Ферментативный золь–гель переход в молоке

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Целью работы является улучшение понимания механизма ферментативного гелеобразования в молоке за счет установления статистически достоверных изменений вязкости молока и соответствующих электронно-микроскопических исследований процесса структурообразования на ферментативной стадии коагуляции при использовании различных ферментных препаратов. Использование неразрушающего (Hot-Wire) метода контроля вязкости позволило подтвердить снижение вязкости в середине этой стадии и выявить ранее не описанный пик изменения вязкости в конце ферментативной стадии. Параллельно проведенные исследования с использованием трансмиссионной электронной микроскопии и различных методов подготовки препаратов позволили установить, что в конце ферментативной стадии гелеобразования в молоке запускается иерархический процесс преобразований белковой составляющей молока. Спусковым механизмом этого процесса является кооперативный конформационный переход в кластерах мицелл казеина, который вызывает цепочку все более энергоемких реакций, результатом которых является преобразование слабосвязанных кластеров мицелл в более плотные агрегаты. Окончательная структура молочного геля формируется преимущественно из образовавшихся ранее отдельных агрегатов мицелл. Отмечено, что изменений микроструктуры молочного геля на ферментативной стадии гелеобразования при использовании молокосвертывающих ферментов (МФ) животного, растительного и микробного (ГМО) происхождения обнаружено не было. Исследования молекулярно-массового распределения растворимых белковых веществ образцов, произведенных с разными типами МФ, показали, что фермент, выделенный от грибов Rhizomucor miehei, обладает большим протеолитическим действием на белки молока в сравнении с другими вариантами МФ.

Full Text

Restricted Access

About the authors

И. Т. Смыков

Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия – филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН

Author for correspondence.
Email: i_smykov@mail.ru
Russian Federation, Красноармейский бульвар, 19, Углич, 152613

Д. С. Мягконосов

Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия – филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН

Email: i_smykov@mail.ru
Russian Federation, Красноармейский бульвар, 19, Углич, 152613

References

  1. Ingham B., Erlangga G.D., Smialowska A., Kirby N.M., Wang C., Matia-Merino L., Haverkamp R.G., Carr A.J. Solving the mystery of the internal structure of casein micelles // Soft Matter. 2016. V. 12. № 14. P. 6937–6953. https://doi.org/10.1039/c5sm00153f
  2. Holt C. A quantitative calcium phosphate nanocluster model of the casein micelle: The average size, size distribution and surface properties // European Biophysics Journal. 2021. V. 50. № 6. P. 847–866. https://doi.org/10.1007/s00249-021-01533-5
  3. Smith G.N., Brok E., Christiansen M.V., Ahrne L. Casein micelles in milk as sticky spheres // Soft Matter. 2020. V. 16. № 43. P. 9955–9963. https://doi.org/10.1039/D0SM01327G
  4. Rojas-Candelas L., Chanona-Pérez J., Méndez J., Morales-Hernández J., Benavides H. Characterization of structural changes of casein micelles at different pH using microscopy and spectroscopy techniques // Microscopy and Microanalysis. 2022. V. 28. № 2. P. 527–536. https://doi.org/10.1017/S1431927622000162
  5. Holt C. Inorganic constituents of milk III. The colloidal calcium phosphate of cow’s milk // Journal of Dairy Research. 1982. V. 49. № 1. P. 29–38. https://doi.org/10.1017/S002202990002210X
  6. Levingstone T.J., Herbaj S., Dunne N.J. Calcium phosphate nanoparticles for therapeutic applications in bone regeneration // Nanomaterials. 2019. V. 9. № 11. P. 1570. https://doi.org/10.3390/nano9111570
  7. Lenton S., Wang Q., Nylander T., Teixeira S., Holt C. Structural biology of calcium phosphate nanoclusters sequestered by phosphoproteins // Crystals. 2020. V. 10. № 9. P. 755. https://doi.org/10.3390/cryst10090755
  8. Nelson D. Physiological calcium phosphate management in two biofluids // Preprints. 2023. 2023060464. https://doi.org/10.20944/preprints202306.0464.v1
  9. Dasarahally-Huligowda L.K., Goyal M.R., Suleria H.A.R. Nanotechnology applications in dairy science: packaging, processing, and preservation. Apple Academic Press, Florida, USA, 2019. https://doi.org/10.1201/9780429425370
  10. Radha K., Thomas A., Sathian C.T. Application of nanotechnology in dairy industry: prospects and challenges – A review // Indian Journal of Dairy Science. 2014. V. 67. № 5. P. 367–374.
  11. Smykov I.T. Nanotechnology in the dairy industry: benefits and risks. The ELSI Handbook of Nanotechnology: Risk, Safety, ELSI and Commercialization, Ed.: C.M. Hussain, Wiley-Scrivener Publishing LLC, USA, 2020. pp. 223–275. https://doi.org/10.1002/9781119592990.ch11
  12. Doudiès F., Arsène A.-S., Garnier-Lambrouin F., Famelart M.-H., Bouchoux A., Pignon F., Gésan-Guiziou G. Major role of voluminosity in the compressibility and sol–gel transition of casein micelle dispersions concentrated at 7°C and 20°C // Foods. 2019. V. 8. № 12. P. 652. https://doi.org/10.3390/foods8120652
  13. Alves N.J., Turner K.B., Daniele M.A., Oh E., Medintz I.L., Walper S.A. Bacterial nanobioreactors – directing enzyme packaging into bacterial outer membrane vesicles // ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. V. 7. № 44. P. 24963–24972. https://doi.org/10.1021/acsami.5b08811
  14. Postupalenko V., Einfalt T., Lomora M., Dinu I.A., Palivan C.G. Bionanoreactors: from confined reaction spaces to artificial organelles. Organic nanoreactors. Ed.: S. Sadjadi, Academic Press, 2016. P. 341–371. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801713-5.00011-2
  15. Itel F., Dinu I.A., Tanner P., Fischer O., Palivan C.G. Nanoreactors for biomedical applications. Handbook of nanobiomedical research. 2014. P. 457–508. https://doi.org/10.1142/9789814520652_0064
  16. Troch T., Lefébure É., Baeten V., Colinet F., Gengler N., Sindic M. Cow milk coagulation: process description, variation factors and evaluation methodologies. A review // BASE – Biotechnology, Agronomy, Society and Environment. 2017. V. 21. № 4. P. 276–287. https://doi.org/10.25518/1780-4507.13692
  17. Lucey J.A. Rennet-induced coagulation of milk. In book: Fuquay J.W., Fox P.F., McSweeney P.L.H. (eds) Encyclopedia of Dairy Sciences, V. 1. 2nd edn. Academic Press, Oxford, 2011. pp. 579–584.
  18. Sinaga H., Bansal N., Bhandari B. Gelation properties of partially renneted milk // International Journal of Food Properties. 2017. V. 20. № 8. P. 1700–1714. https://doi.org/10.1080/10942912.2016.1193515
  19. Fox P.F., Guinee T.P., Cogan T.M., McSweeney P.L.H. Fundamentals of cheese science, Sec. Ed., Springer, 2017. pp 185–226.
  20. Walstra P., Bloomfield V.A., Wei G.J., Jenness R. Effect of chymosin action on the hydrodynamic diameter of casein micelles // Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Protein Structure, 1981. V. 669. № 2. P. 258–259. https://doi.org/10.1016/0005-2795(81)90249-x
  21. Horne D.S., Davidson C.M. Direct observation of decrease in size of casein micelles during the initial stages of renneting of skim milk // International Dairy Journal. 1993. V. 3. № 1. P. 61–71. https://doi.org/10.1016/0958-6946(93)90076-C
  22. Fox P.F., Guinee T.P. Cheese science and technology. In book: Milk and dairy products in human nutrition. Y.W. Park and G.F. Haenlein (eds). Wiley-Blackwell Publishers, Oxford, UK. 2013. pp. 357–386. https://doi.org/10.1002/9781118534168.ch17
  23. Smykov I.T. Kinetics of milk gelation. Part I. Coagulation mechanism. In book: Rheology: principles, applications and environmental impacts. Nova Science Publ., New York, 2015. pp 65–82.
  24. Smykov I.T. Milk curd cutting time determination in cheesemaking // Food systems. 2018. V. 1. № 2. P. 12–20. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2018-1-2-12-20
  25. Hori T. Objective measurements of the process of curd formation during rennet treatment of milks by the hot wire method // Journal of Food Science. 1985. V. 50. № 4. P. 911–917. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1985.tb12978.x
  26. Gonçalves B.J., Pereira C.G., Lago A.M.T., Gonçalves C.S., Giarola T.M.O., Abreu L.R., Resend J.V. Thermal conductivity as influenced by the temperature and apparent viscosity of dairy products // Journal of Dairy Science. 2017. V. 100. № 5. P. 3513–3525. https://doi.org/10.3168/jds.2016-12051
  27. Matsko N., Letofsky-Papst I., Albu M., Mittal V. An analytical technique to extract surface information of negatively stained or heavy-metal shadowed organic materials within the TEM // Microscopy and Microanalysis. 2013. V. 19. № 3. P. 642–651. https://doi.org/10.1017/S1431927613000366
  28. Kavanagh G.M., Clark A.H., Ross-Murphy S.B. Heat-induced gelation of globular proteins: 4. Gelation kinetics of low pH β-Lactoglobulin Gels // Langmuir. 2000. V. 16. № 24. P. 9584–9594. https://doi.org/10.1021/la0004698
  29. Hayat M.A. Principles and techniques of electron microscopy: Biological applications. 4th edn. 543 pp. Cambridge: Cambridge University, 2000. https://doi.org/10.1006/anbo.2001.1367
  30. Visser S., Slangen C.J., Robben A.J. Determination of molecular mass distributions of whey protein hydrolysates by high-pergomance size-exclusion chromatography // Journal of Chromatography A. 1992. V. 599. № 1–2. P. 205–209. https://doi.org/10.1016/0021-9673(92)85474-8
  31. De Kruif C.G., Holt C. Casein micelle structure, functions and interactions. In: Advanced dairy chemistry, Vol. 1, Part B, Proteins. Fox, P.F., McSweeney, P.L.H. (Eds.). 3rd edn., Kluwer Academic – Plenum Publishers, New York. 2003. pp. 233–276.
  32. De Kruif C.G. Supra-aggregates of casein micelles as a prelude to coagulation // Journal of Dairy Science. 1998. V. 81. № 11. P. 3019–3028. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(98)75866-7
  33. Totosaus A., Montejano J.G., Salazar J.A., Guerrero I. A review of physical and chemical protein-gel induction // International Journal of Food Science and Technology. 2002. V. 37. № 6. P. 589–601. https://doi.org/10.1046/j.1365-2621.2002.00623.x
  34. Salvador D., Acosta Y., Zamora A., Castillo M. Rennet-induced casein micelle aggregation models: A review // Foods. 2022. V. 11. № 9. P. 1243. https://doi.10.3390/foods11091243
  35. Morr C.V., Ha E.Y.W. Whey Protein concentrates and isolates: Processing and functional properties // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 1993. V. 33. № 6. P. 431–476. https://doi.org/10.1080/10408399309527643

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Changes in milk viscosity at the enzymatic stage of gelation. Multiple changes .

Download (242KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Casein micelles in the source milk (mo‑ ment A).

Download (166KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Casein micelle at higher magnification.

Download (128KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Sequential formation of the milk gel microstructure at the enzymatic stage of gel formation, designations in accordance with Fig. 1.

Download (425KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Formation of clusters of casein micelles towards the middle of the enzymatic stage of gelation: (a) the shadow method ; (b) the contrast method.

Download (241KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Aggregates of micelles at the end of the enzymatic stage of gelation: (a) the shading method; (b) the contrasting method.

Download (370KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Formation of the integral structure of the milk gel: (a) and (b) – uranyl acetate contrast method, different magnification.

Download (279KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Molecular weight distribution of soluble whey protein substances from cheeses produced with different types of MF: L – protein fraction containing lipoproteins, phospholipids and caseins, α – fraction of alpha-lactoalbumin, β – fraction of beta-lactoglobulin (identification of fractions according to [35]).

Download (190KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies