Effect of whey protein denaturation on the physicochemical properties of whey-based products

Abstract

A novel approach in the analysis of difference-UV spectrophotometric data was developed for the determination of the extent of heat denaturation of whey proteins. Bovine serum albumin was the first protein to be studied. The same method was subsequently applied in the study of the effect of heat, pH, high power ultrasonication and ethanol on the denaturation of a mixture of whey proteins. Considering the effect of 6M guanidine hydrochloride as that causing maximum unfolding (denaturation) of whey proteins, it was found that the maximum extent of heat denaturation of bovine serum albumin was about 17%, while that of a whey protein isolate was about 40%. The newly developed approach of analysis of difference-UV data was found to be quite sensitive even for time-temperature combinations that differed only slightly. The implementation of this method did not require corrections for light scattering while it allowed thorough kinetic analyses of the denaturation processes. Based on the finding that ethanol causes 80% denaturation of whey protein isolate, double that caused by heating, in a final stage of the present study, the irreversibility of ethanol-induced denaturation of whey protein isolate was assessed by applying different techniques for the removal of ethanol, such as dilution with water as well as oven- or freeze-drying. The aim was to investigate the effect of ethanol, in comparison to heating, on the functional properties of whey proteins, with possible innovative applications. Using differential scanning calorimetry, confocal microscopy and rheological measurements, it was found that ethanol-treated whey proteins retain a considerable degree of their denatured character even after removal of ethanol from the solution (about 34%) and that gels may be formed without heating.

Μια καινοτόμος προσέγγιση στην ανάλυση φασμάτων διαφοράς υπεριώδους ακτινοβολίας αναπτύχθηκε για τον προσδιορισμό του βαθμού της θερμικής μετουσίωσης των πρωτεϊνών του ορού του γάλακτος. Η αλβουμίνη ορού ζωικής προέλευσης ήταν η πρώτη πρωτεΐνη που μελετήθηκε. Η ίδια μέθοδος, στη συνέχεια, εφαρμόστηκε στη μελέτη της επίδρασης της θέρμανσης, του pH, των υπερήχων και της αιθανόλης στη μετουσίωση μίγματος πρωτεϊνών του ορού του γάλακτος. Θεωρώντας τη δράση της υδροχλωρικής γουανιδίνης ως εκείνη που επιφέρει το μέγιστο ξεδίπλωμα (μετουσίωση) των πρωτεϊνών αυτών, βρέθηκε ότι ο μέγιστος βαθμός θερμικής μετουσίωσης της αλβουμίνης ήταν της τάξης του 17%, ενώ εκείνος του μίγματος των πρωτεϊνών του ορού γάλακτος, περίπου 40%. Η νέα αυτή μέθοδος ανάλυσης φασμάτων διαφοράς αποδείχθηκε ότι είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη ακόμα και για συνδυασμούς θερμοκρασίας-χρόνου που διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους. Η εφαρμογή της μεθόδου δεν απαιτεί διορθώσεις για τη σκέδαση του φωτός, ενώ επέτρεψε την πλήρη μελέτη της κινητικής της μετουσίωσης. Με βάση το εύρημα ότι η αιθανόλη προκαλεί 80% μετουσίωση του μίγματος των πρωτεϊνών του ορού γάλακτος, διπλάσιο ποσοστό συγκριτικά με εκείνο της θέρμανσης, σε ένα τελικό στάδιο της παρούσας μελέτης, μελετήθηκε η αντιστρεψιμότητα ή μη της μετουσίωσης που επιφέρει η αιθανόλη, εφαρμόζοντας διάφορες τεχνικές για την απομάκρυνση της αλκοόλης, όπως αραίωση με νερό, ξήρανση σε κλίβανο ή λυοφιλίωση. Στόχος ήταν να μελετηθεί η επίδραση της αιθανόλης στις λειτουργικές ιδιότητες των πρωτεϊνών ορού γάλακτος συγκριτικά με τη θέρμανση για πιθανή παραγωγή καινοτόμων προϊόντων. Με τη χρήση διαφορικής θερμιδομετρίας, συνεστιακής μικροσκοπίας και ρεολογικών μετρήσεων, βρέθηκε ότι οι πρωτεΐνες του ορού γάλακτος, μετά τη δράση της αιθανόλης και την απομάκρυνση αυτής στη συνέχεια, διατηρούν σε σημαντικό βαθμό το μετουσιωμένο χαρακτήρα τους (περίπου 34% διατήρηση) και ότι μπορούν να σχηματιστούν πηκτές απουσία θέρμανσης.