Highly concentrated micellar casein concentrate (HC-MCC), a potential ingredient for cheese making, containing ~20% casein with ~70% of serum proteins removed by microfiltration, and diafiltration of skim milk, and then further concentrated by vacuum evaporation. The objectives of this research were to investigate solubilization, cold gelation, rennet coagulation properties of recombined HC-MCC and cream for its use in cheese making. In Chapter 3, either mixing thawed HC-MCC in water at high temperature (~50C) or addition of trisodium citrate can achieve complete dispersion and more than 80% solubility of HC-MCC in water (3% protein). Overnight storage helps to fully disperse HC-MCC, but only reaches ~30% of solubility at 20C. Cold-gelation of HCMCC is thermally reversible and reducing protein levels in HC-MCC can decrease its CGT. The HC-MCC with less than 16% of protein does not gel at 5C. We propose that cold-gelation of HC-MCC occurs when the kinetic energy of the casein micelles is sufficiently reduced to inhibit their mobility in relation to adjacent casein micelles. In Chapter 4, the recombined concentrated milk (RCM) by mixing thawed frozen HC-MCC and cream with 12% casein at pH 6.6 does not gel until cooled below 12°C. Addition of either sodium citrate or high levels of calcium increased CGT, although low levels of calcium did not impact CGT. Cold gelation of RCM was thermally reversible, even when citrate was added to partially chelate calcium. We propose that cold gelation of RCM occurs when protein strands that have been partially released from the casein micelles entangle, restrict their mobility and form a fine stranded gel network. The RCM at a casein level of 12% (wt/wt) has potential for use in cheese making. In Chapter 5, reducing rennet level can increase coagulation time of RCM (11% casein) without impact on curd firmness or firming rate. Decreased coagulation temperature helps to increase coagulation time and decrease curd firmness rate, but also increases the initial viscosity of RCM. Pre-acidified RCM has no advantage in increasing coagulation time, decreasing curd firmness or firming rate. Microstructure of RCM and its coagulum indicates that the increased curd firmness probably results from the highly inter-linked and longer protein strands in RCM curd. Reducing rennet level can be applied to slow down rennet coagulation of RCM (11% casein) in cheese making.

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Enzymic milk coagulation was monitored by measuring changes in curd firmness and apparent absorbance of undiluted milk. Detection of coagulation, visually or rheologically, occurred after the milk changes from a system of aggregating particles to an extended space network. This change was observed as a shoulder in apparent absorbance plots and coagulation time was defined as the critical point in the aggregation process analogously to non-linear condensation polymerization reactions. It corresponds to the inflexion point during the period when apparent absorbance was rapidly increasing and can be calculated by fitting curd firmness data to an exponential equation. Addition of calcium chloride to milk reduced coagulation time with a minimum occurring at .05M calcium. Also, curd firmness increased with a maximum at .02M calcium. It appears that calcium affects all stages of coagulation: proteolysis, micelle aggregation, and gelation. When bulk culture media was added to milk, the pH of the media had a greater effect on coagulation time than did presence of phosphate in the media. Non-specific proteolytic activity of milk coagulants affects the initial rate of curd firming but not the maximum firmness. The more proteolytic the enzyme the slower the curd firming rate. This can be used to rapidly assay for pepsin content of bovine rennets.

De nombreux composés bioactifs hydrophobes sont actuellement mis en avant en raison de leurs propriétés nutritionnelles et fonctionnelles. Une attention particulière est, en conséquence, portée à leur incorporation en tant qu'ingrédients dans des aliments fonctionnels. Cependant, la majorité de ces composés bioactifs sont caractérisés par une faible solubilité en milieu aqueux, une dégradation au cours des procédés de transformation ainsi qu'une absorption limitée au niveau du tractus gastro-intestinal. La micelle de caséines, grâce à ses propriétés fonctionnelles uniques, peut être considérée comme un support d’encapsulation naturel pour ces molécules bioactives hydrophobes. En effet, une des originalités de cette suprastructure est sa dynamique dans le lait se caractérisant par des échanges réversibles de protéines et de minéraux entre le sérum et la structure micellaire interne en fonction des conditions physicochimiques, et notamment avec la température. En particulier, un stockage du lait à 4°C permet la dissociation sélective de la caséine β de la phase micellaire vers la phase soluble et un retour à température ambiante permet sa réintégration. L’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle stratégie d’encapsulation de molécules bioactives hydrophobes dans les micelles de caséines via cette dynamique de la caséine β. Dans un premier temps, l’optimisation de la dissociation de la caséine β de la micelle de caséines a été réalisée en modifiant la température et le pH, tout en portant une attention particulière au maintien de l’intégrité des micelles déplétées en caséines β. Un procédé de séparation physique de la caséine β solubilisée a été optimisé par microfiltration à l’échelle pilote. Une étude de la concentration micellaire critique de la caséine β a permis de vérifier son état monomérique à l’issue de cette séparation. Une étude de la cinétique d’interaction entre la caséine β monomérique et deux composés bioactifs hydrophobes, la curcumine et la vitamine D3, a ensuite été réalisée par résonance plasmonique de surface et par spectroscopie de fluorescence. La curcumine a été choisie pour la suite de l’étude au vu de sa bonne affinité pour la caséine β. Le complexe caséine β monomérique-curcumine a ensuite été encapsulé dans des micelles de caséines préalablement déplétées en caséines β. Les résultats de ces travaux montrent l’efficacité de cette stratégie d’encapsulation qui peut présenter un intérêt particulier pour la vectorisation de molécules bioactives hydrophobes afin d’assurer leur protection dans des produits laitiers pauvres en matière grasse.De plus, au cours de ce projet, une méthode de caractérisation des propriétés morphologiques et nano-mécaniques des micelles de caséines par microscopie à force atomique en milieu liquide a été développée. Cette méthode représente un outil intéressant de compréhension de la structure micellaire dans son environnement natif et offre la possibilité d’évaluer l’impact de certaines modifications sur les propriétés de la micelle de caséines, comme sa déplétion en caséine β ou sa réticulation. / In the last years, the number of studies highlighting the nutritional and functional properties of several hydrophobic bioactives has markedly increased. Special attention is consequently paid to their addition as ingredients to food. However, most of these hydrophobic compounds display a low aqueous solubility, poor stability during processing and low absorption in the gastrointestinal tract. Casein micelles exhibiting unique set of properties can be considered as a natural nanocarrier for these molecules. Actually, changes in environmental factors namely pH and temperature induce the dissociation of caseins and minerals from the colloidal phase to the soluble phase. Particularly, a selective dissociation of β-casein occurs at low temperatures. This effect is reversed with an increase in temperature, with a transfer of β-casein from the serum to the micelles when equilibrated at room temperature. The aim of this study is to develop a novel encapsulation strategy to incorporate hydrophobic bioactive compounds into casein micelles using the β-casein reversible dissociation. First, the β-casein dissociation from casein micelles was optimized by temperature and pH modifications while preserving the integrity of the β-casein depleted casein micelles. The separation of dissociated β-caseins from casein micelles was carried out by microfiltration at a pilot scale. The β-casein critical micelle concentration was concurrently evaluated to ensure the monomeric state of -casein after separation. Secondly, the binding kinetic between monomeric β-casein and two hydrophobic compounds, curcumin and vitamin D3, was investigated by surface plasmon resonance and fluorescence spectroscopy. Curcumin was then selected thanks to its high affinity to -casein β. The complex monomeric β-casein – curcumin was encapsulated in β-casein depleted casein micelles. The results of this study show the efficiency of this encapsulation strategy of hydrophobic bioactive compounds, which could be used to protect such molecules in low fat dairy products.Besides, during this project, a novel strategy was developed in order to evaluate the casein micelle topography and nanomechanical properties by atomic force microscopy in liquid environment. This method opens a new line of investigation to better understand the casein micelle structure in its native environment but also investigate the impact induced by the modification of physico-chemical conditions on its topography and elastic properties.

The aim of this study was to investigate the impact of the casein microstructure on the molecular diffusion of probes with different sizes and deformabilities. The mobility of molecular flexible ('PEG') and rigid (dendrimer) probes of various sizes was studied in suspensions and gels of NPC and SC at various protein concentrations. Measurements were carried out by NMR, which makes it possible to probe translational mobilities over a distance of 1.5 microns, as well as local mobilities at the molecular scale (several nanometers) through the relaxation times, T2. A coherent model was used and the same mechanism was proposed to describe the diffusion of small probes in both casein dispersions. It is the combination of different factors that should be considered: the ratio of the probe size to the distance between the obstructing particles or the entanglement points, as well as the flexibility of the probe. The rotational diffusion of PEG and dendrimer probes was less hindered than translational diffusion in both casein systems. Different relaxation behaviors were observed between the two casein systems and retardation in T2 relaxation times was highlighted in rennet and acid casein gels. These results are probably related to the local mobility of the matrix. The overall results of this project led to a better understanding of probe mobility in casein systems and made it possible to propose a new model that challenges the previous one proposed by Le Feunteun et al. to describe the diffusion of probes in casein systems.

Milch dient der Versorgung neugeborener Säugetiere mit allen lebensnotwendigen Nährstoffen, wie Proteinen, Fetten, Kohlenhydraten, Vitaminen und Mineralstoffen. Insbesondere die Proteingruppe der Caseine, die in der Milch zum Großteil zu Caseinmicellen assoziiert vorliegen, stellen essentielle Aminosäuren bereit und transportieren große Mengen Calcium und Phosphor (Fox, 2008; Horne, 2008). Neben der Bedeutung als erste Nahrungsquelle für Neugeborene haben sich Milch und Milchprodukte zu einem der wichtigsten Handels- und Verarbeitungsgüter entwickelt. In Deutschland ist vorrangig der Konsum von Kuhmilch verbreitet. Zunehmend wird aber auch die Milch von Büffel, Schaf und Ziege direkt oder verarbeitet konsumiert (Fox, 2008; Töpel, 2016). Dabei unterscheidet sich die Zusammensetzung der Milch zwischen den verschiedenen Tierarten zum Teil beträchtlich. Diese Unterschiede betreffen nicht nur die Anteile der Hauptnährstoffe, sondern auch die Eigenschaften und die Zusammensetzung der Caseinmicellen (CM) (Fox, 2008). Die Eigenschaften und die Stabilität gegenüber einer Calciumkomplexierung wurden für bovine Caseinmicellen in der Literatur bereits ausführlich diskutiert (Horne, 1984; Banon & Hardy, 1992; Needs et al., 2000; O’Connell et al., 2001; Huppertz et al., 2004). Über die Micellen anderer Tierarten lagen zu Beginn der Untersuchungen hingegen kaum Informationen vor. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb, die Caseinmicellen aus der Milch der wiederkäuenden Paarhufer Kuh, Büffel, Schaf, Ziege und Kamel und der nicht wiederkäuenden Unpaarhufer Pferd und Esel sowie aus Humanmilch bezüglich Größe, Struktur, Zusammensetzung und Stabilität zu charakterisieren und daraus Erkenntnisse zum tierartspezifischen Micellaufbau abzuleiten. Hierzu wurden die Caseinmicellen mit Hilfe der Ultrazentrifugation von der Molke abgetrennt und in tierartspezifischem, synthetischem Milchultrafiltrate (SMUF) resuspendiert. Untersuchungen der hydrodynamischen Durchmesser mittels dynamischer Lichtstreuung zeigten, dass die CM der Nicht-Wiederkäuer Stute und Esel sowie des Kamels deutlich größer waren als die der Wiederkäuer Kuh, Büffel, Schaf und Ziege, wohingegen sich die humanen CM als die kleinsten zeigten. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) konnten aufgrund der beobachteten unterschiedlichen Oberflächenstrukturen für einige Tierarten Hinweise hinsichtlich einer größen- und κ-Casein-abhängigen Ausbildung von κ Casein ‚bunches‘ oder einer ‚hairy layer‘ an der Oberfläche der kolloidalen Partikel erhalten werden. Anhand der Aminosäurezusammensetzung der micellaren Proteine konnte abgeleitet werden, dass bei allen Tierarten vor allem Phosphoserin sowie die hydrophoben Aminosäuren maßgeblich am Aufbau der CM beteiligt sein dürften. Hierbei wurden jedoch tierartspezifische Unterschiede festgestellt. Bei den Wiederkäuern wurde eine besonders starke Assoziation der Caseinmonomere über Phosphoserincluster vermutet, während bei den Nicht-Wiederkäuern und insbesondere bei den humanen CM auch hydrophobe Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle spielen. Calcium und anorganischer Phosphor konnten als die bedeutendsten micellaren Salze identifiziert werden, die in besonders hohen Gehalten in den CM von Stute und Esel vorkamen. Humane Micellen wiesen deutlich niedrigere Mineralstoffgehalte auf, weshalb die Bedeutung der elektrostatischen Wechselwirkungen für die Verknüpfung der Caseinmonomere geringer eingeschätzt wurde als bei den weiteren untersuchten Tierarten. In Bezug auf die Stabilität gegenüber einer Calciumkomplexierung mit Ethylenglycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N\',N\'-tetraessigsäure (EGTA) unterschieden sich die CM der Tiere sehr deutlich voneinander. Instabile Micellen zeichneten sich durch eine starke Abnahme der Trübung, eine Zunahme des extra-micellaren Caseins sowie eine schneller einsetzende Verkleinerung des hydrodynamischen Durchmessers aus. Für die Micellstabilität ergab sich die folgende Reihenfolge: Kuh << Büffel < Ziege < Schaf < Kamel = Stute < Esel < Mensch. Caseinmicellen eignen sich, neben dem natürlichen Transport von Aminosäuren und Mineralstoffen, als Nanotransporter für bioaktive Substanzen wie Vitamin D2 (Semo et al., 2007), β-Carotin (Sáiz-Abajo et al., 2013), Curcumin (Sahu et al., 2008), Triclosan (Roach et al., 2009) oder auch dem antibakteriellen Enzym Lysozym (de Roos et al., 1998; Anema & de Kruif, 2013). Da zu Beginn der Untersuchungen ausschließlich Daten zur Beladung boviner Caseinmicellen mit Hühnereiweißlysozym (HEWL) verfügbar waren, sollte zunächst die Stabilität der tierartspezifischen Micellen und die Effektivität der Beladung mit Lysozym beurteilt werden. Zusätzlich sollte die antibakterielle Wirksamkeit der mit Lysozym beladenen Caseinmicellen verschiedener Säugetiere sowohl in vitro als auch in orientierenden Untersuchungen gegenüber Bakterien erfasst werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die CM aller untersuchten Tierarten mit HEWL beladen werden können. Hinsichtlich der Stabilität der CM sowie der Aufnahmekapazität wurden jedoch tierartspezifische Unterschiede festgestellt. Allgemein konnten die CM aus Wiederkäuer- und aus Humanmilch als stabiler beschrieben werden, wobei die HEWL-Aufnahme bei den CM der Wiederkäuer höher war. Die lytische Enzymaktivität des HEWL in vitro veränderte sich infolge der Micellassoziation für die meisten untersuchten Tierarten im Vergleich zu frei vorliegendem HEWL nicht. Für die antibakterielle Wirksamkeit gegenüber Bacillus subtilis wurden hingegen Unterschiede zwischen den verschiedenen Tierarten beobachtet. Für die HEWL-haltigen CM von Büffel und Ziege ergaben sich die gleichen Wachstumsverzögerungen wie bei freiem HEWL in SMUF. Im Gegensatz dazu wurde die bakteriostatische Wirkung durch die HEWL-Micellen von Kuh, Kamel und Mensch inhibiert, durch die von Schaf, Stute und Esel hingegen verstärkt. Neben der Funktionalisierung der Caseinmicellen durch den Einbau bioaktiver Substanzen, können die Partikel auch chemisch modifiziert werden. Eine Möglichkeit stellt hierbei die Glykierung dar. Glykierungsreaktionen zwischen den Carbonylgruppen reduzierender Zucker und Aminosäureseitenketten wurden für nicht-micellare Caseine in einer Vielzahl an Studien untersucht (Zin El-Din & Aoki, 1993; Morales & van Boekel, 1996; Pellegrino et al., 1999; Lima et al., 2009; Akıllıoğlu & Gökmen, 2014). Über den Einfluss der micellaren Anordnung der Caseine auf die Glykierungsreaktionen war nur wenig bekannt. Erkenntnisse diesbezüglich könnten einen Beitrag zur Aufklärung des Aufbaus der Caseinmicellen leisten. Die Untersuchungen zeigten, dass bei der Erhitzung von micellaren und nicht-micellaren Caseinen für 0 - 4 h bei 100 °C in Gegenwart der reduzierenden Zucker Lactose und Glucose hauptsächlich die frühe Phase der Maillard Reaktion abläuft. Die Bildung der Amadori-Produkte erfolgte dabei in den CM und im nicht micellaren Natrium-Caseinat (NaCas) in gleichem Maße. Hieraus wurde eine ähnliche Zugänglichkeit der reaktiven Aminosäureseitenketten in den micellaren und nicht micellaren Caseinen geschlussfolgert. Signifikante Unterschiede konnten hinsichtlich der Produktbildung der späten Phase der Maillard-Reaktion beobachtet werden. Während Nε-Carboxymethyllysin (CML) im NaCas in höheren Gehalten detektiert wurde, trat in den CM eine verstärkte Pyrralin-Bildung auf. Zudem bewirkte eine Inkubation in Gegenwart von Lactose eine bevorzugte CML-Bildung, wohingegen mit Glucose Pyrralin in höheren Mengen gebildet wurde. Die Maillard-induzierten Proteinquervernetzungsprodukte Glyoxal-Lysin-Dimer und Pentosidin wurden im Vergleich zum zuckerunabhängig gebildeten Lysinoalanin in deutlich geringeren Gehalten erfasst. Hohe Oligomerisierungsgrade zwischen 50 und 84 % zeigten jedoch, dass die Proteinquer-vernetzungen, die im Zuge der Glykierung entstehen, quantitativ von größerer Bedeutung sind. Anhand der Bestimmung der hydrodynamischen Durchmesser und mit Hilfe von REM-Aufnahmen konnte eine weitgehend intra-micellare Proteinquervernetzung abgeleitet werden. Die Ausbildung intra-micellarer Oligomere bewirkte dabei eine höhere Micellstabilität gegenüber einem Calciumentzug durch EGTA. Die vorliegenden Untersuchungen deuten darauf hin, dass die hydrophilen Zuckermoleküle über die von Dalgleish (2011) vorgeschlagenen Wasserkanäle in die CM eindringen und die frühe Phase der Maillard-Reaktion anschließend vor allem in diesen Regionen erfolgt. Die weiteren Phasen der Maillard-Reaktion könnten dann, durch ein tieferes Eindringen der reaktiven Komponenten, zunehmend auch in dehydratisierteren Bereichen ablaufen. Bezüglich des Aufbaus der Caseinmicellen unterstützen die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse die Vorstellungen des Internal Structure Modells.

Milch dient der Versorgung neugeborener Säugetiere mit allen lebensnotwendigen Nährstoffen, wie Proteinen, Fetten, Kohlenhydraten, Vitaminen und Mineralstoffen. Insbesondere die Proteingruppe der Caseine, die in der Milch zum Großteil zu Caseinmicellen assoziiert vorliegen, stellen essentielle Aminosäuren bereit und transportieren große Mengen Calcium und Phosphor (Fox, 2008; Horne, 2008). Neben der Bedeutung als erste Nahrungsquelle für Neugeborene haben sich Milch und Milchprodukte zu einem der wichtigsten Handels- und Verarbeitungsgüter entwickelt. In Deutschland ist vorrangig der Konsum von Kuhmilch verbreitet. Zunehmend wird aber auch die Milch von Büffel, Schaf und Ziege direkt oder verarbeitet konsumiert (Fox, 2008; Töpel, 2016). Dabei unterscheidet sich die Zusammensetzung der Milch zwischen den verschiedenen Tierarten zum Teil beträchtlich. Diese Unterschiede betreffen nicht nur die Anteile der Hauptnährstoffe, sondern auch die Eigenschaften und die Zusammensetzung der Caseinmicellen (CM) (Fox, 2008). Die Eigenschaften und die Stabilität gegenüber einer Calciumkomplexierung wurden für bovine Caseinmicellen in der Literatur bereits ausführlich diskutiert (Horne, 1984; Banon & Hardy, 1992; Needs et al., 2000; O’Connell et al., 2001; Huppertz et al., 2004). Über die Micellen anderer Tierarten lagen zu Beginn der Untersuchungen hingegen kaum Informationen vor. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb, die Caseinmicellen aus der Milch der wiederkäuenden Paarhufer Kuh, Büffel, Schaf, Ziege und Kamel und der nicht wiederkäuenden Unpaarhufer Pferd und Esel sowie aus Humanmilch bezüglich Größe, Struktur, Zusammensetzung und Stabilität zu charakterisieren und daraus Erkenntnisse zum tierartspezifischen Micellaufbau abzuleiten. Hierzu wurden die Caseinmicellen mit Hilfe der Ultrazentrifugation von der Molke abgetrennt und in tierartspezifischem, synthetischem Milchultrafiltrate (SMUF) resuspendiert. Untersuchungen der hydrodynamischen Durchmesser mittels dynamischer Lichtstreuung zeigten, dass die CM der Nicht-Wiederkäuer Stute und Esel sowie des Kamels deutlich größer waren als die der Wiederkäuer Kuh, Büffel, Schaf und Ziege, wohingegen sich die humanen CM als die kleinsten zeigten. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) konnten aufgrund der beobachteten unterschiedlichen Oberflächenstrukturen für einige Tierarten Hinweise hinsichtlich einer größen- und κ-Casein-abhängigen Ausbildung von κ Casein ‚bunches‘ oder einer ‚hairy layer‘ an der Oberfläche der kolloidalen Partikel erhalten werden. Anhand der Aminosäurezusammensetzung der micellaren Proteine konnte abgeleitet werden, dass bei allen Tierarten vor allem Phosphoserin sowie die hydrophoben Aminosäuren maßgeblich am Aufbau der CM beteiligt sein dürften. Hierbei wurden jedoch tierartspezifische Unterschiede festgestellt. Bei den Wiederkäuern wurde eine besonders starke Assoziation der Caseinmonomere über Phosphoserincluster vermutet, während bei den Nicht-Wiederkäuern und insbesondere bei den humanen CM auch hydrophobe Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle spielen. Calcium und anorganischer Phosphor konnten als die bedeutendsten micellaren Salze identifiziert werden, die in besonders hohen Gehalten in den CM von Stute und Esel vorkamen. Humane Micellen wiesen deutlich niedrigere Mineralstoffgehalte auf, weshalb die Bedeutung der elektrostatischen Wechselwirkungen für die Verknüpfung der Caseinmonomere geringer eingeschätzt wurde als bei den weiteren untersuchten Tierarten. In Bezug auf die Stabilität gegenüber einer Calciumkomplexierung mit Ethylenglycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N\',N\'-tetraessigsäure (EGTA) unterschieden sich die CM der Tiere sehr deutlich voneinander. Instabile Micellen zeichneten sich durch eine starke Abnahme der Trübung, eine Zunahme des extra-micellaren Caseins sowie eine schneller einsetzende Verkleinerung des hydrodynamischen Durchmessers aus. Für die Micellstabilität ergab sich die folgende Reihenfolge: Kuh << Büffel < Ziege < Schaf < Kamel = Stute < Esel < Mensch. Caseinmicellen eignen sich, neben dem natürlichen Transport von Aminosäuren und Mineralstoffen, als Nanotransporter für bioaktive Substanzen wie Vitamin D2 (Semo et al., 2007), β-Carotin (Sáiz-Abajo et al., 2013), Curcumin (Sahu et al., 2008), Triclosan (Roach et al., 2009) oder auch dem antibakteriellen Enzym Lysozym (de Roos et al., 1998; Anema & de Kruif, 2013). Da zu Beginn der Untersuchungen ausschließlich Daten zur Beladung boviner Caseinmicellen mit Hühnereiweißlysozym (HEWL) verfügbar waren, sollte zunächst die Stabilität der tierartspezifischen Micellen und die Effektivität der Beladung mit Lysozym beurteilt werden. Zusätzlich sollte die antibakterielle Wirksamkeit der mit Lysozym beladenen Caseinmicellen verschiedener Säugetiere sowohl in vitro als auch in orientierenden Untersuchungen gegenüber Bakterien erfasst werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die CM aller untersuchten Tierarten mit HEWL beladen werden können. Hinsichtlich der Stabilität der CM sowie der Aufnahmekapazität wurden jedoch tierartspezifische Unterschiede festgestellt. Allgemein konnten die CM aus Wiederkäuer- und aus Humanmilch als stabiler beschrieben werden, wobei die HEWL-Aufnahme bei den CM der Wiederkäuer höher war. Die lytische Enzymaktivität des HEWL in vitro veränderte sich infolge der Micellassoziation für die meisten untersuchten Tierarten im Vergleich zu frei vorliegendem HEWL nicht. Für die antibakterielle Wirksamkeit gegenüber Bacillus subtilis wurden hingegen Unterschiede zwischen den verschiedenen Tierarten beobachtet. Für die HEWL-haltigen CM von Büffel und Ziege ergaben sich die gleichen Wachstumsverzögerungen wie bei freiem HEWL in SMUF. Im Gegensatz dazu wurde die bakteriostatische Wirkung durch die HEWL-Micellen von Kuh, Kamel und Mensch inhibiert, durch die von Schaf, Stute und Esel hingegen verstärkt. Neben der Funktionalisierung der Caseinmicellen durch den Einbau bioaktiver Substanzen, können die Partikel auch chemisch modifiziert werden. Eine Möglichkeit stellt hierbei die Glykierung dar. Glykierungsreaktionen zwischen den Carbonylgruppen reduzierender Zucker und Aminosäureseitenketten wurden für nicht-micellare Caseine in einer Vielzahl an Studien untersucht (Zin El-Din & Aoki, 1993; Morales & van Boekel, 1996; Pellegrino et al., 1999; Lima et al., 2009; Akıllıoğlu & Gökmen, 2014). Über den Einfluss der micellaren Anordnung der Caseine auf die Glykierungsreaktionen war nur wenig bekannt. Erkenntnisse diesbezüglich könnten einen Beitrag zur Aufklärung des Aufbaus der Caseinmicellen leisten. Die Untersuchungen zeigten, dass bei der Erhitzung von micellaren und nicht-micellaren Caseinen für 0 - 4 h bei 100 °C in Gegenwart der reduzierenden Zucker Lactose und Glucose hauptsächlich die frühe Phase der Maillard Reaktion abläuft. Die Bildung der Amadori-Produkte erfolgte dabei in den CM und im nicht micellaren Natrium-Caseinat (NaCas) in gleichem Maße. Hieraus wurde eine ähnliche Zugänglichkeit der reaktiven Aminosäureseitenketten in den micellaren und nicht micellaren Caseinen geschlussfolgert. Signifikante Unterschiede konnten hinsichtlich der Produktbildung der späten Phase der Maillard-Reaktion beobachtet werden. Während Nε-Carboxymethyllysin (CML) im NaCas in höheren Gehalten detektiert wurde, trat in den CM eine verstärkte Pyrralin-Bildung auf. Zudem bewirkte eine Inkubation in Gegenwart von Lactose eine bevorzugte CML-Bildung, wohingegen mit Glucose Pyrralin in höheren Mengen gebildet wurde. Die Maillard-induzierten Proteinquervernetzungsprodukte Glyoxal-Lysin-Dimer und Pentosidin wurden im Vergleich zum zuckerunabhängig gebildeten Lysinoalanin in deutlich geringeren Gehalten erfasst. Hohe Oligomerisierungsgrade zwischen 50 und 84 % zeigten jedoch, dass die Proteinquer-vernetzungen, die im Zuge der Glykierung entstehen, quantitativ von größerer Bedeutung sind. Anhand der Bestimmung der hydrodynamischen Durchmesser und mit Hilfe von REM-Aufnahmen konnte eine weitgehend intra-micellare Proteinquervernetzung abgeleitet werden. Die Ausbildung intra-micellarer Oligomere bewirkte dabei eine höhere Micellstabilität gegenüber einem Calciumentzug durch EGTA. Die vorliegenden Untersuchungen deuten darauf hin, dass die hydrophilen Zuckermoleküle über die von Dalgleish (2011) vorgeschlagenen Wasserkanäle in die CM eindringen und die frühe Phase der Maillard-Reaktion anschließend vor allem in diesen Regionen erfolgt. Die weiteren Phasen der Maillard-Reaktion könnten dann, durch ein tieferes Eindringen der reaktiven Komponenten, zunehmend auch in dehydratisierteren Bereichen ablaufen. Bezüglich des Aufbaus der Caseinmicellen unterstützen die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse die Vorstellungen des Internal Structure Modells.

L'objectif de ce travail était d'étudier l'influence qu'exerce la microstructure des caséines sur la diffusion moléculaire de petites sondes ayant des tailles et des déformabilités différentes. La mobilité de sondes moléculaires flexibles (''PEGs'') et rigides (dendrimères) de taille variée a été étudiée dans des suspensions et des gels de PPCN et de CaNa à différentes concentrations en protéines. Les mesures ont été réalisées par RMN qui permet de sonder des mobilités translationnelles sur une distance de 1,5 µm, mais également des mobilités locales à l'échelle moléculaire (quelques nanomètres) à travers les temps de relaxation T2. Un modèle cohérent a été utilisé et un mécanisme unique a été proposé pour décrire la diffusion de petites sondes dans les deux systèmes de caséine. C'est la combinaison de différents facteurs qui doivent être pris en considération : le rapport de la taille de la sonde à la distance entre les particules obstruantes ou les points d'enchevêtrement ainsi que la flexibilité de la sonde. La mobilité locale des sondes était beaucoup moins réduite que la mobilité translationnelle dans les deux systèmes de caséine. Différents comportements de relaxation ont été obtenus entre les deux systèmes de caséine et une diminution des T2 a été mesurée dans les gels. Ces résultats ont été liés à la mobilité intrinsèque de la matrice. L'ensemble des résultats obtenus ont permis d'avoir une meilleure compréhension de la mobilité des sondes dans les systèmes caséiques et de proposer un nouveau modèle qui contredit celui déjà proposé par Le Feunteun et al. pour expliquer la diffusion des sondes dans ces systèmes. / The aim of this study was to investigate the impact of the casein microstructure on the molecular diffusion of probes with different sizes and deformabilities. The mobility of molecular flexible (‘PEG’) and rigid (dendrimer) probes of various sizes was studied in suspensions and gels of NPC and SC at various protein concentrations. Measurements were carried out by NMR, which makes it possible to probe translational mobilities over a distance of 1.5 microns, as well as local mobilities at the molecular scale (several nanometers) through the relaxation times, T2. A coherent model was used and the same mechanism was proposed to describe the diffusion of small probes in both casein dispersions. It is the combination of different factors that should be considered: the ratio of the probe size to the distance between the obstructing particles or the entanglement points, as well as the flexibility of the probe. The rotational diffusion of PEG and dendrimer probes was less hindered than translational diffusion in both casein systems. Different relaxation behaviors were observed between the two casein systems and retardation in T2 relaxation times was highlighted in rennet and acid casein gels. These results are probably related to the local mobility of the matrix. The overall results of this project led to a better understanding of probe mobility in casein systems and made it possible to propose a new model that challenges the previous one proposed by Le Feunteun et al. to describe the diffusion of probes in casein systems.

In der Lebensmittelindustrie steht die Entwicklung neuer innovativer Produkte im Vordergrund. Insbesondere die Modifizierung von Proteinen durch den Einsatz des Enzyms mikrobielle Transglutaminase (mTG) bietet hier neue Ansatzpunkte. Das Enzym verknüpft die γ-Carboxamidgruppe proteingebundenen Glutamins mit der ε-Aminogruppe von Lysin unter Bildung sogenannter Isopeptidbindungen. Durch diese Reaktion erreicht man eine gezielte Veränderung funktioneller Eigenschaften der Proteine wie z.B. Gelbildung, Löslichkeit, Wasserbindevermögen, Emulgier- und Schäumungsverhalten. Im Rahmen der Arbeit wurden grundlegende Forschungen zur Aufklärung des Mechanismus der mTG-katalysierten Proteinquervernetzungsreaktion im Hinblick auf das Lebensmittel Milch durchgeführt. Der erste Teil der Arbeit beschäftigte sich mit dem Ablauf der mTG-katalysierten Reaktion innerhalb der Caseinmicellen und dessen Effekt auf die Micellstruktur. Es zeigte sich, dass durch mTG die Caseine in der micellaren Struktur fixiert werden und der extramicellare Caseinanteil abnimmt. Hierbei wird β-Casein stärker vernetzt als αs-Casein. Infolge dieser intramicellaren Caseinquervernetzung wird die Stabilität der micellaren Struktur sowohl gegenüber destabilisierenden Reagenzien (EDTA, Ethanol, GDL), mechanischen Parametern (Hochdruck) sowie einer enzymatischen Proteolyse (Chymotrypsin, Pepsin) signifikant verbessert. Vermutlich werden die Isopeptide hierfür netzartig vorwiegend zwischen den β-Caseinen in der äußeren Micellschicht ausgebildet. Im zweiten Teil der Arbeit stand die Identifizierung der Reaktionsorte, d.h. die an der enzymatischen Vernetzung beteiligten Gln- und Lys-Reste, im Vordergrund, um den Einfluss der Proteinstruktur auf die Spezifität der mTG zu erfassen. Bei der Bestimmung der Reaktionsorte für β-Casein konnten 5 der 21 Gln-Reste und 3 der 11 Lys-Reste als zugänglich für mTG eingestuft werden. Für β-Lactoglobulin konnten unter Normaldruck 3 der 15 Lys-Reste aber keine Gln-Reste durch das Enzym markiert werden. Unter Hochdruck bei 400 MPa wurden 4 der 9 Gln-Reste sowie zwei weitere Lys-Reste als mTG-reaktiv nachgewiesen. Die Lage dieser Reaktionsorte im Protein zeigte, dass Gln-Reste bevorzugt durch mTG modifiziert werden, welche in hydrophoben Proteinabschnitten lokalisiert sind und große hydrophobe Aminosäuren N-seitig sowie positiv geladene Aminosäuren C-seitig aufweisen. Die Lys-Reste werden nur durch mTG angegriffen, wenn diese neben Aminosäuren mit ungeladenen bzw. positiv geladenen Seitenketten lokalisiert sind, während die Nachbarschaft zu negativ geladenen Aminosäuren sowie zu Aminosäuren mit ungeladenen polaren (hydrophilen) Seitenketten die Angreifbarkeit verhindert. Weiterhin zeigte eine Bestimmung der reaktiven Gln- und Lys-Reste im β-Casein innerhalb der Caseinmicelle, dass die Zugänglichkeit für mTG durch die Micellstruktur deutlich vermindert ist. Es wird vermutet, dass in der Caseinmicelle eine Art Vorstrukturierung der β-Caseine existiert. Abschließend wurden die Ergebnisse für einen Vorschlag eines Micellmodells herangezogen. Das im Rahmen der Arbeit vorgeschlagene Micellmodell beruht auf dem Internal Structure Modell, im speziellen auf dem „dual bonding model“ nach Horne, welches weiter charakterisiert werden konnte. So wird vermutet, dass β-Casein hauptsächlich im äußeren Micellbereich lokalisiert ist, während sich die αs-Caseine eher im Micellinneren befinden. β-Casein ist hierbei in laminaren Schichten angeordnet, wobei die hydrophilen Köpfe den größtmöglichen Abstand zueinander haben und hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den hydrophoben Schwänzen ausgebildet werden können. Wird die Micelle nun mit mTG behandelt, so kann ausgehend von diesem Modell die quervernetzte Caseinmicelle als „GiOTTO® -Modell“ dargestellt werden. Dieses ist aus einem „festen äußeren Mantel“ aus quervernetzten β-Caseinen (Isopeptidnetzwerk) und einem „weichen Kern“ aus nur gering vernetzten αs-Caseinen zusammengesetzt.

Les micelles de caséines, composées de caséines, minéraux et eau, sont en équilibres dynamiques, elles échangent en permanence de leur matière avec leur environnement. Les micelles de caséines possèdent d’intéressantes fonctionnalités pour la fabrication de produits laitiers, telles que leur capacité à stabiliser des émulsions et à former des gels sous l’action de la présure. Des changements environnementaux, variations de pH, additions de sels ou d’agents chélatants, affectent les équilibres des micelles et induisent des modifications de leurs compositions et propriétés colloïdales. Ces changements modifient également leurs propriétés fonctionnelles, bien que cet aspect soit peu décri. Le but de ce projet était de comprendre les relations liant l’environnement, l’équilibre minéral, les propriétés colloïdales et fonctionnelles des micelles de caséines. L’impact de cinq facteurs (pH, Na3Cit, NaCl, CaCl2, MgCl2) modifiant les micelles fut étudié en focalisant sur leurs propriétés émulsifL’acidification et l’addition de Na3Cit ont causé les modifications minérales les plus importantes en solubilisant le phosphate de calcium micellaire. Le premier conduisit au « gonflement » des micelles alors que l’agent chélatant causa leur dissociation en petits agrégats. L’ajout de NaCl n’eut aucun impact sur le contenu minéral des micelles mais provoqua aussi la libération d’agrégats, révélée par cryo microscopie électronique et diffusion de rayons-X aux petits angles. Le rôle du phosphate de calcium sur les fonctionnalités fut confirmé et l’étude révéla l’importance de contrôler la libé / Caseins micelles, composed of caseins, minerals and water, are under dynamic equilibria, they constantly exchange materials with their surrounding environments. In addition, casein micelles possess valuable functionalities in regards to the formation of dairy products, such as the ability to stabilize emulsions or to form rennet gels. Environmental changes, such as variations in pH, additions of salts or chelating agents, affect the casein micelles equilibria and lead to modifications in their compositional and colloidal properties. Such changes also modify their functional properties, although this aspect is poorly described in the literature. This project aimed to understand the relationships that link the environmental modifications, the mineral balance, the colloidal and functional properties of the casein micelles. The impact of five modifying factors (pH, Na3Cit, NaCl, CaCl2, MgCl2) of the casein micelles were studied and the focus was placed on emulsion and rennet coagulation fuThe former only induce the swelling of casein micelles while the latter led to their disruption into smaller aggregates. NaCl had no impact on the micellar mineral content but also caused the release of small aggregates, as revealed by electronic microscopy and small angle X-ray scattering analyses. The decisive role of micellar calcium phosphate on the functionalities was confirmed and this study highlighted the importance of monitoring the release of small aggregates, as they strongly affected emulsions stability and gels firmness. CaCl2 and MgCl2 additions slightly increased the mineral c