Effect of a whey protein network formed by cold gelation on starch gelatinization and digestibility
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Date
2019
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Abstract
La diabetes es una enfermedad crónica que afecta a millones de personas alrededor del
mundo y por ende un problema actual de salud importante en nuestra sociedad. Hoy en
día, sabemos que la alimentación es un factor de riesgo para el desarrollo de la diabetes
tipo 2, en particular las dietas que provocan fluctuaciones extremas de la glicemia
posprandial. Por lo tanto, se recomienda consumir alimentos con un bajo índice
glicémico, para evitar un desequilibrio en el metabolismo de la glucosa, mejorar la salud
en general, y reducir el riesgo de padecer diabetes tipo 2.
En esta Tesis, se propone una nueva estrategia para diseñar alimentos amiláceos con una
liberación de glucosa posprandial lenta y constante. Se plantea que un gel de proteína
puede reducir la gelatinización del almidón durante el tratamiento térmico y, luego,
proteger los gránulos de almidón del ataque enzimático durante la digestión.
Para confirmar esta hipótesis, gránulos nativos de almidón de papa (potato starch, PS)
fueron atrapados en una red de aislado de proteína de suero (whey protein isolate, WPI),
elaborada por gelificación en frío inducida por adición de calcio. Estos geles
compuestos fueron sometidos a un tratamiento térmico (>80°C), para provocar la
gelatinización del PS dentro de la red de proteínas. Primero, la gelatinización del
almidón en el gel de WPI fue estudiada, in situ y en tiempo real, con un sistema de placa
calefactora DSC para microscopio. Los cambios en la microestructura de los geles
compuestos también fueron observados indirectamente por mediciones reológicas y
mecánicas. Además, la microestructura de los geles, antes y después del calentamiento,
fue explorada por microscopía confocal láser de barrido (CLSM) y criomicroscopía
electrónica de barrido (crio-MEB). Luego, la digestibilidad del almidón en el gel de
WPI, después del tratamiento térmico, fue investigada mediante el protocolo de
digestión in vitro “INFOGEST”. Se prestó especial atención al impacto del tamaño de
partícula del gel y de la concentration de proteína sobre la liberación de glucosa desde la
matriz. Finalmente, los diferentes pasos que conducen a la formación de la red de WPI
por gelificación en frío fueron observados con un microscopio de fuerza atómica, y la
dimensión fractal del gel fue determinada mediante análisis de imagen y reología
oscilatoria. El efecto del calentamiento sobre las propiedades y la microestructura del
gel de WPI fue analizado con DSC, espectroscopia infrarroja (ATR-FTIR) y mediciones
reológicas, además de ser examinado por CLSM y crio-MEB. La investigación se centró
en la influencia de la formación de nuevos enlaces disulfuro sobre las propiedades
reológicas del gel.
La gelatinización del almidón fue restringida por la matriz de WPI. La presencia de la
red de proteína no retrasó el inicio de la gelatinización pero redujo la temperatura final
de la transición de 3°C, tambien redujo la entalpía de gelatinización en un 42% y
disminuyó el hinchamiento de los gránulos de PS en un 33%. Las propiedades
reológicas y mecánicas de los geles compuestos se vieron afectadas por la gelatinización
del almidón, dependiendo de su concentración en el gel. Añadir 1% de PS al gel de WPI debilitó la estructura del gel, probablemente porque los gránulos gelatinizados crean
defectos en la microestructura. Al contrario, la adición de un 9% de almidón resultó en
un reforzamiento del gel: una red interpenetrante se forma entre el WPI y los gránulos
gelatinizados de PS.
La digestibilidad del almidón in vitro también se vio restringida por la presencia de la
red de WPI. La liberación de glucosa desde la matriz se redujo en la etapa intestinal,
cuando los geles fueron molidos a un tamaño de partícula de ~ 1 mm. Pero cuando los
geles fueron cortados a un tamaño de partícula de ~ 5 mm, la liberación de glucosa
disminuyo al final de la prueba. En este caso, al final de la digestión, la liberación de
glucosa fue reducida en un 15.5 y un 20.5% para los geles compuestos con 8 y 10% de
WPI respectivamente, mientras que no se observó una reducción significativa para el
gel con 6% de WPI. Por lo tanto, el efecto de la red de WPI sobre la digestibilidad del
almidón depende primero del tamaño de partícula y luego de la concentración de
proteína. Esto se relaciona con las propiedades mecánicas y reológicas de los geles
compuestos: la digestibilidad del almidón disminuye cuando aumenta la dureza y la
elasticidad de los geles.
El tratamiento térmico también modificó las propiedades y la microestructura de la red
de WPI de los geles compuestos. Los geles de WPI eran más rígidos y más quebradizos
después de ser calentados a 90ºC. En efecto, se produjeron cambios importantes en la
estructura de la red de proteínas: se formaron enlaces disulfuro y puentes de calcio adicionales durante el calentamiento y nuevas interacciones hidrofóbicas durante el
enfriamiento. Como consecuencia, las propiedades viscoelásticas de los geles de WPI
elaborados por gelificación en frío se vieron alteradas de manera significativa e
irreversible.
Esta Tesis contribuye a una mejor comprensión de los cambios que ocurren durante el
tratamiento térmico de matrices blandas compuestas por proteínas y almidón. Además,
aporta nuevos conocimientos sobre la digestión del almidón en matrices alimentarias suaves. En conjunto, los resultados de este estudio muestran que el uso de geles de WPI
es una estrategia interesante para formular productos amiláceos con un índice glicémico
bajo. Estas estructuras podrían ser particularmente útiles para desarrollar alimentos
funcionales especialmente diseñados para diabéticos con sobrepeso o personas mayores.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2019