1 Workshop de Agroalimentos Buenos Aires, 25 y 26 de octubre de 2012 Las proteínas del lactosuero como ingredientes funcionales Ana M.R. Pilosof [email protected] Departamento de Industrias Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires - CONICET Centro Argentino Uruguayo en Agroalimentos - CEBAU

2 Proteinas lácteas 80% 20% Caseinas suero

3 De dónde proviene el suero? - De la fabricación de la caseína ácida Suero ácido (6 %) De la fabricación del quesoSuero dulce (94%) Proteínas del suero % Beta-Lactoglobulina50-55% Alpha-Lactalbumina 20-25% Immunoglobulinas 10-15% Lactoferrina 1-2% Lactoperoxidasa 0.5% Seroalbumina Bovina 5-10% caseinomacropéptido ~15% Solo en suero dulce 10 kg leche 1kg queso 9 kg suero

4 Utilización del suero 1970 Se desechaba o usaba para alimentación animal Actualmente Las proteínas tienen: Alto valor nutricional Propiedades biológicas Amplio rango de propiedades funcionales Fabricación de alimentos Suplementos proteicos Aplicaciones clínicas

5 PROPIEDADES BIOLÓGICAS

6 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

7 Excelente gelificación textura y reología Alta actividad en la interfase aceite /agua emulsiones

8 Suplementos Nutricionales browning tostado mejora estructura corteza disminuye retrogradación flavor Productos panificados

9 Desde el suero a las proteínas aisladas Cómo transformamos el suero en ingredientes proteicos? El suero contiene proteínas, péptidos, lactosa, grasa láctea y otros lípidos, iones como sodio, potasio y calcio, vitaminas. Ultrafiltración Microfiltración Nanofiltración Diafiltración Tecnologías de membrana Recuperación de proteínas por intercambio iónico + + - + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - Higher pH - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Low pH - - - - - - Protein Binds Protein Eluted

10 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)

11 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

12 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

13 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

14 After 20 min HI-USBefore treatment D 32 = 753 nmZ av = 200 nm Aplicación de HI-US a temperatura ambiente (reducción de tamaño y control de la morfología) WPI = 7,5 %wt

15 Particle-size distribution of ultrasonicated (10 min) WPI at 85-93 °C 7.5% D 32 =0.482 µm 12% D 32 =4.50 µm 9% D 32 =0.97 µm Aplicación de HI-US + calentamiento

16 () 25 °C, (  ) 65 °C, ( ▲ ) 70 °C, (  ) 75 °C, (  ) 80 °C, (  ) 85 °C β-lg 6% Formation of β-lactoglobulin (β-lg) nanoparticles upon heating (  ) 75 °C, (  ) 80 °C, (  ) 85 °C 6 nm 16 nm Estrategias “bottom up” para producir nanopartículas proteícas del lactosuero

17 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

18 Complex formation (coacervates) at pH < pI of protein -Carrageenan (1.4%) + WPC 80% (7.1%) 7.8 6.15.6 3.2 Coacervate New functionality Microencapsulation system Estrategias “bottom up” para producir micro- coacervados proteícos

19 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

20 Actividad antiproliferativa de nanopartículas de polifenoles y proteínas del lactosuero sobre líneas celulares tumorales U251UACC-62MCF-7 NCI- ADR/RES 786-0 Doxorrubicina0,12 ± 0,070,14 ± 0,020,37 ± 0,124,2 ± 4,1250 Beta>250 Polifenol3,4 ± 1,855,7 ± 21,958,8 ± 11,127,4 ± 4,853,0 ± 16,2 CMP + polifenol10,7± 4,934,9 ± 3,924,7 ± 13,07,7 ± 7,127,4 ± 2,5 CMP + polifenol (90º)8,6 ± 9,238,3 ± 6,728,3 ± 6,913,3 ± 9,333,5 ± 1,2 Beta + polifenol13,6 ± 5,436,4 ± 14,4>62,517,7 ± 9,217,4 ± 8,8 Beta + polifenol (90º)15,6 ± 4,818,1 ± 6,1>62,522,1 ± 10,815,6 ± 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 (  g/mL)

21 Ruptura enzimática (pepsina o quimosina) CMP Porción C- terminal Péptido de 64 aa Phe 105 Met 106  -caseína para-  -caseína CASEINOMACROPÉPTIDO (CMP) aCMP MW 6.7 kDa El caseinomacropéptido, un promisorio ingrediente funcional

22 CASEINOMACROPEPTIDE (CMP) CMP : heterogéneo conjunto de polipéptidos, muy solubles 50 % del CMP está glicosilado (ácido siálico) aCMP MW 6.7 kDa pI= 4.1 g CMP MW 9.6 – 11 kDa pI= 3.15 UF EtOH TCA Li & Mine, 2004

23 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 caseinomacropeptide Thoma-Worringer, Sorensen and López-Fandiño (Int. Dairy J., 2006) CMP : un péptido bioactivo

24 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 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 Predominant CMP forms self-assembled structures grow over time at pH values less than 4.5 Gels

25 The mechanism of CMP self assembly (Farías et al., 2010). (CMP) M (CMP) D >T; < pH H Stage I Dimers formation by hydrophobic interactions pH < 6.5 n(CMP) D (CMP) D E n Stage II Polymers (gel) formation by electrostatic interactions pH < 4.5 CMP self assembled nanoparticles are suitable as carriers of minerals (Ca, Fe, Zn)

26 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

27 Factores que influyen Matriz soporte Carga eléctrica Comp. lipídica Estado físico Tamaño de partícula Comp. interfacial

28 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.

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