PROTEÍNAS. MÉTODOS DE DETERMINACIÓN. MÉTODOS DE EVALUACIÓN DE CALIDAD CURSO: ANÁLISIS DE PAI INDICE Consideraciones g
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PROTEÍNAS. MÉTODOS DE DETERMINACIÓN.
MÉTODOS DE EVALUACIÓN DE CALIDAD CURSO: ANÁLISIS DE PAI
INDICE Consideraciones generales Cuantificación de proteínas Determinación de la calidad de las proteínas.
CONSIDERACIONES GENERALES Componentes abundantes en las células. Importantes para funciones biológicas y estructura de las células. Las proteínas están formadas por 20 aminoácidos en configuración L. Los aminoácidos están compuestos por C, H, N, O, S. Los aminoácidos se caracterizan por poseer:
grupo carboxilo (-COOH)
grupo amino (-NH2).
CONSIDERACIONES GENERALES Elemento mas abundante: N (13.4 - 19.1%). Clasificación:
Composición Estructura Función biológica Solubilidad
Presentan conformaciones únicas, pueden cambiar por:
Calor Ácidos Bases Disolventes orgánicos Detergentes
FUENTES DE NITRÓGENO NO PROTEICO Aminoácidos libres Pequeños péptidos Ácidos nucleicos Fosfolípidos Azúcares aminas Porfirina
Algunas vitaminas Alcaloides Ácido úrico Urea Iones de amonio
MACRO COMPONENTES DE LOS ALIMENTOS QUE PUEDEN INTERFERIR CON EL ANÁLISIS DE PROTEÍNAS
Lípidos
Carbohidratos
MÉTODOS DESARROLLADOS PARA MEDIR EL CONTENIDO PROTEICO Fundamentos: Determinaciones de nitrógeno Enlaces peptídicos Ácidos aromáticos Absortividad UV de las proteínas Grupos amino libres Propiedades de dispersión de la luz Capacidad de adhesión de colorantes
IMPORTANCIA DEL ANÁLISIS DE PROTEÍNAS Determinación de actividad biológica. Ejemplo: pectinasas durante la maduración de frutos. Investigación sobre propiedades funcionales. Ejemplo: gliadina y gluteninas para la elaboración del pan. Etiquetado nutricional
NECESIDAD DEL ANÁLISIS DE PROTEÍNAS Contenido proteico total Composición de aminoácidos Contenido de alguna proteína particular en una mezcla Contenido proteico durante el aislamiento y purificación de una proteína Nitrógeno no proteico Valor nutritivo (digestibilidad, balance proteico.
CONTENIDO PROTEICO EN LOS ALIMENTOS
MÉTODOS DE DETERMINACIÓN DE PROTEÍNAS Método
de Kjeldahl Método de Biuret Método de Lowry Método del ácido bicinconínico (bca) Método de absorción UV a 280nm Método de adhesión de colorante Método de Bradford Método de la ninhidrina Método turbidimétrico
MÉTODO KJELDAHL
Fundamento: Proteínas y otros componentes son digeridos con ácido sulfúrico en presencia de catalizadores. Contenido total de nitrógeno orgánico es transformado a sulfato de amonio. El digerido se neutraliza con álcali y se destila sobre una solución de ácido bórico. Aniones borato formados se titulan con ácido valorado, el cuál a su vez se convierte en nitrógeno. Resultado: nitrógeno bruto.
MÉTODO KJELDAHL
Preparación de la muestra:
Triturar la muestra seca y homogenea. Tamizar por una mala de 20 mesh.
Determinación de proteínas en leche. http://www.youtube.com/watch?v=3n2RAKK1xmQ
DIGESTIÓN
Ácido Sulfúrico PROTEÍNA
(NH4)2 SO4
Calor, catalizador
MODIFICACIONES EN LA DIGESTIÓN
Se han añadido catalizadores como: Hg, Cu, Se, Ti al H2SO4 para lograr una digestión completa. Hg es mas satisfactorio. El dióxido de selenio y el sulfato de cobre en proporción 3:1 son muy efectivos en la digestión. El sulfato de potasio se utiliza para aumentar el punto de ebullición del ácido sulfúrico para acelerar la digestión. El sulfuro o tiosulfato de sodio se añaden a la digesta diluida para ayudar a liberar el nitrógeno del Hg el cual tiende a adherir amonio.
REACCIONES DE LA NEUTRALIZACIÓN Y LA DESTILACIÓN
(NH)2SO4+ 2NaOH → 2NH3+Na2SO4+2H2O
NH3+ H3BO3 (ácido bórico)
→
NH4 + H2BO3(ión borato)
REACCIONES DE LA TITULACIÓN
El anión borato (proporcional a la cantidad de nitrógeno) se titula con HCl estandarizado: H2BO3- + H+ → H3BO3
MODIFICACIONES EN LA TITULACIÓN
Se utilizan la colorimetría y la cromatografía iónica para determinar el contenido de nitrógeno posterior a la digestión.
FUNCIÓN DEL BLANCO EN LA DETERMINACIÓN DE PROTEÍNAS
Se debe utilizar un blanco con reactivos para sustraer el nitrógeno reactivo del nitrógeno de la muestra.
CÁLCULOS N HCl = Normalidad del HCl en moles /1000 mL Vol. Ácido corregido = mL de ácido estándar para la muestra) – (mL de ácido estándar para el blanco) 14 = peso atómico del nitrógeno
%N = N HCl X VOLUMEN DE ÁCID CORR. X 14g/Mol N2 X 100 g. DE MUESTRA
FACTOR Se utiliza un factor de conversión de % de N a % de proteína cruda. La mayoría de las proteínas contienen 16% de N El factor de conversión es:
6.25100 16 6.25 % Pr oteina % Nx 6.25 %N % Pr oteina 0.16
FACTOR DE CONVERSIÓN PARA ALGUNOS ALIMENTOS Alimento Huevo o Carne, maíz Leche Trigo Soya Avena
%N2 proteína
Factor
16.0
6.25
15.7 18.0 17.51 17.15
6.38 5.7 5.71 5.83
VENTAJAS DEL MÉTODO DE KJELDAHL Aplicable a todo tipo de alimentos Relativamente simple Barato Preciso Es el método oficial para medir el contenido de proteína cruda
DESVENTAJAS DEL MÉTODO DE KJELDAHL
Mide el nitrógeno orgánico total, no sólo el nitrógeno protéico Consume mucho tiempo (al menos 2 horas para completarse) Precisión más pobre que el método de biuret Usa reactivos corrosivos
OTROS MÉTODOS
http://www.youtube.com/watch?v=xubq3xOssWU
DETERMINACIÓN DE PROTEÍNAS POR EL MÉTODO DE BIURET Fundamento
Al formar complejos los iones cúpricos con los enlaces peptídicos de las proteínas se produce un color violeta-morado bajo condiciones alcalinas. La absorbancia del color producido es leído a 540nm. La intensidad del color (absorbancia) es proporcional al contenido protéico de la muestra
PROCEDIMIENTO PARA EL MÉTODO DE BIURET 5 mL de reactivo de biuret se mezcla con 1mL de solución protéica (1-10 mg de proteína/mL). El reactivo incluye sulfato de cobre, NaOH, y tartrato de sodio y potasio el cual se utiliza para estabilizar el ión cobre en la solución alcalina
PROCEDIMIENTO PARA EL MÉTODO DE BIURET
Después de reposo a temperatura ambiente durante 15 a 30 minutos, se lee la absorbancia a 540 nm contra un blanco con sólo reactivo. Si la reacción no es clara debe centrifugarse la muestra previo a la lectura de la absorbancia
PROCEDIMIENTO PARA EL MÉTODO DE BIURET
Se debe elaborar una curva estándar de concentración vs absorbancia utilizando albúmina de suero de bovino (BSA) para comparación con la muestra bajo estudio.
VENTAJAS DEL MÉTODO DE BIURET Menos caro que el método de kjeldahl Rápido (se puede completar en menos de 30 minutos) Es el método más simple de análisis de proteínas No es frecuente encontrar derivaciones de color Pocas substancias no proteicas interfieren con la reacción de biuret No detecta N de fuentes no protéicas o no peptídicas
DESVENTAJAS DEL MÉTODO DE BIURET No es muy sensible comparado con el método de Lowry Requiere de al menos 2 a 4 mg de proteína por prueba Las concentraciones altas de sales de amonio interfieren con la reacción Puede ocurrir opalescencia en la solución final si están presentes altas concentraciones de lípidos o carbohidratos Debe estandarizarse el color mediante cantidades de proteína conocidas
MÉTODO DE LOWRY Fundamento Combina la reacción de biuret con la reducción del reactivo de fenol folin-ciocalteau (ácido fosfomolíbdico-fosfotúngstico) por los residuos de tirosina y triptofano de las proteínas. El color azuloso desarrollado es leído a 750nm (alta sensibilidad para una concentración protéica baja) o a 500nm (alta sensibilidad para una concentración protéica alta)
VENTAJAS DEL MÉTODO DE LOWRY Muy sensible Menos afectado por la turbidez de la muestra Más específico que la mayoría de los otros métodos Relativamente simple Se puede completar en 1 a 1.5 horas
DESVENTAJAS DEL MÉTODO DE LOWRY El color varía con diferentes proteínas (más que el método de biuret) El color no es estrictamente proporcional a la concentración de proteínas La sacarosa, lípidos, buffers fosfato, monosacáridos y hexoaminas interfieren con la reacción Las altas concentraciones de azúcares reductores, sulfato de amonio y compuestos con sulfhidrilo interfieren con la reacción
MÉTODO DEL ÁCIDO BICINCONÍNICO (BCA)
Fundamento
Se basa en el principio de que las proteínas reducen los iones cúpricos a iones cuprosos bajo condiciones alcalinas. Los iones cuprosos reaccionan con el BCA (verdoso) para formar un color morado. El color formado es proporcional al contenido protéico de la muestra
VENTAJAS DEL MÉTODO DEL ÁCIDO BICINCONÍNICO (BCA) Sensibilidad comparable a la del método de Lowry (0.5mg a 10mg) La mezcla en un paso es más fácil que en el método de Lowry El reactivo es más estable que el reactivo de Lowry Las sales de buffer y detergente no iónico no interfieren con la reacción Las concentraciones del medio de reactivos desnaturalizantes no interfieren (guanidina 4mhcl o urea 3m)
DESVENTAJAS DEL MÉTODO DEL ÁCIDO BICINCONÍNICO (BCA) El color no es estable con el tiempo. Se necesita controlar cuidadosamente el tiempo entre el análisis y la lectura en absorbancia. Los azúcares reductores interfieren con la reacción. Altas concentraciones de sulfato de amonio interfieren con la reacción. La respuesta en la absorbancia no es lineal
MÉTODO DE ABSORCIÓN EN ULTRAVIOLETA A 280NM
Fundamento
Las proteínas muestran un fuerte grado de absorción a 280nm en UV, principalmente debido principalmente a los residuos de triptofano y la tirosina de las proteínas.
Concentraciones de estos aminoácidos en las proteínas es constante se puede utilizar la absorbancia a 280 nm para estimar la concentración de proteínas usando la ley de Beer
MÉTODO DE ABSORCIÓN EN ULTRAVIOLETA A 280NM
Fundamento
Cada proteína tiene una composición única de aminoácidos aromáticos, el coeficiente de extinción (E280) o su absortividad molar (Em) deben ser determinados para proteínas individuales para la estimación del contenido protéico
MÉTODO DE ABSORCIÓN EN ULTRAVIOLETA A 280NM Método rápido y relativamente sensible (varias veces más sensible que el método de Biuret) No existe interferencia del sulfato de amonio y otras sales buffer Método no destructivo Utilizado en detección post-columna de las proteínas
DESVENTAJAS DEL MÉTODO DE ABSORCIÓN EN EL UV (280NM) Los ácidos nucléicos también absorben en la región de 280nm El contenido de aminoácidos aromáticos difiere considerablemente en varias proteínas. La solución debe ser clara e incolora. La turbidez puede producir resultados erráticos Se requiere un sistema relativamente puro para utilizar este método
MÉTODOS DE DETERMINACIÓN DE PROTEÍNAS POR ADHESIÓN DE UN
COLORANTE
Adhesión de colorante aniónico Método de Bradford
ADHESIÓN DE COLORANTE ANIÓNICO
Fundamento
La muestra protéica se mezcla con una cantidad excesiva conocida de un colorante aniónico en una solución buffer. Las proteínas se unen al colorante para formar un complejo insoluble. Se mide el colorante no adherido, soluble posterior a la equilibración de la reacción y la remoción del complejo insoluble por centrifugación y filtración. El colorante no adherido está inversamente relacionado al contenido protéico de la muestra
ADHESIÓN DE COLORANTE ANIÓNICO
Proteína + exceso de colorante → Complejo proteínacolorante insoluble + colorante no adherido soluble
COLORANTES UTILIZADOS EN ESTE MÉTODO Ácido sulfónico aniónico Naranja ácido 12 Naranja g Negro amido 10b Unen grupos catiónicos de los residuos básicos de aminoácidos (imidasol de la histidina, guanidina de la arginina y el grupo ε-amino de la lisina) y el grupo libre terminal amino de las proteínas.
VENTAJAS DEL MÉTODO DE ADHESIÓN DE COLORANTE ANIÓNICO
Método rápido (15 minutos o menos) Barato Relativamente exacto para el análisis de proteínas en alimentos Puede utilizarse para estimar los cambios en el contenido de lisina disponible de los cereales durante su procesamiento.
VENTAJAS DEL MÉTODO DE ADHESIÓN DE COLORANTE ANIÓNICO
No utiliza reactivos corrosivos No mide nitrógeno no protéico Más preciso que el método kjeldahl
DESVENTAJAS DEL MÉTODO DE LA ADHESIÓN DEL COLORANTE ANIÓNICO Las proteínas difieren en su contenido de aminoácidos básicos difieren en su capacidad de adhesión del colorante Se necesita elaborar curva de calibración Muchos componentes no protéicos también se pueden adherir al colorante (almidón), metales (Ca o P) y causar errores en los resultados
MÉTODO DE BRADFORD
Fundamento
El azúl brillante G-250 coomassie se adhiere a la proteína, el colorante se torna de rojizo a azulado ye l máximo de absorción del colorante cambia de 465 a 595nm.
El cambio en la absorbancia a 595nm es proporcional a la concentración de proteína en la muestra.
VENTAJAS DEL MÉTODO DE BRADFORD Método rápido (la reacción se puede completar en 2 minutos) Reproducible Sensible (mucho más que el método de lowry) No existe interferencia de cationes como K+, Na+, Y Mg+
VENTAJAS DEL MÉTODO DE BRADFORD No existe interferencia de los polifenoles ni carbohidratos como la sacarosa. Mide proteína o péptidos con una masa molecular aproximadamente igual o mayor de 4 000 daltons.
DESVENTAJAS DEL MÉTODO DE BRADFORD El complejo proteína-colorante formado puede unirse a las celdas de cuarzo El color varía con diferentes tipos de proteínas. La proteína estándar debe seleccionarse con mucho cuidado Interferencia con detergentes.
MÉTODO DE LA NINHIDRINA
Fundamento
Al ser hervidos en un buffer a un ph de 5.5 en presencia de ninhidrina e hidrindantina, los aminoácidos, amoníaco, y los grupos amino primarios, originan un color morado ruhemann
VENTAJA DEL MÉTODO DE LA NINHIDRINA
Método relativamente rápido si se compara con el método de Kjeldahl.
DESVENTAJAS DEL MÉTODO DE LA NINHIDRINA La presencia de pequeñas cantidades de aminoácidos, péptidos, aminas primarias, y amoníaco ocasiona una sobreestimación del contenido protéico Baja precisión El color varía con la diferente composición de aminoácidos Se necesita elaborar una curva estándar en cada análisis
EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE PROTEÍNA
NECESIDADES NUTRICIONALES
Pueden establecerse por la presencia en la dieta de tres componentes: Aminoácidos esenciales)
indispensables
(nutricionalmente
Condicionalmente indispensables Nitrógeno no específico necesario para la síntesis de los aminoácidos dispensables (no esenciales) y otros compuestos nitrogenados de importancia11.
LA CALIDAD NUTRICIONAL DE UNA PROTEÍNA O FUENTE PROTEICA
Capacidad de esa fuente proteica para cubrir los requerimientos de nitrógeno y aminoácidos de un determinado individuo. Medida en que los aminoácidos de la dieta pueden utilizarse para la síntesis proteica
EL MEJORAMIENTO DE LA CALIDAD DE UNA PROTEÍNA
Se logra aplicando el método de la suplementación. Este método consiste en la complementación de diferentes proteínas (mezcla entre proteínas) para potenciar su efecto.
La mejora de proteínas basada en productos de origen vegetal presupone cuatro elementos básicos que se deben combinar entre sí en grupos de a dos o mas.
Estos son: Las legumbres, los cereales, los lácteos vegetales y las frutas secas o semillas.
PROTEÍNAS COMPLEMENTARIAS
Los requerimientos diarios mínimos de proteínas y aminoácidos esenciales se pueden cubrir
Consumiendo completa(s)
cantidades
suficientes
de
proteína(s)
Consumiendo una cantidad suficiente y variada de proteínas incompletas
Combinando proteínas completas con proteínas incompletas
Las proteínas complementarias pueden ser consumidas a lo largo del día
BIODISPONIBIBLIDAD DE PROTEINAS
Proporción de la cantidad total de aminoácidos presentes en la dieta, que pueden ser absorbidos y utilizados metabólicamente. Componentes: digestibilidad, integridad química y ausencia de interferencias metabólicas. Componente mas importante: digestibilidad.
FACTORES QUE AFECTAS BIODISPONIBILIDAD
Presencia de factores antinutricionales naturales (inhibidores de la tripsina, taninos, fitatos, glucosinolatos, etc.) o formados en el almacenamiento o procesado de los alimentos (lisinoalanina, Daminoácidos) pueden afectar la utilización digestiva y metabólica de la proteína y por tanto la biodisponibilidad de los aminoácidos, en algunos casos con reducciones de hasta el 50%.
EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE LAS PROTEÍNAS
Contenido en alimentaria
aminoácidos
de
Digestibilidad
Requerimientos de aminoácidos:
la
proteína
Basados en un patrón estándar de requerimientos de aminoácidos para un grupo de edad determinado
Requerimientos para preescolares de 2- 5 años usados como estándar para toda la población a partir de 1 año de edad.
MÉTODOS DE EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE LAS PROTEÍNAS Ejemplos de metodologías biológicas tradicionales incluyen Valor biológico (BV) Utilización de las proteínas neta (NPU) Coeficiente de eficacia biológica (PER ) La nueva metodología es Puntuación de los aminoácidos de las proteínas corregida según su digestibilidad (PDCAAS)
VALOR BIOLÓGICO
Fracción de nitrógeno absorbido que es retenido por el organismo y esto representa la capacidad máxima de utilización de una proteína.
Una proteína tiene mayor valor biológico, o es de alta calidad, cuando tiene mayor capacidad de brindar nitrógeno al organismo.
COEFICIENTE DE EFICACIA BIOLÓGICA –PER
Método tradicional de evaluación de la calidad de las proteínas en Estados Unidos, PER
Método estándar para la evaluación de la calidad de las proteínas alimentarias en la industria alimentaria
COEFICIENTE DE EFICACIA BIOLÓGICA – PER
Medida de la capacidad de una proteína para mantener el crecimiento de una rata joven en crecimiento, no en seres humanos Las ratas en crecimiento necesitan más aminoácidos que contengan azufre, como la metionina Los aminoácidos con azufre se consideran aminoácidos limitantes en la proteína de soja El usar las necesidades de aminoácidos de las ratas nos lleva a Sobreestimar la calidad de las proteínas de una proteína animal Infravalorar la calidad de las proteínas de una proteína vegetal
PUNTUACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS DE LAS PROTEÍNAS CORREGIDAS SEGÚN LA DIGESTIBILIDAD
-
PDCAAS
Los factores usados en el cálculo del PDCAAS son Contenido de los aminoácidos esenciales de la proteína alimentaria Digestibilidad Capacidad para suministrar los aminoácidos indispensables en cantidad suficiente para cubrir las necesidades humanas Considera los requerimientos de los preescolares de 2 a 5 años– requerimientos de todos los grupos excepto los menores de 2 años
La máxima puntuación posible es 1.0
CÁLCULO DEL PDCAAS o o o o
Análisis del contenido de nitrógeno Cálculo del % proteico (N x 6.25) Análisis del contenido en aminoácidos esenciales (AA) Cálculo de la puntuación de aminoácidos (sin corregir). mg de AA en 1 g de proteína ensayada mg de AA en 1 g según los requerimientos de aminoácidos*
o o
Determinación de la digestibilidad Cálculo del PDCAAS:
PDCAAS = Medida más baja sin corregir del AA x digestibilidad verdadera de la proteína
CÁLCULO
DE LA DIGESTIBILIDAD DE LAS PROTEÍNAS
-
PUNTUACIÓN DE AMINOÁCIDOS CORREGIDA DE LA PROTEÍNA DE SOJA AISLADA Aminoácidos indispensables Histidina Isoleucina Leucina Lisina Metionina y Cisteina† Fenilalanina y Tirosina‡ Treonina Triftófano Valina
Proteína de Digestibilidad* Patrón de soja aislada* (AA X 97%) referencia (mg/g proteína) (mg/g proteína) (mg/g proteína) 26 25.2 19 49 47.5 28 82 79.5 66 63 61.1 58
PDCAAS 1.3 1.7 1.2 1.1
26
25.2
25
1.0
90 38 13 50
87.3 36.9 12.6 48.5
63 1.4 34 1.1 11 1.1 35 1.4 PDCAAS = 1.0
AA = aminoácidos; PDCAAS = digestibilidad proteica-puntuación aminoácidos corregidos. * Calculado en SUPRO® Brand Isolated Soy Protein, Protein Technologies International. † Metionina es un precursor de Cisteina. ‡ Fenilalanina es un precursor de Tirosina.
CÁLCULO DE LA DIGESTIBILIDAD DE LAS PROTEÍNAS - PUNTUACIÓN DE AMINOÁCIDOS CORREGIDA – PDCAAS En 1993 la U.S. Food and Drug Administration (FDA) adoptó el PDCAAS como método estándar para el cálculo de la Ingesta Diaria (%DV) de proteínas que se muestra en el etiquetado de alimentos ya que – •
El PDCAAS está basado en los requerimientos de aminoácidos humanos, haciéndolo más apropiado para la evaluación de la calidad de las proteínas alimentarias consumidos por humanos
•
El PDCAAS es recomendado por la Food and Agricultural Organization/World Health Organization (FAO/OMS), organismo internacional, con experiencia en el establecimiento de tales estándares
FUENTES DE PROTEÍNAS ANIMALES Y VEGETALES Tradicionalmente Las proteínas animales son consideradas como completas debido a su composición en aminoácidos Todas las proteínas de plantas son consideradas incompletas debido a su composición en aminoácidos Actualmente Algunos productos de proteínas de soja y de proteínas animales tienen una composición completa de aminoácidos
CÁLCULO
DE LA DIGESTIBILIDAD PROTEICA -PUNTUACIÓN
DE AMINOÁCIDOS CORREGIDA DE PROTEÍNAS EN DISTINTOS ALIMENTOS
Isolated Soy Protein
1.00*
Casein
1.00†
Egg White
1.00†
Pea Flour
0.69†
Kidney Beans (Canned)
0.68† 0.63†
Pinto Beans (Canned)
0.40†
Whole Wheat 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
PDCAAS * Values for SUPRO® Brand Isolated Soy Protein provided by Protein Technologies International as determined through actual analysis. † Protein Quality Evaluation, Report of the Joint FAO/WHO Expert Consultation. Rome: FAO Food and Nutrition Paper No. 51, 1991.
0.90
1.00
CALIDAD DE LAS PROTEÍNAS - RESUMEN
Los aminoácidos son los bloques formadores de proteínas, que son esenciales para la formación y mantenimiento de los tejidos corporales El cuerpo no puede sintetizar aminoácidos esenciales en cantidades adecuadas para sus necesidades; por lo tanto, necesitamos obtenerlos por la dieta La calidad de las proteínas de los alimentos depende de su digestibilidad y de su capacidad para proveer todos los aminoácidos esenciales necesarios para cubrir los requerimientos humanos
CALIDAD DE LAS PROTEÍNAS - RESUMEN
El PDCAAS es mejor que otros métodos para la evaluación de la calidad de las proteínas alimentarias para humanos La proteína de soja aislada, con un PDCAAS de 1.0, es una proteína completa y tiene la misma puntuación que la proteína de la leche y la de la clara del huevo