Firstly, the effect of pectin on acid milk gels in concentrated, quiescent systems was investigated by passive microrheology using two complementary techniques: diffusive wave spectroscopy (DWS) and multiple particle tracking (MPT). DWS, by allowing probing the mechanical properties of the network at high frequency, gave information on its microstructure. The addition of high methoxyl pectins was shown to change the network structure which has been explained by bridging of the casein micelles by the polymer as the system was undergoing acidification. On the other hand, the presence of low methoxyl pectin in the acid milk gel was shown to have no effect on the microstructure of the network at low concentration of polymer (0.1%w/w) which has been attributed to the sensitivity of this low DM pectin to calcium: LM pectin are trapped by calcium and not able to interact with casein micelles anymore. Multiple particle tracking was used to probe the effect of pectin on the heterogeneity of the system by following the distribution of the displacements of added micro beads at a given time lag during the gelation using the Van Hove distribution. Furthermore, the surface chemistry of the probes was modified in an attempt to control their location in the system. Finally, the mean square displacements of the casein micelles obtained by DWS and, of k-casein coated particles obtained by MPT were shown to give good agreement for the same acid milk system. Having established that the interaction between casein micelles and low methoxyl pectin is prevented by the pectin sensitivity to calcium, the effect of the pectin fine structure was investigated on the interaction between k-casein and pectin by surface plasmon resonance (SPR). The amount of pectin binding on a k-casein coated gold surface was shown to be strongly dependant on the pectin fine structure. It was concluded that small negative patches on the pectin backbone, likely to comprise of around two consecutive unmethylesterified galacturonic acid, are the most effective for pectin binding to k-casein. The effect of the direct interaction between pectin and k- casein on ‘calcium-free casein micelle mimics’ in pectin solution was then investigated using coated latex beads. A pectin structure with a limited number of negative patches on its backbone was also shown to limit the potential for destabilization via bridging.

In der Milchindustrie spielt die Auswahl der Starterkulturen eine wichtige Rolle bei der Herstellung fermentierter Produkte mit gewünschter Textur und entsprechenden sensorischen Eigenschaften. Milchsäurebakterien mit der Fähigkeit extrazelluläre Polysaccharide (EPS) zu synthetisieren sind von besonderem Interesse, da auf Grund der in situ gebildeten Hydrokolloide der Einsatz von Zusatzstoffen vermieden werden kann. Die Wirkung von EPS auf die Produkt-eigenschaften ist in der Literatur bereits mehrfach beschrieben, wird jedoch auf Grund der Vielzahl an unterschiedlichen Stämmen und Fermentationsparametern bzw. einer fehlenden Systematisierung immer noch sehr kontrovers diskutiert. Des Weiteren stellt die wissenschaftliche Aufklärung der komplexen Struktur-Funktionsbeziehungen und der Wechselwirkungen mit anderen Produktkomponenten eine große Herausforderung dar. Um die Zusammenhänge besser verstehen zu können, wurde in dieser Arbeit ein neuer Ansatz gewählt: isolierte und aufgereinigte EPS wurden der Milch vor der Säuerung zugesetzt und die daraus hergestellten Milchgele mit jenen mit in situ produzierten EPS verglichen. In Milchgelen aus Einzelstammkulturen von Streptococcus thermophilus oder Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus wurden EPS‑Gehalte von 40 - 150 mg/kg ermittelt. Die Gele unterschieden sich hinsichtlich ihrer Viskosität und ihres fadenziehenden Charakters, was erste Hinweise auf die Art der gebildeten EPS liefert. Die Synthese größerer Mengen an EPS zur Charakterisierung und Untersuchung ihrer Funktionalität erfolgte entkoppelt von der Produkt­herstellung mit ausgewählten Stämmen in Batch-Fermentationen mit konstantem pH in komplexen oder semidefinierten Medien. S. thermophilus ST‑143 produzierte ~ 300 mg/L fadenziehende EPS, die durch entsprechende Aufreinigungsschritte als drei EPS‑Fraktionen gewonnen werden konnten: freie EPS (EPSf), kapsuläre EPS (EPSk) und ein Gemisch aus beiden (EPSf+k). EPSf haben eine höhere Molekülmasse (M = 2,6 x 10^6 Da) und eine höhere intrinsische Viskosität (1,14 mL/mg) im Vergleich zu EPSk (M = 7,4 x 10^3 Da, 1,4 x 10^5 Da; intrinsische Viskosität = 0,06 mL/mg) und führten bereits in geringen Mengen zu rheologischen Veränderungen. Allerdings scheinen die EPSk Wechselwirkungen zwischen EPSf Molekülen zu unterstützen. In chemisch gesäuerten Milchgelen konnte durch den definierten Zusatz aufgereinigter Fraktionen von EPSf und EPSf+k vor der Säuerung (c = 0 - 0,35 mg/g) erstmals eine konzentrationsabhängige Wirkung aufgezeigt werden. Mit EPSf stieg der maximale Speichermodul der Milchgele als Maß für die Gelsteifigkeit linear an (457 - 722 Pa). EPSk zeigten hingegen keinen Einfluss. Als Modellpolysaccharid wurde vergleichend das gut beschriebene, ebenfalls ungeladene und nicht gelbildende Homopoly­saccharid Dextran herangezogen (c = 0 - 300 mg/g). EPSf und Dextran veränderten die Gelbildung, erhöhten die Steifigkeit stichfester Gele und die Viskosität gerührter Gele in ähnlichem Maße, es waren jedoch deutlich unterschiedliche Konzentrationen notwendig. Die in den Milchgelen beschriebenen Einflüsse können unter anderem auf Depletionseffekte zwischen gleichgeladenen Polymeren (hier Proteine und Polysaccharide) zurückgeführt werden. / The selection of suitable starter cultures for the production of fermented milk with a desired texture and corresponding sensory attributes is of great importance for the dairy industry. Lactic acid bacteria with the ability to synthesise extracellular polysaccharides (EPS) are of particular interest, because these in situ produced hydrocolloids may allow to omit the use of additives. Many effects of EPS on product properties are already described in the scientific literature, but are still discussed controversially because of the multitude of different strains and fermentation parameters and, hence, a lack of systematisation. Furthermore, research on the mechanisms behind the structure-function relationship and interactions with other product components is a challenging area. To obtain a deeper understanding of this complex system, a new approach was chosen for the present study: EPS were isolated, purified and added to the milk prior to acidification, and the respective milk gels were compared with those with in situ produced EPS. In milk gels acidified by single strains of Streptococcus thermophilus or Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus, EPS contents of 40 - 150 g/kg were determined. The gels differed in viscosity and their ropy character, which is a first indicator for the type of the EPS. To allow for their chemical and technofunctional characterisation, the synthesis of higher amounts of EPS was performed by batch-fermentation at constant pH and decoupled from the product manufacturing with selected strains in complex or semidefined media. S. thermophilus ST‑143 synthesised ~ 300 mg/L ropy EPS, which were isolated as three different EPS fractions by applying particular purification steps: free EPS (EPSf), capsular derived EPS (EPSk) and a mixture of both EPS (EPSf+k). EPSf had a higher molecular mass (M = 2.6 x 10^6 Da) and a higher intrinsic viscosity (1.14 mL/mg) compared to EPSk (M = 7.4 x 10^3 Da, 1.4 x 10^5 Da; intrinsic viscosity = 0.06 mL/mg) and affected the rheological properties of aqueous solutions already at low concentration. However, EPSk appear to support interactions between the EPSf molecules. In chemically acidified milk gels a concentration dependent impact of EPSf and EPSf+k, which were added to the milk prior to acidification (c = 0 - 0,35 mg/g), was described for the first time. The maximum of the storage modulus as a measure for stiffness of the milk gels linearly increased with EPSf content (457 - 722 Pa). With EPSk no effects were observed. For the purpose of comparison dextran, a well described also uncharged and non gelling homopolysaccharide, was used as a model polysaccharide (0 - 300 mg/g). EPSf and dextran affected the gelation, increased gel stiffness of set gels and viscosity of stirred gels to a similar way, but the concentrations needed for that found to be completely different. The effects described for milk gels can be ascribed among others to depletion interactions between similar charged polymers (here proteins and polysaccharides).

L'objectif de la thèse a été d'élucider le processus de réhydratation des caséines micellaires et des protéines solubles dans un milieu complexe et opaque : le lait. L'influence de l'état d'hydratation de ces ingrédients laitiers en fonction du temps (5, 120, 180, 240, 300, 480, 900 et 1440 min de réhydratation) sur les propriétés rhéologiques, texturales, physiques ainsi que la microstructure des gels laitiers acides a également été étudiée. Il en résulte que le processus de réhydratation des caséines micellaires diffère de celui des protéines solubles, et est extrêmement long avec trois étapes : une étape de mouillage des particules, suivie d'une étape de gonflement caractérisée par une augmentation de la taille des particules et enfin une étape de dispersion marquée par la diminution de la taille des particules. La réhydratation des protéines solubles est caractérisée par une grande rapidité, avec deux phases : le mouillage et la phase de dispersion (superposée). D'autre part, l'allongement de la durée de réhydratation des caséines micellaires est associé à une augmentation du point de gélification ainsi qu'à une nette amélioration des propriétés physiques, texturales et rhéologiques des gels : augmentation de leur fermeté et de leur force, diminution de la synérèse et de la formation de grumeaux. La durée de réhydratation des protéines solubles n'a pas d'influence sur ces paramètres. En revanche, leur dénaturation (par chauffage à sec) est associée à une dégradation des propriétés texturales des gels acides. Finalement, il s'avère que les gels acides formulés à partir des protéines solubles sont de meilleure qualité texturale (à l'exception de la formation de grumeaux) que ceux préparés à partir des caséines micellaires / The main objectives of this work were to elucidate the rehydration mechanism of the two major milk proteins (micellar casein and whey protein) into a complex and opaque medium such as milk and to assess the influence of hydration state (defined as a function of rehydration length after 5,120,180,240,300, 480, 900 and 1440 minutes of rehydration) on the rheological, textural, physical properties and microstructure of the obtained acid milk gels. Whereas, micellar casein presented a long rehydration process into milk characterized by three stages: a wetting, swelling and dispersion phase, whey protein displayed a quick rehydration process characterized by an overlapping of wetting and dispersion phase. Furthermore, an extended rehydration time of micellar casein powder into the milk base was associated with a postponed onset of gelation and enhanced physical, textural as well as rheological properties of the obtained acid milk gels characterized by increases in gel firmness, strength, and decreases in syneresis susceptibility and grains formation. In contrast, acid milk gels prepared with whey protein powder exhibited comparable overall textural properties regardless the different rehydration times. Nevertheless, denaturation of whey protein powder (by dry heating) was associated with a deterioration of the textural properties of the acid milk gels. Finally, acid gels prepared with whey proteins displayed better overall textural quality than those prepared with micellar casein (except for grains formation)

In der Milchindustrie spielt die Auswahl der Starterkulturen eine wichtige Rolle bei der Herstellung fermentierter Produkte mit gewünschter Textur und entsprechenden sensorischen Eigenschaften. Milchsäurebakterien mit der Fähigkeit extrazelluläre Polysaccharide (EPS) zu synthetisieren sind von besonderem Interesse, da auf Grund der in situ gebildeten Hydrokolloide der Einsatz von Zusatzstoffen vermieden werden kann. Die Wirkung von EPS auf die Produkt-eigenschaften ist in der Literatur bereits mehrfach beschrieben, wird jedoch auf Grund der Vielzahl an unterschiedlichen Stämmen und Fermentationsparametern bzw. einer fehlenden Systematisierung immer noch sehr kontrovers diskutiert. Des Weiteren stellt die wissenschaftliche Aufklärung der komplexen Struktur-Funktionsbeziehungen und der Wechselwirkungen mit anderen Produktkomponenten eine große Herausforderung dar. Um die Zusammenhänge besser verstehen zu können, wurde in dieser Arbeit ein neuer Ansatz gewählt: isolierte und aufgereinigte EPS wurden der Milch vor der Säuerung zugesetzt und die daraus hergestellten Milchgele mit jenen mit in situ produzierten EPS verglichen. In Milchgelen aus Einzelstammkulturen von Streptococcus thermophilus oder Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus wurden EPS‑Gehalte von 40 - 150 mg/kg ermittelt. Die Gele unterschieden sich hinsichtlich ihrer Viskosität und ihres fadenziehenden Charakters, was erste Hinweise auf die Art der gebildeten EPS liefert. Die Synthese größerer Mengen an EPS zur Charakterisierung und Untersuchung ihrer Funktionalität erfolgte entkoppelt von der Produkt­herstellung mit ausgewählten Stämmen in Batch-Fermentationen mit konstantem pH in komplexen oder semidefinierten Medien. S. thermophilus ST‑143 produzierte ~ 300 mg/L fadenziehende EPS, die durch entsprechende Aufreinigungsschritte als drei EPS‑Fraktionen gewonnen werden konnten: freie EPS (EPSf), kapsuläre EPS (EPSk) und ein Gemisch aus beiden (EPSf+k). EPSf haben eine höhere Molekülmasse (M = 2,6 x 10^6 Da) und eine höhere intrinsische Viskosität (1,14 mL/mg) im Vergleich zu EPSk (M = 7,4 x 10^3 Da, 1,4 x 10^5 Da; intrinsische Viskosität = 0,06 mL/mg) und führten bereits in geringen Mengen zu rheologischen Veränderungen. Allerdings scheinen die EPSk Wechselwirkungen zwischen EPSf Molekülen zu unterstützen. In chemisch gesäuerten Milchgelen konnte durch den definierten Zusatz aufgereinigter Fraktionen von EPSf und EPSf+k vor der Säuerung (c = 0 - 0,35 mg/g) erstmals eine konzentrationsabhängige Wirkung aufgezeigt werden. Mit EPSf stieg der maximale Speichermodul der Milchgele als Maß für die Gelsteifigkeit linear an (457 - 722 Pa). EPSk zeigten hingegen keinen Einfluss. Als Modellpolysaccharid wurde vergleichend das gut beschriebene, ebenfalls ungeladene und nicht gelbildende Homopoly­saccharid Dextran herangezogen (c = 0 - 300 mg/g). EPSf und Dextran veränderten die Gelbildung, erhöhten die Steifigkeit stichfester Gele und die Viskosität gerührter Gele in ähnlichem Maße, es waren jedoch deutlich unterschiedliche Konzentrationen notwendig. Die in den Milchgelen beschriebenen Einflüsse können unter anderem auf Depletionseffekte zwischen gleichgeladenen Polymeren (hier Proteine und Polysaccharide) zurückgeführt werden. / The selection of suitable starter cultures for the production of fermented milk with a desired texture and corresponding sensory attributes is of great importance for the dairy industry. Lactic acid bacteria with the ability to synthesise extracellular polysaccharides (EPS) are of particular interest, because these in situ produced hydrocolloids may allow to omit the use of additives. Many effects of EPS on product properties are already described in the scientific literature, but are still discussed controversially because of the multitude of different strains and fermentation parameters and, hence, a lack of systematisation. Furthermore, research on the mechanisms behind the structure-function relationship and interactions with other product components is a challenging area. To obtain a deeper understanding of this complex system, a new approach was chosen for the present study: EPS were isolated, purified and added to the milk prior to acidification, and the respective milk gels were compared with those with in situ produced EPS. In milk gels acidified by single strains of Streptococcus thermophilus or Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus, EPS contents of 40 - 150 g/kg were determined. The gels differed in viscosity and their ropy character, which is a first indicator for the type of the EPS. To allow for their chemical and technofunctional characterisation, the synthesis of higher amounts of EPS was performed by batch-fermentation at constant pH and decoupled from the product manufacturing with selected strains in complex or semidefined media. S. thermophilus ST‑143 synthesised ~ 300 mg/L ropy EPS, which were isolated as three different EPS fractions by applying particular purification steps: free EPS (EPSf), capsular derived EPS (EPSk) and a mixture of both EPS (EPSf+k). EPSf had a higher molecular mass (M = 2.6 x 10^6 Da) and a higher intrinsic viscosity (1.14 mL/mg) compared to EPSk (M = 7.4 x 10^3 Da, 1.4 x 10^5 Da; intrinsic viscosity = 0.06 mL/mg) and affected the rheological properties of aqueous solutions already at low concentration. However, EPSk appear to support interactions between the EPSf molecules. In chemically acidified milk gels a concentration dependent impact of EPSf and EPSf+k, which were added to the milk prior to acidification (c = 0 - 0,35 mg/g), was described for the first time. The maximum of the storage modulus as a measure for stiffness of the milk gels linearly increased with EPSf content (457 - 722 Pa). With EPSk no effects were observed. For the purpose of comparison dextran, a well described also uncharged and non gelling homopolysaccharide, was used as a model polysaccharide (0 - 300 mg/g). EPSf and dextran affected the gelation, increased gel stiffness of set gels and viscosity of stirred gels to a similar way, but the concentrations needed for that found to be completely different. The effects described for milk gels can be ascribed among others to depletion interactions between similar charged polymers (here proteins and polysaccharides).