La adsorción de proteínas se refiere a la adhesión de proteínas a superficies sólidas. Este fenómeno es un problema importante en la industria de procesamiento de alimentos , particularmente en el procesamiento de leche y la elaboración de vino y cerveza . La adsorción excesiva, o el ensuciamiento de proteínas, puede provocar problemas de salud y saneamiento, ya que la proteína adsorbida es muy difícil de limpiar y puede albergar bacterias, como es el caso de las biopelículas . La calidad del producto puede verse afectada negativamente si el material adsorbido interfiere con los pasos de procesamiento, como la pasteurización . Sin embargo, en algunos casos se utiliza la adsorción de proteínas para mejorar la calidad de los alimentos, como es el caso de la clarificación. de vinos.
Adsorción de proteínas
La adsorción de proteínas y el ensuciamiento de proteínas pueden causar problemas importantes en la industria alimentaria (particularmente la industria láctea ) cuando las proteínas de los alimentos se adsorben en las superficies de procesamiento, como el acero inoxidable o el plástico (por ejemplo, polipropileno ). El ensuciamiento de proteínas es la acumulación de agregados de proteínas en una superficie. Esto es más común en los procesos de calentamiento que crean un gradiente de temperatura entre el equipo y la sustancia a granel que se calienta. [1] En los equipos de calentamiento con suciedad de proteínas, las proteínas adsorbidas pueden crear una capa aislante entre el calentador y el material a granel, lo que reduce la eficiencia del calentamiento. Esto conduce a una esterilización y pasteurización ineficaces. Además, las proteínas pegadas al calentador pueden causar un sabor o color a quemado en el material a granel. [1] Además, en los procesos que emplean filtración, los agregados de proteínas que se acumulan en la superficie del filtro pueden bloquear el flujo del material a granel y reducir en gran medida la eficiencia del filtro. [2]
Ejemplos de adsorción
Piedra de cerveza
La piedra de cerveza es una acumulación que se forma cuando el oxalato, las proteínas y las sales de calcio o magnesio de los granos y el agua en el proceso de elaboración de la cerveza se precipitan y forman incrustaciones en barriles, barriles y líneas de grifos. Los minerales se adsorben primero en la superficie del recipiente, impulsados por atracciones de carga. Las proteínas a menudo se coordinan con estos minerales en la solución y pueden unirse con ellos a la superficie. En otros casos, las proteínas también se adsorben a los minerales de la superficie, lo que dificulta la eliminación de los depósitos [3] , además de proporcionar una superficie que puede albergar microorganismos fácilmente. Si la piedra de cerveza acumulada dentro de las líneas del grifo se desprende, puede afectar negativamente la calidad del producto terminado al hacer que la cerveza se vuelva turbia y contribuya con sabores "desagradables". También es perjudicial desde el punto de vista nutricional: los oxalatos pueden disminuir la absorción de calcio en el cuerpo, además de aumentar el riesgo de formación de cálculos renales. [4]
Elaboración del vino
Las proteínas de la uva y el vino tienden a agregarse y formar nebulosas y sedimentos en los vinos terminados, especialmente los vinos blancos. [5] Las proteínas que causan turbidez pueden persistir en el vino debido a bajas velocidades de sedimentación o repulsión de carga en partículas individuales. Los agentes clarificantes, como las arcillas de bentonita , se utilizan para clarificar el vino eliminando estas proteínas. Además, los agentes proteináceos como la albúmina, la caseína o la gelatina se utilizan en la clarificación del vino para eliminar los taninos u otros fenoles. [6]
Biofilms
Una biopelícula es una comunidad de microorganismos adsorbidos a una superficie. Los microorganismos en las biopelículas están encerrados en una matriz polimérica que consta de exopolisacáridos, ADN extracelular y proteínas. Segundos después de que una superficie (generalmente de metal) se coloca en una solución, las moléculas inorgánicas y orgánicas se adsorben en la superficie. Estas moléculas son atraídas principalmente por fuerzas de Coulombic (ver sección anterior) y pueden adherirse muy fuertemente a la superficie. Esta primera capa se llama capa acondicionadora y es necesaria para que los microorganismos se unan a la superficie. Luego, estos microorganismos se adhieren reversiblemente por las fuerzas de Van der Waals , seguidas de una adhesión irreversible a través de estructuras de unión autoproducidas como pili o flagelos. [7] Las biopelículas se forman en sustratos sólidos como el acero inoxidable. La matriz polimérica envolvente de una biopelícula ofrece protección a sus microbios, aumentando su resistencia a los detergentes y agentes de limpieza. Las biopelículas en las superficies de procesamiento de alimentos pueden ser un peligro biológico para la seguridad alimentaria. El aumento de la resistencia química en las biopelículas puede conducir a una condición de contaminación persistente. [8]
Industria láctea
El tratamiento térmico de la leche mediante calentamiento indirecto (por ejemplo, pasteurización) para reducir la carga microbiana y aumentar la vida útil se realiza generalmente mediante un intercambiador de calor de placas . Las superficies del intercambiador de calor pueden ensuciarse por los depósitos de proteína de la leche adsorbidos. El ensuciamiento se inicia mediante la formación de una monocapa de proteína a temperatura ambiente, seguida de agregación inducida por calor y deposición de depósitos de proteína de suero y fosfato de calcio. [9] Las proteínas adsorbidas reducen la eficiencia de la transferencia de calor y potencialmente afectan la calidad del producto al evitar un calentamiento adecuado de la leche.
Mecanismos de adsorción de proteínas.
La tendencia común en todos los ejemplos de adsorción de proteínas en la industria alimentaria es la de adsorción a los minerales adsorbidos primero a la superficie. Este fenómeno se ha estudiado pero no se comprende bien. La espectroscopia de proteínas adsorbidas en minerales arcillosos muestra variaciones en los tramos de enlaces C = O y NH , lo que significa que estos enlaces están involucrados en la unión de proteínas. [10]
Coulombic
En algunos casos, las proteínas son atraídas a las superficies por una carga superficial excesiva . Cuando una superficie en un fluido tiene una carga neta, los iones en el fluido se adsorberán en la superficie. Las proteínas también tienen superficies cargadas debido a la carga de residuos de aminoácidos en la superficie de la proteína. La superficie y la proteína son entonces atraídas por fuerzas de Coulombic. [11]
La atracción que siente una proteína desde una superficie cargada () depende exponencialmente de la carga de la superficie, como se describe en la siguiente fórmula: [12]
Dónde
- es el potencial sentido por la proteína
- es el potencial real de la superficie
- x es la distancia desde la proteína a la superficie, y
- es la longitud de Debye .
El potencial de la superficie de una proteína viene dado por el número de aminoácidos cargados que tiene y su punto isoeléctrico , pI.
Termodinámico
La adsorción de proteínas también puede ocurrir como resultado directo del calentamiento de una mezcla. La adsorción de proteínas en el procesamiento de la leche se utiliza a menudo como modelo para este tipo de adsorción en otras situaciones. La leche está compuesta principalmente de agua, con menos del 20% de sólidos en suspensión o proteínas disueltas. Las proteínas constituyen solo el 3.6% de la leche en total, y solo el 26% de los componentes que no son agua. [13] Todas estas proteínas son responsables de las incrustaciones que se producen durante la pasteurización .
A medida que la leche se calienta durante la pasteurización, muchas de las proteínas de la leche se desnaturalizan. Las temperaturas de pasteurización pueden alcanzar los 161 ° F (71,7 ° C). Esta temperatura es lo suficientemente alta como para desnaturalizar las proteínas que se encuentran debajo, lo que reduce el valor nutricional de la leche y provoca incrustaciones. La leche se calienta a estas altas temperaturas durante un breve período (15 a 20 segundos) para reducir la cantidad de desnaturalización . Sin embargo, el ensuciamiento de las proteínas desnaturalizadas sigue siendo un problema importante.
Proteína | ΔH | Temperatura de desnaturalización (K) | Tm (C) [14] |
---|---|---|---|
β- Lactoglobulina | 599 ± 19 | 344,0 | 70,85 |
α- lactoalbúmina | 184 ± 11 | 312,7 | 39,55 |
BSA | 799 ± 44 | 334,3 | 61.15 |
La desnaturalización expone residuos de aminoácidos hidrófobos en la proteína, que previamente habían sido protegidos por la proteína. Los aminoácidos hidrófobos expuestos disminuyen la entropía del agua que los rodea, haciéndola favorable para la adsorción superficial. Parte de la β-lactoglobulina (β-lg) se adsorberá directamente sobre la superficie de un intercambiador de calor o recipiente. Otras moléculas de β-lg desnaturalizadas se adsorben en micelas de caseína , que también están presentes en la leche. A medida que más y más proteínas β-lg se unen a la micela de caseína, se forma un agregado, que luego se difundirá al intercambiador de calor y / o la superficie del recipiente.
Bioquímico
Si bien los agregados pueden explicar gran parte del ensuciamiento de proteínas que se encuentra en el procesamiento de la leche, esto no lo explica todo. Se ha descubierto un tercer tipo de ensuciamiento que se explica por las interacciones químicas de las proteínas β-lg desnaturalizadas. [15]
β-lg contiene 5 residuos de cisteína , cuatro de los cuales están unidos covalentemente entre sí, formando un enlace SS. Cuando se desnaturaliza β-lg, el quinto residuo de cisteína se expone al agua. Este residuo luego se une a otras proteínas β-lg, incluidas las que ya están adsorbidas en la superficie. Esto produce una fuerte interacción entre las proteínas desnaturalizadas y la superficie del recipiente.
Isotermas
Las isotermas se utilizan para cuantificar la cantidad de proteína adsorbida en una superficie a una temperatura constante, dependiendo de la concentración de proteína sobre la superficie. Los investigadores han utilizado un modelo de isoterma de tipo Langmuir para describir los valores experimentales de adsorción de proteínas. [14]
En esta ecuación
- es la cantidad de proteína adsorbida
- es el área de superficie por molécula
- es el volumen molar parcial de proteína
- es el negativo de la energía libre de adsorción de Gibbs por unidad de área y
- es la concentración de proteína de equilibrio.
Esta ecuación se ha aplicado a un entorno de laboratorio de adsorción de proteínas a temperaturas superiores a 50 ° C a partir de una solución modelo de proteína y agua. Es especialmente útil para modelar el ensuciamiento de proteínas en el procesamiento de la leche.
Eliminación de proteínas adsorbidas.
Las proteínas adsorbidas se encuentran entre las suciedades alimentarias más difíciles de eliminar de las superficies en contacto con los alimentos. En particular, las proteínas desnaturalizadas por calor (como las que se encuentran en las aplicaciones de la industria láctea) se adhieren firmemente a las superficies y requieren limpiadores alcalinos fuertes para su eliminación. [16] Es importante que los métodos de limpieza sean capaces de eliminar las suciedades proteicas visibles y no visibles. Deben eliminarse los nutrientes para el crecimiento bacteriano, así como las biopelículas que puedan haberse acumulado en la superficie de contacto con los alimentos. Las proteínas son insolubles en agua, ligeramente solubles en soluciones ácidas y solubles en soluciones alcalinas, lo que limita el tipo de limpiador que se puede utilizar para eliminar las proteínas de la superficie. [16] En términos generales, los limpiadores altamente alcalinos con agentes peptizantes y humectantes son más efectivos en la eliminación de proteínas en superficies de contacto con alimentos. [17] La temperatura de limpieza también es una preocupación para la eliminación eficaz de proteínas. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la actividad del compuesto de limpieza, lo que facilita la eliminación de la suciedad. Sin embargo, a temperaturas más altas (> 55 ° C) las proteínas se desnaturalizan y la eficacia limpiadora se reduce. [dieciséis]
Limpiadores alcalinos
Los limpiadores alcalinos se clasifican como compuestos con pH 7-14. Las proteínas se eliminan con mayor eficacia de las superficies mediante limpiadores con un pH de 11 o superior. [16] Un ejemplo de un agente limpiador alcalino fuerte es el hidróxido de sodio , también llamado soda cáustica. Aunque el hidróxido de sodio (NaOH) puede causar corrosión en las superficies de contacto con los alimentos, como el acero inoxidable, es el agente de limpieza preferido para la eliminación de proteínas debido a su eficacia para disolver proteínas y dispersar / emulsionar la suciedad de los alimentos. A menudo se agregan silicatos a estos limpiadores para reducir la corrosión en las superficies metálicas. El mecanismo de acción de limpieza alcalina en las proteínas sigue un proceso de tres pasos: [18]
- Formación de gel: Al entrar en contacto con la solución alcalina, la proteína del suelo se hincha y forma un gel removible.
- Eliminación de proteínas: el gel de proteína se elimina mediante transferencia de masa, mientras que el agente de limpieza continúa difundiéndose a través del suelo, lo que aumenta la formación de gel.
- Etapa de descomposición: el gel de proteína se ha erosionado hasta el punto en que es un depósito delgado. La eliminación en esta etapa se rige por las fuerzas de esfuerzo cortante y la transferencia de masa del gel.
A menudo se agrega hipoclorito a limpiadores alcalinos para peptizar proteínas. Los limpiadores clorados actúan oxidando los enlaces cruzados de sulfuro en las proteínas. [16] La velocidad y la eficiencia de la limpieza se mejoran debido a una mayor difusión del limpiador en la matriz del suelo, ahora compuesta por proteínas más pequeñas y solubles.
Limpiadores de enzimas
Los limpiadores a base de enzimas son especialmente útiles para la eliminación de biopelículas. Las bacterias son algo difíciles de eliminar con los limpiadores alcalinos o ácidos tradicionales. [19] Los limpiadores enzimáticos son más efectivos en las biopelículas ya que funcionan como proteasas al descomponer las proteínas en los sitios de unión de las bacterias. Trabajan con la máxima eficacia a pH elevado y a temperaturas inferiores a 60 ° C. [16] Los limpiadores enzimáticos son una alternativa cada vez más atractiva a los limpiadores químicos tradicionales debido a su biodegradabilidad y otros factores ambientales, como la reducción de la generación de aguas residuales y el ahorro de energía por el uso de agua fría. [20] Sin embargo, suelen ser más caros que los limpiadores alcalinos o ácidos.
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