Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/19699

TitleDevelopment of integrated food processing technologies based on the application of electric fields: effects on denaturation of milk proteins
Author(s)Pereira, Ricardo
Advisor(s)Vicente, A. A.
Teixeira, J. A.
Issue date25-Nov-2011
Abstract(s)There is a growing interest in using novel and emergent technologies for food processing where a quality improvement or economic benefit can be achieved. The promise of rapid and volumetric heating has called the attention of food industry for the potential use of ohmic heating (OH) in food preservation. OH, also called Joule heating or electrical resistance heating is one of the earliest applications of electricity in food pasteurization and works on the principle that most food products have the ability to resist to the passage of an electrical current, allowing the generation of internal heat. This technology offers great potential to reduce the over-processing of high-protein liquid foods products, such as milk or protein solutions. Although published research on OH technology has gained a considerable momentum during the last 20 years, many opportunities still exist for contributing to the body of knowledge and to the understanding of the effects that OH and its electrical fields may have on food properties. Information concerning the effects of this technology on thermo-labile food components, such as the case of whey proteins, which are more susceptible to denaturation processes, is still scarce. Whey proteins have gained much interest once they perform important functional roles in a wide range of foods and nutraceuticals, as well as in biological systems. Moreover, it is known that in the case of whey protein-rich products thermal processing, controlled and uniform heating may contribute to changes of protein functionality. Given the molecular structure of whey proteins it is expectable that OH, as a direct method of heat transfer, will influence their physicochemical properties. In this context, the main purpose of this Thesis is to provide insight about the effects of OH on denaturation mechanisms of whey proteins, which are undoubtedly one of the most affected by heat. In particular, the research undertaken was directed towards the following objectives: (1) determining the effects of OH technology on denaturation kinetics and thermodynamic properties of whey proteins dispersions; (2) studying the influence of moderate electric fields on thermal aggregation of whey proteins; (3) evaluating the influence of different aggregation patterns on the manufacture of whey derived products, such as whey protein gels and edible films; and finally (4) studying influence of OH technology on aggregation milk casein micelles. The work performed allowed to conclude that OH led to a lower values of n and k (p < 0.05) in the temperature range of 80 to 90 ºC, when compared to those from indirect heating under equivalent heating rates and holding times. Furthermore, OH combined with short come-uptimes have reduced considerably the denaturation of proteins during early stages of heating (more 30 % of native soluble protein than indirect heating) and have determined also considerable changes in calculated thermodynamic parameters, such as enthalpy of activation (ΔH#), entropy of activation (ΔS#) and free energy of activation (ΔG#). In general, denaturation reactions during OH were less dependent on temperature increase presenting higher values of ΔG# in the range of temperatures studied. Concerning aggregation studies, results showed that whey protein aggregation (confirmed by native polyacrylamide gel electrophoresis and measured by dynamic light scattering in terms of aggregate size) was found to decrease with the increase of electric field applied during OH; a maximum increase in whey protein aggregation of 45 nm was observed for treatments at 18 V/cm, while treatments at 4 V/cm and 0 V/cm (conventional heating) produced a maximum increase of 70 nm and 75 nm, respectively. Edible films prepared from ohmic heated film forming solutions present a decrease of water vapor permeability of 10 % when compared with films produced through conventional heating. Furthermore, Fourier Transform Infrared analysis allowed to conclude that OH led to changes on the relative amounts of protein secondary structures of the film network by increasing the contents of β-sheet structures. Through dynamic oscillatory strain stress tests performed in the linear viscoelastic region it was possible to confirm that whey proteins treated by OH acted as a thickening agent but did not behave as a gelling agent, once true gels were not produced upon heating. Finally, results clearly showed that OH produced smaller changes in casein micelle size when compared with indirect heating: milk samples treated ohmically presented a maximum increase in casein micelle size of 16 nm, while indirect heating produced a maximum increase of 35 nm. OH technology brings a new paradigm for the thermal processing of rich whey protein foods, such as milk and its derived products. It has been demonstrated that in a worst case scenario OH is still less aggressive than indirect heating, determining reduced whey protein denaturation levels. Furthermore, OH offers the potential to change the functional and technological properties of whey proteins, by changing their degree of denaturation. The presence of moderate electric fields during heating influenced the mechanisms of whey proteins interactions by reducing the amplitude of protein aggregation. Therefore, an accurate selection of the OH process variables may allow controlling the size of protein nanoparticles. These findings could open novel perspectives on the use of OH not only in food and bioprocessing applications, but also in the pharmaceutical area.
O AO é também vulgarmente denominado por efeito Joule, ou aquecimento por resistência eléctrica, e foi uma das primeiras aplicações da electricidade na pasteurização do leite. O seu modo de funcionamento resulta do princípio de que a maioria dos produtos alimentares tem a capacidade de resistir à passagem de corrente eléctrica alternada, o que determina a geração ou dissipação de energia interna sob a forma de calor. Devido à transferência directa de calor e ausência de superfícies quentes, esta tecnologia reúne o potencial necessário para reduzir eventuais abusos de temperatura e sobreaquecimento de produtos líquidos com elevado teor de proteínas, como é o caso do leite bovino, por exemplo. Actualmente, devido ao desenvolvimento de processos de separação, é possível obter ingredientes alimentares com alto teor proteico e de alto valor acrescentado a partir do soro de leite. Devido ao seu elevado valor nutricional e funcional, as proteínas do soro podem ser usadas como ingredientes numa grande variedade de aplicações, quer na indústria alimentar como farmacêutica, ou mesmo utilizadas em diversos sistemas biológicos. No entanto, dependendo sempre do tempo, temperatura e método de aquecimento (directo ou indirecto) escolhido, o processamento térmico de produtos com alto teor proteico pode contribuir de forma significativa para alteração das propriedades estruturais e funcionais das proteínas. Tendo em conta a estrutura molecular das proteínas do soro é expectável que o AO, considerado um método rápido, uniforme e directo de aquecimento, possa determinar alterações importantes ao nível das propriedades físicas e químicas de concentrados ou isolados de proteínas. Neste contexto, o principal objectivo desta Tese consiste em avaliar os efeitos da tecnologia de AO nos mecanismos de desnaturação das principais proteínas do soro de leite bovino. Em particular, pretende-se com este trabalho: (1) determinar cinéticas de desnaturação e propriedades termodinâmicas de isolados de proteínas de soro; (2) avaliar a influência do AO e dos campos eléctricos moderados na agregação das proteínas de soro durante processamento térmico; (3) avaliar a influência do fenómeno de agregação em produtos derivados das proteínas do soro, como por exemplo os géis e filmes edíveis de proteínas; (4) e por último, estudar os efeitos da tecnologia de AO na agregação das micelas de caseína no leite bovino. De acordo com os resultados obtidos, o AQ quando comparado com o aquecimento indirecto (convencional) realizado em idênticas condições térmicas (taxa de aquecimento, temperatura e tempo de processamento) determinou uma menor desnaturação das proteínas do soro, no intervalo de temperaturas entre os 80 e 90 ºC. Esta menor desnaturação traduziu-se por menores valores de ordem (n) e constante (k) das reacções de desnaturação. Em particular, foi possível verificar que as reacções de desnaturação durante AO dependeram menos do aumento da temperatura, em comparação com o tratamento convencional, apresentando valores mais elevados de energia livre de activação (ΔG#) no intervalo de temperaturas estudado. O aumento da intensidade do campo eléctrico durante a aplicação do AO promoveu ainda uma diminuição na agregação das proteínas do soro; um aumento máximo de 45 nm no diâmetro dos agregados foi observado a tratamentos de 18 V/cm, enquanto tratamentos de 4 V/cm e de 0 V/cm (tratamento convencional), produziram aumentos máximos de 70 nm e 75 nm, respectivamente. Os filmes edíveis de proteínas de soro, que foram preparados a partir do AO, apresentaram um decréscimo de 10 % nos valores de permeabilidade ao vapor de água, em comparação com os filmes edíveis produzidos a partir do aquecimento convencional. O AO promoveu ainda alterações ao nível da distribuição das estruturas secundárias das proteínas na matriz dos filmes; filmes produzidos a partir da aplicação de AO apresentaram uma maior percentagem de folhas-β. Através de estudos dinâmicos de reologia no regime oscilatório na zona de viscoelasticidade linear, foi possível confirmar que o AO não promoveu a formação de géis elásticos “verdadeiros”. As proteínas de soro quando foram submetidas a tratamentos térmicos por AO funcionaram como agente espessante e não como agente gelificante, ao contrário do que foi possível verificar como consequência do aquecimento convencional. No que diz respeito ao leite, o AO produziu uma menor alteração no tamanho médio das micelas de caseína; as amostras de leite tratadas por AO apresentaram um aumento máximo de diâmetro de 16 nm, enquanto o aquecimento convencional determinou um aumento máximo de 35 nm. A utilização da tecnologia de AO abre um novo paradigma no processamento térmico de produtos com alto teor de proteínas. O AO contribui para alterações importantes nas propriedades nutricionais, funcionais e tecnológicas das proteínas do soro. A selecção criteriosa de todas as variáveis durante o AO poderá permitir o controlo do tamanho de nano-partículas de proteínas. Estes resultados abrem assim novas perspectivas para a utilização do AO não só na área alimentar, mas também para aplicações nas áreas de bioprocessos e farmacêutica.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de doutoramento em Engenharia Química e Biológica
URIhttp://hdl.handle.net/1822/19699
AccessRestricted access (UMinho)
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
CEB - Teses de Doutoramento / PhD Theses

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