An investigation of effects of microwave treatment on the structure, enzymatic hydrolysis and nutraceutical properties of ß-lactoglobulin

Whey proteins are used extensively by the food industry in such products as infant formulas and dietetic and health foods owing to the high nutritional value and useful functional properties of these milk-derived proteins. In addition, in recent years, the nutraceutical properties of native or predigested whey proteins have become the focus of much research. Both the functional and nutraceutical properties of whey proteins can be enhanced by exposing them to various non-denaturing physicochemical conditions that modify their native structure. It is within this context that the present investigation of the effects of microwave treatments (MW) on the structure, degree of enzymatic hydrolysis, and nutraceutical properties of beta-lactoglobulin (β-Lg), the predominant whey protein in cow's milk, was undertaken. Microwave treatment of β-Lg in D2O solution under various conditions was monitored by Fourier transform mid infrared (mid-FTIR) spectroscopy. At sub-ambient and ambient temperatures, no microwave-induced changes in the conformation of the protein were detected. Microwave heating of the beta-Lg solutions to temperatures in the range of 40-60 ºC resulted in a marked increase in the rate of hydrogen-deuterium (H-D) exchange by comparison with conventional heating (CH) at the same temperature. At heating temperatures in the range of 70-90 ºC, the microwave-heated solutions exhibited more extensive protein aggregation than conventionally heated solutions. Application of two-dimensional (2D) correlation analysis to the Fourier self-deconvolved FTIR spectra recorded as a function of number of cycles of microwave or conventional heating revealed that the unfolding pathway of β-Lg was different in these two temperature ranges but was not altered by microwave heating as compared to conventional heating. Kinetic analysis of the FTIR data revealed that the accelerated rate of protein unfolding observed in microwave-heated samples is attributable to a lower energy of activation and supported the existence of non-thermal effects of microwaves. Circular dichroism (CD), fluorescence spectroscopy, and 2D 1H NMR spectroscopy were used to confirm and complement the results obtained by FTIR spectroscopy. The effects of microwave and conventional heat treatments at three temperatures (40, 60, and 90 °C) on the enzymatic hydrolysis of β-Lg and on the peptide profiles of the hydrolysates were also investigated. The degree of hydrolysis of β-Lg by pepsin, trypsin and chymotrypsin as well as in a two-stage hydrolysis with pepsin followed by trypsin and chymotrypsin, simulating gastrointestinal conditions, was determined. Microwave-treated samples exhibited more extensive enzymatic hydrolysis than conventionally heated samples under all hydrolysis conditions, with the greatest degree of hydrolysis being found following microwave treatment at 60 °C, and hydrolysates of microwave-treated β-Lg exhibited both enhanced angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibition and enhanced antioxidant activity. LC-ESI-MS and MS/MS in conjunction with the use of advanced bioinformatics software were employed in the identification of the peptide profiles of the hydrolysates and revealed the presence of unique peptides in hydrolysates of microwave-treated samples, suggesting that the microwave treatment may have exposed new cleavage sites within the interior of the protein. Overall, the findings of these studies indicate that microwave heat treatments may be an attractive approach to enhance the nutraceutical properties of whey and other proteins.Les protéines laitières sont utilisées en grande partie par l'industrie alimentaire dans des produits tels que les préparations pour nourrissons et des aliments diététiques et de santé en raison de la valeur nutritive élevée et des propriétés fonctionnelles utiles de ces protéines laitières. Les propriétés nutraceutiques des protéines laitières indigènes ou prédigérées ont fait ces dernières années l'objet de beaucoup de recherches. Les propriétés fonctionnelles et nutraceutiques des protéines laitières peuvent être améliorées en les soumettant à diverses conditions physico-chimiques de non-dénaturation qui modifient leur structure native. Dans cette recherche portant sur les effets de traitements micro-ondes de la structures, le degré d'hydrolyse enzymatique, et les propriétés nutraceutiques de la β-lactoglobuline (β-Lg), la protéine laitière primordiale dans le lait de vache, a été entrepris.L´irradiation micro-ondes de β-Lg dans la solution D2O sous des conditions différentes a été suivie par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). À températures ambiantes et sous-ambiantes, aucun changement induit par les micro-ondes n'a été détecté dans la conformation de la protéine. Le chauffage à micro-ondes des solutions β-Lg à des températures de l'ordre de 40 à 60 ºC a entraîné une augmentation prononcée du taux d´échange d'hydrogène-deutérium (H-D) par rapport au chauffage classique à la même température. Aux températures de chauffage de l'ordre de 70 à 90 ºC, les solutions chauffées à micro-ondes ont montré plus d´agrégation des protéines que les solutions chauffées classiquement.L´application de l´analyse de corrélation à deux dimensions (2D) aux spectres d'IRTF auto-déconvolués enregistrés comme une fonction du nombre de cycles de chauffage à micro-ondes ou de chauffage classique a révélé que la voie de déroulement de la β-lg était différente dans ces deux intervalles de température. Cependant cette voie n'a pas été altérée par le chauffage à micro-ondes par rapport au chauffage classique. L'analyse cinétique des données IRTF a révélé que l'accélération du taux de déroulement des protéines observée dans les échantillons chauffés à micro-ondes est attribuable à une énergie d'activation faible et a soutenu l'existence d'effets non thermiques des micro-ondes. Le dichroïsme circulaire (CD), la spectroscopie de fluorescence et la spectroscopie RMN 1H 2D ont été utilisés pour confirmer les résultats obtenus par la spectroscopie IRTF.Les effets de traitements à micro-ondes et de chauffage classique à trois températures (40, 60 et 90°C) sur l'hydrolyse enzymatique de β-Lg et sur les profils peptidiques des hydrolysats ont également été étudiés. Le degré d'hydrolyse de β-Lg par la pepsine, la trypsine et la chymotrypsine, ainsi que dans une hydrolyse en deux étapes avec la pepsine suivie par la trypsine et la chymotrypsine, en simulant les conditions gastro-intestinales, a été résolu. Les échantillons traités à micro-ondes présentaient une hydrolyse enzymatique plus étendue que les échantillons traités au chauffage classique sous toutes les conditions d'hydrolyse; le plus grand degré d'hydrolyse est trouvé lors du traitement à micro-ondes à 60°C, et les hydrolysats de la β-Lg traités à micro-ondes présentaient à la fois une amélioration de l'inhibition de la conversion angiotensine de l'enzyme de (ACE) et celle de l'activité antioxydant. LC-ESI-MS et MS / MS, en lien avec l'utilisation de logiciels de pointe de bioinformatique ont été utilisés pour identifier les profils peptidiques des hydrolysats et ont révélé la présence des peptides uniques dans les hydrolysats des échantillons traités à micro-ondes, ce qui suggère que le traitement à micro-ondes peuvent avoir exposé des nouvelles sites de clivage à l'intérieur de la protéine. En conclusion, les traitements thermiques à micro-ondes peuvent être une approche intéressante pour améliorer les propriétés nutraceutiques des protéines laitières et d'autres protéines