Dairy Sci. Technol. 88 (2008) 65-80
DOI: 10.1051/dst:2007017

Enhancement of protein structure-forming properties in liquid foams by spray drying

Clémence Bernard^{1, 2}, Bertrand Broyart², Jean Vasseur², Pablo Granda¹ and Perla Relkin<sup>1

1</sup>  UMR 1211 (AgroParisTech, CNAM, INRA), Laboratoire de Biophysique des Matériaux Alimentaires, 1 Avenue des Olympiades, 91744 Massy, France
²  UMR 1145 (AgroParisTech, CEMAGREF, INRA), Laboratoire de Génie des Procédés, 1 Avenue des Olympiades, 91744 Massy, France

(Published online: 21 February 2008)

Abstract - In the first part of this study we used mathematical modelling for prediction of hydro-thermal pathways (time evolution of temperature and water content) of a whey protein-rich product during its spray drying in a co-current configuration. The model was validated through drying assays, where the inlet/outlet air temperatures were fixed at 170/85 °C, 217/107 °C, 247/125 °C or 260/138 °C, the other spray-drying operation variables being unchanged. Then, the spray-dried powders were characterised before and after re-hydration for evaluation of a threshold air operating temperature value leading to changes in protein structure-functionality, in comparison with the non-spray-dried protein solution (WP-L). The predicted hydro-thermal pathways of the whey protein-rich product during its spray drying indicated that all of the operation variables used were accompanied by a product wet bulb temperature value lower than 60 °C. However, the resulting powders presented different internal porosity and wall thickness, and the protein solutions obtained after the powders' re-hydration behaved differently from the non-spray-dried protein solution (WP-L). Particularly, it seemed that powders obtained at outlet air temperature and water content higher than 100 °C and lower than 4%, respectively, presented a higher internal porosity and lower free lactose content. Furthermore, they were accompanied by lower protein solubility and conformation stability and by a slight development of hydroxymethylfurfural and covalently-bound protein aggregates. In addition, in situ evaluation of foam formation and stability after air injection into the re-hydrated powders showed that increasing spray-drying air temperatures led to powders with more and more enhanced foaming properties, relative to the whey protein-rich solution before spray drying. The powder characteristics obtained in the present study, added to those recently published [Relkin et al., Lait 87 (2007) 337-348] are presented and discussed in regards to effects of spray-drying operation variables on protein structural changes and enhancement of foaming properties without additional processing equipment.

Résumé - Amélioration de propriétés moussantes de protéines par le séchage par atomisation
Dans une première partie nous avons établi un modèle mathématique décrivant l'évolution de la température et de la teneur en eau d'un produit riche en protéines sériques (WP-L) pendant son temps de séjour dans un séchoir par atomisation (configuration en co-courant). Après la réalisation d'essais à des températures d'entrée et sortie d'air fixées à 170/85 °C, 217/107 °C, 247/125 °C ou 260/138 °C (les autres paramètres d'opération de séchage étant maintenus constants), nous avons caractérisé les poudres obtenues avant et après ré-hydratation. Nous avons observé que pour toutes les conditions opératoires testées, la température de thermomètre humide reste inférieure à 60 °C, pendant une durée diminuant de 10 à 5 s pour une température de sortie d'air (produit) variant de 85 °C (59 °C) à 138 °C (134 °C). Cependant, les poudres sortant à une température supérieure à 100 °C et un taux d'humidité inférieur à 4 %, semblent subir une montée en température beaucoup plus brutale après un palier à 60 °C (température de thermomètre humide) d'une durée inférieure à 7 s. Ces poudres présentent une porosité interne qui augmente ( 40 %) et une épaisseur de paroi (visualisée par microscopie électronique à balayage) qui semble diminuer avec l'intensité du traitement thermique. Les solutions protéiques obtenues après ré-hydratation des poudres présentent toutes des comportements différents de celui du produit liquide (WP-L) avant séchage. Particulièrement, les poudres sortant à une température 100 °C contiennent moins de lactose libre et semblent présenter un début de développement d'hydroxy-methylfurfural, parallèlement à la diminution plus importante de la solubilité des protéines, de leur stabilité conformationnelle et à l'augmentation du développement d'agrégats protéiques covalents. De plus, la caractérisation in situ des propriétés de formation et de stabilité de mousses, obtenues par injection d'air dans les poudres ré-hydratées, a mis en évidence une amélioration croissante des propriétés moussantes des protéines sériques avec l'augmentation de la température d'air de séchage, comparativement au produit WP-L (concentré protéique avant séchage). La modélisation du comportement thermo-hydrique du produit riche en protéines sériques, lors d'un séchage par atomisation, accompagnée de l'évaluation de modifications structurales des poudres et de caractéristiques de stabilité conformationnelle des protéines en solution aqueuse, indique qu'il est possible d'améliorer les propriétés moussantes de protéines sériques, sans avoir recours à un équipement supplémentaire.

Key words: whey protein / spray drying / denaturation / aggregation / foam

Mots clés : protéine du lactosérum / séchage / dénaturation / agrégation / moussage

Corresponding author: perla.relkin@agroparistech.fr

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