Kaseinmizellen, Säuerung der Milch um kolloidales Kalzium. Teil II

In Teil 1. was das sog. »dual-binding model« von Horne in Zusammenhang mit den Kaseinmizellen im Mittelpunkt gestanden. In Teil 2 wird auf die Säuerung der Milch unter besonderer Berücksichtigung der Vorgänge an und in der Kaseinmizelle eingegangen und eine Hypothese erstellt, warum eine saure Gallerte wie z. B. Frischkäse, der bekanntlich einen tieferen ph-Wert hat, noch mizellares Kalzium enthält.

Lau Model von Horne (2009, 2006, 1998) ist die CN-Mizelle bei pH ca. 6,7 (und sicherlich bei Raumtemperatur) durch die vielen aber relativ schwachen hydrophoben Interaktionen eng verflochten. Die elektrostatische Repulsion gleicht die hydrophoben Kräfte aus. Aus der Oberfläche der Mizellen ragen die »Loops« des κ-CN heraus, die durch ihre negativen Ladungen (Zeta Potential ca. -20 mV) bzw. ihre sterische Stabilisierung, die Aggregation der Mizellen behindern und hydrophobe Bereiche der Mizelle nicht in Interaktionen kommen lassen.

Während der biologischen Milchsäurerung sind die CN-Mizelle Umstrukturierungen, Fusionen und Synärese unterworfen, wobei die gebildete Milchsäure (aus dem Laktoseabbau durch zugesetzte Bakterien) eine Reihe von Pufferbarrieren über winden muss, bis der End pH-Wert von ca. 4,6 erreicht wird. Abbildung 3 (Wolfschoon et al., 2012) zeigt die verschiedenen Puffersysteme der Milch auf; CCP bildet selbst auch ein Puffersystem in der Milch (Kirchmeier, 1980).

Entmineralisierung der Mizelle, Bildung der sauren Gallerte

Die CN-Masse ist im Kern der Mizelle konzentriert (pH > 6,2), die Größe der CN-Mizelle ist normal (Moitzi et al., 2011) und während der Säuerung in pH-Bereich 6,1 - 4,99 haben die CN im Duchschnitt einen ca. 100 nm Radius. Nun fängt die biologische Säuerung an und der pH-Wert sinkt z.B. von 6,7 bis 5,6 ab; nach wie vor liefert das κ-CN »Loop« ein sterisches, denn die negative Ladungen stammen aus Gruppen, derem pH-Werte Kleiner als pH ca. 5,5 sind (Abb. 3); diese Gruppen müssen noch durch das H+ der Milchsäure abgesättigt werden.

Das Horne-Model (2009) erklärt, dass Ca2+ und anorganisches Phosphat bei der Säuerung der Milch aus dem anorganischem Kalziumphosphat und aus den CCO-Nanoclusters verlorengehen (=Entmineralisierung), was die Brückenbildung zwischen den Mizelle (u.a. über Phosphorseringruppen) neut reduziert, was in der Bildung von stärkeren Stränge innerhalb der CN-Mizellen resultiert (Sol-Gel Übergang) (siehe auch Banon & Hardy, 1992). Laut Moitzi et al. (2011) ist die Aggregation (um pH ~5) nur möglich, wenn die sterische Wirkung eliminiert wird (Kollaps des κ-CN »Loop«); dieser Prozess (intermolekulare Aggregation, Sol-Gel-Übergang) findet unabhängig von den intramolekularen Umstrukturierungen statt und ist von den Eigenschaften der Partikeloberfläche bestimmt.   

Dazu kommt, dass, wenn der pH des Systems sich dem des isoelektrischen Punktes der CN annähert (um pH~4,6), die hydrophobe Kräfteüberwiegen und die CN-Mizellen fusionieren.

Fester, elastischer Modulus

Aggregation und Gelierung findet nur statt, wenn ein kritischer ph-Wert erreicht bzw. die Abstoßungskraft unter ein kritisches Niveau reduziert wird. Die Natur der CN-Oberfläche, die Temperatur (Energie) und die Kollisionen zwischen den Molekülen bestmmen die Geschwindigkeit der Aggregation pro Zeiteinheit mit. Das Horne-Model kann klar erklären, was für einen Effekt eine höhere Erhitzung der Milch auf den Gelierungs-pH-Wert und die Geleigenschaften hat: Da β-Laktoglobulin mit κ-CN Einen Komplex bildet, wird die Gelierung bei einem höheren ph-Wert aufgrund des isoelektrischen Punktes dieses Molkenproteins erreicht. Zunächst wird eine Schwächung des Gels aufgrund der erhöhtec Repulsion beobachtet; mit dem weiteren Verlauf der Säuerung werden die Ladungen mehr und mehr neutralisiert und das Gel gewinnt an Festigkeit. Die neutralisierten Molkenproteine können sich dabei früher an CN-Brückenbildungen intra- und intermolecular beteiligen. Somit verbleiben mehr CCP-Nanoclusters in der Mizelle bzw. mehr mCa2+, was den agregierten CN-Mizellen einen festeren, elastischen Modulus in Vergleich zu nicht erhitzter, angesäuerten Milch verleiht, wo die Koagulation erst beim tieferen pH-Wert geschieht.

In nicht erhitzter Milch findet die abrupte Senkung in der Mobilität gleichzeitig mit Beginn der Zunahme in dem elatischen Beginn der Zunahme in dem elastischen Modulus statt. Da dies bei einem tiefem pH-Werte (~4,8) geschieht, ist eine größere Entmineralisierung (mCa2+-Verlust) zu beobachten (Dalgleish & Corredig, 2012). Dasselbe ist bei einer schnelleren Säuerung oder bei höherer Temperatur (~40ºC) zu beobacten (Dalgleish & Corredig, 2012). Moitzi et al. (2011) fanden heraus, dass, wenn eine schnellere Säuerung stattfindet, das System nicht vollständig im Gleichgewicht ist.

Langsame Säuerung führt zu weicher Gallerte

Die Zusammenlagerung der entladenen Caseinteilchen zu Ketten bzw. der anschließenden Zusammenschluss dieser ketten zu einem Netzwerk (Gallerte) wurde elektronenmikroskopisch und energetisch von Knoop (1977) untersucht. Sie fand, dass die Geschwindigkeit der Entladung (pH-Absenkung) der CN-Mizellen die Form der gebildeten Kette bestimmt (Knoop, 1977): In anderen Worte, eine langsame Säuerung bzw. Entladung führt zu langen ketten, die sich zu großen Maschen zusamenlagern und in einer weichen Gallerte resultieren. Wenn die Säuerung und somit die Entladung schnell erfolgt, entstehen rapid kurze Ketten aus einzelnen Mizellen und es bilden sich bereits Aggregate aus mehreren CN-Mizellen, die sich zu dicken, kurzen Ketten entstaden sind und bilden somit einer sehr stabile Gallerte mit kleinen Machen (Knoop, 1977).

Kürzlich haben Hahn et al. (2012) nach gewiesen, dass eine polydisperse Partikelverteilung in Abhängigkeit von der Gelierungstemperatur (zwischen 23 und 54º C) bei sauren Gelen vorhanden ist, wobei größere Partikel bei höherer Temperatur (hydrophobe Interaktionen, CN-Diffusion, Kalziumverteilung!) entstehen; hier spielte scherlich der Rest-mCa2+- und CCP-Nanoclusters-Gehalt bzw. die starken Interaktionen eine wichtige Rolle. Hinrichs & Keim (2007) fanden, dass säureinduziertes Kaseingel, Joghurt, und ebenso Quark und Feta hauptsächlich durch hydrophobe (ca. 70 %) Wechselwirkungen stabilisiert werden.

Das Horne-Model (2009, 1998) postuliert, dass, wenn die Säuerung langsam ist, mehr Zeit für Gleichgewicht und Umstrukturierung zu lokalisierten, verdichten Strukturen mit weniger internen Bindungen bleibt, was in weichen Gelen resultiert.

Eine schnellere pH-Absenkung dagegen könnte das Protein in eine dispersere Struktur mit viel mehr Dichte und festeren Bindungen versetzen. Moitzi et al. (2011) postulieren zudem, dass der Verlust an CCP für die Reduktion der Mizelle-Größe und Masse verantwortlich sein kann: Die Neuverbindung der dissozierten CN (bei tiefem pH-Wert), CN-Entladungen und Zunahme an Hydrophobie lassen die CN schrumpfen; letzteres ist möglich, weil die C ca. 75 % Wasser bei neutralem pH-Wert enthalten (van Vliet; Waltra, 1994, Trejo et al., 2011), was durch Kompression zu CN-Masseverdichtung und kleinere Mizellen-Größe führt.

Hypothese für das Verbleiben von mizellaren Kalzium

In der Literatur sind verschiedene Argumente vorhanden, die den Verbleib von mizellarem Kalzium in saurem Käse (FrischKäse, pH<5) erklären könnten. Bei dem normalem pH-Wert der Käsereimilch (ca. 6,7) befinden sich die CN zunächst in der Serumphase kolloidal gelöst, umgeben von Molkeprotein, Salzen und Laktose, die zusammen das sog. Milchplasma bilden (Abb. 5). Die Milch wird dann erhitzt, wobei, je nach pH-Wert und Erhitzungsintensität, sich mehr oder weniger Molkenproteine mit der κ-CN an der Mizellenoberfläche quervernetzen (z.B, Kirchmeier, 1977; Vasbinder; de Kruif, 2003; Anema; Li, 2003).

Dann werden Milchsäurebakterien der Milch zugegeben, die die Laktosefermentation starte; die Bakterien findet man zum Teil mit den CN-Mizellen und in der Serumphase zusammen. Durch den Laktoseabbau bildet sich Milchsäure, die den pH-Wert der Serumphase senkt; mit der pH-Absenkung wird CCP schrittweise aus der Mizellen freigesetzt und geht langsam in die wässrige Phase über. Anfänglich kann CCP »frei« heraus diffundieren; mit fortschreitender pH-Absenkung finden weitere Veränderungen (Zeta-Potential, Hydratation, Größe, Massenkonzentration, usw.) in der CN-Mizellen statt. Darüber hinaus entsteht eine lokale Gelierung (»gelierte Kaseinschicht«) an der Grenzfläche zwischen der Mizellenoberfläche und der Serumphase, da die Ansäuerung der Mizelle langsam von außen nach innen (zentripetal) vonstattengeht (Lalignt et al. 2003; Famelart et al., 2009). Somit entsteht local und vorübergehend eine Art Abschirmung für die durchdringenden Protonen (aus der Milchsäure) durch die »gelierte Schicht« von CN und angelagerte Molkenproteinen (Kirchmeier, 1977). Es bildet sic ein pH-Gefälle (Laligant et al., 2003).

Nicht alle CCP können gleichzeitig protoniert werden. Die Mizellen verdichten sich mit der pH-Absenkung (<5) und mit fortschreitender Zeit, wodurch die Porosität und Kapillarität (Wasserkanäle) der Mizellen verringert werden. Das Kasein wird aufkonzentriert; hinzu kommt, dass die Viskosität des Mediums zunimmt (Kim; Kinsella, 1989; de Kruif; Holt, 2003). Die zentrifugale Diffusion (von innen nach außen) des mizellaren Kalziums wird erschwert bzw. verlangsamt und somit bleibt teils gebunden, teils eingeschlossen, eine Restmenge an mizellarem Calzium in der Mizelle, bis das endgültige Gleichgewicht zwischen der mizellaren und wässrigen Phase erreicht wird. Je mehr Kasein in der Käsereimilch vorhanden ist, desto mehr mCa verbleibt in dem sauren Käse.

Ein Kleiner Betrag zu dem Rest-Ca liefert möglicherweise auch das eingeschlossene α-Lactalbumin.

[114] WOLFSCHOON-POMBO, A. F.; ANDLINGER, D. J. Kaseinmizellen, Säuerung der Milch und kolloidales Kalzium. Teil II. DMZ, v. 22, p. 31-33, 2013.