凝乳酶诱导的牦牛酪蛋白胶束凝固特性-与奶牛酪蛋白胶束的比较

2022-03-25

引自:Rennet-induced coagulation properties of yak casein micelles: A comparison with cow casein micelles

 

摘要

了解凝乳酶诱导的酪蛋白胶束形成凝胶的凝血特性对牦牛奶酪加工具有重要意义。我们之前已经发现牦牛奶需要更长的发酵时间,但与牛奶相比,牦牛奶能形成更强的凝胶。在本研究中,我们的目标是了解凝乳酶诱导牦牛酪蛋白胶束的特性,并与奶牛酪蛋白胶束进行比较。本研究利用粒度分析、微观流变学、流变学、激光共聚焦扫描电镜图像(CLSM)和低温扫描电镜图像(cryo-SEM)等技术,研究牛奶和牦牛奶的凝胶机理。

 

实验方法

通过将牦牛奶与牛奶酪蛋白胶束的比较,了解凝乳酶诱导的牦牛酪蛋白胶束的凝乳特性。利用激光粒度仪、Rheolaser Master微流变仪器配合共焦激光扫描显微图像(CLSM)和冷冻扫描电镜图像(cryo-SEM)显示,研究牦牛酪蛋白胶束的凝胶特性和结构。

 

样品:

从脱脂牦牛乳与牛乳中提取酪蛋白,分别分散在超滤液中(酪蛋白浓度为0.7 g protein/ 100 mL)。

 

Rheolaser Master微流变仪器原理

Rheolaser Master基于MS-DWS多重光散射测试技术,测试过程对样品完全无扰动,可以监测凝胶原位状态下的粘弹性变化过程,仪器具有6个测试通道,用于快速和同时筛选不同配方。典型的溶胶-凝胶测试结果如下所示。

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均方根位移(MSD)是经典的微流变学(Microrheology)参数,它包含了样品的粘弹性信息,短直线(红色)指示样品在该时刻为纯液体行为,随着温度或者老化时间的改变,当曲线产生弹性平台(粉红)时,表明样品变成了凝胶状或固体性质。

 

 

结果与讨论

原始数据

图1 展示了牛奶酪蛋白和牦牛奶酪蛋白的TEM照片和粒度数据。

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Fig.1 TEM micrograph and the size distribution of (a)cow casein micelles and (b)yak casein micelles

 

两个样品均显示出非常窄的粒度分布,牦牛奶酪蛋白的Z均粒度为218.6nm,明显大于牛奶酪蛋白的178.5nm。

 

图2是Rheolaser Master的微流变数据,图2a为酪蛋白溶液的MSD曲线,图2b为SLB随时间变化曲线。

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Fig.2 Micro-rheology vs. ageing time for casein micelles dispersions; a. Mean square displacement immediately after rennet addition (open symbols) and after 60 min (closed symbols);b. solid liquid balance.

 

从图2a可见,牦牛奶体系凝胶后的MSD曲线(蓝色三角)更靠近右下方,说明牦牛奶蓝蛋白凝胶后的弹性和粘性更强。

SLB值即固液平衡点,代表样品的固体和液体的性质。SLB的数值范围是0-1,当样品的性质以液态为主时,样品的SLB值在0.5-1之间;当样品的性质以固体性质为主时,样品的SLB值在0-0.5之间。从图2b中,可以发现牛奶酪蛋白随时间下降较快,说明样品凝胶过程较快,但是牦牛奶最终时刻的SLB值比奶牛的值更小,说明牦牛奶酪蛋白的凝胶性质更接近与固态。

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Fig.3 Stability of gels formed by casein micelle at 60 min after chymosin addition.

图3展示了样品在发酵60min时的照片。从图中可见,样品的凝胶稳定性与微流变数据相符合,牦牛奶酪蛋白的凝胶更稳定。

 

图4和图5分别是两种牛奶酪蛋白凝胶的激光共聚焦扫描电镜图像(CLSM)和低温扫描电镜图像(cryo-SEM)。

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Fig.4 CLSM micrographs (a) cow casein micelle gel and (b) yak casein micelles gel.

 

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Fig.5 Cryo-SEM micrographs of (a) cow casein micelle gel and (b)yak casein micelles gel. The scale bars are 10 μm.

 

从图中可见,奶牛酪蛋白凝胶形成的凝胶网络比牦牛酪蛋白凝胶形成的凝胶网络孔径大。牦牛酪蛋白胶束由于细小孔隙的毛细力较大,因而可能含有较多的水分。牦牛酪蛋白胶束因为致密的结构与小的孔,凝胶的牢固度可能会增加。此外,牦牛酪蛋白凝胶中的丝状凝胶链被聚集体取代,并相互连接形成更强的网络结构。相比之下,奶牛酪蛋白凝胶具有更松散的结构和更大的孔隙。

 

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Fig.6 Diagram showing the formation of casein micelle gels. The left column represents cow casein micelles; the right column represents yak casein micelles.


Fig.6是根据实验结果分析得到的两种酪蛋白凝胶机理图。与牛酪蛋白相比,牦牛乳酪蛋白体积较大,CCP胶体磷酸钙浓度较高,κ-酪蛋白浓度较低(Fig6a、b)。添加凝乳酶后,κ-酪蛋白水解。这种酶促反应使凝乳酶修饰的酪蛋白胶束接近,导致聚集。牦牛酪蛋白中的低浓度κ-酪蛋白水解速度慢,影响酪蛋白胶束聚集和凝胶形成。牦牛酪蛋白中κ-酪蛋白水解产生的反应位点较少,减缓了凝胶的形成,使凝胶结构更加有序。牛酪蛋白中大量的反应位点导致酪蛋白更快的聚集,从而导致更多的开放随机的网络结构。更重要的是,较高的CCP胶体磷酸钙含量提供了一种密度更高的黏合剂,将牦牛酪蛋白连接在一起,从而形成相对较牢固的凝胶结构。牦牛酪蛋白胶束以紧密堆积的形式在多个方向上连接在一起。与此相反,牛酪蛋白胶束形成的凝胶网络只沿一个方向连接,并且部分断裂。

 

结论

Rheolaser Master光学法微流变仪器非常适合研究结构脆弱流体的凝胶-溶胶过程。本研究为牦牛奶酪的生产提供了有价值的信息。与奶牛酪蛋白胶束相比,牦牛酪蛋白胶束中磷酸钙与κ-酪蛋白的含量与牛奶不同,这导致牦牛酪蛋白的凝固时间更长,凝胶结构更致密。


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