A multi-spectroscopic study of chitosan-ovalbumin supramolecular structures formed at different pHs

Abstract

Proteins and polysaccharides are important biomolecules used in food because of their techno- functional properties as thickening, gelling and, in the case of proteins, emulsifiers/foaming agents. However, proteins are unstable at extreme processing conditions (high temperatures, presence of organic solvents and proteolytic agents), which limits their application in food formulations. An alternative to overcome this problem is the use of supramolecular structures from protein-protein and protein-polysaccharides interactions. In this research, the latter type of association was investigated. Protein-polysaccharide associative interactions allow the formation of supramolecular structures, which, in turn, present even better biological and physicochemical features, making the study of such chemical species, especially in a molecular basis, relevant for a variety of applications. However, research about the association of the protein ovalbumin (OVA) and the polysaccharide chitosan (CHS), is still scarce, especially in the food science field. Then, OVA-CHS interaction in aqueous solution of chloride acid, at different pH values (4.0 and 6.0), was studied in order to evaluate if the polysaccharide presence would cause any expressive conformational changes in the overall protein structure. Therefore, a multi-spectroscopic approach, using UV-Vis and fluorescence to analyze the tertiary structure of OVA, conjointly with FT-IR and circular dichroism to study possible secondary structure modifications, was undertaken. UV-Vis and fluorescence results showed that the biomolecules interacted at some molecular level, forming complexes without a major modification in the microenvironment polarity of the protein. Furthermore, the fluorescence analysis suggested that the quenching mechanism of chitosan is likely static. Moreover, CD and FT-IR spectroscopies revealed that changes in the secondary structure of OVA upon interacting with CHS depended on the concentration of the polysaccharide. This study showed that the biomolecules could interact at both pH values forming complexes that could be applied in food, pharmaceutical, and medical applications. Such research allowed the comprehension of basic and advanced science, which contributed to the researchers’ professional and (most important) human resource development. Keywords: Protein. Polysaccharide. Interaction. Spectroscopies. Supramolecular structures.

Proteínas e polissacarídeos são importantes biomoléculas usadas em alimentos devido às suas propriedades tecno-funcionais como agentes espessantes, gelificantes e, no caso de proteínas, emulsificantes/espumantes. No entanto, as proteínas são instáveis em condições extremas de processamento (altas temperaturas, presença de solventes orgânicos e agentes proteolíticos), o que limita sua aplicação em formulações de alimentos. Uma alternativa para superar este problema é o uso de estruturas supramoleculares formadas a partir de interações proteína- proteína e proteína-polissacarídeos. Nesta pesquisa, o último tipo de associação foi investigado. As interações associativas proteína-polissacarídeo permitem a formação de estruturas supramoleculares, as quais, por sua vez, apresentam características biológicas e físico-químicas ainda melhores, tornando o estudo dessas espécies químicas, a nível molecular, relevante para uma variedade de aplicações. Entretanto, pesquisas sobre a associação da proteína ovalbumina (OVA) e do polissacarídeo quitosano (CHS), ainda são escassas, principalmente no campo da ciência dos alimentos. Então, a interação OVA-CHS em solução aquosa de ácido clorídrico, em diferentes valores de pH (4,0 e 6,0), foi estudada para avaliar se a presença do polissacarídeo causaria alterações conformacionais expressivas nas estruturas da proteína. Assim, uma abordagem multi-espectroscópica, utilizando UV-Vis e fluorescência para analisar a estrutura terciária de OVA, conjuntamente com FT-IR e dicroísmo circular para estudar possíveis modificações da estrutura secundária, foi realizada. Os resultados de UV-Vis e fluorescência mostraram que as biomoléculas interagiram a nível molecular, formando complexos sem expressiva modificação na polaridade do microambiente da proteína. Além disso, a análise de fluorescência sugeriu que o mecanismo de supressão da OVA pelo CHS é provavelmente estático. Ainda, as espectroscopias de CD e FT-IR revelaram que mudanças na estrutura secundária da OVA ao interagir com CHS dependiam da concentração do polissacarídeo. Este estudo mostrou que as biomoléculas puderam interagir em ambos os valores de pH, formando complexos que poderiam ser aplicados em aplicações alimentares, farmacêuticas e médicas. Essa pesquisa permitiu a compreensão de ciência básica e avançada, o que contribuiu para o desenvolvimento profissional e (mais importante) dos recursos humanos do pesquisador. Palavras-chave: supramoleculares. Proteína. Polissacarídeo. Interação. Espectroscopias. Estruturas