Exploring Kafirin's Biochemical and Physicochemical Properties through Size-Exclusion Chromatography
Exploration des Propriétés Biochimiques et Physicochimiques de Kafirines par Chromatographie d'Exclusion Stérique
Résumé
Sorghum, the fifth most produced and consumed cereal crop globally, is a rich source of macro and micronutrients. Its grain contains 7-14% proteins, predominantly kafirins. Compared to other cereal grain storage proteins, kafirins are more hydrophobic and highly crosslinked. In consequence they present higher resistance to hydrolysis by gastrointestinal proteases, and so a lower digestibility. This work aims to develop a reliable kafirin extraction protocol in view of their exhaustive biochemical and physicochemical characterization.We investigated the impact of various factors, such as grain dehulling, extracting solvent type, extraction time, sample to liquid ratio and temperature on the yield of kafirin extraction. Using an experimental design approach with two to three levels for factors, we employed size-exclusion chromatography (SE-HPLC) with UV detection to analyse the composition of the protein extracts. We determined the kafirin conversion coefficient at 214 using the Kjeldahl method as a reference to calculate the extraction yield from the SEC profiles. Additionally, kafirin composition was assessed through SDS-PAGE in reduced and non-reduced conditions .Our key finding was that initial grain dehulling, a 60% tert-butanol - water (v/v) solvent, a temperature of 60°C, a sample-to-solvent ratio of 1:100, and two extraction cycles of 10 minutes resulted in the maximum extraction yield. The extraction parameters significantly influenced the extraction of kafirins, offering insights into the development of a robust extraction protocol.While various extraction procedures have been reported in the literature, they are mainly based on the use of alkali and sodium bisulfite leading to kafirin denaturation. Therefore, the fractioning and characterisation of kafirins in their native state remain limited. This study contributes to the understanding of kafirin's solubility properties and open the way for their future fractionation in native state. From that the determination of the intrinsic digestibility of the different kafirin subunits, alone or in combination, can be envisioned.
Le sorgho, cinquième céréale la plus produite et consommée au monde, est une source riche en macro et micronutriments. Son grain contient 7 à 14 % de protéines, principalement des kafirines. Comparées aux autres protéines de stockage des céréales, les kafirines sont plus hydrophobes et fortement réticulées. En conséquence, elles présentent une plus grande résistance à l'hydrolyse par les protéases gastro-intestinales, et donc une digestibilité plus faible. Ce travail vise à développer un protocole fiable d'extraction des kafirines en vue d'une caractérisation biochimique et physicochimique.Nous avons étudié l'impact de divers facteurs, tels que le décorticage des grains, le type de solvant d'extraction, le temps d'extraction, le rapport échantillon/liquide et la température, sur le rendement de l'extraction de la kafirine. À l'aide d'une approche expérimentale à deux ou trois niveaux pour chaque facteur, nous avons utilisé la chromatographie d'exclusion stérique (SE-HPLC) avec détection UV pour analyser la composition des extraits protéiques. Nous avons déterminé le coefficient de conversion de la kafirine à 214 en utilisant la méthode Kjeldahl comme référence pour calculer le rendement d'extraction à partir des profils SEC. De plus, la composition de la kafirine a été évaluée par SDS-PAGE dans des conditions réduites et non réduites.Notre principale conclusion est que le décorticage initial des grains, un solvant composé à 60 % de tert-butanol et d'eau (v/v), une température de 60 °C, un rapport échantillon/solvant de 1:100 et deux cycles d'extraction de 10 minutes ont permis d'obtenir le rendement d'extraction maximal. Les paramètres d'extraction ont eu une influence significative sur l'extraction des kafirines, ce qui a permis de mieux comprendre le développement d'un protocole d'extraction robuste.Bien que diverses procédures d'extraction aient été décrites dans la littérature, elles reposent principalement sur l'utilisation d'alcali et de bisulfite de sodium, ce qui entraîne la dénaturation des kafirines. Par conséquent, le fractionnement et la caractérisation des kafirines à l'état natif restent limités. Cette étude contribue à la compréhension des propriétés de solubilité des kafirines et ouvre la voie à leur fractionnement futur à l'état natif. À partir de là, on peut envisager la détermination de la digestibilité intrinsèque des différentes sous-unités de kafirine, seules ou en combinaison.
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