Workshop de AgroalimentosBuenos Aires, 25 y 26 de octubre de 2012

Las proteínas del lactosuero como ingredientes funcionales

Ana M.R. Pilosof

apilosof@di.fcen.uba.ar

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.