Characterization of potato protein and its calcium binding capacity

Abstract

Calcium is essential for the human body as it has functions in the nervous system, bones
and formation of teeth. Deficiency in this important nutrient can be detrimental to health
and cause life-long issues. Calcium can be found in various foods, like dairy products, but
certain plant-based alternatives to milk needs to be fortified with calcium. One of the complications with calcium supplements is that calcium ions interact with many compounds
and can become insoluble. One of the solutions to keeping calcium soluble is to form
soluble complexes with proteins, as calcium does with β-casein in milk. By fortifying the
calcium with proteins, a higher total concentration calcium can be attained in a solution
while the free calcium concentration is still low to minimize unwanted reactions. In this
thesis, potato protein, a byproduct from the potato starch production, with the potential to
act as a calcium binder in plant-based products was characterized. The potato protein’s potential capacity to form complexes with calcium was also assessed. The potato protein was
also hydrolyzed using Alcalase in an attempt to improve its suitability as a calcium binder.
The potato protein sample and hydrolysates of the proteins were analyzed with dry matter
analysis and pH titration to characterize the composition, solubility and pI of the samples.
Their size was investigated with gel electrophoresis and size exclusion chromatography.
The calcium binding capacity was assessed by measuring free calcium concentration and
monitoring changes in right-angle light scattering (RALS), absorbance at 254 nm and 280
nm, and fluorescence during calcium titration. To measure the free calcium concentration
a procedure for a colorimetric calcium assay was established. Equilibrium dialysis was
used when assessing the calcium binding capacity due to complications with the calcium
assay. The sample of soluble potato protein (SPP) had high fraction of protease inhibitors
and a lower fraction of patatin. The SPP was soluble in alkaline and highly acidic solutions, while insoluble at around pH 5. The hydrolysates had the highest insoluble fraction
at pH 3, and higher soluble fractions at alkaline pH. The analysis of calcium binding capacity showed a decrease in free calcium concentration in samples with SPP and calcium,
and changes in RALS, absorbance and fluorescence caused by protein aggregation and
conformational changes that could indicate calcium binding. Kd-values, calculated using Hill-Langmuir equation, suggest low affinity binding. A 2
-factorial trial indicated
that pH had a significant effect on SPP-calcium binding. The experiments were also done
using a well-known calcium binder, β-casein, as a positive control.

Popular Abstract (Swedish)

Kan potatisprotein öka intaget av kalcium i kroppen?

Alla vet att vitaminer och mineraler är viktiga för att kroppen ska må bra och kunna fungera. En av dom är kalcium som har stor påverkan på vår hälsa. Kalciumbrist kan ha allvarliga konsekvenser för människors hälsa och det är viktigt att få i sig tillräckligt. Kalcium i mat kan skapa vissa komplikationer, speciellt i höga halter, och kan behöva vissa hjälpmedel för att vi ska kunna uppta det i våra kroppar. En av dessa hjälpmedel finns naturligt i mjölk och det är vissa proteiner som gör att halten kalcium kan vara hög i mjölk utan att skapa dessa komplikationer när vi intar den. I denna studie undersöks potatisprotein, som är en biprodukt från produktion av potatisstärkelse, och om det kan binda in till kalcium så som vissa protein gör i mjölk. Tanken är att potatisprotein bundet till kalcium skulle kunna användas som ett tillskott i livsmedelsprodukter, framförallt växtbaserade alternativ, för att öka halten kalcium i dessa produkter.

Många känner till att kalcium har en central roll i uppbyggnaden av vårt skelett och våra tänder men kalcium är också nödvändigt för vårt nervsystem och för att skicka signaler i kroppen. Dess livsviktiga funktion betyder att kalciumbrist kan vara skadligt för vår hälsa och i längden kan det leda till benskörhet och hämma barns tillväxt. Vi upptar kalcium genom vår föda, vanligen genom att dricka mjölk, äta bladväxter eller nötter. Med framväxten av växtbaserade produkter, och framförallt växtbaserade alternativ till mjölk, finns det en osäkerhet i om vi får i oss tillräckligt med kalcium. Fördelen med mjölk som kalciumkälla är att det innehåller vissa protein, som kallas casein, som binder in till kalcium vilket gör att drycken kan innehålla en högre halt av kalcium jämfört med andra produkter. Proteinerna som binder till kalcium i mjölk formar små paket som bär kalcium genom vårt matspjälkningssystem till tunntarmen där kroppen börjar ta upp kalciumet och då släpper proteinerna ifrån sig det.

Potatisprotein består av en rad olika protein, varav en grupp heter patatin. Patatinets egenskaper tyder på att det skulle kunna binda till kalcium och potentiellt bära det genom vårt matspjälkningssystem tills vår kropp tar upp kalciumet. Potatisprotein har också många fördelar då det är en biprodukt från produktionen av potatisstärkelse, som är stor i södra Sverige, och är av lågt ekonomiskt värde då det vanligen säljs som djurfoder. Potatisprotein är en hållbar resurs och skulle kunna bidra till att förbättra andra hållbara produkter så som växtbaserade alternativ. Om potatisprotein skulle börja användas i livsmedel för människor skulle det öka värdet på resursen vilket skulle vara betydelsefullt för bönder och potatisstärkelseindustrin
ekonomiskt sett.

Detta projekt går ut på att karakterisera egenskaper hos potatisprotein från en
potatisstärkelseproducent och undersöka dess kapacitet för att binda till kalcium. Kalciumbindning mättes genom att mäta halten fritt kalcium i prover med protein och att använda spektroskopiska metoder för att undersöka bildning av komplex när kalcium och potatisprotein blandades. För att kunna mäta kalciumhalten tog vi fram en analysmetod som baseras på färgintensitet och spektroskopiska mätningar. Med våra metoder kunde vi bestämma innehållet i potatisproteinproverna, hur potatisproteinet löste sig i olika förhållanden och andra egenskaper som är viktiga för att förstå hur proteinet beter sig. Vi såg även bildandet av komplex i protein proverna när kalcium tillsattes och våra spektroskopiska mätningar tydde på att olika förändringar i proteinet skedde då kalcium tillsattes. Halten fritt kalcium minskade också i prover blandat med protein vilket tillsammans med de andra resultaten tyder på att potatisproteinet binder till kalcium. Det behövs en mer utökad studie på potatisproteinets kapacitet att binda till kalcium för att säga något med säkerhet men detta projekt lägger en bra grund till framtida studier med potatisprotein.

• author: König, Signe and Thomson, Erika
• supervisor: Cedric Dicko; Lars Nilsson
• organization: Computational Chemistry; Pure and Applied Biochemistry
• course: KBKM05 20231
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences; Technology and Engineering
• keywords: Patatin, Calcium, Food supplement, Calcium Assay, Alcalase, potato protein, Applied biochemistry
• language: English
• id: 9124512
• date added to LUP: 2023-06-15 09:47:22
• date last changed: 2023-06-15 09:47:22