Хімія, фізика та технологія поверхні, 2016, 7 (1), 86-96.

Залежність стану води від температури в зернах кефіру при різній гідратації



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp07.01.086

V. M. Gun'ko, V. V. Turov, T. V. Krupska, A. P. Golovan, E. M. Pakhlov, M. D. Tsapko, J. Skubiszewska-Zięba, B. Charmas

Анотація


Методами низькотемпературної 1Н ЯМР спектроскопії, ДСК і термогравіметрії досліджено вплив ступеня гідратації, дисперсного середовища (води, слабополярного розчинника CDCl3, CDCl3 + F3CCOOD) і температури на властивості зв΄язаної води в кефірних гранулах (КГ). Встановлено, що в результаті збільшення вмісту води, що додають до висушених КГ, змінюється структура води в супрамолекулярних структурах бактерій, низько- та високомолекулярних компонентів КГ. Виявлено п΄ять типів води в КГ: (i) слабко асоційована вода, яка характеризується низьким значенням величини хімічного зсуву протонного резонансу dH = 1–2 м.ч.; (ii) сильно асоційована вода dH = 4–5.5 м.ч. (аналогічно об΄ємній воді), (iii) слабко зв΄язана вода, яка замерзає при 265 K < T < 273 K; (iv) сильно зв΄язана вода, яка замерзає при 200 K < T < 265 K, та (v) об’ємна вода, яка безпосередньо не взаємодіє з бактеріями, клітинами, макромолекулами. ЯМР-кріопорометрія та термопорометрія, які базуються на методах ДСК і термогравіметрії, дають близькі результати та детально показують зміни в організації внутрішньоклітинної й позаклітинної води та інших низькомолекулярних сполук, при гідратації/дегідратації з додаванням слабкополярного (CDCl3) чи сильнополярного компоненту (F3CCOOD), при нагріванні чи замерзанні.

Ключові слова


кефірні гранули; слабоасоційована та сильноасоційована вода

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Farnworth E.R. Handbook of fermented functional foods. (London: CRC Press, 2003). https://doi.org/10.1201/9780203009727

2. Farnworth E.R. Kefir – a complex probiotic. Food Science and Technology Bulletin: Functional foods. 2005. 2(1): 1. https://doi.org/10.1616/1476-2137.13938 

3. Lopitz-Otsoa F., Rementeria A., Elguezabal N., Garaizar J. Kefir: a symbiotic yeasts-bacteria community with alleged healthy capabilities. Rev. Iberoam. Micol. 2006. 23(2): 67. https://doi.org/10.1016/S1130-1406(06)70016-X

4. Silva K.R., Rodrigues S.A., Xavier L., Lima A.S. Antimicrobial activity of broth fermented with kefir grains. Appl. Biochem. Biotechnol. 2009. 152(2): 316. https://doi.org/10.1007/s12010-008-8303-3

5. Adriana P., Socaciu C. Probiotic activity of mixed cultures of kefir's lactobacilli and non-lactose fermenting yeasts. Bulletin UASVM, Agriculture. 2008. 65(2): 1843.

6. Chen Z., Shi J., Yang X., Nan B., Liu Y., Wang Z. Chemical and physical characteristics and antioxidant activities of the exopolysaccharide produced by Tibetan kefir grains during milk fermentation. Int. Dairy J. 2015. 43: 15.   https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2014.10.004

7. Goff H.D. Colloidal aspects of ice-cream: a review. Int. Dairy J. 1997. 7(6–7): 363;  https://doi.org/10.1016/S0958-6946(97)00040-X

8. Schuck P., Davenel A., Mariette F., Briard V., Méjean S., Piot M. Rehydration of casein powders: Effects of added mineral salts and salt addition methods on water transfer. Int. Dairy J. 2002. 12(1): 51;   https://doi.org/10.1016/S0958-6946(01)00090-5

9. Lucas T., Le Ray D., Barey P., Mariette F. NMR assessment of ice cream: Effect of formulation on liquid and solid fat. Int. Dairy J. 2005. 15(12): 1225; https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2004.06.012

10. Fuquay J.W., Fox P.F., McSweeney P.L.H. (Eds.) Encyclopedia of Dairy Sciences. 2nd Edition. (Oxford: Academic Press, 2011).

11. Franks F. Biophysics and biochemistry at low temperature. (Cambridge: University Press, 1985);

12. Coulibaly I., Dubois-Dauphin R., Destain J., Fauconnier M.-L., Lognay G., Thonart P. The resistance to freeze-drying and to storage was determined as the cellular ability to recover its survival rate and acidification activity. International Journal of Microbiology. 2010. 2010: 625239.

13. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear magnetic resonance studies of interfacial phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013).  https://doi.org/10.1201/b14202

14. Chaplin M. Water structure and science. 2015. http://www.lsbu.ac.uk/water/;

15. Gaspar P., Carvalho A.L., Vinga S., Santos H., Neves A.R. From physiology to systems metabolic engineering for the production of biochemicals by lactic acid bacteria. Biotechnol. Adv. 2013. 31(6): 764;   https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2013.03.011

16. Crowley S., Mahony J., van Sinderen D. Current perspectives on antifungal lactic acid bacteria as natural bio-preservatives. Trends in Food Science & Technology. 2013. 33(2): 93;  https://doi.org/10.1016/j.tifs.2013.07.004

17. Tsakalidou E., Papadimitriou K. Stress responses of lactic acid bacteria. (Springer Science & Business Media, 2011); https://doi.org/10.1007/978-0-387-92771-8

18. Hofvendahl K., Hahn–Hägerdal B. Factors affecting the fermentative lactic acid production from renewable resources. Enzyme Microb. Technol. 2000. 26(2–4): 87; https://doi.org/10.1016/S0141-0229(99)00155-6

19. Toy N., Özogul F., Özogul Y. The influence of the cell free solution of lactic acid bacteria on tyramine production by food borne-pathogens in tyrosine decarboxylase broth. Food Chem. 2015. 173: 45;   https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2014.10.001

20. Jennings T.A. Lyophilization: Introduction and Basic Principles. (Boca Raton: Interpharm/CRC, 2002).

21. Chen Z., Kang L., Wang Z., Xu F., Gu G., Cui F., Guo Z. Recent progress in the research of biomaterials regulating cell behavior. RSC Adv. 2014. 4: 63807.  https://doi.org/10.1039/C4RA05534A

22. Mellati A., Dai S., Bi J., Jin B., Zhang H. A biodegradable thermosensitive hydrogel with tuneable properties for mimicking threedimensional microenvironments of stem cells. RSC Adv. 2014. 4: 63951.   https://doi.org/10.1039/C4RA12215A

23. Mitchell J., Webber J.B.W., Strange J.H. Nuclear magnetic resonance cryoporometry. Phys. Rep. 2008. 461(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2008.02.001

24. Wunderlich B. Thermal analysis. (New York: Academic Press, 1990).

25. Bertram H.C., Wiking L., Nielsen J.H., Andersen H.J. Direct measurement of phase transitions in milk fat during cooling of cream – a low-field NMR approach. Int. Dairy J. 2005. 15(10): 1056.  https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2004.10.005

26. Métais A., Cambert M., Riaublanc A., Mariette F. Influence of fat globule membrane composition on water holding capacity and water mobility in casein rennet gel: A nuclear magnetic resonance self-diffusion and relaxation study. Int. Dairy J. 2006. 16(4): 344. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2005.03.011

27. Berner D., Viernstein H. Effect of protective agents on the viability of Lactococcus lactis subjected to freeze-thawing and freeze-drying. Sci. Pharm. 2006. 74: 137. https://doi.org/10.3797/scipharm.2006.74.137

28. Salomonsen T., Sejersen M.T., Viereck N., Ipsen R., Engelsen S.B. Water mobility in acidified milk drinks studied by low-field 1H NMR. Int. Dairy J. 2007. 17(4): 294. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2006.04.003

29. Van lent K., Vanlerberghe B., Van Oostveldt P., Thas O., Van der Meeren P. Determination of water droplet size distribution in butter: Pulsed field gradient NMR in comparison with confocal scanning laser microscopy. Int. Dairy J. 2008. 18(1): 12. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2007.07.002

30. Noronha N., Duggan E., Ziegler G.R., O'Riordan E.D., O'Sullivan M. Investigation of imitation cheese matrix development using light microscopy and NMR relaxometry. Int. Dairy J. 2008. 18(6): 641.   https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2007.12.004

31. Grivet J.-P., Delort A.-M. NMR for microbiology: In vivo and in situ applications. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2009. 54(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.02.001

32. Kaufmann N., Andersen U., Wiking L. Shear and rapeseed oil addition affect the crystal polymorphic behavior of milk fat. J. Am. Oil Chem. Soc. 2013. 90(6): 871.  https://doi.org/10.1007/s11746-013-2226-z

33. Mikhalovska L.I., Gun'ko V.M., Rugal A.A., Oranska O.I., Gornikov Yu.I., Morvan C., Domas C., Mikhalovsky S.V. Cottonised flax fibres vs. cotton fibres: structural, textural and adsorption characteristics. RSC Adv. 2012. 2: 2032.   https://doi.org/10.1039/c2ra00725h

34. Bershtein V.A., Gun'ko V.M., Egorova L.M., Wang Z., Illsley M., Voronin E.F., Prikhod'ko G.P., Yakushev P.N., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J. and Mikhalovsky S.V. Dynamics, thermal behaviour and elastic properties of thin films of poly(vinyl alcohol) nanocomposites. RSC Adv. 2012. 2: 1424.   https://doi.org/10.1039/C1RA00535A

35. Bershtein V.A., Gun'ko V.M., Karabanova L.V., Sukhanova T.E., Yakushev P.N., Egorova L.M., Turova A.A., Zarko V.I., Pakhlov E.M., Vylegzhanina M.E., Mikhalovsky S.V. Polyurethane–poly(2-hydroxyethyl methacrylate) semi-IPN–nanooxide composites. RSC Adv. 2013. 3: 14560.  https://doi.org/10.1039/c3ra40295a

36. Mikhalovsky S.V., Gun'ko V.M., Bershtein V.A., Turov V.V., Egorova L.M., Morvan C., Mikhalovska L.I. A comparative study of air-dry and water swollen flax and cotton fibres. RSC Adv. 2012. 2: 2868.   https://doi.org/10.1039/c2ra00609j 

37. Gun'ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M., Zarko V.I., Leboda R., Goncharuk E.V., Novza A.A., Turov A.V., Chuiko A.A. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobic interfaces. Advances in Colloid and Interface Science. 2005. 118(1–3): 125.  https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.07.003 

38. Gun'ko V.M., Turov V.V., Krupska T.V., Tsapko M.D., Skubiszewska-Zięba J., Charmas B., Leboda R. Effects of strongly aggregated silica nanoparticles on interfacial behaviour of water bound to lactic acid bacteria. RSC Adv. 2015. 5: 7734.   https://doi.org/10.1039/C4RA15220D

39. Hay J.N., Laity P.R. Observations of water migration during thermoporometry studies of cellulose films. Polymer. 2000. 41(16): 6171. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(99)00828-9

40. Landry M.R. Thermoporometry by differential scanning calorimetry: experimental considerations and applications. Thermochim. Acta. 2005. 433(1–2): 27.  https://doi.org/10.1016/j.tca.2005.02.015

41. Goworek J., Stefaniak W., Zgrajka W. Measuring porosity of polymeric adsorbents by temperature programmed desorption of liquids. Mater. Chem.Phys. 1999. 59(2): 149.  https://doi.org/10.1016/S0254-0584(99)00017-6

42. Goworek J., Stefaniak W., Prudaczuk M. The influence of polarity of liquids on the parameters characterising the porosity of silica gels estimated by thermogravimetric analysis. Thermochim. Acta. 2001. 379(1–2): 117.   https://doi.org/10.1016/S0040-6031(01)00610-4

43. Gun'ko V.M., Goncharuk O.V., Goworek J. Evaporation of polar and nonpolar liquids from silica gels and fumed silica. Colloids Surf., A. 2015. 474: 52. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.03.007

44. Abragam A. The principles of nuclear magnetism. (Oxford: Oxford University Press, 1961).

45. Höhne G., Hemminger W., Flammersheim H.-J. Differential scanning calorimetry – An introduction for practitioners. (Springer-Verlag, 1996). https://doi.org/10.1007/978-3-662-03302-9

46. Lee J., Kaletunç G. Evaluation of the heat inactivation of Escherichia coli and Lactobacillus plantarum by differential scanning calorimetry. Appl. Environ. Microbiol. 2002. 68(11): 5379.  https://doi.org/10.1128/AEM.68.11.5379-5386.2002

47. Mohacsi-Farkas C., Farkas J., Meszaros L., Reichart O., Andrassy E. Thermal denaturation of bacterial cells examined by differential scanning calorimetry. J. Therm. Anal. Calorim. 1999. 57(2): 409.   https://doi.org/10.1023/A:1010139204401




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp07.01.086

Copyright (©) 2016 V. M. Gun'ko, V. V. Turov, T. V. Krupska, A. P. Golovan, E. M. Pakhlov, M. D. Tsapko, J. Skubiszewska-Zięba, B. Charmas

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.