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1
Sistemas coloidales estabilizados por
proteínas de aislado de suero de leche
para el diseño de nuevas matrices
alimentarias
Equipo LabInBio
XX Seminario Latinoamericano y del Caribe
de Ciencia y Tecnología de Alimentos,
Ciudad de Panamá, Panamá
9 Marzo 2018
Líneas de investigación
de LabInBio
2
Objetivo de la
presentación
Presentar algunos de los desarrollos actuales en diseño
de matrices alimentarias basados en estructuras
coloidales estabilizadas por aislado de proteína de suero
de leche (ASL) y su efecto en la textura y liberación de
macronutrientes.
3
4
Tópicos de la
presentación
1. Introducción al tema: estructuras coloidales
alimentarias.
3. Nuevas matrices aireadas estabilizadas por ASL.
2. Formación de espumas y emulsiones estabilizadas
por ASL.
4. Digestión in vitro para evaluar la liberación de
nutrientes en geles emulsionados estabilizados por ASL.
Aislado de proteína de
suero de leche (ASL)
5
La variedad de grupos
funcionales en el ASL le permite
estabilizar estructuras basadas
en agua (geles), gases
(espumas) y lípidos
(emulsiones).
6
Diseño de matrices alimentarias
basadas en sistemas coloidales
Zúñiga RN. 2010. Revista Industria Alimentaria
Gel
(yogurt)
Emulsión
(mayonesa) Espuma
(merengue)
Gel emulsionado
(embutido)
Emulsión aireada
(crema batida) Gel aireado
(mousse)
¿Por qué introducir
aire en los alimentos?
7 Zúñiga RN y Aguilera JM. 2008. Trends in Food Science and Technology
• Es barato y se vende caro (no hay que rotularlo).
• Cambia la textura (más suave/ligero).
• Reduce el aporte calórico (energía/volumen).
• “Puede” aumentar el nivel de saciedad.
Beneficios de introducir aire (gases) en los alimentos:
¿Por qué estudiar las
emulsiones alimentarias?
8
Agua en aceite
(W/O)
Agua-aceite-agua
(W/O/W)
Aceite en agua
(O/W)
Aceite-agua-aceite
(O/W/O)
Tiempo
Sitio de liberación
Factores fisicoquímicos
y mecánicos
Fase interna
Material
de pared
9
Tópicos de la
presentación
1. Introducción al tema: estructuras coloidales
alimentarias.
3. Nuevas matrices aireadas estabilizadas por ASL.
2. Formación de espumas y emulsiones estabilizadas
por ASL.
4. Digestión in vitro para evaluar la liberación de
nutrientes en geles emulsionados estabilizados por ASL.
Formación y estabilización de interfaces
en espumas y emulsiones alimentarias
10 Zúñiga RN. 2010. Revista Industria Alimentaria
11
Las espumas y emulsiones pueden
ser analizadas en cuatro niveles
Adaptado de Germain JC y Aguilera JM. 2014. Food Structure
Air
Air
Oil
Oil
Level 1
Molecular
Level 2
Interface
Level 3
Particles
Level 4
Whole product
Length scalenm mm mm m
Efecto del tratamiento térmico
sobre las proteínas del suero
12 Zúñiga RN, Tolkach A, Kulozik U, Aguilera JM. 2010. Journal of Food Science
Mecanismo de gelificación de
proteínas globulares
13
Gel aireado de proteína
mediante gelificación en frío
14
Microscopía de transmisión
de electrones (TEM)
Electroforesis en geles
de poliacrilamida (PAGE)
Nivel 1 Molecular Dispersión dinámica
de luz (DLS)
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 1
15 Zúñiga RN, Tolkach A, Kulozik U, Aguilera JM. 2010. Journal of Food Science
Los agregados de proteína son
nanoestructuras complejas:
• Tamaño.
• Morfología.
• Densidad.
• Carga superficial.
• Hidrofobicidad.
Dependen de las condiciones
empleadas en su formación.
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 1
16
X Data
Holding time (s)
0 200 400 600 800 1000
Y D
ata
0
20
40
60
80
100 pH 6.8
X Data
0 200 400 600 800 1000
Y D
ata
0
20
40
60
80
100
Monomer
Dimer
Tetramer
Oligomer
Trimer
pH 6.0
Protein notentering the gel
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 1
Zúñiga RN, Tolkach A, Kulozik U, Aguilera JM. 2010. Journal of Food Science
Percent (%)
17 Zúñiga RN, Tolkach A, Kulozik U, Aguilera JM. 2010. Journal of Food Science
Holding time (s)
0 200 400 600 800 1000
Average hydrodynamic diameter (nm)
0
20
40
60
80
100
pH 6.0
pH 6.4
pH 6.8
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 1
18
Whey protein isolate
(WPI)
Monomeric
protein
Thermorregulated bath
Aggregated protein
Mixed protein
dispersions
0%, 20%, 40%,
60% and 80%
aggregated
protein
Maticorena E, Alarcón A, Troncoso E, Zúñiga RN. 2018. CyTA Journal of Food
Efecto del tratamiento térmico
sobre las proteínas del suero
19
Tensiómetro óptico
Nivel 2 Interface
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 2
0g R
Tiempo (s)
100 200 300 400 500
Tensión superficial (mN/m)
42
44
46
48
50
52
54
0
20
40
60
80
Porcentaje deagregación (%)
20 González J, Salas Y, Ferrada R, Troncoso E, Zúñiga RN. 2018. Unpublished
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 2
iG A
21
Tiempo (s)
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Tensión interfacial (mN/m)
8
12
16
20
24
0
20
40
60
80
Porcentaje deagregación (%)
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 2
González J, Salas Y, Ferrada R, Troncoso E, Zúñiga RN. 2018. Unpublished
Aggregation degree (%)
0 20 40 60 80
kdiff (mN m-1 s-0.5)
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
8 / 0.1
8 / 0.2
10 / 0.1
10 / 0.2
12 / 0.1
12 / 0.2
WPI (%) / NaCl (%)
22
0.5
02
effa d
D tC KT
Maticorena E, Alarcón A, Troncoso E, Zúñiga RN. 2018. CyTA Journal of Food
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 2
23
Microscopía óptica y
análisis de imágenes
Nivel 3 Partículas
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 3
24
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 3
González J, Salas Y, Ferrada R, Troncoso E, Zúñiga RN. 2018. Unpublished
Diámetro de burbuja (mm)
0 50 100 150 200 250
Frecuencia relativa (%)
0
10
20
30
40
50
0
20
40
60
80
Porcentaje deagregación (%)
0.4% NaCl
Diámetro de gota (mm)
0 20 40 60
Frecuencia relativa (%)
0
10
20
30
40
50
0
20
40
60
80
Porcentaje deagregación (%)
30% aceite
25 González J, Salas Y, Ferrada R, Troncoso E, Zúñiga RN. 2018. Unpublished
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 3
26
Turbiscan
Nivel 4 Producto
Backscattering (%)
Altura del tubo (cm)
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 4
Esfuerzo de corte (s)
Gradiente de deformación (g)
Reómetro
27
Porcentaje de denaturación (%)
0 20 40 60 80
Coeficiente de consistencia
(Pa sn)
0,001
0,01
0,1
18 - 0.1
8 - 0.2
12 - 0.1
12 - 0.2
ASP % - NaCl %
Consistency coefficient (Pa sn)
Aggregation degree (%)
Newtoniano
Pseudoplástico
WPI % - NaCl %
Maticorena E, Alarcón A, Troncoso E, Zúñiga RN. 2018. CyTA Journal of Food
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 4
Interacciones coloidales,
mayor resistencia al flujo
Time (min)
0 15 30 45 60 75 90
Turbiscan stability index (-)
0
2
4
6
8
10
12
14
0
20
40
60
80
Aggregation
degree (%)
28 González J, Salas Y, Ferrada R, Troncoso E, Zúñiga RN. 2018. Unpublished
h H
t t 1
h 0
t 1
BS h BS h
TSIH
Aumento de la estabilidad
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 4
29 González J, Salas Y, Ferrada R, Troncoso E, Zúñiga RN. 2018. Unpublished
Desarrollo de estructuras alimentarias
basadas en proteínas de suero: nivel 4
Time (day)
0 5 10 15 20
Turbiscan stability index (-)
0
2
4
6
8
10
12
14
0
20
40
60
80
Aggregation
degree (%)
30
Tópicos de la
presentación
1. Introducción al tema: estructuras coloidales
alimentarias.
3. Nuevas matrices aireadas estabilizadas por ASL.
2. Formación de espumas y emulsiones estabilizadas
por ASL.
4. Digestión in vitro para evaluar la liberación de
nutrientes en geles emulsionados estabilizados por ASL.
Nuevas matrices basadas
en ASL: geles aireados
31 Orrego M, Troncoso E, Zúñiga RN. 2015. Journal of Food Engineering
Gel aireado de proteína
mediante gelificación en frío
9% ASL
0.4% NaCl
2000 rpm
32 Orrego M, Troncoso E, Zúñiga RN. 2015. Journal of Food Engineering
Thermal treatment temperature (°C)
70 75 80
Gas hold-up (%)
40
50
60
70pH 7.00
pH 6.50
pH 6.75
Nuevas matrices basadas
en ASL: geles aireados
33 Orrego M, Troncoso E, Zúñiga RN. 2015. Journal of Food Engineering
Gas hold-up (%)
35 45 55 65 75
Breaking stress (kPa)
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
pH 6.50
pH 7.00
pH 6.75
Nuevas matrices basadas
en ASL: geles aireados
34
Gel
aireado
Gel aireado
mixto
Gel aireado
emulsionado
Geles
emulsionados
9% WPI 8% WPI
1% almidón
9% WPI
30% aceite
9% WPI
30% aceite
pH 4
9% WPI
30% aceite
pH 7
Nuevas matrices aireadas basadas
en ASL: emulsiones y geles mixtos
100 mm 100 mm
35
Tópicos de la
presentación
1. Introducción al tema: estructuras coloidales
alimentarias.
3. Nuevas matrices aireadas estabilizadas por ASL.
2. Formación de espumas y emulsiones estabilizadas
por ASL.
4. Digestión in vitro para evaluar la liberación de
nutrientes en geles emulsionados estabilizados por ASL.
36
Digestión de alimentos:
¿Por qué estudiarla?
Proteína
Almidón Agente espesante
Azúcar
Carbohidratos
3.8 kcal/g
Proteínas
4.0 kcal/g
Lípidos
9.0 kcal/g
Glucosa
Péptidos
Aminoácidos
Ácidos grasos
Digestión
Alimentos
Gota de lípido
37
Existen tres técnicas para estudiar
la digestión de alimentos
Técnicas
In vivo In vitro In sílico
NMR-MRI
Ileostomía
Reactores
secuenciales
Modelos
computacionales
38
Sistema mecánico gástrico de
digestión in vitro (IMGS)
Panel de
control
Sistema de
pistones
Base del sistema
Estómago
de látex
Recipiente
de acrílico
Morfología estómago
Temperatura fisiológica
Cambio en pH gástrico
Peristalsis (magnitud y frecuencia)
Vaciado gástrico
Adición controlada de enzimas Sistema de
pistones
Barros L, Retamal C, Torres H, Zúñiga RN, Troncoso. 2016. Food Research International
39
Sistema mecánico gástrico de
digestión in vitro (IMGS)
Barros L, Retamal C, Torres H, Zúñiga RN, Troncoso. 2016. Food Research International
IMGS - SBi SBg - SBi
Fase oral
Fase gástrica
Fase intestinal
Fase oral
Fase gástrica
Fase intestinal
pH 7
tiempo 30 – 120 s
pH 3
tiempo 1 – 3 h
pH 7
tiempo 1 – 5 h
Evaluación de
proteólisis y
lipólisis
40
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120
Hid
róli
sis
de
pro
teín
as
(%
DH
)
Tiempo de digestión intestinal (min)
pH 4 SB - SB
pH 7 SB - SB
pH 4 IMGS - SB
pH 7 IMGS - SB
(A)500 bar
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120
Hid
róli
sis
de
pro
teín
as
(%
DH
)
Tiempo de digestión intestinal (min)
pH 4 SB - SB
pH 7 SB - SB
pH 4 IMGS - SB
pH 7 IMGS - SB
(B)1000 bar
Todo el quimo gástrico está
disponible
IMGS - SBi
SBg - SBi X
¿Fase lag?
Impacto del sistema de digestión in vitro
en la proteólisis de geles emulsionados
Mella C, Quilaqueo M, Zúñiga RN, Troncoso. 2018. Unpublished
Cinética de liberación in vivo
Fase
lag
Fase
digestión
Plateau
Tiempo de digestión (min)
Liberación
de
nutrientes
(%)
41
Impacto del sistema de digestión in vitro
en la proteólisis de geles emulsionados
SBg – Sbi < <IMGS - SBi
¿Subestimación en un
sistema convencional?
Bajos porcentajes de hidrólisis
Pérdida de actividad enzimática,
inhibición por sustrato
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120
Hid
róli
sis
de
pro
teín
as
(%
DH
)
Tiempo de digestión intestinal (min)
pH 4 SB - SB
pH 7 SB - SB
pH 4 IMGS - SB
pH 7 IMGS - SB
(A)
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120
Hid
róli
sis
de
pro
teín
as
(%
DH
)
Tiempo de digestión intestinal (min)
pH 4 SB - SB
pH 7 SB - SB
pH 4 IMGS - SB
pH 7 IMGS - SB
(B)
500 bar
1000 bar
Mella C, Quilaqueo M, Zúñiga RN, Troncoso. 2018. Unpublished
42
Impacto del pH de geles emulsionados
en la proteólisis in vitro
pH 4 - 25 min
pH 7 - 40 min
IMGS - SBi
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120
Hid
róli
sis
de
pro
teín
as
(%
DH
)
Tiempo de digestión intestinal (min)
pH 4 SB - SB
pH 7 SB - SB
pH 4 IMGS - SB
pH 7 IMGS - SB
(A)
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120
Hid
róli
sis
de
pro
teín
as
(%
DH
)
Tiempo de digestión intestinal (min)
pH 4 SB - SB
pH 7 SB - SB
pH 4 IMGS - SB
pH 7 IMGS - SB
(B)
500 bar
1000 bar
Mella C, Quilaqueo M, Zúñiga RN, Troncoso. 2018. Unpublished
Fase lag
pH 4 pH 7
43
Impacto del sistema de digestión in vitro
en la lipólisis de geles emulsionados
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100 120
% A
GL
Tiempo de digestión intestinal (min)
pH 4 SB - SB
pH 7 SB - SB
pH 4 IMGS - SB
pH 7 IMGS - SB
(A)
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100 120
% A
GL
Tiempo de digestión intestinal (min)
pH 4 SB - SB
pH 7 SB - SB
pH 4 IMGS - SB
pH 7 IMGS - SB
(B)
500 bar
1000 bar
Cinética de liberación in vivo
Mella C, Quilaqueo M, Zúñiga RN, Troncoso. 2018. Unpublished
Fase
lag
Fase
digestión
Plateau
Tiempo de digestión (min)
Liberación
de
nutrientes
(%)
IMGS - SBi
pH 4 – 29% AGL
pH 7 – 17% AGL
44
La ciencia de coloides alimentarios puede ser utilizada
para mejorar el diseño de diversas estructuras
alimentarias basadas en proteínas.
La estructura de las matrices alimentarias tiene un efecto
directo sobre sus propiedades físicas y nutricionales.
El uso de sistemas de digestión que simulen de manera
más realista el proceso fisiológico permiten entender de
mejor forma el proceso de liberación de nutrientes en el
tracto gastrointestinal.
Conclusiones
45
Nataly
Emulsions
Patricia
Emulsion gels
Javiera
Foams
Macarena & Diego
Fluid gels
Lorena & Christian
Stomach design
Minghai
Intestine design
Nayaret, Claudia & Karen
Nanoemulsions
Bárbara
Mixed gels
Gabriela & Stephany
Aerated gel digestion
Camila & Michelle
Stomach 2.0
Agradecimientos:
Equipo LabinBio
Raúl
Protein aggregation Daniela
Intestinal digestion
46
Agradecimientos:
Financiamiento
CONICYT. Proyectos FONDECYT
• Controlled protein denaturation for the engineering design of aerated
food products with enhanced textural and nutritional properties.
• Design of a dynamic multi-compartmental in vitro digestion system to
evaluate nutrient bioavailability.
Dirección de Investigación y Desarrollo Académico UTEM. Proyectos L2
Empresas
47
Sistemas coloidales estabilizados por
proteínas de aislado de suero de leche
para el diseño de nuevas matrices
alimentarias
XX Seminario Latinoamericano y del Caribe
de Ciencia y Tecnología de Alimentos,
Ciudad de Panamá, Panamá
7 Marzo 2018
