14 Mundo Lácteo y Cárnico Enero/Febrero 2006 info@mundolacteoycarnico.com

Tecn

olo

gía

na emulsión estable es aque-

lla que no sufre cambios

discernibles ya sea en la dis-

fosfato de calcio coloidal. A través de la

cadena productiva, el grado nativo de

las proteínas lácteas cambia y su con-

formación molecular variará dependien-

do de las condiciones del proceso mis-

mo, por ello, es común esperar cambios

(en ocasiones drásticos) en sus propie-

dades emulsificantes.

Las caseínas son separadas por pre-

cipitación. Este proceso destruye la es-

tructura micelar de la caseína y, después

de una neutralización con sales de sodio

o calcio, se generan lo que conocemos

como caseinatos. El caseinato de sodio

es uno de los ingredientes más versátiles

en la industria láctea debido a su buena

solubilidad (dependiendo del pH), natu-

raleza surfactante, resistencia al calor y

capacidad de retención de agua. Es fre-

cuentemente usado como agente

estabilizante en emulsiones tales como:

mezclas para helado, susbititutos de cre-

ma para café, cremas al licor y cremas

batidas.

El advenimiento de procesos de ul-

tra- y diafiltración ha permitido la ma-

nufactura de productos tales como los

concentrados y los aislados de proteína

de leche (CPL, APL) los cuales retienen

mucha de la estructura micelar original

(Euston & Hirst, 1999). Como se men-

cionó anteriormente, la estructura y la

flexibilidad de una proteína tiene una

gran influencia en sus propiedades

Sobre las PropiedadesEmulsificantesde las CaseínasUtribución del tamaño de partícula, en

el estado de agregación o en el arre-

glo «espacial» de la materia grasa dis-

persa en la fase acuosa durante una

escala f in i ta de observación

(Dickinson, 1994). El estado de agre-

gación de las partículas depende de

las interacciones entre las capas de

proteína adsorbidas a la superficie del

glóbulo graso, las cuales a su vez es-

tán supeditadas a la cantidad de pro-

teína adsorbida por unidad de área,

la carga neta en la superficie y las con-

diciones del solvente (pH, fuerza

iónica y contenido de calcio).

La más obvia manifestación de ines-

tabilidad en emulsiones es la separa-

ción macroscópica del sistema en dos

regiones muy bien definidas – una rica

en crema/aceite y la otra en suero

(Robins et al., 2002). La habilidad de

una proteína para formar y estabilizar

emulsiones está muy ligada a su estruc-

tura y conformación molecular. En la

leche, dos tipos de proteínas co-exis-

ten: las caseínas y las proteínas séricas.

Las caseínas se encuentran en forma

de micelas en la leche fresca (Fox,

2001). Dichas micelas son agregados

supra-moleculares que consisten de un

muy alto número de moléculas de ca-

seína individuales unidas vía puentes de

emulsificantes, por ello, esperaríamos

encontrar diferencias entre moléculas

individuales de caseína y sus agregados

(micelas). El objetivo de esta contribu-

ción es ofrecer una perspectiva más

amplia de las ventajas tecnológicas que

ciertos ingredientes derivados de pro-

teínas lácteas (léase caseinatos, CPL, y

ALP) ofrecen en términos de estabilidad

de emulsiones con aplicación directa en

una amplia gama de productos lácteos.

A través de estudios hechos en leche fres-

ca homogenizada, leches recombinadas,

emulsiones lácteas sintéticas hechas con

caseinatos o proteínas séricas y grasa butírica

u otros aceites/grasas vegetales y emulsiones

modelo constituidas de proteínas lácteas in-

dividuales (β-caseína o β-lacto globulina) e

hidrocarburos (tetradecano[s]), se ha encon-

trado que las caseínas se adsorben fuerte-

mente a interfaces fluidas (en este caso a la

interfase agua/aceite). Este fenómeno ocu-

rre durante el proceso de homogenización y

evita que las partículas recién formadas (del

orden de 0.3 a 2 µm – dependiendo de la

presión y del tipo/concentración de proteí-

na) re-coalescan. Los mecanismos conoci-

dos como «impedimento estérico» y «repul-

sión electrostática» son responsables de brin-

dar al sistema estabilidad a largo plazo

(McClements, 2004).

El efecto de la concentración y del

tipo de proteína en el tamaño del gló-

bulo graso después de la

M. en C. César Vega*

info@mundolacteoycarnico.com Mundo Lácteo y Cárnico Enero/Febrero 2006 15

homogenización se ilustra en la Figu-

ra 1. Se muestra como el tamaño de

partícula incrementa a medida que la

concentración de proteína disminuye

al elaborar emulsiones con 10% de

grasa butírica y 30% sólidos totales

estabilizadas con aislado de proteína

de leche (APL) o caseinato de sodio

(CS) y homogenizadas a una presión

total de 40 MPa (ca. 8000 psi). Se ob-

serva que el APL ofrece un muy redu-

cido margen de funcionalidad (de 1.2%

peso/peso en adelante) en términos de

la mínima cantidad de proteína nece-

saria para estabilizar la emulsión con

tamaño de partícula <1 µm. Por su

parte el CS, estabiliza la misma emul-

sión a concentraciones tan bajas como

0.3% con tamaños de part ícula

significativamente menores (<0.5 µm)

(Vega et al., 2006).

El área superficial específica (SSA –

por sus siglas en ingles) estima la capa-

cidad emulsificante de una proteína e

indica qué área (por gramo de grasa en

la emulsión) se cubriría si la superficie

de los glóbulos grasos formados duran-

te la homogenización se extendiera so-

bre una superficie plana. Así, para cual-

quier concentración de proteína, el CS

es capaz de crear mayor superficie (o

glóbulos más pequeños), lo cual está

directamente ligado a su mayor capa-

cidad de reducir la tensión superficial

en comparación con las micelas de ca-

seína provenientes del APL (Euston &

Hirst , 1999; Carrera-Sánchez &

Rodríguez-Patino, 2005; Vega et al.,

2006). La razón de lo anterior reside

en que los agregados de caseína son,

en términos generales, menos flexibles

comparados con las caseinas individua-

les, y por ende sus propiedades

emulsificantes son inferiores. Mulvihill

& Murphy (1991) demostraron que existe

una correlación entre el estado de agre-

gación de varias caseínas y caseinatos

y su habilidad emulsificante. Dalgleish

(1996) atribuyo dicha disminución a la

reducción en el número de partículas

proteicas disponibles para ser

adsorbidas en la superficie del glóbulo

graso por unidad de masa.

Dependiendo del tamaño de partí-

cula después del homogenizado, el com-

portamiento de la emulsión será afecta-

do ya sea en el corto, mediano o largo

plazo. Volviendo a la Figura 1, se obser-

va que aprox. a una concentración de

0.7% (15:1) de APL, el tamaño de par-

tícula sufre un incremento considera-

ble (de <1µm a aproximadamente

20µm). Esto no significa que en efec-

to los glóbulos sean de ese tamaño

(como referencia, la leche cruda con-

tiene glóbulos de alrededor de 10-15

µm). Lo que sucede es que a esos ni-

veles de APL no hay suficiente proteí-

na para estabilizar los nuevos glóbu-

los y estos tienden a compartir proteí-

na para poder cubrir totalmente su su-

perficie, por lo que floculan (se agre-

gan) y crean entes que asemejan ra-

cimos de uvas.

El equipo que mide el tamaño de

partícula no puede distinguir entre los

glóbulos individuales y reporta el diáme-

tro equivalente que circunda al floculo

de grasa (inserción en Figuras 1 y 2).

En el caso del CS, este fenómeno em-

pieza a generarse a concentraciones al-

rededor del 0.15% (60:1), lo cual re-

presenta 6 veces menos proteína com-

parado con el APL.

Se puede deducir del párrafo ante-

rior que, en ausencia de suficiente pro-

teína, el tamaño de partícula estará go-

bernado principalmente por la concen-

tración de la misma (McClements, 2004).

Lo anterior cobra importancia cuando se

observa separación de fases inmediata-

mente después del homogenizado y se

trata de resolver el problema

incrementando la presión – esto solo em-

peorará el problema.

Carrera-Sánchez & Rodríguez Pati-

no (2005) ilustraron como la concentra-

16 Mundo Lácteo y Cárnico Enero/Febrero 2006 info@mundolacteoycarnico.com

Tecn

olo

gía

ción de CS (de 0.1 a 5%) afecta la velocidad de separación en

emulsiones hechas con 30% de aceite vegetal a pH 7 (Figura

2). Se observa una reducción exponencial en la velocidad de

separación a medida que la concentración de CS incrementa

a niveles alrededor del 1% (es decir, 30:1 aceite:proteína –

muy similar a los valores reportados para grasa butírica anhidra

en la Figura 1). A niveles por debajo de 1% CS, existe

floculación, y esto causa el incremento en la velocidad de

separación.

Figura 1. Tamaño de partícula (d4,3

en µµµµµm) y área

superficial especifica (SSA en m2/g)) en función de la

proporción aceite/proteína en emulsiones hechas con

10% de grasa butírica y 30% sólidos totales. SSA (¨) y

tamaño de partícula (¡) caseinato de sodio; (n) (l) LDP.

Figura 2. Velocidad de separación de la fase aceitosa

en función de la concentración de caseinato de sodio en

solución. Temperatura 20° C, pH 7.0, fuerza iónica, 0.05

M. Re-impreso de Food Hydrocoll. 19:407-416 (2005)

con permiso de Elsevier.

Por otro lado, cuando se cuenta con un exceso de proteí-

na en la emulsión – más de la cantidad necesaria para cubrir

completamente la superficie de los glóbulos formados por el

homogenizador, el tamaño de partícula se vuelve totalmente

dependiente de la presión de homogenización. Si la proteína,

muy en particular el caseinato de sodio, se encuentra en

exceso, la probabilidad de separación de fases se vuelve nue-

vamente presente, pero bajo un mecanismo totalmente dife-

rente conocido en ingles como «depletion flocculation».

El fenómeno no es muy común en emulsiones hechas con

CPL o APL, pero si lo es en emulsiones estabilizadas con CS. Si no

es posible reducir la cantidad de proteína (CS) a niveles que

representen proporciones entre 30:1 o 10:1 aceite:proteína, se

puede añadir a) entre 4 y 8 mili moles de calcio; b) cierta canti-

dad de un emulsificante de bajo peso molecular o c) entre 0.02

a 0.04 de k-carragenina (pero no es muy recomendable).

Las emuls iones lácteas distan mucho de ser

formulaciones sencillas y generalmente contienen diferen-

tes tipos de emulsificantes [polisorbatos, lecitinas, mono-

y dig l icer idos (saturados o insaturados)]. Estos

emulsificantes compiten con las proteínas para residir en la

interfase agua/aceite y por ende, pueden desplazarlas de

la interfase con repercusiones directas en la estabilidad de

la emulsión (Wilde et al., 2004).

Como ejemplo, el helado es una espuma congelada que

es estabilizada por un par de mecanismos simultáneos: la for-

mación de hielo y subsiguiente concentración de los solutos

en la fase no-congelada (en especial la proteína) y la desesta-

bilización de la grasa debido al batido e incorporación de aire.

El segundo mecanismo está directamente ligado a la incorpo-

ración de polisorbatos y/o mono- y diglicéridos los cuales des-

plazan a la proteína de la superficie del glóbulo graso y crean

una muy delgada membrana alrededor del mismo que es

extremadamente sensible a la acción mecánica (i.e. batido) lo

que permite que a medida que el aire es incorporado, los

glóbulos de grasa parcialmente coalescan y creen una espe-

cie de collar de perlas alrededor de las burbujas de aire para

estabilizarlas. Si el surfactante no desplaza a la proteína, di-

cha estructura no puede ser creada y el helado será de baja

calidad lo que se manifestará en encogimiento durante el

almacenado y muy rápido derretimiento (independientemen-

te del contenido de gomas en la formulación).

El CS es muy resistente a ser desplazado por otros

surfactantes, por lo contrario, la micela de caseína es extrema-

damente sensible a su ataque. La Figura 3 muestra la velocidad

de derretimiento de dos helados hechos en nuestro laboratorio;

el sistema de referencia es la línea verde – helado hecho a base

de leche y crema de vaca con 6% de grasa y con 4% de proteína

info@mundolacteoycarnico.com Mundo Lácteo y Cárnico Enero/Febrero 2006 17

que muestra una pérdida de masa de alrededor del 60%

después de exponerlo 2 horas a temperatura ambiente. La

línea azul es un helado con la misma formulación pero a

base de CS. Se puede observar que después de las 2 horas,

la pérdida de masa es de cerca del 90%. Como se pudo

observar, el comportamiento macroscópico de emulsiones

lácteas es muy complejo. El efecto aislado o combinado de

la composición, el pH, la fuerza iónica, la temperatura y las

altas presiones se deben tomar en cuanto en el diseño de

emulsiones. Lo expuesto en este espacio no representa ni

la punta del iceberg de la ciencia de emulsiones - el desa-

rrollo de dobles o triples emulsiones está en su apogeo y

no muy lejos el de las micro y nano-emulsiones (también

llamadas emulsiones espontáneas). Es imperativo detener-

se y asimilar cómo diferentes variables afectan las caracte-

rísticas físico-químicas y sensoriales de los productos que

elaboramos – así, saldremos adelante.

Bibliografía

- Carrera-Sánchez, C. and Rodríguez-Patino, J.M. 2005. Interfacial,

foaming and emulsifying characteristics of sodium caseinate as

influenced by protein concentration in solution. Food Hydrocoll.

19:407-416.

- Dalgleish, D. G. (1996). Food emulsions. In J. SjoK blom, Emulsions

and emulsion stability (pp. 287-321). New York: Marcel Dekker.

- Dickinson, E. 1994. Colloidal aspects of beverages. Food Chem.

51:343-347.

- Euston, S.R. and R.L. Hirst. 1999. Comparison of the concentration-

dependent emulsifying properties of protein products containing

aggregated and non-aggregated milk protein. Int. Dairy J. 9:693-701.

- Fox, P.F. 2001. Milk proteins as food ingredients. Int. J. Dairy Technol.

54:41-55

Figura 3. Pérdida de masa con respecto al tiempo para helados

hechos con 6% de grasa butírica, 4% de proteína y 35%

sólidos totales y LDP (línea verde) o CS (línea azul).

- McClements, D.J. 2004. Protein stabilized emulsions. Curr. Op.

Coll. In. 9:305–313

- Mulvihill, D. M., & Murphy, P. C. (1991). Surface active and emulsifying

properties of caseins/caseinates as in#uenced by state of aggregation.

Int. Dairy J. 1:13-37.

- Robins, M.M., A.D. Watson, and P.J. Wilde. 2002. Emulsions -

creaming and rheology. Curr. Opin. Colloid In. 7:419-425.

- Vega, C. and Goff, H.D. 2005. Phase separation in soft-serve ice

cream mixes: rheology and microstructure. Int. Dairy J. 15:249-254

- Vega, C., Roos, Y.H. and Goff, H.D. 2006. The effect of casein

molecular conformation in the encapsulation of milk fat within lactose

or trehalose matrices. In preparation for submission to International

Dairy Journal.

- Wilde, P., A. Mackie, F. Husband, P. Gunning, V. Morris. 2004. Proteins

and emulsifiers at liquid interfaces, Adv. Colloid Interface Sci. 108–

09:63– 71.

* El maestro Vega cursa su último año de doctorado en Tecnología deAlimentos en la Universidad Nacional de Irlanda -Cork. Posee ampliaexperiencia en el campo de emulsiones, proteínas lácteas y secado poraspersión de sistemas afines.