Fractionation of Milk Fat Globule Membranes in butter processing

Thumbnail Image

Files

isbn9789526085500.pdf (5.65 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-05-31
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2019

Department

Biotuotteiden ja biotekniikan laitos
Department of Bioproducts and Biosystems

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

54 + app. 52

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 90/2019

Abstract

Bovine milk contains components that are significant to human nutrition and most beneficial if present in infant formulas. Such components are mainly associated with the biological membrane surrounding the milk fat globules, the Milk Fat Globule Membrane (MFGM). MFGM, one of the most complex fractions in milk, contains proteins and polar lipids that form a trilayer structure. Compared to its native form, MFGM structure is disrupted during milk processing, leading to the release of valuable components and affecting associated structural and functional properties. Therefore, novel methods are demanded for the isolation, fractionation and deployment of MFGM. In this thesis, we apply concepts relevant to colloid and surface chemistry to establish new processing methods aimed to maximizing the nutritional and technological value of MFGM components. We propose cream microfiltration prior to the traditional buttermaking to separate fat globules from other dairy constituents, such as proteins, lactose and minerals. Filtered cream fractions were churned, upon which phase inversion facilitated the production of butter (termed here as "ideal butter") and buttermilk, the latter of which was enriched with MFGM fragments but depleted of other dairy components. The microfiltration resulted in a protein separation efficiency of 93% and the filtered cream was found suitable for buttermaking, without affecting negatively the process. MFGM damage was observed under intense processing conditions, leading to losses in polar lipids (up to 20%). Moreover, the pH drastically effected filtration performance given its roles in modulating the electrostatic interactions and in fouling the filtration membrane. The optimisation of the process in relation to shearing forces and other factors, was found critical in defining the structure and possible losses of fat globules and MFGM. MFGM-rich ideal buttermilk powder was surface-active and capable of forming relatively stable food emulsions. Such material is proposed for the formulation of nutraceutical and infant formulas.

Lehmän maito sisältää monia ravitsemuksellisesti tärkeitä ainesosia, jotka ovat erityisen hyödyllisiä äidinmaidon korvikkeiden rikastuksessa. Nämä ainesosat sijoittuvat maidossa rasvapisaroita ympäröivään maitorasvamembraaniin (eng. Milk Fat Globule Membrane, MFGM), joka on yksi maidon monimuotoisimmista fraktioista. MFGM sisältää useita eri proteiineja ja polaarisia lipidejä kolmikerroksisessa rakenteessa. Tämä biologinen rakenne vaurioituu usein maitoa prosessoitaessa, mikä johtaa MFGM:n komponenttien irtoamiseen ja funktionaalisuuden menetykseen. Tästä syystä tarvitaan uusia menetelmiä, joiden avulla MFGM voidaan erottaa maidosta hallitusti. Tämän tutkielman tarkoituksena oli selvittää mikrosuodatuksen soveltuvuutta MFGM:n erotukseen sekä arvioida erotusprosessin kriittisiä parametreja hyödyntäen kolloidi- ja pintakemian käsitteitä. Työn menetelmässä mikrosuodatus lisättiin perinteiseen voinvalmistusprosessiin ennen kirnuamista, jotta kerman sisältämät rasvapallot saatiin erotettua muista maidon komponenteista kuten proteiineista, laktoosista ja mineraaleista. Suodatettu kerma kirnuttiin, jolloin faasit erottuivat voiksi ("ideaali voiksi") ja MFGM-rikastetuksi kirnumaidoksi. Mikrosuodatuksessa saavutettiin 93% erotustehokkuus proteiinien suhteen. Suodatettu kerma soveltui hyvin voinvalmistukseen ilman muutostarpeita myöhempiin prosessivaiheisiin. Voimakkaan prosessoinnin havaittiin kuitenkin vahingoittavan MFGM rakennetta johtaen jopa 20% polaaristen lipidien menetykseen suodatuksessa. Lisäksi pH:lla havaittiin olevan merkittävä vaikutus suodatustehokkuuteen johtuen sen vaikutuksesta makromolekyylien sähköisiin vuorovaikutuksiin ja siten suodatuskalvon tukkeutumiseen. Mikrosuodatusprosessi tulee optimoida leikkausvoimien ja muiden muuttujien suhteen, jotta rasvapisaroiden pilkkoutuminen ja MFGM-komponenttien permeaatio suodatuksessa voidaan minimoida. Työssä osoitettiin myös MFGM-rikastetun ideaalikirnumaidon pinta-aktiivisuus ja sen soveltuvuus emulgaattoriksi. Työssä kehitetty raaka-aine tarjoaa luontaisen ja ravitsemuksellisesti arvokkaan emulgaattorivaihtoehdon elintarvikesovelluksiin, kuten äidinmaidonkorvikkeisiin.

Description

Supervising professor

Rojas, Orlando J., Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland

Thesis advisor

Partanen, Riitta, Dr., Valio Ltd, Finland
Heino, Antti, Dr., Valio Ltd, Finland

Keywords

milk fat, dairy, MFGM, microfiltration, separation, maitorasva, maito, mikrosuodatus, separointi

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Jukkola, Annamari; Partanen, Riitta; Rojas, Orlando J; Heino, Antti. Separation of milk fat globules via microfiltration: Effect of diafiltration media and opportunities for stream valorization. Journal of Dairy Science, 2016, 99(11), 8644-8654.
    DOI: 10.3168/jds.2016-11422 View at publisher
  • [Publication 2]: Jukkola, Annamari; Partanen, Riitta; Rojas, Orlando J; Heino, Antti. Effect of heat treatment and pH on the efficiency of micro-diafiltration for the separation of native fat globules from cream in butter production. Journal of Membrane Science, 2018, 548(15), 99-107.
    DOI: 10.1016/j.memsci.2017.11.012 View at publisher
  • [Publication 3]: Jukkola, Annamari; Hokkanen, Sanna; Kämäräinen, Tero; Partanen, Riitta; Heino, Antti; Rojas, Orlando J. Changes in milk fat globules and membrane lipids under the shear fields of microfiltration and centrifugation. Journal of Membrane Science, 2019, 573, 218-225.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201901301382
    DOI: 10.1016/j.memsci.2018.12.007 View at publisher
  • [Publication 4]: Jukkola, Annamari; Partanen, Riitta; Xiang, Wenchao; Heino, Antti; Rojas, Orlando J. Food emulsifiers based on Milk Fat Globule Membranes and their Interactions with calcium and casein phosphoproteins. Food Hydrocolloids, 2019, 94, 30-37.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201905062831
    DOI: 10.1016/j.foodhyd.2019.03.005 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-8550-0

Collections

[diss] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM