Geles de proteínas de leche de cabra-carragenano: aplicación en el desarrollo de alimentos funcionales y nutricionales

Abstract

Importancia del Tema. Uno de los subproductos más importantes de la industria láctea es el suero. La fabricación de quesos y la producción de caseína generan grandes cantidades de suero de leche, lo que puede ocasionar importantes problemas ambientales. A pesar de esto, el suero es una sustancia de alto valor nutricional y funcional que contiene más de la mitad de los sólidos presentes en la leche entera original, incluyendo las proteínas de suero de leche (20% del contenido total de proteínas). Dado que es una de las mayores reservas de proteínas alimentarias que aún permanecen fuera de los canales de consumo humano, la tendencia es recuperar las proteínas del suero mediante la elaboración de aislados de proteínas de suero (APS ≥ 90% de proteína) o concentrados de proteínas de suero (CPS, 35-85% de proteínas), aplicando tecnologías de membrana como la ultrafiltración. Los APS y CPS de origen bovino son muy utilizados en la industria alimentaria debido a sus proteínas de alto valor biológico y a sus excelentes propiedades funcionales.En Santiago del Estero y en la región del NOA es elevada la producción caprina. Gran cantidad de familias de escasos recursos crían cabras como medio de subsistencia para su economía familiar, ya que la cabra se adapta a cualquier terreno, permitiendo el comienzo de actividades generadoras de ingreso en ambientes hostiles al surgimiento de otras actividades económicas. La producción lechera está entre las principales, y la leche de cabra es destinada a la producción de quesos; lo que genera una gran cantidad de suero como subproducto aprovechable. En la actualidad, se registran muy pocos estudios sobre las propiedades fisicoquímicas de los CPS de origen caprino, que podrían ser diferentes a las de los CPS bovino. Además, no existen estudios sobre la formación de geles mixtos de CPS caprino y carragenano. El carragenano es un polisacárido ampliamente utilizados en la industria alimentaria en la formulación de diversos productos lácteos. La aplicación de CPS caprino podría ser una interesante alternativa al CPS bovino en la industria alimentaria.Objetivos y Metodología. Los principales objetivos de esta Tesis Doctoral fueron: optimizar el proceso concentración de proteínas de suero de leche de cabra mediante ultrafiltración y diafiltración; estudiar la composición química y de aminoácidos del CPS caprino y compararlo con un CPS bovino de origen comercial; estudiar las propiedades fisicoquímicas y de superficie de las proteínas en solución y evaluar diferencias respecto al suero bovino; como así también, estudiar las propiedades fisicoquímicas, reológicas y de textura de los geles mixtos de CPS y carragenano.La elaboración del CPS caprino se llevó a cabo empleando suero dulce suministrado por una fábrica local de quesos de cabra. En la primera etapa del proceso de concentración, el suero fue previamente centrifugado principalmente para reducir el contenido de grasa. Luego se llevó a cabo la concentración usando un módulo de membrana tangencial de poliéster sulfonas (PES) (Vivaflow 200, Sartorius, Gotinga, Alemania) de peso molecular de corte de 10 kDa y con una superficie de filtración de 200 cm2. Considerando como limitantes del proceso, el incremento de la viscosidad del concentrado y el tiempo total, el proceso de concentración quedó definido con un factor de concentración volumétrica (FCV) igual a 7 y la diafiltración en 5 etapas. El concentrado final se congeló y se secó mediante liofilización. El proceso de ultrafiltración y diafiltración se monitoreó evaluando el flujo de permeado y el contenido de proteínas y lactosa en el concentrado en cada reducción de volumen.Para la caracterización fisicoquímica de los CPS caprino y bovino se determinó su composición proximal, contenido de minerales y composición de aminoácidos, como así también, se evaluó el potencial zeta, hidrofobicidad superficial, solubilidad, contenido de sulfhidrilos libres, a diferentes pH y con tratamiento térmico. Además se examinaron las fracciones proteicas presentes en los CPS mediante electroforesis SDS-PAGE y se evaluó la desnaturalización térmica mediante calorimetría diferencial de barrido.Se elaboraron geles mixtos con CPS caprino y carragenano comercial y se evaluaron sus propiedades reológicas, de textura, capacidad de retención de agua y microestructura, y se compararon con los geles mixtos de CPS bovino y carragenano. Se evalúo el efecto de la temperatura y el agregado de CaCl2 en los diferentes geles.Resultados y Discusión. Los resultados mostraron que el procedimiento empleado de ultrafiltración y diafiltración resultó eficiente y permitió obtener un concentrado con alto contenido de proteínas (64,60%). La etapa de descremado como pretratamiento del suero de leche de cabra y las etapas de diafiltración favorecieron la reducción del contenido de lactosa y cenizas. Los CPS caprino y bovino presentaron diferencias significativas en la composición proximal y en el contenido de algunos minerales. La composición de aminoácidos del CPS caprino fue similar a la de CPS bovino, proporcionando el mismo tipo y niveles de aminoácidos esenciales, destacándose para el CPS caprino los aminoácidos esenciales isoleucina y metionina.El CPS caprino mostró valores absolutos de potencial zeta más altos en función del pH en comparación con los obtenidos para el CPS bovino. Con respecto a la hidrofobicidad superficial disminuyó con el incremento del pH para ambos CPS. La hidrofobicidad superficial fue más baja para CPS caprino principalmente a pH ácido. La solubilidad de los CPS caprino y bovino fue alta en todos los sistemas, en particular, en muestras sin tratamiento térmico y en presencia de NaCl de baja concentración (0,1 M) probablemente debido al efecto de saltin-in producido en esta última condición. El contenido de grupos sulfhidrilos libres para ambos CPS fue mayor con tratamiento térmico, especialmente a pH ácido, debido a que en condiciones de acidez no se favorece el intercambio SH-S-S y los grupos ?SH se encuentran protonados. Los perfiles electroforéticos de los CPS sin tratamiento térmico fueron similares. Sin embargo, en sistemas tratados térmicamente a pH7 se presentó un comportamiento diferente entre ambos CPS; se formó mayor proporción de agregados insolubles en el caso del CPS caprino. La calorimetría diferencial de barrido reveló que CPS caprino posee mayor temperatura y entalpía de desnaturalización indicando que se trata de un concentrado proteico más estable al tratamiento térmico.Se elaboraron geles mixtos con CPS y carragenano a diferentes tratamientos, a los mismos se les evaluaron las propiedades reológicas y de textura, capacidad de retención de agua y microestructura. Los ensayos reológicos dinámicos, indicaron que los geles mixtos de CPS caprino-carragenano y CPS bovino-carragenano, formaron geles verdaderos con un comportamiento fuertemente elástico (G´ > G´´) en todas las formulaciones. No obstante, el módulo elástico (G´) de los sistemas preparados con CPS bovino fue mucho más alto que los correspondientes a CPS caprino. El valor del G´ de los geles mixtos fue similar entre ambas muestras para las diferentes concentraciones de proteínas, y mayor en los sistemas con tratamiento térmico en presencia de CaCl2. El análisis del perfil de textura evidenció que la dureza fue mayor para los geles mixtos elaborados con tratamiento térmico y en presencia de CaCl2. Todos los geles mostraron alta capacidad de retención de agua (WHC) lo cual estaría asociado al carragenano. Los valores de dureza y cohesividad obtenidos en los geles mixtos de carragenano y CPS caprino fueron similares a la del CPS bovino. Sin embargo, la elasticidad, adhesividad y WHC, fue ligeramente superior en los geles de CPS caprino.La microestructura de los geles mixtos indica que el CPS caprino forma agregados de proteínas aislados, el CaCl2 y el tratamiento térmico produjeron dominios de proteína agregada más grandes y compactos. Los geles elaborados con CPS bovino mostraron una agregación en forma de red continua. En general, las propiedades reológicas y de textura fueron dependientes de la presencia de CaCl2 ya que los geles más elásticos y más duros se obtuvieron en estas condiciones. Esto podría deberse al proceso de agregación inducido por el calcio durante la interacción proteína-proteína.Conclusiones. El CPS caprino exhibió propiedades fisicoquímicas similares a las del CPS bovino. Fue posible elaborar geles mixtos de CPS caprino y carragenano, con propiedades reológicas y texturales similares a los geles mixtos obtenidos con CPS bovino. Por lo tanto, el CPS caprino podría ser utilizado como un ingrediente en aquellos alimentos que requieran mejorar sus propiedades funcionales y nutricionales.

Introduction. One of de most important byproduct of milk industry is whey. The manufacture of cheeses and the production of casein generate large quantities of whey, which can cause significant environmental problems. Despite this, whey is a substance of high nutritional and functional value that contains more than half of the solids present in the original whole milk, including whey proteins (20% of the total protein content). Due to whey is one of the largest reserves of food proteins that still remain outside the channels of human consumption, the tendency is to recover their proteins by preparing whey protein isolates (WPI ≥ 90% protein) or whey protein concentrates (WPC, 35-85% proteins), applying membrane technologies such as ultrafiltration. Bovine WPI and WPC are widely used in the food industry due to the high biological value of their proteins and their excellent functional properties. There is a high production of goat in Santiago del Estero and in the NOA region. A large number of regional families raise goats as a means of subsistence and for contributing to their family economy, since the goat adapts to any land, allowing the generation of incomes through activities in environments that are hostile to the emergence of other economic activities. One of the main activities related to goat breeding is milk production, due to goat’s milk is used for the production of cheese. This activity generates a large quantity of whey as utilizable by-product. Until the present, there are very few studies on the physicochemical properties of caprine WPC, which could be different from those of bovine WPC. In addition, there are no studies on the formation of mixed gels of goat WPC and carrageenan. Carrageenan is a polysaccharide widely used as gelling agent in the food industry in the formulation of various dairy products. The application of caprine WPC could be an interesting alternative to bovine WPC in the food industry. Objectives and Methodology. The main objectives of the work of this Doctoral Thesis were: optimization of the concentration process of goat's milk whey proteins by ultrafiltration and diafiltration; the study, comparing in all assays with the commercial bovine WPC, of different chemical properties of caprine WPC such as proximal and amino acid composition and physicochemical and surface properties of proteins in solution; as well as, the study of physicochemical, rheological and textural properties of mixed gels of WPC and carrageenan. The elaboration of caprine WPC was carried out using sweet whey supplied by a local goat cheese factory. In the first stage of the concentration process, the serum was previously centrifuged mainly to reduce the fat content. The concentration was then carried out using a tangential membrane polyester sulfone (PES) module (Vivaflow 200, Sartorius, Göttingen, Germany) of 10 kDa cut-off molecular weight and with a filtration surface area of 200 cm2 . Considering the increase in the viscosity of the concentrate and the total time as limiting factors of the process, the concentration process was delimited to a volumetric concentration factor (FCV) equal to 7 and 5 stages of diafiltration. The final concentrate was frozen and dried by lyophilization. The ultrafiltration and diafiltration processes were monitored by evaluating the permeate flow and the protein and lactose content in the concentrate at each volume reduction. For the physicochemical characterization of the caprine and bovine WPC, their proximal composition, mineral content and amino acid composition were determined; as well as the zeta potential, surface hydrophobicity, solubility, content of free sulfhydryls, all parameters measured at different pHs and thermal treatments. In addition, the protein fractions present in both WPC were examined by SDS-PAGE electrophoresis and the thermal denaturation was evaluated by differential scanning calorimetry-DSC. Mixed gels were prepared with caprine WPC and commercial carrageenan and their rheological, texture, water retention capacity and microstructure properties were evaluated and compared with the bovine WPC-carrageenan gels. The effect of the thermal treatment and the addition of CaCl2 to the different gels were evaluated.Results and Discussion. Results showed that the procedure used for ultrafiltration and diafiltration was efficient and allowed to obtain a concentrate with high protein content (64.60%). The skimming stage as pretreatment of the goat's milk whey and the diafiltration stages favored the reduction of the lactose and ash content. Caprine and bovine WPC presented significant differences in the proximal composition and in the content of some minerals. The amino acid composition of caprine WPC was similar to that of bovine WPC, providing the same type and levels of essential amino acids, highlighting for caprine WPC the essential amino acids isoleucine and methionine. Absolute values of zeta potential at all pH evaluated for the caprine WPC were higher in comparison with the values obtained for bovine WPC. Regarding surface hydrophobicity, this parameter decreased with increasing pH for both WPC. The surface hydrophobicity was lower for caprine WPC mainly at acidic pH. The solubility of caprine and bovine WPC was high in all systems, particularly in samples without heat treatment and in the presence of low concentration of NaCl (0.1 M) due to the salting-in effect. The content of free sulfhydryl groups for both WPC was higher with thermal treatment, especially at acidic pH due to the low SH-S-S interchange in acid conditions where –SH are protonated. The electrophoretic profiles of the WPC without heat treatment were similar. However, in systems thermally treated at pH7, a different behavior was observed between both WPC; high amount of insoluble aggregates were formed for caprine WPC. The differential scanning calorimetry assay revealed that caprine WPC has a higher temperature and enthalpy of denaturation indicating that this concentrate present proteins that are more stable to thermal treatment. Mixed gels with WPC and carrageenan were elaborated under different treatments; they were evaluated analyzing rheological and texture properties, water retention capacity and microstructure. The dynamic rheological tests indicated that the mixed caprine and bovine WPC-carrageenan gels formed true gels with a strongly elastic behavior (G' > G") for all formulations. However, the elastic modulus (G') of the systems prepared with bovine WPC was much higher than those corresponding to caprine WPC gels. The G' value of the mixed gels was similar between both samples at each protein concentration, and higher in the systems with thermal treatment in the presence of CaCl2. The analysis of the texture profile showed that the hardness was higher for mixed gels made with heat treatment and in the presence of CaCl2. All gels showed high water retention capacity (WHC) which would be associated with the carrageenan. The hardness and cohesiveness values obtained for the caprine WPC-carrageenan gels were similar to that obtained for bovine WPC gels. However, the elasticity, adhesiveness and WHC were slightly higher in caprine WPC gels. The microstructure of mixed gels indicates that caprine WPC forms isolated aggregates of proteins, CaCl2 and heat treatment produced larger and more compact aggregated protein domains. The gels elaborated with bovine WPC showed an aggregation in the form of a continuous network. In general, the rheological and texture properties were dependent on the presence of CaCl2 since the more elastic and harder gels were obtained under these conditions. This behavior could be due to the aggregation process induced by calcium during the protein-protein interaction. Conclusions. The caprine WPC exhibited physicochemical properties similar to those of bovine CPS. It was possible to elaborate mixed gels of caprine CPS and carrageenan, with rheological and textural properties similar to those presented by the mixed gels obtained with bovine WPC. Therefore, caprine WPC could be used as an ingredient in those foods that require improving their functional and nutritional properties.