Physicochemical properties of biopolymer-stabilized colloidal particles : microfibrillated cellulose-stabilized emulsions and β-lactoglobulin-coated gold nanoparticles
Issued Date
2023
Copyright Date
2014
Language
eng
File Type
application/pdf
No. of Pages/File Size
xxiii, 197 leaves : ill.
Access Rights
restricted access
Rights Holder(s)
Mahidol University
Bibliographic Citation
Thesis (Ph.D. (Biotechnology))--Mahidol University, 2014
Suggested Citation
Thunnalin Winuprasith Physicochemical properties of biopolymer-stabilized colloidal particles : microfibrillated cellulose-stabilized emulsions and β-lactoglobulin-coated gold nanoparticles. Thesis (Ph.D. (Biotechnology))--Mahidol University, 2014. Retrieved from: https://repository.li.mahidol.ac.th/handle/20.500.14594/89711
Title
Physicochemical properties of biopolymer-stabilized colloidal particles : microfibrillated cellulose-stabilized emulsions and β-lactoglobulin-coated gold nanoparticles
Alternative Title(s)
คุณสมบัติทางเคมีกายภาพของอนุภาคคอลลอยด์ที่เสถียรด้วยโพลิเมอร์ชีวภาพ : ระบบอิมัลชันที่เสถียรด้วยเส้นใยเซลลูโลสและอนุภาคทองคำระดับนาโนที่เคลือบด้วยโปรตีนเบต้า-แลคโทโกลบูลิน
Author(s)
Abstract
This research focused on stabilization of colloidal particles using biopolymers. Two biopolymer-stabilized colloidal systems were studied; i.e. microfibrillated cellulose (MFC)-stabilized oil-in-water (o/w) emulsions and β-lactoglobulin (βLg)-coated gold nanoparticles (GNPs). This research consists of four parts. The first part investigated the effect of number of passes (1-20 passes) through a homogenizer used for MFC preparation on properties of MFC itself and also the properties and stability of o/w emulsions stabilized by MFC. MFC was prepared from mangosteen (Garcinia mangostana L.) rind using hot sodium hydroxide extraction, hydrogen peroxide bleaching, and then shearing using a homogenizer. The crystallinity index, degree of polymerization, viscoelasticity, and viscosity of the MFC decreased as the number of homogenizations passes increased, indicating that fiber degradation occurred. The 30% o/w emulsions stabilized by MFC (0.7% w/w MFC, pH = 6.8-7.2) obtained at the higher number of homogenizations passes exhibited smaller oil droplets, stronger three-dimensional network structures, and were more stable to creaming than those stabilized by MFC obtained at the lower number of homogenizations passes. The creaming stability was reduced at low pH or at high salt concentration. Thermal treatment had little influence on the creaming stability of these emulsions. The second part focused on the effect of MFC concentration (0.05-0.70% w/w) on the properties and stability of 10% o/w emulsions (pH = 6.8-7.2). In this study, MFC obtained at 20 homogenization passes was chosen due to its highest emulsion stabilizing properties. The results show that the oil droplet size, color intensity, viscoelasticity, and stability of the MFC-stabilized emulsions increased with MFC concentration. SEM and confocal micrographs revealed that MFC stabilized emulsion by Pickering mechanism. In addition, the rheological data provided evidence for network formation in the emulsions with increasing MFC concentration. All emulsions were stable to coalescence, but the stability of creaming decreased with decreasing MFC concentration. These results provided understanding of the influence of processing conditions for MFC preparation as well as its concentration on properties and stability of MFC-stabilized emulsions, leading to a new application in food industry. The third part was aimed to prepare the βLg-coated GNPs (pH 3) and to study the influence of βLg concentration on protein conformational changes and GNPs aggregation. The surface charge of GNPs changed from negative to positive with increasing βLg concentration, indicating that the globular protein molecules adsorbed to the surfaces of the particles. Extensive particle aggregation occurred when βLg did not saturate the GNP surfaces, which was attributed to electrostatic bridging flocculation. Modifications in LSPR and SERS spectra after addition of βLg to the GNP suspensions supported the adsorption of βLg to the surfaces. Moreover, SERS highlighted the importance of specific functional groups in the binding interaction and suggested conformational changes of the globular protein after adsorption. The fourth part focused on the interactions between βLg-coated GNP interfaces and bile salts (BS) at pH 7 by primarily focusing on the physicochemical and interfacial compositional changes of protein at the particle surfaces. The BS was shown to adsorb to the βLg-coated GNP surfaces and alter the interfacial composition, charge, and structure. SERS spectra of βLg-coated GNP after BS addition contained bands from both βLg and BS, indicating that the βLg was not fully displaced by the BS. The impact of the bile salts could be described by an orogenic mechanism: mixed interfaces were formed that consisted of islands of aggregated proteins surrounded by a sea of bile salts. These results provided fundamental information about the interaction between globular protein, colloidal particles, and surface-active bile salts that can be used as database for interface science in food emulsion application.
งานวิจัยนี้สนใจการทำให้อนุภาคคอลลอยด์เสถียรโดยใช้โพลิเมอร์ชีวภาพ ซึ่งศึกษาใน 2 ระบบ ได้แก่ ระบบอิมัลชันที่คงตัวโดยการใช้เส้นใยเซลลูโลสระดับไมโคร และการเคลือบอนุภาคทองคำระดับนาโนด้วยโปรตีนเบต้า-แลคโทโกลบูลิน โดยงานวิจัยนี้ประกอบไปด้วย 4 ส่วนหลัก ส่วนแรกศึกษาผลของจำนวนรอบ (1-20 รอบ) ในการผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์ของเส้นใยเซลลูโลสต่อคุณสมบัติของเส้นใยเซลลูโลสเอง รวมทั้งคุณสมบัติและความเสถียรของระบบอิมัลชันที่เตรียมโดยใช้เส้นใยดังกล่าว เส้นใยเซลลลูโลสสามารถสกัดได้จากเปลือกมังคุด โดยการใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์ร้อนร่วมกับการฟอกสีด้วยไฮโดรเจนเพอรอกไซด์ และแยกเส้นใยโดยใช้เครื่องโฮโมจิไนเซอร์ ผลการทดลองพบว่า ดัชนีความเป็นผลึก, อันดับการพอลิเมอไรเซชัน, สมบัติหยุ่นหนืดและความหนืดของเส้นใยเซลลูโลสลดลง เมื่อจำนวนรอบในการผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์เพิ่มขึ้น บ่งชี้ได้ว่าเส้นใยเกิดการแยกสลายในกระบวนการเตรียมดังกล่าว ระบบอิมัลชันชนิดน้ำมันในน้ำ (น้ำมัน 30%, เส้นใยเซลลูโลส 0.7% ค่าความเป็นกรดด่าง = 6.8-7.2) ที่คงตัวด้วยเส้นใยเซลลูโลสที่ได้จากการผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์ที่จำนวนรอบมากนั้น มีขนาดอนุภาคไขมันเล็ก, มีโครงสร้างตาข่ายสามมิติที่แข็งแรง, และมีความเสถียรต่อการเกิดครีมมากกว่าระบบอิมัลชันที่คงตัวด้วยเส้นใยที่ได้มาจากการผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์ที่จำนวนรอบน้อย ความเสถียรต่อการเกิดครีมจะลดลงเมื่ออิมัลชันมีสภาวะเป็นกรดหรือมีความเข้มข้นของเกลือสูง ส่วนอุณหภูมิมีผลต่อการเกิดครีมเพียงเล็กน้อย ส่วนที่สองได้ศึกษาถึงอิทธิพลของความเข้มข้นของเส้นใยเซลลูโลส (0.05-0.70%) ต่อคุณสมบัติและความเสถียรของระบบอิมัลชันชนิดน้ำมันในน้ำ (ไขมัน 10%, ความเป็นกรดด่าง = 6.8-7.2) ในการทดลองนี้ได้ใช้เส้นใยเซลลูโลสที่ผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์ 20 รอบ เนื่องจากให้ความคงตัวของอิมัลชันสูงสุด ผลการทดลองพบว่าขนาดอนุภาคไขมัน, ความเข้มของสี, สมบัติหยุ่นหนืด และความเสถียรของระบบอิมัลชันเพิ่มขึ้น เมื่อเส้นใยเซลลูโลสในระบบเพิ่มขึ้น ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและแบบคอนโฟคอลชนิดที่ใช้เลเซอร์ แสดงให้เห็นว่า เส้นใยเซลลูโลสทำให้ระบบอิมัลชันเสถียรด้วยกลไก "Pickering" นอกจากนี้ ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติการไหลชี้ให้เห็นว่าเกิดการสร้างร่างแหในอิมัลชันเมื่อความเข้มข้นของเส้นใยเซลลูโลสเพิ่มขึ้น โดยสรุปผลการทดลองข้างต้นเป็นประโยชน์ในการเพิ่มความเข้าใจในอิทธิพลของกระบวนการเตรียมเส้นใยเซลลูโลสต่อคุณสมบัติของเส้นใยเอง รวมถึงคุณสมบัติและความเสถียรของระบบอิมัลชันที่ใช้เส้นใยเซลลูโลสเพื่อการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอาหารต่อไป ในส่วนที่สามมุ่งเน้นถึงการเตรียมอนุภาคทองคำระดับนาโนที่เคลือบด้วยโปรตีนเบต้า-แลคโทโกลบูลินที่ความเป็นกรดด่างเท่ากับ 3 และยังศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโปรตีนและการเกิดการรวมกันของอนุภาคทองคำ พบว่า การดูดซับของโปรตีนบนผิวของอนุภาคยืนยันได้จากการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมของ LSPR และ SERS รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงประจุของอนุภาคจากลบเป็นบวก เมื่อปริมาณโปรตีนในระบบเพิ่มขึ้น การรวมกันของอนุภาคทองคำจะเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวของอนุภาคไม่ได้อิ่มตัวด้วยโมเลกุลของโปรตีนโดยกลไลการเชื่อมต่อของอนุภาคด้วยไฟฟ้าสถิตย์ นอกจากนี้สเปกตรัม SERS ยังบ่งชี้ว่าเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโปรตีนหลังจากดูดซับลงบนพื้นผิวของอนุภาค โดยมีหมู่ฟังก์ชันจำเพาะของโปรตีนเกี่ยวข้องในปฏิกิริยาดังกล่าว ส่วนที่สี่ได้ศึกษาถึงปฏิกิริยาของเกลือน้ำดีต่อคุณสมบัติทางเคมีกายภาพและการเปลี่ยนแปลงของโปรตีนบนผิวสัมผัสของอนุภาคทองคำระดับนาโนที่เคลือบด้วยโปรตีนเบต้า-แลคโทโกลบูลิน โดยศึกษาที่ความเป็นกรดด่างเท่ากับ 7 พบว่า มีการดูดซับของเกลือน้ำดีลงบนอนุภาคดังกล่าว ซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของผิวสัมผัส ประจุ และโครงสร้าง การใช้เทคนิค SERS แสดงให้เห็นว่าในระบบที่มีเกลือน้ำดีและอนุภาคที่เคลือบด้วยโปรตีน โดยรูปแบบของสเปกตรัมจะเป็นการผสมผสานระหว่างสเปกตรัมของโปรตีนและเกลือน้ำดี แสดงว่าเกลือน้ำดีสามารถเข้าแทนที่โปรตีนบนอนุภาคได้เป็นบางส่วน ซึ่งกลไกดังกล่าวเรียกว่ากลไล "Orogenic" คือ การแทนที่ของโปรตีนบนผิวสัมผัสด้วยเกลือน้ำดี โดยโปรตีนจะเกิดการรวมตัวเป็นก้อนท่ามกลางผิวสัมผัสของเกลือน้ำดีโดยรอบ โดยสรุปผลการทดลองนี้จะเป็นข้อมูลพื้นฐานเพื่ออธิบายเกี่ยวกับปฏิกิริยาระหว่างโปรตีน อนุภาค และเกลือน้ำดี และสามารถใช้เป็นฐานข้อมูลด้านวิทยาศาสตร์ผิวสัมผัสของอิมัลชันในอาหารต่อไป
งานวิจัยนี้สนใจการทำให้อนุภาคคอลลอยด์เสถียรโดยใช้โพลิเมอร์ชีวภาพ ซึ่งศึกษาใน 2 ระบบ ได้แก่ ระบบอิมัลชันที่คงตัวโดยการใช้เส้นใยเซลลูโลสระดับไมโคร และการเคลือบอนุภาคทองคำระดับนาโนด้วยโปรตีนเบต้า-แลคโทโกลบูลิน โดยงานวิจัยนี้ประกอบไปด้วย 4 ส่วนหลัก ส่วนแรกศึกษาผลของจำนวนรอบ (1-20 รอบ) ในการผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์ของเส้นใยเซลลูโลสต่อคุณสมบัติของเส้นใยเซลลูโลสเอง รวมทั้งคุณสมบัติและความเสถียรของระบบอิมัลชันที่เตรียมโดยใช้เส้นใยดังกล่าว เส้นใยเซลลลูโลสสามารถสกัดได้จากเปลือกมังคุด โดยการใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์ร้อนร่วมกับการฟอกสีด้วยไฮโดรเจนเพอรอกไซด์ และแยกเส้นใยโดยใช้เครื่องโฮโมจิไนเซอร์ ผลการทดลองพบว่า ดัชนีความเป็นผลึก, อันดับการพอลิเมอไรเซชัน, สมบัติหยุ่นหนืดและความหนืดของเส้นใยเซลลูโลสลดลง เมื่อจำนวนรอบในการผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์เพิ่มขึ้น บ่งชี้ได้ว่าเส้นใยเกิดการแยกสลายในกระบวนการเตรียมดังกล่าว ระบบอิมัลชันชนิดน้ำมันในน้ำ (น้ำมัน 30%, เส้นใยเซลลูโลส 0.7% ค่าความเป็นกรดด่าง = 6.8-7.2) ที่คงตัวด้วยเส้นใยเซลลูโลสที่ได้จากการผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์ที่จำนวนรอบมากนั้น มีขนาดอนุภาคไขมันเล็ก, มีโครงสร้างตาข่ายสามมิติที่แข็งแรง, และมีความเสถียรต่อการเกิดครีมมากกว่าระบบอิมัลชันที่คงตัวด้วยเส้นใยที่ได้มาจากการผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์ที่จำนวนรอบน้อย ความเสถียรต่อการเกิดครีมจะลดลงเมื่ออิมัลชันมีสภาวะเป็นกรดหรือมีความเข้มข้นของเกลือสูง ส่วนอุณหภูมิมีผลต่อการเกิดครีมเพียงเล็กน้อย ส่วนที่สองได้ศึกษาถึงอิทธิพลของความเข้มข้นของเส้นใยเซลลูโลส (0.05-0.70%) ต่อคุณสมบัติและความเสถียรของระบบอิมัลชันชนิดน้ำมันในน้ำ (ไขมัน 10%, ความเป็นกรดด่าง = 6.8-7.2) ในการทดลองนี้ได้ใช้เส้นใยเซลลูโลสที่ผ่านเครื่องโฮโมจิไนเซอร์ 20 รอบ เนื่องจากให้ความคงตัวของอิมัลชันสูงสุด ผลการทดลองพบว่าขนาดอนุภาคไขมัน, ความเข้มของสี, สมบัติหยุ่นหนืด และความเสถียรของระบบอิมัลชันเพิ่มขึ้น เมื่อเส้นใยเซลลูโลสในระบบเพิ่มขึ้น ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและแบบคอนโฟคอลชนิดที่ใช้เลเซอร์ แสดงให้เห็นว่า เส้นใยเซลลูโลสทำให้ระบบอิมัลชันเสถียรด้วยกลไก "Pickering" นอกจากนี้ ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติการไหลชี้ให้เห็นว่าเกิดการสร้างร่างแหในอิมัลชันเมื่อความเข้มข้นของเส้นใยเซลลูโลสเพิ่มขึ้น โดยสรุปผลการทดลองข้างต้นเป็นประโยชน์ในการเพิ่มความเข้าใจในอิทธิพลของกระบวนการเตรียมเส้นใยเซลลูโลสต่อคุณสมบัติของเส้นใยเอง รวมถึงคุณสมบัติและความเสถียรของระบบอิมัลชันที่ใช้เส้นใยเซลลูโลสเพื่อการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอาหารต่อไป ในส่วนที่สามมุ่งเน้นถึงการเตรียมอนุภาคทองคำระดับนาโนที่เคลือบด้วยโปรตีนเบต้า-แลคโทโกลบูลินที่ความเป็นกรดด่างเท่ากับ 3 และยังศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโปรตีนและการเกิดการรวมกันของอนุภาคทองคำ พบว่า การดูดซับของโปรตีนบนผิวของอนุภาคยืนยันได้จากการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมของ LSPR และ SERS รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงประจุของอนุภาคจากลบเป็นบวก เมื่อปริมาณโปรตีนในระบบเพิ่มขึ้น การรวมกันของอนุภาคทองคำจะเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวของอนุภาคไม่ได้อิ่มตัวด้วยโมเลกุลของโปรตีนโดยกลไลการเชื่อมต่อของอนุภาคด้วยไฟฟ้าสถิตย์ นอกจากนี้สเปกตรัม SERS ยังบ่งชี้ว่าเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโปรตีนหลังจากดูดซับลงบนพื้นผิวของอนุภาค โดยมีหมู่ฟังก์ชันจำเพาะของโปรตีนเกี่ยวข้องในปฏิกิริยาดังกล่าว ส่วนที่สี่ได้ศึกษาถึงปฏิกิริยาของเกลือน้ำดีต่อคุณสมบัติทางเคมีกายภาพและการเปลี่ยนแปลงของโปรตีนบนผิวสัมผัสของอนุภาคทองคำระดับนาโนที่เคลือบด้วยโปรตีนเบต้า-แลคโทโกลบูลิน โดยศึกษาที่ความเป็นกรดด่างเท่ากับ 7 พบว่า มีการดูดซับของเกลือน้ำดีลงบนอนุภาคดังกล่าว ซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของผิวสัมผัส ประจุ และโครงสร้าง การใช้เทคนิค SERS แสดงให้เห็นว่าในระบบที่มีเกลือน้ำดีและอนุภาคที่เคลือบด้วยโปรตีน โดยรูปแบบของสเปกตรัมจะเป็นการผสมผสานระหว่างสเปกตรัมของโปรตีนและเกลือน้ำดี แสดงว่าเกลือน้ำดีสามารถเข้าแทนที่โปรตีนบนอนุภาคได้เป็นบางส่วน ซึ่งกลไกดังกล่าวเรียกว่ากลไล "Orogenic" คือ การแทนที่ของโปรตีนบนผิวสัมผัสด้วยเกลือน้ำดี โดยโปรตีนจะเกิดการรวมตัวเป็นก้อนท่ามกลางผิวสัมผัสของเกลือน้ำดีโดยรอบ โดยสรุปผลการทดลองนี้จะเป็นข้อมูลพื้นฐานเพื่ออธิบายเกี่ยวกับปฏิกิริยาระหว่างโปรตีน อนุภาค และเกลือน้ำดี และสามารถใช้เป็นฐานข้อมูลด้านวิทยาศาสตร์ผิวสัมผัสของอิมัลชันในอาหารต่อไป
Degree Name
Doctor of Philosophy
Degree Level
Doctoral Degree
Degree Department
Faculty of Science
Degree Discipline
Biotechnology
Degree Grantor(s)
Mahidol University