Workshop de AgroalimentosBuenos Aires, 25 y 26 de octubre de 2012
Las proteínas del lactosuero como ingredientes funcionales
Ana M.R. Pilosof
Departamento de Industrias
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Buenos Aires - CONICET
Centro Argentino Uruguayo en Agroalimentos - CEBAU
Proteinas lácteas
80%
20%
Caseinas
suero
De dónde proviene el suero?
-
De la fabricación de la caseína ácida
Suero ácido (6 %)
De la fabricación del queso Suero dulce
(94%)Proteínas del suero %
Beta-Lactoglobulina 50-55%
Alpha-Lactalbumina 20-25%
Immunoglobulinas 10-15%
Lactoferrina 1-2%
Lactoperoxidasa 0.5%
Seroalbumina Bovina 5-10%
caseinomacropéptido ~15% Solo en suero dulce
Utilización del suero
1970
Se desechaba o usaba para alimentación animal
Actualmente
Las proteínas tienen:Alto valor nutricional
Propiedades biológicasAmplio rango de propiedades
funcionales
Fabricación de alimentosSuplementos proteicosAplicaciones clínicas
PROPIEDADES BIOLÓGICAS
PROPIEDADES FUNCIONALES
Muy solubles
Bebidas
Alta actividad en la interfase aire /agua productos espumados
Can replace or extend eggs white in bakery products, mousses.
Can de used in whipped toppings, ice cream,
frozen yogurth
Excelente gelificación
textura y reología
Alta actividad en la interfase aceite /agua emulsiones
Suplementos Nutricionales
• browning• tostado• mejora estructura corteza• disminuye retrogradación• flavor
Productos panificados
Desde el suero a las proteínas aisladasCómo transformamos el suero en
ingredientes proteicos?El suero contiene proteínas, péptidos, lactosa, grasa láctea y otros
lípidos , iones como sodio, potasio y calcio, vitaminas.
UltrafiltraciónMicrofiltraciónNanofiltración Diafiltración
Tecnologías de membrana
Recuperación de proteínas por intercambio iónico
+
+-+ +
+++++ +
+++
++ +
- --- ---
----
Higher pH
----
--- - -
-- ---- --
---
-
------
-- --- ---
-Low pH
- --- --
Protein Binds Protein Eluted
Spray drying
Desde el suero a las proteínas aisladas
• Suero en polvo• Suero en polvo desmineralizado
• Whey Protein Concentrates (WPCs)• Whey Protein Isolates (WPIs)
• Beta-lactoglobulina• Caseinomacropéptido (CMP)
Desarrollo de tecnologías para la micro particulación de productos del suero: reemplazantes de grasa
Aplicaciones: quesos, helados, yoghurt , postres lácteos, mayonesas y aderezos, etc
Desarrollo de tecnologías para la nano particulación de proteínas del suero: carriers de componentes bioactivos
Nuevas áreas de desarrollo de proteínas del suero
Estrategias para producir nanomateriales (micro)
“top down”
“de arriba hacia abajo”
Disgregación de un material usando energía mecánica, química, ultrasónica, etc
“bottom up”
"de abajo hacia arriba"
Síntesis del material a partir de átomos o moléculas, por reacción química o self-assembly (autoensamblaje espontáneo)
ULTRASONIDOS
ULTRASONIDOS (HI-US): permite controlar el tamaño de partícula de proteínas en el rango nano y micro
Se pueden utilizar diferentes estrategias...........
Estrategias “top down” para producir nano/micro partículas proteícas del lactosuero
After 20 min HI-US Before treatment
0
1
2
3
4
5
0.011 0.363 11.482 363.078
diameter (mm)
% V
olum
e D32= 753 nm
02
46
810
12
diameter (nm)
inte
ns
ity
(%
)Zav= 200 nm
Aplicación de HI-US a temperatura ambiente
(reducción de tamaño y control de la morfología)
WPI = 7,5 %wt
0.1 1 10 100 10000.0
2.5
5.0
7.5
size (d.mm)
Vo
lum
e (%
)Particle-size distribution of ultrasonicated (10 min) WPI at 85-93 °C
7.5%
D32 =0.482 µm 12%
D32 =4.50 µm
9%
D32 =0.97 µm
Aplicación de HI-US + calentamiento
() 75 °C, () 80 °C, () 85 °C
6 nm
16 nm
Estrategias “bottom up” para producir nanopartículas proteícas del lactosuero
1
10
100
1000
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85Temperatura (ºC)
Z-A
ve
(d
.nm
)
Obtención de nanopartículas de - lg por calentamiento (3- 9 %) pH= 7
-lg 9% Gel
-lg
6-7% 50 nm
24 nm
-lg 3%
6 nm
Complex formation (coacervates) at pH < pI of protein-Carrageenan (1.4%) + WPC 80% (7.1%)
pH
7.8 6.1 5.6 3.2
Coacervate
New functionality
Microencapsulation system
Estrategias “bottom up” para producir micro- coacervados proteícos
1 10 100 10000
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
lg+polyphenollg
Size (nm)
4,2 nm21 nm
1 10 100 1000
CMP+polyphenol
CMP
Size (nm)
106 nm2,3 nm
Assembly of proteins and polyphenols from green tea
von Staszewski, M. et al.2012,Nanocomplex formation between b-lactoglobulin or caseinomacropeptide and green tea polyphenols:Impact on protein gelation and polyphenols antiproliferative activity,
Journal of Functional Foods http://dx.doi.org/10.1016/j.jff.2012.05.008
Actividad antiproliferativa de nanopartículas de polifenoles y proteínas del lactosuero sobre líneas celulares tumorales
U251 UACC-62 MCF-7NCI-ADR/
RES786-0
Doxorrubicina 0,12 ± 0,07 0,14 ± 0,02 0,37 ± 0,12 4,2 ± 4,1 <0,025
CMP >250 >250 >250 >250 >250
Beta >250 >250 >250 >250 >250
Polifenol 3,4 ± 1,8 55,7 ± 21,9 58,8 ± 11,1 27,4 ± 4,8 53,0 ± 16,2
CMP + polifenol 10,7± 4,9 34,9 ± 3,9 24,7 ± 13,0 7,7 ± 7,1 27,4 ± 2,5
CMP + polifenol (90º) 8,6 ± 9,2 38,3 ± 6,7 28,3 ± 6,9 13,3 ± 9,3 33,5 ± 1,2
Beta + polifenol 13,6 ± 5,4 36,4 ± 14,4 >62,5 17,7 ± 9,2 17,4 ± 8,8
Beta + polifenol (90º) 15,6 ± 4,8 18,1 ± 6,1 >62,5 22,1 ± 10,8 15,6 ± 4,9
U251 (glioma, SNC); UACC-62 (melanoma); MCF-7 (mama); NCI-ADR/RES (ovario, fenotipo resistente a múltiples drogas); 786-0 (riñón)
Concentración necesaria para lograr una inhibición total del crecimiento (mg/mL)
Ruptura enzimática (pepsina o quimosina)
CMP
Porción C- terminal
Péptido de 64 aa
Phe105
Met 106
-caseína
para- -caseína
CASEINOMACROPÉPTIDO (CMP)
aCMP MW 6.7 kDa
El caseinomacropéptido, un promisorio ingrediente funcional
CASEINOMACROPEPTIDE (CMP)CMP : heterogéneo conjunto de polipéptidos, muy solubles
50 % del CMP está glicosilado (ácido siálico)
aCMP MW 6.7 kDa
pI= 4.1
gCMP MW 9.6 – 11 kDa
pI= 3.15
UF
EtOH
TCA
Li & Mine, 2004
inhibición de patógenos
Reducción de la secreción gástrica
Inhibición de la placa dental (caries)
Promoción de la actividad de Bifidobacterias
Inhibición de la agregación de plaquetas
supresión del apetito
inmunomodulador
control de la fenilcetonuria
Review: Health effects and technological features of caseinomacropeptideThoma-Worringer, Sorensen and López-Fandiño (Int. Dairy J., 2006)
CMP : un péptido bioactivo
CMP pH dependent self-assembly at room temperature Farías, M. E., Martinez, M. J., & Pilosof, A. M. R. (2010). Casein glycomacropeptide pH
dependent self-assembly and cold gelation. International Dairy Journal, 20, 79-88
3 4 5 6 7 82
3
4
5
6
7
pH
5%3%
mo
no
mers
Siz
e (
d.n
m)
dim
ers
tetr
am
ers
hexam
erspo
lym
ers
Pre
do
min
ant
CM
P f
orm
s
2 3 4 5 6 7 8 91
10
100time (min)
60
40
0
z-av
erag
e (d
.nm
)
pH
CMP 3 %
20
self-assembled structures grow over time at pH values less than 4.5
Gels
The mechanism of CMP self assembly (Farías et al., 2010).
(CMP)M (CMP)D>T; < pH
HStage I
Dimers formation by hydrophobic interactions
pH < 6.5
n(CMP)D (CMP)D
E
nStage II
Polymers (gel) formation by
electrostatic interactions
pH < 4.5
CMP self assembled nanoparticles are suitable as carriers of minerals (Ca, Fe, Zn)
Al ser ingeridas, las micro/nano partículas
o emulsiones son expuestos a
condiciones físicas y bioquímicas extremas
(pH, T, Enzimas, SB, etc), pasando desde la boca, al estomago y el
intestino delgado
McClements, D. & Li, Y. (2010). Review of in vitro digestion for rapid screening of emulsion-based systems.
Food & Function, 1, 32-59.
Comportamiento de estructuras proteicas lácteas y emulsiones durante la digestión
Posibles líneas de cooperación
• Diseño de nuevos ingredientes proteicos con funcionalidad específica (gelificación, emulsificación, espumado, reología) mediante tecnologías tradicionales y emergentes (también inocuidad) : US, PEF.
Tecnologías para aislar componentes bioactivos en el suero
Tecnologías para micro/nanoparticular proteínas y su uso como carriers de bioactivos
Desarrollo de alimentos lácteos funcionales (yogurth, queso)
Desarrollo de nanoemulsiones con proteínas lácteas como carriers de bioactivos
Desarrollo de modelos de digestión in vitro para evaluación de biodisponibilidad de bioactivos, impacto del estado físico, interacciones con la matriz alimentaria, alergenicidad, etc.
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