In this thesis, the macroscopic phase separation of milk proteins and high molecular weight oat beta-glucan was investigated. A better knowledge of this model system will improve our ability to control structure in dairy gels containing nutritionally significant concentrations of dietary fiber. A phase behaviour diagram was obtained experimentally, and the results were then modelled using theoretical models based on thermodynamic incompatibility between casein micelles and beta-glucan and demonstrated that casein micelles are the main contributors to the instability of these mixtures. Water in water emulsion systems formed at high concentrations of protein and beta-glucan upon mixing, and were visualized using confocal scanning laser microscopy. For the first time, the dynamics of phase separation of these mixtures were followed using diffusing wave and ultrasonic spectroscopy, as well as with rheological methods. The work explored the formation of different bi-continuous networks by controlling the gelation of the protein phase using chymosin. This enzymatic reaction specifically destabilizes the casein micelles, allowing for a kinetic control of protein gelation within or between phase separated domains. The addition of -carrageenan and the effect of shear on the mixtures were evaluated as possible strategies for controlling the growth of the phase separated domains in dairy gels containing concentrations of beta-glucan high enough to be nutritionally significant. Results indicated that different structures could be obtained depending on the processing conditions, for example, the mode of addition of the polysaccharides or the pre-shearing conditions. This work represents a novel approach for incorporating nutritionally significant concentrations of beta-glucan in dairy foods, and serves as proof of concept for further development of an important application area linked to the development of reduced fat dairy products with additional health benefits. / Canadian Dairy Commission (CDC) and Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC)

Orientador: Rosiane Lopes da Cunha / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-10T02:52:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Takeuchi_KatiuchiaPereira_D.pdf: 2512071 bytes, checksum: bf144af04917964fdd59c0d4a482b84e (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A avaliação do processo de gelificação ácida de caseinato de sódio (CS) induzida por glucona-d-lactona (GDL) foi realizada em diferentes taxas e com ampla faixa de concentração de proteína (2-6% p/p). A cinética de acidificação e gelificação foi avaliada desde o pH 6,7 até o ponto isoelétrico das caseínas através da medida de pH e de propriedades mecânicas obtidas em compressão uniaxial (tensão e deformação na ruptura). A formação da rede do gel foi mais influenciada pelas interações eletrostáticas do que pelas diferentes taxas de acidificação, principalmente em pH próximo ao pI das caseínas. Além disso, interações hidrofóbicas e ligações de hidrogênio também estiveram envolvidas na estabilização da estrutura da rede, promovendo géis mais fortes. Também foi avaliado o processo de gelificação de proteínas do leite em pH 6,7 em sistemas contendo carragena. Neste caso, a ?-carragena foi adicionada em concentração de 0,3 a 0,8% (p/p) em misturas contendo caseinato de sódio (2 a 8% p/p), isolado protéico de soro (0,5 a 7% p/p) ou sacarose (5 a 30% p/p). Estes sistemas foram estudados a partir de ensaios reológicos em cisalhamento oscilatório, propriedades mecânicas e microestrutura. A temperatura de início da gelificação ou do desenvolvimento de estrutura (Ts) aumentou com a concentração de carragena em sistemas puros, enquanto que a presença de sacarose ou isolado protéico de soro promoveu um aumento da Ts e a adição de caseinato de sódio não modificou esta temperatura, em relação aos géis puros. Após a fomação do gel, um aumento da concentração de carragena levou a géis mais elásticos, rígidos, deformáveis e firmes, sendo que a adição de sacarose exerceu pouco efeito nas propriedades reológicas destes sistemas. A adição de isolado protéico de soro enfraqueceu a rede do gel em baixas concentrações (até 3%), mas houve formação de uma rede mista em maiores concentrações, sem demonstração de sinergismo entre os biopolímeros. A mistura de carragena e caseinato de sódio mostrou sinergia até 5% (p/p) desta proteína e para maiores concentrações, ocorreu o enfraquecimento da rede, diminuição da rigidez e firmeza do gel, provavelmente relacionada à micro-separação de fases, observada por microscopia confocal. Os espectros mecânicos mostraram que a maioria destes sistemas mistos apresentou comportamento de gel fraco, devido ao efeito simultâneo das interações físicas e incompatibilidade termodinâmica. No entanto, géis fortes foram observados na maior e menor concentração de carragena e caseinato de sódio, respectivamente, indicando a importância da interação eletrostática entre estes dois biopolímeros. O aumento da concentração de carragena e de proteínas promoveu um aumento da heterogeneidade da microestrutura do gel e a intensidade de interações repulsivas entre os biopolímeros e a formação da rede do gel, dominado pela carragena, afetou de maneira complexa as propriedades físicas destes sistemas / Abstract: Evaluation of acid-induced sodium caseinate (CS) gelation promoted by glucono-d- lactone (GDL) was performed at different acidification rates with several protein concentrations (2-6% w/w). The kinetics of acidification and gelation were followed from pH 6.7 to the isoelectric point of casein by evaluation of the pH and mechanical properties using uniaxial compression measurements (stress and strain at rupture). Gel network formation was more influenced by electrostatic interactions than different acidification rates, showing the contribution of rearrangements of bonds to strengthening the network, mainly at steady-state pH close to pI of caseins. Besides the hydrophobic interactions and hydrogen bonds were also important forces involved in structure stabilization, leading to stronger gels. Moreover, evaluation of gelation process of milk proteins at pH 6.7 in systems containing ?-carrageenan. In this study, the ?-carrageenan was added at concentration from 0.3 to 0.8% (w/w) into mixtures containing sodium caseinate (2 a 8% w/w), whey protein isolate (0.5 a 7% w/w) or sucrose (5 a 30% w/w). This systems was analysed using rheological measurements under oscillatory shear, mechanical properties and microstructure. The temperature at which structure development began or initial of gelation (Ts) augmented with increasing carrageenan concentration for pure systems, but sucrose or whey protein isolate addition promoted an increase of Ts and sodium caseinate did not affect this temperature, in relation to pure gel. After gel formation, increasing carrageenan concentration promoted more elastic, stronger, deformable and firmer, as well as sucrose addition showed a little effect to decrease elastic character of gel. Whey protein addition weakened gel network at lower concentrations (up to 3% w/w), but at higher concentration was observed a mixed gel network entanglement of carrageenan and whey protein, without sinergism between this biopolymers. Mixed gels of carrageenan and sodium caseinate showed synergism up to 5% (w/w/) of this protein and increasing concentration led to weaken the gel network, decreasing the rigidity and the firmness of gel, probably related to micro-phase separation, observed by confocal microscopy. Mechanical spectra showed that most of mixed systems presented weak gel behaviour, due to simultaneous effect of physical interactions and thermodynamic interactions. However, stronger gels were formed at higher and lower concentration of carrageenan and sodium caseinate, respectively, which indicate the relevance of electrostatic interactions between these biopolymers. Increasing carrageenan and proteins concentrations led to greater microstructure heterogeneity and increased repulsive interactions between biopolymers and thus gel formation, dominated by carrageenan, affected in a complex way the physical properties of these systems / Doutorado / Doutor em Engenharia de Alimentos

Orientador: Marcelo Cristianini / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-08T00:01:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Torrezan_Renata_D.pdf: 7323790 bytes, checksum: 207de2c2a0d4ced64e9eb7e22e1a3857 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: O isolado proteico de soja (IPS) é um produto com pelo menos 90% de proteínas que, devido às suas características físico-químicas, possui certas propriedades funcionais tecnológicas que influenciam a sua aceitação e utilização como ingrediente em produtos cárneos, alimentos infantis, bebidas e produtos de panificação. Os polissacarídeos, pectina e k-carragena são utilizados em alimentos como espessantes, geleificantes e estabilizantes de emulsões. Neste trabalho foram avaliados os efeitos do tratamento sob alta pressão, utilizando-se os dois tipos de equipamentos existentes no mercado: isostático e dinâmico, sobre as características funcionais tecnológicas (solubilidade e índice de atividade emulsificante - IAE) do isolado proteico de soja, como também da mistura de isolado proteico de soja com pectina e k-carragena, com o equipamento isostático. No caso do equipamento isostático, foram também analisadas as propriedades reológicas ¿ G¿ e G¿¿. Para a análise dos efeitos do tratamento sob alta pressão isostática sobre o isolado proteico de soja foi utilizado o planejamento fatorial completo (23), cujas variáveis independentes foram a concentração de proteína, pH e nível de pressão. Para o equipamento dinâmico as variáveis foram o pH e o nível de pressão aplicado. Um planejamento fatorial fracionário (24-1) foi utilizado inicialmente, para os sistemas proteína de soja¿polissacarídeos para avaliar os efeitos das variáveis independentes (concentração de isolado de soja, concentração de polissacarídeo utilizado - pectina ou k-carragena, pH e nível de pressão isostática) e posteriormente foi realizado um planejamento fatorial completo (23) fixando-se a concentração de IPS em 1%, obtendo-se as superfícies de resposta. De cada planejamento fatorial completo foram selecionados os ensaios que apresentaram as maiores respostas em cada característica funcional (solubilidade, índice de atividade emulsificante e conforme o caso, G¿) e avaliadas também o teor de sulfidrila livre, comportamento eletroforético, grau de desnaturação das proteínas (calorimetria diferencial de varredura), perfil cromatográfico e documentação da microestrutura (microscopia eletrônica de varredura). A solubilidade proteica foi fortemente influenciada pela variável pH em todas as faixas de pH estudadas, tanto quando se utilizou apenas a proteína de soja quanto da sua utilização adicionada de pectina e k-carragena, para ambos os equipamentos de alta pressão utilizados: isostático e dinâmico. Quando se trabalhou apenas com a proteína de soja, utilizando-se o equipamento de alta pressão isostática na faixa de pH mais baixa (2,66 ¿ 4,34) o valor de IAE foi máximo nos tratamentos sob baixa pressão. Na faixa de pH de 5,16 a 6,84 os valores mais altos de IAE foram obtidos na região de valores centrais de pressão e de baixo pH. Quando se adicionou pectina ou k-carragena à proteína de soja o IAE atingiu valores mais altos para os tratamentos sob pressão isostática nos pontos extremos (mais baixos ou nos mais altos). Quando se utilizou o equipamento sob alta pressão dinâmica os maiores valores de IAE estão próximos aos ponto isoelétrico da proteína de soja. Em todos os experimentos realizados no equipamento isostático o módulo de perda ou componente viscoso (G¿¿) foi o componente dominante, exibindo um comportamento predominantemente viscoso. A análise das amostras selecionadas em cada experimento com os maiores valores de solubilidade proteica, IAE e quando foi o caso G¿¿ utilizando apenas a proteína de soja ou misturas da proteína de soja com pectina ou k-carragena mostraram que o tratamento sob alta pressão isostática e dinâmica diminuíram em maior ou menor grau o teor de sulfidrila livre de todas as amostras analisadas, evidenciando uma mudança na molécula da proteína confirmada pelas alterações observadas através das análises de calorimetria diferencial de varredura, cromatografia líquida de fase reversa, eletroforese e microscopia eletrônica. Foi realizada também uma avaliação sobre os efeitos do tratamento sob alta pressão isostática (200-700 MPa) sobre os fatores antinutricionais teor de fitato e inibidor de tripsina, constatando-se que a alta pressão não alterou os teores do inibidor de tripsina; porém, não foram detectadas concentrações de fitato após este tratamento / Abstract: Soy protein isolate (SPI) contains at least 90% protein and its physics and chemical properties define some functional properties that influence its use and acceptance as an ingredient in meat products, baby foods, beverages and bread products. The polysaccharides pectin and k-carrageenan are used as a thickening, gelation and emulsion stabilising agent in some food products. The effects of isostatic and dynamic high pressure on functional properties (solubility and emulsifying activity index ¿ EAI) of SPI alone as well of SPI mixed with pectin and k-carrageenan (only for isostatic high pressure treatment) were evaluated in this work. For isostatic high pressure processing the rheological properties G¿ and G¿¿ were also evaluated. To analyse the effects of isostatic high-pressure treatment on SPI a complete factorial design 23 was applied with protein concentration, pH and pressure as independent variables. For dynamic high-pressure treatment the variables were the pH and the pressure. Initially, to analyse the effects of independent variables (protein concentration, polysaccharide concentration ¿pectin or k-carrageenan, pH and pressure level) in mixed protein-polysaccharide systems a fractional factorial design 24-1 was applied and the protein concentration was fixed at 1% for the next complete designs. The samples with the highest effect on protein solubility, EAI and in some cases also G¿¿ value were evaluated as well by electrophoresis (Native and SDS-Page), free sulphydryl determination, reversed phase high pressure liquid chromatography (RP-HPLC), differential scanning calorimetry (DSC) and having their microstructure documented. The pH was the main factor that affecting protein solubility in all studied pH ranges, for SPI alone and SPI mixed with polysaccharides and for both high-pressure equipments. The EAI was maximum in low high-pressure treatments (200-300 MPa) with isostatic equipment for pH 2.66-4.34 range, when the system was only SPI. In pH 5.16-6.84 range the highest EAI values was in middle high-pressure values (450 MPa) and low pH. When SPI was mixed with pectin and k-carrageenan the highest values of EAI was in the extreme points of isostatic high pressure (the highest or the lower). When dynamic high-pressure equipment was used the region of the highest values of EAI was near by the soy protein isoelectric point (pI). Loss modulus (G¿) was the dominant compound in all the isostatic experiments done and exhibited a predominantly viscous behaviour. The selected samples analysis with SPI alone as well SPI mixed with pectin or k-carrageenan samples showed that isostatic or dynamic high pressure treatment decreased in some degree the free sulphydryl content of all analysed samples showing that some change occurred in soy protein molecule as confirmed by DSC, RP¿HPLC, electrophoresis and scanning electronic microscopy. The evaluation of isostatic high pressure treatment (200-700 MPa) on antinutritional factors such as phytate content and trypsin inhibitor showed that high pressure did not change the trypsin inhibitor activity but was effective in eliminating the phytate content / Doutorado / Doutor em Tecnologia de Alimentos