Study of phase separated food-inks by oral tribology assessment and molecular dynamics modelling

Abstract

The incorporation of dairy products in food is widely used worldwide as a source of important nutrients in human food. It has kept pace with technological development over the years as its consumption increases. Milk proteins and whey proteins, in particular, exhibit high nutritional values, contributing to many functional properties of food formulations. Despite these properties, with the incorporation of these proteins there is a concern related to the perception of astringency, which is roughly characterized by an unpleasant oral sensation (dry mouth), although it is a more complex phenomenon. In this study, we intend to highlight the mechanisms responsible for the oral astringency phenomenon, conducting tribological tests and later experimental validation by atomistic computational simulations (molecular dynamics), to characterize the friction and lubrication behaviour of 3 systems: food (whey proteins), polysaccharides (gellan gum) and mucins. Tribological tests were performed in a ball-on-disk configuration, lubricated by artificial saliva and mucins, subjected to a 1N force. To plan the samples to be tested, to quantify the influence of the studied variables and their correlation on friction and lubrication behaviour, a statistical design tool (DOE) was used. All assays were followed with microscopy techniques (SEM, AFM, CLSM). For simulation, we used molecular dynamics (MD) with the code LAMMPS and the visualization of atomic trajectories with OVITO. MD simulation was used to model the system tribe studied, in order to observe the mechanisms underlying the nanometer scale under conditions equivalent to macroscopic assays. Regarding the results obtained, samples of WPI, GG and mucins produced revealed that it is possible to establish a correlation between the various techniques used. The information obtained from these tools provides relevant data for astringency measurement and subsequently enables the production of foods (dairy products) that may reduce this mouthfeel, in the future.

A incorporação de produtos lacticínios nos alimentos é amplamente utilizada em todo o mundo como fonte de nutrientes importantes na alimentação humana. Esta tem acompanhado ao longo dos anos o desenvolvimento tecnológico, à medida que o seu consumo aumenta. As proteínas do leite e as proteínas do soro de leite, em particular, exibem altos valores nutricionais, contribuindo para muitas propriedades funcionais das formulações alimentares. Apesar destas propriedades, com a incorporação destas proteínas surge uma preocupação relacionada com a perceção de adstringência, a qual se caracteriza, grosso modo, por uma sensação oral desagradável (de boca seca), embora constitua um fenómeno mais complexo. Neste estudo, pretendemos destacar os mecanismos responsáveis pelo fenómeno de adstringência oral, conduzindo testes tribológicos e posteriormente validação experimental por simulações computacionais atomísticas (dinâmica molecular), para caracterizar o comportamento de atrito e lubrificação de 3 sistemas: alimento (proteínas do soro do leite), polissacarídeos (goma de gelana) e mucinas. Os testes tribológicos foram realizados numa configuração bola sobre disco, lubrificados por saliva artificial e mucinas, submetidos a uma força de 1N. Para planear as amostras a serem testadas, quantificar a influência das variáveis estudadas e correlação entre estas, no comportamento ao atrito e lubrificação, foi utilizado uma ferramenta estatística de desenho experimental (DOE). Todos os ensaios foram acompanhados com técnicas de microscopia (SEM, AFM, CLSM). Relativamente à simulação, recorreu-se à dinâmica molecular (MD) com o código LAMMPS e à visualização das trajetórias atómicas com o OVITO. A simulação por MD foi utilizada para modelar o tribo-sistema estudado, de modo a observar os mecanismos subjacentes à escala nanométrica em condições equivalentes aos ensaios macroscópicos. No que concerne aos resultados obtidos, as amostras de WPI, GG e mucinas produzidas revelaram que é possível estabelecer uma correlação entre as várias ferramentas utilizadas. A informação obtida por estas ferramentas, fornece dados relevantes para aferir quanto à adstringência e, subsequentemente, possibilita que futuramente seja possível a produção de alimentos (produtos lácteos) que possam reduzir essa sensação na boca.