Caracterización de los productos y estabilidad:

Teórica 5

estabilidad:

Cambios inducidos en las biomoléculas durante el almacenamiento prolongado

Reacciones que son susceptibles de ocurrir Reacciones que son susceptibles de ocurrir

en el almacenamiento a largo plazoen el almacenamiento a largo plazo

�� Actividad enzimáticaActividad enzimática

��Inactivación enzimáticaInactivación enzimática

��Reacción aminoReacción amino--carbonilo (pardeo)carbonilo (pardeo)

�� Oxidación de Oxidación de lípidoslípidos

��Oxidación de Oxidación de polifenolespolifenoles

Proteínas y aminoácidos

Az. reductoresPolifenoleslípidos insat.

Reacciones de Reacciones de caramelizacióncaramelizaciónreacciones reacciones oxidativasoxidativas

Ácido ascórbico

deshidraciones,

Principales reacciones en el almacenamiento de sistemas de biomoléculas

Reacción de Reacción de MaillardMaillard

CompuestosAmadori

deshidraciones, fragmentaciones

productos de bajo P.M.

CO2 + aldeh. + heterociclos

Deriv. de Strecker

isomerizaciones

Condensación

AGEs

Pigmentos pardosFluorescencia

Causas de deterioro de proteínas.

•Desdoblamiento

•Agregación

deshidratación

congelación•Agregación

•Oxidación

•Deamidación

congelación

almacenaje

Causas de deterioro de membranas.

•Fusión de las cabezas de fosfolípidos. deshidratación

•Desnaturalización de proteínas de membrana.

•Oxidación lipídica.

congelación

almacenaje

Reacción de MaillardReacción de MaillardReacción carboniloReacción carbonilo--aminaamina

Reactivos principalesReactivos principales

O

R CH C

O

R2

Reactivos / Catalizadores Reactivos / Catalizadores

R NH2

IndicadoresIndicadoresReacción de Maillard

ReactivosReactivos

IntermediariosIntermediarios�Hidroximetilfurfural �Furfural�Compuestos de Amadori�Compuestos de Amadori�Compuestos del reordenamiento de Strecker�Compuestos fluorescentes�Pentosidina�Carboximetil-lisina CML�Furosina

Productos finalesProductos finales�Color

Semillas de quinoa pardeadas en el almacenamiento

Efecto de la aminoguanidina

Factores que Factores que intervienen en la cinéticaintervienen en la cinética

� Presencia de tampones

� pH

Reacción aminoReacción amino--carbonilocarbonilo

� aw y contenido acuoso

� Temperatura

� Presencia de tampones

� Transiciones de estado y cambios de fase� Presencia de inhibidores o catalizadores

�Presión parcial de oxígeno

Oxidación de lípidosOxidación de lípidos

�Tipo de sustrato

�Temperatura

�aw y contenido acuoso

�Presencia de prooxidantes

�Transiciones de estado y cambios de fase

IndicadoresIndicadores

Oxidación de lípidos��Intermediarios: Intermediarios: PRODUCTOS PRIMARIOSPRODUCTOS PRIMARIOS�Peróxidos, hidroperóxidos

��Productos finales: Productos finales: ��Productos finales: Productos finales: PRODUCTOS SECUNDARIOSPRODUCTOS SECUNDARIOS�Compuestos carbonílicos(Modifican fuertemente el sabor y el olor)�Hidrocarburos(Derivados del furano, alcanos y alquenos)�Alcoholes

Efecto deEfecto de la actividad la actividad de de agua en las agua en las reacciones reacciones aminoamino--carbonilo (pardeo)carbonilo (pardeo)

Ve

loci

dad

de r

ea

cció

n sistemas líquidossistemas sólidos

PARDEAMIENTO NO ENZIMÁTICOPARDEAMIENTO NO ENZIMÁTICO

aw

Ve

loci

dad

de r

ea

cció

n

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

Efecto deEfecto de la actividad de agua en las la actividad de agua en las reacciones de oxidación de lípidosreacciones de oxidación de lípidos

Velo

cid

ad d

e r

eacció

n

aw

Velo

cid

ad d

e r

eacció

n

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

La estabilidad de biomoléculas depende de:

Transiciones a nivel supramolecular (movimientos cooperativos)(movimientos cooperativos)

Movilidad molecular del agua y los solutos

Comparación del modelo de sorciónD’Arcy y Watt con GAB

Etapa inicial

Moléculas de agua

Sitios primarios activos de sorción

Formación de monocapa

Sitio bloqueado

Primera etapa

Segunda etapa

Sorción, estabilidad y movilidad de protones

2° pob. Hahn

Inicio de CO-NH2

2° pob. Hahn 2° pob. Hahn 1° pob. CPMG

Inicio de CO-NH2

Máx. CO-NH2

2° pob. Hahn 2° pob. Hahn 1° pob. CPMG

2° pob. CPMG

I GAB

Inicio de CO-NH2

Máx. CO-NH2

Agua cong

Disminuye CO-NH2

Matriz amorfa Matriz cristalina

Reactivos

Azúcar amorfo

Medio cristalino

0.2

0.3

0.4

Trehalosa

Almacenamiento: 4 semanas a 20°C

Abs

orba

ncia

(42

0 nm

)

0.00 0.25 0.50 0.75 1.000.0

0.1

0.2

Trehalosa:maltodextrina

Cristalización

aw

Abs

orba

ncia

(42

0 nm

)

Karmas, 1995

amorphous matrix

crystalline matrix.

La cristalización de componentes de la matriz acelera daños en sistemas deshidratados

amorphous sugar matrix.

crystalline matrix.

Posibles estrategias para evitar Posibles estrategias para evitar cristalización de solutos. cristalización de solutos.

11. Vitrificación

2. Retraso de la cristalización en medios sobreenfriados.

Combinación conbiopolímeros.

otros azúcares.Combinación con

salesCombinación con

La cristalización de la fase sólida puedeafectar significativamente los mecanismospor los que los azúcares amorfosmanifiestan su efecto protector

Un segundo excipiente suele ser Un segundo excipiente suele ser necesario necesario

Proteins sugar crystallization

Sugars protein denaturation

Schebor et al., 2003

S + MgAc

S + KCl

S + MgCl2

S

a) Efecto de sales

S + KAc

S + KCit

S + KCl

W//g0.5

°C-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

^exo

Sacarosa R.H. 22%

T

T+βCD-A

T+A

RVP = 0.43

b) Efecto de polímeros

0 20 40 60 80 100 120

0.5 W/g

T+βCD

T+D

Temp. (°C)

Exo

>

Sacáridos de alta masa molar.

• Bajo grado de interacción con proteínas (-)• Buena estabilidad física (alta Tg), (+)• Baja densidad de empaque molecular. (-)

Disacáridos no-reductores

• Tg relativamente baja (-)• Alta tendencia a cristalizar (-)

Pueden mejorarse por formulación adecuada• Alta tendencia a cristalizar (-)

•Alta densidad de empaque molecular (+)• Capacidad de formar puentes de H (+)

Sacáridos reductores

• La actividad enzimática puede afectarse seriamentepor la interacctión entre grupos carbonilos y amino (-)

adecuada

Modelos para describir el comportamiento de propiedades dinámicas en las cercanías de Tg

ARRHENIUS MODEL

−=RT

Ekk a

oexp. TR

Ekk a

o .lnln −=linealizando

2

3

Experimental

linear regression

34

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0.0 0.1 0.2 0.3-2

-1

0

1

1/T (K-1)

ln(k

)

Ea/R

0

1

2

3ln

(k)

Gomoso= Ea= 41.16 kcal/mol

vitreo= Ea= 20.8 kcal/mol

35

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0.0 0.1 0.2 0.3-2

-1

0

T g

T

ln η

15

10

5

ARRHENIUS

36

ln

5

0

Tm/TgTm

Tg

Willams, Landel y Ferry (WLF)

WILLAMS, LANDEL Y FERRY (WLF)

( ) ( )g2

g1

TTC

)TT(CLog

−+−

−=αt

( )g

TT

TTLog

−+−−

−=

66.51

)(44.17

ηη

( )g2

g1

g TTC

)TT(CLog

−+−

−=

ηη

Coeficientes Universales (polímeros) ( )

ggTT −+ 66.51η

WLF: Define movilidad o dependencia con la T de cualquier reacció n

química limitada por difusión respecto a la de T g.

a> T- Tg. > movilidad > cambios < tiempos de relajación ( θ) > velocidad

de reacción

VOGEL-TAUMMAN –FULCHER (VTF)

−=

∞

oTT

Bexp.ηη

η∞ η a T = ∞

T es la temperatura a la cual el tiempo de relajación es infinitoDonde:

(1)

To es la temperatura a la cual el tiempo de relajación es infinitoDonde:

To = 184 K que fue estimado a partir de η de solución de azúcares

oTT

B

−+=

∞ηη lnlnLinealizando

Pendiente B

Ordenada η∞

Vs (T-To)Grafico ηln

(2)

Dependencia de la velocidad de cristalización con la temperatura

-5

-3

-1

1

WLF

VTF

Arrhenius

L/T (80:20)

LACTOSA

Ln (

1/τ 1

/2)

VTF

B: 1465

B: 2105

Matriz 33%R.H.

Lactosa

L/T (80:20)

ArrheniusEa (KJ/mol)

61

74

WLF

C1: 3.09

C1: 5.78

VTF

B: 2632

B: 4315

Matriz“0”% R.H.

Sacarosa

S/R (90:10)

ArrheniusEa (KJ/mol)

161.5

272

WLF

C1: 5.55

C1: 8.48

0 20 40 60 80 100-7

Exp

(T-Tg), K

Arrhenius, WLF y VTF

resultaron adecuados

empleando los coeficientes

calculados

Arrhenius, WLF y VTF

resultaron adecuados

empleando los coeficientes

calculados

-Tg vs. contenido de agua ó de aw

-Descenso crioscópico

Resumen.

Curvas necesarias para obtener los diagramas de estado suplementados.

-Descenso crioscópico

-Curva de solubilidad de los sólidos solubles.

(p. ej., para frutas sacarosa o la mezcla de azúcares,

para lácteos lactosa, para amiláceos la curva de Tm

-gelatinización- del almidón)

Datos para las predicciones de Datos para las predicciones de

estabilidadestabilidad

•• Variables tradicionales : Variables tradicionales : •• Variables tradicionales : Variables tradicionales :

TemperaturaTemperatura, contenido de agua y , contenido de agua y

composición composición

(Generación de los diagramas (Generación de los diagramas

suplementados)suplementados)

- Descripción de la dependencia de Tg con el

contenido de agua

Herramientas matemáticas para el estudio de las consecuencias de las transiciones de fase

GAB

- Descripción matemática de las isotermas de sorción

Gordon y Taylor

GDW

Ecuación de Arrhenius

Predicción de la cinética de cambios en las cercanías

de Tg

Ecuación de Williams-Landel-Ferry (WLF)

Ecuación de Vogel-Tamman-Fulcher (VTF)

- Ecuación de Avrami ( ó JMAK)

Descripción de la cinética de cristalización o

retrogradación

Información Información compementariacompementaria::

••Valores de humedad de Valores de humedad de monocapamonocapa ((mmoo))

••H.R. donde el agua comienza a tener H.R. donde el agua comienza a tener características de diluyente (I): agua características de diluyente (I): agua características de diluyente (I): agua características de diluyente (I): agua congelable, movilidad del agua congelable, movilidad del agua

••InhomogeneidadesInhomogeneidades en la distribución en la distribución de agua (aspectos microscópicos).de agua (aspectos microscópicos).

••Movilidad molecular (RMN, ESR, IR)Movilidad molecular (RMN, ESR, IR)

-DSC

-RMN

Resumen.

Métodos de análisis.

-Microscopías

-IR y otros

Resumen.

Condiciones para la formulación de medios

TemperaturaTemperaturaTemperaturaTemperatura

TTg g TTg g

w

Interacciones MolecularesInteracciones MolecularesAzúcaares no reductores Azúcaares no reductores -- proteinaproteina

Interacciones MolecularesInteracciones MolecularesAzúcaares no reductores Azúcaares no reductores -- proteinaproteina

Reactividad QuímicaReactividad QuímicaAzúcaares reductores Azúcaares reductores ⇒⇒ MaillardMaillard

Reactividad QuímicaReactividad QuímicaAzúcaares reductores Azúcaares reductores ⇒⇒ MaillardMaillard

Cristalización Cristalización Cristalización Cristalización

ESTABILIDAD DE BIOMOLECULAS ESTABILIDAD DE BIOMOLECULAS EN SISTEMAS DESHIDRATADOSEN SISTEMAS DESHIDRATADOS

Hidratación del CristalHidratación del CristalHidratación del CristalHidratación del Cristal

A partir de los conceptos abordados,

se pueden obtener datos para determinar:

Estabilidad estructural.

Formación de eutéctico o vidrio?

Definición de las temperaturas máximas del proceso y del almacenamiento.

Estabilidad química.