Gelificação térmica de hidrolisados enzimáticos de proteínas do soro de leite bovino : comportamento de sistemas aquosos mistos péptidos-polissacarídeos

Dissertação de mestrado em Biotecnologia, Engenharia de Bioprocessos.De acordo com as estimativas mais recentes produzem-se mundialmente cerca de 286 milhares de toneladas de soro de leite por dia. O soro produzido diariamente pode providenciar, em média, 2,4 milhares de toneladas de proteínas que, potencialmente, podem satisfazer as necessidades proteicas diárias a cerca de 35 milhões de pessoas. Durante muito tempo o soro foi encarado como um resíduo industrial ou produto com valor comercial residual. Só nas três últimas décadas foram desenvolvidos processos de separação que permitem obter ingredientes alimentares com alto teor proteico a partir do soro de leite. As proteínas do soro de leite bovino estão entre as mais equilibradas fontes de aminoácidos da dieta humana; para além disso, foram já descritas muitas actividades biológicas, essenciais para o desenvolvimento harmonioso da cria, com repercussões benéficas também no ser humano. Muitas dessas propriedades estão encriptadas nas moléculas proteicas manifestando-se após proteólise que pode ocorrer durante o processo de digestão ou durante o processamento enzimático e/ou fermentativo. A tripsina, enzima seleccionada para o trabalho desenvolvido, revela-se uma enzima interessante para a libertação de péptidos bioactivos, dada a sua especificidade, mas também para o aumento da digestibilidade e diminuição da alergenicidade das proteínas do soro de leite bovino (capítulo 1). As proteínas do soro podem ser usadas numa grande variedade de aplicações na indústria alimentar. Uma das funcionalidades das proteínas resulta da capacidade que possuem de responder a alterações ambientais alterando a sua conformação nativa e, por agregação, formar redes elásticas tridimensionais – gelificação. Os géis conferem estrutura, textura e estabilidade aos alimentos; possibilitam, ainda, a retenção de grandes quantidades de água e outras pequenas moléculas dentro da matriz alimentar (capítulo 2). No capítulo 3 do trabalho que se apresenta, estudaram-se as alterações do comportamento reológico (a baixa deformação) que ocorrem durante o processo de gelificação por aquecimento de suspensões de proteínas de soro, a pH neutro e força iónica de 220 mM. As propriedades reológicas dos géis finais foram estudadas em função da concentração de proteínas e do grau de hidrólise enzimática a que, previamente, as proteínas do soro de leite foram sujeitas. O aumento do grau de hidrólise reduz drasticamente a capacidade de gelificação das proteínas do soro e, ao contrário da variação da concentração, altera o balanço de forças que suportam a estrutura tridimensional do gel, provavelmente, diminuindo a contribuição das ligações covalentes e hidrofóbicas e aumentando a contribuição das pontes de hidrogénio. No capítulo 4, estudaram-se as alterações do comportamento reológico que ocorrem durante o processo de gelificação por aquecimento de sistemas mistos de proteínas de soro (nativas ou hidrolisadas) e polissacarídeos neutros (galactomananos), a pH neutro e força iónica de 220 mM. Para os vários sistemas estudados, as propriedades reológicas dos géis finais foram estudadas em função da concentração de polissacarídeos. Recorrendo a técnicas microscópicas (microscopia óptica e microscopia confocal de varrimento laser), verificou-se que, da incompatibilidade termodinâmica entre os dois tipos de biopolímeros, resultou uma separação de fases do tipo segregativo. Este fenómeno, por ser simultâneo ao processo de gelificação, condiciona fortemente as propriedades reológicas dos géis, pois, se por um lado favorece a concentração da fase proteica gelificante, por outro, diminui a conectividade dessa mesma fase. A quantificação da massa de água (e solutos), excluída durante o processo de gelificação (sinérese), permitiu verificar que a presença de polissacarídeos diminui a severidade do fenómeno.Accordingly to the last estimates, the daily production of milk whey is about 286 thousand tons. The produced whey can provide 2.4 thousand tons of proteins that, potentially, can assure the daily protein requirements of about 35 million people. In the past, whey was looked upon as an industrial residue or a low value product. Only in the last three decades separation processes were developed that allow the production of food ingredients with high protein content from milk whey. Proteins from bovine milk whey are between the more equilibrated human dietary sources of amino acids; they have been described as possessing many essential biological activities which are important for the harmonious development of the calf and have also beneficial repercussions for humans. Many of these bioactivities are encrypted in the native protein molecules and are only revealed after proteolysis during the natural digestion process or during enzymatic and/or fermentative treatments. For this work, trypsin was selected to hydrolyse whey proteins since, due to its specificity, trypsin is an interesting enzyme for the liberation of bioactive peptides and, also, for the improvement of protein digestibility and for decreasing protein allergenicity (chapter 1). Whey proteins can be used for a wide range of industrial food applications. One of proteins functionalities results from their capacity to respond to changes in their physicochemical environment by modifying their native conformation and forming, after aggregation, tridimensional elastic networks – gelling. Gels confer structure, texture and stability to food products; they also allow the retention of large quantities of water and other small molecules inside the food matrix (chapter 2). In the 3rd chapter of the present work, the changes in the rheological behaviour during the heat-induced gelling process of whey protein dispersions were studied by small deformation rheology (neutral pH and ionic force 220 mM). The rheological properties of the final gels were studied as a function of protein concentration and as a function of the degree of enzymatic hydrolysis. Hydrolysis reduces dramatically the gelling ability of whey proteins and alters the balance of the different forces that sustain the elastic network, probably, increasing the proportion of hydrogen bonds and decreasing the proportion of covalent and hydrophobic interactions. In the 4th chapter, the changes in the rheological behaviour during the heat-induced gelling process of mixed systems of whey proteins (native or hydrolysed) and neutral polysaccharides (galactomannans) were studied at neutral pH and ionic force 220 mM. The rheological properties of final gels were studied as a function of polysaccharide concentration. Using microscopic techniques (optical microscopy and confocal laser scanning microscopy), thermodynamic incompatibility between the two polymers, inducing segregative phase separation, was observed. When phase separation and gelling processes occur simultaneously the rheological properties of mixed gels are greatly influenced because phase separation favour the protein gelling phase concentration but, at the same time, decreases its connectivity. The quantification of the water (and solutes) excluded during the gelling process (syneresis) permits to verify that, when polysaccharide is present during the gelling process, syneresis is less severe.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Projecto (POCTI/QUI/36452/2000) - Instituto de Ciências e Tecnologia Agrárias e Agro-Alimentares