Geles alimentarios y biopolimeros

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Geles polisacáridos

Solo unos pocos polisacáridos tienen la habilidad de gelificar a ciertas concentraciones del agente gelificante, usualmente llamada concentración crítica, mientras que otros son usados como espesantes y estabilizantes en diferentes alimentos. La concentración crítica de polisacáridos es relatiamente baja comparada a la de proteínas. Luego de completar la hidratación de los polisacáridos, las hebras del polímero comienzan a interactuar (entrecruzarse) entre ellas para formar zonas de unión. A concentraciones críticas del polímero y a cierto grado de entrecruzamiento, la solución del polímero (dispersión) se transforma en un gel comprendiendo una estructura de redes firme. Varios tipos de zonas de unión se hacen posibles dependiendo del tipo de polisacárido y de las condiciones de formación del gel, especificadas en la Fig. 13.1. Algunos de los polisacáridos forman gel al calentarlos y luego enfriarlos (geles térmicos) mientras que otros forman geles a temperatura ambiente (“en frío”) involucrando ciertos tipos de cationes, ajustes de pH o adición de ciertos cosolutos. Curdlan es un polisacárido único en el sentido de que tiene la habilidad de formar geles por ambos métodos (Nishinari and Zhang, 2004). Los polisacáridos más comunes utilizados como geles se nombran a continuación:

- Agar

El agar consiste en fracciones de agarosa y agaropectina. La formación de la red y gelificación en agar ocurre cuando soluciones calentadas son enfriadas bajo los 40°C. En soluciones calentadas, las moléculas de agarosa existen en la forma de bobinas rígidas que al enfriarse da lugar a geles frágiles y turbios termorreversibles a través del proceso de formación de hélices (singles o dobles) y asociaciones de polímeros.

- Alginato

Los geles de alginato están formados en presencia de cationes divalentes y el tipo de cationes usado determina la fuerza del gel resultante. Entre varios cationes, la gelificación inducida por Ca+2 es la más importante para aplicaciones en alimentos. Los geles de alginato son generalmente estables al calor e irreversibles. Los cationes inician la unión entre las regiones de ácido poligulurónico de polímeros adyacentes donde las conformaciones dobladas en polímeros provee sitios de unión efectiva dan lugar a las llamadas estructuras de caja de huevo. La abilidad de los alginatos de gelificar a temperatura ambiente los hace adecuados para un gran número de aplicaciones alimentarias

- Pectina

La pectina es un polímero que contiene unidades de ácido galacturónico que pueden estar libres o metilesterificadas; el grado de esterificación determina el mecanismo de gelificación. Dependiendo de ese mismo, las pectinas se pueden clasificar en pectina de alto metoxil (HMP con más de 50% de esterificación) y pectina de bajo metoxil (LMP con menos del 50% de esterificación). En las HMP, las cadenas de polímeros de diferentes tamaños son unidas a través de puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas. Este mecanismo de gelificación es promovido por azúcares y condiciones de bajo pH. LMP se asemeja a la del alginato y, por lo tanto, es favorecida por la presencia de iones calcio resultando en estructuras de caja de huevo.

- Almidón

Los gránulos de almidón consisten en dos tipos de polímeros llamados amilosa (cadena linear) y amilopectina (ramificada). Forma un gel compuesto en el que los gránulos se encuentran incorporados en la matriz de amilosa. La gelificación del almidón toma lugar a través de un proceso conocido como gelatinización en la cual los gránulos de almidón (en calentamiento) absorben suficiente cantidad de líquido y se hinchan varias veces su tamaño original. Los gránulos lixivian la fracción de amilopectina que al enfriarse se ordena (como hélices únicas) alrededor del gránulo hinchado. El mecanismo de gelificación varía con la fuente de almidón.

- Carragenina

La carragenina tiene la habilidad de formar geles fuertes a muy bajas concentraciones (cerca de 1% p/p). Entre lo varios tipos de carragenina (k, ι, y λ), sólo k y ι pueden formar geles mienras que la λ-carragenina se utiliza como espesante. Debido a la naturaleza aniónica del polímero cationes, especialmente Ca+2 y K+ son requeridos para reducir la repulsión electrostática entre las cadenas del polímero y los enlaces inducidos. ι-carragenina forma geles suaves en presencia del ión calcio mientras que la k-carragenina forma geles fuertes en presencia de ión potasio. La unión de las cadenas causa un giro en la molécula resultando en una estructura helicoidal, que se asocian en dobles hélices.

- Goma Gellan

Se pueden distinguir dos tipos basándose en la composición química, que es alta y baja en gomas acyl gellan. Alto acil gellan forma geles suaves y elásticos mientras que el bajo forma geles fuertes y quebradizos. La gelificación toma lugar debido a la asociación de doble hélices que es promovida por la presencia de iones.

Geles protéicos

Para entender el mecanismo de gelificación de las proteínas, es necesario entender primeramente la estructura de las macromoléculas de las proteínas. Las proteínas que son de interés especial para la preparación de geles alimentarios son las globulares y fibrilares. Las proteínas globulares tienen forma de bobina con grupos hidrofóbicos apuntando hacia el interior y grupos hidrofílicos expuestos hacia afuera de la molécula. Esta orientación molecular hace a estas proteínas usualmente solubles en agua. En cambio, las potreínas fibrilares usualmente comprenden largas cadenas polipeptídicas corriendo paralelamente unas entre otras, las que están ligadas por puentes disúlfuro (--S-S--). Esta orientación molecular da estabilidad y fuerza a estas proteínas haciéndolas generalmente insolubles en agua. Algunas proteínas (caseína) existen fomra de micelas siendo diferentes de las proteínas globulares y fibrilares.

El proceso de gelificación de las proteínas es relativamente más complejo comparado con el de los polisacáridos. La gelificación requiere de un cierto grado de desnauralización de la estructura proteica para incrementar las interacciones moleculares. Esta desnaturalización parcial puede ser llevada a cabo por diferentes medios como calor, presión, enximas y algunos desnaturalizantes químicos (Nishinari et al., 2000). Una vez que la estructura proteica está abierta, más grupos reactivos están expuestos