Effect of a whey protein network formed by cold gelation on starch gelatinization and digestibility

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.