Caracterización de los productos y estabilidad:
Cambios inducidos en las biomoléculas durante el almacenamiento prolongado
Teórica 7
Reacciones que son susceptibles de ocurrir en el almacenamiento a largo plazo
Actividad enzimática
Inactivación enzimática
Reacción amino-carbonilo (pardeo)
Oxidación de lípidos
Oxidación de polifenoles
Proteínas y aminoácidos
Az. reductores
Reacción de Maillard
Polifenoles lípidos insat.
Reacciones de caramelización reacciones oxidativas
Ácido ascórbico
Compuestos Amadori
deshidraciones, fragmentaciones
productos de bajo P.M.
CO2 + aldeh. + heterociclos
Deriv. de Strecker
isomerizaciones
Condensación
AGEs
Pigmentos pardos Fluorescencia
Principales reacciones en el almacenamiento de sistemas de biomoléculas
Causas de deterioro de proteínas.
•Desdoblamiento
•Agregación
•Oxidación
•Deamidación
deshidratación
congelación
almacenaje
Causas de deterioro de membranas.
•Fusión de las cabezas de fosfolípidos.
•Desnaturalización de proteínas de membrana.
•Oxidación lipídica.
deshidratación
congelación
almacenaje
Reacción de Maillard Reacción carbonilo-amina
Reactivos principales
R CH C
O
R2
Reactivos / Catalizadores
R NH2
Indicadores Reacción de Maillard Reactivos Intermediarios Hidroximetilfurfural Furfural Compuestos de Amadori Compuestos del reordenamiento de Strecker Compuestos fluorescentes Pentosidina Carboximetil-lisina CML Furosina
Productos finales Color
Semillas de quinoa pardeadas en el almacenamiento
Efecto de la aminoguanidina
Factores que intervienen en la cinética
aw y contenido acuoso
Temperatura Presencia de tampones pH
Reacción amino-carbonilo
Transiciones de estado y cambios de fase Presencia de inhibidores o catalizadores
Presión parcial de oxígeno
Temperatura
aw y contenido acuoso
Presencia de prooxidantes
Oxidación de lípidos
Transiciones de estado y cambios de fase
Tipo de sustrato
Indicadores Oxidación de lípidos Intermediarios: PRODUCTOS PRIMARIOS Peróxidos, hidroperóxidos
Productos finales: PRODUCTOS SECUNDARIOS Compuestos carbonílicos (Modifican fuertemente el sabor y el olor) Hidrocarburos (Derivados del furano, alcanos y alquenos) Alcoholes
Efecto de la actividad de agua en las reacciones amino-carbonilo (pardeo)
aw
Ve
loci
da
d d
e r
ea
cció
n
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
sistemas líquidossistemas sólidos
PARDEAMIENTO NO ENZIMÁTICO
Efecto de la actividad de agua en las reacciones de oxidación de lípidos
a w
Vel
ocid
ad d
e re
acci
ón
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
La estabilidad de biomoléculas depende de:
Transiciones a nivel supramolecular (movimientos cooperativos)
Movilidad molecular del agua y los solutos
Comparación del modelo de sorción D’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 Inicio de CO-NH2
2° pob. Hahn 1° pob. CPMG Máx. CO-NH2
2° pob. Hahn Inicio de CO-NH2
2° pob. Hahn 1° pob. CPMG Máx. CO-NH2
2° pob. CPMG I GAB Agua cong Disminuye CO-NH2
Matriz amorfa Matriz cristalina
Reactivos
Azúcar amorfo
Medio cristalino
0.00 0.25 0.50 0.75 1.000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
Trehalosa
Trehalosa:maltodextrina
Cristalización
Almacenamiento: 4 semanas a 20°C
aw
Abso
rban
cia
(420
nm
)
Karmas, 1995
La cristalización de componentes de la matriz acelera daños en sistemas deshidratados
amorphous matrix
crystalline matrix.
amorphous sugar matrix.
crystalline matrix.
Posibles estrategias para evitar cristalización de solutos.
1 1 . Vitrificación
2. Retraso de la cristalización en medios sobreenfriados.
Combinación con biopolímeros.
otros azúcares. Combinación con
sales Combinación con
La cristalización de la fase sólida puede afectar significativamente los mecanismos por los que los azúcares amorfos manifiestan su efecto protector
Un segundo excipiente suele ser necesario
Proteins sugar crystallization
Sugars protein denaturation
Schebor et al., 2003
S + MgAc
S + KAc
S + KCit
S + KCl
S + MgCl2
S
W//g 0.5
°C -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
^exo
Sacarosa R.H. 22%
a) Efecto de sales
0 20 40 60 80 100 120
0.5 W/g
T
T+βCD-A
T+A
T+βCD
RVP = 0.43
T+D
Temp. (°C)
Exo
>b) Efecto de polímeros
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 (-) •Alta densidad de empaque molecular (+) • Capacidad de formar puentes de H (+)
Sacáridos reductores • La actividad enzimática puede afectarse seriamente por la interacctión entre grupos carbonilos y amino (-)
Pueden mejorarse por formulación adecuada
Modelos para describir el comportamiento de propiedades dinámicas en las cercanías de Tg
34
ARRHENIUS MODEL
−=
RTEkk a
oexp. TR
Ekk a
o .lnln −=linealizando
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0.0 0.1 0.2 0.3-2
-1
0
1
2
3Experimental
linear regression
1/T (K-1)
ln(k
)
Ea/R
35
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0.0 0.1 0.2 0.3-2
-1
0
1
2
3
Tg
T
ln(k
)
Gomoso= Ea= 41.16 kcal/mol
vitreo= Ea= 20.8 kcal/mol
36
ln η
15
10
5
0
Tm/Tg Tm
Tg
ARRHENIUS
Willams, Landel y Ferry (WLF)
WILLAMS, LANDEL Y FERRY (WLF)
( ) ( )g2
g1
TTC)TT(C
Log−+−
−=αt
( )g
g
gTTTT
Log−+−−
−=
66.51
)(44.17ηη
( )g2
g1
g TTC)TT(C
Log−+−
−=
ηη
Coeficientes Universales (polímeros)
WLF: Define movilidad o dependencia con la T de cualquier reacción química limitada por difusión respecto a la de Tg.
a> T- Tg. > movilidad > cambios < tiempos de relajación (θ) > velocidad de reacción
VOGEL-TAUMMAN –FULCHER (VTF)
−
=∞
oTT
Bexp.ηη
η∞ η a T = ∞
To es la temperatura a la cual el tiempo de relajación es infinito Donde:
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
(1)
(2)
Dependencia de la velocidad de cristalización con la temperatura
VTF
B: 2632
B: 4315
Matriz “0”% R.H.
Sacarosa
S/R (90:10)
Arrhenius Ea (KJ/mol)
161.5
272
WLF
C1: 5.55
C1: 8.48
0 20 40 60 80 100-7
-5
-3
-1
1
WLF
VTF
Arrhenius
Exp
L/T (80:20)
LACTOSA
(T-Tg), K
Ln (1
/ τ1/
2)Arrhenius, WLF y VTF resultaron adecuados empleando los coeficientes calculados
VTF
B: 1465
B: 2105
Matriz 33%R.H.
Lactosa
L/T (80:20)
Arrhenius Ea (KJ/mol)
61
74
WLF
C1: 3.09
C1: 5.78
-Tg vs. contenido de agua ó de aw
-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)
Resumen.
Curvas necesarias para obtener los diagramas de estado suplementados.
Datos para las predicciones de estabilidad • Variables tradicionales : Temperatura, contenido de agua y composición
(Generación de los diagramas suplementados)
GAB
- Descripción matemática de las isotermas de sorción
Gordon y Taylor
- Descripción de la dependencia de Tg con el contenido de agua
Herramientas matemáticas para el estudio de las consecuencias de las transiciones de fase
GDW
Ecuación de Arrhenius
Ecuación de Williams-Landel-Ferry (WLF)
Ecuación de Vogel-Tamman-Fulcher (VTF)
Predicción de la cinética de cambios en las cercanías de Tg
- Ecuación de Avrami ( ó JMAK)
Descripción de la cinética de cristalización o retrogradación
Información compementaria:
•Valores de humedad de monocapa (mo) •H.R. donde el agua comienza a tener características de diluyente (I): agua congelable, movilidad del agua •Inhomogeneidades en la distribución de agua (aspectos microscópicos). •Movilidad molecular (RMN, ESR, IR)
-DSC
-RMN -Microscopías
-IR y otros
Resumen.
Métodos de análisis.
Resumen.
Condiciones para la formulación de medios
Interacciones Moleculares Azúcaares no reductores - proteina
Reactividad Química Azúcaares reductores ⇒ Maillard
Cristalización
Temperatura
ESTABILIDAD DE BIOMOLECULAS EN SISTEMAS DESHIDRATADOS
Tg
Hidratación del Cristal
w
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.