaciĆ³n e incluso la aglomeraciĆ³n del polvo
Figura 3: Datos morfolĆ³gicos de la superficie de partĆculas enteras de leche en polvo, con presencia de migraciĆ³n de grasa libre, causada por la ineficiencia del proceso de homogeneizaciĆ³n de la leche concentrada, generando aglomeraciĆ³n en el producto. .
La vida Ćŗtil de los productos lĆ”cteos deshidratados generalmente se establece para garantizar la seguridad microbiolĆ³gica y para mantener las caracterĆsticas sensoriales aceptables. A pesar de ser microbiolĆ³gicamente estables, los cambios fĆsicos y quĆmicos, como la cristalizaciĆ³n de lactosa, la aglutinaciĆ³n de partĆculas, la oxidaciĆ³n de grasas, la reacciĆ³n de Maillard y las reacciones enzimĆ”ticas pueden ocurrir durante el almacenamiento, cambiando las propiedades fĆsico-quĆmicas y funcionales del producto.
En las Ćŗltimas dĆ©cadas, se han aplicado mĆ©todos espectroscĆ³picos, junto con herramientas quimiomĆ©tricas, para evaluar la calidad de los productos lĆ”cteos como alternativa a los procedimientos tradicionales. La Figura 4A muestra el espectro Raman del WPC producido en condiciones ideales, 4B WPC producido en condiciones ideales y almacenado durante 6 semanas en condiciones ambientales y 4C Ī±-lactosa monohidrato.
Los cambios que ocurren en los espectros Raman de muestras almacenadas en condiciones ambientales son causados, principalmente, por el aumento en la cantidad de agua en el polvo. Cuando el WPC se expone a una humedad relativa alta, el polvo absorbe agua y aumenta su concentraciĆ³n en los alimentos. Como consecuencia, hay una disminuciĆ³n en la viscosidad y un aumento en la movilidad molecular. Estos dos factores determinan una serie de modificaciones estructurales dependientes del tiempo, tales como: gomosidad, colapso y cristalizaciĆ³n de componentes amorfos, que acortan la vida del WPC y, en consecuencia, su calidad.
Figura 4: espectros Raman de WPC producido en condiciones ideales (A), WPC producido en condiciones ideales y almacenado durante 6 semanas en condiciones ambientales (B); Ī±-lactosa monohidrato (C).
Otra tĆ©cnica para investigar la microestructura de los productos en polvo, utilizada durante el proceso de rehidrataciĆ³n es el anĆ”lisis del tamaƱo de partĆcula por difracciĆ³n lĆ”ser, que se usa ampliamente en varios sectores industriales debido a su facilidad de operaciĆ³n, velocidad y amplitud de lectura.
La Figura 5 muestra, para cada muestra de leche entera en polvo con diferentes caracterĆsticas de aglomeraciĆ³n y proceso de fabricaciĆ³n, la distribuciĆ³n porcentual del volumen ocupado por las partĆculas (durante el proceso de rehidrataciĆ³n en agua) de acuerdo con sus diĆ”metros hidrodinĆ”micos. TĆpicamente, la distribuciĆ³n del tamaƱo de partĆcula de la leche lĆquida entera muestra dos poblaciones, una correspondiente a las micelas de caseĆna (centrada alrededor de 150-200 nm) y otra correspondiente a los glĆ³bulos de grasa (centrada alrededor de 5 Āµm). Todas las muestras tienen una poblaciĆ³n de partĆculas centradas a aproximadamente 200 nm, que corresponden a las micelas de caseĆna como en la leche lĆquida. La intensidad de esta poblaciĆ³n depende directamente de la calidad de la microestructura del polvo.
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Figura 5: DistribuciĆ³n del tamaƱo de las partĆculas de leche en polvo con diferentes caracterĆsticas de microestructura durante el proceso de rehidrataciĆ³n: A (ā”), B (ā), C (Ī), D (ā) y E (ā).