Estratégias de alteração da funcionalidade de proteínas de soja

Abstract

Este trabalho teve como principal objetivo estudar e modificar as propriedades funcionais das proteínas de soja de forma a otimizar e diversificar a sua aplicação industrial. Para tal, foram propostas e estudadas quatro estratégias: i) extração do isolado de proteínas de soja (IPS) a partir de diferentes matérias-primas, ii) adição de galactomananas (GM) com graus de ramificação e massas moleculares diferentes, iii) hidrólise enzimática controlada das proteínas de soja, iv) processamento por alta pressão hidrostática. O estudo e a interpretação da influência destas estratégias sobre as propriedades funcionais das proteínas de soja, nomeadamente, na capacidade gelificante e emulsionante, foram realizados recorrendo fundamentalmente a ensaios reológicos dinâmicos a baixas deformação, espectroscopia de infravermelho, electroforeses, calorimetria diferencial de varrimento e ensaios de microscopia confocal de varrimento laser. O estudo da extração e caracterização dos isolados de proteínas de soja obtidos a partir de diferentes matérias-primas permitiu concluir que as caraterísticas físico-químicas dos isolados são dependentes da origem da matéria-prima de extração e da severidade dos tratamentos industriais prévios à extração do isolado. Contudo, as propriedades viscoelásticas dos géis obtidos por aquecimento controlado não foram significativamente distintas embora tenha sido possível relacionar o grau de agregação com a diminuição da temperatura de gelificação e com o aumento inicial dos módulos viscoelásticos. As alterações sofridas pelos isolados de origem comercial mostraram ser irreversíveis resultando em géis menos rígidos e com maior caráter viscoso. A adição de galactomanana alterou significativamente o mecanismo de gelificação induzido termicamente das proteínas de soja, bem como as propriedades viscoelásticas dos géis e a microestrutura dos géis, demonstrando-se a ocorrência de separação de fases, em virtude da incompatibilidade termodinâmica entre os biopolímeros, resultando em géis mais rígidos e no decréscimo da temperatura de gelificação. A extensão destas alterações foi dependente da massa molecular, grau de ramificação e da razão IPS/GM. O efeito da hidrólise enzimática por ação da bromelina, nas propriedades gelificantes e emulsionantes das proteínas de soja, mostrou ser dependente do grau de hidrólise (GH). Valores de GH inferiores a 15 % melhoraram as propriedades gelificantes das proteínas de soja. Por outro lado, o aumento do GH teve um efeito negativo nas propriedades emulsionantes, o qual foi atenuado por adição da goma de alfarroba, com efeito positivo na gelificação das proteínas de soja. A concentração crítica limite de compatibilidade entre os hidrolisados de proteína de soja e a goma de alfarroba aumentou com o decréscimo do GH e da massa molecular do polissacacrídeo. O efeito da AP sobre as propriedades físico-químicas e funcionais dos IPS foi influenciado pela origem do isolado e pelas condições de tratamento. O processamento até 100 MPa desencadeou um aumento da atividade emulsionante e considerável melhoria da capacidade gelificante. Contudo, valores de pressão superiores promoveram a desnaturação das proteínas constituintes dos isolados, resultando no decréscimo da temperatura de gelificação e numa re-associação das subunidades proteicas, diminuindo a elasticidade dos géis finais. Os resultados sugeriram que as alterações nas proteínas de soja promovidas durante o tratamento por AP constituem um fator limitante para o desdobramento e re-associação durante o aquecimento térmico, necessários para a formação e fortalecimento de gel formado. O processamento por AP influenciou a estrutura secundária e a microestrutura das amostras. A presença de GA teve um papel baroprotetor. Assim, com este trabalho demonstrou-se que com as estratégias seguidas para manipulação das propriedades funcionais de proteínas de soja, nomeadamente através da adição de um polissacarídeo com propriedades estruturais controladas, da adequada combinação da adição de um polissacarídeo neutro com a hidrólise controlada das proteínas ou com tratamento por alta pressão, é possível a criação de novas funcionalidades, com utilidade no desenvolvimento de novas formulações alimentares, permitindo expandir a aplicação destas proteínas vegetais.

The main objective of this work was the modification of the functional properties of soybean proteins in order to optimize and diversify their industrial applications. For this purpose, fours strategies have been studied: i) extraction of soy protein isolate from different raw materials, ii) addition of galactomannans (GM) with different molecular weight and degree of branching, iii) partial enzymatic hydrolysis of the proteins and iv) processing by high hydrostatic pressure. The resulting effects of these approaches on the protein functional properties, namely gelation and emulsification, were assessed using mainly dynamic rheological tests at low deformation, FTIR spectroscopy, electrphoresis, differential scanning calorimetry and confocal laser scanning microscopy. The study of extraction and characterization of soy protein isolates obtained from different raw materials led to the conclusion that physico-chemical properties of the isolates are influenced by the source of the raw material and the severity of industrial processes prior to extraction. However, the viscoelastic properties of the gels obtained by controlled heating were not significantly different, although a correlation was demonstrated between the degree of aggregation and the decrease in gelation temperature and the increase of the initial value of the viscoelastic modules. The changes undergone by the commercial isolates were irreversible, resulting in less rigid and more viscous gels. The addition of galactomannan changed significantly the mechanism of thermally induced gelation of soy proteins, as well as the viscoelastic properties and microstructure of gels, related to the occurrence of demixing and phase separation resulting in an array of microstructures, spanning emulsion-like, bicontinuous and aggregated morphologies. The extent of these changes was dependent on polysaccharide molecular weight and degree of branching, and on the IPS/GM ratio. The presence of the GM promoted the gelation to occur for protein concentration below the critical gelation of soybean proteins alone, decreased the gelling temperature and had a positive effect on the gel strength of the heat-induced gels. The effects were more pronounced as the degree of branching decreases and for GM with higher molecular weight. The gelling ability and emulsifying properties of soybean proteins can be changed by controlled hydrolysis. Depending on the degree of hydrolysis (DH) it can either be improved or impaired. At DH below 15 %, stronger gels with lower gelation temperatures could be achieved. However, at the higher DH this effect was impaired. Increasing DH had a negative effect on the emulsifying properties, which was attenuated by the addition of locust bean gum with a positive influence on the gelation of soybean proteins. The critical concentration of compatibility between the soy protein hydrolysates and locust bean gum increased with the lowering of DH and molecular weight of the polysaccharide. The effect of high hydrostatic pressure on physico-chemical and functional properties of IPS was dependent on the source and extraction method of soy protein isolates. Processing pressures up to 100 MPa improved emulsifying and gelation properties. Higher values of pressure promoted denaturation of the isolated proteins, resulting in a decrease in gelation temperature, and a reassociation of protein subunits associated to a decreasing of the gel elasticity. The results suggested that changes in soy protein promoted during the highpressure treatment hinder the conformational changes and the re-association of the protein chains during the thermal heating causing gelation delay and decreasing the gel strenght. The processing by high pressure had an impact on the secondary structure and microstructure of the samples. The presence of galactomannan had a baroprotector function. Therefore, this work has demonstrated that with the strategies followed for manipulating the functional properties of soy proteins, including the addition of a polysaccharide with controlled structural properties, the appropriate combination of the addition of a neutral polysaccharide with the protein partial hydrolysis or with high-pressure treatment, it is possible to create new functionalities potentially useful in the development of new food formulations, allowing to expand the application of these plant proteins.