Study of lactose / $\beta$-lactoglobulin interactions during storage

Marie Thomas , Joël Scher , Stéphane Desobry

The objective of this study was to evaluate the interactions between lactose and $\beta$-lactoglobulin in $\beta$-lactoglobulin/lactose powders (BL powders) during storage. Model BL powders were produced by co-lyophilization of lactose with increasing quantities of $\beta$-lactoglobulin. Lyophilization produced lactose in the amorphous state, which is highly reactive and likely leads to agglomeration of industrial whey powders. The BL powders were stored at 20 ± 1 °C from 0.11 to 0.95 aw and their water sorption behaviour was studied gravimetrically. Before storage, BL powders were amorphous. After storage at high aw, a loss of water was observed on the moisture sorption isotherms of BL powders due to lactose crystals formation, detected by DSC and SEM analysis, and to the structural collapse of the powders. Lactose crystallization occurred at aw = 0.43 in pure lactose samples and at aw = 0.59 in BL powders containing 40% $\beta$-lactoglobulin. Moreover, $\beta$-lactoglobulin was responsible for a delayed crystallization process in BL powders. Thus, the water sorption behaviour of BL powders was very different from the behaviour of the two compounds mixed after separate lyophilization (B+L powders). These results pointed out interactions between lactose and $\beta$-lactoglobulin, which occurred during the lyophilization process and storage. Lactose/$\beta$-lactoglobulin interactions stabilized the BL powders against lactose crystallization. In the last part of the work, the nature of the interactions (covalent links, H bonds and hydrophobic links) and the kinetic aspect of the crystallization were studied.

Étude des interactions lactose/$\beta$-lactoglobuline lors de la conservation. Les poudres obtenues à partir de lactosérum sont très souvent utilisées comme ingrédients alimentaires car elles possèdent d'intéressantes propriétés fonctionnelles (moussantes, gélifiantes...). Lors de la conservation de ces poudres, de nombreuses dégradations biologiques et physico-chimiques altèrent les propriétés fonctionnelles des produits, ainsi que les propriétés physiques et l'aspect des poudres (écoulement, couleur...). La stabilité de ces poudres dépend également fortement de la température de conservation ainsi que de l'activité de l'eau (aw) et de la composition des produits. Des poudres modèles ont été préparées par co-lyophilisation de lactose avec des quantités croissantes (10 à 40 %) de $\beta$-lactoglobuline (poudres BL). Les poudres ont été conservées 3 mois à 20 ± 1 °C, à des activités de l'eau comprises entre 0,11 et 0,95. L'objectif de notre étude a été d'évaluer la présence ou l'absence d'interactions entre lactose et $\beta$-lactoglobuline lors de la conservation des poudres, en considérant le comportement de sorption d'eau de ces poudres. Les courbes isothermes de sorption d'eau des poudres BL ont été établies. Elles indiquent que toutes les poudres contenant du lactose libèrent de l'eau, mais à des aw différentes selon la teneur en $\beta$-lactoglobuline : à aw = 0,43 pour le lactose, à aw = 0,54 pour les poudres contenant 10 à 30 % de $\beta$-lactoglobuline, et aw = 0,59 pour les poudres à 40 % de $\beta$-lactoglobuline. Des analyses thermiques différentielles et des observations de microscopie électronique à balayage ont alors été effectuées pour vérifier que la libération d'eau dans les poudres BL est bien due à la cristallisation du lactose. Les comportements de sorption d'eau des poudres BL ont été comparés avec ceux de mélanges de lactose et de $\beta$-lactoglobuline lyophilisés séparément (B+L). Il a été montré qu'il y avait additivité des comportements de sorption d'eau dans les poudres mélangées séparément, mais pas dans les poudres co-lyophilisées ; ceci signifie que lactose et $\beta$-lactoglobuline ont interagi. Les interactions stabilisent les poudres BL en reportant l'aw de cristallisation. Ce travail précise également la nature de ces interactions. En effet, des mesures de couleur ainsi que des mesures par spectroscopie infrarouge ont montré le développement de liaisons covalentes ainsi que des liaisons hydrogènes et hydrophobes entre les deux composants.

Mots clés: whey powder; lactose; $\beta$-lactoglobulin; interaction; storage<br>---<br>poudre sérique; $\beta$-lactoglobuline; conservation

Domaines: Alimentation et Nutrition; Ingénierie des aliments

Marie Thomas, Joël Scher, Stéphane Desobry. Study of lactose / $\beta$-lactoglobulin interactions during storage. Le Lait, 2005, 85 (4-5), pp.325-333. ⟨hal-00895607⟩