Propiedades ópticas, comportamiento de flujo y dureza de geles basados en nanoemulsión

Introducción

Durante los últimos años, el mundo ha experimentado un aumento de la población mayor a 60 años. Tal es así que se espera que este grupo etario tenga un crecimiento del 22 % para el año 2050 (Organización Mundial de la Salud, 2021), lo que corresponde a 2.100 millones de habitantes. Esta situación conlleva a cambios relacionados con la calidad de vida y la aparición de enfermedades asociadas al envejecimiento, como la disfagia (Wirth et al., 2016), la cual puede disminuir la eficiencia de la deglución, provocando un mayor riesgo de neumonía por aspiración y asfixia (Barrón-Pavón et al., 2020). Además, las personas mayores tienen con frecuencia una mala dentadura o utilizan prótesis dentales, lo que disminuye su rendimiento masticatorio (Bayram et al., 2021). Por lo tanto, es fundamental que el diseño de alimentos para este grupo de la población considere los cambios fisiológicos bucales que ocurren durante el envejecimiento, con el fin de obtener una alimentación segura y satisfactoria.

Desde el punto de vista tecnológico, se han planteado diversas estrategias para el diseño de alimentos destinados a las personas mayores, como el desarrollo de alimentos con textura modificada (ATM), los cuales presentan una textura suave y húmeda y, además, son fáciles de masticar y tragar, provocando que el proceso de deglución sea más lento, seguro y eficiente (Munialo et al., 2020). Dentro de los ATM, los geles basados en nanoemulsión (del tipo gel débil) tienen un gran potencial (Fontes-Candia et al., 2020), ya que presentan una estructura semisólida flexible que contiene una gran cantidad de líquido en los espacios intersticiales de las cadenas poliméricas (Wanasingha et al., 2021). De esta forma, estas matrices alimentarias se distinguen por tener un alto contenido de humedad y una textura suave, sin ser muy adhesiva (León et al., 2018), características adecuadas para las necesidades deglutorias de las personas mayores.

Diversas investigaciones se han llevado a cabo respecto a la obtención de geles basados en emulsiones (Farjami y Madadlou, 2019; Lu et al., 2019; Lin et al., 2020; Wan et al., 2023), donde la mayoría se ha enfocado en el desarrollo de geles utilizando nuevas fuentes de agentes gelificantes, especialmente polisacáridos, como la semilla de Artemisia sphaerocephala (Yue et al., 2022), la semilla de Plantago ovata (Zhou et al., 2022), entre otros.

Otras fuentes de proteínas han sido estudiadas para garantizar una mayor sostenibilidad medioambiental, especialmente aquellas de origen vegetal (Fasolin et al., 2019). Sin embargo, presentan deficiencias en sus propiedades gelificantes debido a las diferencias en su composición aminoacídica, estructura secundaria e interacciones moleculares en comparación con su contraparte de origen animal (Gómez-Mascaraque y Pinho, 2021). Por esta razón, es necesario estudiar el uso de mezclas proteínas-polisacáridos como agentes gelificantes con el fin de mejorar sus propiedades funcionales y, con ello, permitir el desarrollo de geles proteicos suaves y de fácil deglución para las personas mayores.

Estudios previos de nuestro grupo de investigación han demostrado que las propiedades físicas de los geles basados en nanoemulsión se pueden modular de acuerdo al tipo y la concentración de hidrocoloides (Riquelme et al., 2023). También, Lin et al. (2021) han utilizado mezclas alginato/proteína de lactosuero (APL) y proteína de soja (APS) para la elaboración de geles basados en emulsión con licopeno, encontrando que la adición de APL promovió la formación de interacciones moleculares más fuertes con el alginato en comparación con el APS. Además, los geles con alginato/APL presentaron un mayor módulo de Young, lo que retrasó la liberación del licopeno durante el proceso de digestión in vitro. Por otro lado, Ma et al. (2022) obtuvieron geles basados en emulsión con alicina utilizando una mezcla de proteína de soja y goma arábiga, estudiando el efecto de un pre-tratamiento por ultrasonido. Los autores revelaron que el ultrasonido mejoró significativamente la capacidad de retención de agua, la dureza, la viscosidad y el módulo de Young de los geles debido a la formación de una estructura de red más homogénea y densa. Por lo tanto, estos estudios indican que se pueden obtener geles con diferentes propiedades físicas (reológicas y de textura), dependiendo de la mezcla de hidrocoloides utilizada, lo cual puede ser útil para el desarrollo de alimentos con textura modificada.

En este contexto, el presente trabajo tuvo como objetivo desarrollar geles basados en nanoemulsión utilizando mezclas de hidrocoloides (proteínas: de lactosuero y soja, y polisacáridos: agar y k-carragenina), evaluando su color, viscosidad aparente y fuerza de gel con el fin de obtener matrices alimentarias que sirvan para mitigar los problemas deglutorios de las personas mayores.

Materiales y Métodos

Materias primas

Los geles basados en nanoemulsión se prepararon con: aceite de canola (Belmont, Watts S.A., Chile) como fase lipídica; y lecitina de soja (Metarin-P Cargill, Blumos S.A., Chile), almidón modificado (Capsul®, Ingredion, EE.UU.) y polisorbato 80 de grado alimentario (P1754, Sigma-Aldrich®, EE.UU.) como emulsificantes; agua purificada, obtenida de un sistema de filtración por osmosis inversa (Vigaflow S.A., Chile), como fase acuosa; y aislado de proteínas de lactosuero-APL (88 % b.s., Provon 292, Blumos, Chile), aislado de proteína de soja-APS (90 % b.s., Angelini Organics SPA, Chile), agar (Tractor Bean, Chile) y k-carragenina (Sabores y Fragancias Comercial Ltda., Chile) como agentes gelificantes.

Elaboración de los geles basados en nanoemulsión

Preparación de nanoemulsión base

La nanoemulsión (NE) base se preparó siguiendo las siguientes etapas: i) primero, se dispersaron los emulsificantes (0,5 % p/p polisorbato 80,1 % p/p Capsul® y 6,5 % p/p lecitina de soja) en agua purificada (82 % p/p) mediante agitación magnética (MS-H280-Pro, DLAB, China) a 500 rpm durante 60 min. ii) Luego, se preparó una pre-emulsión dispersando la fase lipídica (10 % p/p aceite de canola) en la fase acuosa mediante una homogeneización de alta velocidad (Ultraturrax T25D, IKA, Alemania) a 12.000 rpm por 30 min. iii) Finalmente, para disminuir el tamaño de gota y obtener la nanoemulsión base, la pre-emulsión se sometió a un proceso de homogeneización por altas presiones (J04010078, SPX, Dinamarca), aplicando una presión igual a 700 bar durante 5 ciclos.

La NE base presentó un tamaño de gota igual a 194 ± 3 nm y un índice de polidispersión de 0,13 ± 0,04, valores que fueron determinados a través de un equipo de Dispersión Dinámica de la Luz (Zetasizer, NanoS90, Malvern Instruments, Reino Unido). Además, se evaluó la estabilidad física de la NE base durante el almacenamiento (35 días a 5 ℃), mediante el índice de cremado (IC) (McClements, 2015), obteniendo valores igual a 3,8 ± 0,18 % después de 35 días de almacenamiento, lo que indicó una buena estabilidad física de la NE base.

Preparación de geles basados en nanoemulsión

Los geles basados en nanoemulsión se prepararon con una mezcla de hidrocoloides como agentes gelificantes (proteínas: aislado del lactosuero-APL y aislado de proteína de soja-APS y polisacáridos: k-carragenina-CAR y agar-AG), la cual se adicionó a la NE base. La nomenclatura y formulación de las muestras se presentan en la Tabla 1.

Los aislados proteicos (APL y APS) se dispersaron en la NE base mediante agitación magnética (600 rpm, 120 min), y se almacenaron a 4 ± 1 ℃ por 24 h para una completa hidratación de las proteínas. Una vez finalizado el tiempo en refrigeración, se adicionaron los polisacáridos (0,75 % p/p de agar o k-carragenina) a la NE con proteínas y se sometieron a un proceso térmico (90 ℃ por 30 min) con agitación mecánica (50 rpm) en un baño termorregulado (WB14, Memmert, Alemania). El sol (pre-gel) obtenido se enfrió a temperatura ambiente (25 ℃) en recipientes de plástico cerrados y se almacenaron en refrigeración a 4 ± 1 ℃ por 24 h para su posterior caracterización. Cabe destacar que se prepararon al menos dos lotes de cada gel basado en nanoemulsión para su posterior caracterización.

Caracterización de los geles basados en nanoemulsión

Propiedades ópticas

Las propiedades ópticas de los geles se determinaron mediante un colorímetro (MiniScan XE Plus, HunterLab, EE.UU.), donde se obtuvieron los parámetros del espacio de color CIELab. Antes de comenzar las mediciones, el colorímetro se calibró utilizando un fondo blanco y negro. Luego, se añadieron 25 g de cada muestra en placas Petri transparentes cubriendo toda la superficie de la placa de forma uniforme. Se obtuvieron los valores de los parámetros L* (claridad), a* (componente rojo-verde) y b* (componente azul-amarillo), y se calculó el índice de blancura (IB) utilizando la Ecuación 1 propuesta por Ullah et al. (2018).

Comportamiento de flujo

Las propiedades reológicas de los geles se caracterizaron en un reómetro rotacional (Rheolab QC, Anton Paar, Austria), equipado con una geometría de cilindros concéntricos (CC27, Anton Paar, Austria). Para ello, las muestras (~12 g) se cargaron en la geometría de medición y se dejaron reposar durante 10 min para estabilizar su estructura y alcanzar la temperatura del ensayo (37 ℃). Se realizaron dos ensayos: (i) la curva de viscosidad a una velocidad de cizalla creciente (1-100 s^-1) durante 60 s a 37 ℃, desde donde se obtuvieron los valores de viscosidad aparente a distintas velocidades de cizalla (10, 50 y 100 s^-1); y (ii) el ensayo de destrucción estructural al registrar la caída de la viscosidad durante 60 s a una velocidad de cizalla constante de 50 s^-1. Se eligió esta velocidad de cizalla ya que se correlaciona con la cizalla en boca (He et al., 2016; Laguna et al., 2020). Las curvas de la caída de la viscosidad se ajustaron a un modelo de segundo orden planteado por Nguyen et al. (1998) (Ecuación 2), con el propósito de determinar la cinética de destrucción estructural de los geles.

Donde η₀ es la viscosidad aparente al t = 0, η_e es la viscosidad aparente en el equilibrio t→∞, k es la constante de velocidad de destrucción estructural y t es el tiempo de cizallamiento.

Fuerza de gel

Para determinar la dureza de los geles se aplicó un análisis de compresión utilizando un texturómetro (Z0.5, Zwick, Alemania). Este análisis consiste en la compresión perpendicular de la muestra hasta un 20 % de su altura original, obteniéndose una curva de fuerza de compresión en el tiempo a partir de la cual se determinó el parámetro dureza (fuerza de gel/área). Para ello, se utilizó una sonda de 5 cm de diámetro y una velocidad de 0,1 mm/s. Cabe destacar que todos los geles tenían la misma forma cilíndrica (3,6 cm de diámetro y 1,25 cm de altura) antes de la compresión.

Análisis estadístico

Los datos obtenidos se analizaron mediante un análisis de varianza (ANOVA) de dos factores (tipo de polisacárido y tipo de proteína) y un post-test de Tukey (α = 0,05) con el fin de determinar las diferencias significativas existentes entre las muestras para los diferentes parámetros evaluados, utilizando el programa XLSTAT (Lumivero, 2023).

Resultados y Discusión

Propiedades ópticas de los geles basados en nanoemulsión

Las propiedades ópticas de los geles pueden proporcionar información útil sobre la microestructura y la disposición de las gotas de aceite en la estructura del gel (Li et al., 2021). Primero, se determinaron los parámetros CIELab y el índice de blancura (IB) de los diferentes agentes gelificantes estudiados (en polvo) (Tabla 2), observándose diferencias significativas (p < 0,05) según el tipo de proteína, donde el APS presentó un color intrínseco más amarillo que el APL. Respecto a los polisacáridos, también se observaron diferencias (p < 0,05) en los parámetros L*, a* y b*; sin embargo, tanto CAR como AG presentaron valores similares de IB, indicando una coloración menos blanquecina.

Respecto a los geles basados en nanoemulsiones, se observaron diferencias significativas (p < 0,05) en los parámetros de color (L*, a* y b*) debido principalmente al tipo de proteína (Tabla 2). Los valores del parámetro L* fueron significativamente (p < 0,05) más altos en los geles elaborados con APS que en aquellos que contenían APL, lo cual fue independiente del tipo de polisacárido (Tabla 2). Este comportamiento puede responder a las diferencias estructurales que presentan los geles elaborados con ambas proteínas. Según Alves y Tavares (2019), las proteínas presentes en el APS (especialmente la glicinina) tienen la capacidad de formar agregados densos e insolubles durante la formación del gel, los cuales podrían provocar la formación de una estructura compacta que presente una mayor reflectancia de la luz y, por lo tanto, una mayor claridad del gel (Li et al., 2021). En cambio, los geles elaborados con APL se caracterizan por poseer una estructura de red más ordenada debido a la formación de filamentos y estructuras lineales unidas por enlaces disulfuro (Khalesi et al., 2021), que podrían reflectar menos luz (Chantrapornchai y McClements, 2002).

Respecto a los parámetros a* y b*, también se observaron diferencias significativas (p < 0,05) entre las muestras según el tipo de proteína (Tabla 2), donde los geles con APL presentaron los valores más altos de a* y b*, independiente del tipo de polisacárido, lo que indicó una coloración más amarillenta-beige (Figura 1). Esto se puede atribuir a un pardeamiento del gel durante el tratamiento térmico debido a la reacción de Maillard entre la lactosa residual y los aminoácidos con grupo amino del aislado de proteína de suero (Wang et al., 2020). Finalmente, se obtuvieron diferencias significativas (p < 0,05) en los valores del índice de blancura (IB), según el tipo de proteína (Tabla 2). Los geles elaborados con APL presentaron los valores más bajos de IB; en cambio, los geles con APS presentaron valores significativamente mayores en este parámetro, lo cual está de acuerdo con lo observado en la Figura 1.

Finalmente, el color de las matrices alimentarias es de suma importancia para el desarrollo de alimentos aceptados sensorialmente, ya que los geles blanquecinos permiten la adición de una amplia gama de aditivos alimentarios (colorantes y saborizantes), con el fin de mejorar su calidad sensorial y aceptación por las personas mayores (Aguilera y Park, 2016).

Comportamiento de flujo

La Figura 2 muestra las curvas de viscosidad aparente versus la velocidad de cizalla, donde se puede observar una disminución de los valores de viscosidad al aumentar la velocidad de cizalla en todos los geles, indicando un comportamiento No-Newtoniano del tipo pseudoplástico (Cui et al., 2022). Este comportamiento puede deberse a que el cizallamiento provoca la destrucción parcial de la estructura del gel, reduciendo su resistencia al flujo y, por lo tanto, su viscosidad aparente (Ikeda y Foegeding, 1999; Liang et al., 2020). Este tipo de comportamiento es ideal para el desarrollo de alimentos de fácil deglución ya que estos alimentos son más seguros y fáciles de tragar en comparación con los de comportamiento Newtoniano, los cuales al ser más fluidos representan un mayor riesgo de aspiración durante su consumo por personas con problemas de deglución (Torrez-Ortiz et al., 2022).

Con el fin de comparar las muestras se determinó la viscosidad aparente a diferentes velocidades de cizalla (10, 50 y 100 s^-1), donde se observaron diferencias significativas (p < 0,05) entre las muestras, según el tipo de proteína y polisacárido (Tabla 3). De forma general, los geles elaborados con APL presentaron valores de viscosidad aparente más altos que aquellos con APS, a todas las velocidades de cizalla estudiadas. Este resultado indicaría que el APL presenta interacciones proteína-proteína más fuertes que el APS (Lin et al., 2021), lo que aumenta la resistencia a fluir de los geles. Las interacciones moleculares del APL se deben a la presencia del grupo tiol libre (-SH) en su composición aminoacídica, lo cual facilita la agregación y gelificación de las proteínas desnaturalizadas (Zhang et al., 2023). En cambio, el APS presenta interacciones proteína-proteína débiles debido a la ausencia de aminoácidos azufrados en su composición (Qin et al., 2022).

De igual forma, los geles que contenían AG presentaron una viscosidad aparente mayor que los con CAR, para todas las velocidades de cizalla estudiadas (Tabla 3). Esto se puede deber a que el AG, al enfriarse, tiende a formar geles rígidos y fuertes debido a su estructura molecular (β-1,3-ligado-D-galactosa y α-1,4-ligado 3,6-anhidro-L-galactosa) (Burey et al., 2008), donde las dobles hélices de sus cadenas se comienzan a asociar y agregar durante el enfriamiento dando lugar a estructuras de red más fuertes (Martínez-Sanz et al., 2020). En cambio, la CAR forma geles más fluidos debido a que tiene menos regiones helicoidales, por lo que durante la agitación se pueden generar cadenas poliméricas no gelificadas en la fase continua (agregados), produciéndose geles no tan uniformes y más débiles (Garrec et al., 2013).

También se puede establecer la hipótesis de que existe una sinergia entre los hidrocoloides, ya que los geles APL+AG presentaron los valores más altos de viscosidad aparente a todas las velocidades de cizalla estudiadas (Tabla 3). En este sentido, la presencia de APL+AG pudo haber actuado de forma sinérgica en la formación de la estructura del gel, ya que las moléculas de agua se unen al AG debido a su naturaleza hidrofílica, lo que reduce el contenido de agua en el sistema proteico. De esta forma, aumenta progresivamente la formación de enlaces disulfuro por las interacciones proteína-proteína (especialmente en la proteína de lactosuero), lo cual contribuye a la formación de una red de gel estable y compacta (Li et al., 2023).

Por otro lado, la Figura 3 presenta la caída de la viscosidad aparente al cizallar el gel a 50 s^-1 durante 60 s, como medida del grado de destrucción estructural. En general, se evidenció que los geles presentaron un grado similar de destrucción estructural, observándose cambios menores en los valores de viscosidad aparente durante el tiempo de cizalla (Figura 3). Mezger (2014) ha mencionado que los sistemas coloidales alimentarios, como cremas, dispersiones y geles, presentan cierto grado de destrucción estructural durante el cizallamiento en el tiempo debido a que las moléculas de proteínas y polisacáridos se despliegan y orientan en dirección al flujo, reduciendo su resistencia a fluir, tal como se observó en este trabajo.

Las curvas de viscosidad aparente durante el tiempo se ajustaron a un modelo de destrucción estructural (R²: 0,98-0,99), encontrándose diferencias significativas (p < 0,05) en los parámetros cinéticos ( η₀ viscosidad aparente inicial, η_e viscosidad aparente en el equilibrio y k constante de velocidad de destrucción estructural) entre los geles con diferente composición (Tabla 4). Cabe destacar que la muestra APL-CAR no tuvo un buen ajuste al modelo de destrucción estructural (R² < 0,2), por lo cual no se determinaron sus parámetros cinéticos. Como era de esperar, los geles presentaron diferencias significativas (p < 0,05) en los valores de viscosidad aparente inicial (η₀), lo cual concuerda con los resultados anteriores (Figura 3). Las muestras APL + AG y APS + AG presentaron los mayores valores de η₀, lo cual se puede deber a un sinergismo del agar en la reología de los geles.

Se ha observado que la presencia de algunos polisacáridos (agar, goma gelana y metilcelulosa) provoca modificaciones en la microestructura de los geles mixtos (proteína-polisacárido), formándose estructuras mucho más heterogéneas en comparación con los geles solo de proteínas, lo cual aumenta la fuerza del gel (Ryu y McClements, 2024) y, por lo tanto, su viscosidad aparente inicial. Por otro lado, los geles elaborados con APS presentaron una mayor velocidad de destrucción estructural (k), independiente del tipo de polisacárido. Esto se puede atribuir a la formación de una estructura menos firme en los geles con APS debido a la formación de interacciones más débiles entre las cadenas proteicas (Lin et al., 2021), lo cual generó una destrucción más rápida de su estructura debido al cizallamiento, provocando una leve fluidificación de su estructura en el tiempo. Respecto a la viscosidad en el equilibrio (η_e), se observaron menores valores en los geles con APS, especialmente aquellos con CAR (Tabla 4). No obstante, a pesar de estas diferencias en los parámetros cinéticos, no se observaron grandes cambios en los valores de viscosidad durante el tiempo de cizallamiento en cada gel estudiado, lo cual representa una ventaja para el desarrollo de alimentos para las personas mayores, ya que un efecto muy fluidificante durante el consumo (disminución drástica de la viscosidad) puede aumentar el riesgo de aspiración en pacientes con disfagia (Giura et al., 2021).

Fuerza de gel

Se determinó la fuerza de los geles basados en nanoemulsión a través de un ensayo de compresión, donde el punto máximo de la curva corresponde a la fuerza necesaria para deformar la matriz (Peleg, 2019). En general, se puede observar que el punto máximo de la curva ocurrió aproximadamente a los 20 s del ensayo en todas las muestras (Figura 4). Además, no se observó fracturabilidad en los geles, indicando que estas matrices se pueden considerar geles suaves (Zang et al., 2023).

A partir de la curva de fuerza de gel, se determinaron los valores del parámetro dureza (Figura 5). En primer lugar, se identificó que el tipo de proteína utilizada tuvo un efecto significativo (p < 0,05) sobre la dureza de los geles, donde los geles con APL exhibieron los mayores valores (509-586 N/m²) en comparación con los elaborados con APS (354-363 N/m²) (Figura 5). Tal como se mencionó anteriormente, esta tendencia se puede deber a las diferencias en las interacciones proteicas durante la gelificación de las muestras. En el caso de los geles con APL, predominan las interacciones hidrofóbicas y los enlaces de puente disulfuro, los cuales aumentan la resistencia del gel (Alavi et al., 2018). Mientras que los geles de APS presentan interacciones débiles entre sus cadenas, lo cual reduce la rigidez de la red del gel (Siegwein et al., 2011).

Respecto a lo establecido por la International Dysphagia Diet Standardization Initiative (IDDSI), la dureza obtenida (< 1500 N/m²) (Wada et al., 2017) en todos los geles basados en nanoemulsión corresponde a una textura de un alimento que no requiere masticación, donde la compresión con la lengua es suficiente para romperlo (Cichero, 2019), lo cual facilita su deglución. Por lo tanto, estos geles podrían servir para el desarrollo de alimentos de fácil deglución destinados a las personas mayores.

Conclusiones

En este estudio se obtuvieron geles basados en nanoemulsión a partir del uso de diferentes mezclas de hidrocoloides (aislado de proteína de soja, aislado de proteína de lactosuero, agar y k-carragenina) como agentes gelificantes. Los resultados demostraron que las propiedades físicas de los geles son afectadas por la naturaleza del hidrocoloide y sus interacciones intermoleculares. En relación con las propiedades ópticas, todos los geles presentaron un índice de blancura sobre el 74 %, lo cual podría permitir la adición de colorantes que mejoren su calidad sensorial. Por otro lado, los geles mostraron valores de viscosidad aparente que lo categorizan como un alimento espeso que no requiere masticación. Además, presentaron una leve caída de la viscosidad producto del cizallamiento, lo cual podría disminuir los riesgos por aspiración en las personas mayores. La dureza de los geles es idónea para un consumo seguro, siendo adecuado para las necesidades deglutorias de las personas mayores.

Finalmente, el uso de mezclas de agentes gelificantes permite obtener geles basados en nanoemulsión con características reológicas y texturales adecuadas para una deglución fácil y segura, donde estas características favorecen el desarrollo de postres tipo “flan” adaptados a los requerimientos sensoriales de las personas mayores, lo que podría contribuir a la mejora de su calidad de vida.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID, Ministerio de Ciencia, Tecnología, Conocimiento e Innovación, Chile) por el financiamiento de esta investigación, mediante el proyecto FONDECYT Regular Nº 1231555, dirigido por la Dra. Carla Arancibia. También agradecen a la Vicerrectoría de Investigación, Innovación y Creación (VRIIC, USACH, Chile) por el contrato de investigación USA2155_Dicyt de la Dra. Natalia Riquelme. Por último, se agradece al Dr. Rommy Zúñiga (Universidad Tecnológica Metropolitana) por facilitar el equipo texturómetro para los ensayos de TPA.

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