Protein–Protein Interactions during High-Moisture Extrusion for Fibrous Meat Analogues and Comparison of Protein Solubility Methods Using Different Solvent Systems

Abstract

Soy protein, mixed with gluten and starch, was extruded into fibrous meat analogues under high-moisture and high-temperature conditions. The protein solubility of samples collected at different extruder zones and extrudates made with different moistures was determined by 11 extraction solutions consisting of 6 selective reagents and their combinations: phosphate salts, urea, DTT, thiourea, Triton X-100, and CHAPS. Protein solubility by most extractants showed decreasing patterns as the material passed through the extruder, but the solution containing all 6 reagents, known as isoelectric focus (IEF) buffer, solubilized the highest levels and equal amounts of proteins in all samples, indicating that there are no other covalent bonds involved besides disulfide bonds. With regard to relative importance between disulfide bonds and non-covalent interactions, different conclusions could be made from protein solubility patterns, depending on the type of extracting systems and a baseline used for comparison. The observation points out pitfalls and limitation of current protein solubility methodology and explains why controversy exists in the literature. Using the IEF buffer system with omission of one or more selective reagents is considered to be the right methodology to conduct protein solubility study and thus recommended. Results obtained with this system indicate that disulfide bonding plays a more important role than non-covalent bonds in not only holding the rigid structure of extrudates but also forming fibrous texture. The sharpest decrease in protein solubility occurred when the mix passed through the intermediate section of the extruder barrel, indicating formation of new disulfide bonds during the stage of dramatic increase in both temperature and moisture. After this stage, although the physical form of the product might undergo change and fiber formation might occur as it passed through the cooling die, the chemical nature of the product did not change significantly.

Determinação da concentração de diferentes sistemas de solventes na solubilização de proteínas de análogo de carne

“…Na amostra extrusada à alta umidade, não houve diferença entre as concentrações de tampão fosfato. O tampão fosfato solubiliza apenas proteínas no estado nativo (proteínas que não sofreram desnaturação e/ou interações químicas entre si) (LIU & HSIEH, 2008).…”

“…No entanto, para o processo a alta umidade, 3% de Triton X-100 apresentou a maior solubilização de proteínas (18,08%), sendo estatisticamente diferente (P≤0,05) em relação às demais concentrações. O Triton X-100 é um reagente tensoativo não iônico (também conhecido como zwitterionic -anfótero) capaz de romper interações hidrofóbicas (LIU & HSIEH, 2008), indicando assim que a maior incidência destas interações encontra-se no análogo de carne obtido no processo de extrusão a alta umidade.…”

“…Ao realizar o processo de extrusão por alta umidade, a maior extração foi atingida com uso de 8M, a qual não apresentou diferença estatisticamente significativa em relação à 7M (P≤0,05), sendo que a extração proteica com 6 e 7M de ureia também não apresentou diferença estaticamente significativa entre si (P≤0,05). A ureia solubiliza proteínas que apresentam interações não covalentes (LIU & HSIEH, 2008).…”

“…A proteína no estado nativo apresenta solubilidade em solução salina e em meio levemente alcalino (SO4 -2 , ClO4 -1 , SCN -1 , PO4 -3 ), as ligações dissulfídricas são rompidas com reagentes redutores (β-mercaptoetanol, ditiotreitol, Na 2 SO 3 ), as ligações de hidrogênio são interrompidas com reagentes desnaturantes (ureia, tioureia, dimetilformamida), as interações hidrofóbicas são desestruturadas com reagentes detergentes aniônicos e catiônicos (dodecil sulfato de sódio, Triton, tioureia, CHAPS -3-[(3-Cholamidopropyl) dimethylammonio]-1-propanesulfonate) e as interações eletrostáticas ou iônicas são rompidas com agentes tensoativos iônicos (dodecil sulfato de sódio) (LIN et al, 2000;CHIANG, 2007;LIU & HSIEH, 2008;DAY & SWANSON, 2013 O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de diferentes concentrações de tampão fosfato (pH 7,5), SDS, β-ME, Triton X-100 e ureia na solubilização de proteínas de análogo de carne a base de isolado proteico de soja (IPS) e glúten vital (GV), obtido por extrusão termoplástica em condições de baixa (23%) e de alta umidade (60%). …”

Water-binding of protein particles

“…Methods are known that can measure which interactions act within the particles, by following their dissolution in solutions with reagents that break specific bonds; e.g., disulphide bridges. [88] However, as far as we know, there are no methods that investigate which specific interactions between the particles play a role. A second research question is whether we can identify highly swollen particles between the HG MPs with, for example, a RAMAN microscope that is sensitive enough for low protein concentrations.…”