Development of whey protein network systems under application of moderate electric fields – Effects on protein structure and interactions

Abstract

This thesis describes the study of the MEF effects on protein structure and interactions, aiming at the development of whey protein network systems. For the first time MEF effects were verified in protein structure and conformation, revealing to be synergetic with thermal action and dependent of the pH of the protein solutions. MEF effects in protein structure demonstrated a linear dependence on the voltage gradients applied and were more evident at low electrical frequencies. The structural changes resultant from the electric treatment also lead to changes in protein's interactions with hydrophobic compounds, namely ANS affinity increase and retinol binding conservation. The effects of MEF in protein aggregation and gelation were accessed in WPI cold-set gels. The presence of the MEF inherent to OH contributed to the formation of smaller aggregates with lower content of reactive thiol groups and lower viscosity. The cold-set gels produced presented distinctive properties such as finer stranded structures with lower disulphide crosslinking but higher hydrophobic interactions and hydrogen bonds. These changes resulted in weaker and more elastic gel structures, with higher water retention and swelling capacity. These changes in aggregation and gel properties were potentiated by the use of higher EF strength and lower frequency treatments. As a proof of concept, the potentiality of OH and MEF application in innovative protein applications were evaluated in the production of protein-based scaffolds for tissue engineering. OH demonstrated to be an adequate technique to promote protein functionalization and to tune the scaffold´s functional properties. The variation of the EF strength during the denaturation and aggregation process resulted in scaffolds with distinctive functional properties and improved cellular proliferation. These scaffolds can be used as a support for cellular growth for tissue regeneration or as support to growing cultured meat. The effects of MEF during OH influenced the denaturation process, resulting in distinctive protein structural features and interactions. These changes at molecular level were reflected in protein aggregation, network formation and final functional properties. Therefore, an accurate selection of the MEF process variables allows controlling the functionality of protein systems, opening innovative perspectives on the use of OH and MEF not only in food and bioprocessing applications, but also in the pharmaceutical and biomedical areas.

Esta tese descreve o estudo dos efeitos dos campos elétricos moderados (MEF) na estrutura e interação de proteínas, visando o desenvolvimento de sistemas de proteínas de soro de leite. Pela primeira vez os efeitos dos MEF foram comprovados na estrutura de proteínas, revelando ser sinérgicos com a ação térmica e dependentes do pH. Os efeitos dos MEF na estrutura das proteínas apresentaram uma dependência linear da voltagem aplicada e foram mais acentuados com o uso de baixas frequências elétricas. As alterações resultantes dos tratamentos elétricos também alteraram as interações das proteínas com os compostos hidrofóbicos, nomeadamente no aumento da afinidade com ANS e a conservação da ligação ao retinol. Os efeitos do MEF foram avaliados na agregação e gelificação a frio de WPI. A presença dos MEF contribuiu para a formação de agregados menores, com menor teor de grupos tiol reativos e menor viscosidade. Os géis produzidos apresentaram propriedades distintas, tais como estruturas mais homogéneas, com menos pontes dissulfureto, mas mais interações hidrofóbicas e pontes de hidrogénio. Estas alterações resultaram em estruturas mais fracas e elásticas, com maior capacidade de retenção de água e inchamento. Essas mudanças nas propriedades do gel foram potenciadas pelo incremento da voltagem e pelo uso de baixas frequências. Como prova de conceito, o uso de MEF em aplicações inovadoras foi avaliado na produção de substratos de bases proteica, para a engenharia de tecidos. O aquecimento óhmico (OH) demonstrou ser uma técnica adequada para promover a funcionalização proteica e ajustar as propriedades funcionais dos substratos. A variação da voltagem durante o processo de desnaturação e agregação resultou em substratos com propriedades funcionais distintas e no aumento da proliferação celular. Estes substratos podem ser utilizados como suporte de crescimento celular para regeneração de tecidos ou como suporte para o crescimento de carne cultivada. Os efeitos de MEF durante OH, influenciaram o processo de desnaturação, resultando em características estruturais e interações proteicas diferenciadas. Estas alterações a nível molecular refletiram-se na agregação, na formação da rede estrutural e nas propriedades funcionais das estruturas formadas. Portanto, uma seleção precisa das variáveis de processo de MEF permite controlar a funcionalidade de proteínas, abrindo perspetivas inovadoras no seu uso não apenas em aplicações alimentares e de bioprocessos, mas também nas áreas de farmacêutica e biomédica.