La coacervation complexe, une séparation de phase associative principalement induite par des interactions électrostatiques, entre la B-lactoglobuline (BLG, protéine animale) et la gomme d’Acacia (AG, polysaccharide végétal) a été étudiée dans ce travail. La plus grande difficulté pour comprendre la coacervation complexe au niveau moléculaire entre BLG et AG révèle être la polymolécularité élevée d’AG. A partir de là, la motivation principale de cette thèse était de comprendre et contrôler les interactions entre la BLG et les fractions moléculaires d’AG, FI (~88% d’AG) et FII (~10% d’AG) en utilisant la titration calorimétrique isotherme, la diffusion statique et dynamique de lumière, la mobilité électrophorétique, la Granulo-Polarimétrie et la microscopie optique. Une énergie d’interaction plus forte, une stoechiométrie d’association plus faible et ainsi une complexation favorable ont étés montrées entre la BLG et FII en relation avec l’accessibilité et la densité de charges plus élevées de FII. Les résultats majeurs de cette étude ont ainsi montré des rôles différents des fractions de l’AG dans la coacervation complexe avec la BLG / The complex coacervation mechanism, an associative phase separation mainly induced by electrostatic interactions, between ?-lactoglobulin (BLG, animal protein) and Acacia gum (AG, vegetal polysaccharide) was studied in this work. The most significant difficulty to understand complex coacervation between BLG and AG at the molecular level is the molecular weight polydispersity of AG. From there, the main motivation of this research was to better understand and control the interactions between BLG and the major molecular fractions of AG, FI (~88% of AG) and FII (~10% of AG) using isothermal titration calorimetry, static and dynamic light scattering, electrophoretic mobility, Granulo-Polarimetry and optical microscopy. Higher energy of interaction, lower stoichiometry of association and then favorable complexation were shown between BLG and FII in relation with higher accessibility and density of charges for FII. The major results of this study reveal then different roles of AG fractions in complex coacervation with BLG

Fouling is a chronic problem in many heat transfer systems and results in the need for frequent heat exchanger (HEX) cleaning. In the dairy industry, the associated operating cost and environmental impact are substantial. Antifouling coatings are one mitigation option. In this work, the fouling behaviour of fluoropolymer, polypropylene and stainless steel heat transfer surfaces in processing raw milk and whey protein solution are studied. Methodologies to assess the economics of antifouling coatings are developed and applied. Two experimental apparatuses were designed and constructed to study fouling at surface temperatures around 90 °C. A microfluidic system with a 650 x 2000 µm flow channel enables fouling studies to be carried out by recirculating 2 l of raw milk. The apparatus operates in the laminar flow regime and the capability to probe the local composition of delicate fouling deposit $\textit{in-situ}$ with histological techniques employing confocal laser scanning microscopy. A larger bench-scale apparatus with a 10 x 42 mm flow channel was built to recirculate 17 l of solution in the turbulent flow regime which is more representative of conditions in an industrial plate HEX. Experimental results demonstrate that fluoropolymer coatings can reduce fouling masses from raw milk and whey protein solution by up to 50 %. Surface properties affect the structure and composition of the deposit. At the interface with apolar surfaces raw milk fouling layers are high in protein, whereas a strongly attached mineral-rich layer is present at the interface with steel. Whey protein deposits generated on apolar surfaces are more spongy and have a lower thermal conductivity and/or density than deposits on steel. The attraction of denatured protein towards apolar surfaces and the formation of a calcium phosphate layer on steel at later stages of fouling are explained with arguments based on the interfacial free energy of these materials in water. The financial attractiveness of coatings is considered for HEX subject to linearly and asymptotically increasing fouling resistance and using a spatially resolved fouling model. An explicit solution to the cleaning-scheduling problem is presented for the case of equal heat capacity flow rates in a counter-current HEX. Scenarios where the use of coatings may be attractive or where there is no financial benefit in cleaning a fouled exchanger are identified. Finally, experimental data are used to estimate the economic potential of fluoropolymer coated HEXs in the ultra-high-temperature treatment of milk. In the considered case, the value of a fluoropolymer coating inferred from the reduction in fouling is estimated to be around 2000 US$/m².

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der nichtenzymatischen Glykosylierung auf das Denaturierungsverhalten und die funktionellen Eigenschaften von Molkenproteinen, hier im speziellen die emulgierenden Eigenschaften, untersucht. Nach einer Bestimmung technologisch relevante Glykosylierungsgrade sollten in unterschiedlich glykosylierten Molkenproteinpräparaten das Denaturierungsverhalten sowie die Emulgiereigenschaften in Abhängigkeit vom Glykosylierungsgrad mit unterschiedlichen Methoden bestimmt werden. Der aus praktischer Sicht relevante Einfluss der Glykosylierung auf die sensorischen Eigenschaften wurde einerseits in Molkenproteinlösungen und andererseits in einem komplexen System (Modell-Schmelzkäsezubereitung) erfasst. Schließlich galt es, den Einfluss der Glykosylierung auf die Mikrostruktur und die Festigkeit am Beispiel der Modell- Schmelzkäsezubereitung zu untersuchen und daraus unmittelbare Konsequenzen für die technologische Praxis abzuleiten.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:34:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MiguelASFC_DISSERT.pdf: 664410 bytes, checksum: ea1412fbbc90b4e28d5ec902a12a2ff5 (MD5) Previous issue date: 2011-08-29 / Universidade Federal do Rio Grande do Norte / The objective of this study was to identify DNA polymorphisms at the genes leptin, β-lactoglobulin and pituitary-specific transcription factor in three genetic groups of Holstein x Guzerat dairy cows and investigate the relationship between their genotypes and the composition and quality of milk of dairy cows. Samples were collected in August 2009, being 113 blood samples from lactating crossbred cows and 58 milk samples. For analysis of DNA polymorphisms blood samples were collected, analyzed later in the Genetic Laboratory affiliated to the Zootechny Institute of S?o Paulo and individual milk samples were collected according to standards established by the laboratory of Management Program of Northeast Dairy Herds (PROGEN), at Federal Rural University of Pernambuco (UFRPE) for analysis of milk composition and quality. The characterization of genotypes was performed by PCR-RFLP, for which were designed specific primers for each studied gene and restriction enzymes Kpn2I, HaeIII and HinfI that cut the DNA of the following genes: leptin, β-lactoglobulin and a PIT, respectively. The leptin estimate genotypic frequence were CC 0.112, TT 0.225 and CT 0.661, for β-lactoglobulin were AA 0.136, AB 0.323 and BB 0.539, and for PIT were ++ 0.655, -- 0.311 and +- 0.032. The results show that the population is in Hardy-Weinberg disequilibrium for leptin, β-lactoglobulin and a PIT due to excess of heterozygotes in the population, however, as these genes are associated with the milk production it is considered that the animals have genetic potential for milk production in the Brazilian semi-arid conditions. Through the characterization of the studied herd there were not found implications of the polymorphism of leptin, β-lactoglobulin and PIT in the composition and quality of milk from cows in the different genetic groups 1/2, 3/4 and 7/8 Holstein x Guzerat. Key words: β-lactoglobulin, crossbred cows, leptin, PCR-RFLP, PIT1, semi-arid. / O objetivo do presente estudo ? identificar os polimorfismos de DNA nos genes leptina, β-lactoglobulina e fator de transcri??o pituit?rio espec?fico, em tr?s grupos gen?ticos de vacas leiteiras Holand?s x Guzer? e verificar a rela??o entre seus gen?tipos com a composi??o e qualidade do leite de vacas leiteiras. As amostras foram coletadas em agosto de 2009, sendo 113 amostras de sangue de vacas mesti?as em lacta??o e 58 amostras de leite. Para a an?lise do polimorfismo de DNA foram coletadas amostras de sangue, analisadas posteriormente no Laborat?rio de Gen?tica do Instituto de Zootecnia do Estado de S?o Paulo. As amostras individuais de leite foram coletadas segundo os padr?es estabelecidos pelo laborat?rio do Programa de Gerenciamento de Rebanhos Leiteiros do Nordeste (PROGENE), da Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE) para as an?lises de composi??o e qualidade do leite. A caracteriza??o dos gen?tipos foi realizada atrav?s da t?cnica de PCR-RFLP, em que foram utilizados primers espec?ficos para cada gene estudado e enzimas de restri??o Kpn2I, HaeIII e HinfI, promotoras de cortes nos genes leptina, β- lactoglobulina e PIT1, respectivamente. A freq??ncia genot?pica estimada da leptina foi CC 0,112 , TT 0,225 e CT 0,661, da β-lactoglobulina foi AA 0,136, BB 0,323 e AB 0,539 e PIT1 ++ 0,655, -- 0,311 e +- 0,032. Os resultados mostram que a popula??o se encontra em desequil?brio de Hardy-Weinberg para a leptina, β-lactoglobulina e PIT1 devido ao excesso de heterozigotos presentes na popula??o, entretanto, como estes genes est?o associados ? produ??o de leite, considera-se que os animais t?m potencial gen?tico para a produ??o leiteira nas condi??es do semi?rido brasileiro. Atrav?s da caracteriza??o do rebanho estudado n?o foram encontradas implica??es referentes ao polimorfismo da leptina, β lactoglobulina e PIT1 na composi??o e qualidade do leite de vacas nos grupos gen?ticos 1/2, 3/4 e 7/8 Holand?s x Guzer?

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-01-08T14:33:50Z No. of bitstreams: 1 gustavotorresdesouza.pdf: 5085443 bytes, checksum: eada917698a8738ea1947743e940692c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-01-23T11:05:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 gustavotorresdesouza.pdf: 5085443 bytes, checksum: eada917698a8738ea1947743e940692c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-23T11:05:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 gustavotorresdesouza.pdf: 5085443 bytes, checksum: eada917698a8738ea1947743e940692c (MD5) Previous issue date: 2017-08-08 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O advento sistema CRISPR/Cas9 tornou o processo de edição gênica consideravelmente mais fácil e direto, uma vez que retirou empecilhos técnicos relacionados aos sistemas já disponíveis. Desta forma, foram permitidos diversos avanços no entendimento da função de elementos genômicos, assim como a produção de embriões geneticamente modificados com diversas finalidades. O atual trabalho objetivou a edição gênica no gene da beta-lactoglobulina em células somáticas bovinas objetivando a produção futura de embriões da espécie geneticamente modificados. Considerando-se que a hipersensibilidade a essa proteína responde pela maior parte das alergias ao leite bovino, a produção de animais cujo leite não contenha essa molécula é de grande interesse para a indústria de laticínios. Durante os experimentos, foi possível obter uma linhagem de células bovinas MDBK expressando a enzima Cas9 (MDBK-Cas). Usando células MDBK e as células MBDK-Cas foi possível se obter com sucesso edições gênicas no locus beta-lactoglobulina utilizando-se os componentes do sistema CRISPR/Cas9 na forma de mRNA da proteína Cas9 e sgRNAs. Conclui-se que o sistema CRISPR/Cas9 pode ser usado com os sgRNA desenhados neste estudo para editar o gene da betalactoglobulina em células MDBK. Assim, células MDBK podem ser utilizadas como alvo o locus em estudo. Modelos de estudos para edição do genoma bovino. Em vista da escassa literatura constando de trabalhos em que tenha sido feita a edição gênica em embriões bovinos, os dados gerados por esse trabalho colaborarão para o avanço do estado da arte no que diz respeito a engenharia gênica de bovinos e no conhecimento do funcionamento do sistema CRISPR/Cas9. / The advent of the CRISPR / Cas9 system made the process of gene editing considerably easier and more straightforward, since it removed technical impediments related to the systems already available. In this way, several advances were made in the understanding of the function of genomic elements, as well as the production of genetically modified embryos for various purposes. The present work aimed at the genetic editing of the beta-lactoglobulin gene in bovine somatic cells aiming at the future production of genetically modified embryos of the species. Considering that hypersensitivity to this protein accounts for most of the allergies to bovine milk, the production of animals whose milk does not contain this molecule is of great interest to the dairy industry. During the experiments, it was possible to obtain a lineage of bovine MDBK cells expressing the Cas9 enzyme (MDBK-Cas). Using MDBK cells and MBDKCas cells it was possible to successfully obtain gene editions at the beta-lactoglobulin locus using the components of the CRISPR / Cas9 system as mRNA of the Cas9 protein and sgRNAs. It is concluded that the CRISPR / Cas9 system can be used with the sgRNAs designed in this study to edit the beta-lactoglobulin gene in MDBK cells. Thus, MDBK cells can be targeted as the locus under study. Models of studies for editing the bovine genome. In view of the scarce literature consisting of studies in which bovine embryos have been genetically engineered, the data generated by this work will contribute to the advancement of the state of the art regarding the genetic engineering of cattle and the knowledge of the functioning of the system CRISPR / Cas9.

Le fer ajouté dans des systèmes complexes tels que les aliments induit divers problèmes comme l'oxydation des lipides ou la précipitation d’autres composés présents dans la matrice. Il s’en suit une diminution de sa biodisponibilité et des défauts de goût. L'utilisation de chélates de fer, comme le bisglycinate de fer ou l’EDTA de fer, constitue une voie intéressante : le fer ainsi protégé n’interagirait pas avec la matrice alimentaire. La stabilité des chélates de fer (bisglycinate de fer et NaFe EDTA), supposés peu réactif pour l’initiation de peroxydation, a été attestée sur des modèles d’émulsions huile dans eau stabilisées par du caséinate de sodium ou de la β lactoglobuline. Dans un second temps, le travail a consisté à vérifier la faible influence de ces complexes sur la nature de l’interface huile/eau (étude de la tension et de la rhéologie interfaciales). La stabilité du bisglycinate de fer en solution aqueuse et en présence de β lactoglobuline a également été évaluée en fonction du pH (pH 2, 3,5 et 6,5) par rayons X. Il a ainsi été montré que la nature des protéines formant l’interface huile/eau et le type de sels de fer jouent un rôle crucial sur la stabilité oxydative des émulsions enrichies en fer. L'affinité des protéines de lait pour les ions fer libres est le premier facteur qui contrôle la peroxydation des matières grasses par l’absence de transfert à l'interface huile/eau. La capacité du complexe bisglycinate à retenir les ions fer et donc à limiter la présence d’ions fer libres (ferriques ou ferreux) apparaît comme le second facteur principal à contrôler. La compétition pour les ions fer entre les groupes fonctionnels des protéines et les contre ions de chélates (glycinate ou EDTA) gouverne ainsi l'état d'oxydation du système dans des conditions acide/base proche de la neutralité. En milieu acide, l'oxydation est principalement gouvernée par l’instabilité du complexe bisglycinate de fer et par conséquent la lente libération fer ionique dans la phase aqueuse. Pour résumer, si le complexe de fer n’est pas déstabilisé et que la protéine à l’interface huile/eau ne présente pas de groupe fonctionnel ayant une forte affinité pour le fer, alors la peroxydation des lipides en émulsion est faible. Dans notre démonstration, si une protéine n’est pas phosphorylée et pour des pH proches de 7, alors l’émulsion ne sera pas peroxydée car le fer ne migre pas à l’interface huile/eau. / Iron incorporated into food systems induces oxidation and precipitation. The consequences are a reduced bioavailability and a modification of other food flavor. The iron chelates such as Fe-bisglycinate and Fe-EDTA represent a possibility to avoid side effects, since the iron is protected. The inertety of Fe bisglycinate and NaFe EDTA for lipid peroxidation has been verified in oil-in-water emulsion models stabilized by sodium caseinate or by β lactoglobulin through the following studies: i/ increase of primary and secondary products of oxidation, ii/ change of the properties of the oil/water interface (tension and interfacial rheology), iii/ the stability of the chelate iron (Fe-bisglycinate) in the aqueous phase with β lactoglobulin at different pH (pH 2, 3.5 and 6.5). The oil/water interface stabilized by proteins with phosphate groups has induced peroxidation, which was not observed with proteins containing no phosphate residue. These results demonstrate also that the type of iron salts plays a crucial role in the oxidative stability of emulsions. The ability of the complex to retain iron ion and to avoid “free” ferrous ion is the first important factor to be controlled. The affinity of milk proteins to bind these free iron ions is the second factor that controls the transfer to oil/water interface. To sum up, the competition for iron ions between functional groups of protein and salt counter ions (glycinate, sulfate or EDTA) governs the oxidation state of the system in neutral conditions. In acidic medium, the oxidation is mainly governed by the stability of the complex and the possibility to free iron in bulk.

Les nanoémulsions (NEs) huile/eau peuvent être utilisées en tant que systèmes de délivrance des médicaments pour l’encapsulation des substances actives hydrophobes afin d’améliorer leur stabilité et leur biodisponibilité. Néanmoins, leur stabilisation nécessite l’utilisation de concentrations plus importantes de tensioactifs par rapport aux émulsions conventionnelles en raison de l’augmentation de la surface spécifique. La plupart des tensioactifs synthétiques couramment utilisés dans la formulation des émulsions sont potentiellement irritants, voire toxiques. Cela entrave l'application thérapeutique des NEs en particulier pour les traitements à long terme. L'objectif de cette thèse est alors de formuler des NEs pharmaceutiques huile/eau stabilisées par un biopolymère, la beta-lactoglobuline (beta-lg), à la place des tensioactifs synthétiques.Les NEs ont été préparées par homogénéisation à haute pression (HHP). La composition de la formulation et les conditions du procédé ont été optimisées afin d’obtenir des gouttelettes nanométriques dans des NEs stables. Les résultats ont montré que les NEs les plus stables, avec une taille de gouttelettes < 200 nm, ont été obtenues quand 5 m/m% de l’huile ayant la viscosité la plus faible ont été utilisés en tant que phase huileuse, 95 m/m% de la solution de beta-lg à une concentration de 1 m/m% ont été utilisés en tant que phase aqueuse et 4 cycles d’HPH de 100 MPa ont été appliqués. Cette formulation a été stable contre les phénomènes de croissance de gouttelettes pendant au moins 30 jours grâce à un film interfacial quasiment purement élastique. La gomme xanthane, un polysaccaride naturel, a été ajoutée à la formulation optimale à une concentration de 0,5 m/m% en tant qu’agent épaississant. Cela a permis d’obtenir une texture crémeuse avec un comportement rhéofluidifiant. Dans cette dernière formulation, la vitesse de migration des gouttelettes a été considérablement réduite et la stabilité des NEs a été améliorée.Les effets du procédé d’HPH sur les différents niveaux de structure de la protéine ont été évalués à l’aide de méthodes spectroscopiques, chromatographiques et électrophorétiques. L’influence de ce traitement sur ses propriétés interfaciales et émulsionnantes a également été étudiée. L’efficacité émulsionnante optimale a été obtenue quand les conditions d’HPH n’ont pas altéré la structure de la beta-lg, ni ses propriétés interfaciales. Néanmoins, un traitement d’HHP excessif (300 MPa/5 cycles) a induit des modifications structurelles, principalement une transformation des feuillets beta en structures désordonnées, une large perte dans le cœur hydrophobe, et une agrégation importante par des liaisons disulfure intermoléculaires. La beta-lg modifiée par l’HHP a montré une hydrophobie de surface plus importante conduisant à une vitesse d’adsorption à l’interface huile/eau plus élevée et une formation plus précoce d’un film interfacial. La dénaturation de la protéine par ce traitement à haute pression, qui a été effectuée avant le processus d’émulsification, n'a pas modifié de façon significative l'efficacité émulsionnante. La réduction de l’efficacité a été probablement plutôt induite par la dénaturation simultanée avec l’émulsification sous conditions d’écoulement très turbulent.L’intérêt de la formulation développée en tant que véhicule pour un modèle de substance active hydrophobe a été étudié avec l’isotrétinoïne (IT), usuellement utilisé pour le traitement de l’acné sévère. La formulation développée a permis d’encapsuler 0,033 m/m% d’IT sans aucune modification de la stabilité du système. Environ 10 % de l’IT ajoutée ont été solubilisés dans la phase aqueuse en association avec la protéine libre en excès. L’IT encapsulée dans les gouttelettes huileuses a été plus stable contre la photo-isomérisation que celle associée à la protéine libre. La formulation développée apparait prometteuse en tant que système de délivrance de l’IT pour une application cutanée. / Oil-in-water nanoemulsions can be used as drug delivery systems for the encapsulation of hydrophobic active substances in order to increase their solubility and their bioavailability. However, due to their higher specific area, their stabilization requires higher surfactant concentrations compared to conventional emulsions. Most of the synthetic surfactants commonly used in emulsion formulation are potentially irritant and even toxic, which hinders the therapeutic application of nanoemulsions especially during long-term treatment. The objective of this thesis is thus to formulate pharmaceutical oil/water nanoemulsions stabilized by a biopolymer, beta-lactoglobulin (beta-lg), instead of synthetic surfactants. Nanoemulsions were prepared by high pressure homogenization (HPH). The formulation composition and the process conditions were optimized in order to obtain nanometric droplets within stable nanoemulsions. The results showed that the most stable nanoemulsions, with droplet size inférieure à 200 nm, were obtained when 5 w/w% of the oil with the lowest viscosity value was used as the oily phase, 95 w/w% of beta-lg solution at a concentration of 1 w/w% was used as the aqueous phase, and 100 MPa of homogenization pressure was applied for 4 cycles. This formulation was stable against droplet growth phenomena during 30 days at least, thanks to a quasi purely elastic interfacial film. Xanthan gum, a natural polysaccharide, was added to the optimal formulation as a texturizing agent at a concentration of 0.5 w/w%. This allowed obtaining a cream texture with a shear thinning behavior. In this formulation, the migration rate of droplets was considerably reduced and the nanoemulsions stability was enhanced.The effects of the homogenization process on the different levels of the protein structure were assessed by spectroscopic, chromatographic and electrophoretic methods. The influence of this treatment on its interfacial and emulsifying properties was also investigated. The optimal emulsifying efficiency was obtained when the homogenization conditions did alter neither the structure of beta-lg nor its interfacial properties. However, an excessive HPH treatment (300 MPa/5 cycles) introduced structural modifications, mainly from beta-sheets into random coils, wide loss in lipocalin core, and protein aggregation by intermolecular disulfide bridges. HPH modified beta-lg displayed higher surface hydrophobicity inducing a higher adsorption rate at the O/W interface and an earlier formation of an elastic interfacial film. Structural and interfacial properties modifications by HPH denaturation appeared qualitatively similar to that of the heat denaturation with, however, differences in extent. Protein denaturation by a high pressure treatment that was performed before the emulsification process did not alter significantly its emulsifying efficiency. The reduction in the efficiency was rather induced by the simultaneous denaturation with the emulsification under high turbulent flow.The efficiency of the developed formulation as a vehicle for a model hydrophobic active substance was studied using isotretinoin, usually used for the treatment of severe acne. The developed formulation was able to encapsulate 0.033 w/w of isotretinoin without any modification on the system stability. About 10 % of the added isotretinoin was solubilized in the aqueous phase associated with the free protein in excess. Isotretinoin encapsulated in the oily droplets was more stable against photo isomerization than the one associated to the excess protein in the aqueous phase. The developed formulation seems promising as a drug delivery system of isotretinoin for a dermal application.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der nichtenzymatischen Glykosylierung auf das Denaturierungsverhalten und die funktionellen Eigenschaften von Molkenproteinen, hier im speziellen die emulgierenden Eigenschaften, untersucht. Nach einer Bestimmung technologisch relevante Glykosylierungsgrade sollten in unterschiedlich glykosylierten Molkenproteinpräparaten das Denaturierungsverhalten sowie die Emulgiereigenschaften in Abhängigkeit vom Glykosylierungsgrad mit unterschiedlichen Methoden bestimmt werden. Der aus praktischer Sicht relevante Einfluss der Glykosylierung auf die sensorischen Eigenschaften wurde einerseits in Molkenproteinlösungen und andererseits in einem komplexen System (Modell-Schmelzkäsezubereitung) erfasst. Schließlich galt es, den Einfluss der Glykosylierung auf die Mikrostruktur und die Festigkeit am Beispiel der Modell- Schmelzkäsezubereitung zu untersuchen und daraus unmittelbare Konsequenzen für die technologische Praxis abzuleiten.

Coacervation between the milk proteins β-lactoglobulin (BLG) and Lactoferrin (LF) was studied as a model system for hetero-protein coacervation (HPC). Equilibria among BLG/LF complexes and the corresponding speciation were found to control coacervation, which can be quantitatively monitored by turbidimetry. Several methods were used to assess complexation as a function of LF : BLG (mol/mol) mixing ratio (r). Proton release, calculated from a shift in pH when LF is added to BLG, was used to identify regions of complexation. Dynamic light scattering (DLS) was used to determine regions of complexation by relating complex size to stoichiometry. Isothermal titration calorimetry (ITC) was used to measure enthalpies of binding upon addition of LF to BLG. These results are used to show that coacervation is related to speciation, with the LF(BLG2)2 complex as the coacervating species.

In der Lebensmittelindustrie steht die Entwicklung neuer innovativer Produkte im Vordergrund. Insbesondere die Modifizierung von Proteinen durch den Einsatz des Enzyms mikrobielle Transglutaminase (mTG) bietet hier neue Ansatzpunkte. Das Enzym verknüpft die γ-Carboxamidgruppe proteingebundenen Glutamins mit der ε-Aminogruppe von Lysin unter Bildung sogenannter Isopeptidbindungen. Durch diese Reaktion erreicht man eine gezielte Veränderung funktioneller Eigenschaften der Proteine wie z.B. Gelbildung, Löslichkeit, Wasserbindevermögen, Emulgier- und Schäumungsverhalten. Im Rahmen der Arbeit wurden grundlegende Forschungen zur Aufklärung des Mechanismus der mTG-katalysierten Proteinquervernetzungsreaktion im Hinblick auf das Lebensmittel Milch durchgeführt. Der erste Teil der Arbeit beschäftigte sich mit dem Ablauf der mTG-katalysierten Reaktion innerhalb der Caseinmicellen und dessen Effekt auf die Micellstruktur. Es zeigte sich, dass durch mTG die Caseine in der micellaren Struktur fixiert werden und der extramicellare Caseinanteil abnimmt. Hierbei wird β-Casein stärker vernetzt als αs-Casein. Infolge dieser intramicellaren Caseinquervernetzung wird die Stabilität der micellaren Struktur sowohl gegenüber destabilisierenden Reagenzien (EDTA, Ethanol, GDL), mechanischen Parametern (Hochdruck) sowie einer enzymatischen Proteolyse (Chymotrypsin, Pepsin) signifikant verbessert. Vermutlich werden die Isopeptide hierfür netzartig vorwiegend zwischen den β-Caseinen in der äußeren Micellschicht ausgebildet. Im zweiten Teil der Arbeit stand die Identifizierung der Reaktionsorte, d.h. die an der enzymatischen Vernetzung beteiligten Gln- und Lys-Reste, im Vordergrund, um den Einfluss der Proteinstruktur auf die Spezifität der mTG zu erfassen. Bei der Bestimmung der Reaktionsorte für β-Casein konnten 5 der 21 Gln-Reste und 3 der 11 Lys-Reste als zugänglich für mTG eingestuft werden. Für β-Lactoglobulin konnten unter Normaldruck 3 der 15 Lys-Reste aber keine Gln-Reste durch das Enzym markiert werden. Unter Hochdruck bei 400 MPa wurden 4 der 9 Gln-Reste sowie zwei weitere Lys-Reste als mTG-reaktiv nachgewiesen. Die Lage dieser Reaktionsorte im Protein zeigte, dass Gln-Reste bevorzugt durch mTG modifiziert werden, welche in hydrophoben Proteinabschnitten lokalisiert sind und große hydrophobe Aminosäuren N-seitig sowie positiv geladene Aminosäuren C-seitig aufweisen. Die Lys-Reste werden nur durch mTG angegriffen, wenn diese neben Aminosäuren mit ungeladenen bzw. positiv geladenen Seitenketten lokalisiert sind, während die Nachbarschaft zu negativ geladenen Aminosäuren sowie zu Aminosäuren mit ungeladenen polaren (hydrophilen) Seitenketten die Angreifbarkeit verhindert. Weiterhin zeigte eine Bestimmung der reaktiven Gln- und Lys-Reste im β-Casein innerhalb der Caseinmicelle, dass die Zugänglichkeit für mTG durch die Micellstruktur deutlich vermindert ist. Es wird vermutet, dass in der Caseinmicelle eine Art Vorstrukturierung der β-Caseine existiert. Abschließend wurden die Ergebnisse für einen Vorschlag eines Micellmodells herangezogen. Das im Rahmen der Arbeit vorgeschlagene Micellmodell beruht auf dem Internal Structure Modell, im speziellen auf dem „dual bonding model“ nach Horne, welches weiter charakterisiert werden konnte. So wird vermutet, dass β-Casein hauptsächlich im äußeren Micellbereich lokalisiert ist, während sich die αs-Caseine eher im Micellinneren befinden. β-Casein ist hierbei in laminaren Schichten angeordnet, wobei die hydrophilen Köpfe den größtmöglichen Abstand zueinander haben und hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den hydrophoben Schwänzen ausgebildet werden können. Wird die Micelle nun mit mTG behandelt, so kann ausgehend von diesem Modell die quervernetzte Caseinmicelle als „GiOTTO® -Modell“ dargestellt werden. Dieses ist aus einem „festen äußeren Mantel“ aus quervernetzten β-Caseinen (Isopeptidnetzwerk) und einem „weichen Kern“ aus nur gering vernetzten αs-Caseinen zusammengesetzt.