estructura y propiedades funcionales de proteínas de leguminosas

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Estructura y propiedades funcionales de proteínas de leguminosasLuisA.ChelGuerreroLuisCorzoRíosDavidA.BetancurAncona

ESTRUCTURADELASPROTEínASLas proteínas sonmoléculasmuycomplejas;presentanunaestructuralógica y funcional específica paracadaunadeellas;tienencomocarac-terísticacomúnquesusunidadeses-tructuralessonlosaminoácidos.Losaminoácidos se encuentranunidosentresímedianteunionescovalentesconocidoscomoenlacespeptídicosy,segúnel tamañode lascadenas,puedenserdesdeunasimpleuniónde dos aminoácidos llamados di-péptido,hastagrandesmacromolé-culasdeproteína,pasandopor lasdetamañomedianoopolipéptidos.Losnivelesdeorganizaciónde lasproteínasson:estructurasprimaria,secundaria,terciariaycuaternaria.

• La estructura primariaestádeter-minadaporlasecuenciadeami-noácidos.Esdecir, lasproteínas

se diferencian por su número ycomposición de aminoácidos ypor el ordende ellos en sus ca-denaspolipeptídicas(Figura1).

• La estructura secundaria consis-te esencialmente en la relaciónespacial de un aminoácido conrespectoalquelesigue,alolargode la cadenapolipeptídica.Hayvariostiposdeestructurasecun-dariaenlasproteínas:enunodeellos se puede adoptar (plega-miento)laformadeαhéliceyenotro la conformación de láminaplegada. Las combinaciones de

Luis A. Chel Guerrero.Doctorconespecialidadenalimen-tos, egresadode la EscuelanacionaldeCienciasBioló-gicas del Instituto Politéc-niconacional. InvestigadornacionalnivelIdelSnI.Re-presentante del grupo deinvestigacióndel ProgramaIberoamericanodeCienciayTecnologíaparaelDesarrollo,consedeenArgentina.

Luis Corzo Ríos.Maestro enciencias con especialidadenalimentos,por laEscuelanacionaldeCienciasBioló-gicasdelInstitutoPolitécniconacional.

David A. Betancur Ancona.Doc-torencienciasconespeciali-dad en alimentos, egresadode la Escuelanacional deCienciasBiológicasdel Ins-titutoPolitécniconacional.Investigadornacionalnivel1delSnI,con14publicacionesen revistas arbitradas y 10artículosdedivulgación.

Figura1Estructura primaria

R1OR2O+H3n—C—C—n—C—C _ H HHO

R1O H R2 O+ +H3n—C—C + H—n—C—C _ HO H HO

H2O

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UEstructuraypropiedadesfuncionalesdeproteínasdeleguminosas

estasestructurassecundariasdanorigenaarreglosgeométricoses-pecíficosquesepresentanenlasproteínas,losquesonconocidoscomomotivos(Figura2).

• Variosdeestosmotivossecom-binan para dar origen al otronivel de estructura: la terciaria,y es entonces conocido comodominio. éstos son clasificadosen tres categorías principales:una formadaexclusivamentedeα-hélices,otradeláminasβ,otradeláminasβparalelasrodeadasdeαhélicesyfinalmentelasquenocorrespondenapequeñaspro-teínas y que parecen versionesdistorsionadasde las anteriores(Figura3).

•Laestructura cuaternariaserefierealarregloespacialdeunaproteí-na que contiene varias cadenaspolipeptídicasyeslamaneraenquecadacadenapolipeptídicaenlaproteínasearreglaenelespacioconrelaciónalasotrascadenas.Cada una de esas cadenas esconocidacomounasubunidadoprotómeroyelcomplejocuaterna-rioesentoncesunaproteínaoligo-méricaomultimérica(Figura4).

CLASIFICACIónDELASPROTEínASLacomplejidadyladiversidadsoncaracterísticas predominantes delas proteínas, por lo tanto, resultadifícil establecer una clasificación

Figura3Estructura terciaria

Figura2Estructura secundaria

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rigurosa;sinembargo,losdiversosmétodosparaclasificarlassebasanen cuatro criterios fundamentales:composición, forma, solubilidad yfunción biológica. La clasificaciónmásutilizadaparafinesprácticosesdeacuerdoasusolubilidad,siendoelmétododeOsborne,elmáscono-cidoyque reporta cuatro tiposdeproteína(Ibáñez,1991).

a)Albúminas,solublesenaguayensolucionessalinasdiluidas;pre-cipitan en solucionesde sulfatode amonio a una concentracióncercanaalasaturación.

b)Globulinas,generalmenteinsolu-blesenaguaperosolublesenso-lucionessalinasdiluidas,ejemplodeéstaseslamiosina(GueguenyCerletti,1994).

c) Prolaminas, estas proteínas son

solublesenetanol50-80%.Cons-tituyen un grupo cuyo nombrese originó por el alto contenidode prolina y nitrógeno amídicoproveniente de la glutamina,queeselaminoácidopresenteenaltascantidadesyque juntosenalgunoscasos lleganaserhastael 50% del nitrógeno del grano(Segura-nieto y Jiménez Flores,1999).

d)Glutelinas, que se caracterizanporsersolublesenmedioácidoo alcalino, como es la oriceninadel arroz. Las glutelinas cuyorepresentantemásconocidosonlas gluteninas aisladasdel trigo(HuangyKhan,1997).

Las fraccionesmás importantesdelasleguminosassonlasalbúmi-nas y las globulinas,mientras que

Cuadro1Composición de proteínas de leguminosas según la clasificación de Osborne

(g/100 g de proteína)

Granodeleguminosa

Frijolcomún1

Canavalia2

Canavalia3

Lupino4

Chícharo5

Soya6

Fracciones

Albúminas

27.6-36.6

14

12

11.2

21

10

Globulinas

35-39.3

66

79

71.8

66

90

Prolaminas

0.1-0.2

14

6

1.0

———

0

Glutelinas

0.4-0.2

0.8

0.3

5.5

12

0

1 Phaseolus vulgaris (GujskayKhan,1991) 2 Canavalia ensiformis (Samonteycol.,1989)3 Canavalia gladiata (Samonteycol.,1989) 4 Lupinus mutabilis Sweet(Acuñaycol.,1996)5 Pisum. Sativum (Fukushima,1991) 6 Glicine max (Fukushima,1991)

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Uparaelcasodeloscerealessonlasprolaminas y glutelinas. Las albú-minas incluyen algunasmoléculasqueposeenpropiedadesfuncionalesymuchas son enzimas quemeta-bolizanlassustanciasalmacenadasenlasemilla,comoporejemplolasglicosidasas y las proteasas, quetienen un papel importante en ladegradación proteínica durante lagerminación.Otrasparticipanenladefensade laplanta, comoson losinhibidoresdetripsinaylaslectinas(GueguenyCerletti,1994). Ladistribuciónde lasproteínasdealmacenamientoenlaslegumino-sas,deacuerdoconsusolubilidad,revelaquelasglobulinassonelgru-poprincipalyaqueselesencuentraenlamayoríaconunintervalode35a 72% (Cuadro 1); llegando a con-tenidostanaltoscomo90%paralasoya(Utsumi,1992)ypasandoporel71%enellupino.

FUnCIOnALIDADDELASPROTEínASEnLEGUMInOSASLaspropiedadesfuncionaleshansidodefinidascomocualquierpropiedadfisicoquímica de las proteínas, queafecta el comportamientoy caracte-rísticasdelosalimentosenloscualesseencuentranosonagregadasyquecontribuyealacalidadfinaldelpro-ducto(Figura4).Estascaracterísticaspueden ser sensoriales, nutricias ybioquímicas. La aplicaciónprácticaqueunaproteínapuedetenerdepende

en granmedida de esa funcionali-dad,yaquedependiendode ella sepuedenemplearendiversostiposdeproductosya lavez juegaunpapelimportanteenlaaceptaciónporpartedelconsumidor. Puedenagruparseentresgrupos(Fennema,1996;Damodaran,1997):

1.-Propiedadesdehidratación,quedependen principalmente de lainteracción proteína-agua y sonaquellascomolasorcióndeagua,absorción y retención de agua,solubilidad, dispersabilidad yviscosidad.

2.-Propiedadesquedependendelainteracción proteína-proteína y

Estructuraypropiedadesfuncionalesdeproteínasdeleguminosas

Figura4Estructura cuaternaria

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sonaquellascomolagelificación,coagulación, elasticidad, cohesi-vidad,durezayadhesividad.

3.-Propiedades de superficie, quedependen de la interacción

de la proteína con dos fases in-miscibles: agua / aceite, agua /aire que son la emulsificación,espumado,formacióndepelículalipoproteínica, capazde enlazarlípidos.

Losparámetros estructurales enrelaciónconlafuncionalidaddelasproteínasson:a)losparámetroses-féricoscomosoneltamañoyformamolecular, flexibilidadmoleculary contenidodegruposSH/SSb) lahidrofobicidad, superficial y total,yelbalancehidrofóbico/hidrofílicoc) los parámetros eléctricos, comoson la carga neta y superficial yd) losparámetrostermodinámicos,tales como la entalpía de desnatu-ralizaciónylatemperaturadedes-naturalización.

1. La solubilidad de la proteínase define termodinámicamentecomolaconcentracióndeproteí-naeneldisolventeenestadodeequilibrio enun sistemadeunao dos fases, a una temperaturay presión dadas. Para que estoocurra se requieredeun estadoinicialsólidobiendefinidoyunestadodesoluciónfinal.

2. Laemulsiónesdefinidacomola

dispersión o suspensión de doslíquidos inmiscibles, en la cualintervienenfuerzasdeatracción,fuerzasderepulsión,fuerzas"es-téricas"yfuerzasdeagotamiento.

3. Laespumasedefinecomounsis-tema coloidal bifásicodonde lasburbujasdegas(aireoCO2)cons-tituyenlafasedispersagaseosaqueestárodeadadeunafasecontinuade líquido.En este esquemahaydosdistintas fases, la efectividaddelaencapsulacióndelgas(capaci-dadespumante)ylavidamediadeduracióndelaespuma(estabilidaddelaespuma).

4. La capacidad de absorción deaguaindicalaaptitudaembeberagua en su estructura en formaespontánea, cuando se le poneencontactoconaguaatravésdeuna superficie que semantienehúmedaoporinmersión.

5. Lacapacidadderetencióndeaguaeslaaptituddeunmaterialhidrata-doareteneraguafrentealaaccióndeunafuerzaexternadegravedadcentrífugaodecompresiónycom-prendelasumadelaguaenlazada,aguahidrodinámicayaguafísica-menteatrapada,siendoéstalaquecontribuye enmayorproporciónquelasotrasdos.

6. Laviscosidadpuede serdefinidacomolaresistenciaalflujoqueunacapade unmaterial presenta aldeslizarse sobreotra, su compor-tamientopuedeserdescritosegún

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Ulaleydenewtonono(newtonianoononewtioniano)ygeneralmentelasproteínas se comportan comofluidosnewtonianossolamenteenbajas concentraciones, siendo elcasomáscomúnelcomportamien-topseudoplástico.

7. La gelificación es la formaciónde una red tridimensional queembebealdisolventeyloinmo-viliza, exhibiendo propiedadesmicroestructurales ymecánicasmuydiversasyestaredseformaa travésdeenlacescovalentesynocovalentes.Elgelseconsideracomouna fase intermedia entreunsólidoyunlíquido.

UTILIZACIónDELASPROTEínASVEGETALESEnLAFORMULACIónDEALIMEnTOSEnlaelaboracióndealimentospro-cesados,lasproteínas,comogrupoo individualmente, son de granimportancia por sus propiedadesfisicas,químicasyfuncionales,queproporcionan productos de buenacalidadyfacilitansuprocesamiento.La importanciade laspropiedadesfuncionalesparalaindustriadeali-mentospuedesermedidaporelnú-merodeingredientesespecializadosrequeridos, como losmencionadosenelCuadro2.

Cuadro2Principales propiedades funcionales de las proteínas, sus fuentes y aplicaciones (Mattews,1989;Hall,1996)

Aplicaciones

Productoscárnicos

Mariscos

Imitacióndequeso

Cubiertadebatidos

Lechedesoyaultrapasteurizada

Bebidasnutrimentales paraniñosyadultos

Productosdepanadería

Tofuinstantáneo

Calidaddeseada

Saboracarne,aroma,color,aguayaceite,textura

Color,sabor,apariencia(brillantez),textura

Color,sabor,enlazamientodeaguaygrasa,fusión,elasticidad

Espumadensa,blancura,estabilidaddelaespuma

Sabor,estabilidaddelaemulsión,solubilidad

Sabor,color,estabilidaddelaemulsiónydelasuspensión,habilidadparaincorporarminerales

Retencióndehumedad,volumenytexturadelahogaza

Textura,sabor

Funcionalidad

Sabor blando, enlazamiento de agua,emulsificación,gelificaciónotexturización

Blancura,saborblando,solubilidad,

gelificación

Blancura, sabor blando, gelificación yemulsificación,fusióndelgelyelasticidad

Capacidadespumante,estabilidaddelaemulsiónydelaespuma,solubilidad

Capacidademulsificante,saborblando,estabilidaddelaemulsión,solubilidad

Saborsuave,blancura,solubilidad,estabilidaddelaemulsión

Enlazamientodeagua,formacióndela

interfase,gelificación

Gelificación

Estructuraypropiedadesfuncionalesdeproteínasdeleguminosas

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Engranmedida, lassemillasdelasleguminosascomestiblessonnu-trimentalmenteimportantes,siendoreconocidascomolaprincipalfuentedeproteínasdebajocostoenladietadel hombre, ya que su contenidooscilade20a40%,elcualessupe-rioraldeotrosvegetales como loscereales que tienen entre 7 y 14%.Sontambiénunaimportantefuentedeproteínaspara avesde corral yotros animalesmonogástricos, queproporcionanlacarneparaelconsu-mohumano.Asimismo,suministrancalorías cuantificadas hasta en un85%delosrequerimientosmundia-les,ademásde lasvitaminasymi-

nerales,importantesenlanutriciónhumana(Lumen,1990). De lasmásde18,000 especiesdeleguminosas que existen, sólounas20sonlasqueseincorporanalain-gestahumanaenformaimportanteyunadocenademanerageneralizada.Otrassonpococomunesenladieta,debidoprincipalmentealapresenciadecomponentesantinutricios,aunquesonutilizadasporciertossegmentosdelapoblación(Figura5). Algunos avances se han logra-do para incrementar la utilizaciónextensivadeleguminosasnotradi-cionales,atravésdelapreparacióndeharinas,concentradosyaislados

Figura5Diversasvariedadesdeleguminosas

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Uproteínicos.Comoejemplosepue-dencitarlosaisladosproteínicosdelupino(Lupinus albus)queseincor-poranenlalechequesedistribuyeatravésdelProgramanacionaldeDesayunos Escolares en Chile; eldehaba(Vicia faba)queseproduceanivelpilotoen Inglaterrayeldechícharo(Pisum sativum)enCanadá,con explotación a nivel comercial.Actualmentesepretendeincremen-tarelusodeestasfuentesvegetalespromisoriascomoingredientesfun-cionalesenalimentosparamejorarlacalidadnutriciadelosproductosyporrazoneseconómicas. Entre los productos de legumi-nosas que se utilizan actualmenteen la industria de los alimentos seencuentranlasharinasysémolas,losconcentradosdeproteínaylosaisla-dosproteínicos.Losconcentradosdeproteínacontienenarribadel65%deproteína, peromenosdel 90%.Losconcentradossongeneralmentelibresdesabor,olorytienenpropiedadesfuncionalestalescomoabsorcióndeagua y grasa, los cuales los hacenapropiadosparaelusoenproductosalimenticios,comopan,cerealesparaeldesayuno,productosde la carne(salchichas, carnemolida y otros)y en alimentos infantiles.Debido ala calidad que presentan, puedenincluirseenlaalimentaciónhumanay compararse con laproteínade lacarne, leche y huevo por contenertodoslosaminoácidosesenciales.

Enlaactualidadlosproductosabaseproteínavegetalqueseutilizanconmásfrecuenciasonloselabora-dosconsoya.éstosseusancadavezmásendiferentessistemasabasedecarneprocesada,siendoeláreamáscomúndeusodomésticoactual,lascarnes emulsificadas (salchichas)ylascarnesmolidas(carnemolidaderesparahamburguesa),alimen-tos de origen marino, alimentosparamascotas, productos de tipolácteo, productos de panificación,pastas para sopa, etcétera. Comofuentealternativaalasoya,anivelexperimentalsehanevaluadoenlaFacultadde IngenieríaQuímicadelaUniversidadAutónomadeYuca-tánlaspropiedadesfuncionalesdeharinasyconcentradosprovenientesdeleguminosassubutilizadas,comoson laCanavalia ensiformis, Mucuna prurienes,Phaseolus lunatus yVigna unguiculata.Loshallazgosmásrele-vantesseencuentranenelCuadro3. SepuedeobservarenelCuadro3quelaspropiedadesfuncionalessondependientes tanto de la cantidadcomode la calidadde la proteína,porloqueenfuncióndesucompor-tamiento pueden ser incorporadoscomoingredientesendiferentespro-ductosalimenticios.Enestesentido,ennuestraFacultadsehanrealizadotrabajos adicionando concentradoproteínicodeP. lunatus endiversosproductosalimenticios.Seenrique-cieron botanas fritas ("churritos")

Estructuraypropiedadesfuncionalesdeproteínasdeleguminosas

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adicionándolesdeun5aun10%deconcentrado proteínico. Se obtuvoun contenido de proteína de 15%para el producto adicionado con10% de concentrado, así como unvalordedigestibilidaddelaproteí-nade72%paraproductos con5y10%de concentrado.Cabe señalarquenosevieronafectadaslascarac-terísticas sensorialesdelproducto,encontrandounaaceptaciónfavora-bleporlosjuecesenlaspruebassen-soriales. También se enriquecierontortillasysalchichastipofrankfurt,ennivelesde3.5,7.5y15%enpesode la formulación respectiva, sindemeritarsuscaracterísticasdetex-turayde aceptaciónporpartedelconsumidor,aunadoalincremento

delvalornutritivoenfuncióndelacantidad de proteína incorporada.Elnivelóptimodeincorporacióndeconcentradoproteínicoatortillasdemaízresultóserde7.5%,conun23%deproteínaenelproducto, locualrepresentaunimpactomuygrandeen la calidad nutritiva delmismo.Elnivelóptimodeincorporacióndeconcentradoproteínicoensalchichasfue de 3.5%, presentando valoresdeproteínade46%,locualinfluyedemanerapositivaenelproducto,mejorandolacalidadfisicoquímicaynutriciadelmismo.

COnCLUSIónEn la actualidad las leguminosassonunode los insumosnutrimen-

Cuadro3Valor de algunas propiedades funcionales de harinas y concentrados de leguminosas locales comparadas con la soya

PropiedadFuncional

Solubilidad(%)apH7

Absorcióndeagua(g/gmuestra)

Absorcióndeaceite(g/gmuestra)

Capacidadespumante(%)apH7

Capacidademulsificante(%)apH7

Viscosidad(cP)apH7

Leguminosa

Frijolterciopelo(Mucuna pruriens)

Canavalia(Canavalia ensiformis)

H

60.8

3.8

3.2

30

50

7.3

C

28.5

2.5

2.7

41

52

3.3

H

15

2.7

1.8

21

48

3

C

37

3.5

4.5

57

50

11.5

Frijolx'pelon(Vigna

unguiculata)

Frijolib(Phaseolus

lunatus)

Soya1,2(Glycine max)

C

5

2.5

2.3

60

55

nR

AC

30

2.1

3.13

55

50

nR

H

nR

1.8

0.6

nR

nR

nR

A

85

4.4

1.5

48

nR

65

H:harina;C:concentrado;A:aislado;nR:noreportado1 Idouraineycol.(1991)2 MoguelyChel(1990)

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Utalmenteimportantesusadoscomoaditivosalimenticiosycomofuentedeproteínasenladietadelhombre,sobretodoenaquellosquenopue-den comprar productos de origenanimal(carne)porsuelevadocosto.Las proteínas de las leguminosas,cuando son adicionadas a los ali-mentos, les confieren propiedadesquímicasyfuncionalesquemejoransuscaracterísticassensorialescomosabor, olor, textura, palatabilidad.Unaalternativaquepudiera resul-tareficazparamejorarlanutriciónde la poblaciónmexicana, parti-cularmente delmedio rural, seríala adiciónde harinas, concentradoy/o aislados proteínicos obtenidosde leguminosasasistemasalimen-ticios(tortillas,productoscárnicos,botanas, etcétera). Resultados deinvestigacioneshandemostradosufactibilidad tecnológica, teniendoademás un impacto nutritivomuyfavorable, sin demeritar las carac-terísticasorganolépticasydeacep-taciónporpartedelconsumidordelosproductosmodificados.

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Estructuraypropiedadesfuncionalesdeproteínasdeleguminosas