Elaboración de aislados
de proteínas vegetales *
Los aislados de proteína vegetal son los productos resultantes de laseparación de la mayor parte de los compuestos de las semillas que no seanlas proteínas.Se producen a partir de diversas fuentes, como soja, guisantes, arroz, legumbres o semillas ricas en proteínas, entre otras.
El producto resultante es un polvo de proteína vegetal altamente concentrado que se utiliza en una variedad de productos alimenticios, como sustitutos de carne, productos lácteos alternativos, barras de proteínas y batidos. Estos aislados son una fuente importante de proteína para las personas que siguen dietas vegetarianas o veganas, así como para aquellos que buscan reducir su consumo de proteína animal por razones de salud o ambientales.
El objetivo de este artículo *es revisar las técnicas actuales utilizadas para aislar las proteínas de materias primas vegetales. También se describen la influencia del método y las condiciones de extracción sobre las propiedades de las proteínas (rendimiento, pureza, apariencia, solubilidad, grado de desnaturalización, eficiencia de emulsificación, etc.).
También se presenta la utilización de tecnologías novedosas como la extracción asistida por ultrasonido, la técnica de electroactivación y la extracción asistida por enzimas para mejorar el rendimiento o la funcionalidad de la extracción de proteínas.
Describimos a continuación el proceso de elaboración
Proceso de elaboración
El proceso general se inicia con la selección de la fuente de proteína para obtener aislados. El tratamiento de esta materia prima implica varios pasos:
Desactivación de enzimas: Algunas materias primas vegetales contienen enzimas que pueden degradar la proteína durante el procesamiento. Para evitar esto, se realiza un tratamiento térmico para desactivar estas enzimas.
Molienda: La materia prima se muele o se tritura en un polvo fino para favorecer la extracción.
Extracción de proteína: La materia prima molida se mezcla ya sea con una solución salina o una solución alcalina para solubilizar las proteínas y permitir la separación de otros componentes insolubles, como carbohidratos y grasas.
Separación: mediante operaciones como la centrifugación o la filtración se separa la fracción insoluble y esto da como resultado una mezcla líquida que contiene proteínas.
Precipitación: La mezcla líquida se modifica para precipitar las proteínas y separarlas del líquido restante. Este proceso también se conoce como coagulación.
Lavado: Las proteínas coaguladas se lavan repetidamente para eliminar impurezas y sabores no deseados. Este proceso puede llevarse a cabo con agua u otros solventes.
Secado: Las proteínas lavadas se secan para eliminar la humedad y obtener un polvo de proteína concentrada.
Tamizado: El polvo de proteína se tamiza para obtener un tamaño de partícula uniforme y un producto final de alta calidad.
Envasado: Una vez que se ha obtenido el aislado de proteína vegetal, se envasa en bolsas o contenedores adecuados para su distribución y venta.
Las proteínas tienen una funcionalidad versátil; se emplean como agentes emulsionantes, espumantes, gelificantes, texturizantes, entre otras aplicaciones. Sin embargo, su aplicación puede verse limitada ya que sus propiedades dependen en gran medida de su estructura y composición, de factores ambientales (pH, fuerza iónica, presencia de otras micro y macromoléculas en matrices alimentarias) así como de su método y condiciones de aislamiento.
Técnicas de aislamiento de proteínas
Los procedimientos más utilizados para preparar aislados de proteínas de fuentes vegetales son:
- La técnica de extracción alcalina y posteriorprecipitación isoeléctrica, quecomprende la solubilización alcalina de las proteínas, la eliminación del material insoluble mediante centrifugación, la precipitación de proteínas a pH que corresponde al punto isoeléctrico y finalmente la recolección de proteína precipitada por centrifugación.
- La micelización, que implica la extracción de proteínas con solución salina, centrifugación para eliminar el material insoluble, precipitación de un extracto salino mediante ultrafiltración, diafiltración con membranas o dilución en agua fría, seguida de recuperación de proteínas mediante centrifugación.
Ambas técnicas podrían aplicarse utilizando diferentes condiciones de extracción y concentración.
Extracción alcalina/precipitación isoeléctrica
Los estudios que han utilizado la técnica de extracción alcalina/precipitación isoeléctrica para el aislamiento de proteínas han afirmado en su mayoría que las condiciones de extracción a valores de pH de 10,0 y superiores dan como resultado un mayor rendimiento de proteínas extraídas.
Por el contrario, las condiciones altamente alcalinas durante la extracción de proteínas condujeron a una mayor desnaturalización. Por lo tanto, se debe encontrar un compromiso entre mayores rendimientos de proteínas y el grado de desnaturalización.
De manera similar, el aumento de la temperatura y/o del tiempo de extracción también contribuye a una mejor extractabilidad de las proteínas. Sin embargo, el aumento de temperatura también podría causar desnaturalización térmica y precipitación de proteínas. Por lo tanto, comúnmente se recomiendan temperaturas ambiente o ligeramente más altas para la extracción de proteínas. Según diferentes datos de la literatura, el tiempo de extracción generalmente se establece entre 10 y 60 minutos con agitación constante y una relación sólido/solución del 5-15% (p/v).
Micelización
En cuanto a la técnica de micelización, el aumento de la fuerza iónica suele estar relacionado con una mayor recuperabilidad de las proteínas. También se ha demostrado que la disminución en el pH de extracción tuvo ligera influencia en el aumento del rendimiento proteico.
Separación de proteínas
Dependiendo de la técnica de extracción empleada, los procesos posteriores de concentración de proteínas implican ultrafiltración, membranas de diafiltración o simple precipitación a un valor de pH cercano al valor isoeléctrico de las proteínas solubilizadas extraídas.
La solución de proteína concentrada se lleva después al estado de polvo usando técnicas de liofilización, secado al vacío o secado por aspersión.
La técnica de precipitación isoeléctrica conduce con mayor frecuencia a mejores rendimientos de proteínas extraídas que los métodos de micelización, lo cual está documentado para diferentes aislados de proteínas.
En cuanto a la pureza de las proteínas extraídas, algunas investigaciones notaron que los aislados de proteínas obtenidos mediante el procedimiento de micelización eran de mayor pureza en comparación con aquellos obtenidos mediante la técnica de precipitación isoeléctrica.
Además del rendimiento y la pureza de las proteínas, al elegir las técnicas de aislamiento, es importante considerar aquella que dará como resultado una funcionalidad proteica definida para aplicaciones específicas. Asimismo se busca obtenerproductos proteicos libres de compuestos indeseables, como glucosinolatos, fitatos y ácido erúcico.
Influencia del método de aislamiento en las propiedades funcionales de las proteínas
Las diferentes técnicas y condiciones de extracción influyen en las propiedades funcionales de las proteínas. Las condiciones de extracción comprenden valor de pH, presencia o ausencia de sales mono y polivalentes, fuerza iónica del medio utilizado para la extracción de proteínas, tiempo, temperatura, entre otras.
Generalmente es común que las técnicas de extracción que involucran condiciones prolongadas y de alta temperatura den como resultado aislados de proteínas de calidad nutricional reducida. En un medio de extracción alcalino, generalmente pueden ocurrir una serie de reacciones indeseables como la racemización de aminoácidos, la formación de lisinoalanina, la disminución de la digestibilidad y la pérdida de aminoácidos esenciales.
En condiciones alcalinas, los polifenoles, que se pueden encontrar en muchos materiales vegetales, se oxidan y posteriormente pueden reaccionar con las proteínas, lo que da como resultado un color verde oscuro o marrón de las soluciones de proteínas extraídas. Después de la precipitación en el punto isoeléctrico y aún después de varios pasos de lavado, el color obtenido no se puede eliminar de los aislados de proteínas.
La técnica de micelización, que representa un procedimiento de extracción más suave, no implica oxidación, polimerización y coextracción de polifenoles con proteínas como en el caso de la extraccióncon álcali. Por tanto, los aislados obtenidos mediante la técnica de micelización suelen ser de color más claro.
Los aislados de proteínas obtenidos mediante procesos de micelización y ultrafiltración suelen tener mejores propiedades funcionales en comparación con los obtenidos mediante extracción alcalina, especialmente en sus propiedades emulsionantes. En cuanto a la solubilidad de las proteínas, se le dio ventaja al procedimiento de extracción por micelización ya que esta técnica proporcionó aislados de proteínas de mayor solubilidad. Además de la mejor solubilidad, la actividad interfacial también fue mayor para los aislados de proteínas obtenidos mediante la técnica de micelización en comparación con la extracción alcalina.
Sin embargo, en un trabajo realizado sobre proteína de linaza, se encontró que la capacidad de unión de agua era mayor para aquellos obtenidos mediante el procedimiento de punto isoeléctrico.
Distintos autores concluyeron que la técnica de micelización dio como resultado aislados de proteínas con una estructura proteica nativa más conservada en comparación con los precipitados isoeléctricos.
Generalmente, este último da como resultado una desnaturalización limitada de las proteínas extraídas seguida de interacciones hidrófobas que pueden conducir al desarrollo de agregados de proteínas insolubles. El análisis térmico (DSC) mostró que los aislados de proteínas micelares se caracterizaron con entalpías significativamente más altas (mayor orden estructural) que los aislados obtenidos por precipitación isoeléctrica. Este comportamiento puede atribuirse a la desnaturalización parcial de los aislados de proteínas obtenidos mediante la técnica de precipitación isoeléctrica. El procedimiento de extracción por micelización implica condiciones de extracción más suaves, lo que da como resultado aislados de proteínas con menores cambios conformacionales y estructurales. En la misma línea, otros trabajos concluyeron que el aumento en el valor del pH de extracción resultó en una disminución en los valores de entalpía, lo que significa que se obtuvieron más aislados de proteínas desnaturalizados.
Los aislados de proteínas obtenidos mediante la técnica de precipitación isoeléctrica se caracterizan por un mayor contenido de ácido fítico en comparación con aquellos obtenidos mediante micelización. No obstante, en condiciones alcalina por encima de pH 10, la extracción de ácido fítico es muy baja.
Aplicación de nuevas tecnologías para la extracción de proteínas
En la extracción de proteínas se aplican diferentes tecnologías y enfoques novedosos para aumentar el rendimiento, mejorar la funcionalidad y aumentar la sostenibilidad de la producción.
A modo experimental serealizó la extracción asistida por ultrasonido para aislar proteínas de harina de germen de trigo desgrasada con la ayuda de una solución micelar inversa. En condiciones optimizadas, la eficiencia de extracción de proteínas de germen de trigo desgrasadas puede aumentar del 37% al 57%.
También se propuso la implementación de la extracción de proteínas asistida por enzimas como método para mejorar el rendimiento. Este método normalmente implica la adición de diferentes enzimas (proteasa, celulasa, etc.) para aumentar la cantidad de proteínas extraídas y reducir el daño proteico durante la extracción.
Otros estudios revelaron que la extracción de proteínas asistida por enzimas podría tener un impacto positivo en el rendimiento de la extracción de proteína de soja cuando se utilizó harina tratada térmicamente. Si bien la adición de celulasa no tuvo un efecto positivo sobre el contenido de proteína extraída, se descubrió que la extracción asistida por proteasa era una técnica prometedora al realizar la extracción de aceite e hidrolizado de proteína en un proceso de un solo paso.
En trabajos posteriores, el uso de la técnica de electroactivación dio como resultado una mayor cantidad de proteínas extraídas en comparación con la extracción alcalina/precipitación isoeléctrica convencional. También se concluyó que no había diferencias significativas en términos de solubilidad, hidrofobicidad superficial, absorción de agua y capacidad de absorción de aceite entre los aislados de proteínas obtenidos mediante el método de extracción alcalina convencional y el método electroactivado.
(*) - Traducido y adaptado del artículo Progress in vegetable proteins isolation techniques: A review