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.