Structural modulation of pea protein and multiscale organization of casein-pea protein hybrid gels

Abstract

The growing interest in plant-based proteins, driven by environmental concerns and food security, has stimulated the development of plant-based products. However, sensory and technological limitations still pose significant challenges. In this context, hybrid systems combining plant and animal proteins emerge as an alternative to reduce the consumption of animal proteins while improving the sensory and technological characteristics associated with plant-based products, making it essential to understand the interactions and organization of these mixed matrices. Therefore, this study aimed to investigate, using a multiscale approach, the structure of hybrid gels formed by casein and pea protein, as well as to assess the effect of pH shifting on pea protein structure and its implications for the formation and organization of these gels. Through the multiscale approach, it becomes evident that the large-scale structural organization is the main factor governing key properties such as rheology and water mobility in hybrid gels. Moreover, these proteins, when forming a gel, tend to create individual networks without interacting with each other. Thus, structural modulation using pH shifting was employed. pH shifting increased pea protein solubility, induced structural changes in the protein, and consequently improved water-holding capacity and gel hardness, demonstrating its potential to enhance pea protein functionality in hybrid systems. The results highlight that the formation and properties of hybrid gels are strongly related to protein structure, emphasizing the need for additional strategies to develop hybrid products with sensory and functional attributes aligned with consumer expectations. Keywords: hybrid gels; plant protein; sustainabilityO crescente interesse por proteínas de origem vegetal, impulsionado por preocupações ambientais e segurança alimentar, tem estimulado o desenvolvimento de produtos plant-based. No entanto, limitações sensoriais e tecnológicas ainda representam desafios significativos. Nesse contexto, sistemas híbridos que combinam proteínas vegetais e animais surgem como uma alternativa para reduzir o consumo de proteínas de origem animal, ao mesmo tempo em que melhoram as características sensoriais e tecnológicas associadas a produtos plant-based, tornando essencial compreender as interações e a organização dessas matrizes mistas. Assim, este trabalho teve como objetivo investigar, sob uma abordagem multiescala, a estrutura de géis híbridos formados por caseína e proteína de ervilha, bem como avaliar o efeito do deslocamento de pH na estrutura da proteína de ervilha e suas implicações na formação e organização desses géis. Através da abordagem em multiescala é possível perceber que a organização estrutural em larga escala é o principal fator que governa propriedades-chave, como a reologia e a mobilidade da água nos géis híbridos. Além disso, estas proteínas, quando em um gel, tendem a formar sistemas individuais, sem interação umas com as outras. Sendo assim, uma modulação estrutural utilizando deslocamento de pH foi empregada. O deslocamento de pH aumentou a solubilidade da proteína de ervilha, provocou alterações estruturais na proteína de ervilha e consequentemente melhorou a capacidade de retenção de água e a dureza dos géis, demonstrando seu potencial para aprimorar a funcionalidade da proteína de ervilha em sistemas híbridos. Os resultados evidenciam que a formação e propriedades de géis híbridos estão fortemente relacionadas à estrutura proteica, ressaltando a necessidade de estratégias adicionais para desenvolver produtos híbridos com atributos sensoriais e funcionais alinhados às expectativas dos consumidores. Palavras-chave: géis híbridos; proteína vegetal; sustentabilidade