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柔软物质和液体

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牛奶和中子的土地

26 Oct 2017

为公司带来中子和X射线散射专业知识的丹麦努力已经获得了乳制品行业的益处,参与者不会让草在脚下生长。 埃里克布罗克Sørenroi midtgaard. 大纲计划进一步弥补伙伴关系

一头黑白母牛的照片在一个绿色领域的
moo-tron科学:揭示牛奶的结构

如果您穿过丹麦乡村的景区,您将看到很多奶牛。这并不令人惊讶:丹麦有大约五百万奶牛,散布在不到43 000平方公里的土地上。或许,令人惊讶的是,这些平台,生产生物与中子和X射线散射的多金方欧元研究基础设施之间存在联系。由于哥本哈根大学的研究人员发现了使用先进的研究设施来调查牛奶和牛奶衍生产品的复杂等级结构的机会,这一连接存在。

乳制品研究日期回归2013年,当大学以丹麦首都地区的支持,开始试点项目来测试工业r中使用X射线和中子散射的可行性&D设置。该项目称为NXUS(中子和X射线用户支持),在许多不同的主题上建立了行业和大学科学家之间的合作,包括当涂料干燥和提高蛋白质药物稳定性时发生的过程。然而,乳制品公司及其具体挑战是该项目的主要关注点,与Arla食品成分,Co-Ro A / S和Dupont Nutrition Biosciences APS,所有这些都对与牛奶产品的加工和处理有关的问题感兴趣。

乳制品细节

牛奶是一个复杂的系统,具有许多组成元素。然而,通过将其作为酪蛋白或牛奶蛋白的胶体,可以理解其一些最重要的特性,或者牛奶蛋白,以达到成千上万的单独酪蛋白分子的球状凝聚物。这些附聚物称为胶束,它们的整体尺寸在微米范围内。但是,仔细检查揭示了这些胶束的子结构是高度等级的,具有各种尺寸的特征。实例包括磷酸钙簇,其尺寸仅为几纳米;跨越约15-20nm的单个蛋白质组;和胶束的整体结构(数百纳米)及其表面。这些子结构对于牛奶的性质非常重要,特别是对于成品的质地和“口感”,无论是酸奶,奶酪还是均衍生牛奶的东西。

小角度中子和X射线散射使得能够从1-1000 nm的长度尺度研究特征(参见下面的“小角度散射”图),因此它们是研究酪蛋白胶束的完美工具。在与杜邦营养生物学进行合作进行的一种这样的研究使用淋浴和SAN的组合来检查溶液中酸化乳的方式。牛奶的酸化可以导致酪蛋白胶束的聚集(或凝结),并且需要控制该过程以产生所需的乳制品 - 例如某种类型的奶酪或酸奶 - 具有所需的质地和稳定性。在这项研究中,在酸化至酸化剂之前和之后研究了酪蛋白胶束的结构,并在酸化剂中加入稳定剂之前和之后。在宏观水平上,样品在纹理和萨克斯和SAN数据中的不同之处表明,在纳米级,也有明显可识别的差异(参见下面的“挤奶数据”图)。数据还示出了使用X射线和中子的益处,因为一些特征仅在两个相应的数据集中的一个中可见。

A diagram of the setup of small-angle scattering experiments, showing the neutron beam entering the sample environment, being scattered, and impinging on a detector tank

携带一些先验的酪蛋白胶束成分的知识,从目视检查数据时相当容易推断出来,发生了什么。在散射载体散射载体周围可见的特征之后的消失,在未处理的牛奶样品的散射曲线中可见的特征,表明胶束中的磷酸钙簇在酸化时消失。此外,Q = 0.01埃-1周围数据中的中间范围内的一般抑制表明胶束内部结构的塌陷。最后,酸化似乎使胶束聚集在较大的聚集体中,但当加入稳定剂时,这种聚类会降低。这可以从散射中的散射增加(图中左侧的距离)的增加来推导出酸化,然后在加入稳定剂时轻微降低和平坦化。更详细地分析了这些数据,使杜邦营养生物学能够更好地了解它们在分子水平的胶束力学对胶束力学的影响。涉及Arla食品成分和CO-RO A / S的项目同样地为这些公司提供了具体知识,以其他方式无法获得。

评估影响

随着丹麦的国家牛奶产量,每年近50亿公斤,每年达到经济价值1.8亿欧元的乳制品出口甚至可能有很大的影响 - 不仅适用于个体乳制品公司,而且对该国也是如此所有的。但效果不一定限于丹麦’S现行。 Richard B Larsen是丹麦行业联邦(CDI)的高级顾问,认为,与欧洲椎间源源(ESS)建造不到一小时’从哥本哈根的开车,以及已经运营的邻近的Max-IV同步rotron设施,国际公司可能会选择基于他们的r&D在丹麦的部门“由于在应用中子和X射线来调查工业相关问题时易于访问和伴随的知识。”他补充说,随着时间的推移,期望是,一项强大的行业研究部门将产生高度专业的工作,又会帮助实现该地区世界级研究基础设施的全部潜力。

A double logarithmic plot of the friction force on electrons as a function of electron energy

Larsen的热情被Lise Arleth是哥本哈根大学诺尔斯博士学院教授的Lise Arleth镜上,并于NXUS项目的创始人。该研究所具有悠久的传统,剥削中子和X射线的基础科学,她解释说,所以“嵌入在我的研究小组中的NXUS项目一直是获得实际执行这些工业的经验的绝佳机会&D较大规模的项目。“获得新一代科学家们在工业挑战中取得了奖励,arleth说,因为“他们是最终将不得不满足这一领域的所有未来期望的人。”

这些未来的期望已经导致了一个新的,更大的伙伴关系,其目的是将中子和同步rotron科学施加在产业问题上。新的 Linx(将行业链接到中子和X射线)财团 包括三所丹麦大学和15名工业合作伙伴,并提供创新基金丹麦,CDI和两个丹麦区域政府的额外支持。这些组织致力于寻找与一般材料有关的更大和更具挑战性问题的解决方案,包括食品和生物医生部门。 LINX项目资助五年,并建立了平行的LINX协会,以便在公共资金出现后作为工业使用的平台和调解器作为一个平台和调解员,并在公共资金出现后,将项目成为一个平台和调解员。

在Arleth的观点中,这种长期思维至关重要。 “现在,我们有许多丹麦公司对即将到来的ESS和MAX-IV提供的机会非常感兴趣,但他们只是不确定他们将如何从提供的机会中受益,”她说。 “目前,只有少数丹麦公司在目前的大规模设施中独立开展实验。 LINX项目为我们提供了一个很好的机会,为公司拥有的许多“如何”和“如何”和“如何”提供有关的机会。“她说,当初始五年的资金耗尽时,她说,他们希望能够展示看到从应用中子和X射线技术改善其产品的利益的丹麦公司数量的显着增加 - 加上几个例子激励其他人遵循乳制品的铅。

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