Химический состав молока.

Введение

Химия и физика как наука начала свой отсчёт в прошлом веке, в тот период она начинала с изучения химического состава молока. В нашей стране этим вопросом занимались Ильенко (1819-1877), затем Калантар (1859-1937). Химия молока (биохимия) как наука была создана в советское время пр. Иниховым и Зайковским, которые работали в Вологодском молочном комбинате, затем в Московском комбинате мясной и молочной промышленности (МГУБТ). Ими в 20-30-е годы были написаны первые учебники по биохимии молока ( Химия молока, Анализ молока: химия и физика молока и молочной продукции). Большой вклад в развитие науке о молоке внесли великие русские учёные- Павлов и Мечников.

Значительный вклад в развитие биохимии молока внёс проф. Паращук (1873-1850 г.г.); развитию биохимии способствовали работы Белоусова, Брио, Граникова, Давидова, Диланяна, Дьяченко, Казанского, Климовского, Коваленко, Овчинникова, Чеботарёва и других.

В настоящее время ведут исследования коллективы в области химии и физики молока ВНИМИ, НИИ Углич и учёные других высших учебных заведений.

Предмет «Химия и физика молока» базируется на достижениях смежных наук, таких как органическая химия, физическая и коллоидная химия, физиология, биохимия питания. Эта наука изучает химический состав молока, физико-химические свойства молока: плотность, кислотность, теплофизические, оптические и др. А также системы молока, в которых находятся составные части: это фаза истинного раствора, коллоидная фаза, фаза эмульсии. Особая роль отводится изучению изменений молока и его составных частей в процессе обработки и переработки. Это энергетическое воздействие, механические нагрузки, температурные воздействия, биохимические превращения. Без этих знаний невозможно вести технологические процессы производства молока и молочных продуктов, т.к. любые изменения традиционных способов производства могут так повлиять на составные части молока, что, в свою очередь, отразится на качестве молочных продуктов.

При использовании высокопроизводительного оборудования очень важно сохранить свойства молока и его составные части. Вот почему технологии молочной промышленности должны обладать обширными знаниями о химических, биохимических и физических свойствах составных частей молока.

МОЛОКО - полноценный и полезный продукт питания. Оно содержит все необходимые для жизни питательные вещества, нужные для построения организма. Естественное назначение молока в природе заключается в обеспечении питанием молодого организма после рождения. Состав молока различных млекопитающихся в целом определяется теми условиями окружающей среды, в которых происходит рост молодого организма. Это особенно чётко проявляется в содержании белка и жира, чем больше их в молоке матери, тем быстрее растёт её дитя.

Так, грудной ребёнок удваивает массу примерно за 180 дней, телёнок - за 50 дней, а щенок – уже за 9 дней. Содержание белка в женском молоке, по сравнению с молоком различных животных, самое низкое – 1,6%, в коровьем – 3,4%, а в молоке собаки – 7,3% белка. Молочный жир служит прежде всего для удовлетворения потребности организма в энергии. В районах с холодным климатом потребность организма в энергии выше, чем в зонах с умеренным климатом. Вот почему молоко самки оленя северного отличается более высоким содержанием жира – 19,7%.

Молоко пережило многие цивилизации, прежде чем стало продуктом питания и имеет своё назначение:

-в качестве продукта питания для населения;

-средство для вскармливания молодняка и корма в животноводстве;

-сырьё для производства пищевых продуктов;

источник получения отдельных компонентов молока, которые, в свою очередь, служат сырьём для фармакологии и других отраслей промышленности.

Всё возрастающее значение молока как полноценного продукта питания и как сырьевого материала привело к увеличению спроса на него. В результате этого производство молока стало одной из важнейших отраслей сельхозпроизводства. В настоящее время молоко составляет значительную долю в сельскохозяйственном валовом продукте нашей страны.

Питательность 1 л молока составляет 685 ккал. Калорийность зависит, главным образом, от содержания жира и белка. Благодаря содержанию в молоке важнейших питательных веществ, главным образом белка, углеводов, витаминов, минеральных веществ, оно является и защитным фактором. В целях охраны здоровья на предприятиях, где существуют вредные условия труда, работники получают молока.

Молочный белок является важным защитным фактом, т.к. он в силу своей алефотерной природы связывает пары кислот и щелочей, а также нейтрализует ядовитые тяжёлые металлы (следы) и другие вредные для здоровья вещества. Благодаря содержанию в молоке кальция, фосфора, витаминов предотвращается развитие авитаминозов. Кроме питания человека молоко идёт на кормление сельскохозяйственных животных: телят, свиней, птиц.

С помощью физических и биохимических методов из сырого молока получают молочные продукты, которые представляют собой частично обогащённые продукты питания, благодаря чему эти продукты характеризуются повышенной калорийностью на каждые 100 г. Переработка молока ведёт к изменению его пищевой ценности и вкусовых качеств, поэтому необходимо учитывать свойства каждого отдельного компонента молока. Сырьём для промышленности служат такие составные части молока как казеин и лактоза. Определение веществу молока можно дать с различных точек зрения, учитывая прежде всего цель применения. Если считать молоко продуктом питания, то на первый план выдвигаются законодательные, гигиенические и экономические требования, так что можно дать определение сырому молоку.

«Сырое молоко – это полученный в результате регулярного, полного выдаивания вымени у одной или более коров от одного или нескольких доений чистый и затем охлаждённый продукт, из которого ничто не удалено и к которому ничего не добавлено.»

Знания о количестве составных частей молока с течением времени постоянно расширялись. Это можно объяснить целенаправленностью научных исследований и применением современных методов анализа, которые позволяют, не применяя способа обогащения, обнаружить и количественно определить даже те составные части молока, которые присутствуют в нём в виде следов. В настоящее время известно свыше 200 различных компонентов молока.

Составные части молока – это все те компоненты, которые выделяются из вымени при доении.

Химизация сельского хозяйства, лечение заболеваний крупного рогатого скота, а также заболеваний вымени с помощью химиотерапевтических средств привели к увеличению содержанию в молоке посторонних веществ, которые попадают в него различными путями.

Цель: определить биохимическую ценность молока

Задачи:

· Изучить аминокислотный состав молока

· Изучить белковый состав молока

· Изучить ферментный состав молока

· Изучить углеводный состав молока

· Изучить липидный состав молока

· Изучить витаминный состав молока

· Изучить элементный состав молока

· Определить практически содержание казеина в молоке

 

Химический состав молока.

Молоко крупного рогатого скота представляет собой белую с желтоватым оттенком непрозрачную жидкость сладковатого вкуса и своеобразного запаха. Молочная плазма – многокомпонентная система, содержащая разной степени дисперсности органические и минеральные вещества. Белково-липидные комплексы представлены в молоке небольшими частицами, называемыми молочными или жировыми шариками. Размеры жировых шариков могут колебаться в пределах от 0,5 до 18 мкм.

Химический состав молока животных очень сложный. В молоке содержатся аминокислоты, белки, углеводы, липиды, фосфатиды, стероиды, витамины, ферменты, соли, газы, вода, кальций.

Различают молоко парное, цельное и питьевое.

Парное молоко получается сразу после доения коров. Оно имеет температуру близкую к температуре тела животного. Однако при стоянии температура молока понижается, и на его поверхности всплывают жировые шарики размером до 1,5 мкм, образуя слой сливок. С большим диаметром жировые шарики могут формировать отстой жира. Такое молоко называют цельное.

Питьевое молоко получают путём гомогенизации цельного молока, которое сопровождается раздроблением жировых шариков молока, а также увеличением дисперсности белковых частиц. Гомогенизацию молока проводят с целью улучшения внешнего вида и вкуса, а также повышения консистенции и снижения расходов сырья. В гомогенизированном молоке не происходит агрегирования жировых шариков, так как механизм агрегации обусловлен возникновением слабых межмолекулярных взаимодействий между аминокислотными остатками, поверхностных белков жировых шариков, которые при гомогенизации молока разрушаются.

После удаления из молока воды и липидов, образуется сухой обезжиренный молочный остаток, который используется как показатель качества молока.

 

Аминокислоты молока

Аминокислотами являются низкомолекулярные органические соединения, относящиеся к группе карбоновых кислот, в составе которых присутствует аминогруппа.

В природе встречается около 300 различных аминокислот. В состав белков входят 20 разновидностей аминокислотных остатков, которые в основном и присутствуют в молоке. Все они относятся к α-L-формам аминокислот, у которых в α-положении располагается аминогруппа. Согласно строению, эти аминокислоты можно условно разделить на три группы: гидрофобные (аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, метионин, триптофан, пролин), полярные незаряженные (глицин, серин, треонин, тирозин, цистеин, аспарагин, глутамин) и заряженные (лизин, гистидин, аргинин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты). Из них восемь аминокислот не синтезируются в организме некоторых животных и человека и поэтому называются незаменимыми (валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, метионин, треонин, лизин), две аминокислоты хотя и образуются в организме, но в недостаточном количестве (аргинин, гистидин). Для животных белков состав незаменимых аминокислот может варьироваться в зависимости от вида.

 

Функции аминокислот

В организме животных аминокислоты используются в процессах синтеза белков, пептидов. Аминокислоты входят в состав гормонов белковой природы. Так, например, белками являются инсулин, глюкагон, паратгормон, а пептидами – окситоцин, вазопрессин, кальцитонин и др. Кроме того, глицин и аспарагиновая кислота входят в состав пуриновых и пиримидиновых оснований соответственно. Из аминокислот образуются функционально активные соединения. Так, например, предшественником серотонина и мелатонина является триптофан, гистамина – гистидин, катехоламинов (ДОФА, адреналин, норадреналин) – фенилаланин, тироксина и трийодтиронина – тирозин, креатинфосфата – глицин и т.д. Участие аминокислот в процессах окисления в цикле трикарбоновых кислот обеспечивает энергетические потребности организма.

В молоке крупного рогатого скота присутствуют аминокислоты, которые поддерживают постоянство pH, придают вкусовые свойства молоку. Так, например, слегка сладким вкусом обладают аланин, серин, треонин, сладкий вкус присущ глицину, валину, пролину, слегка горький – аргинину, метионину, лейцину, фенилаланину, горький – изолейцину, триптофану, гистидину, лизину, вкус мясного бульона – аспарагиновой и глутаминовой кислотам.

Таким образом, в молоке находятся незаменимые (валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, метионин, треонин, лизин) и заменимые аминокислоты.

 

Белки молока

Белками называются высокомолекулярные соединения, в составе которых только α-L-аминокислоты, последовательно связанные между собой в полипептидную цепь, имеющие функционально активную третичную или четвертичную структуру.

 

Структуры белков

Последовательное соединение α-L-аминокислот в полипептидную цепь, связанных между собой за счёт пептидной связи согласно генетической информации, заложенной в ДНК, называется первичной структурой белка. При этом пептидная связь по природе является ковалентной полярной связью, которая образована между углеродом одной аминокислоты и азотом другой, обеспечивая таким образом связывание двух аминокислотных остатков между собой и проявляя стабильность первичной структуры белка.

Причём из-за неравномерности распределения заряда вдоль полипептидной цепи она неустойчива в полярной среде, что приводит к её закручиванию в α-спираль или к образованию складчатой структуры (параллельной и антипараллельной β-структур), которые стабилизированы за счёт водородных связей. Такая конформация белка называется вторичной структурой.

Наличие гидрофобных радикалов в составе аминокислот обуславливают дальнейшее сворачивание полипептидной цепи в устойчивую глобулярную структуру, которая стабилизирована в основном за счёт слабых связей (гидрофобных и гидрофильных взаимодействий, ионных и водородных связей), а также несколькими ковалентными дисульфидными связями – третичная структура. При этом на поверхность отдельных белковых глобул могут выходить гидрофобные радикалы аминокислотных остатков, которые способны сформировать из двух и более субъединиц (мономерных полипептидных цепей, имеющих третичную структуру), единое структурное образование, обладающих функциональной активностью и стабилизированное за счёт слабых нековалентных связей, которая называется четвертичной труктурой.

Функции белков.

Белки в организме животных способны выполнять следующие функции:

каталитическая – осуществляется ферментами, ускоряющими протекание химических реакции;

транспортная – переносить нерастворимые в воде гидрофобные соединения (липопротеины) или кислород (миоглобин и гемоглобин) и др.;

структурно-механическая – выполняется белками, входящими в состав мембран клеток (протеогликаны);

регуляторная – выполняется гормонами, которые регулируют протекание различных метаболических процессов;

сократительная – способность к механическим действиям (белки мышц);

защитная – обеспечивается белками, входящими в состав ДНК (нуклеопротеины) и иммуноглобулинами.

Кроме того, белки участвуют в процессе свёртывания крови, обеспечивают активный трансмембранный потенциал, входят в состав костной и соединительной ткани (структурные белки).

 

Основные белки молока

К основным белкам молока относят четыре электрофоретически разделимые фракции казеинов, сывороточные белки (β-лактоглобулин, α-лактальбумин), альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, β-микроглобулин, лактоферрин, церулоплазмин. Казеина содержится в молоке около 80% от общего количества белка, тогда как β-лактоглобулина – 7…12%, α-лактальбумина – 2…5%, сывороточного альбумина – 0,8…1,4%.

Казеин. По структуре является фосфопротеидом, обладает способностью к самопроизвольному формированию мицелл в присутствии ионов кальция, цитратов и фосфатов. Известны четыре типа казеина: α_s1-, α_s2-, β-, χ-казеин, которые присутствуют в молоке в количестве соответственно 38, 10, 39 и 13% от суммарного количества казеинов. Казеины отличаются между собой по молекулярной массе, количеству фосфорной кислоты в них, а χ-казеин ещё и содержанием углеводов, представленных глюкозамином и сиаловыми кислотами.

В молоке около 95% казеина образуют мицеллы глобулярной формы, размер которых составляет 150…200 нм, и только 5% казеина находится в виде мономерных форм, полимеров фракций казеина и состоит из 7000…8000 полипептидных цепей, соединённых между собой ионами Ca²⁺. На периферии мицелл расположен χ-казеин, выполняющий роль защитного коллоида.

Особое внимание следует уделить строению χ-казеина. Этот белок состоит из нескольких компонентов, главный из которых не содержит углеводы, тогда как в структуре других компонентов содержатся олигосахариды. Сложность формирования вторичной структуры χ-казеина обусловлена наличием у него 32% α-спирали, 31% параллельной и 24% антипараллельной β-структуры. Причём спирализация полипептидной цепи χ-казеина происходит вблизи участка связывания химозина.

Фермент реннин (сычужный фермент), который добавляется к молоку при изготовлении сыров, отщепляет от χ-казеина гликопептид, после чего нарушается структура мицелл и происходит створаживание молока. Причиной створаживания является то, что χ-казеин, потеряв под действием фермента гидрофильный гликопротеин, образует нерастворимые соли с ионами Ca²⁺ даже в нейтральной среде, чего не происходит при нативном состоянии белка в молоке, тогда как растворимые α_s1-, α_s2- и β-казеины подвергаются гидролитическому расщеплению под действием плазмина молока.

Казеин характеризуется высокой биологической ценностью благодаря содержанию в его составе полного набора аминокислот. В казеине содержится от 0,1 до 1% фосфора, связанного сложноэфирной связью с остатками серина, входящими в молекулу белка. С казеином соединён кальций. Всё это обуславливает высокие питательные качества казеина для человека.

Синтез казеина осуществляется в молочной железе из доставляемых в неё кровью аминокислот и фосфатов. Для этой же цели в железе используются и сывороточные альбумины, которые вначале гидролизуются до аминокислот, а потом вовлекаются в процессы биосинтеза белка.

 

 

[1]

 

Рис. Строение казеина

 

β-Лактоглобулин. После осаждения казеина (при подкислении молока или под действием реннина) остаётся сыворотка, содержащая набор белков, среди которых содержится β-лактоглобулин. Он относится к группе альбуминов, так как способен растворятся в растворе (NH₄)₂SO₄ и характеризуется высоким содержанием SH-групп. β-Лактоглобулин состоит из двух полипептидных цепей с молекулярной массой 18,3 кДа, которые при температуре выше 30°C способны распадаться на мономерные формы. Дальнейшее нагревание приводит к агрегации субъединиц, соединённых между собой дисульфидными связями. В целом β-лактоглобулин имеет две дисульфидные связи, между остатками цистеина 66 и 160, 106 и 119, и одну свободную сульфгидрильную группу в положении 12. При нагревании молока до 70°C и выше часть сульфгидрильных групп отщепляется в виде сероводорода, что придаёт кипячёному молоку специфический запах. Нагревание молока также сопровождается изменением пространственной структуры сывороточных белков, в результате чего возникают дополнительные дисульфидные связи, при этом молекулы белка денатурируют. β-Лактоглобулин придаёт молоку определённые физико-химические свойства. Так, в денатурированном состоянии этот белок адсорбируется на мицеллах казеина, предохраняя молоко от свёртывания при сгущении. В денатурированном состоянии β-лактоглобулин препятствует створаживанию молока, поэтому молоко, предназначенное для получения творога, нельзя перегревать.

α-Лактальбумин. Белок относится к гликопротеинам, состоит из одной полипептидной цепи с молекулярной массой 16,5 кДа и изоэлектрической точкой 5,1. Входит совместно с галактозилтрансферазой в состав лактозосинтазы. В стабилизации третичной структуры белковой молекулы α-лактальбумина принимают участие ионы кальция, поэтому α-лактальбумин денатурирует только при температурах выше 65°C.

Альбумин сыворотки крови (сывороточный альбумин). В молоке содержится сывороточный альбумин, белок глобулярной структуры с молекулярной массой 66 кДа. Он мало чем отличается от аналогичного белка крови, т.е. его синтез происходит не в молочной железе, а в других органах животных.

Иммуноглобулины (Ig). Класс сложных белков гликопротеинов, продуцируемых B-лимфоцитами, и обеспечивающих связывание, на начальных этапах иммунного ответа, антигена. Ig состоят из четырёх полипептидных цепей (двух лёгких (L) и двух тяжёлых (H) цепей), удерживаемых с помощью нековалентных взаимодействий и S-S-связей; можно выделить в составе Ig два F_ab-фрагмента, каждый с антигенсвязывающим центром, и один F_c-фрагмент.

В молоке идентифицированы представители четырёх классов иммуноглобулинов – IgG, IgA, IgM, IgE.

Иммуноглобулины образуются в ответ на введение в организм антигена. Иммуноглобулины содержатся в сыворотки крови, слюне, выделениях слюнных желёз и т.д. Действие Ig осуществляется через образование комплекса с антигеном. Если при этом проявляется образование осадка, то это называется реакцией преципитации; если взаимодействие приводит к склеиванию клеток, то их называют агглютининами, если происходит лизис – лизинами.

Церулоплазмин и лактоферрин. Они являются соответственно медь- и железосодержащими белками молока. Оба белка предназначены для накопления и переноса ионов меди и железа, адсорбируя их на поверхности белковой глобулы. Как специализированные переносчики они способны обеспечить поступление ионов меди и железа в организм детёнышей, ликвидируя, таким образом, недостаток этих ионов в растущем организме. Однако между собой церулоплазмин и лактоферрин различаются по молекулярной массе – 151 и 76,5 кДа соответственно.

Очищенный церулоплазмин имеет голубую окраску за счёт высокого содержания меди (8 атомов меди на молекулу белка). Катализирует реакции оксидазного окисления аскорбиновой кислоты, гидрохинона, катехолов и p-фенилендиамина. Оптимум активности церулоплазмина приходится на pH 5,6…6,0. Ингибиторами фермента являются цеанид и азид, а активаторами – Fe²⁺ . Содержание церулоплазмина в молоке составляет менее 1 мг/кг.

Так как лактоферрин содержит в своём составе углеводы, то он является гликопротеином. Синтез лактоферрина происходит в клетках молочной железы. В молоке крупного рогатого скота содержится 20…350 мг/кг лактоферрина. При этом его концентрация может возрастать в молозиве и стародойном молоке в десятки и более раз.