Využití NMR k analýze jogurtů z kravského a kozího mléka

Bc. Andrea Nosková

Master's thesis

Use of NMR for the analysis of yoghurts from cow's and goat's milk

Abstract:

Mléko a mléčné výrobky patří mezi komodity, u kterých produkce i spotřeba stále roste. Výrazná obliba vzrostla u fermentovaných mléčných výrobků, které tvoří velice významnou a širokou škálu výrobků, do kterých spadají produkty lišící se typem použitých mikroorganismů nebo například rozdílnými postupy fermentace. Konzumace těchto výrobků zajišťuje pozitivní vliv na lidské zdraví, obsahuje vysoké množství plnohodnotných bílkovin zahrnující veškeré esenciální aminokyseliny, vysoký obsah vápníku a jiných minerálních látek, dále vitaminů, především skupiny B. Za pomoci bakteriálního rozkladu laktózy vzniká mléčná kyselina, která působí konzervačně a v gastrointestinálním traktu pozitivně ovlivňuje střevní mikrobiotu. Teoretická část diplomové práce se zabývala charakteristikou složení mlék, popisem procesu kysání mléka, popisem fermentovaných mléčných výrobků, fyzikálně chemických vlastností, technologie výroby jogurtů a jejich probiotických účinků a obecného využití ve výživě. V neposlední řadě byla popsána nukleární magnetická rezonance (NMR), její princip, využití v mlékařském sektoru a charakterizovány byly také výhody a nevýhody, které se s toutou metodou pojí. Cílem praktické části diplomové práce bylo ověření, že 1H NMR je vhodnou analytickou metodou k identifikaci nízkomolekulárních látek kravských a kozích jogurtů. Analýza hlavních komponent (PCA) a ortogonální diskriminační analýza nejmenších čtverců (OPLS-DA) měly za cíl nalézt biomarkery zodpovědné za klasifikaci těchto dvou skupin jogurtů. Na základě získaných spekter z analýzy NMR a dat z odborné literatury bylo identifikováno dohromady 61 látek v kozích jogurtech a 55 látek v jogurtech kravských. Charakteristickým biomarkerem kravských jogurtů vyšel orotát v oblasti spektra 6,18 ppm. Další významnou látkou diskriminující kravský jogurt byl zřejmě aminocukr s acetylovou skupinou v oblasti spektra 2,06 ppm. V oblastech spektra kozích jogurtů 4,34 ppm; 5,58 ppm; 5,98 ppm; 7,90 ppm a 7,94 ppm byly identifikovány charakteristické UDP-cukry (UDP-glukóza, UDP-galaktóza, UDP-glukuronát a UDP-N-acetylglukosamin), které vykazovaly velmi vysoké VIP skóre a byly tak schopny úspěšně odlišit skupiny kravských a kozích jogurtů. V oblastech 5,94 ppm a 8,26 ppm v kozích jogurtech a 5,34 ppm v kravských jogurtech se nacházely látky, které patřily mezi deset signifikantních binů, avšak tyto látky nebyly prostřednictvím software identifikovány. 1H NMR analýza se potvrdila jako vhodná metoda při identifikaci nízkomolekulárních látek, je ovšem potřeba, aby tato tematika byla předmětem dalšího zkoumání. Výsledná data lze použít jako podkladový materiál pro další studie, nejlépe cílených analýz.

Abstract:

Milk and dairy products are among the commodities where production and consumption are still growing. A significant increase in popularity has been seen in fermented dairy products, which account for a very wide range of products of different beneficial bacteria used or different fermentation processes. Consumption of these products ensures a positive effect on human health, containing high levels of complete protein, including all essential amino acids, high levels of calcium and other minerals and vitamins, especially B vitamins. The bacterial degradation of lactose produces lactic acid, which has a positive effect on the microbiota in the gastrointestinal tract. The theoretical part of the thesis dealt with the characteristics of milk composition, description of the process of milk fermentation, description of fermented dairy products, physical and chemical properties, technology of yoghurt production, their probiotic effects and general use in nutrition. Last but not least, nuclear magnetic resonance (NMR), its principle, its use in the dairy sector and the advantages and disadvantages associated with this method were described. The aim of the experimental part of the thesis was to verify that 1H NMR is a proper analytical method for the identification of low molecular weight substances in cow and goat yoghurt. Principal component analysis (PCA) and orthogonal least square discriminant analysis (OPLS-DA) aimed to find biomarkers responsible for the classification of these two groups of yoghurts. Based on the spectra obtained from NMR analysis and data from the literature, a total of 61 compounds in goat yoghurts and 55 compounds in cow yoghurts were identified. The characteristic biomarker of cow's yoghurt was orotate in the spectral region of 6.18 ppm. Another significant substance discriminating cow yoghurt was probably an amino sugar with an acetyl group at 2.06 ppm. Characteristic UDP-sugars (UDP-glucose, UDP-galactose, UDP-glucuronate and UDP-N-acetylglucosamine) were identified in the spectral regions of goat yoghurt at 4.34 ppm; 5.58 ppm; 5.98 ppm; 7.90 ppm and 7.94 ppm. UDP-sugars showed very high VIP scores and were thus able to successfully distinguish cow and goat yoghurt groups. Substances that were among the ten significant bins were found at 5.94 ppm and 8.26 ppm in the goat yoghurt and 5.34 ppm in the cow yoghurt. These substances were not identified by the software. 1H NMR analysis was confirmed as a suitable method for the identification of low molecular weight substances but this topic needs further investigation. The resulting data can be used as background material for further studies, preferably targeted analyses.

Keywords

NMR, viskozita, jogurt, kozí mléko, kravské mléko

Keywords

NMR, viscosity, yoghurt, goat's milk, cow's milk

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 4. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Veronika Legarová, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Food and Nutrition