efectos de la concentración proteica y presión sobre la estructura y

EFECTOS DE LA CONCENTRACIÓN PROTEICA Y PRESIÓN SOBRE LA ESTRUCTURA Y
ESTABILIDAD DE EMULSIONES DE ACEITE EN AGUA, PRODUCIDAS CON CASEINATO
SÓDICO Y TRATADAS POR ULTRA ALTA PRESIÓN DE HOMOGENIZACIÓN
Hebishy E.*, Buffa M., Juan B., Guamis B., Trujillo A. J.
Centre Especial de Recerca Planta de Tecnologia dels Aliments (CERPTA), XaRTA, TECNIO,
MALTA Consolider, Departament de Ciència Animal i dels Aliments, Universitat Autònoma de
Barcelona, 08193 Bellaterra, Barcelona, Spain.
[email protected]
Palabras clave:
emulsión submicrón, molino coloidal, homogenización convencional, ultra alta presión
homogenización, estabilidad física y microestructura.
RESUMEN
La ultra alta presión por homogenización (UHPH) es una nueva tecnología en estudio con
aplicaciones en las industrias alimentaria, cosmética y farmacéutica en la obtención de
dispersiones o emulsiones finas y estables.
En este estudio se prepararon pre-emulsiones (20% aceite girasol + oliva) utilizando un
molino coloidal (CM, 5000 rpm / 5 min) que después se sometieron a los tratamientos de
homogenización convencional (CH, 15 MPa) o de UHPH (100-300 MPa). Las emulsiones se
caracterizaron por estudio de la distribución del tamaño de partícula, su microestructura y
propiedades físicas incluyendo la estabilidad al cremado mediante medida del tamaño de
partícula (d4.3) en la parte superior e inferior de la emulsión después de un almacenamiento
de la muestra de 9 días a temperatura ambiente.
Todas las emulsiones CM y CH presentaron un tamaño de partícula elevado (6,03 y 0,6 µm,
respectivamente) y separación de fases durante su almacenamiento. Sin embargo, las
emulsiones CH producidas con un 1% de proteína presentaron un cremado menor en
comparación a aquellas producidas con 5% de proteína, indicando que la utilización de bajas
concentraciones de proteína en este tipo de emulsiones mejora su estabilidad física y
microestructura, hechos que fueron confirmados por microscopía láser confocal (LCM). Las
emulsiones UHPH producidas con un 1% de proteína presentaron (i) un tamaño de partícula
elevado (0,212 µm en emulsiones tratadas a 100 MPa) en comparación con aquellas
fabricadas con 5% de proteína, (ii) gotas de aceite sin cubierta proteica y (iii) fenómenos de
coalescencia (especialmente las emulsiones tratadas a 300 MPa) como fue observado por
LCM, parámetros que podrían explicar la baja estabilidad al cremado de estas emulsiones. El
incremento de proteína al 5% en las emulsiones UHPH redujo el tamaño de partícula (0,116
y 0,123 µm en emulsiones tratadas a 200 y 300 MPa respectivamente, conteniendo 5% de
proteína) y mejoró la estabilidad al cremado de las emulsiones.
INTRODUCCIÓN
Las emulsiones alimentarias son sistemas complejos ya que pueden contener, además de
agua y aceite, proteínas, polisacáridos, tensioactivos de bajo peso molecular, sales, azúcares
simples, alcohol, agentes antimicrobianos, colorantes o aromas (McClements, 2005).
Las emulsiones alimentarias se producen generalmente en homogeneizadores de alta
presión, en molinos coloidales o en reactores discontinuos con mezcladores de alta velocidad.
Los homogeneizadores de alta presión son los más usados, ya que estas emulsiones
necesitan el desarrollo de propiedades de textura precisas (p.e. en cremas y helados) y un
alto grado de estabilidad.
La tecnología de ultra alta presión por homogenización (UHPH) se basa en los mismos
principios que la homogenización convencional con la gran diferencia de que se pueden
alcanzar presiones superiores a 200 MPa gracias al diseño de las válvulas y a la utilización de
nuevos materiales.
La UHPH en el intervalo de presiones de 150-400 MPa es capaz de (1) producir emulsiones
submicrónicas estables durante el almacenamiento, (2) inducir inactivación microbiana y
enzimática y (3) conferir nuevas características funcionales debidas a las modificaciones
producidas en las estructuras del alimento (Briñez et al., 2007; Datta et al., 2005; Peredaet
al., 2006; Picart et al., 2006; Thiebaud et al., 2003; Vannini et al., 2004). Las emulsiones
submicrónicas (< 1 µm) producidas por UHPH pueden ser utilizadas como vehículo de
compuestos o moléculas bioactivas, lo cual abre grandes expectativas en la creación de
aplicaciones en el sector alimentario, aunque también en los sectores farmacéutico y
cosmético (Prakash and Thiagarajan, 2011).
Es posible formar una emulsión mezclando sólo agua y aceite, sin embargo el sistema es
termodinámicamente inestable y las dos fases tienden a separarse rápidamente para formar,
debido a la diferencia de densidad entre las dos fases, una capa superior de aceite y una
inferior de agua. Para que la emulsión sea estable en el tiempo, es necesario adicionar un
agente emulsionante (McClements, 2005; Tcholakova et al., 2006), o compuesto amfifílico
caracterizado para una estructura química particular con grupos hidrófilos e hidrófobos que
le permite adsorberse en las interfases O/W. Durante la fabricación de la emulsión, la
adsorción del agente emulsionante en la superficie de las gotitas formadas se debe hacer
rápidamente de forma a disminuir la tensión interfacial entre las dos fases. Este film
protector formado alrededor de las gotitas enlentecerá el fenómeno de re-coalescencia de las
gotitas entre ellas, permitiendo la formación de emulsiones estables durante un periodo de
tiempo razonable garantizando una duración de almacenamiento de producto óptimo
(McClements, 2005; Mason et al., 2006).
Las proteínas de la leche, especialmente los caseinatos, son buenos emulsificantes y por lo
tanto se utilizan como ingredientes en una amplia gama de alimentos y en la formulación de
emulsiones alimenticias.
El objetivo del presente trabajo fue estudiar la estabilidad física y microestructura de
emulsiones O/W preparadas con caseinato sódico (1 y 5%) usando la tecnología UHPH (100300 MPa) en comparación con aquellas producidas por homogenización convencional (CH, 15
MPa).
MATERIAL Y MÉTODOS
Las emulsiones se prepararon con un 20% de mezcla de aceite de girasol y aceite de oliva
(15% +5%, respectivamente) y 80% de una solución de caseinato sódico (1 y 5%)
utilizando un sistema de molino coloidal (muestra control) para luego ser tratadas por UHPH
a presiones de 100-300 MPa a 25ºC (FPG 11300:400 Hygienic Homogenizer Unit, Stansted
Fluid Power Ltd., Essex, UK) o bien por homogeneización convencional a 15 MPa y 55ºC (Niro
Soavi, Italia).
Cada emulsión se recogió cuidadosamente y se envasó y almacenó a temperatura ambiente
durante 9 días y se analizaron los parámetros de estabilidad física inmediatamente después
de la preparación de emulsiones. Todo el experimento se realizó por triplicado.
La distribución del tamaño de partícula de las emulsiones se midió con un analizador de
partículas basado en la dispersión de luz láser (Beckman Coulter Laser LS 230, USA). Las
emulsiones se diluyeron con agua (dilución al 20%) para evitar la multiplicidad de efectos de
dispersión. El tamaño medio de partícula se reporta como el diámetro de la superficievolumen (d3.2). Se realizaron observaciones de las emulsiones por microscopía laser
confocal (LCM) esencialmente como Michalski et al. (2002) describen. La estabilidad de la
emulsión se estudió mediante inspección visual y por medida del tamaño de partícula (d4.3)
en la parte superior e inferior de un tubo después de un almacenamiento de la muestra de 9
días a temperatura ambiente.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Todas las emulsiones CM y CH exhibieron un elevado tamaño de partícula (6,03 y 0,6
micras, respectivamente, Figuras 1a,b) y separación de fases, visualmente observable. Las
emulsiones CH mostraron diferencias significativas en el tamaño de partícula (d4.3) en las
dos partes de las emulsiones (superior e inferior) tras un periodo de almacenamiento de 9
días, tanto en las producidas a partir de 1% de proteína como las que contuvieron 5% de
proteína (Figuras 3a,e), indicando la inestabilidad de estas emulsiones durante su
almacenamiento. Sin embargo, las emulsiones CH producidas con 1% de proteína exhibieron
un comportamiento de cremado más bajo en comparación a aquellas producidas con 5% de
proteína, lo que indica que el 1% de proteína en estas emulsiones es suficiente para cubrir
las gotitas de aceite y obtener una emulsión más estable, hecho que se confirmó
visualmente y por LCM. Hemar et al. (2001) obtuvieron resultados similares en emulsiones
producidas con 30% aceite de soja y con 1% de caseinato sódico, emulsiones que
presentaron gotitas individuales sin ningún signo de floculación; sin embargo, al aumentar el
contenido de proteína a 3% las emulsiones presentaron una floculación extensa de gotitas de
aceite que se confirmó también por LCM.
Visualmente las emulsiones UHPH mostraron una excelente estabilidad física, si las
comparamos con el resto de emulsiones que presentaron fenómenos de cremado y
coalescencia a temperatura ambiente. Las emulsiones UHPH tratadas a 100 MPa y
producidas con 1% de proteína presentaron un tamaño de partícula superior (0,212 µm) en
comparación con aquellas producidas con 5% de proteína como se muestra en la Fig. 1c. Sin
embargo, al aumentar el contenido de proteína a 5%, si bien se redujo el tamaño de
partícula y se encontró una mejora de su estabilidad, ésta fue inferior a la presentada por las
emulsiones tratadas a 200 y 300 MPa, sugiriendo la realización de un estudio más profundo
sobre la cantidad exacta requerida de proteína en este tipo de emulsión. El análisis de
partícula (d4.3) durante el almacenamiento de estas emulsiones corroboró estos resultados
ya que las emulsiones UHPH tratada a 100 MPa con 1% de proteína mostraron diferencias
significativas en el tamaño de partícula en las dos partes de las emulsiones, diferencias que
fueron menos acusadas en el caso de las emulsiones producidas con un 5% de proteína
(Figuras 3 b,f).
Las emulsiones UHPH tratadas por 200 y 300 MPa, producidas con 1% de proteína y en
comparación a las elaboradas con 5% de proteína presentaron (i) una distribución de tamaño
de partícula bimodal (Figuras 1d,e), (ii) fenómenos de coalescencia (sobre todo en las
emulsiones tratadas a 300 MPa) durante el almacenamiento como indica el parámetro d4.3 y
observable en las micrografías obtenidas por LCM (Fig. 2d,e, y Fig. 3c,d), y (iii) gotitas de
aceite sin cubierta proteica como fue observado por LCM (Fig. 2d,e), hechos que podrían
explicar la relativa baja estabilidad al cremado de estas emulsiones. Aumentando el
contenido de proteína a 5% en las emulsiones, el tratamiento de UHPH redujo el tamaño de
partícula (0,116 y 0,123 µm en emulsiones tratadas a 200 y 300 MPa, respectivamente) y
cambió la distribución de partículas a monomodal (Fig. 1d,e) mejorando la estabilidad de las
emulsiones evitando los fenómenos de cremado (Fig. 2 i,j, y Fig. 3g,h).
CONCLUSIONES
Este estudio muestra el potencial de la ultra alta presión por homogenización en la
preparación de emulsiones compuestas por aceites vegetales y caseinato, reduciendo su
tamaño de partícula e incrementando su estabilidad física utilizando un 5% de proteína en
su formulación con la aplicación de presiones de 200 y 300 MPa. Por el contrario, con la
utilización de la homogenización convencional sólo se obtuvieron emulsiones con una
estabilidad inferior a las obtenidas por UHPH, mediante el uso de bajas concentraciones de
proteína.
a
c
b
d
e
Figura 1. Distribución de tamaño de partícula en emulsiones producidas por CM (a), CH (b) UHPH a 100
(c), 200 (d) y 300 MPa (e) estabilizadas con caseinato de sodio (1 y 5%).
1%
5%
a
f
b
g
c
h
d
i
e
j
Figura 2. Imágenes del microscopio laser confocal de emulsiones obtenidas por CM (a,f), CH (b,g) y
emulsiones UHPH homogeneizadas a 100 (c,h), 200 (d,i) y 300 MPa (e,j) estabilizadas por caseinato de
sodio (1 y 5%).
a
e
b
f
c
g
d
h
Figura 3. Distribución de tamaño de partícula (d4.3) en diferentes partes (T: arriba y B: abajo) de las
emulsiones estabilizadas con caseinato sódico (1 y 5%) y tratadas por CH (a,e) y UHPH tratadas a 100
(b,f), 200 (c,g) y 300 MPa (d,h), después de 9 días de almacenamiento a temperatura ambiente.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación
(Ministerio de
Economía y Competitividad) el soporte financiero otorgado a esta
investigación (AGL2011-26766). E. Hebishy agradece a la Agencia Española de Cooperación
Internacional para el Desarrollo (Ministerio de Asuntos Exteriores y de Cooperación) la beca
otorgada para desarrollar este trabajo de investigación.
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