Foaming properties and colloidal stability of wheat (Triticum aestivum L.) gliadin and maize (Zea mays L.) zein based nanoparticle suspensions

Promovendus/a: Katarzyna Kaczyńska

Promotor(en): Prof. dr. ir. Jan Delcour, Prof. dr. Arno Wouters

Volgens de voorspellingen van de Verenigde Naties zou onze wereldbevolking tegen 2050 zo’n 10 miljard mensen tellen. Deze populatiegroei zal een toenemende druk uitoefenen op onze globale voedselproductie. Een mogelijke strategie om met deze druk om te gaan is een (gedeeltelijke) overschakeling van dierlijke naar plantaardige eiwitrijke voedingsproducten. De productie van dit laatste is efficiënter in termen van o.a., kost, landgebruik en watergebruik, en is bovendien duurzamer dan dierlijke productie. Goede voorbeelden van plantaardige eiwitbronnen zijn tarwe en maïs, die samen met rijst de meest geteelde graangewassen vormen wereldwijd. De prolaminefractie (gliadine en zeïne in respectievelijk tarwe en maïs) vormt de grootste eiwit- of proteïnefractie in deze gewassen. Deze prolamines hebben echter een lage oplosbaarheid in waterige systemen, wat hun toepasbaarheid in de voeding sterk beperkt. Een manier om met dit probleem om te gaan is het produceren van prolamine-gebaseerde nanopartikels (NPs) met een bepaalde graad van colloïdale stabiliteit in water. NPs gebaseerd op gliadine en zeïne (respectievelijk GNPs en ZNPs) hebben potentieel om als nieuwe voedingsadditieven gebruikt te worden, met als mogelijke toepassingen gestabiliseerde dispersies zoals voedingsemulsies en schuimen die traditioneel gestabiliseerd worden met dierlijke proteïnen.

Tot op de dag van vandaag is de capaciteit van GNPs en ZNPs om schuimen te stabiliseren slechts zeer beperkt onderzocht geweest. Het is echter wel geweten dat schuimen gestabiliseerd door GNPs (constituenten) een goede stabiliteit hebben in een beperkt pH-bereik. ZNPs daarentegen hebben slechts zeer beperkte schuimeigenschappen onafhankelijk van de pH. De mechanismen die de schuimeigenschappen van deze NPs bepalen zijn nog niet goed begrepen. Tot slot hebben deze NPs slechts een beperkte colloïdale stabiliteit in condities die relevant zijn voor de voeding. Dit limiteert tevens ook hun toepasbaarheid in voedingssystemen.

Binnen deze context heeft dit doctoraatsonderzoek een tweedelige doelstelling. Het eerste doel was het optimaliseren van de productie van hoog functionele graanprolamine NPs (gebaseerd op gliadine, zeïne en een mengsel van beide) met goede schuimeigenschappen en een hoge colloïdale stabiliteit in condities die relevant zijn voor voeding. Het tweede doel was het ontrafelen van de mechanismen achter de schuimeigenschappen van deze NPs, en dus hun structuur-functie-relatie.

Om de schuimeigenschappen van GNPs te verbeteren werd een modificatiestrategie die gebruik maakt van crosslinking enzymen (microbieel transglutaminase, TG) geoptimaliseerd. Dit resulteerde in een betere functionaliteit van deze gemodificeerde GNPs onder condities waar onbehandelde GNPs schuimen slecht stabiliseerden (pH 4.5). Dit kon verklaard worden door het gewijzigd vermogen van TG-behandelde GNPs om onderling te interageren aan de lucht-water) (A-W) interfase. Dit is de grens waar de vloeibare fase en de luchtfase (luchtbel) in een schuim samenkomen. Om een goede schuimstabiliteit te verzekeren moet er een samenhangende film gevormd worden aan de A-W-interfase die die luchtdiffusie van de luchtbel naar de vloeistof verhinderd. Bij pH 4.5 adsorberen GNPs aan de interfase maar hebben ze slechts een beperkt vermogen om onderling te interageren om deze film te vormen. TG behandeling induceert de vorming van sterke interacties tussen de verschillende GNP constituenten. Bijgevolg werd er een sterkere film gevormd aan de interfase door deze gemodificeerde GNPs, wat resulteerde in een betere schuimstabiliteit. TG behandeling had echter een (beperkte) negatieve impact op de GNP colloïdale stabiliteit wanneer de GNPs voor lange tijd bewaard werden in aanwezigheid van zout. Dit kon verklaard worden door de incorporatie van laadbare groepen van gliadine in de crosslinks die gevormd werden tijdens de enzymatische behandeling. Een andere aanpak voor GNP modificatie was gebaseerd op co-precipitatie van gliadine met chitosan, een lineair polysacharide bestaande uit glucosamine-eenheden met laadbare groepen. Dit resulteerde in de vorming van hybride gliadine-chitosan NPs (GCNPs) die een hogere oppervlaktelading bezitten (bij pH 4.5) dan niet gemodificeerde GNPs. Dit resulteerde in (i) slechtere schuimeigenschappen en (ii) een merkbaar betere colloïdale stabiliteit bij langdurige bewaring in aanwezigheid van zout in vergelijking met GNPs bij pH 4.5. Beide effecten konden gerelateerd worden aan een hogere oppervlaktelading van GCNPs, wat resulteerde in verminderde onderlinge interacties aan de A-W interfase en in de suspensie, respectievelijk.

Er werd verondersteld dat de eerder gerapporteerde zwakke schuimeigenschappen van ZNPs het resultaat waren van structurele veranderingen in commercieel beschikbare zeïne (CS-zeïne) ten gevolge van extractie en opzuivering. Om dit na te gaan werd zeïne op laboschaal geëxtraheerd uit maïsbloem (LS-zeïne). Dit in-house geëxtraheerd proteïnepreparaat werd gekarakteriseerd door een relatief hoog zeïne-peptide- en maïslipidengehalte in vergelijking met het zeer zuivere CS-zeïne poeder. LS-zeïne en CS-zeïne werden dan gebruikt voor de productie van NPs (respectievelijk LS-ZNPs en CS-ZNPs). Vergelijkbaar met wat eerder gerapporteerd werd vertoonden CS-ZNPs zeer zwakke schuimeigenschappen. De functionaliteit van LS-ZNPs was echter merkbaar beter maar ook pH-afhankelijk. Bij pH 8.0 en 10.0 konden LS-ZNPs schuimen goed stabiliseren, ondanks dat de gevormde interfaciale film slechts een beperkte samenhang vertoonde bij deze pH. Dit doet vermoeden dat de vorming van interfaciale films niet het enige mechanisme is dat bepalend is voor de schuimstabiliteit van LS-ZNPs en andere fenomenen zoals ladingseffecten en synergetische effecten van zeïne en lipiden, die het resultaat zijn van de samenstelling en structurele eigenschappen van LS-zeïne. Bij pH 4.0 was de schuimstabiliteit voor LS-ZNPs lager ondanks hun vorming van een sterke interfaciale film. Er werd verondersteld dat de lagere functionaliteit bij deze condities verklaard kon worden door een anti-schuimeffect van LS-ZNPs, het bridging de-wetting effect, dat ervoor zorgt dat luchtbellen samensmelten wat leidt tot destabilisatie van het schuim.

Daarnaast werd waargenomen dat de schuimeigenschappen van NPs gebaseerd op gliadine en zeïne (GZNPs) tussen deze van GNPs en ZNPs liggen, en dat de mechanismen achter hun functionaliteit afhankelijk zijn van de gliadine-tot-zeïne-ratio.

Algemeen kan er besloten worden dat dit doctoraatsonderzoek leidde tot een beter begrip van de mechanismen die de schuimeigenschappen van graanprolamine NPs bepalen. Daarnaast werd er een modificatiestrategie voor GNPs ontwikkeld die gebruik maakt van TG. Het gebruik van dit enzym zorgde voor een merkelijke verbetering van de schuimstabiliteit bij pH 4.5. Toekomstig onderzoek is nodig om de schuimstabiliteit van dergelijke (TG-gemodificeerde) GNPs te onderzoeken in meer complexe systemen die aanleunen tegen reële voedingssystemen. GCNPs hebben, ondanks hun zwakke schuimeigenschappen, een groot potentieel om gebruikt te worden in toepassingen waar een hoge colloïdale stabiliteit vereist is, zoals bijvoorbeeld voor de encapsulatie van biologisch actieve componenten. Verder onderzoek is echter nodig in deze context.