La adsorción de proteínas se refiere a la adhesión de proteínas a superficies sólidas. Este fenómeno es un tema importante en la industria procesadora de alimentos , particularmente en el procesamiento de leche y en la elaboración de vino y cerveza . La adsorción excesiva, o contaminación de las 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 del 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 los vinos.
La adsorción de proteínas y la incrustación de proteínas pueden causar problemas importantes en la industria alimentaria (particularmente en 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 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 calefacción contaminados con proteínas, las proteínas adsorbidas pueden crear una capa aislante entre el calentador y el material a granel, lo que reduce la eficiencia de la calefacción. Esto conduce a una esterilización y pasteurización ineficaces. Además, las proteínas adheridas al calentador pueden provocar 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]
Beerstone 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 precipitan y forman incrustaciones en barriles, barriles y líneas de grifo. Los minerales se adsorben primero en la superficie del recipiente, impulsados por atracciones de carga. Las proteínas a menudo están coordinadas 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 fácilmente microorganismos. 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 contribuir con sabores desagradables. También es perjudicial desde el punto de vista nutricional: los oxalatos pueden disminuir la absorción de calcio en el organismo, además de aumentar el riesgo de formación de cálculos renales. [4]
Las proteínas de la uva y del vino tienden a agregarse y formar turbiedades y sedimentos en los vinos terminados, especialmente en los vinos blancos. [5] Las proteínas que causan turbidez pueden persistir en el vino debido a las bajas velocidades de sedimentación o a la repulsión de carga en las partículas individuales. Los agentes clarificantes, como las arcillas de bentonita , se utilizan para clarificar el vino eliminando estas proteínas. Además, en la clarificación del vino se utilizan agentes proteicos como la albúmina, la caseína o la gelatina para eliminar taninos u otros fenoles. [6]
Una biopelícula es una comunidad de microorganismos adsorbidos en una superficie. Los microorganismos de las biopelículas están encerrados en una matriz polimérica que consta de exopolisacáridos, ADN extracelular y proteínas. Segundos después de que una superficie (generalmente metal) se coloca en una solución, las moléculas orgánicas e inorgánicas se adsorben en la superficie. Estas moléculas son atraídas principalmente por fuerzas de Coulomb (consulte la sección anterior) y pueden adherirse con mucha fuerza 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 unen de manera reversible mediante fuerzas de Van der Waals , seguidas de una adhesión irreversible a través de estructuras de unión de producción propia, como pili o flagelos. [7] Las biopelículas se forman sobre 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 representar un peligro biológico para la seguridad alimentaria. Una mayor resistencia química en las biopelículas puede provocar una condición de contaminación persistente. [8]
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 debido a los depósitos de proteínas de la leche adsorbidos. La incrustación se inicia con la formación de una monocapa de proteína a temperatura ambiente, seguida de la agregación inducida por el calor y la deposición de depósitos de proteína de suero y fosfato de calcio. [9] Las proteínas adsorbidas disminuyen la eficiencia de la transferencia de calor y potencialmente afectan la calidad del producto al impedir el calentamiento adecuado de la leche.
La tendencia común en todos los ejemplos de adsorción de proteínas en la industria alimentaria es la de la adsorción a minerales adsorbidos primero en la superficie. Este fenómeno ha sido estudiado pero no se comprende bien. La espectroscopia de proteínas adsorbidas en minerales similares a la arcilla muestra variaciones en las extensiones de los enlaces C=O y NH , lo que significa que estos enlaces están involucrados en la unión de las proteínas. [10]
En algunos casos, las proteínas son atraídas hacia las superficies por una carga superficial excesiva . Cuando una superficie de un fluido tiene una carga neta, los iones del 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 Coulomb. [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
El potencial de la superficie de una proteína viene dado por la cantidad de aminoácidos cargados que tiene y su punto isoeléctrico , pI.
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 por agua, con menos del 20% de sólidos en suspensión o proteínas disueltas. Las proteínas constituyen sólo el 3,6% de la leche en total, y sólo el 26% de los componentes que no son agua. [13] Todas estas proteínas son responsables de la contaminación que se produce 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 71,7 °C (161 °F). Esta temperatura es lo suficientemente alta como para desnaturalizar las proteínas que se encuentran debajo, reduciendo el valor nutricional de la leche y provocando incrustaciones. La leche se calienta a estas altas temperaturas durante un período breve (15 a 20 segundos) para reducir la cantidad de desnaturalización . Sin embargo, la contaminación causada por proteínas desnaturalizadas sigue siendo un problema importante.
La desnaturalización expone residuos de aminoácidos hidrofóbicos en la proteína, que habían sido previamente protegidos por la proteína. Los aminoácidos hidrófobos expuestos disminuyen la entropía del agua que los rodea, lo que la hace favorable para la adsorción en la superficie. 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 a la superficie del recipiente.
Si bien los agregados pueden explicar gran parte de la contaminación proteica que se encuentra en el procesamiento de la leche, esto no lo explica todo. Se ha descubierto un tercer tipo de incrustación 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 la β-lg, el quinto residuo de cisteína queda expuesto 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.
Las isotermas se utilizan para cuantificar la cantidad de proteína adsorbida en una superficie a temperatura constante, dependiendo de la concentración de proteína sobre la superficie. Los investigadores han utilizado un modelo de isoterma de tipo Langmuir para describir valores experimentales de adsorción de proteínas. [14]
En esta ecuación
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 la contaminación de proteínas en el procesamiento de la leche.
Las proteínas adsorbidas se encuentran entre las manchas de alimentos 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 eliminarlas. [16] Es importante que los métodos de limpieza sean capaces de eliminar la suciedad proteica tanto visible como no visible. Se deben eliminar 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 para eliminar proteínas en superficies en contacto con alimentos. [17] La temperatura de limpieza también es una preocupación para la eliminación efectiva de proteínas. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la actividad del compuesto limpiador, 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. [16]
Los limpiadores alcalinos se clasifican como compuestos con pH de 7 a 14. Las proteínas se eliminan más eficazmente de las superficies con limpiadores con un pH de 11 o superior. [16] Un ejemplo de un agente de limpieza alcalino fuerte es el hidróxido de sodio , también llamado sosa cáustica. Aunque el hidróxido de sodio (NaOH) puede causar corrosión en superficies en contacto con 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 suciedad de alimentos. A menudo se añaden 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]
A menudo se añade hipoclorito a los limpiadores alcalinos para peptizar las proteínas. Los limpiadores clorados funcionan oxidando los enlaces cruzados de sulfuro en las proteínas. [16] La velocidad y eficiencia de la limpieza mejoran debido a una mayor difusión del limpiador en la matriz del suelo, ahora compuesta de proteínas más pequeñas y solubles.
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 bacteriana. Trabajan con la máxima eficiencia a pH alto 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 mediante el uso de agua fría. [20] Sin embargo, suelen ser más caros que los limpiadores alcalinos o ácidos.
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