• Keine Ergebnisse gefunden

Influence of the Protein Structure on the Stabilization of Oil/Water-Interfaces

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Aktie "Influence of the Protein Structure on the Stabilization of Oil/Water-Interfaces"

Copied!
188
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

of O il/Water-Interfaces  

vorgelegt von  

Diplom Lebensmittelchemikerin  Helena Kieserling 

ORCID: 0000-0002-8093-6794 

an der Fakultät III – Prozesswissenschaften  der Technischen Universität Berlin  zur Erlangung des akademischen Grades  

Doktor der Naturwissenschaften  – Dr. rer. nat. –

genehmigte Dissertation 

Promotionsausschuss: 

Vorsitzender:  Prof. Dr. Hajo Haase  Gutachter:    Prof. Dr. Stephan Drusch 

Gutachterin:   Prof. Dr. Anja Maria Wagemans  Gutachter:    Prof. Dr. Matteo Mario Scampicchio  Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 29. Januar 2021 

Berlin 2021

(2)
(3)

First of all, I would like to thank my supervisor Prof. Dr. Stephan Drusch for his guidance  during probably one of the most formative periods of my life. Thank you for the opportunity  to learn about the many facets of science, including experimental lab work, interpretation  of results and writing texts of any kind. You have taken each of my texts to a new level,  allowing me to see beyond my own limitations, because probably no one can structure as  well as you can, and no one finds the red line better than you do. Prof. Stephan Drusch has,  thus, taught me what quality means.  

I want to thank Prof. Dr. Anja Maria Wagemans, my supervisor and mentor. Nobody is as  motivating as you are. You saw the best in me and never shied away from supporting me,  no  matter in which situation.  Thank  you for all the optimism,  the deep scientific  discussions, and for allowing me to grow so much under your care. Prof. Dr. Anja Maria  Wagemans, you taught me how to walk confidently through the scientific world. 

I gratefully thank Prof. Dr. Matteo Scampicchio for his flexibility and the willingness to  evaluate this thesis. 

I appreciate the support of the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). This work was  part of the priority project SPP 1934 “DispBiotech”. Thank you for the opportunity to build  such a broad network full of brilliant scientists.  

Special thanks go to my students, Katrin Rochberg as you were the very first student I was  allowed to supervise, Annika Pankow for the standards you have set, Nadine Kaufmes for  your attention to detail, Thu Nguyen and Alex Westphal for your relaxed and stringent way  of working through things, Sarah Winkler for your perseverance and especially Ingalisa  Alsmeier for the many years of great cooperation and the incredible support at all times. 

Moreover, I would like to thank Julia Wolff, Thu Nguyen, Alex Westphal, Hannes Schäfer  and Ingalisa Alsmeier for your support as tutors. 

I would like to thank my colleagues at the Department of Food Technology and Material  Science and especially the Department Food Colloids. Sabrina, Theresia, Marina, Artwin,  Hanna, Mrs. Kern, Silvia, Sarah, Vivienne, Talita, Thanh, Mr. Blochwitz, Mrs. Ludewig,  Alina, dear colleagues, thank you for all your support. Mrs. Stoll, it was a pleasure to give  lessons together. Dagmar, I thank you for your relaxed attitude, no matter which form was  filled out wrong. Martina and Monika, thank you for being there right in the next office and  for always lending an ear to me. Christoph, my former neighbor, thank you for our rare but  pleasant meetings in the corner bar. Sabrina, you were the best roommate I could have  imagined, thank you for all the candy that made our time together sweeter. Anja, thank you  for the relaxing talks about all our plans and for bringing Lipase into our project, I am  looking forward to continuing to go through life together. Rocio, my favorite PostDoc,  thank you for the 24/7 Drama-Beratung, for being there for each other. No matter the mood,  in which our meetings started, you always managed to cheer me up, coming out of them  laughi n onfident Sta s nduri arm-hearte s re!

(4)

Tobias and Patrick, thank you for the enriching molecular dynamic simulations. Vanessa and Maximilian, it was fun working with you, all collaborations should be this successful.

Jacqueline and Timon, I am so glad the SPP brought us together. Julia, thank you, you are my role model with whom I enjoyed discussing so much.

Thank you also for the fact that I can now call many colleagues friends.

Also, I would like to thank Sandra, Hendrik, Lisa, Jasmin and especially Max for accompanying me from afar. Ricarda, thank you for everything, I am waiting for our plans with the horses in our backyards. Xenia, I would have loved to walk the dissertation path together with you, but even from distance, across all the thousands of miles, we managed quite well. Fabi, thank you, you are the best and always in my heart. Thank you, Annette, now I know that you would really walk with me through hell, I am looking forward for all the challenges that we will manage side by side in the future.

Bärbel and Manni, Alex and Leni, I thank you for having welcomed me into your family, I could not imagine more caring people than you are. I thank my father for accompanying me in his own way. I thank my mother for teaching me how enriching education is and that one can only get far with hard work, and by teaching me this for bringing me to where I am now. I want to thank my sister, her husband and her kids, for our wonderful and cosy time together and the unlimited support – you are my basis!

The most beautiful thing my thesis has brought me is you, my beloved husband. Thank you for supporting me in every imaginable way. Without your bowls of fruit, candy, and crisps, I would not have made it through the last part of the thesis. We are a strong team and the fact that we can still say that after this phase in our lives, makes me look forward to our future with joy.

(5)

Food products based on oil/water-emulsions, such as beverages, dairy products, or targeted  delivery systems for functional food ingredients, are thermodynamically unstable systems. 

Over time, on a macro-level, the dispersed oil droplets in the water phase tend to flocculate,  coalesce, and cream. The kinetics of these destabilization mechanisms depend on the  emulsifier properties on the micro-level. During interfacial stabilization, emulsifiers such  as whey protein  -lactoglobulin ( -lg) form a protein film at the oil/water-interface, whose  stability against mechanical stress contributes to the emulsion stability. The protein film  stability, in turn, depends  on molecular interactions of the adjacent proteins that are  determined  by the protein structure in the bulk water phase. However, so far only few  studies described  the protein structure at the oil/water interface, and none of them  systematically connected the interfacial film stability with the protein structure during the  interfacial stabilization process. 

To understand and control the protein film stability at the oil/water-interface, this thesis  aims to systematically investigate the influence of the protein structure on the (I) migration  through the bulk water phase, (II) adsorption at the oil/water-interface and (III) formation  of an interfacial protein film. For this purpose, the structure of the model protein  -lg in the  bulk water phase was intentionally modified by changing ambient conditions (pH, ionic  strength)  and  by employing high hydrostatic pressure.  Comprehensive experimental  methodology allowed the characterization of the net charge, degree of unfolding, surface  hydrophobicity, and molecular weight. The structural changes that  -lg undergoes through  adsorption at the oil/water interface were studied systematically. For this purpose, an in situ  FTIR method was established to analyze the unfolding of proteins at the oil/water interface. 

Subsequently, the protein structure was linked to the interfacial behavior and the film  stability against lateral compression and expansion, shear, and dilatational deformation. 

In summary, a slow (I) migration due to the combination of dimeric conformation and  electrostatic repulsion reduced the protein film stability at high dilatational deformation, as  a consequence of a reduced stabilization of the unoccupied oil/water-interface. The  formation of pronounced intermolecular interactions during (III) protein film formation  increased  the stability against lateral compression  and expansion,  shear,  and small  dilatational deformation. Pronounced unfolding at the oil/water-interface and a high surface  hydrophobicity enhanced intermolecular interactions and resulted in the highest protein  film stability regardless of the net charge of the proteins. A strong reduction in interfacial  tension during (II) adsorption at the oil/water-interface, as indicated  by the highest  adsorption rate, was not accompanied by a high film stability, since the electrostatically  shielded proteins were not able to form a strong interfacial network due to minor  interactions.  

Finally, the findings deepen the understanding of the protein film stability at oil/water- interfaces by combining fundamental insights about the protein structure with interfacial  stabilization mechanisms. For future analysis, this thesis presents a promising approach for  the identification of new protein structures that result in stable interfacial films applicable 

(6)

Lebensmittel,  die  aus  Öl/Wasser-Emulsionen  bestehen  oder  diese  enthalten,  sind  thermodynamisch  instabile  Systeme.  Auf  der  Makroebene  neigen  die  dispergierten  Öltröpfchen in der wässrigen Phase dazu, mit der Zeit auszuflocken, zu koaleszieren und  aufzurahmen. Die Kinetik dieser Destabilisierungsmechanismen hängt auf der Mikroebene  von den Eigenschaften des eingesetzten Emulgators ab. Bei der Grenzflächenstabilisierung  bilden Emulgatoren wie das Molkenprotein  -Lactoglobulin einen Proteinfilm an der  Öl/Wasser-Grenzfläche, dessen Widerstandskraft gegenüber mechanischer Beanspruchung  zur Emulsionsstabilität beiträgt. Die Widerstandskraft des Proteinfilms hängt wiederum  von den molekularen Wechselwirkungen der angrenzenden Proteine an der Öl/Wasser- Grenzfläche ab, die durch die Proteinstruktur in der wässrigen Phase bestimmt werden. 

Aufgrund von Limitationen in der bisher etablierten Analytik von Proteinstrukturen an der  Öl/Wasser-Grenzfläche,  konnte  die  Stabilität  des  Grenzflächenfilms  noch  nicht  systematisch mit der Proteinstruktur während des Grenzflächenstabilisierungsprozesses  verknüpft werden. 

Um die Proteinfilmstabilität an Öl/Wasser-Grenzflächen zu verstehen und kontrollieren zu  können, ist das Ziel dieser Arbeit, den Einfluss der Proteinstruktur auf die (I) Migration  durch die Wasserphase, die (II) Adsorption an der Öl/Wasser-Grenzfläche  und die (III)  Bildung eines Proteinfilms systematisch zu untersuchen. Hierfür wurde die Struktur des  Modellproteins  -lg  in  der  wässrigen  Phase  durch  Veränderung  der  Umgebungsbedingungen  (pH-Wert,  Ionenstärke)  und  unter  hydrostatischer  Hochdruckbehandlung  gezielt  modifiziert.  Eine  umfassende  experimentelle  Analytik  erlaubte  die  Charakterisierung  der  Protein-Nettoladung,  der  Entfaltung  der  Sekundärstruktur,  der  Oberflächenhydrophobizität  und  des  Molekulargewichts.  Um  strukturelle Veränderungen von  -lg nach der Adsorption an der Öl/Wasser-Grenzfläche  systematisch zu detektieren, wurde eine in situ FTIR-Methode etabliert. Die Proteinstruktur  wurde im Zusammenhang mit dem Grenzflächenverhalten und der Filmstabilität während  lateraler Kompression und Expansion, Scherung und Dilatation evaluiert. 

Bei hoher Dilatation reduzierte die langsame (I) Migration von elektrostatisch abstoßenden  Dimeren die Besetzung von freien Bereichen der Grenzfläche und folglich die Stabilität  des Proteinfilms. Die Ausbildung starker intermolekularer Wechselwirkungen während der  (III) Proteinfilmbildung, erhöhten die Filmstabilität gegenüber lateraler Kompression und Expansion, Scherung und kleiner Dilatationsdeformation. Eine ausgeprägte Entfaltung an der Öl/Wasser-Grenzfläche  und eine hohe Oberflächenhydrophobizität verstärkten die intermolekularen  Wechselwirkungen  zwischen  adsorbierten  Proteinen  und  führten unabhängig von der Nettoladung der Proteine zu der höchsten Proteinfilmstabilität. Eine starke Reduktion der Grenzflächenspannung nach der (II) Adsorption resultierte nicht zwangsläufig in einer hohen Filmstabilität. Dies wurde am Beispiel von elektrostatisch abgeschirmten Proteinen klar, bei denen zwar die höchste Adsorptionsrate, jedoch die geringste Filmstabilität aufgrund geringer Wechselwirkungen beobachtet wurde.

(7)

Die  Ergebnisse  dieser  Dissertation  erweitern  das  mechanistische  Verständnis  der  Proteinfilmstabilität  an  Öl/Wasser-Grenzflächen  durch  die  Kombination  von  fundamentalen  Erkenntnissen  über  die  Proteinstruktur  und  den  Stabilisierungsmechanismen  an  der  Grenzfläche.  Diese  Arbeit  stellt  einen  vielversprechenden Ansatz zur ganzheitlichen Analyse des Einflusses der Proteinstruktur  auf  die Stabilität  von  Proteinfilmen  an Grenzflächen  vor,  sodass maßgeschneiderte  emulsionsbasierte Lebensmittel mit hoher kinetischer Stabilität erzeugt werden können. 

(8)

List of Figures ... IX  List of Tables ... XV  List of Abbreviations and Symbols ... XVI 

1  Motivation and Objective ... 1 

2  Theoretical Background ... 6 

2.1 Globular Proteins in Water ... 6 

2.1.1 Interactions of Globular Proteins ... 6 

2.1.2 Structural Characterization of  -Lactoglobulin ... 7 

2.1.3 Structural Modification of  -Lactoglobulin ... 9 

2.2 FTIR Analysis of Globular Proteins ... 12 

2.3 Model Systems to Describe the Interfacial Stabilization Process and Interfacial  Film Stability of Globular Proteins at Oil/Water-Interfaces ... 14 

3  Publications ... 21 

Manuscript I ... 23 

I-1 Abstract ... 24 

I-2 Introduction ... 25 

I-3 Materials and Methods ... 27 

I-4 Results ... 32 

I-5 Discussion ... 36 

I-6 Conclusion ... 39 

Manuscript II ... 41 

II-1 Abstract ... 42 

II-2 Introduction ... 43 

II-3 Materials and Methods ... 45 

II-4 Results and Discussion ... 49 

II-5 Conclusion ... 58 

Manuscript III ... 61 

III-1 Abstract ... 62 

III-2 Introduction ... 62 

III-3 Materials and Methods ... 64 

III-4 Results ... 66 

(9)

IV-2 Introduction ... 77 

IV-3 Material and Methods ... 79 

IV-4 Results ... 83 

IV-5 Discussion ... 88 

IV-6 Conclusion ... 94 

Manuscript V ... 97 

V-1 Abstract ... 98 

V-2 Introduction ... 99 

V-3 Materials and Methods ... 101 

V-4 Results ... 104 

V-5 Discussion ... 110 

V-6 Conclusion ... 116 

4  General Discussion ... 117 

4.1 Structural Modification of  -Lactoglobulin in the Bulk Water Phase ... 117 

4.2 FTIR Analysis of Proteins at the Oil/Water-Interface ... 120 

4.3 Stabilization Process of Oil/Water-Interfaces ... 121 

4.3.1 Stage (I): Migration Through the Bulk Water Phase ... 122 

4.3.2 Stage (II): Adsorption at the Oil/Water-Interface ... 123 

4.3.3 Stage (III): Interfacial Protein Film Formation ... 124 

4.4 Protein Film Stability at the Oil/Water-Interface ... 126 

4.5 Relation Between Protein Structure, Interfacial Stabilization and Protein Film  Stability ... 128 

5  Concluding Remarks and Outlook ... 131 

References ... 135 

Annex ... 159 

List of Conference Contributions ... 159 

List of Additional Publications ... 160 

Supplementary Data Manuscript II ... 161 

Supplementary Data Manuscript III ... 167 

Supplementary Data Manuscript IV ... 168 

Supplementary Data Manuscript V ... 170 

(10)

Figure 1:  -lactoglobulin monomer at neutral pH with  the secondary structure elements  -sheets,  -turns,  -helix and random coil structures.

 ... 8  Figure 2: Interfacial stabilization process with (I) migration, (II) adsorption and (III)  protein film formation of  -lactoglobulin at the oil/water-interface and the subsequent  mechanical  stress,  resulting  in  low  film  stability  due  to  low  intermolecular  interactions. ... 15  Figure 3: Deformation of interfacial protein film with lateral compression and expansion  in the Langmuir trough, shear deformation in the shear rheology and dilatational  deformation in the pendant drop analysis. ... 18  Figure 4: Interfacial stabilization process with (I) migration, (II) adsorption, (III) film  formation and resulting protein film stability against mechanical stress in dependence  of the structural modification of  -lg in the bulk water phase. Simulated protein  pictures are taken from manuscript I & V. ... 130  Figure I-1: Graphical abstract of manuscript I. ... 24  Figure I-2: Drop volume ( ) and evaluation of protein adsorption via linear fl(x) and  exponential fit fe(x) of the interfacial tension ( ) of  -lactoglobulin at pH 7NaCl against  time via two-fluid needle experiments (n =  3,  n = 1 illustrated for clarity). (A)  0.000 wt% unoccupied interface with estimation of difference in interfacial tension 

u, (B) 0.001 wt% interfacial preoccupation with analysis of difference in interfacial 

p1  p2 and (C) 0.010 wt% interfacial preoccupation with the three  stages migration through bulk phase (I), adsorption (II) and interfacial rearrangement  (III) in accordance with Beverung et al. (1999). ... 28  Figure I-3: Setup of molecular dynamics simulation of  -lactoglobulin at pH 7 and pH 9, 

approaching to an unoccupied or preoccupied oil/water-interface. A

 of  -lactoglobulin  to  the  oil/water-interface  is  varied  in  each  simulation step. B:  -lactoglobulin in black circle approaches an oil/water-interface  with a preoccupation level of 0.0000 nm-2, 0.0135 nm-2 and 0.0135 nm-2. ... 31  Figure I-4: Stages (I) and (II) of the interfacial stabilization process and estimation of the  stabilisation state of  -lactoglobulin at pH 7, pH 7NaCl and pH  9 at interfacial  preoccupation level of  0.000, 0.001 and 0.010 wt% against MCT-oil via two-fluid  needle experiments (n = 3). A: Analysis of lag time ta (I), calculated from the point of  addition protein solution until the drop of interfacial tension. B: Evaluation of  adsorption rate (II) via slope k of exponential decrease in interfacial tension after  addition of protein solution. C: Estimation of interfacial stabilization state via delta 

u  p before and after adding protein solution. Different  letters (a – e) show significant differences between the values (p < 0.05). ... 32  Figure I-5: Interaction forces between  -lactoglobulin and MCT-oil interface as function  of the distance at pH 7 (A) and pH 9 (B) for different interfacial preoccupation levels  (0.0000, 0.0135 and 0.0303 nm-2, n = 3). ... 34  Figure I-6:  Force maps,  indicating the interaction force at different  -lactoglobulin  orientation to the MCT-oil interface for different interfacial preoccupation levels  (0.0000, 0.0135 and 0.0303 nm-2) and pH values (pH 7 and 9). ... 35 

(11)

Figure I-7: Graphical illustration of migration through bulk phase (I), adsorption at  oil/water-interface (II) and protein film formation (III) of the interfacial stabilization  process of  -lactoglobulin at pH 7, pH 7NaCl and pH 9. ... 38  Figure II-1: Graphical abstract of manuscript II. ... 42  Figure II-2: (A) FTIR second derivative spectra of Amide I band (n = 3, n = 1 illustrated)  and (B) the amount of band intensity at 1631 cm-1 (intramolecular  -sheets) and at  1616  cm-1  (intermolecular  -sheets)  of  reference  (–)  and  high  hydrostatic  pressure-treated (100 – 600 MPa)  -lactoglobulin in the bulk water phase (n = 3). (C)  MD-simulation of the amount of intramolecular  -sheets of high hydrostatic pressure- treated  -lactoglobulin at  600 MPa over time and decompression to atmospheric pressure (n = 2, n = 1 illustrated). Different letters (a – e, A – E) represent statistically significant differences (n = 3, p < 0.05). ... 50  Figure II-3: (A) CD spectra (n = 3, n = 1 illustrated) and (B) the calculated number of  -helices and unordered structure of reference (–) and high hydrostatic pressure- treated (600 MPa)  -lactoglobulin in the bulk water phase (n = 3). (C) MD-simulation  of the number of  -helices and unordered structures of high hydrostatic pressure- treated  -lactoglobulin at  600 MPa over time (n = 2, n = 1 illustrated). Different  letters (a, b and A, B) represent statistically significant differences (n = 3, p < 0.05).

 ... 51  Figure II-4: (A) Extrinsic fluorescence spectra (n = 3, n = 1 illustrated) and (B) calculated  hydrophobicity of reference (–) and high hydrostatic pressure-treated (100 – 600 MPa)  -lactoglobulin in the bulk water phase (n = 3). (C) MD-simulation of the solvent  accessible surface of high hydrostatic pressure-treated  -lactoglobulin at  600 MPa  over time (n =  2,  n =  1 illustrated). Different letters (a  – d) represent statistically  significant differences (n = 3, p < 0.05). ... 52  Figure II-5: Molecular dynamic simulation of (A) reference  -lactoglobulin with a closed  -barrel and of (B) high hydrostatic pressure-treated  -lactoglobulin at 600 MPa with  a partly “open” (unfolded)  -barrel, both in the bulk water phase (n =  2,  n = 1  illustrated). (C) Migration of water molecules inside the  -barrel of high hydrostatic  pressure-treated  -lactoglobulin at 600 MPa in the bulk water phase. ... 52  Figure II-6: (A) Extinction density against sedimentation coefficient of reference (–) and  high hydrostatic pressure-treated  -lactoglobulin at 600 MPa in the bulk water phase  measured by analytical ultracentrifuge (n = 2, n = 1 illustrated). 2D mass spectrometry  of (B) reference (–) and (C) high hydrostatic pressure-treated  -lactoglobulin at 600  MPa in the bulk water phase. ... 54  Figure II-7: (A) Lag time, (B) amount of slope of decreasing interfacial tension of the  oil/water-interface and (C) difference in interfacial tension of reference (–) and high  hydrostatic pressure-treated (100 – 600 MPa)  -lactoglobulin measured by pendant  drop analysis (n = 3). Different letters (a  – c) represent statistically significant  differences (n = 3, p < 0.05). ... 56  Figure III-1: (A) Interfacial tension of  -lg solutions (0.01 – 1.00wt% in water) in MCT-

oil as function of time (n = 3, n = 1 illustrated) and values of asymptotes of interfacial  tension (colored area in A) as function of protein content (B) analyzed by pendant  drop and exponentially plotted function  (c) with asymptote  . ... 67

(12)

Figure III-2: (A) Extrinsic fluorescence spectra of protein emulsions with 0.10 – 1.00wt% 

-lg content (solid lines, protein content is referred to protein content in water fraction  of emulsion) and 1.0wt%  -lg in water (dashed line,  n = 3,  n =  1 illustrated). (B)  Emission maxima (colored area in A) as function of protein content with linear fit  Imax,E. ... 68 Figure III-3: FTIR subtraction method to remove (A) SDS bands at approx. 1250 cm-1 

(colored area) from SDS emulsion spectra SDSE with SDS in water spectrum SDSW  to obtain SDS difference spectra SDSE,D and to further remove (B) MCT-oil band at  approx. 1750 cm-1 (colored area) from  -lg emulsion spectra  -lgE to obtain an  -lg  spectrum  -lgE,D with Amide I and II bands at approx. 1500 – 1700 cm-1 (colored  area). ... 69  Figure III-4: (A) FTIR spectra  -lgE,D of the Amide I and II region for protein emulsions  with 0.10 – 1.00wt%  -lg content (solid lines) and 1.0wt%  -lg in water (dashed line,  n = 3, n = 1 illustrated). (B) Peak intensity ratio PIR of Amide I/Amide II (colored  area in A) against  -lg content (protein content is referred to protein content in water  fraction of emulsion) with a double asymptotic function PIR(c) and asymptotes PIR0  and PIR . ... 70  Figure III-5: (A) Second derivative FTIR spectra of  -lgE,D in the Amide I region with  0.10 – 1.00wt%  -lg content in emulsion (solid lines, protein content is referred to  protein content in water fraction of emulsion) and 1.00wt%  -lg in water (dashed line,  n = 3, n = 1 illustrated). (B) Intensity of 1630 cm-1-band of FTIR second derivative  spectra (colored area in A) against protein content and exponential fit I(c) with  asymptote I  and horizontal dashed line for 1.00wt%  -lg in water. ... 72  Figure III-6: Whey protein  -lg adsorption at oil/water-interfaces as a function of protein  content. Equilibrium between adsorbed and bulk protein tends towards adsorbed  protein at stage I and is on side of bulk protein at stage III. The critical interfacial  region is in stage II; the oil/water-interface is fully occupied and the interfacial film  becomes denser upon protein addition. ... 73  Figure IV-2: Absorbance intensity against wavenumber of FTIR second derivative spectra  of 0.1wt%  -lactoglobulin in water (black symbols) and in emulsion (protein/water/oil  ratio of 0.1/94.9/5.0, white symbols) at pH 7 (A), pH 7NaCl (B) and pH 9 (C). ... 84  Figure IV-3:  Langmuir  trough  analysis  of  pressure-area  isotherms  I-A  during  compression (black  symbols) and  expansion (white symbols)  of the  oil/water- interface, occupied with 0.1wt%  -lactoglobulin at pH 7 (A), pH 7NaCl (B) and 1.0wt% 

-lactoglobulin pH 9 (C). Arrows to the left indicate the compression and arrows to  the right the expansion of the oil/water-interface. ... 85  Figure IV-4: Interfacial protein film formation with storage modulus G' (black symbols)  and loss modulus G'' (white symbols) against time, analyzed  by interfacial shear  rheology of 0.1wt%  -lactoglobulin at pH 7 (A), pH 7NaCl (B) and pH 9 (C) against  MCT-oil. Frequency and amplitude were kept constant at ƒS = 0.1 Hz and  S = 0.1%.

 ... 85  Figure IV-5: Frequency sweeps with storage modulus G' (black symbols) and loss modulus  G'' (white symbols) against frequency (ƒS = 0.001 – 1 Hz), analyzed by interfacial  shear rheology of 0.1wt%  -lactoglobulin at pH 7 (A), pH 7NaCl (B) and pH 9 (C)  against MCT-oil. Amplitude was kept constant at  S = 0.1%. ... 86 

(13)

Figure IV-6: Amplitude sweeps with storage modulus G' (black symbols) and loss  modulus G'' (white symbols) against amplitude ( S =  0.01  – 100%), analyzed by  interfacial shear rheology of 0.1wt%  -lactoglobulin at pH 7 (A), pH 7NaCl (B) and pH  9 (C) against MCT-oil. Frequency was kept constant at ƒS = 0.3%. Grey area  corresponds to linear viscoelastic region (LVE) calculated from 5% deviation of G'.

 ... 86  Figure IV-7: Lissajous plots with change in interfacial tension  against relative change  in drop area  / analyzed  by  interfacial dilatational rheology of 0.1wt%  - lactoglobulin at pH 7 (A), pH 7NaCl (B) and pH 9 (C) against MCT-oil at different  deformation amplitudes; (1) 0.95%, (2) 5.60% and (3) 11.35%. Frequency was kept  constant at ƒD = 0.01%. ... 87  Figure V-1: Graphical abstract of manuscript V. ... 98  Figure V-2: Structural analysis of 0.1wt% reference -lg (grey circles) and hydrostatic  pressure-treated  -lg at 600 MPa (blue squares) in emulsion (protein/water/oil ratio of  0.1/94.9/5.0); (A) FTIR second derivative spectra in Amide I region (n = 3, n = 1  illustrated) with a decrease in  -helices at approx. 1651 cm-1 and intramolecular  - sheets at approx. 1628 cm-1 and (B) extrinsic fluorescence analysis at an excitation  wavelength of 390 nm with a maximum at approx. 466 nm (n = 3). ... 105  Figure V-3: (A) Pressure-area isotherms  -A of reference  -lg (grey) in accordance with  Kieserling et al. (2021b) and hydrostatic pressure-treated  -lg at  600 MPa (blue)  measured by Langmuir trough analysis during compression and expansion of the  oil/water-interface (n = 2, n = 1 illustrated). (B) Simulated and measured EPR spectra  of TB differently partitioned into the three phases. (C) Rotational correlation time  C  (microviscosity)  of  individual  TB  populations  and  (D)  order  parameter  S  (microstructural order) of the protein at the oil/water-interface and the oil phase in  emulsions containing reference  -lg (grey) and hydrostatic pressure-treated  -lg at  600 MPa (blue). Parameters were determined by line-shape analysis of EPR spectra. 

Different letters indicate significant differences in the samples (n = 3, p < 0.05). .. 106  Figure V-4: (A) Decrease in interfacial tension of 0.1wt% reference  -lg (grey) and  hydrostatic pressure-treated  -lg at 600 MPa (blue) against MCT-oil, measured by  pendant drop system over time (n = 3, n = 1 illustrated). The horizontal dashed line  represents the interfacial tension of water against MCT-oil. (B) Protein film formation  of 0.1wt% reference  -lg (grey circles) and hydrostatic pressure-treated  -lg at 600  MPa (blue squares) with interfacial storage modulus G' (dark symbols) and loss  modulus G'' (light symbols) against MCT-oil (n = 3) as a function of time, measured  with interfacial shear rheology at constant frequency and amplitude (ƒS = 0.1 Hz,  0 =  0.1%). ... 107  Figure V-5: (A) Amplitude sweep ( = 0.92 – 11.26%) of 0.1wt% reference  -lg (grey  circles) and hydrostatic pressure-treated  -lg at 600 MPa (blue squares) with storage  modulus E' (dark symbols) and loss modulus E'' (light symbols) against MCT-oil  (n = 3),  measured  by  interfacial dilatational rheology.  The frequency was kept  constant at ƒD = 0.01%. (B) Lissajous plots with change in interfacial tension  against change in drop area  A/Aat the deformation amplitudes (1) 3.68%, (2) 7.43% 

and (3) 11.26%. ... 108 

(14)

Figure V-6: (A) Amplitude sweeps ( S = 0.01 – 100%) of 0.1wt% reference  -lg (grey  symbols) and hydrostatic pressure-treated  -lg at  600 MPa (blue symbols) with  interfacial storage modulus G' (dark symbols) and loss modulus G'' (light symbols)  against MCT-oil (n = 3), measured by interfacial shear rheology. The frequency was  kept constant at ƒS = 0.3%. Maximum amplitude of loss modulus G'' fluctuate around  zero and are not displayed in a logarithmic scale. (B) Elastic and (C) viscous Lissajous  plots, calculated by shear stress against either strain or strain rate at the amplitudes (1)  4.62%, (2) 21.40% and (3) 99.40%. ... 110  Supplementary data S II-1: High hydrostatic pressure (p) and temperature (T) during the  treatment time of 10 min. ... 161  Supplementary data S II-3: Residual analysis of SV-AUC data. Upper part shows  measured sedimentation profiles (data points) and numerical solutions of Lamm’s  equation (straight lines). Lower part visualizes random residuals, which confirms the  validity of the model. The data was created using GUSSI. ... 163  Supplementary data S II-4: Amount of band intensity of FTIR second derivative spectra  at 1645 cm-1 (unordered structure) and at 1655 cm-1 ( -helix) of reference (–) and high  hydrostatic pressure-treated (100 – 600 MPa)  -lactoglobulin in the bulk water phase  (n =  3,  n =  1 illustrated). Different letters (a  – e, A  – C) represent statistically  significant differences (n = 3, p < 0.05). ... 163  Supplementary data S II-5: Calculated percentage of  -sheets and turns from CD spectra  of reference (–) and high hydrostatic pressure-treated (600 MPa)  -lactoglobulin in  the bulk water phase. Different letters (a, b and A, B) represent statistically significant  differences (n = 3, p < 0.05). ... 164  Supplementary data S II-7: Molecular dynamic simulation of (A) reference  -lg with  Trp19 facing the inside of the protein structure and (B) high hydrostatic pressure- treated  -lg at 600 MPa with an exposed Trp19 towards the bulk water phase. ... 165  Supplementary data S II-8: Overall interaction potential as a function of the separation  distance for  -lg monomers and  -lg dimers. The interaction potential was calculated  based on DLVO interactions. ... 166  Supplementary data S III-1: (A & C) Extrinsic fluorescence spectra of protein emulsions  with 0.1 – 1.0wt%  -lg content (continuous lines) and 1.0wt%  -lg in water (dotted  line) treated with ANS with excitation wavelength 390 nm and emission wavelength  scan of 420 – 540 nm (n = 3, n = 1 illustrated for clarity). (B) Emission maxima against  protein content and emission maxima of 1.0wt%  -lg in water  max,W. (C) Peak  intensity ratio of approx. 470/530 nm peak of extrinsic fluorescence emission spectra  as function of protein content in  -lg emulsions from 0.1 – 1.0wt% protein and value  of -lg in water (dotted line). ... 167  Supplementary data S III-2: (A & B) Non-reproducible FTIR subtraction method to  obtain an adsorbed  -lg spectrum by subtraction of plain water and MCT-oil spectrum  from  -lg emulsion spectrum. (C & D) Box plot of oil droplet distribution of analyzed  -lg emulsions from 0.1 – 1.0wt% protein and 0.2wt% SDS as well as intensity of  Amide I band plotted against median of oil droplet distribution with no correlation.

 ... 168  Supplementary data S IV-1: Reduced osmotic pressure  R against protein content cP,  analyzed with membrane-osmometry of  -lactoglobulin at pH 7 (A), pH 7NaCl (B) and 

(15)

Supplementary data S IV-2: FTIR second derivative spectra band wavenumbers and band  intensities in Amide I band region of 0.1wt%  -lactoglobulin in water and in emulsion  (protein/water/oil ratio of 0.1/94.9/5.0) at pH 7, pH 7NaCl and pH 9. ... 169  Supplementary data S IV-3: Extrinsic fluorescence emission intensity against wavelength  of 0.1wt%  -lactoglobulin in emulsion (protein/water/oil ratio of 0.1/94.9/5.0) at pH  7 (A), pH 7NaCl (B) and pH 9 (C). ... 169  Supplementary data S IV-4: Oil droplet distribution of 0.1wt%  -lactoglobulin in  emulsion (protein/water/oil ratio of 0.1/94.9/5.0) at pH 7 (A), pH 7NaCl (B) and pH 9  (C). ... 169  Supplementary data S V-1: High hydrostatic pressure (p) and temperature (T) during the  treatment time of 10 min. ... 170  Supplementary data S V-2: Interfacial shear rheological frequency sweeps of 0.1wt% 

reference  -lg (grey circles) and hydrostatic pressure-treated  -lg at 600 MPa (blue  squares) with interfacial storage modulus G' (dark symbols) and loss modulus G''  (light symbols) in the range of ƒS = 0.001 – 1 Hz. ... 170  Supplementary data S V-3: (A) Relative proportion of TB and (B) hyperfine splitting  constant aN (micropolarity) in the different phases of emulsions containing reference  -lg (grey columns) and hydrostatic pressure-treated  -lg at 600 MPa (blue columns).  Both parameters were determined by line-shape analysis of EPR spectra. Different  letters indicate significant differences in the samples (n = 3, p < 0.05). ... 170 

(16)

Table 1: Amino acid composition of whey protein  -lactoglobulin (in accordance with  Farrell et al., 2004) ... 7  Table 2: Overview of the generated protein structures in the bulk water phase with  simulated  -lactoglobulin pictures taken from manuscript I & II. ... 118  Table I-1 -potential, particle size (radius r), hydrophobicity R and calculated  lag time tc with standard deviation of  -lactoglobulin at pH 7, pH 7NaCl and pH 9 for  preoccupation levels (0.000,  0.001 and  0.001 wt%). Different letters (a,  b, c) in a  column show significant differences between the values (n = 3, p < 0.05). ... 33  Table II-1:  Molecular  weight  and  second  virial  coefficient  B’,  conducted  by  membrane-osmometry as well  as  -potential of reference and high  hydrostatic  pressure-treated  -lactoglobulin ( -lg) in the bulk water phase. Different letters (a, b)  in a column show significant differences between the values (n = 3, p < 0.05). ... 55  Table V-1: Interfacial shear and dilatational parameters of pressure-treated (600 MPa) and  reference  -lg. Different letters indicate significant differences in a row (n = 3, p < 

0.05). ... 109 

(17)

  Wavenumber 

A  Drop area 

aN   Hyperfine splitting parameter

ANS  8-anilinonaphthalene-1-sulfonic-acid AUC    Analytical ultra centrifugation cb  Bulk protein concentration

CD    Circular dichroism

CIC    Critical interfacial concentration CMC    Critical micellar concentration

d   Relative weight

Dc Diffusion coefficient

E'  Interfacial dilatation rheological storage (elastic) modulus E''  Interfacial dilatation rheological loss (viscous) modulus E* Interfacial dilatation rheological complex modulus EPR    Electron paramagnetic resonance

FTIR  Fourier-transform infrared spectroscopy

ƒ Frequency of dilatation

G'  Interfacial shear rheological storage (elastic) modulus G''  Interfacial shear rheological loss (viscous) modulus G* Interfacial shear rheological complex modulus

h+1   Low field peak

h0 Middle field peak

IR Infrared

k  Highest slope of decreasing interfacial tension

kB Boltzmann constant

LMW  Low molecular weight

LVE    Linear viscoelastic

Lw   Line shape

m  Mass

MCT  Medium-chain-triacylglycerol

MS  Mass spectrometry

NLVE  Non-linear viscoelastic

pH 7HP High hydrostatic pressure treatment at pH 7 pH 7NaCl pH value of 7 and addition of 0.1 M NaCl

PIR  Peak intensity ratio

r  Radius

S  Order parameter

SDS  Sodium-dodecyl-sulfate

SV  Sedimantation velocity Temperature

(18)

ta Analytical lag time 

tan Interfacial shear rheological loss factor (G''/G')   tan Interfacial dilatation rheological loss factor E''/E') 

tc Calculated lag time 

t Theoretical lag time 

UV/Vis Ultraviolett/visible  vm  Vibration frequency 

VMD  Visual molecular dynamics 

W  Broadening constant 

Interfacial concentration  

  Dynamic viscosity  

     Wavelength  

µ   Reduced mass  

   Frequency  

c   Rotational correlation time  Mean drop area

-lg    -lactoglobulin 

D   Amplitudes of dilatation  Interfacial tension

Mean of interfacial tension

(19)

Many common food products such as beverages, dairy products, dressings and soups are  dispersed systems, in particular emulsions. Nanoemulsions and more complex systems  such as multiple-emulsions are increasingly being used as targeted delivery systems for  functional food ingredients such as vitamins, flavors and colors in foods (Donsì et al., 2011; 

Muschiolik, 2007; Velikov & Pelan, 2008). In the case of oil/water-emulsions, non-polar  oil is dispersed as droplets in the polar bulk water phase. During the emulsification process,  the interfacial tension between the oil and water is reduced through emulsifiers that adsorb  at the oil/water-interface (Bos & van Vliet, 2001; Dickinson, 2010; Foegeding & Davis,  2011). As reviewed by Lam and Nickerson (2013), the food industry prefers natural high  molecular weight emulsifiers like whey proteins over synthetic low molecular weight  emulsifiers such as monoglycerides to stabilize the dispersed oil droplets in the bulk water  phase. Since the size distribution of the oil droplets determines the characteristic properties  of emulsion-based products, e.g., texture and color, a small oil droplet size is aimed for  (Dalgleish,  2006).  In  order  to  produce  the  desired  oil  droplet  size  distribution,  emulsification requires different processes ranging from the more gentle membrane  emulsification to a high energy input by using high pressure homogenization (Floury et al.,  2000; Spyropoulosa et al., 2011). 

The stabilization  of oil/water-interfaces with proteins like the aforementioned whey  proteins is a complex process. In the neutral bulk water phase, the major whey protein  -lactoglobulin ( -lg) has a negative net charge and exhibits a globular structure. Its  secondary  structure mainly  comprises intramolecular  -sheets,  -turns,  random coil  structures and a short segment of  -helices in the folded state (Creamer et al., 1983). The  tertiary structure refers to the conformation of the folded secondary structure elements and  corresponds with its surface hydrophobicity, since hydrophobic amino acid residues face  towards the inside of the protein structure (Southall et al., 2002; Tanford, 1997). Finally,  the quaternary structure describes the association of the monomeric subunit, resulting in a  sensitive equilibrium of  -lg monomers, dimers and octamers (Sawyer et al., 1999; Taulier 

& Chalikian, 2001).  

Subsequent interfacial stabilization can be described in simplified terms as a three-staged  process (Baldursdottir et al., 2010; Beverung et al., 1999). The protein (I) migrates through  the bulk water phase, (II) adsorbs at the oil/water-interface and (III) forms an interfacial  protein film. More specifically, the migration of proteins from the bulk to the oil/water- interface in stage (I) is a convection- and diffusion-controlled step that mainly depends on  the hydrodynamic radius in the bulk water phase, which is closely linked to the unfolding  state and the quaternary structure of the protein (Baldursdottir et al., 2010; Ravera et al.,  2005). The migration (I) and adsorption in stage (II) are affected by the increasing amount  of protein at the oil/water-interface as a consequence of changes in the concentration  gradient (Beverung et al., 1999; Mezzenga & Fischer, 2013; Wahlgren et al., 1997). The  adsorption rate depends on the affinity between the protein and the non-polar oil phase and

(20)

it is increased by hydrophobic interactions (Baldursdottir et al., 2010; Dickinson, 1998; 

Erni, Windhab, & Fischer, 2011; Singh, 2011). By contrast, high electrostatic repulsion and  a  pronounced  steric  hindrance  between  the  proteins  slows  down  the  adsorption  (Dombrowski et al., 2016; Wahlgren et al., 1997). In stage (III), the formation and  properties of the interfacial protein film are determined by the interfacial molecular density  of the proteins and the unfolding that favors the intermolecular interactions between  adsorbed proteins, resulting in a film with viscoelastic properties (Bos & van Vliet, 2001; 

Lucassen-Reynders, 1993; Petkov et al., 2000; Sagis & Scholten, 2014). Put simply, the  unfolding of the secondary structure, the surface hydrophobicity (tertiary structure), the  molecular weight (quaternary structure) and charge determine the interfacial stabilization  process of proteins. Due to the high system dynamics, the stabilization process is much  more complex during emulsification but the basic steps, as outlined above, still hold true  and determine emulsion characteristics and stability. 

Besides stabilization, destabilizing phenomena may occur in emulsions, thereby limiting  the shelf-life.  These result from mechanical stress of the  oil/water-interface  during  subsequent processing as well as from the thermodynamical instability. At the micro-level,  the mechanical stress on an oil/water-interface can occur in the form of lateral compression  and expansion as well as shear and dilatational deformation (Benjamins et al., 2006; Krägel 

& Derkatch, 2010; Murray, 1997; Murray et al., 2002; Petkov et al., 2000). Both, lateral  compression and expansion and shear stress appear as two-dimensional deformation along  the oil/water-interface, while the composition of the interfacial area is not affected. By  contrast,  dilatational  deformation  appears  as  a  three-dimensional  compression  and  expansion, and therefore it includes changes in the composition of the interfacial area, i.e.,  through de- and adsorption of protein molecules. The resistance of an interfacial protein  film against mechanical stress is closely linked to its viscoelastic properties that comprise  an elastic part accounting for the solid character and a viscous part accounting for the liquid  character (Benjamins et al., 2006; Bos & van Vliet, 2001). A high stability of the interfacial  protein film requires a high elastic-to-viscous ratio (Dickinson, 1998; Freer et al., 2004; 

Lam & Nickerson, 2013; Murray, 1998; Rühs et al., 2012) and can be achieved through  many and strong attractive intermolecular interactions between adjacent proteins. In  particular, covalent disulfide bonds as well as non-covalent electrostatic interactions,  hydrogen bonds, hydrophobic associations and van der Waals interactions increase the  elasticity, and thus the protein film stability against mechanical stress (Murray, 1998; Rühs  et al., 2012; Ziegler & Foegeding, 1990). At the macro-level, there are several forms of  emulsion destabilization mechanism, all of which result in phase separation into oil and  water, since this is the most thermodynamically stable state (Capek, 2004). Dispersed oil  droplets tend to flocculate, merge together (coalesce) and cream (Bos & van Vliet, 2001; 

Dalgleish, 1997b; Dickinson, 1998; Sriniv et al., 1999; Tcholakova, Denkov, Sidzhakova,  Ivanov, & Campbell, 2005). In this context, the repulsion between two dispersed oil  droplets is highly desirable, resulting from the electrostatic repulsion between equal 

(21)

intermolecular interactions  between  the adsorbed  adjacent proteins at the oil/water- interface should be predominantly attractive to build strong protein films that resist the  aforementioned mechanical stress. By contrast, the intermolecular interactions between  two approaching oil droplets and therefore between interfacial proteins films should be  predominantly repulsive (Capek, 2004). It becomes apparent that a conflict of interests in  respect to the molecular interactions exists.  

The molecular interactions also define the protein structure. Since interactions are not static  and vary with the ambient conditions, the protein structure is easily affected throughout the  interfacial stabilization process. Moreover, the structural properties of proteins at the  oil/water-interface depend on the protein structure in the bulk water phase (Dalgleish, 1996;  Y. Fang & Dalgleish, 1997; Husband et al., 2001; Tcholakova, Denkov, Sidzhakova, et al., 2006). Despite the fact that each stage of the interfacial stabilization process has already been analyzed individually, none of these studies have connected all three stages, while systematically analyzing the molecular interacions and protein structure to explain the resulting  film stability. Consequently, several authors have emphasized the need for comprehensive and systematic investigations that range from the protein in the bulk water phase to its film stability against mechanical stress (Krägel & Derkatch, 2010; Murray, 2011; Wilde, 2000). Furthermore, recent studies emphasize that not only the molecular interactions determine the structure of the adsorbed proteins, but also vice versa, namely that the protein structures exercise a strong influence on the intermolecular interactions, and therefore the viscoelastic properties of the protein film (Dickinson, 2011; Keppler et al., 2018; Lam & Nickerson, 2013; Murray, 2011; Rühs et al., 2012; Sagis & Scholten, 2014; Zhai et al., 2010). In consequence, the understanding of the complex interplay of molecular interaction and the structural properties of the proteins at the oil/water-interface is a necessary prerequisite to understand the mechanisms behind the protein film stability against mechanical stress.

This thesis aims to investigate the influence of the protein structure on the interfacial  stabilization process, the (I) migration, (II) adsorption and (III) protein film formation and  the resulting protein film stability at the oil/water-interface. Consequently, the systematic  investigation of the interfacial behavior requires the controlled modification of the protein  structure. Structural modifications can be achieved by varying the surrounding bulk water  conditions, that is pH value, ionic strength and high hydrostatic pressure (Considine et al.,  2007; Liu et al., 2009; Majhi et al., 2006; Mercadante et al., 2012; Sakurai & Goto, 2002; 

Sawyer & Kontopidis, 2000; Taulier & Chalikian, 2001). The variation in the pH value  determines the protonation state of the amino acid residues within the primary structure of  the protein and it further determines the protein net charge, the unfolding of the structure  and the surface hydrophobicity due to an exposition of hydrophobic amino acid residues  (Lindman et al., 2006; McKenzie & Sawyer, 1967; Mercadante et al., 2012; Sakurai & 

Goto, 2002). Monovalent salts like NaCl shield electrostatic interactions by attaching to  oppositely charged amino acid residues (Aymard et al., 1996; Renard et al., 1998). High  hydrostatic pressure treatment varies the unfolding of proteins  by compression of the  protein structure, resulting in changes on all structural levels (Considine et al., 2007). Given 

(22)

various controversial discussions have ensued concerning the structure of  -lg (Considine  et al., 2007; Liu et al., 2009; Majhi et al., 2006; Mercadante et al., 2012; Sakurai & Goto,  2002; Sawyer & Kontopidis, 2000; Taulier & Chalikian, 2001). Another challenge for the  systematic interpretation of the protein structure, interfacial stabilization process and  resulting protein film stability is the lack of precise methods for analyzing the structural  changes upon adsorption at the oil/water-interface (Dalgleish, 2006). As highlighted by  Zhai et al. (2013), in most analytical methods this is due to the superimposition of the  measurement signals of the protein and its surrounding oil and water phases, often caused  by  light  scattering  effects  of  the  dispersed  oil  droplets.  At  present,  the  surface  hydrophobicity of the proteins at the oil/water-interface can be estimated with fluorescence  analysis and the net charge of the adsorbed proteins  by determining the  -potential  (Donsmark & Rischel, 2007; Sakuno et al., 2008; Tcholakova et al., 2005; Zhai et al.,  2011). Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) generally is a highly sensitive  method to detect changes in the secondary structure but there is no method available to  obtain accurate protein signals at the oil/water-interface of emulsions so far.  

(23)

To fulfill the aim of the present thesis, the structure of model protein  -lg in the bulk water  phase was intentionally modified by pH, ionic strength and high hydrostatic pressure to  induce changes in the folding of secondary structure, hydrophobicity, molecular weight and  charge (manuscript I & II). In this context, the analysis of structural changes during  adsorption  at  the  oil/water-interface required  the  optimization  of an  FTIR  method  (manuscript III). While the first and second stages of the interfacial stabilization process  were characterized in manuscript I and II, the discussion of the third stage and the film  stability are part of manuscript IV and V. Regarding the interfacial stabilization process  and protein film stability, the following hypotheses were defined. 

Since the migration in stage (I) of the interfacial stabilization process is controlled by both  diffusion  and  intermolecular  interactions,  the  combination  of  a  high hydrodynamic  diameter,  caused  by  a  partly  unfolded  structure  and  a  dimeric conformation, with an electrostatic repulsion of charged proteins reduces the migration through the bulk water phase. By comparison, an increased charge is compensated by a low hydrodynamic radius and a dimeric conformation  by electrostatic shielding, resulting in no effect on the migration (manuscript I & II).

In stage (II) of the interfacial stabilization process, the adsorption rate is increased by both  an  increased  surface  hydrophobicity,  which  enhances  the  affinity  to  the hydrophobic oil phase, as well as electrostatic shielding of the proteins due to the reduced intermolecular repulsion, whereas the steric difference between monomeric and dimeric conformations does not influence the adsorption rate (manuscript I & II).

In stage (III) of the interfacial stabilization process, electrostatic shielding favors a high interfacial molecule density but also impedes further unfolding of adsorbed proteins, resulting in weak interactions and low elastic properties of the interfacial protein film. An increase of the surface charge will lower the interfacial molecular density  due  to  electrostatic  repulsion  of  the  adsorbed  proteins,  while  a  high hydrophobicity favors the formation of intermolecular interactions and thus elasticity (manuscript IV & V).

The protein film stability against lateral compression and expansion, shear and small dilatational deformation of the oil/water-interface correlates with pronounced elastic properties and thus the attractive intermolecular interactions of the adsorbed proteins during (III) film formation. By contrast, at high dilatational deformation, the protein film stability is sustained due to a fast (I) migration of the proteins through the bulk water phase rather than a high (II) adsorption rate due to the role of diffusional exchange  with  the  unoccupied  oil/water-interface  during  oscillation (manuscript IV & V).

(24)

This thesis aimed to investigate the interfacial behavior of the model protein  -lg in  dependence of its structure. Therefore, the first subchapter gives an overview of the  interactions that contribute to the globular structure of  -lg in water as well as tools in order  to modify the protein structure. The next subchapter focuses on the principles of FTIR,  since one of the goals of this work was to establish an FTIR method sensitive enough to  characterize minor structural changes of proteins at the oil/water-interface. In the third  subchapter the interfacial stabilization process as well as the analysis of the film stability  against mechanical stress is put forth. 

2.1 Globular Proteins in Water 

The following subchapters describe the main intra- and intermolecular interactions that  occur between the amino acid residues of globular proteins such as  -lg. Moreover, it  describes the protein structure in the bulk water phase and how the protein structure can be  modified by bulk water or processing conditions.  

2.1.1 Interactions of Globular Proteins 

In order to reach minimal free energy, the structure of globular proteins as  -lg adapt to the  surrounding conditions through favorable molecular interactions in the bulk water phase. 

Intramolecular interactions refer to interactions between amino acid residues within a  protein molecule, while intermolecular interactions designate interactions between two  molecules (i.e., protein-protein, protein-water). Molecular interactions in proteins include  covalent bonds, steric effects, electrostatic interactions, hydrogen bonds, van der Waals and  hydrophobic interactions (Israelachvili, 2011). Due to their significant role in this thesis,  the interactions are briefly described in the following subchapter based on the explanations  of Israelachvili (2011).  

Covalent bonds are short-range bonds (binding length of approx. 0.2 nm) with a binding  strength of up to 950 kJ mol-1. They involve two atoms with similar electronegativities that  share  electron  pairs  in  dependence  of  their  electronic  configuration.  Electrostatic  (Coulomb) interactions are non-covalent by nature and they occur between charged or polar  groups, i.e., between permanent or induced dipoles. They strongly vary in their binding  length and show high binding strengths of up to 800 kJ/mol. Most of the other interactions  that occur, such as steric interactions, hydrogen bonds and van der Waals interactions,  originate from electrostatic interactions. Steric interactions are repulsive by nature and they  result from the local electrostatic repulsion of electrons in the outer shells of atoms, which  hence result in steric hindrance between approaching molecules (Walstra, 2001). Hydrogen  bonds are non-covalent electrostatic interactions between a lone pair of electrons of an 

(25)

positively polarized and exhibit a small radius. However, the strength of the hydrogen  bonds is strongly affected  by the electronegativity of the hydrogen  bond donor, the  orientation of the donor and acceptor groups, the binding length and the surrounding phase. 

Typically, hydrogen bonds have  bond strengths between  10 and  40 kJ mol  and short  binding lengths of approx.  0.2 nm. Van der Waals interactions include non-covalent  interactions between two dipoles, induced dipoles or dispersion forces, and therefore they  occur between all kinds of atoms. Van der Waals interactions are weak bonds with binding  strengths between 2 and 15 kJ mol , whereas their long-range character enables binding  lengths up to 10 nm. Hydrophobic interactions are entropically-driven associations of non- polar groups in a hydrophilic surrounding phase like water that is referred to as hydrophobic  effect (Meyer et al., 2006; Southall et al., 2002; Tanford, 1997). When non-polar molecules  are incorporated in water, the water molecules rearrange in ordered cage-like structures  around the non-polar molecules, to obtain as many hydrogen bonds as possible. Since the  arrangement of the water molecules causes an energetically unfavorable decrease in  entropy, the non-polar molecules tend to associate and interact via  van der Waals  interactions. 

2.1.2 Structural Characterization of  -Lactoglobulin  

The structure of dissolved globular proteins in water is divided into the four levels of  primary, secondary, tertiary and quaternary structure. The primary structure refers to the  covalently linked amino acids within the peptide backbone of the protein. Thus, the type,  number and sequence of amino acids define the secondary, tertiary and quaternary  structural levels through specific inter- and intramolecular interactions (summarized in  Chapter 2.1.1) -lg, the protein is composed of 162 amino acids (Sawyer & 

Kontopidis, 2000), whose residues show aromatic, hydrophobic, hydrophilic uncharged,  positively- and negatively-charged properties, as summarized in Table 1. 

Table 1: Amino acid composition of whey protein  -lactoglobulin (in accordance with  Farrell et al., 2004). 

Amino acid  -lg  Amino acid  -lg 

Aromatic 

Phenylalanine  Phe 

Positively  charged 

Arginine  Arg 

Tyrosine  Tyr  Histidine  His 

Tryptophan  Tpr  Lysine  Lys  15 

Hydrophilic  uncharged 

Serine  Ser  Negatively 

charged 

Aspartic acid  Asp  10 

Threonine  Thr  Glutamic acid  Glu  16 

Asparagine  Asn 

Hydrophobic 

Alanine  Ala  15 

Glutamine  Gln  Valine   Val 

Cysteine  Cys  Isoleucine  Ile  10 

Glycine  Gly  Leucine  Leu  22 

Proline  Pro  Methionine  Met 

(26)

The secondary structure refers to highly ordered  -helices and  -sheets, stabilized by  intramolecular hydrogen bonds between carbonyl (C=O) and amino (N-H) groups of the  peptide backbone, as well as unordered random coil structures. The secondary structure of  -lg mainly comprises nine intramolecular  -sheets (approx. 50%, referred to strand A-I),  eight of them (A-H) organized into a  -barrel,  -turns (approx. 10%), a short  -helix  segment (approx. 10%) and additional parts with random coil structures with approx. 30% 

(Casal et al., 1988; Dong et al., 1996; Papiz et al., 1986; Tolkach & Kulozik, 2007). The  strands of the  -sheets are connected by loops that are referred to as  -turns when consisting  of four to five amino acid residues.  

The tertiary structure refers to the conformation of the folded secondary structure elements. 

It is stabilized  by  intramolecular interactions of the amino acid residues,  including  hydrogen bonds, hydrophobic, electrostatic and van der Waals interactions, as well as  covalent disulfide bonds (Lumry & Eyring, 1954; Southall et al., 2002; Tanford, 1997). In  particular -lg has five thiol groups, four of which are involved in disulfide bonds  (Cys66-Cys160 and Cys106-Cys119) and one (Cys121) incorporated in the interior of the  protein, the latter capable of forming intermolecular disulfide bonds (Sakurai & Goto,  2002; Alexander Tolkach & Kulozik, 2007). The tertiary structure corresponds with the  surface hydrophobicity, since hydrophobic and aromatic amino acid residues face towards  the inside of the protein structure (specifically inside secondary structure elements such as  -sheets and  -helices) the due to the hydrophobic effect (Southall et al., 2002; Tanford,  1997).  

Finally, the quaternary structure of the globular protein describes the specific arrangement  of secondary and tertiary structure, and hence the association of monomeric subunits. A  -lg exhibits a molecular weight of 18.4 kDa (Renard et al., 1998)  and is depicted in Figure 1. 

Figure 1: Molecular dynamics simulation1 of a  -lactoglobulin monomer at neutral pH  with the secondary structure elements  -sheets,  -turns,  -helix and random coil structures. 

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

For each seed protein, we use a simulation-based approach to infer its traceability, TI(t), that is defined on the interval [0, 1]. From its traceability graph and the

Thus, after inclusion of alkali polarization our calculations confirm our earlier find- ing [7] that the fivefold state is at least energetically competitive with, and probably

The aim of the current study was to characterize the role of the surface protein S of coronaviruses for virus entry using the following model systems: (a) severe acute

Thus, for type-2 two separate effects contribute: (i) the redshift of the photonic band structure due to the increase of the average thickness of the high-index plates and (ii) the

The variables are: TIER1R (Tier 1 ratio), L.TIER1R (lagged Tier 1 ratio), REST (restriction), RBP (regulatory body Power), CAPR (capital regulation), ERQ (entry requirements),

In addition to appearing as discrete clusters in axons and dendrites, Cap23 is decorating the entire plasma membrane at the inner leaflet. Therefore we reasoned that Cap23 might

In order to address this issue, we developed a data infrastructure for sci- entific research that actively supports the domain expert in tasks that usually require IT knowledge

The serles are successfully approximated by Pearson three-type theoretical curves, leading to t h e results shown in Table 1... number of observation