Original article

Investigation of surface modification of casein films by rennin enzyme action using micro-beam grazing incidence small angle X-ray scattering

微束掠入射小角 X-射线散射法探测凝乳酶表面改性后的酪蛋白膜

Modification de la surface de films de caséine par l’action enzymatique de la chymosine mise en évidence par diffusion aux petits angles en incidence rasante de rayons X de taille micrométrique (μGISAXS)

Ronald Gebhardt^1,2*, Manfred Burghammer¹, Christian Riekel¹, Ulrich Kulozik^2,3 and Peter Müller-Buschbaum⁴

¹ European Synchrotron Radiation Facility, BP 220, 38043 Grenoble Cedex, France
² Chair for Food Process Engineering and Dairy Technology, Technische Universität München, Weihenstephaner Berg 1, 85354 Freising-Weihenstephan, Germany
³ ZIEL Center of Nutrition and Food Research, Technology Section, Technische Universität München, Weihenstephaner Berg 1, 85354 Freising-Weihenstephan, Germany
⁴ Physik-Department, TU München, LS E13, James-Franck-Str. 1, 85747 Garching, Germany

^* Corresponding author (通讯作者): ronald.gebhardt@esrf.fr

Received: 11 May 2009
Revised: 16 September 2009
Accepted: 15 October 2009

Abstract

Micro-beam grazing incidence small angle X-ray scattering (μGISAXS) scans were performed to investigate structural changes that occur after deposition of a droplet of rennin on a casein film. The subsequent diffusion of the droplet into the film led to a lateral and vertical concentration gradient of rennin. As a result of the enzyme action, the film surface became roughened and the formation of islands – evident. The altered surface morphology led to a variation in the μGISAXS pattern, more precisely to the occurrence of a second so-called Yoneda peak. As for the untreated casein film, the mean size of the micelle components (casein micelles, substructure and colloidal calcium phosphate) remained constant within the rennin droplet area. In contrast, a broadening of their corresponding size distributions could be detected. Finally, we discuss the potential of GISAXS scanning experiments with micrometer-sized X-ray beams in view of problems with the interpretation of the data obtained from imaging techniques such as atomic force microscopy.

摘要

利用微束掠入射小角 X-射线散射法 （μGISAXS） 研究了凝乳酶液覆盖酪蛋白膜表面的结构变化。凝乳酶的扩散使其在横向和纵向均形成浓度梯度。由于酶的作用，薄膜表面变粗糙，并形成岛屿形状，从而改变了表面形态，导致 (μGISAXS) 模式发生变化，出现了所谓的第二 Yoneda 峰。与未经处理的酪蛋白膜一样，在凝乳酶液分布范围内，胶束组分 (包括酪蛋白胶束、亚胶束和胶体磷酸钙) 的平均粒径保持恒定，但是，能检测到的粒径分布范围扩大。 最后我们用毫米级 X-射线 GISAXS 扫描实验解释了原子力显微镜 (AFM) 成像技术获得的数据所存在的问题。

Résumé

Des mesures de diffusion aux petits angles en incidence rasante de rayons X de taille micrométrique (μGISAXS) ont été réalisées à travers une gouttelette de chymosine déposée sur un film de caséine, afin d’en étudier les changements de structure. Du fait de l’action de l’enzyme, la surface du film devenait rugueuse et la formation d’îlots apparaissait. Ce changement de morphologie de surface conduisait à une variation des données μGISAXS, faisant en particulier apparaître le second pic « Yoneda ». Comme dans le film de caséine non traité, les tailles moyennes des composants micellaires (micelle de caséines, sous-structure et phosphate de calcium colloïdal) demeuraient constantes à l’intérieur de l’aire de la gouttelette de chymosine, mais un élargissement de leur distribution de tailles était mis en évidence. Enfin, le potentiel de la technique GISAXS avec des rayons X de taille micrométrique est discuté au regard des problèmes d’interprétation des données obtenues par les techniques d’imagerie comme la microscopie à force atomique (AFM).