Role of chemical and enzymatic modifications of milk proteins on emulsion stability/properties : Approaches for more stable protein emulsions

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-38-8333-1
Title: Role of chemical and enzymatic modifications of milk proteins on emulsion stability/properties : Approaches for more stable protein emulsions
Author: Ma, Hairan
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Division of Microbiology and Biotechnology
VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finland
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: VTT Science 103 - URN:ISSN:2242-119X
Abstract: Milk proteins, sodium caseinate (CN) and whey protein isolate (WPI) are used in food industries as emulsifiers. The stability of an O/W emulsion is dependent on the electrostatic and steric repulsion provided by the interfacial proteins against droplet aggregation or lipid oxidation. Therefore, modifications of the surface charge or the interfacial conformation of protein emulsifiers are expected to enhance their emulsifying properties and emulsion stability. In this present work, sodium caseinate and whey protein isolate were modified by different chemical and enzymatic approaches. The modified proteins were characterized using multiple techniques, and the effect of these modifications on emulsifying properties of proteins and emulsion stability was investigated. Succinylation converts the positively charged amino groups into negatively charged carboxyl groups, lowering the isoelectric point (pI) of protein. The ethylene diamine (EDA) modification worked in the opposite way, leading to an increased pI. The extent of these two modifications was studied using SDS-PAGE and MALDI-TOF mass spectrometry. The pI of succinylated and EDA modified milk proteins was studied using zeta-potential measurement. As a result, the succinylation to full extent altered the pI of CN from 4.2 to 2.7, and the EDA modification shifted the pI of CN and WPI from 4.2 to 9.4 and from 4.9 to 9.5 respectively. The pH stability of emulsion made with the modified milk proteins was monitored by following the increase of particle size during storage. The results suggested that succinylation and EDA modification could enhance the emulsion stability at pH 4 7 by increasing the electrostatic repulsion between droplets. Regarding the enzymatic modification of milk proteins, the laccase and transglutaminase (Tgase) catalyzed cross-linking were applied on WPI and CN respectively. In order to improve the reactivity of WPI towards the laccase, a vanillic acid modification was carried out to incorporate additional methoxyphenol groups into the protein surface. The cross-linking of vanillic acid modified WPI (Van-WPI) by laccase was studied using SDS-PAGE. The extent of cross-linking of Van-WPI was found to be significantly higher compared to the unmodified WPI and the combination of WPI and free phenolic compound as a mediator. The effect of laccase catalyzed cross-linking on storage stability of emulsions was investigated by visual observation and confocal microscopy. The post-emulsification cross-linking was proven to enhance the stability of the emulsions prepared with Van-WPI during the storage. The reduced droplet coalescence could be most likely attributed to an extended interfacial protein layer formed via the interaction between the adsorbed proteins and non-adsorbed proteins in the water phase. In contrast with the limited extent of cross-linking of WPI by laccase, CN was extensively cross-linked by Tgase. The physical stability of emulsions was studied by measuring the increase of particle size during storage, and the oxidative stability was evaluated by following the formation of fatty acid hydroperoxides and volatile compounds in different stages of the lipid oxidation. The pre-emulsification cross-linking showed no obvious influence on the physical stability of CN emulsion but significantly improved its stability against lipid oxidation. The improvement of oxidative stability of emulsions could be contributed to a thicker and denser interfacial protein layer, which thus increases the amount of anti-oxidative groups located at the interface and provides a stronger barrier against competitive adsorption by oil oxidation products.Maitoproteiinivalmisteita, kuten natriumkaseinaattia (CN) ja heraproteiinia (WPI) käytetään elintarviketeollisuudessa emulgaattoreina. Öljy-vesiemulsioiden säilyvyyteen vaikuttavat sekä fysikaaliset tekijät, kuten öljypisaroiden yhdistyminen ja pintaannousu, että kemialliset tekijät kuten rasvan hapettuminen vesiympäristössä. Öljyn ja veden rajapintaa stabiloivat proteiinit vaikuttavat näihin molempiin: sähköiset vuorovaikutukset sekä steeriset tekijät säätelevät öljypisaroiden välistä kontaktia ja aineensiirtoa rajapinnan läpi. Proteiiniemulgaattoreiden konformaation tai varauksen muokkaaminen muuttaa niiden emulgointiominaisuuksia ja voi siten oletettavasti parantaa emulsion säilyvyyttä halutuissa olosuhteissa. Tässä työssä käytettiin useita eri menetelmiä, joilla tutkittiin natriumkaseinaatin ja heraproteiinin entsymaattisen ja kemiallisen muokkauksen vaikutusta niiden emulgaattoriominaisuuksiin. Proteiinien sukkinylaatio eli meripihkahapon liittäminen muuttaa positiivisesti varatut aminoryhmät negatiivisesti varautuneiksi karboksyyliryhmiksi, jolloin proteiinin isoelektrinen piste (pI) alenee. Muokkaaminen etyleenidiamiinilla (EDA) vaikuttaa vastakkaisella tavalla, jolloin pI kohoaa. Proteiinin muokkautuminen osoitettiin käyttäen geelielektroforeesia (SDS-PAGE) ja massaspektrometriaa (MALDI-TOF). Muokattujen maitoproteiinien isoelektriset pisteet (nettovaraus nolla) määritettiin käyttäen zetapotentiaalimittausta, jossa proteiinin nettovaraus määritetään pH:n funktiona. Kaikkien aminoryhmien sukkinyloituminen alensi natriumkaseinaatin isoelektrisen pisteen 4,2:sta 2,7:ään. EDAlla muokkaaminen puolestaan nosti natriumkaseinaatin ja heraproteiinin isoelektrisen pisteen 4,9:stä 9,5:een. Muokatuilla proteiineilla stabiloitujen emulsioiden säilytyksen aikana tapahtuvia muutoksia seurattiin emulsioiden pisarakokoa mittaamalla. Tulosten mukaan sukkinylaatio ja EDA-käsittely voivat lisätä emulsion pysyvyyttä pH-alueella 4-7, mikä johtuu pisaroiden välisen sähköisen hylkimisen voimistumista proteiinin varauksen kasvaessa tällä pH-alueella. Maitoproteiinien entsymaattista ristisilloitusta tutkittiin käyttämällä lakkaasia heraproteiinin ja transglutaminaasia natriumkaseinaatin muokkaukseen. Heraproteiini on sellaisenaan lakkaasille huono substraatti, joten reaktiivisuuden lisäämiseksi proteiinia käsiteltiin vanilliinihapolla. Käsittely lisää metoksifenoliryhmiä proteiinin pinnalle. Vanilliinihapolla muokatun heraproteiinin (Van-WPI) ristisilloittumista seurattiin geelielektroforeesilla. Lakkaasin havaittiin ristisilloittavan Van-WPI:tä selvästi tehokkaammin kuin muokkaamatonta heraproteiinia sellaisenaan tai yhdessä vapaan fenolisen mediaattorin kanssa. Muokattujen proteiiniemulsioiden faasimuutoksia arvioitiin silmämääräisesti ja pisaroiden yhdistymistä tutkittiin konfokaalimikroskoopilla. Havaittiin, että Van-WPI-emulsion ristisilloittaminen lakkaasilla paransi emulsion stabiilisuutta varastoinnin aikana. Pisaroiden yhdistyminen väheni todennäköisesti johtuen rajapintakerroksen vahvistumisesta seerumissa olevan vapaan proteiinin kiinnittyessä pisaroiden pinnalle ristisilloituksen seurauksena. Natriumkaseinaatti ristisilloittui transglutaminaasilla huomattavasti tehokkaammin kuin heraproteiini lakkaasilla. Kaseinaattiemulsioiden fysikaalista stabiilisuutta tutkittiin mittaamalla pisarakoon muutoksia, ja öljyn hapettumista seurattiiin määrittämällä rasvahappohydroperoksidien ja haihtuvien yhdisteiden muodostumista säilytyksen aikana. Proteiinin ristisilloituksen ei havaittu vaikuttavan natriumkaseinaattiemulsion fysikaaliseen stabiilisuuteen, mutta se vähensi merkittävästi emulgoidun rasvan hapettumista. Hapettumisen hidastuminen saattaa selittyä rajapintakerroksen muutoksilla, esimerkiksi kerrospaksuuden kasvulla tai kerroksen tiiviimmällä rakenteella, jotka vaikuttavat kontaktiin vesi- ja öljyfaasin komponenttien välillä.
URI: URN:ISBN:978-951-38-8333-1
http://hdl.handle.net/10138/156304
Date: 2015-09-11
Subject: biotekniikka (biotechnology)
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
S103.pdf 7.593Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record