Physico-chemical changes in casein micelles of buffalo and cow milks as a function of alkalinisation

Abstract

By modifying the forces (hydrophobic and electrostatic interactions, hydrogen bonding and presence of micellar calcium phosphate) responsible for the structure and the stability of casein micelles, alkalinisation induces a disruption of casein micelles in milk. The objective of this work was to compare the alkalinisation-induced physico-chemical changes of casein micelles of buffalo and cow milks with a special attention to the mineral fraction. The whiteness and viscosity were determined as global characteristics of milk. The aqueous and micellar phases of milks were ascertained for the distributions of the concentrations of nitrogen, casein molecules, calcium, inorganic phosphate and water as their supramolecular and molecular characteristics. These parameters were measured at six pH values between pH 6.7 and 10.8. Between pH 6.7 and 10.8, the whiteness decreased from 73.5 to 50.9 and from 71.3 to 50.9 units and the viscosity increased from 1.8 to 10.2 and from 1.5 to 4.8 mPa·s for buffalo and cow milks, respectively. Simultaneously, > 90% of nitrogen contents were in the supernatants of ultracentrifugation at pH 9.7 and 8.6 for buffalo and cow milks, respectively. Chromatographic analyses showed that caseins were totally solubilised at these pH values. Calcium and inorganic phosphate concentrations progressively increased in the supernatants of ultracentrifugation and decreased in the ultrafiltrates. At alkaline pH, the negative charge of caseins increased and the inorganic phosphate ion changed its ionisation state from HPO₄ ²⁻ to PO₄ ³⁻ form. This form has a greater affinity for calcium and can demineralise casein micelles. The consequences were modifications of protein-protein and protein-minerals interactions resulting in micellar disruption. The dissociations took place at pH 9.7 and 8.6 for buffalo and cow milks, respectively. These differences were due to higher concentrations of casein and minerals in buffalo than in cow milk, which were also our criteria of selection of the former as a model.

Abstract

pH 6.7–10.8 (6 pH) pH 6.7–10.8, 73.5 50.9 71.3 50.9 1.8 mPa·s 10.2 mPa·s, 1.5 mPa·s 4.8 mPa·s pH 9.7 pH 8.6 90% pH pH HPO₄ ²⁻ PO₄ ³⁻ PO₄ ³⁻ pH 9.7 pH 8.6 pH

Résumé

En modifiant les forces qui interviennent dans la structure et la stabilité des micelles de caséines (interactions hydrophobes et électrostatiques, liaisons hydrogène et présence de phosphate de calcium micellaire), l’alcalinisation du lait induit une dissociation des micelles de caséines. L’objectif de ce travail était de comparer les changements physico-chimiques et particulièrement la fraction minérale des micelles de caséines induits par l’alcalinisation de laits de bufflesse et de vache. La blancheur et la viscosité étaient déterminées comme caractéristiques globales du lait. Les distributions entre phases aqueuses et micellaires des concentrations en azote, molécules de caséines, calcium, phosphate inorganique et eau étaient déterminées comme caractéristiques supramoléculaires et moléculaires. Ces paramètres étaient mesurés à six valeurs de pH compris entre pH 6,7 et 10,8. Entre pH 6,7 et 10,8, la blancheur diminuait de 73,5 à 50,9 et de 71,3 à 50,9 unités alors que la viscosité augmentait de 1,8 à 10,2 et de 1,5 à 4,8 mPa·s pour les laits de bufflesse et de vache, respectivement. Dans le même temps, plus de 90 % des concentrations en azote étaient dans les surnageants d’ultracentrifugation des laits de bufflesse et de vache à pH 9,7 et 8,6, respectivement. Les analyses chromatographiques ont montré que les caséines étaient totalement solubilisées à ces valeurs de pH. Les concentrations de calcium et de phosphate inorganique augmentaient progressivement dans les surnageants d’ultracentrifugation et diminuaient dans les ultrafiltrates. À pH alcalin, la charge négative des caséines augmente et l’ion phosphate change son état d’ionisation en passant de la forme HPO₄ ²⁻ à la forme PO₄ ³⁻. Cette forme a une forte affinité pour le calcium et peut déminéraliser les micelles de caséines. Les conséquences étaient des modifications dans les interactions protéines-protéines et protéines-minéraux conduisant à une dissociation micellaire. Les dissociations étaient respectivement atteintes à pH 9,7 et 8,6 pour les laits de bufflesse et de vache. Ces différences quantitatives étaient dues aux plus fortes concentrations de caséines et de minéraux dans le lait de bufflesse par rapport au lait de vache, ce qui correspondait à nos critères de choix de ce lait comme modèle.