Tanta schiuma nel cappuccino: ecco da cosa dipende

Introduzione

La schiumatura è una dispersione di bolle d’aria in un liquido, ed è essenziale per prodotti come caffè, cappuccino, panna montata e gelato, influenzando attributi come aspetto, volume, texture e sensazione in bocca.

Le proteine del latte, soprattutto le caseine, sono fondamentali in questo contesto per la loro capacità di stabilizzare le schiume grazie alle loro proprietà superficiali.

Le caseine, che costituiscono circa l’80% delle proteine del latte, sono una miscela eterogenea di quattro principali proteine: αs1-caseina, αs2-caseina, β-caseina e κ-caseina. Esistono in diverse varianti genetiche, che possono influenzarne la funzionalità. La struttura della κ-caseina è ulteriormente modificata dalla glicosilazione, con conseguenze sulla sua stabilità e funzionalità.

Le proprietà schiumogene del latte possono essere influenzate dalla composizione proteica, dalla dimensione delle micelle di caseina, dal pH, dalla temperatura, il contenuto di grassi e dal bilancio dei minerale. Studi hanno mostrato che la concentrazione proteica non ha un effetto significativo sulla schiumabilità, ma un rapporto caseina/siero più basso riduce la stabilità della schiuma. Inoltre, piccole variazioni nelle sequenze aminoacidiche possono portare a differenze significative nelle prestazioni della schiuma.

Si suppone che la carica negativa e l’alterazione sterica dovuta alla glicosilazione modifichino la struttura della κ-caseina e ne influenzino il comportamento interfacciale durante l’aerazione e la schiumatura del latte. Questo studio dell’Università di Melbourne esamina la formazione della schiuma e le proprietà interfacciali di diverse varianti genetiche di β e κ-caseina, con livelli di glicosilazione variabili, nel latte bovino scremato.

Materiali e metodi

Il latte proviene da vacche con varianti genetiche conosciute di ĸ-CN e β-CN e diversi gradi di glicosilazione (GD), allevate presso il Dookie Campus Dairy dell’Università di Melbourne.

Le bovine sono state selezionate in base ai giorni di lattazione (DIM), considerando l’associazione tra basso (L) e alto (H) GD e DIM <100 giorni e >200 giorni. I campioni sono stati refrigerati e trasportati al sito CSIRO Werribee, dove sono stati lavorati il giorno successivo.

I singoli campioni di latte sono stati scremati mediante centrifugazione (J6-HC, Beckman) a 3000 × g per 15 minuti a 4 °C, seguita da conservazione a 4 °C per 60 minuti affinché lo strato di crema si indurisse. Lo strato di crema è stato rimosso con un cucchiaio e la crema rimanente sulla superficie è stata aspirata utilizzando un sistema di aspirazione a vuoto. Per prevenire la crescita microbica, è stato aggiunto un conservante (Bronopol) e i campioni sono stati conservati a 4°C.

La composizione del latte scremato è stata determinata utilizzando uno spettrometro LactoScope Fourier transform infrared 20. Le analisi dei minerali sono state eseguite con uno spettrometro ad emissione ottica al plasma accoppiato induttivamente. Il pH è stato misurato a 20°C prima dell’esperimento di schiumatura.

Risultati e discussione

Lo studio ha valutato le differenze nei parametri compositivi del latte scremato in relazione alle varianti genetiche della β-caseina (β-CN) e della κ-caseina (κ-CN), e al grado di glicosilazione (GD) della κ-caseina.

Sono state esaminate tre varianti genetiche della κ-CN (AA, AB, BB), tre varianti genetiche della β-CN (A1A1, A1A2, A2A2) e due gruppi di GD (H e L).

Composizione chimica del latte scremato

1. Concentrazione di proteine: non si sono riscontrate differenze significative tra le varianti genetiche, ma il latte con alto GD (H) ha mostrato una concentrazione proteica superiore di circa il 20% rispetto al latte con basso GD (L).
2. Concentrazione di grassi: differenze significative sono state trovate solo tra le varianti genetiche di κ-CN.
3. Dimensione delle micelle di caseina: la dimensione media delle micelle varia tra le varianti di κ-CN (AA > AB > BB), con poche differenze tra le varianti di β-CN e tra i gruppi H e L.
4. Concentrazione di minerali: differenze significative sono state osservate per calcio e fosforo tra le varianti di κ-CN e per potassio, magnesio e sodio tra i gruppi H e L.

Conformazione secondaria delle proteine (FTIR)

Figura 1 – Spettri delle derivate seconde nella regione amide I di campioni di latte scremato che rappresentano un basso (linea blu) e alto (linea gialla) grado di glicosilazione (GD), determinati utilizzando FTIR

La figura 1 mostra gli spettri FTIR di campioni di latte ad alto e basso grado di glicosilazione.

1. Nessuna differenza significativa è stata osservata tra le varianti genetiche di κ-CN e β-CN.
2. Differenze tra i gruppi H e L GD: i campioni H GD mostrano una maggiore presenza di α-eliche e β-turn e una minore presenza di strutture β-sheet intermolecolari e intramolecolari rispetto ai campioni L GD.

Tensione superficiale

Figura 2 – (a, b, c) Tensione superficiale statica, (d, e, f) tensione superficiale dinamica e (g, h, i) confronto del tasso di caduta della tensione superficiale dinamica tra varianti genetiche di κ-Caseina (prima riga), e β-Caseina (seconda riga), e basso (L) e alto (H) grado di glicosilazione (GD, terza riga).

La Figura 2 mostra la tensione superficiale statica e dinamica dei campioni di latte scremato.

1. Tensione superficiale statica: differenze significative sono state osservate tra i gruppi H e L GD, con il gruppo H GD che presenta una tensione superficiale statica inferiore.
2. Tensione superficiale dinamica: differenze simili sono state osservate nella tensione superficiale dinamica e nel tasso di diminuzione della tensione superficiale.

Schiumabilità e stabilità della schiuma

Figura 3 – Confronto di (a) formabilità media e (b) stabilità della schiuma dopo 10 e 20 minuti tra varianti genetiche di κ-Caseina e β-Caseina e basso (L) e alto (H) grado di glicosilazione (GD). È stato osservato che la stabilità della schiuma diminuisce nel tempo: le sezioni striata (in alto) + solida (in basso) della colonna di dati in combinazione rappresentano la stabilità della schiuma dopo 10 minuti, mentre la sezione solida (in basso) da sola rappresenta la stabilità della schiuma dopo 20 minuti.

La Figura 3 mostra la schiumabilità e la stabilità della schiuma dei campioni di latte scremato.

1. Schiumabilità: differenze significative sono state osservate tra i gruppi H e L GD, con il gruppo H GD che mostra una maggiore schiumabilità.
2. Stabilità della schiuma: differenze significative sono state osservate tra i gruppi H e L GD, con il gruppo H GD che mostra una maggiore stabilità della schiuma.

In sintesi, lo studio dimostra che il grado di glicosilazione della κ-caseina ha un impatto significativo sulla composizione chimica, sulla struttura secondaria delle proteine, sulla tensione superficiale e sulle proprietà schiumogene del latte scremato. Le varianti genetiche della κ-CN influenzano la dimensione delle micelle di caseina e la concentrazione di alcuni minerali, mentre le varianti genetiche della β-CN hanno un impatto meno pronunciato sui parametri studiati.

E’ stato investigato anche l’effetto delle varianti genetiche di κ-CN e β-CN e del grado di glicosilazione della κ-CN sulla dimensione dei globuli d’aria nella schiuma di latte scremato appena preparata e nel tempo.

Figura 4 – Confronto della dimensione iniziale (t = 0) delle bolle d’aria tra basso (L) e alto (H) grado di glicosilazione (GD). Le immagini rappresentative mostrano la superficie della schiuma prodotta da ciascuna combinazione composita di varianti genetiche κ-β-CN. Scala barre = 200 μm.

La Figura 4 mostra le immagini rappresentative e l’analisi delle dimensioni dei globuli d’aria nella schiuma appena preparata (t=0) ottenute da campioni di latte scremato con diverse varianti genetiche di κ-CN e β-CN, nonché gruppi di GD (grado di glicosilazione) H e L. Le immagini mostrano la superficie della schiuma prodotta da ciascuna combinazione di varianti genetiche di κ-β-CN.

È evidente che non vi è differenza significativa nelle dimensioni medie dei globuli d’aria tra le diverse varianti genetiche di κ-CN e β-CN, ma è stata osservata una significativa differenza tra i gruppi GD H e L. La schiuma preparata con latte scremato di GD H mostra alcuni globuli più grandi rispetto a quella di GD L, con una dimensione media dei globuli di 56,2 μm per H GD e 66,2 μm per L GD.

Figura 5 – Confronto del diametro delle bolle d’aria dei gruppi H e L GD all’inizio (t = 0) e dopo 10 minuti (t = 10). I risultati rappresentano i diametri delle bolle d’aria misurati utilizzando tre immagini per campione: in totale, sono state misurate oltre 25.000 bolle per questa analisi.

La Figura 5 confronta le dimensioni dei globuli d’aria dei gruppi GD H e L sia alla preparazione (t=0) che dopo 10 minuti di riposo.

È stato osservato un aumento significativo nella dimensione media dei globuli d’aria per la schiuma del gruppo GD H nel tempo, passando da 56,2 μm a 63,7 μm. Al contrario, non è stata osservata alcuna variazione significativa nella dimensione media dei globuli d’aria per la schiuma del gruppo GD L tra la preparazione (66,2 μm) e i 10 minuti di riposo (66,8 μm).

Conclusioni

Le conclusioni dello studio mostrano che le micelle di caseina sono più piccole nel latte scremato con la variante genetica κ-CN BB rispetto alle varianti AA e AB, ma non influiscono sulle proprietà di schiumatura. Non è stata trovata alcuna associazione significativa tra schiumabilità o stabilità della schiuma nelle diverse varianti genetiche di ĸ-CN e β-CN, indicando che le piccole variazioni strutturali non influenzano le prestazioni di schiumatura del latte bovino.

La concentrazione proteica ha un forte impatto sulla schiumabilità del latte scremato, con associazioni significative tra concentrazione proteica, schiumabilità e dimensione delle bolle.

Il latte scremato con un grado di glicosilazione (GD) più alto forma bolle d’aria con minore tensione superficiale e maggiore schiumabilità rispetto al latte con GD più basso. Questo è dovuto al maggiore adsorbimento della κ-CN glicosilata all’interfaccia liquido-aria delle bolle d’aria.

Inoltre, il latte con GD più alto produce una maggiore quantità di schiuma con bolle più piccole, migliorando la qualità delle bevande come il cappuccino. La stabilità della schiuma è simile tra i diversi GD, ma le bolle più piccole aumentano di dimensione nel tempo a causa del processo di Ostwald ripening.

Questi risultati possono aiutare l’industria lattiero-casearia a selezionare latti con maggiore glicosilazione per migliorare le prestazioni di schiumatura.

Fonte: “Effect of casein genetic variants and glycosylation on bovine milk foaming properties“, Barana Hewa Nadugala, Graham Hepworth, Nuwan R. Vithanage, Charles N. Pagel, Jared K. Raynes, C. Senaka Ranadheera and Amy Logan, International Journal of Dairy Technology doi: 10.1111/1471-0307.13114