FTIR investigations of whey protein interactions in relation to model food systems

The research presented in this thesis is centered on one of the most important food proteins, the bovine whey protein -lactoglobulin. Thermal stability studies of the two main genetic variants of β-lactoglobulin (A and B) as well as AB mixtures from different sources, investigations of their interactions with glycomacropeptide (GMP) and the study of the interactions of β-lactoglobulin with other ingredients in a "high-protein cookie" model food system were conducted by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopic techniques. Although variants A and B of β-lactoglobulin differ from each other only at two amino-acid positions (64 and 118, where Asp and Val in the A variant are substituted by Gly and Ala, respectively, in the B variant), variable-temperature (VT)-FTIR studies in conjunction with two-dimensional correlation (2D-COS) spectroscopy demonstrated these differences had a much larger impact on β-lactoglobulin’s thermal behavior than differences in the conditions that the protein had been subjected to during the isolation and purification procedures. Furthermore, VT-FTIR studies of β-lactoglobulin AB from different sources (undefined mixtures of variants A and B originating from pooled milk samples) yielded inconsistent results which is attributable not only to the different thermal behavior of the two variants but also to their interactions to form AA, BB, and AB dimers. Extension of these VT-FTIR studies to binary mixtures of GMP and β-lactoglobulin A, B, and AB from the different sources and at different ratios showed variable effects of protein-GMP interactions on the protein’s thermal behavior. In the case of β-lactoglobulin A, its denaturation temperature in the mixtures with GMP was lower than that of the pure protein whereas the opposite trend was observed for β-lactoglobulin B and the AB mixtures. To study the interactions of β-lactoglobulin with other food ingredients, a "high-protein cookie" model food system was formulated in consultation with the R&D center of a leading manufacturer of high-protein nutritional products. The spatial distribution of the protein, lipid, and carbohydrate ingredients in unbaked and baked model cookies was examined on the micron scale by employing focal-plane-array (FPA)-FTIR imaging microscopy in the attenuated total reflectance (ATR) mode, representing the first application of this "chemical imaging" technique to the study of a model food system. As such it was necessary to develop a multi-step protocol enabling the extraction of relevant information from hyperspectral data sets comprising thousands of spatially resolved FTIR spectra of each imaged sample. In addition, films cast from binary mixtures of β-lactoglobulin and each of the other ingredients at the concentration ratio employed in the "high-protein cookie" formulation were examined by FPA-FTIR imaging microscopy before and after heating in order to investigate the effects of their interactions with β-lactoglobulin on the protein’s secondary structure and thermal stability. These studies suggest the potential future role of FPA-FTIR imaging microscopy as a practical technique for use by the food industry to gain a better understanding of the behavior and interactions of food components that ultimately have a major impact on the quality of food products.La présente recherche porte sur l’étude d’une des plus importantes protéines alimentaires, la β-lactoglobuline de source bovine. La stabilité thermique des deux principales variantes génétiques de la β-lactoglobuline (A et B) ainsi que des mélanges AB provenant de différentes sources, leurs interactions avec les glycomacropeptides (GMP) ainsi que l’application de la β-lactoglobuline dans un modèle de biscuit hyper-protéiné y sont étudiés par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). Même si les variantes A et B de la β-lactoglobuline ne diffèrent qu’aux positions 64 et 118 où l’Asp et la Val dans la variante A sont respectivement substituées par de la Gly et Ala dans la variante B; leurs analyses par la spectroscopie IRTF à température variable (IRTF-TV) ainsi que par corrélation bidimensionnelle des résultats spectroscopiques (2D-COS) il a été démontré que le type de variante a un impact plus important sur le comportement thermique de la β-lactoglobuline que la méthode d’isolation même. De plus, des études de IRTF-TV de la β-lactoglobuline AB de différentes sources ont rendus des résultats inconsistants attribuables non seulement aux différents comportements thermiques des deux variantes mais aussi à leurs interactions sous formes de dimères AA, BB et AB. L’application de ces études sur des mélanges binaires de GMP et β-lactoglobuline A, B et AB de différentes sources et sous différents ratios ont démontrés des effets variables de l’interaction GMP-protéine sur le comportement thermique de cette protéine. Dans le cas de la β-lactoglobuline A, sa température de dénaturation, lorsque mélangée avec le GMP est inférieure à celle de la protéine seule, l’effet inverse est observé avec les β-lactoglobuline B et AB. Le développement de la matrice d’un «biscuit protéiné» modèle fut effectué en collaboration avec le centre R&D d’une société spécialisée dans la conception et manufacture de produits hyper-protéinés. L’imagerie IRTF par matrice à plan focal (FPA-FTIR) ainsi que des techniques complémentaires furent utilisées pour examiner la distribution spatiale à l'échelle du micron des protéines, lipides, et glucides dans des biscuits de modèle crues ou cuites au four. Cette nouvelle application d’ «imagerie chimique» dans l’étude d’un modèle alimentaire a nécessité le développement d’un protocol multi-étapes pour l’extraction d’information à partir données hyperspectrales. De plus, des films obtenus de mélanges binaires de β-lactoglobuline et chacun des autres ingrédients utilisés dans le «biscuit protéiné» furent aussi examinés par microscopie FPA-FTIR avant et après cuisson afin de mieux comprendre leurs effets respectifs sur la structure secondaire de la β-lactoglobuline ainsi que sa stabilité thermique. Ces études présentent un potentiel futur du rôle de l’imagerie FPA-FTIR dans l’étude du comportement ainsi que des interactions de divers composants alimentaires