Role of Oxidation in Modifying Structural and Functional Properties of Whey Protein
Molkenproteine sind eine hochwertige Proteinquelle für die menschliche Ernährung. Die technologische und ernährungsphysiologische Funktionalität der Proteine hängen von ihrer Struktur und ihren physikochemischen Eigenschaften ab. Neben Qualitätseinbußen können oxidative Modifikationen auch zu einer Verbesserung der technologischen Eigenschaften führen. Ziel dieser Arbeit ist es, oxidative Proteinveränderungen umfassend zu charakterisieren und Wissenslücken zum Zusammenhang von Strukturveränderungen und funktionellen Eigenschaften zu schließen. Zur oxidativen Modifikation von Molkenproteinen wurden beschleunigte Lagerbedingungen (UVB-Licht und Temperaturerhöhung), sowie die chemischen Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid und tert-Butylhydroperoxid verwendet. Es zeigte sich, dass die Oxidationsbedingungen zu charakteristischen Proteinveränderungen auf allen drei Strukturebenen führten, welche anhand der RP-HPLC Profile unterscheidbar waren. Unter beschleunigten Lagerbedingungen traten Veränderungen in der Sekundär- und Tertiärstruktur auf und es wurden fluoreszierende Oxidationsmarker und Carbonyle gebildet. Diese wurden in den chemisch oxidierten Proteinen, nicht nachgewiesen, jedoch traten kovalente Modifikationen mit Sauerstoffmolekülen auf der primären Strukturebene auf, die zu ausgeprägten Veränderungen in der Sekundär- und Tertiärstruktur führten. Der Einsatz der modifizierten Proteine in Öl-in-Wasser-Emulsionen zeigte keine Einschränkung der Emulgierfähigkeit der Proteine. Es zeigte sich aber, dass hochoxidierte Proteine bei der Bildung des Grenzflächenfilms nicht beteiligt waren. Das UVB-behandelte Protein wurde zusätzlich zur Bildung temperatur-induzierter funktioneller Aggregate eingesetzt, um den Effekt der UVB-induzierten Spaltung von Disulfidbrücken auf das Aggregationsverhalten zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die Bildung fibrillärer Strukturen beeinträchtigt wurde, während die Bildung von wurmartigen Strukturen beschleunigt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass sich oxidative Proteinmodifikationen sowohl negativ als auch positiv auf die Proteineigenschaften auswirkten. Dabei wurde das Potenzial einer gezielten Proteinoxidation für eine maßgeschneiderte Proteinmodifikation aufgezeigt.
Whey proteins are a high-quality source of protein for human nutrition. The technological and nutritional functionality of the proteins depend on their structure and physicochemical properties. Protein oxidation can occur at various stages of the process chain and may alter the protein´s functionality. In addition to quality losses, oxidative modifications can lead to an improvement in the technological properties. The aim of this work is to comprehensively characterize oxidative protein changes and to close knowledge gaps regarding the relationship between structural changes and functional properties. Accelerated storage conditions involving UVB-light and increased temperature, as well as the chemical oxidants hydrogen peroxide and tert-butyl hydroperoxide were used for the oxidative modification of whey proteins. It was found that the different oxidation conditions led to characteristic protein changes at all three structural levels, which could be distinguished like a fingerprint using RP-HPLC profiles. Under accelerated storage conditions, slight changes occurred in the secondary and tertiary structure, and fluorescent oxidation markers and protein-bound carbonyls were formed in particular. These were not detected in proteins exposed to chemical oxidants, but covalent modifications with oxygen molecules occurred at the primary structural level, leading to pronounced changes in the secondary and tertiary structures. The use of the modified proteins in oil-in-water emulsions showed no reduction in the emulsifying capacity of the proteins or the storage stability of the emulsions. However, it was found that highly oxidized proteins in particular were not involved in the formation of the interfacial film. The UVB-treated protein was additionally used for the formation of temperature-induced functional aggregates in order to investigate the effect of UVB-induced cleavage of disulfide bonds on the aggregation behavior. It was shown that the formation of fibrillar structures was slightly impaired, while the formation of worm-like structures was accelerated. The present results showed that oxidative protein modifications had both negative and positive effects on protein properties. The potential of targeted protein oxidation for customized protein modification was demonstrated.
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