Δημιουργία μικρο- και νανο- σωματιδίων από πρωτεΐνη ορού γάλακτος και αιθανόλη
Creators: name: Χαρίτου Γαρουφαλιά, Ευάγγελου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: νανοσωματίδια
πρωτεΐνες ορού γάλακτος
αιθανόλη
nanoparticles
whey proteins
ethanol

description: Τα ιδιαίτερα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά υλικών στη μικρο- και νανο- κλίμακα μπορούν να επηρεάσουν τη δομή, την υφή, τη διατροφική αξία και την ποιότητα των συστατικών των τροφίμων. Τέτοια υλικά μπορούν να αποτελέσουν πληθώρα βιοπολυμερών, μεταξύ αυτών και οι πρωτεΐνες. Ο ορός γάλακτος αποτελεί παραπροϊόν που λαμβάνεται κατά τη διαδικασία παραγωγής τυριού και καζεΐνης. Περιέχει τις πρωτεΐνες ορού γάλακτος, που είναι κατά κύριο λόγο υδατοδιαλυτές σφαιρικές πρωτεΐνες, υψηλής βιολογικής αξίας και διακρίνονται για τις ιδιαίτερες φυσικοχημικές και λειτουργικές τους ιδιότητες. Οι ιδιότητες αυτές, επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τα φαινόμενα της μετουσίωσης και της συσσωμάτωσης. Έτσι, αλλαγές στη δευτεροταγή δομή των πρωτεϊνών, μπορεί να οδηγήσουν στο σχηματισμό σωματιδίων στη μικρο- και νανο- κλίμακα. Η έκταση της συσσωμάτωσης αλλά και η μορφολογία των σωματιδίων εξαρτώνται ισχυρά από τη συγκέντρωση της πρωτεΐνης, το pH και την ιονική ισχύ. Στη βιβλιογραφία, υπάρχουν πολυάριθμες αναφορές για παρασκευή μικρο- και νανο- σωματιδίων από πρωτεΐνη ορού με θέρμανση, σε ένα πολύ μικρό εύρος pH, ωστόσο δεν υπάρχουν αναφορές για παρασκευή με αιθανόλη. Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε η δυνατότητα της αιθανόλης να χρησιμοποιηθεί ως παράγοντας μετουσίωσης των πρωτεϊνών του ορού γάλακτος για την παρασκευή σωματιδίων στη μικρο- και νανο- κλίμακα. Για να επιτευχθεί αυτό, παρασκευάστηκαν διαλύματα απομονωμένης πρωτεΐνης ορού γάλακτος (WPI) συγκέντρωσης 1% w/w με αιθανόλη σε 4 διαφορετικές συγκεντρώσεις (10, 30, 50, 70% w/w). Ακόμη, μελετήθηκε η επίδραση της μεταβολής του pH και της ιονικής ισχύος των διαλυμάτων, στη συσσωμάτωση των πρωτεϊνών. Το pH ρυθμίστηκε με προσθήκη υδροχλωρικού οξέος (HCl) σταδιακά, ενώ η ιονική ισχύς των διαλυμάτων ρυθμίστηκε με προσθήκη χλωριούχου νατρίου (NaCl) σε δύο συγκεντρώσεις, 50 mM και 150 mM. Τα διαλύματα, αξιολογήθηκαν μακροσκοπικά αλλά και μικροσκοπικά με συνεστιακή μικροσκοπία, μετά από μια μέρα παραμονής στο ράφι, ενώ τα μικρο- και νανο- σωματίδια χαρακτηρίστηκαν ως προς το μέγεθός τους με τη μέθοδο ανάλυσης μεγέθους σωματιδίων με περίθλαση λέιζερ. Η προσθήκη αιθανόλης στις παραπάνω συγκεντρώσεις δεν επέφερε κάποια μακροσκοπική μεταβολή στο πρωτεϊνικό διάλυμα, κάτι που επιβεβαιώθηκε και από τη μελέτη των διαλυμάτων με συνεστιακή μικροσκοπία, όπου δεν παρατηρήθηκε ο σχηματισμός κάποιας δομής. Ωστόσο, ακόμη και μικρές μεταβολές του pH σε κάποιες περιπτώσεις, είχαν σημαντική επίδραση στην πρωτεϊνική δομή. Η επίδραση αυτή διαφοροποιούνταν ανάλογα με τη συγκέντρωση της αιθανόλης στο διάλυμα. Πιο συγκεκριμένα, μόνο στα διαλύματα συγκέντρωσης αιθανόλης 10, 50 και 70% w/w, παρατηρήθηκε σχηματισμός δικτύου μικρο- και νανο- σωματιδίων σε μικρό εύρος τιμών pH γύρω από το 6.0, το 4.0 και το 4.5 αντίστοιχα, ο οποίος συνοδευόταν και από μετατροπή του διαλύματος σε αδιαφανές. Σε τιμές pH όπου παρατηρήθηκε μακροσκοπικά κατακρήμνιση και ίζημα, σχηματίστηκαν συσσωματώματα. Η έκταση της συσσωμάτωσης διαφοροποιήθηκε σημαντικά στις διάφορες τιμές pH και ανάλογα με την συγκέντρωση της αιθανόλης στο διάλυμα. Τέλος, η παρουσία άλατος (ΝaCl) στα πρωτεϊνικά διαλύματα με αιθανόλη, οδήγησε σε έντονη συσσωμάτωση των μορίων, με εξαίρεση το διάλυμα συγκέντρωσης αιθανόλης 10% w/w όπου δεν υπήρξε κάποια επίδραση, αλλά και το διάλυμα συγκέντρωσης αιθανόλης 30% w/w όπου σε συγκέντρωση ΝaCl 50 mM σχηματίστηκε δίκτυο νανοσωματιδίων
description: In order to modulate the structure, texture, nutritional value of foods and improve their quality, micro- and nanoparticles made of food-grade biopolymers, such as proteins, can be employed. Whey is a by-product obtained during the cheese and casein production. Whey proteins are mainly water-soluble spherical proteins of high biological value. Their physicochemical and functional properties are of great interest to the food industry. The properties of whey proteins are greatly influenced by protein denaturation and aggregation. Thus, changes in the protein’s secondary structure may lead to the formation of protein micro- or nanoparticles. The extent to which proteins aggregate and the morphology of the produced particles, strongly depends on protein concentration, the pH and the ionic strength of the environment. Many studies report the production of micro- and nanoparticles from whey proteins by heating the protein solution in a very narrow pH range. However, no reports have been made for micro- or nanoparticles produced with ethanol. The aim of this study was to investigate the ability of ethanol to denature whey proteins in order to produce micro- and nanoparticles. To achieve this, whey protein isolate (WPI) solutions of 1% w/w concentration were prepared, containing ethanol at 4 different concentration levels (10, 30, 50, 70 % w/w). The effect of pH and ionic strength on the protein aggregation was also studied. The pH of the WPI solution was gradually changed by adding hydrochloric acid, while the ionic strength was modified with the addition of sodium chloride (NaCl), at 2 different concentrations, 50 and 150 mM. The solutions were evaluated macroscopically and with confocal microscopy, after 1 day shelf-storage, while the produced particles were characterized in terms of size with the method of particle size analysis based on laser diffraction. The addition of ethanol did not cause any macroscopic changes of the protein solutions, which was also confirmed by studying the microstructure with confocal microscopy, where no formation of structure was observed. However, even small changes in pH had affected the protein structure. This effect varied according to the concentration of ethanol in the solution. More specifically, only in solutions containing 10, 50 and 70% w/w ethanol within a narrow pH range of 5.9-6.1, 3.8-4.0 and 4.3-4.5 following the gradual increase of ethanol concentration, the formation of a micro- and nanoparticle network was observed, which was accompanied by a visible change of the solution that turned from transparent to opaque. At pH values where protein precipitation was observed, aggregates formed. The extent to which aggregation occurred, varied significantly with the pH, and also depended on ethanol concentration. Finally, the presence of NaCl (50 and 150 mM) and ethanol (50 and 70% w/w) led to the formation of protein aggregates. At 10% w/w ethanol concentration, no aggregation was observed and at 30% w/w ethanol concentration, particles were formed only at the presence of NaCl and at a concentration of 50 mM