Lait 87 (2007) 443-458
DOI: 10.1051/lait:2007023

Vibrational spectroscopy applied to the study of milk proteins

Eunice C. Y. Li-Chan

The University of British Columbia, Faculty of Land and Food Systems Food Nutrition & Health program, 2205 East Mall, Vancouver, BC, V6T 1Z4, Canada

(Published online: 26 October 2007)

Abstract - Vibrational spectroscopy is a versatile tool for analysis of foods including dairy products. This paper provides an overview of techniques that may be useful to study structural properties and interactions of milk proteins. Specific examples of recent research conducted in our laboratory using Raman, micro-Raman and FT-Raman spectroscopy will be described to illustrate their applications for investigating protein-protein, protein-lipid, and protein-polysaccharide interactions, and for elucidating structure-function relationships of whey proteins and peptides. Raman spectroscopy was used to discriminate between structural changes of -lactoglobulin in transparent fine-stranded versus particulate gels. Formation of particulate gel structures led to a more hydrophilic or exposed microenvironment around tryptophan residues, compared to a more hydrophobic microenvironment in translucent gels. A decrease in the -helical content was more pronounced in translucent gels, while both types of gels retained considerable -sheet structures, consistent with the known heat-resistance of the -barrel structure of -lactoglobulin. Principal component similarity analysis demonstrated that heat treatment and heat--carrageenan interactions were the most influential factors affecting whey protein structure as monitored by spectral changes. Raman micro-spectroscopy was applied to investigate protein-lipid interactions at the interface between bovine serum albumin solution and mineral or corn oil. While Raman bands assigned to aromatic and aliphatic residues inferred involvement of hydrophobic interactions at the oil-water interface, the secondary structure was not significantly altered. Temperature-dependent changes in the Raman C-H stretching region of liposomes composed of phospholipids with varying headgroups and acyl chains were influenced by the presence of bovine lactoferricin. This approach may be useful to elucidate the interactions of cationic antimicrobial peptides with bacterial versus host cell membranes. A diverse range of other applications as well as new developments in techniques are emerging in the literature, indicating the potential for increasing use of vibrational spectroscopy in the analysis of milk and milk products.

Résumé - Spectroscopie vibrationnelle appliquée à l'étude des protéines
La spectroscopie vibrationnelle est un outil adéquat pour l'analyse des aliments, dont des produits laitiers. Cet article présente une revue des techniques qui peuvent être utiles pour étudier les propriétés structurales et les interactions entre protéines laitières. Des exemples spécifiques de recherches récentes conduites dans notre laboratoire utilisant la spectroscopie Raman, micro-Raman et FT-Raman sont décrites pour illustrer leurs applications dans l'étude des interactions protéines/protéines, protéines/lipides et protéines/polysaccharides, et dans l'élucidation des relations structure/fonction des protéines et peptides du lactosérum. La spectroscopie Raman a été utilisée pour faire la distinction entre les changements de structure de gels de -lactoglobuline filamenteux ou particulaires. La formation de structures de gel particulaire conduisait à un microenvironnement plus hydrophile ou exposé autour des résidus tryptophane comparé à un microenvironnement plus hydrophobe dans les gels translucides. Une diminution du contenu en hélices était plus prononcée dans les gels translucides, alors que les deux types de gels retenaient une proportion importante de structures en feuillets , en accord avec la thermorésistance connue de ces structures dans la -lactoglobuline. L'analyse en composante principale a démontré que les facteurs traitement thermique et traitement thermique + interactions -carraghenane étaient ceux qui influaient le plus sur la structure des protéines de lactosérum, comme montré par le suivi des changements de spectre. La spectroscopie micro-Raman a été utilisée pour étudier les interactions sérum-albumine bovine/lipides dans une interface huile-eau. Alors qu'à partir des bandes Raman attribuées aux résidus aromatiques ou aliphatiques on pouvait conclure à l'implication des interactions hydrophobes à l'interface huile-eau, la structure secondaire n'était pas significativement modifiée. Les changements température-dépendants relatifs à la région C-H du spectre Raman de liposomes composés de différents phospholipides étaient influencés par la présence de lactoferricine bovine. Cette approche peut être utile pour élucider les interactions entre peptides antimicrobiens cationiques et bactéries ou membrane cellulaire de l'hôte. Une large gamme d'autres applications ainsi que de nouveaux développements dans les techniques émergent dans la littérature, montrant les potentialités accrues d'usage de la spectroscopie vibrationnelle pour l'analyse du lait et des produits laitiers.

Key words: spectroscopy / Raman / protein / structure / interaction

Mots clés : spectroscopie / Raman / protéine / structure / interaction

Corresponding author: eunice.li-chan@ubc.ca

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