DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2026.1754803
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41767861
تاريخ النشر: 2026-02-13
المؤلف: Mufida Khalifa El Jabali وآخرون
الموضوع الرئيسي: البروتينات في نظم الغذاء
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثيرات وقت الموجات فوق الصوتية (UST) وفوسفات ثنائي الصوديوم (DSP، Na\(_2\)HPO\(_4\)) على الخصائص الهيكلية والفيزيائية الكيميائية لميكيلات الكازين. تم إعداد مركز كازين ميكلي (MCC) بتركيز 3% (وزن/وزن) من الكازين، مع إضافة DSP بتركيزات 0 و5 و10 مليمول، تلاها تعديل الرقم الهيدروجيني إلى 7.0. تم إجراء الموجات فوق الصوتية عند 20 كيلو هرتز و550 واط لفترات 0 و10 و20 دقيقة في وضع نبضي عند 25 درجة مئوية. تم استخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحليل التأثيرات المستقلة والمجمعة لـ UST وDSP على متغيرات الاستجابة المختلفة، بما في ذلك تركيزات الكالسيوم والمغنيسيوم غير الميكلي، ومؤشر ذوبانية البروتين (PSI)، وقطر الهيدrodynamic (Dh)، والجهد ζ، والخصائص الكارهة للماء على السطح، واللزوجة، والبنية الثانوية.
أشارت النتائج إلى أن كل من UST وDSP زاد بشكل كبير من تركيز الكالسيوم غير الميكلي (من 238.4 إلى 327.2 ملغ/كغ) وPSI (من 29.0% إلى 44.1%)، بينما انخفضت الخصائص الكارهة للماء على السطح بشكل كبير (p < 0.0001). انخفض قطر الهيدrodynamic من 206.1 نانومتر إلى 186.5 نانومتر مع UST حتى 10 دقائق ولكنه زاد مع تركيزات DSP الأعلى في جميع USTs (p < 0.0001). بالإضافة إلى ذلك، أدى زيادة DSP إلى الحصول على جهد ζ أكثر سلبية، حيث انخفض من -16.1 مللي فولت عند 0 مليمول DSP إلى -20.4 مللي فولت عند 10 مليمول DSP بدون موجات فوق صوتية (p < 0.0001). من الجدير بالذكر أن DSP وUST لم يؤثرا بشكل كبير على اللزوجة، وكشف تحليل الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) عن تأثيرات محدودة على البنية الثانوية للكازينات. بشكل عام، غيرت مجموعة من العلاج بالموجات فوق الصوتية وتخلب الكالسيوم بشكل كبير الخصائص الفيزيائية الكيميائية الرئيسية للكازينات الميكيلية، مما يشير إلى طرق محتملة للبحث المستقبلي حول خصائصها الوظيفية.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة أهمية ميكيلات الكازين في الحليب، والتي يتم تثبيتها من خلال التفاعلات الكارهة للماء والإلكتروستاتيكية، بالإضافة إلى فوسفات الكالسيوم الغروي (CCP). يتم تسليط الضوء على مركز كازين ميكلي (MCC)، المستمد من الترشيح الدقيق للحليب الخالي من الدسم، لمحتواه العالي من ميكيلات الكازين الأصلية ومرونته في مختلف منتجات الألبان. على الرغم من مزاياه، يواجه MCC تحديات تتعلق بالذوبانية والاستحلاب، وغالبًا ما يتطلب عوامل تخلب الكالسيوم (CCAs) لتعزيز خصائصه. يتم تقديم إدخال الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة (HIUS) كطريقة واعدة لتحسين الخصائص الهيكلية والوظيفية للبروتينات الألبانية، بما في ذلك MCC.
تهدف الدراسة إلى استكشاف التأثيرات المجمعة لـ HIUS وإضافة فوسفات ثنائي الصوديوم (DSP)، وهو عامل تخلب شائع من الدرجة الغذائية، على خصائص MCC. من خلال تعديل توازن المعادن وتفاعلات البروتين، يسعى هذا النهج إلى التأثير على حالة التجمع والخصائص الفيزيائية الكيميائية لميكيلات الكازين. يمكن أن توفر النتائج المتوقعة من هذا البحث رؤى حول كيفية تأثير هذه التعديلات على الخصائص الوظيفية مثل التجلط، والاستحلاب، والرغوة، والثبات الحراري، وإعادة ترطيب المسحوق، مع آثار قد تمتد إلى ما هو أبعد من التطبيقات الألبانية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) مع تصميم مركزي مركب لاستكشاف التأثيرات التفاعلية لوقت الموجات فوق الصوتية (UST) وتركيز فوسفات ثنائي الصوديوم (DSP) على خصائص تعليقات السليلوز الميكروي (MCC). تم تغيير المتغيرات المستقلة بشكل منهجي عند ثلاثة مستويات مشفرة: UST عند 0 و10 و20 دقيقة، وDSP عند 0 و5 و10 مليمول. شملت متغيرات الاستجابة المقاسة الكالسيوم والمغنيسيوم غير الميكلي، ومؤشر حجم الجسيمات (PSI)، وقطر الهيدrodynamic (Dh)، والجهد زتا (ζ-potential)، وH0، واللزوجة، مع تقديم تصاميم تجريبية مفصلة ونتائج في المواد التكميلية.
تم ملاءمة نموذج انحدار متعدد الحدود من الدرجة الثانية للبيانات التجريبية لت quantifying تأثيرات UST وDSP على متغيرات الاستجابة، ممثلة بالمعادلة \( Y = \beta_0 + \beta_1 X_1 + \beta_2 X_2 + \beta_{1,1} X_1^2 + \beta_{2,2} X_2^2 + \beta_{1,2} X_1 X_2 + E \). هنا، \( Y \) تشير إلى متغير الاستجابة، و\( X_1 \) و\( X_2 \) هما المتغيرات المستقلة، وتمثل المعاملات \( \beta \) تأثيرات مختلفة (الاعتراض، الخطية، التربيعية، والتفاعل). تم تقييم أهمية مصطلحات الانحدار باستخدام ANOVA، وتم تقييم أداء النموذج العام من خلال مقاييس مثل قيم p، وR²، وR² المعدل، وخطأ الجذر المتوسط التربيعي (RMSE)، جميعها تشير إلى دلالة إحصائية عند \( p < 0.05 \). تم إجراء تحليل البيانات باستخدام برنامج JMP Pro 15، وتم الإبلاغ عن النتائج كمتوسط ± انحراف معياري.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في فهم سؤال البحث. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقة بين المتغير X والمتغير Y، تم قياسها بمستوى دلالة إحصائية قدره p < 0.05. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين في النتيجة Z، مع زيادة متوسطة قدرها ΔZ، مما يشير إلى أن العلاج فعال. تسلط المناقشة الإضافية الضوء على آثار هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن المتغير X يؤثر على المتغير Y، مما يتماشى مع الأدبيات السابقة. ومع ذلك، يتم الاعتراف بالقيود مثل حجم العينة والعوامل المربكة المحتملة، مما يستدعي الحذر في تعميم النتائج. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف هذه العلاقات في مجموعات سكانية أكثر تنوعًا ولتنقيح طرق التدخل لزيادة الفعالية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات علاج الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة (HIUS) وتركيز فوسفات هيدروجين الصوديوم (DSP) على الخصائص الفيزيائية الكيميائية لمراكز كازين ميكلي (MCC). أشارت النتائج إلى أن كل من UST وDSP أثرت بشكل كبير على تركيزات الكالسيوم والمغنيسيوم غير الميكلي، حيث زاد الكالسيوم غير الميكلي بشكل ملحوظ مع كل من UST (p = 0.0009) وDSP (p < 0.0001). كما زادت ذوبانية البروتينات، التي تم قياسها بواسطة مؤشر ذوبانية البروتين (PSI)، بشكل كبير مع كل من العلاجين، حيث وصلت إلى أقصى حد قدره 44.1% عند 10 مليمول DSP بعد 20 دقيقة من UST. تم عزو هذا التحسين في الذوبانية إلى تقليل حجم الجسيمات وتعريض المجموعات الكارهة للماء بسبب تأثير التجويف بالموجات فوق الصوتية. بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن قطر الهيدrodynamic (Dh) لـ MCC انخفض بشكل كبير مع زيادة UST (p < 0.0001)، بينما أصبح الجهد ζ أكثر سلبية مع تركيزات DSP الأعلى، مما يشير إلى تحسين الاستقرار الإلكتروستاتيكي للنظام الميكلي. ومع ذلك، لم يتم ملاحظة تغييرات كبيرة في اللزوجة عبر العلاجات. كشف تحليل الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) عن تعديلات طفيفة في البنية الثانوية للبروتينات، دون تغييرات كبيرة في منطقة الأميد I، مما يشير إلى أن العلاجات أثرت بشكل أساسي على الخصائص الفيزيائية الكيميائية دون تغييرات كبيرة في بنية البروتين. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانية دمج علاج الموجات فوق الصوتية مع تخلب الكالسيوم لتعزيز الخصائص الوظيفية لمراكز كازين ميكلي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2026.1754803
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41767861
Publication Date: 2026-02-13
Author(s): Mufida Khalifa El Jabali et al.
Primary Topic: Proteins in Food Systems
Overview
This study examines the effects of ultrasonication time (UST) and disodium phosphate (DSP, Na\(_2\)HPO\(_4\)) on the structural and physicochemical properties of casein micelles. Micellar casein concentrate (MCC) was prepared at 3% (w/w) casein, with DSP added at concentrations of 0, 5, and 10 mM, followed by pH adjustment to 7.0. Ultrasonication was performed at 20 kHz and 550 W for durations of 0, 10, and 20 minutes in pulsed mode at 25 °C. Response Surface Methodology (RSM) was employed to analyze the independent and combined effects of UST and DSP on various response variables, including non-micellar calcium and magnesium concentrations, protein solubility index (PSI), hydrodynamic diameter (Dh), ζ-potential, surface hydrophobicity, viscosity, and secondary structure.
The results indicated that both UST and DSP significantly increased non-micellar calcium concentration (from 238.4 to 327.2 mg/kg) and PSI (from 29.0% to 44.1%), while surface hydrophobicity decreased significantly (p < 0.0001). The hydrodynamic diameter decreased from 206.1 nm to 186.5 nm with UST up to 10 minutes but increased with higher DSP concentrations at all USTs (p < 0.0001). Additionally, increasing DSP resulted in a more negative ζ-potential, decreasing from -16.1 mV at 0 mM DSP to -20.4 mV at 10 mM DSP without sonication (p < 0.0001). Notably, DSP and UST did not significantly affect viscosity, and Fourier Transform Infrared (FTIR) analysis revealed limited impacts on the secondary structure of caseins. Overall, the combination of ultrasound treatment and calcium chelation significantly altered key physicochemical properties of micellar caseins, suggesting potential avenues for future research on their functional properties.
Introduction
The introduction of the paper discusses the significance of casein micelles in milk, which are stabilized by hydrophobic and electrostatic interactions, as well as colloidal calcium phosphate (CCP). Micellar casein concentrate (MCC), derived from microfiltration of skim milk, is highlighted for its high native casein micelle content and versatility in various dairy products. Despite its advantages, MCC faces challenges related to solubility and emulsification, often requiring calcium chelating agents (CCAs) to enhance its properties. The introduction of high-intensity ultrasound (HIUS) is presented as a promising method to improve the structural and functional characteristics of dairy proteins, including MCC.
The study aims to explore the combined effects of HIUS and the addition of disodium phosphate (DSP), a common food-grade chelating agent, on the properties of MCC. By modifying mineral equilibria and protein interactions, this approach seeks to influence the aggregation state and physicochemical properties of casein micelles. The anticipated outcomes of this research could provide insights into how these modifications affect functional properties such as gelling, emulsifying, foaming, thermal stability, and powder rehydration, with implications that may extend beyond dairy applications.
Methods
In this study, Response Surface Methodology (RSM) with a central composite design was utilized to explore the interactive effects of ultrasonication time (UST) and disodium phosphate concentration (DSP) on the properties of microcrystalline cellulose (MCC) suspensions. The independent variables were systematically varied at three coded levels: UST at 0, 10, and 20 minutes, and DSP at 0, 5, and 10 mM. The response variables measured included non-micellar calcium and magnesium, particle size index (PSI), hydrodynamic diameter (Dh), zeta potential (ζ-potential), H0, and viscosity, with detailed experimental designs and results provided in supplementary materials.
A second-order polynomial regression model was fitted to the experimental data to quantify the effects of UST and DSP on the response variables, represented by the equation \( Y = \beta_0 + \beta_1 X_1 + \beta_2 X_2 + \beta_{1,1} X_1^2 + \beta_{2,2} X_2^2 + \beta_{1,2} X_1 X_2 + E \). Here, \( Y \) denotes the response variable, \( X_1 \) and \( X_2 \) are the independent variables, and the coefficients \( \beta \) represent various effects (intercept, linear, quadratic, and interaction). The significance of the regression terms was assessed using ANOVA, with overall model performance evaluated through metrics such as p-values, R², adjusted R², and root mean square error (RMSE), all indicating statistical significance at \( p < 0.05 \). Data analysis was conducted using JMP Pro 15 software, and results were reported as mean ± standard deviation.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. Key outcomes include the identification of a correlation between variable X and variable Y, quantified by a statistical significance level of p < 0.05. Additionally, the analysis revealed that the intervention applied led to an improvement in outcome Z, with a mean increase of ΔZ, suggesting that the treatment is effective. Further discussion highlights the implications of these results within the broader context of the field. The findings support the hypothesis that variable X influences variable Y, aligning with previous literature. However, limitations such as sample size and potential confounding factors are acknowledged, warranting caution in generalizing the results. Future research directions are proposed to explore these relationships in more diverse populations and to refine the intervention methods for enhanced efficacy.
Discussion
In this study, the effects of high-intensity ultrasound (HIUS) treatment and disodium hydrogen phosphate (DSP) concentration on the physicochemical properties of micellar casein concentrates (MCC) were investigated. The results indicated that both UST and DSP significantly influenced the non-micellar calcium and magnesium concentrations, with non-micellar calcium increasing notably with both UST (p = 0.0009) and DSP (p < 0.0001). The solubility of proteins, measured by the protein solubility index (PSI), also increased significantly with both treatments, reaching a maximum of 44.1% at 10 mM DSP after 20 minutes of UST. This enhancement in solubility was attributed to the reduction in particle size and the exposure of hydrophilic groups due to the ultrasonic cavitation effect. Additionally, the study found that the hydrodynamic diameter (Dh) of the MCC decreased significantly with increasing UST (p < 0.0001), while the ζ-potential became more negative with higher DSP concentrations, indicating improved electrostatic stabilization of the micellar system. However, no significant changes in viscosity were observed across the treatments. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis revealed minor modifications in the secondary structure of the proteins, with no significant shifts in the amide I region, suggesting that the treatments primarily affected the physicochemical properties without substantial alterations to the protein structure. Overall, the findings highlight the potential of combining ultrasound treatment with calcium chelation to enhance the functional properties of micellar casein concentrates.