Date of Award

6-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Food Science and Technology

Department

Food Science

First Advisor

Prof. Sajid Maqsood

Abstract

This dissertation focuses on enhancing the bioactivity and emulsifying properties of camel whey through peptic hydrolysis and conjugation with quercetin, respectively. Peptic hydrolysis of camel whey using pepsin was performed using a general full factorial design (33) to study the effects of temperature (30, 37, and 45°C), times (120, 240, and 360 min), and enzyme concentrations (0.5, 1, and 2%) on antihypertensive and antilipidemic properties. The generated hydrolysates showed higher inhibition of pancreatic lipase (0.465 to 7.5 mg/mL), cholesterol esterase (0.240 to 1.243 mg/mL), and Angiotensin Converting Enzyme (ACE) (0.197 to 1.307 mg/mL) compared to control camel whey. Various bioactive peptides were identified using MS-QTOF from the potential hydrolysates with lowest IC50 values and were studied through in-silico approach for possible interactions with different enzymatic markers such as Pancreatic Lipase (PL), Cholesterol Esterase (CE), and ACE. A total of three, four, two and several novel peptides with ACE, Renin, CE, and PL inhibiting potential were identified for the first time in this study.

The covalent fabrication of camel Whey Quercetin conjugates (WQ) was achieved using a combination of ultrasonication and a redox pair-generated free radical method. The formation of conjugates was confirmed through UV spectroscopy, FTIR and SDS-PAGE analyses. FTIR results suggested the presence of covalent and non-covalent linkages in the conjugates, while SDS-PAGE indicated an increase in protein mass due to the binding of polyphenols. The conjugates demonstrated improved techno-functional and bioactive properties compared to the whey proteins. The WQ displayed enhanced solubility, emulsifying and foaming properties, as well as enhanced antioxidant activity, and inhibition of enzymatic markers (hypertension and obesity).

Next, to further choose a suitable conjugation method, WQ and its selected peptic hydrolysate were conjugated with quercetin using different methods. The Alkaline Method-based (AM) conjugates exhibited higher radical scavenging activities, but lower quercetin content compared to Free Radical Mediated (FRM) conjugates. The functional properties of WQ were better than whey hydrolysate-quercetin conjugates, although the hydrolysate conjugates had higher denaturation temperatures. Due to superior emulsifying properties, the whey-quercetin conjugates fabricated using the free radical method were selected further for emulsion production, stabilization, and delivery of bioactive compounds.

WQ were used to produce and stabilize macro and nanoemulsions, which exhibited smaller particle size, higher emulsion stability, and improved thermal, pH, and oxidative stabilities compared to whey-stabilized emulsions. To further enhance the potential of WQ binary complexes, starch was complexed to form complex coacervates at a pH of 3.5 that were characterized using UV-vis spectroscopy, FTIR and SDS-PAGE. Coacervates containing starch (1%) to WQ ratio of 1:1 improved the stability in terms of storage time, pH and temperature but decreased the oxidative stability of emulsions. Moreover, addition of starch increased the complex modulus making the system more rigid. A further increase in the starch: WQ in ternary complexes decreased the overall stability of emulsions. The WQ and its ternary complexes with starch were further employed for the delivery of curcumin in a multilayer o/w emulsion (WQ: 0.5%, potato starch: 0.5%, flaxseed oil fraction: 10%). Curcumin-loaded emulsions exhibited improved thermal and photo stabilities against sunlight for a period of 45 min when stabilized by WQ compared to the whey control. Interestingly, ternary complexes and multilayer emulsions containing WQ and starch showed even higher thermal and photo stabilities. Among the different pretreated starches used, the heat and sonication pre-treatment of starch resulted in the highest amount of curcumin retention in the emulsion due to their better absorption at the oil-water interface.

In conclusion, the dissertation provides valuable insights into the potential applications of these modified camel whey proteins in improving their bioactivity, efficient delivery of curcumin and enhancing the stability of emulsions. Thus, the modification of camel whey proteins through peptic hydrolysis and conjugation with quercetin will enable the production of bioactive peptide enriched hydrolysates and functional emulsion-based foods, respectively, that will be enhanced industrial utilization of camel milk proteins.

Arabic Abstract

تعزيز النشاط الحيوي ووظيفة مصل الإبل عن طريق التحلل المائي الأنزيمي و الاقتران مع كيرسيتين

تركز هذه الرسالة على تعزيز النشاط الحيوي وخصائص الاستحلاب لمصل بروتين حليب الأبل من خلال التحلل الهضمي والاقتران مع كيرسيتين. تم إجراء التحلل الهضمي لمصل بروتين حليب الأبل باستخدام البيبسين باستخدام تصميم عاملي كامل (33) لدراسة تأثيرات درجة الحرارة (30، 37 ، و 45) درجة مئوية، مدة التحليل(120 ، 240 ، 360 دقيقة) ، وتركيزات الإنزيم (0،1، و 2%) على الخواص الخافضة للضغط والشحميات. أظهرتالهيدروليزات التي تم الحصول عليها من التحلل الهضمي لمصل بروتين حليب الأبل على تثبيطا أعلى للليباز البنكرياس (0.465 إلى 7.5 مجم / مل)، وإستراز الكوليسترول (0.240 إلى 1.243 مجم مل)، وإنزيم تحويل الأنجيوتنسين (0.197 إلى 1.307 مجم / مل) مقارنة بمصل بروتين حليب الأبل غير المهضوم. تم تحديد العديد من الببتيدات النشطة بيولوجيًا باستخدام MS-QTOF من الهيدروليزات التي أظهرت تثبيطا أعلى للأنزيمات بتركيز مثبط منخفض وتم دراستها من خلال نهج للتفاعلات المحتملة مع العلامات الأنزيمية المختلفة مثل CE، PL و ACE. تم تحديد ما مجموعه ثلاثة وأربعة واثنين والعديد من الببتيدات الجديدة لديها القدرة على تثبيط ACE رينين CE و PL لأول مرة في هذه الدراسة.

تم تحقيق التصنيع التساهمي لمصل بروتين حليب الأبل والكيرسيتين (WQ) باستخدام مزيج من الموجات فوق الصوتية وطريقة الجذور الحرة الناتجة عن الأكسدة والاختزال. تم تأكيد تكوين الاتحادات من خلال التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية وتحليلات ال FTIR و SDS-PAGE أشارت نتائج ال FTIR إلى وجود روابط تساهمية وغير تساهمية في الاتحادات، بينما أشار تحليل ال SDS-PAGE إلى زيادة في كتلة البروتين بسبب ارتباط البوليفينول. أظهر الاتحادات خصائص تقنية وظيفية ونشطة بيولوجيا محسنة مقارنة بمصل بروتين حليب الأبل غير المهضوم. أظهر ال WQ قابلية محسنة للذوبان والاستحلاب وخصائص الرغوة، بالإضافة إلى تعزيز نشاط مضادات الأكسدة وتثبيط العلامات الأنزيمية (ارتفاع ضغط الدم والسمنة).

بعد ذلك، لمزيد من اختيار طريقة الاقتران المناسبة، تم اقتران WQ والببتيدات التي تم الحصول عليها من إجراء التحلل الهضمي لمصل بروتين حليب الأبل مع كيرسيتين باستخدام طرق مختلفة. أظهر الاتحادات القائمة على الطريقة القلوية (AM) أنشطة كسح جذرية أعلى، ولكن محتوى كيرسيتين أقل مقارنة بمقارنات FRM. كانت الخصائص الوظيفية لـ WQ أفضل من اتحادات مصل بروتين حليب الأبل المهضوم - كيرسيتين، على الرغم من أن اتحادات مصل بروتين حليب الأبل المهضوم كان لها درجات حرارة تمسخ أعلى. نظرا لخصائص الاستحلاب الفائقة، تم اختيار اتحاد مصل حليب الأبل كيرسيتين المصنوع باستخدام طريقة الجذور الحرة بشكل أكبر لإنتاج المستحلب، والاستقرار، وإيصال المركبات النشطة بيولوجيا.

تم استخدام WQ لإنتاج واستقرار المستحلبات الكلية والنانوية، والتي أظهرت حجمًا أصغر للجسيمات، وثباتًا أعلى للمستحلب، واستقرارًا حراريًا محسّنًا، ودرجة الحموضة، والأكسدة مقارنةً بمستحلبات مصل بروتين حليب الأبل المستقرة. لزيادة تعزيز إمكانات المجمعات الثنائية WQ ، تم تعقيد النشا لتشكيل حواجز معقدة عند درجة حموضة 3.5 والتي تم تمييزها باستخدام التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية و FTIR و SDS-PAGE . يحسن الحشو المحتوي على النشا ( 1 ٪) و WQ بنسبة 1:1 الاستقرار من حيث وقت التخزين، ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة، ولكنه يقلل من الاستقرار التأكسدي للمستحلبات. علاوة على ذلك، أدت إضافة النشا إلى زيادة المعامل المعقد مما يجعل النظام أكثر صلابة. زيادة أخرى في نسبة النشا إلى WQ في المجمعات الثلاثية قلل من الاستقرار العام للمستحلبات. تم استخدا م WQ ومجمعاته الثلاثية مع النشا أيضًا لإيصال الكركمين في مستحلب من الزيت والماء (O/W) متعدد الطبقات (WQ: 0.5٪ ، نشا البطاطس: 0.5 ٪، جزء زيت بذور الكتان: 10 ٪ ) أظهرت المستحلبات المحملة بالكركمين ثباتًا حراريًا وضوئيًا محسّنًا ضد أشعة الشمس لمدة 45 دقيقة عند استقرارها بواسطة WQ مقارنة بمصل بروتين حليب الأبل غير المهضوم. ومن المثير للاهتمام، أن المجمعات الثلاثية والمستحلبات متعددة الطبقات التي تحتوي على WQ والنشا أظهرت ثباتًا حراريًا وصوريا أعلى. من بين النشويات المختلفة المعالجة مسبقا، النشويات التي تم معالجتها بالحرارة والموجات فوق الصوتية انتجت أكبر قدر من احتباس الكركمين في المستحلب بسبب امتصاصها الأفضل في واجهة الزيت والماء.

في الختام، توفر الرسالة المطروحة امامكم رؤى قيمة حول التطبيقات المحتملة لبروتينات مصل حليب الأبل المعدلة في تحسين نشاطها الحيوي، والتوصيل الفعال للكركمين وتعزيز استقرار المستحلبات. وبالتالي، فإن تعديل بروتينات مصل حليب الأبل من خلال التحلل الهضمي والاقتران مع كيرسيتين سيمكن من إنتاج مصل بروتين حليب الأبل مهضوم غني بالببتيد النشط بيولوجيًا وأطعمة وظيفية قائمة على المستحلب والتي ستعزز الاستخدام الصناعي لبروتينات حليب الإبل .

Download

Included in

Food Science Commons

Share

COinS