凝乳酶誘導的牦牛酪蛋白膠束凝固特性-與奶牛酪蛋白膠束的比較

2022-03-25

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

摘要

了解凝乳酶誘導的酪蛋白膠束形成凝膠的凝血特性對牦牛奶酪加工具有重要意義。我們之前已經發現牦牛奶需要更長的發酵時間，但與牛奶相比，牦牛奶能形成更強的凝膠。在本研究中，我們的目標是了解凝乳酶誘導牦牛酪蛋白膠束的特性，并與奶牛酪蛋白膠束進行比較。本研究利用粒度分析、微觀流變學、流變學、激光共聚焦掃描電鏡圖像(CLSM)和低溫掃描電鏡圖像(cryo-SEM)等技術，研究牛奶和牦牛奶的凝膠機理。

實驗方法

通過將牦牛奶與牛奶酪蛋白膠束的比較，了解凝乳酶誘導的牦牛酪蛋白膠束的凝乳特性。利用激光粒度儀、Rheolaser Master微流變儀器配合共焦激光掃描顯微圖像(CLSM)和冷凍掃描電鏡圖像(cryo-SEM)顯示，研究牦牛酪蛋白膠束的凝膠特性和結構。

樣品：

從脫脂牦牛乳與牛乳中提取酪蛋白，分別分散在超濾液中(酪蛋白濃度為0.7 g protein/ 100 mL）。

Rheolaser Master微流變儀器原理

Rheolaser Master基于MS-DWS多重光散射測試技術，測試過程對樣品*無擾動，可以監測凝膠原位狀態下的粘彈性變化過程，儀器具有6個測試通道，用于快速和同時篩選不同配方。典型的溶膠-凝膠測試結果如下所示。

均方根位移（MSD）是經典的微流變學（Microrheology）參數，它包含了樣品的粘彈性信息，短直線（紅色）指示樣品在該時刻為純液體行為，隨著溫度或者老化時間的改變，當曲線產生彈性平臺（粉紅）時，表明樣品變成了凝膠狀或固體性質。

結果與討論

原始數據

圖1 展示了牛奶酪蛋白和牦牛奶酪蛋白的TEM照片和粒度數據。

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

兩個樣品均顯示出非常窄的粒度分布，牦牛奶酪蛋白的Z均粒度為218.6nm，明顯大于牛奶酪蛋白的178.5nm。

圖2是Rheolaser Master的微流變數據，圖2a為酪蛋白溶液的MSD曲線，圖2b為SLB隨時間變化曲線。

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.

從圖2a可見，牦牛奶體系凝膠后的MSD曲線（藍色三角）更靠近右下方，說明牦牛奶藍蛋白凝膠后的彈性和粘性更強。

SLB值即固液平衡點，代表樣品的固體和液體的性質。SLB的數值范圍是0-1，當樣品的性質以液態為主時，樣品的SLB值在0.5-1之間；當樣品的性質以固體性質為主時，樣品的SLB值在0-0.5之間。從圖2b中，可以發現牛奶酪蛋白隨時間下降較快，說明樣品凝膠過程較快，但是牦牛奶最終時刻的SLB值比奶牛的值更小，說明牦牛奶酪蛋白的凝膠性質更接近與固態。

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

圖3展示了樣品在發酵60min時的照片。從圖中可見，樣品的凝膠穩定性與微流變數據相符合，牦牛奶酪蛋白的凝膠更穩定。

圖4和圖5分別是兩種牛奶酪蛋白凝膠的激光共聚焦掃描電鏡圖像(CLSM)和低溫掃描電鏡圖像(cryo-SEM)。

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

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

從圖中可見，奶牛酪蛋白凝膠形成的凝膠網絡比牦牛酪蛋白凝膠形成的凝膠網絡孔徑大。牦牛酪蛋白膠束由于細小孔隙的毛細力較大，因而可能含有較多的水分。牦牛酪蛋白膠束因為致密的結構與小的孔，凝膠的牢固度可能會增加。此外，牦牛酪蛋白凝膠中的絲狀凝膠鏈被聚集體取代，并相互連接形成更強的網絡結構。相比之下，奶牛酪蛋白凝膠具有更松散的結構和更大的孔隙。

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是根據實驗結果分析得到的兩種酪蛋白凝膠機理圖。與牛酪蛋白相比，牦牛乳酪蛋白體積較大，CCP膠體磷酸鈣濃度較高，κ-酪蛋白濃度較低（Fig6a、b）。添加凝乳酶后，κ-酪蛋白水解。這種酶促反應使凝乳酶修飾的酪蛋白膠束接近，導致聚集。牦牛酪蛋白中的低濃度κ-酪蛋白水解速度慢，影響酪蛋白膠束聚集和凝膠形成。牦牛酪蛋白中κ-酪蛋白水解產生的反應位點較少，減緩了凝膠的形成，使凝膠結構更加有序。牛酪蛋白中大量的反應位點導致酪蛋白更快的聚集，從而導致更多的開放隨機的網絡結構。更重要的是，較高的CCP膠體磷酸鈣含量提供了一種密度更高的黏合劑，將牦牛酪蛋白連接在一起，從而形成相對較牢固的凝膠結構。牦牛酪蛋白膠束以緊密堆積的形式在多個方向上連接在一起。與此相反，牛酪蛋白膠束形成的凝膠網絡只沿一個方向連接，并且部分斷裂。

結論

Rheolaser Master光學法微流變儀器非常適合研究結構脆弱流體的凝膠-溶膠過程。本研究為牦牛奶酪的生產提供了有價值的信息。與奶牛酪蛋白膠束相比，牦牛酪蛋白膠束中磷酸鈣與κ-酪蛋白的含量與牛奶不同，這導致牦牛酪蛋白的凝固時間更長，凝膠結構更致密。