Химия и физика молока
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Т.А.ОСТРОУМОВА ХИМИЯ И ФИЗИКА МОЛОКА Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области технологии сырья и продуктов животного происхождения в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 655900 – Технология сырья и продуктов животного происхождения по специальности 271100 – Технология молока и молочных продуктов Кемерово 2004 УДК: 637.1.[54+53] Печатается по решению Редакционно-издательского совета Кемеровского технологического института пищевой промышленности Рецензенты: Заведующий кафедрой технологии продуктов питания Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова, д-р.техн.наук, профессор М. П. Щетинин Директор ГНУ Сибирский научно-исследовательский институт сыроделия СО РАСХН, д-р.техн.наук. А. А. Майоров Остроумова Т. А. Химия и физика молока: Учебное пособие. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2004.- 196 с. ISBN 5-89289-250-6 Представлена характеристика компонентов молока, их структура, состав, особенности биосинтеза, физико-химические, химические, органолептические и технологические свойства. Изложены вопросы равновесных отношений между различными фазами молока как единой полидисперсной системы. Проведен анализ изменений составных компонентов в процессах получения, хранения, транспортирования, обработки молока и выработки молочных продуктов. Предназначено для студентов специальности 271100 – Технология молока и молочных продуктов. Ил.- 12, табл.- 3, библ.назв.- 12 О 4001120000 У 50(03) 04 ISBN-5-89289-250-6 © Кемеровский технологический институт пищевой промышленности ОГЛАВЛЕНИЕ Введение…………………………………………………. Тема 1. Роль отечественных ученых в развитии науки «Химия и физика молока»…………………….. Тема 2. Современное состояние молочной промышленности, основные направления развития технологии молочных продуктов и задачи исследований в области химии и физики молока………… Тема 3. Роль молока и молочных продуктов в питании человека. Экономические аспекты рационального использования молока в производстве молочных продуктов……………………………. Тема 4. Общая характеристика химического состава молока……………………………………………. 4.1. Общая характеристика составных компонентов молока………………………………. 4.2. Сравнительная оценка состава молока коров с молоком других сельскохозяйственных животных и с женским молоком……… 4.3. Влияние зоотехнических факторов на состав и свойства молока………………………. Тема 5. Белки молока…………………………………….. 5.1. Современная номенклатура белков молока. Характеристика фракций казеина и сывороточных белков……………………………. 5.2. Структура белков…………………………… 5.3. Состав белков: элементарный и аминокислотный……………………………………….. 5.4. Физико-химические свойства белков……… 5.5. Химические свойства белков………………. 5.6. Биосинтез белков в молочной железе……… Тема 6. Липиды молока ………………………………….. 6.1. Значение липидов. Классификация………… 6.2. Глицеридный состав молочного жира……… 6.3. Жирнокислотный состав молочного жира…. 6.4. Физико-химические свойства молочного жира…………………………………………… 6.5. Химические свойства молочного жира……… 6.6. Фосфолипиды, стерины и другие липиды…… 6 7 10 12 15 15 21 26 34 35 45 53 55 62 64 66 67 69 72 76 79 82 6.7. Биосинтез липидов…………………………….. 84 Тема 7. Углеводы молока……………………………………. 90 7.1. Общая характеристика углеводов молока. Значение лактозы…………………………………… 90 7.2. Структура лактозы, ее изомерные формы и физические свойства……………………………. 91 7.3. Химические свойства лактозы…………………. 95 7.4. Биосинтез лактозы………………………………. 97 Тема 8. Минеральные вещества молока……………………… 98 8.1. Общая характеристика минеральных веществ. Солевой состав молока………………………….. 98 8.2. Солевое равновесие молока. Факторы, влияющие на солевое равновесие……………………… 100 8.3. Роль макро- и микроэлементов в молоке и молочных продуктах………………………………… 103 Тема 9. Биологически активные и другие вещества молока… 106 9.1. Витамины молока и их биологическая роль……. 107 9.2. Характеристика ферментов молока. Использование свойств ферментов в оценке качества молока……………………………………………… 111 9.3. Гормоны и газы…………………………………… 118 Тема 10. Молоко как полидисперсная система………………. 120 10.1. Общая характеристика дисперсных систем…… 120 10.2. Молоко как коллоидная система………………. 122 10.2.1. Структура мицелл казеина, обусловливающая коллоидное состояние золя…………….. 122 10.2.2. Условия дестабилизации коллоидного состояния золя и формирование геля при различных способах коагуляции…………… … 126 10.2.3. Совместное осаждение казеина и сывороточных белков при термокальциевом и термокислотном способах коагуляции…………….. 130 10.3. Молоко как эмульсия жира в плазме…………… 131 10.3.1. Факторы агрегативной устойчивости жировой эмульсии…………………………………… 131 10.3.2. Факторы нарушения устойчивости жировой эмульсии……………………………………….. 136 10.4. Молоко как истинный раствор…………………. 140 Тема 11. Физико-химические, органолептические и техноло- гические свойства молока…………………………… 11.1. Плотность ………………………………………. 11.2. Титруемая кислотность………………………… 11.3. Активная кислотность и буферные свойства… 11.4. Окислительно-восстановительный потенциал.. 11.5. Вязкость и поверхностное натяжение………… 11.6. Осмотическое давление и температура замерзания…………………………………………….. 11.7. Электропроводность и теплофизические свойства…………………………………………. 11.8. Органолептические свойства………………….. 11.9. Технологические свойства…………………….. Тема 12. Физико-химические изменения молока при его хранении и обработке………………………………. 12.1. Изменения при хранении в условиях низких температур и транспортировке………………. 12.2. Изменения при механических воздействиях… 12.3. Изменения при тепловой обработке………….. Тема 13. Физико-химические и биохимические изменения составных частей молока в процессе его переработки и при хранении молочных продуктов………. 13.1. Изменения составных компонентов молока при сгущении и сушке………………………… 13.2. Биохимические изменения составных компонентов молока при его переработке………. 13.2.1. Брожение молочного сахара. Виды брожения……………………………………………… 13.2.2. Роль продуктов брожения в формировании вкуса, аромата и консистенции молочных продуктов………………………………………. 13.2.3. Протеолиз и формирование органолептических показателей…………………………… 13.2.4. Изменения липидных компонентов………… Библиографический список……………………………………. 143 145 146 147 151 152 154 155 156 158 162 164 166 168 174 175 178 178 186 189 191 195 ВВЕДЕНИЕ «Химия и физика молока» является дисциплиной специального цикла, формирующего профессиональные знания инженератехнолога молочной промышленности. Наряду с другими эта дисциплина обеспечивает теоретическую базу для изучения технологии молока и молочных продуктов. Цель настоящего курса – освоение основ химии и физики молока в объеме, необходимом для решения производственных задач отрасли и в исследовательской деятельности. Основными задачами курса являются приобретение теоретических знаний, практических умений и навыков для дальнейшего использования их в профессиональной деятельности: в проведении анализа состава и свойств молока, выборе направлений их улучшения и корректировки, выборе и обосновании технологических параметров обработки и переработки молока, обосновании экономической целесообразности использования молока на производство тех или иных молочных продуктов. В результате изучения дисциплины Вы должны знать и уметь: - химический состав, физико-химические и органолептические свойства молока; - характеристику компонентов молока, их структуру, состав, физико-химические свойства, обусловливающие питательную, биологическую ценность и технологические свойства молока как сырья для молочной промышленности; - способы корректировки состава молока, необходимые в производственных условиях; - влияние различных факторов: зоотехнических и технологических на состав и свойства молока; - роль молока и его отдельных компонентов в обеспечении рационального питания человека; - равновесные отношения между различными фазами молока как единой полидисперсной системы; - физико-химические изменения молока при его хранении и обработке; - физико-химические процессы при производстве различных групп молочных продуктов; - теоретические основы методов исследования состава и свойств молока; - применять теоретические знания в конкретных производственных ситуациях; - проводить исследования состава и свойств молока; - теоретически обосновывать выбор технологических параметров обработки и переработки молока. Тема 1. РОЛЬ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ УЧЕНЫХ В РАЗВИТИИ НАУКИ «ХИМИЯ И ФИЗИКА МОЛОКА» Становление науки «Химия и физика молока» непосредственно связано с организацией сначала кустарного, а затем промышленного производства молочных продуктов. Организация промышленного производства молочных продуктов диктовала необходимость развития теоретических знаний в области состава и свойств молока, научных объяснений и обоснований технологических процессов, а также подготовки профессиональных кадров. Выдающаяся роль в создании и развитии отечественной промышленной переработки молока принадлежит Николаю Васильевичу Верещагину (1839-1907 гг). Бывший военно-морской офицер решил заняться в своем имении молочным делом. Он отправляется в Европу Швейцария, Голландия) для изучения организации переработки молока. Воплощение своих планов, идей Н.В.Верещагин начал с организации в с.Отроковичи первой крестьянской сыроварни в 1866 году. Этот год считается годом рождения отечественной сыродельной отрасли. Создавая целую сеть сыроварен в Тверской и Ярославской губерниях, а затем на Кавказе и в Сибири, Н.В.Верещагин добивался в течение нескольких лет создания в России школы по подготовке мастеров и специалистов-организаторов молочного хозяйства. Наконец, в 1871 году с разрешения Министерства Земледелия была открыта первая в России школа молочного хозяйства в с.Едимоново Тверской губернии, ее возглавил Н.В.Верещагин. Он был убежден, что без подготовки отечественных кадров средней и высшей квалификации невозможно развитие молочного производства, поэтому еще в 90-е годы он неоднократно выдвигает идею создания специальных высших учебных заведений. В том, что в 1911 году в Вологде открылся первый в России в области молочного хозяйства институт – немалая заслуга Н.В.Верещагина. Идеи Верещагина Н.В. по организации молочного хозяйства в России горячо поддержал профессор химии Д.М.Менделеев, при этом он оказал большую практическую помощь в организации школы молочного хозяйства. Соратникам и ученикам Н.В.Верещагина был Аветис Айрапетович Калантир, который 55 лет своей жизни посвятил молочному делу и его по праву считают основоположником отечественного молочного дела, положившим начало систематическому изучению свойств молока и молочных продуктов. В 1883 году он организовал при Едимоновской молочной школе первую в России молочную лабораторию по исследованию состава и свойств молока. В начале XX столетия по его инициативе были основаны 20 школ и шесть испытательных лабораторий. А.А.Калантар внес большой вклад в развитие науки о молоке: еще в свои студенческие годы он изучает химический состав некоторых русских сыров. Это по существу первое исследование по молочному делу в России. В 1879 году он поступает практикантом в Едимоновскую школу, а затем по окончании в 1882 году академии его приглашают работать в этой школе. Организовав научную лабораторию, Калантар развернул целый ряд актуальных направлений исследований: сравнительная продуктивность различных пород молочного скота, химический состав и свойства молока коров различных пород, влияние кормления на состав, свойства молока и качество сыра, масла. В этот же период он провел первую в России работу по установлению величины жировых шариков молока коров распространенных в России пород. Эта работа была представлена в с/х Академию для получения ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук. В 1886 году Калантар реорганизует свою лабораторию в молочно-хозяйственную опытную станцию. Он сам сконструировал небольшие лаборатории с необходимыми приборами и реактивами, которые использовали при исследовании состава и свойств молока. Результаты этой работы были представлены в докладе на съезде естествоиспытателей. Тема доклада – «Состав молока как принцип улучшения пород молочного скота». Этот принцип явился новостью во всем мире, так как до тех пор нигде не применялся. Огромная заслуга принадлежит Калантару в развитии науки о молоке как сырье для производства сыра, а также в области технологии сыров, масла. Развитие науки о молоке, особенно в области физических и биологических свойств молока, связано с именами Георгия Сергеевича Инихова и Яна Станиславовича Зайковского. Г.С.Инихов, проводя исследования состава и свойств молока, много внимания уделял разработке методов контроля качества и молока и молочных продуктов. Его книги и учебники по химии молока были первыми на русском языке - «Химия молока и молочных продуктов» и «Анализ молока» (1922-1926 гг). Я.С.Зайковский внес большой вклад в развитие химии и физики молока. Его работы по изучению состава, физико-химических свойств молока, механизма сычужного свертывания, разработке теории маслообразования представляют до сих пор определенный научный интерес. Я.С.Зайковскому принадлежит капитальный труд «Химия и физика молока и молочных продуктов» (издан в 1930 году, переиздан в 1938 и 1950 гг). Основополагающие исследования в области химии молока и молочных продуктов выполнены И.И.Климовским, А.П.Белоусовым, Н.П.Брио, П.Ф.Дьяченко, Р.Б.Давидовым и другими. Для проведения научных исследований в 1929 году был создан научноисследовательский институт молочной промышленности (в настоящее время Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности в г.Москве – ВНИМИ), который стал первым в стране научным подразделением, призванным осуществлять научное обеспечение молочной промышленности по всем направлениям переработки молока. На базе подразделений этого института и в связи с необходимостью научного обеспечения быстро развивающихся сыродельной и маслодельной отраслей в 1936 году была создана Научно-исследовательская лаборатория сыроделия в г.Угличе Ярославской области, которая в 1954 году получила статус Центрального, а в 1958 году – Всесоюзного научно-исследовательского института маслодельной и сыродельной промышленности – ВНИИМС (теперь Всероссийский). С 1992 года ВНИИМС входит в состав Отделения хранения и переработки сельхозпродукции Российской сельскохозяйственной академии. В настоящее время вопросами изучения состава и свойств молока занимаются и другие институты Российской сельскохозяйственной академии, Всероссийский НИИ детских продуктов (г.Истра), кафедры технологии молока и молочных продуктов высших учебных заведений страны. Контрольные вопросы 1. Показать роль отечественных ученых в развитии науки «Химия и физика молока». Назвать научные центры страны по проведению исследований в области молочной промышленности. 2. Тема 2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ХИМИИ И ФИЗИКИ МОЛОКА Для молочной промышленности России период рыночных реформ, начиная с 1990 года, стал временем устойчивого снижения объемов производства и реализации молочных продуктов. Закупки и промышленная переработка молока по сравнению с1990 годом снизились более, чем в три раза. В 1990 году на промышленную переработку поступало около 40 млн тонн молока, а в последние годы объем перерабатываемого молока не превышает 13 млн тонн ( в2001 году – 12,5 млн тонн). Такие изменения произошли за счет масштабного сокращения поголовья молочного стада в этот период ( с 20,5 млн до 13,5 млн голов), а также снижения продуктивности коров. Вследствие этого произошли значительные сокращения производства и потребления молочных продуктов. Объемы производства основных групп молочных продуктов в 2001 году по отношению к 1990 году составили: цельномолочных продуктов – 32, сыров натуральных и плавленых – 55, масла животного – 32, консервов – 67, нежирной молочной продукции – 43%. Потребление молока и молочных продуктов в нашей стране сократилось с 396 кг/год в 1989 году до 220-230 кг на душу населения с учетом продуктов, поступающих в Россию по импорту, что значительно ниже рекомендованных институтом питания норм потребления (392 кг). При общем снижении уровня производства молока использование молочного белка на пищевые цели составляет не более 35%, что является одной из причин ухудшения структуры и качества питания населения, в которых важное место отводится молоку и молочным продуктам. Минимальная рекомендуемая норма потребления общего белка для человека в сутки составляет 82,2 г, в том числе животного – 45,2 г, фактическое потребление его в 1990 году в России соответствовало этим нормам, но к 2000 году снизилось до 58 и 21 г в сутки, соответственно. Наряду с дефицитом сырьевых ресурсов при низком их качестве основными причинами снижения производства молочных продуктов являются продолжающийся и усиливающийся процесс морального и физического старения оборудования, отсутствие оборотных средств на воспроизводство основных производственных фондов, повышение цен на энергозатраты, транспортную службу, проблемы задолженности платежей между поставщиками сырья, переработчиками и торговыми организациями, снижение государственной финансовой поддержки. Несмотря на то, что развитие отечественной молочной промышленности происходит в достаточно своеобразных и неблагоприятных условиях в настоящее время определились и начали реализовываться следующие тенденции технологического и технического плана: - повышение качества молока – сырья за счет повышения культуры его производства, своевременного охлаждения, использования технических способов снижения в нем бактерий; формирование ассортимента молочных продуктов с учетом региональных и национальных традиций и научно-обоснованных требований адекватного питания различных категорий населения; - совершенствование технологий и улучшение качества традиционных продуктов повышенной стойкости в хранении; - разработка технологий, направленных на рациональное использование молока – сырья и вторичных ресурсов, образующихся в ходе технологических процессов (обезжиренное молоко, молочная сыворотка, пахта); - разработка технологий и оборудования для производства новых видов молочных продуктов сложного сырьевого состава с использованием компонентов немолочного происхождения; - внедрение технологий кисломолочных продуктов с про- и преобиотическими свойствами, а также обогащенных витаминами, биологически активными добавками; - расширение ассортимента продуктов лечебно-профилактического и функционального назначения. Реализация этих направлений в практике производства молочных продуктов предполагает и качественно новый уровень исследований в области химии и физики молока. - Основными задачами исследований в области химии и физики молока должны явиться: - - - разработка научно-обоснованных критериев создания новых видов молочных продуктов; разработка теоретических основ фракционирования компонентов молока (жиров, белков, углеводов) и получение на их основе продуктов различного функционального назначения, в том числе с лечебными и профилактическими свойствами); исследования и анализ взаимодействия различных компонентов немолочного происхождения, вносимых в молоко, пахту, обезжиренное молоко или молочную сыворотку, при производстве комбинированных и модифицированных продуктов; разработка эффективных методов контроля молока и молочных продуктов. Контрольные вопросы 1. Каковы основные проблемы развития молочной промышленности на современном этапе? 2. Обосновать направления развития молочной промышленности в современных условиях. 3. Каковы задачи исследований в области химии и физики молока с учетом внедрения достижений научно-технического прогресса в практику производства молочных продуктов? Тема 3. РОЛЬ МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ В ПИТАНИИ ЧЕЛОВЕКА. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОЛОКА В ПРОИЗВОДСТВЕ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ Когда говорят о производстве пищи в фундаментальном его понимании, прежде всего имеют в виду хлеб, мясо, молоко, отводя при этом молоку особую роль. Без молока и молочных продуктов невозможно адекватное сбалансированное рациональное пи- тание. Составные части молока: белки, жир, углеводы являются уникальными и неповторимыми, признано, что они, каждый в своей группе, занимают первое место по биологической ценности. Современная наука о питании подтверждает особую питательную ценность молока и молочных продуктов. Принято считать, что молочные продукты должны давать треть калорийности среднесуточного рациона человека. Ежедневное употребление рекомендуемого количества молока и молочных продуктов (500 г молока; 15 г сыра; 20 г творога; 18 г сметаны) удовлетворяет в среднем суточную потребность взрослого человека в жире и кальции; 50% потребности белка; 33% - витамина А; 26% - потребности в энергии (калориях). Чтобы оценить в полной мере роль молока в питании человека, необходимо рассмотреть достоинства каждого основного компонента молока: белков, жира, лактозы, минеральных веществ. Белки молока в организме человека играют роль пластического материала, необходимого для построения новых клеток и тканей, а также являются источником энергии (1 г – 16,76 кДж). По своему аминокислотному составу белки молока превосходят все растительные белки. Степень перевариваемости молочного белка в организме человека – 96%. Повышенная биологическая ценность белков молока обусловлена составом, сбалансированностью незаменимых аминокислот их усвояемостью в организме. Из 18 аминокислот, входящих в состав белков молока, 8 относится к незаменимым: изолейцин, лейцин, валин, метионин, лизин, треонин, триптофан, фенилаланин, содержание которых в белках молока значительно выше, чем в других белках. Биологическую ценность белков молока принято оценивать по аминокислотному скору. Аминокислотный скор – это процентное содержание каждой из аминокислот по отношению к их содержанию в идеальном белке. За идеальный белок ФАО/ВОЗ рекомендована условная аминокислотная шкала (незаменимых аминокислот). Аминокислотный скор женского молока близок к 100%, коровьего – 95%. (ФАО – продовольственная и сельскохозяйственная организация при ООН, международная организация по вопросам питания, продовольствию. ВОЗ – всемирная организация здоровья). Наиболее высокую биологическую ценность имеют сывороточные белки по сравнению с основным белком молока – казеином. Кроме этого белки молока обладают рядом функциональных свойств: эмульгирующих, пенообразующих, структурообразующих, водосвязывающих в др., позволяющих использовать их в производстве продуктов сложного сырьевого состава (с использованием сырья немолочного происхождения). Молочный жир – компонент, как и белок, является источником энергии в организме (1 г – 37,7 кДж), а также необходимым компонентом многих клеточных структур, особенно мембран и выполняет различные физиологические и биохимические функции. Особая ценность молочного жира – наличие в его составе незаменимых жирных кислот, жирных кислот низкомолекулярных и со средней длиной углеродной цепи, что обеспечивает его хорошую перевариваемость (98%). Особую ценность в составе молочного жира представляют фосфолипиды – вещества высокой биологической активности, обеспечивающие регулирование жирового обмена в организме и предотвращающие накопление холестерина в организме. Лактоза (молочный сахар) – энергетический компонент (1 г – 15,7 кДж), усваивается в организме на 98%. В организме входит в состав коферментов, витаминов, участвует в синтезе белков, жиров, имеет важное значение для внутриклеточного обмена. Под воздействием -галактозидазы лактоза в организме гидролизуется на моносахара, которые в кишечнике служат исходным веществом для жизнедеятельности полезной кишечной микрофлоры, сбраживающей их до молочной кислоты, обеспечивающей уровень активной кислотности в кишечнике, неблагоприятный для развития гнилостных процессов. Кроме этого, накопление молочной кислоты способствует лучшему усвоению кальция и фосфора в организме. Минеральные вещества – необходимые компоненты для поддержания кислотнощелочного равновесия в тканях, осмотического давления в крови, а также для формирования костных тканей и регулирования обменных процессов. Молоко и молочные продукты являются источником кальция, фосфора, натрия, магния, серы, хлора в организме, а также микроэлементов. Особо следует отметить не только наличие в молоке таких важных элементов как кальций и фосфор, но и их оптимальное соотношение, повышающее пищевую ценность молока и молочных продуктов. Молоко содержит все жизненно необходимые витамины, обладающие высокой биологической активностью, участвующие в обмене веществ и регулирующие отдельные биохимические и физиологические процессы в организме человека. Для молочного жира характерно относительно высокое содержание жирорастворимых витаминов. Из водорастворимых витаминов молоко молочные продукты богаты рибофлавином, относительно дефицитным в других пищевых продуктах биотином, кобаламином, фолацином. Важное значение с точки зрения физиологии питания имеет и наличие в молоке ряда биологически активных веществ: ферментов, гормонов, лизоцима, иммуноглобулинов и других биологически активных веществ, которые повышают устойчивость организма к инфекционным заболеваниям. Теоретические познания в области химии и физики молока, умение проводить оценку состава и свойств молока, способность оперировать полученными качественными и количественными характеристиками для инженера-технолога имеют важное практическое значение с точки зрения оптимизации ассортимента вырабатываемых продуктов с учетом эффективности использования всех компонентов молока. Так, например, при производстве белковых продуктов целесообразно учитывать не только количественный показатель содержания белков в исходном молоке, но и их качественный (фракционный) состав, от которого будет зависеть выбор технологических параметров обработки молока, обеспечивающих наиболее полное выделение компонента. От эффективности процесса в конечном итоге зависит выход продукта, а следовательно технико-экономические показатели работы предприятия в целом. Контрольные вопросы 1. В чем заключается значимость молока и молочных продуктов в питании человека? 2. Каковы особенности аминокислотного состава белков молока? 3. Каковы особенности состава молочного жира и его роль в организме человека? 4. Обосновать роль лактозы в организме человека. 5. Какие минеральные вещества входят в состав молока и какова их роль в организме человека? 6. В чем заключаются экономические аспекты рационального использования молока в производстве молочных продуктов? Тема 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МОЛОКА 4.1. Общая характеристика составных компонентов молока Молоко – биологическая жидкость, которая образуется в молочной железе млекопитающих. Естественное назначение молока в природе – обеспечение питания молодого растущего организма после рождения. В ходе общественного развития человечества значение молока расширилось от пищи для новорожденных до продукта питания и далее до промышленного сырья. Использование молока в качестве сырья для производства продуктов питания определяется физико-химическими свойствами составных частей. Знания о количестве составных частей молока постоянно расширяются, это объясняется целенаправленностью научных исследований и применением современных методов анализа, позволяющих обнаружить и количественно определить даже те компоненты, которые присутствуют в виде следов. В настоящее время известно около 200 различных компонентов молока. Компоненты молока – это все те его составные части, что образуются при секреции молока в молочной железе. Компоненты молока Истинные Неистинные (посторонние): антибиотики; Выраженные в Содержащиеся в количественном незначительном отношении: радионуклиды; 1%): соли (в форме катионов и анионов); жир белки пестициды; количестве (менее вода лактоза гербициды; нитраты; тяжелые металлы; фосфатиды; органи- афлатоксины ческие кислоты; ферменты, гормоны; витамины; газы Химизация сельского хозяйства, лечение заболеваний животных с помощью химиотерапевтических средств, различные загрязнения окружающей среды, в том числе и радиоактивные, привели к увеличению содержания в молоке посторонних веществ. Таким образом, составные части молока можно разделить на истинные (образующиеся в процессе нормального обмена веществ при секреции молока) и неистинные (посторонние). Среднее содержание основных компонентов молока характеризуется следующими данными (табл. 4.1). Таблица 4.1 Химический состав молока Компоненты Массовая доля % (среднее значение) Массовая доля % (пределы колебаний) Вода 87,5 85,0-89,0 Сухое вещество (сухой молочный остаток – СМО) 12,5 11,0-15,0 Сухой обезжиренный молочный остаток – СОМО 8,9 7,8-10,0 Белки, в том числе: 3,2 3,1-3,9 казеин 2,6 2,2-3,0 сывороточные белки 0,6 0,5-0,8 Липиды 3,6 3,1-4,6 Углеводы (лактоза) 4,8 4,5-5,3 Минеральные вещества 0,7 0,6-0,8 В зависимости от состояния составные части молока подразделяют на три группы. - - - I. Вещества, находящиеся в эмульгированном состоянии: молочный жир как смесь триглицеридов (триацилглицеринов); ди- и моноглицериды (моноацилглицерины); фосфатиды (лецитин, кефалин, сфингомиелин); стерины; жирорастворимые витамины (групп А, Д, Е); свободные жирные кислоты. II. Вещества, находящиеся в коллоидной дисперсии: казеины (S-; -; κ-; -); альбумины (альбумин сыворотки крови, -лактальбумин); глобулины (-лактоглобулин, иммуноглобулины); ферменты (каталаза, пероксисдаза, фосфатазы, протеиназы, липазы, амилаза; ксантиноксидаза, альдолаза, дегидрогеназы и др.). III. Вещества, находящиеся в истинном растворе: углеводы (-гидратная форма лактозы, -лактоза, глюкоза, галактоза, аминосахара (глюкозамин, галактозамин) и фосфорные эфиры моносахаров: глюкозо-1– фосфат, глюкозо-6-фосфат, галактоза-1-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат; катионы (Са++; Mg++; K+; Na+); анионы (фосфаты – Н2РО4-; НРО4- -; РО4- - - ; цитраты С6Н5О7- - -; С6Н6О7- - ; С6Н7О7-; хлорид Cl-; сульфат SO4- -; гидрокарбонат НСО3-); водорастворимые витамины (тиамин – В1; рибофлавин – В2; пантотеновая кислота – В3; пиридоксин – В6; фолацин – В9; кобаламин – В12; ниацин – РР; биотин – Н; аскорбиновая кислота – С); - соединения остаточного азота (аммиак, аминокислоты, мочевина, креатин, креатинин, метилгуанидин, гуанин и др.); - микроэлементы (около 20: Mn; Zn; Cu; Li; Ba; Sr; B; Fe; Co; J; Mo; Se; Cr; Ag; F; Br и др); - газы (углекислый кислород, азот). Из всех компонентов молока молочный жир, лактоза, казеины, лактоглобулины и -лактальбумин являются его специфическими компонентами, то есть синтезируются в молочной железе и встречаются только в молоке. - В настоящее время установлено, что диапазон колебаний в содержании основных компонентов молока находится в тесной связи с величиной их частиц. По величине диаметра частиц компоненты молока располагаются следующим образом: вода – от 150 до 200 нм; жир – от 200 до 10000 нм; казеины – от 40 до 300 нм; -лактоглобулин – от 25 до 50 нм; -лактальбумин – от 5 до 20 нм; молочный сахар – от 1 до 1,5 нм; ионы – 0,5 нм. Естественные изменения содержания основных компонентов – жира и белков – представляют экономический и технологический интерес. Жир занимает особое экономическое положение и служит основой оплаты молока и учета на предприятиях. Этот показатель по сравнению с другими подвержен значительно большим изменениям по сравнению с другими компонентами. С технологической и экономической точек зрения молоко можно разделить на сухой молочный остаток (СМО) и воду или сухой обезжиренный молочный остаток (СОМО), жир и воду. Молоко Вода Белки (ка- СМО СОМО Молочный жир Углеводы Минераль- зеины и сы- (лактоза) вороточные ные соли белки) СМО – это показатель содержания всех компонентов молока кроме воды, определяющий выход молочных продуктов. Содержание СМО определяют путем высушивания навески молока при 105оС. СОМО – показатель, характеризующий содержание сухих веществ за исключением жира. Это более постоянный показатель, поскольку наибольшим изменениям в молоке подвержено содержание жира. Поэтому в практике молочной промышленности при проведении расчетов по нормализации исходного сырья чаще всего используют этот показатель. Содержание СОМО определяют путем вычитания из сухого молочного остатка содержания жира, либо используют ориентировочные расчетные формулы. СМО 4,9 Ж Д 0,5; 4 СОМО Ж Д 0,76; 5 4 где: Ж – массовая доля жира в молоке, %; Д – плотность молока, оА. Содержание жира и плотность определяются в каждой партии молока, поступающего на предприятие. Вода – это важнейший компонент молока. Она является плазмой, в которой распределены все составные части молока. В молоке содержится 85-89% воды. Большая часть (83-84%) воды находится в свободном состоянии, а от 2 до 5 % ее – в связанном. Свободная вода является растворителем органических и неорганических соединений молока (органических кислот, минеральных солей, углеводов, водорастворимых витаминов и др.). Как растворитель, свободная вода участвует во всех биохимических процессах, протекающих в молоке при его хранении и выработке молочных продуктов, она доступна микроорганизмам. Свободную воду можно легко удалить, высушивая или замораживая молоко, либо снизить ее содержание при сгущении. Связанная вода (по классификации Ребиндера П.А.) делится на три группы: первая – вода химической связи; вторая – вода физикохимической связи; третья – вода механической связи. Эти формы связи отличаются природой и величиной энергии (прочностью) связи. Химическая связь воды (наиболее прочная) – вода в химических соединениях – кристаллогидратах. В молоке химически связанная вода представлена водой кристаллогидратов молочного сахара (С12Н22О11 . Н2О). При высушивании химически связанная вода не удаляется. Удалить ее можно только при нагревании до высокой температуры (до 130оС). Физико-химическая связь воды характеризуется средней прочностью. Она образуется в результате притяжения диполей воды полярными группами белков (характерна для белков молока). Гидратация частиц белка обусловлена наличием на их поверхности полярных групп: -СООН; -SH; -OH; -NH2; -PO3 и др. При адсорбировании воды диполи располагаются несколькими слоями вокруг гидрофильных центров молекул белков, образуя гидратную оболочку, препятствующую соединению белковых частиц. Первый слой гидратной оболочки – мономолекулярный – связан с белком наиболее прочно. Остальные слои имеют значительно меньшую энергию связи – влага полимолекулярной адсорбции. От интенсивности и прочности гидратной оболочки зависит стабильность мицелл казеина. Около 84% из всей связанной воды в молоке связано с белками. Аналогичные гидратные оболочки образуются и вокруг жировых шариков, поскольку в состав оболочек, формирующих их поверхность, входят белки. Связанная вода не замерзает при низких температурах (минус о 40 С), не растворяет электролиты и сахара, не удаляется при высушивании продукта и она недоступна микроорганизмам. Поэтому для предотвращения развития микроорганизмов, а следовательно и порчи продукта, свободную воду удаляют (сушат продукт) или переводят в связанную, добавляя влагосвязывающие компоненты (сахар, соль – при консервировании). Вода механической связи обладает свойствами свободной воды. Она механически захватывается и удерживается ячейками структуры и капиллярами продукта (сухое молоко, сыр, казеин) влага заполняет макро- и микрокапилляры, а также удерживается поверхностью частиц продукта – гигроскопическая влага. Эти свойства необходимо учитывать при выборе влажностных режимов хранения подобных молочных продуктов. В структурированных молочных продуктах (кисломолочные напитки) вода механической связи заполняет внутренние объемы структурированных систем. Эта влага может быть удалена при высушивании, либо выкристаллизована при замораживании. Способность воды изменять фазовое состояние при замораживании используют для сохранения продуктов, соответственно выбирая режимы замора- живания, позволяющие сохранить структурно-механические свойства продукта. Характеристика других компонентов молока: белков, липидов, углеводов, минеральных веществ будет подробно рассмотрена при изучении последующих тем. 4.2. Сравнительная оценка состава молока коров с молоком других сельскохозяйственных животных и с женским молоком Наряду с использованием коровьего молока для питания и в качестве промышленного сырья как в нашей стране, так и в других странах используется также молоко других сельскохозяйственных животных – овец, коз, кобылиц, буйволиц. Содержание основных компонентов в молоке различных животных имеет существенные различия. Как правило, содержание белка и минеральных веществ больше в молоке тех животных, детеныши которых удваивают свою массу в более короткий срок. Содержание жира в молоке различных видов животных определяется условиями окружающей среды и наличием резервов жира в организме новорожденного. Так молоко самки оленя содержит много жира (22,5%), так как ее детеныш после рождения нуждается в большем количестве энергетического материала. Молоко свиньи характеризуется высоким содержанием жира (8,3 %) по причине отсутствия его резервов в теле поросенка. Существенны различия и в качественном составе белков и жира молока. По содержанию казеина и сывороточных белков молоко всех млекопитающих можно разделить на две группы: казеиновое и альбуминовое. В казеиновом – не менее 75 % казеина от всех белков, а в альбуминовом – не более 50 %. К первой группе (казеиновое молоко) относится молоко большинства животных: коровы, козы, овцы, буйволицы, верблюдицы; ко второй – кобылицы, ослицы. Женское молоко – альбуминовое. Таблица 4.2 Химический состав молока различных видов сельскохозяйственных животных и женского молока Массовая доля, % Животное сухих жира белков в т.ч. лактозы минер. веществ казеина веществ Корова 12,5 3,6 3,2 2,6 4,8 0,7 Коза Овца Буйволица Самка северного оленя Верблюдица Кобылица Ослица Свинья 13,2 18,4 17,4 36,7 4,3 6,7 7,7 22,5 3,6 5,9 4,3 10,3 3,0 4,8 3,6 8,7 4,5 4,8 4.6 2,5 0,8 1,0 0,8 1,4 15,0 5,4 3,8 2,9 5,1 10,7 1,8 2,1 1,2 6,4 9,9 1,4 1,9 0,7 6,2 18,5 8,3 6,0 3,5 3,2 Химический состав женского молока 12,0 3,5 1,5 0,7 6-7 0,7 0,4 0,4 1,0 0,3 Козье молоко имеет состав близкий к составу коровьего молока. Отличается несколько повышенным содержанием белков и жира, из минеральных веществ – кальция. Жир козьего молока отличается от коровьего жирнокислотным составом и шарики жира имеют меньший диаметр, чем шарики коровьего молока, что способствует его лучшему усвоению организмом человека. Козье молоко имеет более крупные мицеллы казеина по сравнению с коровьим и женским, более богато витаминами А и С. Отличается меньшей термоустойчивостью из-за повышенного содержания кальция. Используют для детского питания и в смеси с овечьим молоком для приготовления брынзы и некоторых рассольных сыров. Овечье молоко содержит в 1,5 раза больше сухих веществ по сравнению с коровьим, отличается высоким содержанием жира, белков, кальция и фосфора. Характеризуется высокой биологической ценностью (высокое содержание незаменимых аминокислот, витаминов С, А, гр.В). Используют для приготовления брынзы и рассольных сыров. Буйволиное молоко – характерно высокое содержание сухих веществ, в основном за счет жира. Шарики жира и мицеллы казеина более крупные, чем в коровьем молоке. Богато кальцием, фосфором, витаминами А и С. Используется для выработки сливочного масла, кисломолочных продуктов (мацун, сметана), рассольных сыров. Молоко буйволиц быстрее свертывается под действием сычужного фермента, но белки отличаются ограниченной способ- ностью к протеолизу, что затрудняет использование его в сыроделии. Молоко самки северного оленя мало изучено, характеризуется высоким содержанием жира и белков и низким – лактозы. Молоко верблюжье содержит больше жира, белков, лактозы по сравнению с коровьим. Белки содержат значительное количество незаменимых аминокислот. В жире верблюжьего молока содержится больше полиненасыщенных жирных кислот, чем в жире коровьего молока, в том числе незаменимых. Богато витаминами С, А и В1. Молоко верблюжье используют для лечебного питания больных язвенной болезнью. Молоко кобылье значительно отличается по составу от коровьего молока и других животных. Содержит в 2 раза меньше белков, жира, минеральных веществ и почти в 1,5 раза больше лактозы, чем в коровьем. По составу белков и содержанию лактозы приближается к женскому молоку. Оно относится к молоку альбуминовой группы. При свертывании кобыльего молока не образуется плотного сгустка, белок выпадает в виде нежных мелких хлопьев. Это молоко относят к продуктам высокой биологической ценности, так как его белки и жир хорошо усваиваются. Жир кобыльего молока по сравнению с жиром коровьего более диспергирован, содержит больше низкомолекулярных жирных кислот и ненасыщенных. Белки имеют хорошо сбалансированный аминокислотный состав. Используют для приготовления ценного диетического и лечебного продукта – кумыса. Молоко ослиное - имеет состав аналогичный составу кобыльего. Состав и свойства женского молока. Женское молоко по составу значительно отличается от молока коровьего и других сельскохозяйственных животных, ближе всего к нему по составу кобылье молоко. При разработке ассортимента и рецептур молочных детских продуктов за эталон принимают женское молоко. Так как основным сырьем в производстве детских молочных продуктов служит коровье молоко, то необходимо знать отличия в его составе от состава женского молока. Прежде всего существенные различия заключаются в белковом составе молока. В женском молоке общее содержание белков в 2-3 раза ниже, чем в коровьем. Причем в коровьем молоке основная часть белков представлена казеином – около 80 %, а на долю сывороточных белков приходится 20 %. В женском молоке соотношение белков имеет другой характер: казеина – 40-50 %, т.е. отношение казеина и сывороточных белков составляет 1:1, а в коровьем – 78:1. Сывороточные белки особенно богаты незаменимыми аминокислотами, поэтому биологическая ценность их выше по сравнению с казеином. Кроме этого, основным сывороточным белком коровьего молока является -лактоглобулин ( 55 % от их общего содержания), а женского – иммуноглобулины (около 70 %), что обусловливает высокие иммунологические свойства женского молока. Соотношение белковых фракций обусловливает характер белкового сгустка, образующегося в желудке ребенка под действием ферментов. При свертывании женского (альбуминового) молока белки выпадают в виде мелких хлопьев. Поэтому они легче усваиваются организмом, чем белки коровьего молока. При свертывании коровьего (казеинового) молока образуется более плотный сгусток, так как мицеллы казеина коровьего молока более крупные и это молоко имеет более высокое содержание солей кальция по сравнению с женским, участвующих в формировании плотной структуры сгустка. По этой причине при выработке молочных продуктов для детского питания прежде всего проводят корректировку белкового состава молока, что достигается использованием концентратов сывороточных белков, и обессоливанием (удаление солей кальция). Жир женского молока более тонко диспергирован по сравнению с жиром коровьего молока. Различен и их жирнокислотный состав. В жире женского молока в 1,5-2 раза больше ненасыщенных жирных кислот, чем в жире коровье молока, в том числе и незаменимых полиненасыщенных жирных кислот – линолевой, линоленовой, арахидоновой. Поэтому при производстве детских молочных продуктов коровьего молоко (исходное сырье) обога- щают полиненасыщенными жирными кислотами, добавляя растительные масла: кукурузное, подсолнечное и др. Молочный сахар. Концентрация молочного сахара в женском молоке в 1,5 раза выше, чем в коровьем. В связи с этим при выработке продуктов детского питания концентрацию лактозы доводят до ее концентрации в женском молоке. В целях оптимизации углеводного состава применяют такие углеводы, как сахароза, глюкоза, фруктоза, крахмал и др., путем введения в смеси свекловичного или тростникового сахара, солодового экстракта, кукурузной патоки и других компонентов, а также используют сироп лактолактулозы. Лактолактулозу получают путем изомеризации лактозы в щелочной среде, в результате чего происходит изомеризация глюкозы, входящей в состав лактозы, во фруктозу. Лактолактулоза является бифидогенным фактором в желудочнокишечном тракте ребенка, необходимым для развития бифидобактерий. Минеральные вещества. Общее содержание солей в женском молоке в 3-4 раза ниже, чем в коровьем. Большую часть среди минеральных солей в молоке составляют соли кальция и фосфора. Концентрация кальция в коровьем молоке составляет около 130 мг на 100 г; фосфора – 90 мг на 100 г, а в женском 30 и 15 мг на 100 г, соответственно. Корректировку минерального состава коровьего молока проводят путем удаления избытка солей кальция и фосфора с помощью ионнообменных смол или электродиализной обработки, а также введения в смесь солей калия и натрия лимоннокислых трехзамещенных. Женское молоко значительно богаче микроэлементами ( медью, цинком, кобальтом, йодом, железом и др.), поэтому с целью корректировки минерального состава коровьего молока вводят сульфат меди, хлорид марганца, сульфат цинка, сульфат железа, йодид калия, хлорид магния и др. Витамины и защитные факторы. Женское молоко значительно богаче витаминами А, С, РР, но в нем меньше содержится витаминов В1, В2, В6, В12 по сравнению с коровьим. Однако, при тепловой обработке коровьего молока происходит частичная потеря водорастворимых витаминов. Поэтому при выработке детских продуктов вводят витамины А, Д2, Е, В1, В2, В6, В12, С, РР и др. Преимуществом женского молока является наличие в нем защитных факторов, способствующих высокой иммунологической резистентности ребенка. В этой связи молочные продукты детского питания обогащают рядом защитных факторов: лизоцимом, лизоцимными добавками с бифидобактериями, иммуноглобулинами. 4.3. Влияние зоотехнических факторов на состав и свойства молока Химический состав молока обусловлен рядом факторов: индивидуальными особенностями организма животного, породной принадлежностью, сезонам года, зоотехническими факторами – стадией лактации, условиями кормления и содержания животных, а также технологическими факторами – условиями транспортирования, хранения, обработки и переработки молока. Влияние технологических факторов мы рассмотрим несколько позже, когда познакомимся с составом молока, характеристикой его основных компонентов и физико-химических свойств. Рассмотрим влияние отдельных зоотехнических факторов на состав молока. В дальнейшем при более глубоком изучении характеристик составных компонентов молока мы будем возвращаться к этому вопросу и конкретизировать сведения об изменении состава и свойств молока под влиянием различных факторов. Породная принадлежность. Порода коров является доминирующим фактором с точки зрения их продуктивных качеств и состава молока. Продуктивные качества (удой за лактацию), а также состав молока генетически обусловлены для каждой породы животных. Однако, имеются колебания в составе молока одной и той же породы, что объясняется наследственными факторами, т.е. индивидуальными особенностями организма и условиями содержания и кормления. Главными показателями при районировании отдельных пород являлись долгое время общая продуктивность (удой) и содержание жира в молоке. В последние годы у нас в стране и за рубежом наметилась тенденция к более глубокому изучению бел- ковых веществ молока, поскольку белки обусловливают не только питательную ценность молока, но и технологические свойства, качество и выход продуктов: сыра, творога, молочнобелковых концентратов. Поэтому при ведении племенной работы в настоящее время обязательно учитывают показатель – содержание белков в молоке. У нас в стране насчитывается около 30 пород и породных групп крупного рогатого скота. Но основными, распространенными во всех районах страны являются только три: симментальская, красная степная и черно-пестрая. Молоко коров различных пород существенно различается по содержанию основных компонентов. Так, массовая доля белков в молоке коров различных пород колеблется в пределах от 3,1 до 3,9 %; жира – от 3,4 до 4,6 (у отдельных пород от 5 до 6 %); сухих веществ – от 11,5 до 15,5 %. Наряду с отличиями в содержании основных компонентов молока наблюдается и некоторые различия в его физикохимических свойствах, в содержании минеральных солей, в размерах частиц белков и жировых шариков. В каждой конкретной сырьевой зоне предприятия породность животных является наиболее стабильным фактором, так как в этой зоне районирована определенная порода или породная группа. Однако, вследствие проведения направленной селекционной работы могут быть выведены новые породы животных для местных условий. В данном случае необходимо учесть состав и свойства молока для обеспечения рационального использования сырья на предприятиях и нормальных технологических процессов производства продуктов. Стадия лактации. Химический состав молока коров значительно изменяется в течение лактации. Лактацией называют период образования и выделения молока из молочной железы. У коров этот период в среднем составляет около 10 месяцев (300 суток). В период лактации различают три стадии: первые 5-10 суток после отела – секреция (выделение) молозива; последующие 275-385 суток – секреция нормального молока (поступает на промышленную переработку), последние 7-15 суток перед окончанием лактации – секреция стародойного молока. Молоко, полученное в различные стадии лактации, существенно отличается по своему химическому составу и свойствам. Молозиво. Массовая доля сухого вещества в молозиве составляет от 25 до 30 % (в нормальном молоке – 11,5-13,5 %). Массовая доля белков в молозиве в 3-5 раз больше, чем в нормальном молоке. При этом существенно изменяется соотношение белков в молоке: в молозиве от 60 до 80 % всех белков составляют сывороточные белки, а в нормальном молоке – около 80 % казеина. В составе сывороточных белков молозива преобладают иммуноглобулины (более 90 %), содержание которых в нормальном молоке составляет от 1,5 до 3,0%. Массовая доля жира в молозиве почти в 1,6 раза больше, чем в нормальном молоке. В молочном жире молозива в 3,5 раза большефосфолипидов, в 3-4 раза – каротина и жирорастворимых витаминов. Молозиво отличается повышенным содержанием минеральных солей, в том числе и микроэлементов, водорастворимых витаминов, ферментов, гормонов и защитных факторов – иммуноглобулинов, лизоцима, лактоферрина, лейкоцитов, предохраняющих молодой растущий организм от заболеваний. Кислотность молозива за счет повышенного содержания белков и кислых солей составляет от 20 до 40 оТ (нормального молока – 16-18 оТ), плотность за счет повышенного содержания сухих веществ – 1037-1055 кг/м3 (нормального молока – 1029-1031 кг/м3). Оно имеет интенсивно желтый цвет, солоноватый вкус, специфический запах, густую, вязкую консистенцию и является непригодным для промышленной переработки по следующим причинам. Во-первых, из-за высокого содержания сывороточных белков, основная часть которых относится к термолабильным и при нагревании денатурирует, а технологический регламент производства всех без исключения молочных продуктов предполагает тепловую обработку: пастеризацию или стерилизацию малокосырья. Во-вторых, повышенное содержание в молозиве защитных факторов создает неблагоприятные условия для развития заквасочных культур молочнокислых бактерий, которые используют в производстве всех кисломолочных продуктов. В течение лактации постепенно происходит снижение содержания основных компонентов молока. В первый месяц лактации молоко имеет самые низкие показатели сухого вещества, жира и плотности. Такое молоко менее пригодно для производства белковых молочных продуктов, консервов. К третьему ме- сяцу лактации состав молока стабилизируется, укрупняются частицы казеина, меняется соотношение фракций казеина. Такое молоко является оптимальным для технологической переработки. К концу лактации (9-10 месяцы) состав молока постепенно приближается к характерному для молозива – стародойное молоко. Состав стародойного молока характеризуется повышенным содержанием жира, белков, минеральных солей, главным образом, основных солей – хлоридов, ферментов (особенно липазы, катализирующей гидролиз молочного жира, следствием чего является увеличение содержания свободных жирных кислот), снижением содержания лактозы. Титруемая кислотность стародойного молока снижается до 12-14оТ (иногда до 9-10оТ). Плотность стародойного молока относительно повышена и составляет 1032 кг/м3. Повышенное содержание свободных жирных кислот и хлоридов обусловливает горьковато-солоноватый вкус стародойного молока. Такое молоко является непригодным для промышленной переработки. Комплекс факторов: рационы кормления, стадия лактации, сезон года. Кормление коров как внешний фактор среды оказывает существенное влияние на синтез составных частей молока, а следовательно на продуктивность животных, состав и свойства молока. Названный фактор нельзя рассматривать вне связи с сезонностью получения молока, поскольку структура рационов, качество кормов значительно различаются по сезонам года, особенно в условиях Сибири, а также не учитывая при этом стадию лактации, на которой находится животное. По этой причине целесообразно поставить рассмотрение вопроса следующим образом: изменения в содержании основных компонентов молока под влиянием этих факторов. Жир. Содержание жира служит одним из основных показателей, характеризующих питательные свойства и товарные качества молока. Массовая доля жира в сборном молоке в первые шесть месяцев года несколько снижается (с января по июнь), а в следующие шесть месяцев – повышается. Минимальное содержание жира, как правило, имеет место в апреле - мае, максимальное – в ноябре – декабре. Чем это объясняется? Повышенное содержание жира в молоке в осенне-зимние месяцы объясняется стадией лактации (к концу лактации повышается содержание жира в молоке), снижением к этому времени общего объема продуцируемого молока, а также качеством кормов. (Заготовленные корма осенью и в начале зимы еще хорошо сохраняют свои питательные свойства). Весной, как правило, резко снижается питательная ценность кормов вследствие длительных сроков их хранения (особенно силоса), в результате чего снижается и содержание жира в молоке. Особенно заметно влияние уровня кормления коров на состав молока в переходный период, при переводе животных со стойлового содержания на пастбищное. Включение в рационы коров зеленых кормов обусловливает повышение общей продуктивности коров на 25-30 %, а жирность молока при этом снижается в среднем на 0,1 – 0,2 %. Названные факторы оказывают определенное влияние не только на общее содержание жира в молоке, но и на его качественные характеристики: соотношение фракций жира, насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в молочном жире. Большое количество зеленых кормов в рационе, богатых непредельными жирными кислотами, приводит к качественным изменениям молочного жира. Такой жир богат полиненасыщенными жирными кислотами, имеет мягкую консистенцию, пониженную температуру плавления. Такие же свойства приобретает молочный жир и при скармливании кормов с высоким содержанием растительных масел (подсолнечниковых и льняных жмыхов, шротов). Несомненно, что эти свойства молочного жира передаются и молочным продуктам (масло имеет излишне мягкую консистенцию, нестойко в хранении). При скармливании же большого количества углеводистых кормов (сахарная свекла, картофель и др.) в молочном жире повышается содержание насыщенных жирных кислот группы С4-С12 и масло приобретает твердую, крошливую консистенцию. Белки молока. Молоко, полученное в весенние месяцы (мартмай), содержит меньше белков по сравнению с другими сезонами года (в среднем на 0,2-0,4 %). Снижение массовой доли белков в молоке весеннего периода объясняется, главным образом, снижением биологической и питательной ценности кормов в это время. Как правило, в весенний период не только снижается общее содержание белков, но и изменяется их фракционный состав, что отрицательно сказывается на процессах производства белковых молочных продуктов (в первую очередь сыров). В весенний период более чем в 2 раза повышается содержание в молоке фракции казеина, что приводит к снижению выхода сыра. Существенное влияние оказывают и рационы кормления на белковый состав молока. Использование силосных рационов с минимальным количеством в них концентрированных и других кормов приводит также к увеличению -фракции казеина (более, чем на 50%), а массовая доля S- и -казеинов при этом снижается, что также отрицательно сказывается на процессах выработки сыра и выходе готового продукта. Главным условием полноценного кормления животных является обязательное балансирование рационов прежде всего по питательным веществам, минеральным, в том числе микроэлементам, витаминам. При нарушении структуры рационов, как правило, снижается продуктивность животных и изменяются состав и свойства молока. Так, при скармливании животным в больших количествах кормов, бедным солями кальция (барда, картофель, кислый жом, пивная дробина, силос), в продуцируемом молоке снижается содержание солей кальция, что ухудшает технологические свойства молока – способность свертываться под действием сычужного фермента (сычужно-вялое молоко мало пригодно для производства сыра). В последние годы в практике кормления лактирующих коров находят все большее применение добавки солей микроэлементов (меди, марганца, кобальта, йода, цинка и др.); концентратов витамина Д; азотсодержащих соединений – мочевины (карбамида), сульфата аммония и др.; легкоферментируемых углеводов, а также различные сочетания этих добавок. Разумное сочетание рекомендуемых добавок позволяет повысить питательную и биологическую ценность рационов и как следствие, улучшить состав и технологические свойства молока. Снижение биологической и питательной ценности рационов, что имеет место особенно в весенний период, обусловливает ухудшение биологических свойств молока, что очень важно с технологической точки зрения. Биологические свойства молока определяются целым рядом признаков: наличием составных частей молока, их- соотношением, а также наличием биологически активных веществ – свободных аминокислот, микроэлементов, витаминов и др. В весенний период в молоке значительно снижается массовая доля свободных аминокислот, особенно незаменимых – по сравнению с летним периодом – в 5 раз, с зимним – в 1,5 раза (свободные аминокислоты – источник азотистого питания микроорганизмов). Состояние здоровья животных. Общее состояние здоровья животных влияет как на их продуктивность, так и состав и свойства молока. При различных заболеваниях животных (туберкулез, бруцеллез, лейкоз, мастит и др.) резко изменяется состав, физикохимические и органолептические свойства молока. Туберкулез легких. Снижается массовая доля белков, в начальной стадии повышается массовая доля жира; кислотность снижается до 14оТ, а затем резко снижается массовая доля жира, лактозы, увеличивается содержание белков, кислотность снижается до 7оТ, молоко приобретает мыльный и соленый привкус. Бруцеллез. Снижается удой, жирность молока, изменяется состав белков, ухудшаются технологические свойства. Лейкоз. Увеличивается содержание жира, снижается содержание казеина и сывороточных белков, молочного сахара, молоко имеет повышенное содержание лейкоцитов и микроорганизмов. Примесь такого молока нарушает технологические и микробиологические процессы при выработке сыра. Очень распространены заболевания вымени животного – маститы различного характера. Мастит – воспаление ткани вымени (в основном инфекционного происхождения), сопровождается нарушением секреции молока, изменением его состава и свойств. Маститы бывают с ярко выраженными клиническими признаками и скрытые (субклинические), Субклинические формы мастита наиболее распространены и наиболее опасны. Из-за трудности диагностики этого заболевания молоко коров, больных субклинической формой мастита может попадать в общий удой. Помимо технологических трудностей переработки такого молока имеется опасность инфицирования его токсигенными стафилококками, попадание которых в молочные продукты (особенно в сыр) приводит к накоплению энтеротоксина, вызывающего тяжелые отравления. Молоко коров больных субклинической формой мастита прежде всего имеет повышенное содержание соматических клеток (СК – клетки эпителия ткани вымени, лейкоциты) – более 500 тысяч в 1 см3. В молоке здоровых животных содержание СК не превышает 500 тысяч в 1 см3. На свойстве СК взаимодействовать с поверхностно-активными веществами и изменении при этом вязкости смеси, основан метод определения примеси анормального молока (в том числе и молока от больных маститом коров) с препаратом «Мастоприм» (ГОСТ 23453-90. Молоко. Методы определения соматических клеток). Наряду с повышением содержания СК в молоке при заболевании маститом значительно снижается удой и изменяется химический состав молока. Влияние заболевания маститом проявляется прежде всего в снижении общего содержания сухих веществ и в изменении количественного соотношения между компонентами молока. В зависимости от степени заболевания в составе молока происходят следующие изменения: массовая доля сухих веществ снижается на 5-15%; жира на 5-12%; казеина – на 5-8%; кальция – на 2-5%. При этом увеличение массовой доли сывороточных белков составляет около 20%. Объясняется это тем, что частично пораженная ткань вымени при заболевании становится проницаемой для сывороточных белков. Кроме этого в молоке повышается содержание хлоридов, ферментов уменьшаются размеры мицелл казеина; изменяется соотношение его фракций, меняется жирнокислотный состав триглицеридов молочного жира: повышается содержание ВЖК (высокомолекулярных жирных кислот) и понижается – низкомолекулярных. Молоко приобретает горьковато-солоноватый вкус. За счет изменений в составе молока изменяются и его основные физико-химические показатели: титруемая кислотность снижается до 12оТ (от 5 до 13оТ); повышается величина рН – 6,83-7,19 (6,6-6,8 – нормального); снижается плотность до 1024-1025 кг/м3 (за счет снижения содержания сухих веществ). Молоко с различными отклонениями в химическом составе называют анормальным. На предприятия молочной промышленности поступает сборное молоко, поэтому отклонения в химическом составе и физико-химических показателях зависят от количества примеси анормального молока в сборном. При наличии в молоке от 5 до 20% примеси анормального (количество СК – 2 млн/см3) практически не обнаруживаются отклонения в его химическом составе. Однако при этом значительно ухудшаются технологические свойства молока, что обнаруживается при выработке молочных продуктов. В чем заключается ухудшение технологических свойств? Во-первых, вследствие уменьшения размеров мицелл казеина снижается его способность к коагуляции под действием сычужного фермента, что приводит к нарушениям технологических процессов производства сыров, снижению выхода готового продукта и ухудшению его качества. Во-вторых, снижается термоустойчивость молока, в результате чего вырабатываемое из такого молока сгущенное или стерилизованное молоко имеет хлопья или осадок. В-третьих, молоко с повышенным содержанием СК может явиться причиной ухудшения качества масла (отсутствие аромата, нестойкость в хранении). В-четвертых, имеются сведения и об ухудшении органолептических показателей кисломолочных напитков и творога при использовании для их производства молока с повышенным содержанием СК. Поэтому на предприятиях молочной промышленности проводится обязательная оценка молока–сырья на количество в нем соматических клеток. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Контрольные вопросы Дать характеристику химического состава молока коров. Что понимают под истинными и неистинными компонентами молока? Какие компоненты молока находятся в эмульгированном состоянии, в состоянии коллоидной дисперсии и в истинном растворе? Охарактеризовать свойства воды как важнейшего компонента молока. Молоко каких сельскохозяйственных животных используют в промышленном производстве молочных продуктов и каковы особенности его состава? В чем заключаются особенности состава женского молока и каковы способы корректировки молока коров в производстве детских молочных продуктов? 7. Какие факторы влияют на химический состав и свойства молока? 8. Каковы отличительные особенности состава и свойств молозива и стародойного молока? 9. Каким образом изменяется состав молока под влиянием рационов кормления и сезона года? 10.Как изменяются состав и свойства молока при заболеваниях коров маститом? Тема 5. БЕЛКИ МОЛОКА Одним из главных компонентов молока являются белки, массовая доля которых в молоке колеблется в пределах от 2,9 до 4,0%. Значимость белков как необходимого компонента в питании человека и в производстве различных молочных продуктов обусловлена следующим: - высокой биологической ценностью за счет специфичности аминокислотного состава и сбалансированности незаменимых аминокислот; - энергетической ценностью, легкой и практически полной перевариваемостью в организме; - рядом физико-химических и функциональных свойств, способствующих стабилизации коллоидной системы и жировой эмульсии молока; - значительной термостабильностью основного белкаказеина, позволяющей сохранить устойчивость всех систем молока при хранении, технологической обработке и выработке молочных продуктов. Изучение структуры и свойств белков молока представляет большой практический интерес с точки зрения обработки и переработки молока на различные молочные продукты. За последние годы, благодаря использованию современных методов анализа (главным образом электрофоретических, электронной микроскопии и хроматографических), накоплен обширный информационный материал о свойствах белков молока, о поведении их на различных стадиях технологических процессов. Однако до сих пор многие явления еще не полностью изучены. Белки – это высокомолекулярные соединения, состоящие из -аминокислот, которые связаны между собой характерной для белков пептидной связью. Все белки в качестве обязательного элемента содержат азот, отличаются необычайно большими размерами молекул и поэтому в воде образуют коллоидные растворы. Белки молока относятся к группе сферопротеинов (глобулярных белков), так же, как белки животного происхождения: белки плазмы крови; овальбумин яичного белка; миозин – мышечный белок; и растительного – проламины, глютелины и др. 5.1. Современная номенклатуры белков молока. Характеристика фракций казеина и сывороточных белков В настоящее время общепринятой номенклатурой белков молока является номенклатура, предложенная Комитетом по номенклатуре и методологии белков ассоциации американских ученых в области молочной промышленности (ADSA). Конечно же эту номенклатуру нельзя считать окончательной, по мере разработки новых, более совершенных методов исследований и установления первичной структуры фракций белков она может изменяться. Отличительным признаком для белков молока является их различная чувствительность к изменению концентрации водородных ионов. По этому признаку все белки молока делят на 2 группы (фракции) при доведении рН до 4,6 при 20оС (схема 5.1). При таких условиях часть белков выпадает в осадок – это основная фракция белков – казеин, который в молоке находится в форме коллоидных частиц или мицелл. (В присутствии кальция, цитратов и фосфатов большая часть казеинов - до 95% самоассоциируется в мицеллы. Обезжиренное молоко Подкисление до рН 4,6 при 20оС и фильтрование Осадок казеиновая фракция Фильтрат – сывороточные белки (78-85 % от белков молока) (неказеиновая фракция 15-22 % от всех белков молока) Схема 5.1. Разделение белков молока на основе их различной чувствительности рН среды Около 5% казеинов в виде мономеров и полимеров фракций казеина и субмицелл размером менее 20 нм не осаждаются при ультрацентрифугировании из обезжиренного молока. Эту форму казеина называют растворимым). Неказеиновые белки, остающиеся в растворимом состоянии после изоэлектрического осаждения казеина, называются сывороточными. Казеиновая фракция и сывороточные белки с помощью электрофоретических методов разделяются примерно на 30 зон, имеющих различную электрофоретическую подвижность. Фракции казеина обозначают буквами греческого алфавита (; ; κ; ), указывающими на последовательность их расположения на электрофореграмме. Самую высокую скорость передвижения имеет -казеин. Целенаправленные исследования фракционного состава казеина позволили определить, что каждая из фракций казеина представляет собой комплекс основных и минорных фракций, включая генетические варианты. Генетические варианты предполагают существование обусловленных наследственностью различных форм определенного белка. Генетические варианты белков молока отличаются по своей первичной структуре (расположением аминокислот в полипептидной цепи, реже из полипептидной цепи «вычеркивается» один или несколько аминокислотных остатков). Образование этих фракций связано с наследственными факторами, то есть обусловлено генетически. Генетические варианты обозначают буквами латинского алфавита: А; В; С и т.д. В настоящее время принято считать, что в молоке коров содержится шесть главных белков: S1-казеин, S2-казеин, казеин, κ-казеин, -лактоглобулин и -лактальбумин. Фракционный состав казеина представлен на рис. 5.1. Общая характеристика фракций казеина. Все фракции казеина синтезируются в молочной железе, имеют генетические варианты, являются фосфоротеидами, а κ-казеин относится к фосфогликопротеидам (фосфатные группы присоединяются к остаткам оксиаминокислоты – серина). Все фракции казеина характеризуются значительной термоустойчивостью в отличие от сывороточных белков и выдерживают кипячение в течение нескольких часов. S1-Казеин – основная фракция S-казеинов, состоит из простой полипептидной цепи, содержащей 199 аминокислотных остатков, 8 остатков фосфорной кислоты; подобно -казеину и в отличие от κ-казеина не содержит цистеина, имеет повышенное содержание аспарагиновой кислоты, лизина и тирозина, осаждается под действием ионов кальция (кальцийнеустойчивая фракция); имеет пять генетических вариантов (А, В, С, Д, Е). S2-Казеин содержит 207 аминокислотных остатков, имеет четыре генетических варианта, отличающихся степенью фосфорилирования (содержат от 10 до 13 фосфосериновых остатков); в отличие от S1-казеина и подобно κ -казеину содержит два остатка цистеина; осаждается под действием ионов кальция – кальцийнеустойчивая фракция. Казеин (78-85% от всех белков молока) Группа S-казеинов (43-55%) тов -казеин А А2А3В С Д Е (24-35%) 1 κ-казеин АВ (8-15%) Группа γ-казеинов – фрагмен-фракции (3-7%) S1-казеин казеин АВСДЕ S2-казеин АВСД S0-казеин γ 1-казеин А1А2А3В γ 2-казеин А2А3В γ 3АВ Примечание: Содержание фракций казеина приведено в процентах от содержания казеина Рис. 5.1. Фракционный состав казеина S0-Казеин имеет структуру идентичную структуре S1казеина за исключением расположения фосфатных групп, содержание этой фракции – около 10% содержания S1-казеина. -Казеин представлен полипептидной цепью из 209 аминокислотных остатков, которая содержит пять остатков фосфорной кислоты; имеет семь генетических вариантов. Фракция характеризуется повышенным содержанием валина, лейцина, пролина, содержит меньше аланина и аспарагиновой кислоты при отсутствии цистеина. -Казеин осаждается в присутствии ионов кальция при температуре 35оС, а в охлажденном состоянии (4оС) – не чувствителен к их действию. В отличие от S-казеинов, -казеин растворим при низких температурах и может в значительных количествах переходить из мицелл казеина (без видимого их нарушения) в плазму молока и частично гидролизоваться под действием плазмина молока. В результате гидролиза образуются фрагменты -казеина, которые называют γ-казеинами и компоненты протеозо-пептонов с более низкой молекулярной массой. Поэтому Комитетом по номенклатуре белков (ADSA) рекомендуется называть γ-казеины и компоненты 5 и 8 протеозопептонов -казеинами, указывая в скобках аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента. Следует особо отметить способность -казеина, как и Sказеинов осаждаться в присутствии ионов кальция, что имеет большое практическое значение при сычужном свертывании молока (под действием сычужного фермента и в присутствии ионов кальция) в производстве сычужных сыров. От содержания этих фракций в молоке зависят скорость процесса свертывания, рео- логические свойства получаемых сгустков, поведение их при дальнейшей обработке и, как следствие, выход и качество готового продукта. κ-Казеин. Главный компонент κ-казеина представлен полипептидной цепью, состоящей из 169 аминокислотных остатков, в том числе двух остатков цистеина. κ-Казеин в отличие от s- и казеинов содержит только один фосфосериновый остаток, поэтому практически не присоединяет ионы кальция, то есть не теряет растворимости в их присутствии и является кальцийустойчивой фракцией. Хорошую растворимость κ-казеина обусловливают также присутствующие в его составе гликолизированные компоненты (гликомакропептиды), в состав которых входят Nацетилгалактозамин, галактоза и N-ацетилнейраминовая (сиаловая) кислота, содержащие большое количество лиофильных ОНгрупп. Гликомакропептиды содержат в своем составе много серина, треонина и глутаминовой кислоты и характеризуются высоким отрицательным зарядом. При ассоциации с S- и казеинами κ-казеин образует стабильные мицеллы и, располагаясь большей частью на поверхности последних, выполняет роль защитного коллоида по отношению к этим кальцийнеустойчивым фракциям, то есть предотвращает их осаждение ионами кальция в свежем молоке. κ-Казеин не гидролизуется плазмином в отличие от казеина, но содержит чувствительную к химозину (сычужному ферменту)пептидную связь, образованную остатками фенилаланина в положении 105 и метионина в положении 106. Продуктами гидролиза κказеина являются гидрофобной пара-κ-казеин (аминокислотные остатки с 1 по 105) и гидрофильные гликомакропептиды (аминокислотные остатки со 106 до 169). Воздействие сычужного фермента на поверхностную фракцию мицелл казеина - κ-казеин - с последующими его гидролизом, потерей отрицаительноо заряда и дестабилизацией кальцийнеустойчивых S- и -казеинов положено в основу сычужного свертывания молока в производстве сычужных или кислотносычужных сыров. Группа γ-казеинов. Как уже отмечалось (см.характеристику казеина) Комитетом по номенклатуре (ADSA) рекомендовано называть γ-казеины -казеинами с указанием в скобках парамет- ров фрагмента этой фракции. Например: γ1 -казеин следует называть - -Кн (фрагмент 29…209); γ2-казеин - -Кн (фрагмент 106…209), γ3-казеин - -Кн (фрагмент 108…209). На рисунке 5.1 настоящего пособия группа γ-казеинов обозначена просто как фрагменты -казеина без указания параметров фрагмента с сохранением буквенного обозначения фракции – «γ», что можно объяснить широким распространением названия этой группы казеинов в отраслевой научной, научнопрактической и производственной литературе. В свежем молоке здоровых коров содержание γ-казеинов составляет от 3 до 7%. Особенностью γ-казеинов является то, что под действием сычужного фермента белки этой фракции не осаждаются и уходят в сыворотку. То есть увеличение содержания γказеинов в молоке приводит к снижению степени использования белков в производстве продуктов, в основу технологии которых положено сычужное свертывание (сычужные сыры, казеин сычужный, отдельные виды творога). Сывороточные белки – это белки молока, оставшиеся в сыворотке после осаждения казеина из сырого обезжиренного молока при подкислении его до рН 4,6 и температуре 20 оС. Сывороточные белки фракционируют не только по их электрофоретической подвижности, но и по их растворимости в растворах солей и при разной температуре. Основными сывороточными белками принято считать лактоглобулин, массовая доля которого от общего содержания этих белков составляет от 50 до 54%, и -лактальбумин – от 20 до 25%. Остальное количество сывороточных белков приходится на альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, термостабильные сывороточные белки и другие минорные белки. В отличие от казеинов, сывороточные белки не ассоциируют друг с другом, не осаждаются в изоэлетрической точке (рН 4,6), их полипептидные цепи не содержат фосфора, отличаются высоким содержанием серосодержащих аминокислот, низким содержанием пролина, поэтому имеют глобулярную конформацию со значительным количеством -спиральных участков. В силу малого размера частиц сывороточных белков их количество во много раз превышает число казеиновых мицелл. Сывороточные белки не гидролизуются плазмином и сычужным ферментом, по сравнению с казеином менее чувстви- тельны к кальцию, но более чувствительны к нагреванию. Нагревание молока или сыворотки вызывает их денатурацию – изменение структуры (развертывание полипептидных цепей) с последующим взаимодействием друг с другом и с -казеином казеиновых мицелл. Образующиеся комплексы влияют на технологические свойства молока: термоустойчивость и способность к сычужному свертыванию. Фракционный состав сывороточных белков (в % к общему содержанию) приведен на рисунке 5.2. Лактальбуминовая фракция – фракция термолабильных сывороточных белков, не осаждающаяся при полунасыщении сульфатом аммония или насыщении сульфатом магния. К белкам этой фракции относятся -лактоглобулин, -лактальбумин и альбумин сыворотки крови. -Лактоглобулин и -лактальбумин – это основные сывороточные белки. -Лактоглобулин. Является одним из главных в количественном отношении сывороточных белков (на его долю приходится от 50 до 54% всех белков сыворотки). -Лактоглобулин состоит из 162 аминокислотных остатков, имеет семь генетических вариантов, в молоке находится в виде димера. -Лактоглобулин не растворяется в воде, а только в разбавленных растворах солей. Содержит свободные сульфгидрильные (-SH) группы в виде остатков цистеина, которые участвуют в образовании привкуса кипяченого молока при его тепловой обработке. При тепловой обработке часть -лактоглобулина в денатурированном виде выпадает в осадок вместе с фосфатами кальция Обезжиренное молоко Подкисление до рН 4,6 температура 20оС Осадок – казеиновая фракция (78-85 %) Фильтрат – сывороточные белки (15-22 %) Нагревание до 95оС, в течение 20 мин., фильтрование Осадок – фракция термолабильных сывороточных белков Фильтрат – фракция термостабильных сывороточных белков Полунасыщение (NH4)2SO4 или насыщение MgSO4 ОсадокФильтрат лактоглолактальбуминобулиновая вая фракция, фракция растворимая в (иммунорастворах солей глобули(основные сывоны) роточные белки) ИrG1 (1,2-3,3%) ИrG2 (0,2-0,7%) ИrM (0,2-0,7%) ИrA (0,1-0,7%) Добавление 12%ной трихлоруксусной кислоты Осадок протеозопептоны -лактоглобулин (АВСDEFG) (7-12%) -лактальбумин (АВ) (2-5%) альбумин сыворотки крови (0,7-1,2%) Электрофоретические фракции 3,5,8 быстрый и 8 медленный (2-6%) Фильтрат – небелковые азотистые соединения мочевина свободные аминокислоты креатин креатинин аммиак Рис. 5.2. Фракционирование сывороточных белков Ca3(PO4)2, а часть образует комплекс с -лактальбумином и с казеином мицелл казеина и осаждается вместе с ними при кислотной и сычужной коагуляциях казеина. Образование комплекса β-лактоглобулин-α-лактальбумин--казеин значительно ухудшает атаку χ-казеина сычужным ферментом и снижает термоустойчивость мицелл казеина. -Лактальбумин. В количественном отношении занимает второе место после -лактоглобулина в содержании сывороточных белков (от 20 до 25%). Представляет собой компактный глобулярный белок, частицы которого имеют самые малые размеры по сравнению с частицами других белков молока. -Лактальбумин является гетерогенным белком (содержит главный компонент, имеет два генетических варианта, а также минорные компоненты, некоторые из которых являются гликопротеидами). В молоке -лактальбумин тонкодиспергирован, не коагулирует в изоэлектрической точке в силу своей большой гидратированности, не свертывается под действием сычужного фермента, относительно термостабилен. Повышенная устойчивость его к нагреванию обусловлена наличием в его молекуле большого количества дисульфидных связей. Альбумин сыворотки крови – это относительно крупный глобулярный белок, его полипептидная цепь состоит из 582 аминокислотных остатков, содержит 17 внутримолекулярных дисульфидных связей и только одну свободную сульфгидрильную группу, термолабилен. Альбумин сыворотки крови не синтезируется в молочной железе, а поступает в молоко из крови. Содержание этой фракции в молоке увеличивается при нарушении функций молочной железы (при заболеваниях маститом). Лактоглобулиновая фракция сывороточных белков включает в себя термолабильные белки, которые осаждаются из молочной сыворотки при полунасыщении сульфатом аммония или насыщении сульфатом магния. К б елкам этой фракции относятся иммуноглобулины. В нормальном молоке массовая доля иммуноглобулинов составляет от 1,9 до 3,3% общего содержания белков, а в молозиве они составляют около 90% всех сывороточных белков. Иммуноглобулины – это высокомолекулярные белки (гликопротеиды), выполняющие функцию антител. Антитела – вещества, образующиеся в организме при введении в него различных чужеродных белков (антигенов) и нейтрализующие их действие. Иммуноглобулины молока обладают резко выраженными свойствами агглютинации – склеивания микробов и других чужеродных клеток, а также шариков жира. Из выделенных основных групп иммуноглобулинов: G, A и М в молоке преобладают иммуноглобулины ИrG1 (1,2-3,3 % общего содержания белков). Термостабильная фракция сывороточных белков включает в себя протеозо-пептонную фракцию, осаждаемую трихлоруксусной кислотой из фильтрата сыворотки после осаждения термолабильных сывороточных белков. Доля протеозо-пептонной фракции составляет 2-6% всех белков молока. Эта фракция неоднородна по составу, состоит из четырех компонентов, которые обозначают 3, 5, 8 «быстрый» и 8 «медленный» (по скорости передвижения в электрическом поле). Компонент 3 имеет высокое содержание углеводов, а остальные являются фосфопептидами, образующимися вместе с казеинами при гидролизе -казеина протеиназами молока. Содержание протеозопептонной фракции увеличивается в процессе длительного хранения молока при 3-5 оС. Кроме этого, по содержанию этой фракции судят о глубине протеолитических процессов, например, при созревании сыров. Кроме вышеназванных белков в молоке содержатся другие белки и вещества белковой природы, концентрация которых выражается в миллиграммах на 100 г молока. К ним относятся белки оболочек жировых шариков, лактоферрин, белки, обладающие антибактериальными и ферментативными свойствами. Белки оболочек жировых шариков. Содержание их составляет около 1% всех белков молока. Отличаются от казеина повышенным содержанием цистина и меньшим содержанием кислых аминокислот. Это, как правило, гликопротеиды, содержащие от 15 до 50% углеводов (галактозу, N-ацетилгалактозамин, N-ацетилглюкозамин, N-ацетилнейраминовую кислоту), образующие с лецитином липопротеидный комплекс – структурный элемент оболочек жировых шариков, способствующий их стабильности во время технологической обработки молока. Лактоферрин представляет собой гликопротеид, содержащий два атома железа, обладающий антибиотической активностью по отношению к бактериям группы кишечной палочки, связывая ионы железа и делая их недоступными для бактериальных клеток. Лактоферрин усиливает бактерицидное действие лизоцима. Содержание его в молоке составляет не более 30 мг на 100 г , а в молозиве – в 1015 раз больше. В организме новорожденного лактоферрин выполняет транспортную функцию – связывает и переносит ионы железа. Лизоцим – компонент белковой природы с ферментативными свойствам, вызывающий лизис бактериальных клеток (нарушение клеточной оболочки). Низин – полипептид, обладающий антибактериальными свойствами по отношению к споровым бактериям. Низин продуцируют некоторые виды микрофлоры молока и бактериальных заквасок. Ферменты – вещества белковой природы, биологическая функция которых состоит в ускорении (катализе) течения химических реакций в биологических системах. Все эти вещества в одних случаях – простые белки, а в других – сложные, содержащие в своем составе небелковые компоненты – коферменты. В молоке содержится более 20нативных ферментов, а также присутствуют многочисленные внеклеточные и внутриклеточные ферменты, продуцируемые микрофлорой молока и бактериальных заквасок. 5.2. Структура белков Белковые молекулы содержат от 100 до нескольких тысяч аминокислот в пептидных цепях, упорядоченных в пространстве. Для характеристики строения белков введены понятия о первичной, вторичной и третичной структуре. И если речь идет о белках, образующих мицеллы, - о четвертичной структуре. В настоящее время изучена первичная структура большинства компонентов казеина, лактоглобулина, -лактальбумина, протеозо-пептонов. А также получены некоторые сведения о вторичной, третичной и четвертичной структурах основных белков молока. Первичная структура определяется числом и расположением -аминокислот, конфигурацией связей в полипептидных цепях и, если белки состоят из нескольких полипептидных цепей, - местоположением и типом поперечных связей. Для выяснения первичной структуры белков необходимо знать их аминокислотный состав. Аминокислотный состав белков молока в настоящее время достаточно изучен. Намного труднее установить расположение аминокислот в полипептидных цепях. Многообразие белков, в том числе молочных, обусловлено различиями расположения 20 составляющих их аминокислот (последовательностью расположения аминокислот). При исследовании первичной структуры белка важно определить концевые группы полипептидных цепей. Каждая полипептидная цепь имеет концевую аминогруппу и концевую карбоксильную группу: Н2N СН СН СООН R R На различной способности концевых групп реагировать с химическими веществами, основаны методы их идентификации. Последовательное отщепление аминокислот от полипептидной цепи позволяет установить последовательность расположения аминокислот, то есть первичную структуру белка. Представление о сложной первичной структуре белков молока дает, например, схема последовательности аминокислот во фракциях казеина: S1 – 199 аминокислот, казеин – 209; -казеин – 169. Аминокислоты располагаются таким образом, что конец одной аминокислоты связан с началом другой пептидной связью. Пептидная связь образуется в результате выделения молекулы воды из карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой. С NH - пептидная связь; О R — HC —NH — C — CH — NH — C — CH — NH — C — ΛΛ… R O O R O - пептидные связи в полипептидной цепи Пептидные связи очень прочные (валентные). Многие белки имеют несколько полипептидных цепей, соединенных друг с другом дисульфидными связями R – S – S – R цистина, причем оба конца молекулы цистина входят в состав двух различных цепей. Эти дисульфидные связи могут находиться и внутри полипептидной цепи, свернутой в виде спирали. Кроме этого, между фосфорной кислотой и серином в молекуле белка возможно образование фосфатноэфирной связи (рис. 5.3). Рис. 5.3. Типы связей первичной структуры белков: 1 – пептидная связь; 2 – дисульфидная связь; 3 – фосфатноэфирная связь О‾ – Н2С – О – Р – О – СН2 – фосфатноэфирная связь О Эта связь непрочная, при нагревании молока она разрушается. Таким образом, первичная структура белков основана на главных валентных связях: пептидных и дисульфидных. Они стабильны, не разрушаются при обработке и переработке молока (при энергетических воздействиях). Первичная структура белков молока разрушается только при ферментативном гидролизе белка (например, в процессе длительного хранения молока или при созревании сыров), либо при кислотном гидролизе белка под действием концентрированной соляной кислоты (используется в исследовательских целях при определении аминокислотного состава белков). Вторичная структура белков отражает порядок пространственной ориентации полипептидной цепи – конформацию, зависящую от взаимного расположения аминокислотных остатков полипептидной цепи. Полипептидные цепи белковых молекул могут иметь спиралевидную или зигзагообразную укладку, стабилизированую за счет водородных связей: С О….Н – N N─ H─────O═C N─H R–C–H H –C–R H–C–R C = O ─ ─ ─ ─ ─ H —N C=O Н–N C = O ─ ─ ─ ─ ─ H —N R─C─H R─C─H H ─C ─ R Водородные мостики между полипептидными цепями Водородные связи могут образовываться также внутри полипептидной цепи. Если вообразить, что полипептидная цепь намотана на цилиндр, то получится спиралевидная конфигурация, в которой атомы кислорода карбонильной группы и водород амидогруппы приближены друг к другу на такое расстояние, при котором образуются водородные связи. Водородные связи объясняются полярным характером и остаточными валентностями присутствующих атомных группировок. Если отрицательно заряженный атом кислорода, то есть атом кислорода со свободной парой электронов, приближается к поляризованному атому водорода амидогруппы, то в этой случае действуют силы электростатического взаимодействия. Спиралевидная конформация полипептидных цепей получила название α-спирали. На каждый виток спирали приходится 3,7 аминокислотного остатка. Все боковые цепи аминокислотных остатков расположены вне спирали. Значительные расстояния между боковыми радикалами исключают возможность их взаимодействия в составе одной α-спирали. В белках вероятна и возможность существования других структур (не только конформация α-спираль). Другая конформация – β-складчатая структура (зигзагообразная) – представляет систему параллельно или антипараллельно расположенных участков одной или нескольких полипептидных цепей, соединенных водородными связями. В отличие от α-спирали водородные связи в такой системе перпендикулярны направлению полипептидных цепей. В настоящее время доказано, что αS1-, β- и κ-казеины имеют незначительное количество α-спиральных участков (от 1 до 6% и более по некоторым данным), то есть молекулы казеинов имеют малоупорядоченную структуру. β-Лактоглобулин и α-лактальбумин содержат от 10 до 26% α-спиральных участков, а остальное составляет βскладчатая структура (β-конформация) и неупорядоченная структура. Кроме водородных связей вторичную структуру (пространственную ориентацию полипептидных цепей) обусловливают дисульфидные связи: R – S – S – R. Водородная связь обладает незначительной энергией, ее нельзя считать истинной химической связью. Она может расщепляться при обработке и переработке молока, например при высокотемпературной пастеризации. Разрыв водородных связей внутри спирали или β складчатой конформации полипептидной цепи ведет к ее развертыванию, а освободившиеся побочные валентности могут вступать во взаимодействие с другими цепями. Третичная структура отражает способ укладки полипептидных цепей в глобулярных белках с образованием компактной структуры. Формирование третичной структуры обусловлено тем, что аминокислоты пролин и оксипролин своей плоской конфигурацией нарушают α-спираль, вследствие чего происходит ее развертывание и образование компактных шарообразных структур. Стабильность третичной структуры обусловлена силами взаимодействия полярных и неполярных связей боковых цепей, а также водородными связями. Силы, исходящие от неполярных боковых цепей, представляют собой энергию гидрофобных связей ─ С – R ◠◠◠ R – C ─ (силы молекулярного притяжения Ван-дер-Ваальса-Лондона). Взаимодействие между полярными участками боковых цепей стабилизируется ионной связью — С – N+H3 ~ ‾OOC – C — Боковые цепи, обеспечивающие сохранение третичной структуры, и функциональные группы находятся внутри шарообразных конфигураций. Остаточные функциональные группы на поверхности частиц предопределяют химические и физические свойства белковых молекул, причем от ионизированных карбоксильных и аминогрупп зависят растворимость и стабильность белков. В форме ионов с электрическим зарядом они присоединяют воду, то есть гидратируются. Гидратная воды образует защитную оболочку вокруг белковых молекул в коллоидном растворе. У каждого вида белка своя структура. Она формируется при биосинтезе белка в организме. Если связи, обусловливающие конформацию (то есть вторичную и третичную структуру) расщепляются, то это ведет к изменению структуры белка. Причем к необратимому изменению, после устранения факторов, вы- зывающих расщепление, первоначальная структура белка не восстанавливается, вследствие чего изменяются его свойства. В таком случае белок считается денатурированным. Четвертичная структура. Казеины, как некоторые другие белки, могут образовывать непрочно связанные друг с другом мицеллы, то есть формировать четвертичную структуру. Мицеллы – это агрегаты частиц, состоящие из субединиц (субмицелл), которые легко разрушаются под воздействием внешних факторов. Связь между субмицеллами в мицеллах осуществляется, по-видимому, через кальцийфосфатные мостики, так как величина казеиновых частиц в значительной степени зависит от содержания кальция в молоке. После удаления кальция мицеллы казеина распадаются на субмицеллы. Как уже отмечалось в разделе 5.1 все фракции казеина являются фосфопротеидами и в присутствии кальция, цитратов и фосфатов склонны самоассоциироваться и взаимодействовать друг с другом с образованием ассоциатов различных размеров. По-видимому между фракциями казеина могут возникать связи различных типов: гидрофобные взаимодействия, ионные, водородные и дисульфидные. Способность казеинов к ассоциации зависит от температуры, рН и ионной силы молока. Установлено, что казеины содержатся в молоке в виде растворимых казеинатов кальция в сочетании с коллоидным фосфатом кальция в виде казеинаткальцийфосфатного комплекса (ККФК). В настоящее время с помощью электронномикроскопических исследований установлено, что ККФК образует мицеллы, которые имеют сферическую форму с диаметром от 40 до 300 нм (средний диаметр составляет около 100 нм) и являются высокоорганизованными структурными единицами со средней молекулярной массой 6.108. Под четвертичной структурой белка понимают структуру мицелл казеина. Несмотря на многочисленность исследований в этом направлении, вопрос о модели структуры казеина все еще остается дискуссионным. К настоящему времени известны более десяти моделей структуры мицелл казеина, которые предполагают сцепление в мицелле, как отдельных полипептидных цепей, так и субмицелл между собой, в основном, с помощью коллоидного фосфата кальция. В основе большинства моделей лежит субмицеллярный принцип построения мицеллы, то есть субмицеллы рассматриваются как структурные субъединицы мицелл. Сведения о характере комбинаций фракций казеина в субмицеллах достаточно противоречивы. Эти про- тиворечия касаются соотношения фракций казеина в субмицеллах, относительного распределения их в объеме субмицелл (гидрофобное ядро и гидрофильная поверхность), зависимости соотношения фракций казеина от размеров субмицелл. Первой моделью субмицеллярного строения мицелл является модель, разработанная Мором. Другие модели этого типа можно рассматривать как ее модификации, в том числе и модель, разработанную Д.Г.Шмидтом (рис.5.4). Автор предполагает, что мицелла казеина состоит из субмицелл диаметром 10-20 нм. Субмицеллы состоят из αS1-, αS2-, β- и κ казеинов в соотношении 3:1:3:1. Фракции казеина связаны фосфатом кальция и в субмицелле располагаются таким образом, что гидрофобные участки фракций находятся внутри ядра, а гидрофильные участки κ -казеина и фосфатные группы αS1-, αS2-и β-казеинов – на поверхности. Субмицеллы объединяются в мицеллы с помощью коллолидного фосфата кальция (на рисунке обозначен точками). Ряд исследователей не исключают возможность мицеллообразования казеина за счет гидрофобных взаимодействий между субмицеллами. Субмицеллы с незначительным содержанием κ -казеина или без него расположены внутри мицеллы, а с высоким содержанием κ казеина – на ее поверхности. Таким образом, поверхность мицеллы казеина за счет электрических зарядов связывает значительное количество воды, что обусловлено полярностью ее молекул. На образовавшемся слое адсорбируются другие частицы воды. По мере утолщения слоя связанной воды новые молекулы воды все слабее удерживаются коллоидной частицей. С появлением новых и развитием традиционных методов исследований структура модели мицелл казеина уточнялась и совершенствовалась. С помощью элетронномикроскопических исследований удалось установить, что на поверхности мицелл имеется «волосковый слой», представляющий собой выступающие с поверхности мицелл гидрофильные участки полипептидных цепей χ-казеина – гликомакропептиды. «Волосковый слой» распространяется в дисперсионную среду на 10-15 нм и препятствует тесному сближению мицелл. Рис. 5.4. Модель субмицеллы (а) и мицеллы казеина (б) Обобщенная субмицеллярная модель мицеллы казеина представлена схематически на рис. 5.5. Таким образом, строение белков молока следующее. Белки состоят из крупных молекул (полипептидных цепей) с относительной молекулярной массой свыше 10000, способных агрегировать друг с другом в субмицеллы и мицеллы. Свойства белков определяются количеством, видом и последовательностью расположения аминокислот (т.е. первичной структурой), их пространственной ориентацией и способом укладки полипептидных цепей (вторичной и третичной структурой), а также взаимодействием агрегатов основных фракций субмицелл (из αS1-, αS2-, β- и χ –казеинов) в мицеллах (четвертичной структурой). Силы, обусловливающие ту или иную структуру отличаются по своей природе и прочности. Рис. 5.5. Субмицеллярная модель мицеллы казеина 5.3. Состав белков: элементарный и аминокислотный Белки молока содержат все органические природные вещества: углерод, водород, кислород и характерный для белков элемент – азот. Кроме этого в их состав входят сера и фосфор. Для характеристики белков служит прежде всего наличие в них азота, серы и фосфора. На результатах элементарного анализа, в частности азота, основаны методы определения белков в молоке. Для определения содержания азота в органических соединениях был разработан метод Кьельдаля (в 1883 году), который и в настоящее время служит надежным способом определения белков в молоке и молочных продуктах. Количество белков устанавливается по содержанию азота в анализируемой пробе молока с учетом коэффициента перевода. Путем сжигания пробы и последующей фиксации азота определяют его содержание. Коэффициент пересчета принимают равным 6,38, исходя из того, что в 100 г чистого казеина содержится 15,65% азота (по результатам анализа элементарного состава казеина – (100:15,65=6,38). Средний элементарный состав казеина в %:азота – 15,65; углерода – 53,00;кислорода – 22,60; водорода – 7,10; серы – 0,80; фосфора – 0,85). Элементарные составы казеина и сывороточных белков значительно различаются содержанием фосфора. По содержанию фосфора различаются между собой и компоненты казеина. Казеин – это ярко выраженный фосфопротеид, а сывороточные белки либо совсем не содержат фосфора, либо его ничтожно мало. Фосфор присутствует в форме фосфорнокислых сложных эфиров оксиаминокислот серина и треонина. Тип связи фосфора в казеине играет определенную роль в образовании кальций-фосфатных мостиков в казеиновом комплексе и между субмицеллами казеина: ОН - СН2 – О – Р = О - моноэфирная связь; ОН ОН - СН2 – О – Р – О – СН2 – - диэфирная связь О ОН ОН - СН2 – О – Р – О – Р – О – СН2 – О - пирофосфатэфирная связь О В сывороточных белках серы больше, чем в казеинах. βЛактоглобулин содержит SH-группы и может действовать как антиокислитель. Наличие серы обусловлено присутствием в сывороточных белках серосодержащих аминокислот – метионина, цистина и цистеина. Они оказывают влияние на изменения вкуса молока при тепловой обработке. Большую роль в определении свойств белков, их структуры играет их аминокислотный состав. Знание аминокислотного состава белков позволяет установить последовательность расположения аминокислот в молекуле белка и выявить его структуру. По количеству и видам аминокислот можно судить о наличии функциональных групп, то есть о их возможных реакциях, а от содержания незаменимых аминокислот зависит питательная и биологическая ценность белков. Белки молока содержат почти все аминокислоты, обычно встречающиеся в белках: алифатические, оксиаминокислоты, дикарбоновые, диаминокислоты, ароматические, серосодержащие. Основные белки молока по сравнению с другими глобулярными белками пищевых продуктов содержат сравнительно много лейцина, изолейцина, лизина, глутаминовой кислоты. По содержанию и соотношению не- заменимых аминокислот белки молока относятся к биологически полноценным белкам. Сравнение аминокислотного состава основных белков молока позволяет сделать следующие выводы: - сывороточные белки содержат больше незаменимых аминокислот (изойлецина, лейцина, лизина, метионина, фенилаланина, триптофана, треонина, валина), чем казеины; - казеины характеризуются более высоким содержанием дикарбоновых аминокислот – глутаминовой и аспарагиновой; - высокое содержание пролина и оксипролина в казеинах обусловливает преобладание в них складчатой конфигурации полипептидных цепей (эти аминокислоты своей плоской конфигурацией нарушают α-спираль, что ведет к ее развертыванию и образованию компактной шарообразной структуры). 5.4. Физико-химические свойства белков Казеин как казеинаткальцийфасфатный комплекс. Важным физико-химическим свойствам казеина является то, что в молоке казеин содержится в виде казеинатов кальция, соединенных с коллоидным фосфатом кальция. Ионы кальция могут присоединяться к карбоксильных группам казеина: R – COOH + Ca2+ → R – COOCa+ 2R – COOH + Ca → 2+ R - COO R - COO Ca Но, вероятно, в первую очередь они взаимодействуют с остатками фосфорной кислоты казеина. При этом кальций может соединяться с одной или двумя ОН-группами кислоты: OH O – Ca+ R - CH2 – O – P = O + Ca2+ → R – CH2 – O – P = O OH Казеин OH Казеинат кальция ОН О О R - CH2 – O – P = O + Ca2+ → R – CH2 – O – P ОН Са О Казеин Казеинат кальция В первом случае кальций имеет свободную валентность и может образовывать кальциевый мостик между серинфосфатными группами двух молекул казеина: O – Ca – O R - CH2 – O – P = O O = P – O – CН2 - R OH HO К серинфосфатным группам казеиновых молекул наряду с ионами кальция может присоединяться коллоидный фосфат кальция молока в виде [Ca3(PO4)2]n или [CaHPO4]n (точный состав коллоидного фосфата кальция не выяснен). O Ca – O – P – O – Ca O R – CH2 – O – P = O OH Органич OH O O = P – O – CH2 – R OH Неорган Следовательно, казеин в молоке содержится в виде сложного комплекса казеината кальция с коллоидным фосфатом кальция, так называемого казеинаткальцийфосфатного комплекса – ККФК. К физико-химическим свойствам белков относятся также электрические свойства и растворимость, оптические свойства, денатурация. Электрические свойства и растворимость. При формировании структуры белков на поверхности их частиц остаются свободные функциональные группы, которые в водной фазе диссоциируют и образуют ионы. Ионизированные группы и придают молекулам белка свои электрические свойства. Например, карбоксильные и фосфатные группы отдают протоны и переходят в форму анионов: R – COOH ↔ R – COO- + H+ ; OH O- R – O – P = O ↔ R – O – P = O + 2H+ ; OH O- Аминогруппы могут присоединять протоны и переходит в форму катионов: R – NH2 + H+ ↔ R – N+H3. Этим объясняется определенный заряд нативных белков и их электроориентация (на поверхности нативных белков преобладает отрицательный заряд, что обусловливает их кислые свойства). От числа электрических зарядов и их соотношения на поверхности белковых частиц зависят важные свойства белков: - способность к гидратации и растворению, с образованием коллоидных растворов; - способность передвигаться в электрическом поле; - их кислый или основной характер; - способность к образованию солей. Белки характеризуются высокой степенью гидратации за счет сил электростатического взаимодействия между их полярными группами и дипольными силами молекул воды. Образовавшаяся вокруг белковых частиц гидратная оболочка препятствует агрегации молекул белка в нативном состоянии и коагуляции. Наличие ее и прочность является одним из факторов устойчивого коллоидного состояния белков. Белки из-за наличия на поверхности большого количества ионизированных групп относятся к самым активным водосвязывающим компонентам многих биологических систем. Чем больше зарядов несут белки, тем больше воды они могут присоединить и тем стабильнее они в растворе. Способность белков связывать воду необходимо учитывать при производстве кисломолочных продуктов, сухих молочных продуктов, а также при выборе влажностных режимов хранения последних. Число зарядов и их соотношение на поверхности белковых частиц определяет их растворимость, скорость передвижения в электрическом поле и является основой электрофоретического разделения белков и их идентификации. Количество зарядов, а следовательно растворимость, зависит от ряда факторов, в первую очередь, от рН водной среды, в которой находится частица белка. Ионизированные функциональные группы подчиняются закономерностям равновесных реакций и определяются величиной КD (константой диссоциации): KD H COO R COOH С повышением концентрации водородных ионов в среде диссоциация карбоксильных групп для сохранения равновесия несколько замедляется. R – COOH ↔ R – COO- + H+. При очень низком рН карбоксильные группы присутствуют в недиссоциированной форме. В щелочной области рН они, напротив, полностью диссоциированы. При снижении величины рН в молоке ионы водорода в соответствии с условиями равновесия будут связываться с ионизированными карбоксильными группами и число отрицательных зарядов на поверхности белковых частиц будет уменьшаться. Вследствие потери заряда (отрицательного) будет нарушаться и гидратная оболочка, а следовательно ухудшаться растворимость белка. При достижении величины рН равной 4,6 (изоэлектрическая точка белка), белок выпадает в осадок. При дальнейшем повышении концентрации ионов водорода в среде на поверхности белковых частиц происходит протонизация аминогрупп, суммарный заряд вновь повышается, но преобладающим зарядом является уже положительный заряд. При таких условиях белок вновь растворяется. Изменения соотношения зарядов на поверхности белковой частицы схематично представлены на рис. 5.6. Таким образом, в изоэлектрической точке (рН 4,6) количество зарядов на поверхности белковых частиц оказывается незначительным и поэтому гидратация белка в таких условиях проявляется наиболее слабо и стабильность белка самая низкая. В изоэлектрической точке белки обладают резко выраженной способностью к осаждению, то есть величина рН обусловливает определенное состояние белков: в растворимой форме или в осадке. Рис. 5.6. Изменения соотношения зарядов на поверхности белковой частицы при снижении величины рН (схематически): а – снижение рН до изоэлектрической точки; б – снижение рН за пределы изоэлектрической точки Свойство белков изменять растворимость при снижении величины рН среды до изоэлектрической точки составляет суть кислотной коагуляции белков, положенной в основу производства всех кисломолочных продуктов: напитков, творога, сметаны, отдельных видов сыров. В щелочной области рН карбоксильные группы полностью диссоциируют и белок находится в растворенном состоянии. Вторым фактором, влияющим на растворимость белков является концентрация солей кальция и магния в системе. При невысокой концентрации солей (уровень, соответствующий таковому в молоке) растворимость белков хорошая. Белки адсорбируют ионы кальция и магния на своей поверхности, за счет чего повышается их суммарный заряд и упрочняются гидратные оболочки. Очень высокие концентрации солей оказывают противоположное действие. Ионы кальция и магния конкурируют с белковыми частицами и вследствие повышенной плотности заряда отнимают у них гидратную воду. Лишенные гидратной оболочки белки образуют агломераты и выпадают в осадок. Растворимость белков изменяется (снижается) и под действием органических растворителей (спирт, ацетон). В их присутствии снижается диэлетрическая постоянная водного раствора, а от этого уменьшается гидратация. Взаимодействие между белком и спиртом тем сильнее, чем в более неустойчивой форме белок присутствует в растворе. Это свойство используют для установления термостабильности молока по алкогольной пробе при выработке стерилизованных молочных продуктов. Оптические свойства белков. Оптические свойства белковых растворов используют для быстрого определения концентрации отдельных белков или смеси белков: - поглощение ультрафиолетового спектра или абсорбция света (спектрофотометрический метод); - определенная величина показателя преломления света (рефрактометрический метод); - оптическая активность белков или способность вращать плоскость поляризации (изменение удельного вращения плоскости поляризации происходит при денатурации белка, измеряя эти изменения можно следить за денатурацией белка). Денатурация белка - это одно из наиболее существенных свойств белков. Денатурация является следствием необратимых изменений. Денатурация – это изменение структуры белка по сравнению с его нативным состоянием. При изменении структуры (развертывании вторичной и третичной структуры) высвобождаются расположенные внутри сферических конфигураций функциональные группы. Развертывание структур происходит вследствие нарушения водородных и гидрофобных связей из-за относительно малой энергии этих связей. Первичная структура при этом не изменяется, так как пептидные связи сохраняются. Денатурация может явиться следствием физических воздействий: высокая температура, давление, высокоэнергетическое излучение (ультрафиолетовое или ионизирующее), звуковая энергия, либо химических воздействий: органический растворитель (спирт, ацетон), раствор мочевины, химические соединения, реагирующие с функциональными группами на поверхности белка. При денатурации связи, ранее поддерживающие структуру, высвобождаются и могут по новому ориентироваться. При этом активные функциональные группы, которые первоначально размещались внутри сферических конфигураций, могут взаимодействовать с другими молекулами белка. Сывороточные белки денатурируют полностью при нагревании до 90оС (5 мин) или 76оС (60 мин). Фракции сывороточных белков имеют различную термоустойчивость, так β-лактоглобулин начинает денатурировать при 70оС, α-лактальбумин – 72, альбумин сыворотки крови – 64, иммуноглобулины – 60оС. Степень денатурации зависит не только от температуры, но и от продолжительности ее воздействия. Для основных сывороточных белков - β-лактоглобулина и αлактальбумина характерна способность части денатурированных молекул восстанавливать свою нативную структуру (после охлаждения молока). Это явление называют ренатурацией. Особенно высока способность к ренатурации у α-лактальбумина. Обратимость денатурации его (при рН свежего молока) составляет около 90%. Такую высокую степень ренатурации термически денатурованного αлактальбумина объясняют способностью белка стабилизировать свою структуру с помощью кальция. По мнению японских ученых эта фракция белка в нативном состоянии способна связывать ионы кальция, удаление которого при нагревании сопровождается конформациоными изменениями структуры белка. Но при последующем охлаждении кальций вновь присоединяется к белку и способствует восстановлению его третичной структуры. Обратимость денатурации β-лактоглобулина значительно ниже. После нагревания до температуры от 70 до 80оС лишь небольшая часть его молекул восстанавливает свою нативную структуру. Вследствие конформационных изменений в сывороточных белках после тепловой обработки они могут образовывать комплексы друг с другом (β-лактоглобулин – α-лактальбумин), которые способны взаимодействовать с χ-казеином. Результатом такого взаимодействия является увеличение заряженной поверхности казеиновых мицелл и усиление их гидратационных свойств. Нарушения структуры казеина при пастеризации молока (до 100оС) не происходит. Изменение структуры и распад казеина возможен при нагревании до 120оС в течение 5 ч. При гомогенизации происходит распад мицелл казеина на субмицеллы. Денатурация белков не снижает их пищевой ценности, напротив, денатурированные белки легче перевариваются, так как легче атакуются протеолитическими ферментами. Явления денатурации белков молока, вызываемые нагреванием, действием ферментов, условиями хранения, создают ряд проблем в практике молочной промышленности. При производстве отдельных продуктов (кисломолочные напитки, творог, сыры отдельных видов) наоборот, сознательно вызывают денатурацию белков (тепловыми воздействиями). Денатурация белков часто сопровождается распадом белков. Это комплексные изменения и их не всегда возможно четко разделить. 5.5. Химические свойства белков Находящиеся на поверхности белковых частиц реакционноспособные группы сообщают белкам молока способность вступать в реакции с другими веществами. Казеин – основной белок молока – подобно всем белкам обладает амфотерными свойствами NH2 N+H3 ↔R R COOH COO- В практике молочной промышленности представляют интерес те реакции, которые протекают в процессах хранения молока и производства молочных продуктов и влияют на их качество, а также лежащие в основе методов определения содержания белков. Гидролиз белков – реакция, играющая важную роль в процессе хранения молока, и особенно, при созревании сыров, так как от глубины этого процесса зависит накопление продуктов гидролиза, определяющих вкус, аромат и консистенцию продукта. При созревании сыров происходит гидролиз под действием ферментных систем микроорганизмов. Ферментативный гидролиз имеет место и при хранении молока. H2O R1 – CO – NH – R2 ―――→ R1 – COOH + R2 – NH2 протеаза Гидролиз белков может быть вызван и действием неорганических кислот и оснований. Кислотный гидролиз (концентрированные HCl и H2SO4) используют для аналитических целей при определении аминокислотного состава белков молока или их фракций. Взаимодействие белков с альдегидными группами лактозы или глюкозы. При нагревании молока или при длительном хранении сухих молочных продуктов аминогруппы лизина в казеине взаимодействуют с альдегидными группами лактозы или глюкозы, образуя продукты реакции коричневого цвета – меланоидины. Этим взаимо- действием объясняется первая стадия реакции меланоидинообразования. О R – NH2 + C – R → R – N = CH – R + H2O Н альдозиламин Альдозиламин претерпевает ряд изменений и распадается на несколько соединений. Свободные аминогруппы казеина могут взаимодействовать с альдегидами, например, с формальдегидом, образуя метилолсоединения CH2OH R – NH2 + 2CH2O → R – N CH2OH При этом формальдегид реагирует только с незаряженной аминогруппой. Освободившиеся при реакции карбоксильные группы оттитровывают раствором гидроксида натрия. Эта реакция положена в основу определения содержания белка в молоке методом формольного титрования. Взаимодействие казеина со щелочами. Наличие на поверхности мицелл казеина отрицательно заряженных СОО¯ групп обусловливает взаимодействие его со щелочами с образованием солей R] – COOH + NaOH → R] – COONa + H2O казеинат натрия Эта реакция лежит в основе промышленного способа производства растворимых форм молочно-белковых концентратов. Взаимодействие функциональных групп белковых молекул с определенными реагентами, сопровождающиеся характерным окрашиванием, используется при проведении качественных реакций (цветных) на белки. Ксантопротеиновая – желтое окрашивание за счет взаимодействия фенольного ядра тирозина с HNO3. Биуретовая – пурпурно-фиолетовая окраска при добавлении к сильнощелочному раствору белка раствора CuSO4. Нингидриновая – сине-фиолетовое окрашивание – реакция положена в основу методов количественного определения белков. 5.6. Биосинтез белков в молочной железе Процесс образования молока происходит в секреторных клетках альвеол. Предшественниками составных компонентов молока являются вещества, доставляемые кровью. По кровеносным сосудам вымени проходит огромное количество крови. По данным ряда исследователей для образования 1 л молока через вымя коровы должно пройти от 400 до 500 литров крови. Например, вымя коровы, производящей до 15 кг молока в сутки, пропускает через свою кровеносную систему более 6 т крови. Осмотическое давление плазмы крови и молока идентичны, но состав молока значительно отличается от состава крови. Кровь не содержит казеина, лактозы, а содержание сывороточных белков (альбумина и глобулина) и натрия в ней в 5-6 раз больше, чем в молоке. Наоборот, в молоке содержится значительно больше жира (в 30-40 раз), кальция (в 15-17 раз), калия (в 5 раз). Отсюда следует, что казеин, лактоза и жир – основные компоненты молока – синтезируются в молочной железе путем сложной перестройки веществ, поступающих с кровью. Переход минеральных веществ из крови в молоко осуществляется избирательно. А такие компоненты, как витамины, гормоны, пигменты, сывороточные белки, по-видимому, переходят из крови без изменений. Секреторный цикл в молочной железе – сложный и окончательно еще не изученный процесс. Особенно сложным и наименее изученным является процесс синтеза белковых веществ молока. До сих пор еще не получены точные сведения о предшественниках некоторых белков молока. В настоящее время точно доказано, при использовании методов меченых аминокислот и плазменных белков, что из аминокислот крови в клетках молочной железы синтезируются все фракции казеина, β-лактоглобулин и α-лактальбумин. Остальные белки – альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины и многие ферменты переходят в молоко из крови. Основными факторами, определяющими интенсивность синтеза белков, являются наличие свободных аминокислот, определенный уровень РНК-транспортных и информационной, и наличие источников энергии – АТФ и ГТФ. В настоящее время установлено, что основой многоэтапного синтеза белков служит участие в нем специфической информационной РНК, а также наличие связи каждой аминокислоты с определенными транспортными РНК, которые осуществляют правильное расположение аминокислот на матрице информационной РНК. Образование молекул информационной РНК происходит на определенных участках молекулы ДНК. Участок ДНК, связанный с биосинтезом од- ного какого-либо белка в клетке, рассматривается как ген. Информационная РНК, образовавшаяся на ДНК, идет к местам биосинтеза белка в клетке – к рибосомам, связывается с ними и становится матрицей. Источником аминокислот, используемых для синтеза белков в организме животного, служат азотистые соединения кормов. Азотистые соединения кормов под действием протеолитических ферментов расщепляются до аминокислот, подвергающихся процессам дезаминирования и др., в результате чего происходит расщепление их с образованием аммиака. Аммиак в рубце животных используется для синтеза аминокислот. В организме животного синтезируются заменимые аминокислоты. Незаменимые аминокислоты не синтезируются в организме, однако, они обязательно входят в состав белков молока. Поэтому предполагается, что незаменимые аминокислоты должны доставляться в организм с кормами. Таким образом, часть аминокислот из крови попадает в молочную железу, где используется для синтеза молочных белков (основная часть) и некоторая часть – для синтеза глюкозы, жирных кислот и образования новых аминокислот. Кроме этого, в клетках молочной железы при участии глюкозы и в некоторых случаях жирных кислот могут образовываться аминокислоты, которые также используются для синтеза белков молока. Кроме участия в синтезе белков РНК и ДНК требуются также источники энергии для синтеза, которыми являются АТФ – аденозинтрифосфат и ГТФ – гуанозинтрифосфат. Вопрос о том, сходит ли с рибосом готовый нативный белок или сходят только полипептидные цепи, не решен. Когда аминокислоты соединяются в генетически контролируемой последовательности, образуется полипептидная, но не белковая молекула. Однако условия организма создают возможность образования вторичных, третичных, а также четвертичных структур самопроизвольно. Контрольные вопросы 1. Охарактеризовать фракционный состав казеина. 2. Дать характеристику фракций сывороточных белков. 3. Что отражает первичная структура белков и какие связи стабилизируют ее? 4. Что понимают под вторичной и третичной структурой белков, какие связи стабилизируют их? 5. В чем заключаются особенности формирования четвертичной структуры белков? 6. Каковы отличительные особенности элементарного и аминокислотного состава казеина и сывороточных белков? 7. Почему казеин называют казеинаткальцийфосфатным комплексом (ККФК)? 8. Чем определяется наличие электрических зарядов на поверхности белковых частиц и какие свойства белков зависят от их соотношения? 9. Какие факторы влияют на растворимость белков? 10.Что означает денатурация белков и каковы особенности денатурации сывороточных белков? 11.Охарактеризовать химические свойства белков. 12.Какие факторы определяют интенсивность синтеза белков в молочной железе и что является его основой? ТЕМА 6. ЛИПИДЫ МОЛОКА Молочный жир, основу которого составляют триацилглицерины, представляет собой композиционную смесь различных компонентов: фосфолипидов, гликолипидов, стеринов, свободных жирных кислот, жирорастворимых витаминов, восков. Всю группу этих компонентов принято называть липидами молока. 6.1. Значение липидов. Классификация К факторам, определяющим значение жира в молоке и молочных продуктах, относятся: его экономическое значение, питательная и энергетическая ценность, биологические и физиологические свойства, вкусовые качества. В основу оплаты за молоко положено содержание в нем жира. На перерабатывающих предприятиях весь материальный баланс, включая расчеты нормативного выхода продуктов, нормативных производственных потерь проводится с учетом этого показателя. Как любые жиры, молочный жир служит источником энергии в организме (при сгорании 1 г молочного жира выделяется 37,7 кДж). По сравнению с другими жирами молочный жир легче переваривается и усваивается в организме. Питательная ценность его обусловлена содержанием в нем жирных кислот со средней длиной углеродной цепи, а также незаменимых жирных кислот и жирорастворимых витаминов А, Д, Е и провитаминов. Фосфолипиды, входящие в состав молочного жира выполняют важную физиологическую и биологическую функцию в организме человека, участвуя в обменных процессах, а в молоке – структурную и защитную функцию, стабилизируя жировую эмульсию. Молочный жир обладает вкусовыми свойствами, какими не обладает ни один из жиров, а также придает молочным продуктам определенные вкусовые качества, положительно влияет на их структуру и консистенцию. Молочный жир представляет сложную смесь нескольких компонентов. Основу молочного жира составляют триацилглицерины (триглицериды). Другие компоненты: фосфолипиды, гликолипиды, стерины входят в состав липопротеидных оболочек жировых шариков. Вся группа веществ называется липидами. Молочный жир представляет собой сложный комплекс, состоящий из простых липидов (ацилглицеринов), сложных липидов (фосфолипидов), производных липидов (свободных жирных кислот) и веществ, сопутствующих жиру (рис. 6.1). В группу простых липидов включают воски, состоящие из сложных эфиров жирных кислот и одно- или двухатомных высших спиртов; в их состав входят также свободные высшие спирты, углеводороды и жирные кислоты. Воски содержатся в жировых шариках в очень незначительном количестве. Липиды молока Простые липиды Сложные липиды Производные Вещества, липидов сопутствующие жиру Ацилглицерины Фосфолипиды Триацилглице- Фосфатидилрины Свободные Стерины жирные кислоты (СЖК) Холестерин холин Диацилглицерины Моноацилглицерины Воски Фосфатидилэтаноламин 7-дегидрохолестерин Фосфатидилсерин Эргостерин Сфингомиелин Жирорастворимые витамины Гликолипиды Каротиноиды Рис. 6.1. Классификация липидов молока Все липидные компоненты на основании типичной для сложных эфиров реакции – реакции омыления – подразделяют на омыляемые и неомыляемые липиды. К омыляемым липидам относят все ацилглицерины, фосфолипиды, гликолипиды, свободные жирные кислоты, воски. К неомыляемым липидам относят стерины, жирорастворимые витамины, каротиноиды. Молочный жир содержится в молоке в виде жировых шариков диаметром от 3 до 10 мкм и образует с плазмой молока эмульсию. Для стабилизации эмульсии жировые шарики окружены адсорбционной оболочкой, состоящей из фосфолипидов и белков. В оболочке содержатся также гликолипиды, стерины, жирорастворимые витамины, триацилглицерины. Основу жировых шариков составляют триацилглицерины. 6.2. Глицеридный состав молочного жира Чистый молочный жир – это смесь ацилглицеринов (ацилглицеридов), в основном триацилглицеринов (98-99 %), к массе молочного жира. В смеси в незначительном количестве присутствуют ди- и моноацилглицерины. Так как основу молочного жира составляют триацилглицерины, то их свойствами определяются поведение молочного жира и свойства жиросодержащих продуктов. Ацилглицерины – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и монокарбоновых кислот. А реакцию этерификации могут вступать три гидроксильных группы глицерина – образуются триацилглицерины; две – диацилглицерины; одна – моноацилглицерины. О Н 2С – О – С О Н2С – О – С R O HC – O – C О Н2С – О – С R O HC – O – C R HC – OH R R O H 2C – O – C H2C – OH R Триацилглицерин Диацилглицерин H2C – OH Моноацилглицерин Свойства молочного жира определяются кислотными компонентами, входящими в его состав, и характером распределения жирных кислот в молекулах триацилглицеринов. В зависимости от природы кислотных компонентов различают насыщенные, ненасыщенные и смешанные ацилглицерины. O H 2C – O – C C15H31 O HC – O – C Гомогенный тринасыщенный триацилглицерин-трипальмититн. Принятое обозначение ССС (S3), что означает присутствие в трех положениях насыщенных жирных кислот. C15H31 O H 2C – O – C C15H31 O H 2C – O – C C17H33 Гомогенный триненасыщенный триацилглицерин-триолеин. Принятое обозначение ННН или U3, что означает присутствие в O HC – O – C трех положениях ненасыщенных жирных кислот. C17H33 O H 2C – O – C C17H33 O H 2C – O – C C15H31 O HC – O – C C15H31 O H 2C – O – C C17H33 O H 2C – O – C C15H31 O HC – O – C C17H33 O H 2C – O – C C17H33 Гетерогенный динасыщенно-мононенасыщенный триацилглицерин-1,2-пальмит-3олеоглицерин. Принятое обозначение ССН или S2U, что означает присутствие в двух положениях насыщенных жирных кислот, в одном – ненасыщенной. Гетерогенный мононасыщенно-диненасыщенный триацилглицерин-1-пальмит-2,3олеоглицерин. Принятое обозначение СНН или SU2, что означает присутствие в одном положении насыщенной жирной кислоты и в двух – ненасыщенных. Гетерогенные триацилглицерины могут быть двухкислотными и трехкислотными и отличаться по своим физико-химическим свойствам в зависимости от расположения в них ацилов жирных кислот: O H 2C – O – C C17H35 O HC – O – C C17H35 O Гетерогенный двухкислотный цилглицерин-1,2-стеаро-3пальмитглицерин. триа- H 2C – O – C C15H31 O H 2C – O – C C17H35 O Гетерогенный двухкислотный цилглицерин-1,3-стеаро-2пальмитглицерин. триа- HC – O – C C15H31 O H 2C – O – C C17H35 O Гетерогенный трехкислотный триаH 2C – O – C цилглицерин-1-стеаро-2-пальмит-3 миC17H35 ристглицерин. Расположение ацилов O жирных кислот может быть и иным, например 1-пальмит-2 стеаро-3-миристHC – O – C глицерин; 1-мирист-2 пальмит-3C15H31 стеароглицерин и др. Трехкислотные O триацилглицерины в молочном жире H 2C – O – C составляют 95% всех ацилглицеринов. C13H27 Примечание: место расположения в молекулах триацилглицеринов ацилов жирных кислот обозначают цифрами 1,2,3 соответственно обозначению гидроксильных групп глицерина. Молочный жир состоит из нескольких тысяч триацилглицеринов (триглицеридов), преобладающими являются тринасыщенные и динасыщенно-мононенасыщенные. Свойства молочного жира определяются структурой и соотношением триацилглицеринов в его составе, в том числе и наличием в них определенных кислотных компонентов и характера распределения последних в триацилглицеринах. Наряду с триацилглицеринами (98-99% к массе жира) в жире молока содержится небольшое количество продуктов неполного его синтеза или гидролиза: ди- и моноацилглицеринов и свободных жирных кислот (СЖК). Содержание диацилглицеринов составляет менее 0,5%, но при ферментативном гидролизе (липолизе) жира может достигать 1,5% и выше. Моноацилглицерины и свободные жирные кислоты в свежем жире содержатся в виде следов (0,02-0,06 %), но при липолизе вследствие длительного хранения молока или при повышенном содержании в нем липаз количество их увеличивается в несколько раз. 6.3. Жирнокислотный состав молочного жира Ацилглицерины молочного жира могут включать в свой состав более 140 различных жирных кислот с числом углеродных атомов от С4 до С26.. В зависимости от относительного содержания жирных кислот в молочном жире различают основные жирные кислоты, их – 14 и минорные. Содержание каждой из основных жирных кислот превышает 1%, минорных – менее 1%. Участие в образовании триацилглицеринов только основных жирных кислот может дать около 1,5 тысяч смешанных триацилглицеринов. Этот цифровой пример дает представление о комплексности молочного жира и о многообразии факторов, определяющих его состав, а следовательно и физико-химические свойства. Количественное определение содержания жирных кислот в молочном жире проводят, используя методы газожидкостной хроматографии. На долю основных жирных кислот в молочном жире приходится 98-99%, поэтому именно эта группа кислот определяет в основном свойства молочного жира. Из основных жирных кислот, входящих в состав молочного жира, следует выделить две группы: насыщенных и ненасыщенных (табл. 6.1). Содержание основных жирных кислот в молочном жире колеблется в значительных пределах и зависит от ряда факторов: рационов кормления, стадии лактации, сезона года, породы животных и др. Таблица 6.1 – Общая характеристика основных жирных кислот молочного жира Наименование кислот, индекс Насыщенные: С4:0 бутановая (масляная) С6:0 гексановая (капроновая) С8:0 октановая (каприловая) Летучесть с водяным паром Температура плавления, оС Летучая и водорастворима минус 4,0 Массовая доля в жире, % (пределы колебаний) 58,0-77,0 2,0-3,6 Летучая и водорастворима минус 3,4 1,0-3,5 16,7 1,0-1,7 Летучая, плохо растворима в воде С10:0 декановая (каприновая) С12:0 додекановая (лауриновая) С14:0 тетрадекановая (миристиновая) С16:0 гексадекановая (пальмитиновая) С18:0 октадекановая (стеариновая) С20:0 эйкозановая (арахиновая) Ненасыщенные: С14:1 9-цис-тетрадеценовая (миристолеиновая) С16:1 9-цис-гексадеценовая (пальмитолеиновая) С18:1 9цис-октадеценовая (олеиновая) С18:2 9-цис, 12-цисоктадекадиеновая (линолевая) С18:3 9-цис, 12-цис, 15-цис-октадекатриеновая Летучая, плохо растворима в воде Частично летучая, практически нерастворима в воде Нелетучая, нерастворима в воде Нелетучая, нерастворима в воде Нелетучая, нерастворима в воде Нелетучая, нерастворима в воде 31,6 2,2-3,6 44,2 2,0-3,9 52,5 10,5-15,3 63,1 20,0-38,0 69,6 6,0-15,7 75,4 0,3-1,8 Нелетучая, нерастворима в воде минус 4,5 23,0-42,0 1,5-2,5 Нелетучая, нерастворима в воде минус 0,5 1,6-4,0 Нелетучая, нерастворима в воде Нелетучая, нерастворима в воде 13,4 18,6-37,6 минус 8,0 2.8-5,2 Нелетучая, нерастворима в минус 16,5 воде 0,5-2,2 Особенно ощутимы различия в составе молочного жира в зимний и летний периоды (соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в основном зависит от липидного состава кормов). В составе ацилглицеринов молочного жира преобладают насыщенные жирные кислоты (от 58 до 77%), достигая максимума зимой и минимума – летом. Среди насыщенных кислот преобладают пальмитиновая (20-38%), миристиновая (10-15%) и стеариновая (6-16%). Особенностью молочного жира является высокое содержание в нем миристиновой кислоты и низкомолекулярных летучих жирных кислот от С4 до С10 – масляной, капроновой, каприловой, каприновой, составляющих в сумме от 6,2 до 12,4%. Содержание ненасыщенных жирных кислот в молочном жире достигает максимума в летний период – до 42%, а зимой – колеблется от 23 до 39%. Из ненасыщенных жирных кислот преобладающей является олеиновая кислота (18,6-37,6%). Молочный жир содержит также биологически важные (незаменимые жирные кислоты) – линолевую (С8:2), линоленовую (С18:3) и арахидоновую (С20:4). Содержание их в молочном жире относительно невысокое – от 3 до 7% по сравнению с растительными маслами и повышается в летний период относительно других периодов года. Все основные жирные кислоты, приведенные в таблице 6.1 имеют четное число углеродных атомов, что обусловлено спецификой их синтеза в молочной железе. Однако, в составе молочного житра обнаружены насыщенные жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов от С5 до С23, но суммарное их содержание не превышает 2% общего содержания кислот, в их число входят и кислоты с разветвленной цепью атомов углерода в различных изомерных формах. Кроме этого молочный жир в незначительном количестве (не более 0,1%) содержит мононенасыщенные и полиненасыщенные высокомолекулярные жирные кислоты, а также транс-изомеры олеиновой кислоты и следы транс-изомеров других моно- и диеновых кислот. Основные ненасыщенные жирные кислоты присутствуют в молочном жире в виде цис-изомеров. Цис-изомеры и транс-изомеры представлены молекулами с одинаковой последовательностью и типом химических связей, но различающихся пространственным строением относительно плоскости двойной связи. Геометрические изомеры различаются по физическим свойствам, они могут переходить из одной формы в другую при нагревании, под действием света, химических реагентов или самопроизвольно. В составе молочного жира обнаружены транс-изомеры олеиновой кислоты, в том числе транс-9-октадеценовой (элаидиновой) кислоты (от 0,15 до 0,35%), транс-11-октадеценовой (вакценовой) кислоты (от 1,0 до 4,0%) При этом содержание транс-изомеров жирных кислот в молочном жире летнего периода не превышает 2-3%, а зимнего 4-5%. Транс-изомеры жирных кислот не обладают биологической активностью цис-изомеров, повышенное содержание их отрицательно влияет на жировой и углеводный обмен в организме человека, поэтому количество транс-изомеров в рационе регламентируется рекомендуемыми нормами потребления в соответствии с концепцией сбалансированного питания. Основные свойства жирных кислот. Насыщенные жирные кислоты определяют такие свойства молочного жира как способность к плавлению и кристаллизации, а, следовательно, его консистенцию и влияют на вкус и запах. Насыщенные кислоты с числом углеродных атомов до 8 при комнатной температуре остаются жидкими, а высокомолекулярные – кристаллические соединения. С увеличением молекулярной массы повышается и температура их плавления. Жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов обладают более низкой температурой плавления, чем кислоты с четным числом атомов углерода, но содержание их в молочном жире незначительно (не более 2%). Все низкомолекулярные жирные кислоты от С4 до С10 улетучиваются с водным паром при отгонке, их относят в группу летучих жирных кислот – ЛЖК. В отличие от других жирных кислот масляная и капроновая частично растворяются в воде, поэтому их можно оттитровать гидроксидом натрия в водном растворе (определяются числом Рейхерта-Мейссля). Летучие жирные кислоты (С8) – каприловая и (С10) – каприновая не растворяются в воде (определяются числом Поленске). Летучие жирные кислоты обусловливают формирование неприятного прогорклого вкуса и запаха в молочном жире, что приводит к снижению качества молочных продуктов. Накопление ЛЖК в молочном жире обусловлено его гидролизом. Однако, ЛЖК при оптимальном их содержании и соотношении участвуют в формировании вкуса и аромата продуктов. Все насыщенные кислоты устойчивы к окислительным процессам при обработке и переработке молока. Ненасыщенные жирные кислоты оказывают гораздо большее влияние на физические и химические свойства молочного жира, чем насыщенные. Наличие в них двойных связей обусловливает следующие свойства молочного жира: - возможность образования изомерных форм; - легкую окисляемость кислородом воздуха и образование низкомолекулярных продуктов окисления; - способность к реакциям присоединения с галогенами (это свойство используется при определении содержания ненасыщенных ацилглицеринов в молочном жире и является косвенным показателем его консистенции). Ненасыщенные жирные кислоты (полиеновые) с 2 и 3-мя двойными связями более реакционноспособные по сравнению с моноеновыми. Из-за своей реакционной способности они могут явиться причиной нестойкости в хранении молочного жира и его порчи. Однако, присутствие их в составе молочного жира крайне важно, так как они являются незаменимыми в организме человека, выполняя важные биологические функции: участвуют в биосинтезе гормоноподобных веществ, препятствующих отложению холестерина на стенках кровеносных сосудов, предотвращают заболевания кожи, улучшают проницаемость капилляров. 6.4. Физико-химические свойства молочного жира Из физико-химических свойств практический интерес представляют способность молочного жира к плавлению и кристаллизации. На плавление молочного жира оказывают влияние три фактора: вид кислотных компонентов в триацилглицеринах; распределение жирных кислот в триацилглицеринах; полиморфные формы кристаллов жира. Триацилглицерины с ненасыщенными и низкомолекулярными жирными кислотами характеризуются более низкой температурой плавления, чем триацилглицерины с насыщенными высокомолекулярными кислотами. - Диапазон температур плавления триацилглицеринов очень широк: от 65оС для трипальмитина до 5оС для триолеина. Говорить о температуре плавления молочного жира в строгом смысле этого слова нельзя, так как в отличие от чистых химических соединений он не имеет четко выраженной температуры плавления (часть триацилглицеринов в молочном жире присутствует в жидком виде). При плавлении молочного жира протекают два процесса: плавление твердых триацилглицеринов и растворение твердых триацилглицеринов в жидкой жировой фазе. В свежевыдоенном молоке молочный жир представляет собой относительно гомогенную систему и образует с плазмой молока эмульсию. При охлаждении молока молочный жир становится перенасыщенным по отношению к некоторым триацилглицеринам, имеющим высокую температуру плавления, которые образуют твердую фазу – кристаллы. Первые отвердевшие триацилглицерины появляются при температуре от 19 до 25 оС, а полное отвердевание произойдет при минус 40оС. При любой температуре в интервале между 25оС и минус 40оС молочный жир представляет собой систему из жидкой и твердой фаз. Триацилглицерины в твердом состоянии образуют кристаллы, которые могут иметь различную форму и перходить из одной формы в другую. Это явление называется полиморфией и обусловлено исключительно полиморфизмом жирных кислот, входящих в состав ацилглицеринов. Полиформизм – способность вещества образовывать несколько кристалических модификаций, отличающихся параметрами кристаллической структуры и, соответственно этому, физическими свойствами, например температурой плавления и плотностью. Образование той или иной полимерной модификации зависит от внешних факторов, в первую очередь от температуры и давления. Триацилглицерины молочного жира в зависимости от условий отвердевания способны образовывать четыре полиморфные модификации (формы): нестабильную γ-форму, неустойчивую α-форму, сравнительно устойчивую β’-форму и наиболее стабильную β-форму. Они различаются характером построения кристаллической решетки, удельным объемом, конфигурацией и величиной кристаллов, температурами плавления. Метастабильные формы γ, α и β’ обладают способностью превращаться из одной формы в другую только в направлении от менее стабильной к более стабильной, то есть γ→α→β’→β. При кристаллизации группы триацилглицеринов образуют смешанные кристаллы, состоящие из родственных по химической природе и физическим свойствам ацилглицеринов, например SSP и PPP; SOO и SOS; SSS и SOS (S-стеариновая, Р-пальмитиновая , Оолеиновая кислоты, входящие в состав троиацилглицеринов). Кристаллизация – это экзотермический процесс, при котором освобождается теплота кристаллизации. В молочном жире процесс начинается с образования зародышей кристаллов, а затем происходит рост кристаллов. В процессе технологической обработки молоко или сливки подвергаются различным температурным воздействиям, что ведет к повторяющимся частичным процессам кристаллизации и плавлению молочного жира. Направленное регулирование технологических режимов обработки сливок позволяет обеспечить определенное соотношение полиморфных форм кристаллов в жировой фазе, образование смешанных кристаллов, снижение связи белковых оболочек жировых шариков с прилегающим к ним жиром и тем самым снижение устойчивости жировой эмульсии. Именно эти факторы играют определяющую роль при выделении из сливок жировой фазы и получении масляного зерна в производстве сливочного масла требуемой структуры и консистенции методом сбивания. Как уже отмечалось, физико-химические свойства молочного жира определяются свойствами, количественным соотношением и распределением жирных кислот в составе триацилглицеринов. Для их характеристики служат так называемые константы или числа. Йодное число – характеризует содержание ненасыщенных триацилглицеринов в молочном жире. Определение его основано на реакции присоединения галогена по месту расщепления двойных связей в молекулах жирных кислот и выражается в граммах йода, присоединившегося к 100 г жира (йодное число молочного жира – от 25 до 46). Используют как показатель консистенции молочного жира и для выбора температурных режимов обработки сливок. Число рефракции – показатель, соответствующий величине преломления лучей света в молочном жире. Зависит от содержания ненасыщенных триацилглицеринов и определяется с помощью рефрактометра (от 39 до 46). Число омыления выражается количеством миллиграммов гидроксида калия, необходимым для омыления триацилглицеринов и нейтрализации СЖК, входящих в состав 1 г жира (для молочного жира составляет от 220 до 234, что значительно выше по сравнению с другими животными и растительными жирами). Высокое число омыления молочного жира является следствием повышенного содержания в нем низкомолекулярных кислот. Число Рейхерта-Мейссля – характеизует наличие в жире летучих жирных кислот, растворимых в воде (масляной и капроновой). Определяется путем оттитровывания гидроксидом натрия отогнанных из 5 г жира летучих жирных кислот; для молочного жира составляет от 20 до 35, что значительно выше этого показателя для других жиров животного и растительного происхождения. По величине этого числа можно судить о соотношении жировых компонентов в молочных продуктах с комбинированной жировой фазой. Число Поленске - характеризует наличие в жире летучих жирных кислот, нерастворимых в воде ( каприловой и каприновой, частично лауриновой). Определяется по количеству гидроксида натрия, израсходованного на нейтрализацию этих кислот, отогнанных из 5 г жира. Для молочного жира составляет от 1,9 до 5,0, что несколько выше по сравнению с другими животными жирами и растительными маслами, за исключением кокосового и пальмоядрового. 6.5. Химические свойства молочного жира В процессе производства и хранения молока и молочных продуктов могут происходить химические изменения молочного жира. К их числу относятся гидролитическое расщепление и окислительные процессы. Из возможных путей гидролиза наиболее рас- пространенными являются омыление щелочью и ферментативный гидролиз. Омыление щелочью происходит при кипячении жира в избытке щелочи. Эта реакция используется для определения числа омыления и для утилизации жира низкого качества в мыловарении. O H 2C – O – C C15H31 O HC – O – C C15H31 O H 2C – O – C H2C – OH │ + 3NaOH ―――→ HC – OH + 3C15H31COONa кипячение │ H2C – OH C15H31 Щелочные соли монокарбоновых кислот образуют мыла. При ферментативном гидролизе образуются свободные жирные кислоты и глицерин. Ферментативный гидролиз в отличие от щелочного протекает с достаточной скоростью даже при низких температурах (+2оС). Сырое молоко с повышенным содержанием липаз (стародойное, от коров больных маститом) особенно предрасположено к ферментативному гидролизу. O H 2C – O – C C3H7 O H2C – OH HC – O – C C15H31 O H 2C – O – C C15H31 + 3Н2О → HC – OH + C3H7COOН+2С15Н31СООН липаза H2C – OH Низкомолекулярные жирные кислоты отличаются резко выраженным вкусом и запахом. Накопление их вследствие гидролиза обусловливает появление прогорклого запаха и вкуса в жиросодержащих продуктах. Гидролитические процессы молочного жира в сырах при их созревании благоприятствуют формированию типичных компонентов вкуса и аромата зрелого сыра. При повышении степени дисперсности молочного жира (гомогенизированное молоко) липолиз протекает значительно интенсивнее. Окисление молочного жира – глубокий распад молочного жира с образованием перекисей, альдегидов, кетонов, оксикислот и других соединений под действием кислорода воздуха и света – перекисное окисление или под действием ферментов – ферментативное окисление. Перекисное окисление (самоокисление). Самоокислению в значительно большей степени подвержен незащищенный молочный жир (при нарушении оболочек жировых шариков) и жир с повышенным содержанием ненасыщенных жирных кислот. Процесс можно охарактеризовать как окисление свободных и связанных жирных кислот кислородом воздуха при каталитическом действии света и металлов через цепные реакции с образованием продуктов перекисного типа. В начальной стадии происходит образование свободных радикалов (радикалов, имеющих свободную валентность) за счет отщепления атома водорода от реагирующей молекулы жира или жирной кислоты (при каталитическом воздействии металлов, света, гидроперекисей) RH→R`+H`. Далее свободный радикал R` вступает в реакцию с молекулярным кислородом, образуя пероксидный радикал R`+О2→ROO`. Пероксидный радикал, реагируя с новой молекулой окисляемого вещества, образует гидропероксид (гидроперекись) и новый свободный радикал ROO`+RH→ROOH+ R`. Образовавшийся свободный радикал R` вновь реагирует с кислородом, то есть происходит цепная реакция: +O2 RH +O2 R` → ROO` → ROOH + R` → и т.д. пероксид- гидроперекись ный радикал Молекулы гидроперекисей в свою очередь распадаются с образованием новых свободных радикалов: ROOH→RO`+`OH. Когда концентрация гидроперекислей повышается, происходит их распад с образованием еще большего числа радикалов: 2ROOH→ROO`+RO`+H2O. Эти радикалы способствуют зарождению новых цепей окисления, вызывая самоускорение процесса окисления жира. Предотвратить перекисное окисление можно (или замедлить), если хранить продукт при низких температурах, в темноте, без доступа кислорода воздуха, а также если исключить наличие свободного (незащищенного жира) и действия металлов. Задержку окислительной порчи продукта обеспечивают антиоксиданты или антиокислители. В молоке содержится ряд естественных антиоксидантов (токоферолы, аскорбиновая кислота, каротин, фосфолипиды, SH-содержащие соединения). Действие антиоксидантов заключается во взаимодействии со cвободными радикалами, в результате чего происходит обрыв цепи окисления и на какой-то период задерживается процесс самоокисления жира: ROO`+AH→ROOH+A`; R`+AH→RH+A`. Радикалы антиоксиданта подвергаются димеризации или вступают в реакцию с другими радикалами, образуя неактивные продукты: A`+A`→A2; A`+R`→RA или A`+ROO`→ROOA Ферментативное окисление происходит по типу β-окисления жирных кислот. На первой стадии жирная кислота активируется при участии АТФ, кофермента А и тиокиназы. АТФ, КоASH R – CH2 – CH2 – CH2 – COOH R – CH2 – CH2 – CH2 – CO ~SKoA тиокиназа ацил – SkoA – активированная кислота Затем от активированной жирной кислоты отщепляются два атома водорода под действием аэробной дегидрогеназы, имеющей в качестве кофермента ФАД (флавинадениндинуклеотид) ФАД’ФАД.Н2 R – CH2 – CH2 – CH2 – CO ~SKoA дегидрогеназа +H2O ненасыщенный →R – CH2 – CH = CH – CO ~SKoA ацил-SКоА гидратаза НАД’ НАД.Н2 → R – CH2 – CH – CH2 – CO ~SKoA │ дегидрогеназа ОН β-оксиацил ~SKoA -KoASH → R – CH2 – C – CH2 – CO ~SKoA ║ деацилаза О β-кетоацил ~SKoA -СО2 → R – CH2 – C – CH2 – COOH R – CH2 – C – CH2 ║ декарбоксилаза О ║ O β-кетокислота метилкетон 6.6. Фосфолипиды, стерины и другие липиды Фосфолипиды – жироподобные вещества, относящиеся к группе сложных липидов. В качестве эфирного компонента содержат фосфорную кислоту. Массовая доля фосфолипидов в молоке составляет от 0,01 до 0,04%, в молочном жире – от 0,2 до 1%, из них около 58% содержатся в оболочках жировых шариков. К фосфолипидам молока относятся фосфоглицериды и сфинголипоиды. Фосфоглицериды содержат спиртовый компонент глицерин, а сфинголипоиды – аминоспирт сфингозин. К фосфоглицеридам относятся: фосфатидилхолин (лецитин) – 35-40%; фосфатидилэтаноламин (кефалин) – 29-38%; фосфатидилсерин – 2-3%. К сфинголипоидам относятся сфингомиелины. Содержание их составляет от 19 до 24% (к общему содержанию фосфолипидов). Содержат спирт сфингозин, высокомолекулярную жирную кислоту и фосфорилхолин. Все фосфолипиды являются полноценными веществами с точки зрения физиологии питания, так как они активно участвуют в обмене жиров в организме, необходимы для построения костной ткани и мозгового вещества. Лецитин в организме проявляет выраженное липотропное действие, предотвращая накопление холестерина и способствуя его выведению. В молоке фосфолипиды стабилизируют эмульсию тем, что в форме белково-лецитинового комплекса образуют оболочку жировых шариков. В молочных продуктах могут действовать либо как антиокислители (в сухих молочных продуктах), либо наоборот, как окислители – во влагосодержащих продуктах. Это объясняется тем, что фосфолипиды отличаются от ацилглицеринов повышенным содержанием ненасыщенных жирных кислот, а при высокотемпературной обработке разрушается липопротеиновый комплекс, фосфолипиды выделяются в свободном виде, двойные связи входящие в их состав ненасыщенных жирных кислот разрушаются. Фосфолипиды особенно лецитин обладают хорошей эмульгирующей способностью, так как его молекула построена из двух частей: гидрофобной (неполярной) и гидрофильной (полярной). Гидрофобной частью (радикалы жирных кислот) лецитин ориентируется к жиру, а его гидрофильная часть обращена к водной фазе. Благодаря взаимодействию электрических зарядов (полярная часть молекулы) фосфолипиды с белками образуют липопротеиновый комплекс, который в свою очередь образует гидратную оболочку. При сепарировании молока большая часть фосфолипидов (65-70%) остается в сливках, а при выработке масла из сливок сбиванием, большая часть фосфолипидов (55-70%) переходит в пахту. O C – O – CH2 C15H31 O C – O – CH C17H33 OH CH2 – O – P – O – CH2 – CH2 – N+(CH3)3 О- гидрофобная часть гидрофильная Фосфатидилхолин (лецитин) Стерины – это кристаллические вторичные спирты, относятся к веществам, сопутствующим жиру. Содержание их составляет 0,25-0,4% от массы жира. Стерины в молочном жире в основном представлены холестерином. Холестерин в организме выполняет жизненно важные функции: обладает способностью обезвреживать ядовитые вещества крови. При избытке холестерина возможно нарушение обмена веществ, отложение холестерина на стенках кровеносных сосудов и как следствие – сердечно-сосудистые заболевания. Каротиноиды – жирорастворимые пигменты, входят в группу тетратерпеновых углеводородов – каротины (α; β; γ) и спиртыксантофиллы. Содержание их в молоке – от 0,05 до 0,9 мг/кг и зависит от состава кормов и сезона года. Каротиноиды обусловливают окраску молочного жира и молока. Сезонные колебания цвета сливочного масла связаны с их содержанием. Гликолипиды молока представлены главным образом цереброзидами, содержащими в своем составе в качестве спиртового компонента аминоспирт сфингозин, высокомолекулярную жирную кислоту и углеводный компонент (галактозу), но в них отсутствует фосфор. Содержание гликолипидов в молоке невелико – менее 0,01%, но они являются биологически активными компонентами, препятствуя продуцированию энтеротоксинов в организме отдельными видами бактерий. Большая часть гликолипидов содержится в оболочках жировых шариков. 6.7. Биосинтез липидов По общепризнанному мнению, из всех составных частей молока больше всего известно в настоящее время о биосинтезе молочного жира. Достоверно известно, что молочный жир синтезируется путем преобразования в эпителиальных клетках альвеол молекул триацилглицеринов, фосфолипидов, эфиров, холестерина, доставляемых кровью, а также в результате этерификации свободными жирными кислотами, синтезированными тканями железы, α-глицерофосфорной кислоты. Синтез молочного жира осуществляется в две стадии: образование жирных кислот и глицерина, и синтез триацилглицеринов. В молочную железу в составе липидов крови поступает около половины всех жирных кислот, участвующих в синтезе молочного жира. Причем, из липидов крови образуются главным образом высокомолекулярные жирные кислоты (от С 18 и выше, частично С16). Другая часть жирных кислот (от С4 до С14, частично С16) синтезируется в тканях молочной железы из низкомолекулярных предшественников: летучих жирных кислот (в основном – 92-95% из уксусной и частично из масляной). Высокомолекулярные жирные кислоты, образовавшиеся при гидролизе триацилглицеринов крови, поглощаются железой, а затем подвергаются превращениям в самой железе. Так, например, установлено, что молочная железа больше поглощает стеариновой кислоты (С18:0), чем олеиновой (С18:1) в 3-4 раза, однако молочный жир содержит больше олеиновой кислоты. Объясняется это превращениями насыщенных кислот: стеариновой – в олеиновую, а пальмитиновой (С16:0) – пальмитолеиновую (С16:1) под действием специфической оксигеназы, в присутствии кислорода, при участии кофермента НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат – кофермент оксигеназ, катализирующих реакции дегидрирования, переносчик атомов водорода). Глицерин, входящий в структуру жира (триацилглицеринов), поступает в молочную железу в составе липидов крови, или синтезируется из ряда органических веществ, в том числе аминокислот, и главным образом, из продукта гидролиза глюкозы – диоксиацетонфосфата. Глицерин, а также и жирные кислоты, участвующие в синтезе молекул жира, предварительно должны быть активированы, без этого они не будут реагировать между собой. Активирование глицерина заключается в его фосфорилировании под действием фермента глицеролкиназы, при участии АТФ. Глицеролкиназа катализирует перенос фосфатных групп от АТФ к глицерину. Н2С – ОН Н2С – ОН НС – ОН + АТФ глицеролкиназа НС – ОН + АДФ ОН Н2С – ОН Н2С – О – Р = О ОН Глицеро-3-фосфат (активированный глицерин) При условии синтеза из диоксиацетонфосфата (образуется при распаде углеводов) глицерин образуется уже в активированной форме путем дигидрирования диоксиацетонфосфата. Н2С – ОН Н2С – ОН НАД.Н2 НАД` С= О глицерофосфат- НС – ОН дегидрогеназа ОН ОН Н2С – О – Р = О Н2С – О – Р = О ОН ОН диоксиацетонфосфат глицеро-3-фосфат (НАД – никотинамидадениндинуклеотид – кофермент дегидрогеназ, переносчик атомов водорода). Синтез жирных кислот. Предшественниками жирных кислот служат ацетат (в основном) и β-оксибитурат, содержащиеся в большом количестве в крови жвачных. На первом этапе синтеза жирных кислот исходными веществами являются активированная уксусная кислота (в форме ацетилКоА) и двуокись углерода СО2, реагирующие между собой с использованием энергии АТФ. СН3 – С ~ SkoA О - активированная уксусная кислота (ацетил-КоА) (Кофермент-А или КоА – выполняет функцию переносчика ацетильных групп, как АТФ является источником и переносчиком фосфатных групп. Активным началом сложной по своей структуре молекулы кофермента ацилирования служит группа – SH, поэтому его обычно обозначают (КоASH). Итак, на первом этапе происходит карбоксилирование ацетила-КоА в присутствии СО2 и образование малонила-КоА. CH3 – С ~ SkoA + CO2 + АТФ + H2O ацетил-КоАкарбоксилаза О →НООС – СН2 – С ~ SkoA + АДФ + Н3РО4 О Малонил-SkoA Далее синтез идет следующим образом: ацетильная и малонильная группы переносятся на ацилпереносящий белок (АПБ), находящийся в центре ферментного комплекса. АПБ служит своего рода якорем, к которому в ходе реакций присоединяются ацильные группы ацетил-КоА и малонил-КоА при участии соответствующих ферментов, имеющих SН-группы. Ацетил ~ SКoA + АПБ – SH ↔ Ацетил ~ SАПБ + КоASH Малонил ~ SКoA + АПБ – SH ↔ Малонил ~ SАПБ + КоASH В дальнейших реакциях синтеза жирных кислот участвуют ацетил ~ SАПБ и малонил ~ SАПБ. CH2 – C ~ SАПБ + HOOC – CH2 – C ~ SАПБ → O O →CH3 – C – CH2 – C ~ SАПБ + АПБ – SH + CO2 O O ацетоацетил ~ SАПБ Реакция идет с выделением большого количества энергии и сдвинута сильно в направлении синтеза, то есть декарбоксилирование малонильного остатка обеспечивает сильный термодинамический толчок в нпаравлении синтеза жирных кислот. Ацетоацетил-АПБ восстанавливается затем НАДФ.Н2 с образованием β-оксибутирила ~SАПБ. Под действием дегидратазы от β-оксибутирила ~SАПБ отщепляется молекула воды и образуется кротонил ~SАПБ, который восстанавливается при участии НАДФ.Н2 с образованием бутирила ~SАПБ. СH3 – C – CH2 – C ~SАПБ НАДФ.Н2 НАДФ` ║ О ║ О Ацетоацетил ~SАПБ → СН3 – СНОН – СН2 – С ~SАПБ - Н2О ║ О β оксибутирилил ~SАПБ →СН3 – СН = СН – С ~SАПБ НАДФ.Н2 НАДФ` ║ О Кротонил ~SАПБ дегидратаза СН3 – СН2 – СН2 – С ~SАПБ ║ О Бутирил ~SАПБ Бутирил ~SАПБ под действием фермента деацилазы превращается в масляную кислоту или снова вступает в аналогичную цепь реакций, начинающуюся с конденсации с малонилом ~SАПБ. Таким образом происходит удлинение углеродной цепи на два углеродных атома: С6, С8, С10, С12 и т.д. до С16 (пальмитиновой кислоты). Конечным продуктом синтеза является пальмитил ~SАПБ. В конце цикла пальмитиновая кислота отщепляется от АПБ. Суммарное уравнение синтеза жирных кислот: 8Ацетил – КоА + 14НАДФ.Н + 14Н+ + 7АТФ + Н2О → →С16:0 + 8КоА + 14НАДФ+ + 7АДФ + 7Ф пальмитиновая кислота Молекула пальмитиновой кислоты может удлиняться при участии ферментных систем путем последовательного добавления ацетил-КоА (на некоторых стадиях в качестве восстановителя участвует НАДФ.Н2). Мононенасыщенные жирные кислоты образуются из насыщенных в присутствии О2, специфической оксигеназы и восстанавливающего агента НАДФ.Н2: из пальмитиновой (С16:0) – пальмитолеиновая (С16:1), из стеариновой (С18:0) – олеиновая (С18:1). Полиненасыщенные жирные кислоты являются производными пальмитиновой и олеиновой кислот. Удлинение цепи происходит аналогичным образом, как при синтезе насыщенных кислот, а введение двойных связей катализируется оксигеназами в присутствии НАДФ.Н2 (так же, как при синтезе пальмитолеиновой и олеиновой кислот). Однако, в организме млекопитающих не синтезируются полиненасыщенные кислоты – линолевая (С18:2) , линоленовая (С18:3), а арахидоновая (С20:4) может синтезироваться из линоленовой. Поэтому эти кислоты называют незаменимыми жирными кислотами, которые должны поступать в организм с растительными жирами. В жире молока из полиненасыщенных жирных кислот в основном содержатся линолевая, линоленовая и арахидоновая. Биосинтез триацилглицеринов. Для синтеза триацилглицеринов используется глицеро-3-фосфат (активированный глицерин) и КоА – производные жирных кислот – активированные жирные кислоты. Первая стадия образования триацилглицеринов заключается в ацилировании гидроксильных групп глицерофосфата двумя молекулами КоА – производного жирной кислоты с образованием фосфатидной кислоты, которая на последующей стадии под действием фосфатазы подвергается дефосфорилированию с образованием диацилглицерина, а затем триацилглицерина. О НС2 - ОН +2R – C ~ SКoA H2C – O – COR - 2 KoASH -ФН НС – ОН НС – О – СОR ОН фосфатаза ОН Н2С – О – Р = О Н2С – О – Р = О ОН ОН глицеро-3-фосфат фосфатидная кислота О Н2С – О – COR Н2С – О – COR + R – C ~SКoA HC – O – COR HC – O – COR - KoASH H2C – OH H2C – O – COR диацилглицерин триацилглицерин Кроме этого, синтез триацилглицеринов может идти путем непосредственного ацилирования моно- или диацилглицеринов крови: Моноацилглицерин + R – CO ~ SКoA ↔ Диацилглицерин + KoASH Контрольные вопросы 1. В чем заключается значение липидов молока? 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Каким образом классифицируют липиды молока? Дать характеристику глицеридного состава молочного жира. Охарактеризовать жирнокислотный состав триацилгдицеринов. От чего зависят физико-химические свойства триацилглицеринов: способность к плавлению и кристаллизации? Какие физико-химические свойства молочного жира характеризуют константы: йодное число, число рефракции, число омыления, числа Рейхерта-Мейссля и Поленске? Какова специфика ферментативного гидролиза молочного жира? При каких условиях молочный жир подвержен перекисному окислению, каким образом протекает этот процесс? Как предотвратить (или замедлить) перекисное окисление? Какова последовательность стадий ферментативного окисления молочного жира, какие ферменты участвуют при этом и какие продукты образуются в результате окисления? Какие фосфолипиды входят в состав молочного жира, каково их значение в молоке и роль в организме человека как биологически активных соединений? Что составляет основу биосинтеза липидов в молочной железе? В чем заключается специфика синтеза насыщенных и образование ненасыщенных жирных кислот в молочной железе? ТЕМА 7. УГЛЕВОДЫ МОЛОКА 7.1. Общая характеристика углеводов молока. Значение лактозы В молоке содержатся простые и сложные углеводы. Простые представлены моносахаридами (глюкоза, галактоза, манноза, фруктоза) и их производными – аминосахарами: глюкозамин, галактозамин, N- ацетил-D-глюкозамин, N-ацетил-D-галактозамин, Nацетилней-раминовая кислота (сиаловая), а также фосфорными эфирами: глюкозо-1-фосфат, галактозо-1-фосфат, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1-6-дифосфат и др. Сложные углеводы представлены в молоке олигосахарами (содержат от двух до десяти остатков моносахаридов). В состав олигосахаридов не входят неуглеводные компоненты. Сложные углеводы в молоке представлены в основном дисахаридом лактозой (90% углеводов молока) и небольших количеств других олигосахаридов. В молоке углеводы встречаются в свободном состоянии и в виде структурных компонентов сложных белков. Соединения этой группы представлены в основном гликопротеидами – биополимерами с полисахаридными и полипептидными цепями. Так в состав гликомакропептида κ-казеина входят галактоза, N-ацетилгалактозамин, N- ацетилнейраминовая кислота. В составе иммуноглобулинов обнаружены моносахара, белков оболочек жировых шариков – моносахара, гексазамин, N-ацетилнейраминовая кислота. Кроме этого в молоке в виде следов обнаружены свободные олигосахариды, содержащие от 3 до 6 и более остатков моносахаридов и их производных, главным образом – N- ацетилглюкозамина, способные стимулировать рост бифидобактерий в молоке. Основным углеводом молока является дисахарид лактоза, которая находится в молоке в молекулярно-дисперсной форме. Лактоза образует истинный раствор. Массовая доля лактозы в молоке в среднем составляет 4,7-4,8%. Лактоза имеет большое практическое значение, так как она участвует в формировании свойств и качества молока и молочных продуктов. Роль лактозы следующая: - - обусловливает питательную и энергетическую ценность молока и является важным углеводным компонентом питания новорожденных; медленное усвоение лактозы стенками желудка и верхних отделов кишечника обусловливает стимулирование развития полезной микрофлоры в нижних отделах кишечника, следствием чего является накопление молочной кислоты, обеспечивающей уровень рН неблагоприятный для развития гнилостной микрофлоры; обладая бифидогенной активностью, способствует также нормализации микрофлоры; участвует в регулировании углеводного, холестеринового и жирового обмена в организме; служит исходным веществом при молочнокислом брожении в процессе производства кисломолочных продуктов и сыров (вследствие этого является причиной низкой стойкости молока при хранении); влияет на свойства молочных консервов в процессе хранения, а также на вкус и цвет молочных продуктов, при выработке которых применяется высокотемпературная обработка; в виде готового продукта лактоза используется в пищевой промышленности, в фармакопейной, а также при производстве антибиотиков. 7.2. Структура лактозы, ее изомерные формы и физические свойства Лактоза образуется путем реакции конденсации D-глюкозы и D-галактозы с отщеплением воды. Связь между молекулой глюкозы и молекулой галактозы образуется у четвертого углеродного атома глюкозы и первого углеродного атома галактозы: 6 Н ОН 3 2 СН2ОН 5 О Н 4 Н ОН Н Н 1(β) Н НО 5 Н 4 Н О 1 ОН Н О ОН 6 3 СН2ОН 2 Н β-D-галактоза ОН D-глюкоза Циклическая форма лактозы Полное химическое название лактозы – 4-О-β-D-галактопиранозил-α-D-глюкопираноза. Основная часть лактозы в молоке присутствует в циклической форме, а остальная – в альдегидной форме: 6 Н ОН 3 2 Н 4 СН2ОН 5 Н ОН НО 5 6 Н Н 1(β) Н ОН Н 4 Н О С ОН Н О О 3 СН2ОН 2 Н ОН Альдегидная форма лактозы В зависимости от пространственного расположения гликозидного гидроксила (у первого углеродного атома молекулы глюкозы) различают α- и β-формы лактозы. При изображении лактозы в циклической форме гликозидный гидроксил у α-изомера расположен под плоскостью кольца, а у β-изомера – над плоскостью. Изомерные формы лактозы различаются некоторыми физическими свойствами. Среди различных физических свойств изомеров лактозы практический интерес представляют прежде всего растворимость, удельное вращение плоскости поляризации света и способность к кристаллизации. Изомерные формы лактозы имеют различную растворимость. Растворимость β-лактозы в воде выше, чем αлактозы. При растворении α-гидратной формы лактозы (кристаллическая лактоза) сначала образуется ее насыщенный раствор, а затем часть растворенной α-лактозы переходит в β-форму. Переход одной изомерной формы в другую осуществляется через альдегидную форму лактозы. Между α- и β-формами лактозы в растворе устанавливается динамическое равновесие, зависящее от температуры. При 20оС в условиях динамического равновесия раствор лактозы содержит 37,75% α-лактозы и 62,25% β-лактозы. При растворении β-лактозы (выкристаллизованной при определенных условиях) часть ее переходит в α-форму до установления равновесия. Таким образом, чистых водных растворов α- или β-форм лактозы не существует. Лактоза оптически активна, обе ее формы вращают плоскость поляризации вправо. Вследствие явления мутаротации (установление таутомерного равновесия между изомерами, и изменение оптического вращения) удельное вращение свежеприготовленных водных растворов лактозы при хранении изменяется. Это объясняется тем, что α- и β-циклические изомеры лактозы при растворении и выдержке растворов переходят через альдегидную форму друг в друга. Так как для каждого изомера характерна своя величина угла удельного вращения, то через определенное время устанавливается средняя величина. Эта величина для равновесного раствора лактозы при 20оС составляет +52,6о. Из пересыщенных растворов лактоза кристаллизируется, причем в зависимости от условий кристаллизации выкристаллизовывается либо α-гидратная форма лактозы, либо – β-лактоза. α-Лактоза выкристаллизовывается из пересыщенных растворов лактозы при температуре ниже 93,5 оС с одной молекулой гидратной воды. β-Лактоза образуется в твердом состоянии из пересыщенных растворов лактозы при температуре выше 93,5оС. Получаемый традиционным способом из молочной сыворотки продукт – молочный сахар – представляет собой α-гидратную форму лактозы. Если кристаллизацию лактозы проводить при температуре выше 93,5 оС, то выкристаллизовывается β-лактоза. В настоящее время разработана промышленная технология выделения β-лактозы в кристаллическом состоянии. Благодаря своему физиологическому действию она используется в производстве продуктов детского питания. В сухих молочных продуктах преимущественно содержится β-лактоза, так как сушку (например цельного молока) проводят при температуре выше 93,5 оС. Известно, что всякий процесс кристаллизации совершается в две фазы: зарождение кристаллов и их рост. Регулирование скорости этих процессов имеет важное практическое значение при проведении отдельных технологических операций при выработке некоторых молочных продуктов. Так, при выработке молочного сахара, как промышленного продукта, содержащуюся в молочной сыворотке лактозу концентрируют до определенной степени путем вакуумирования, а затем полученный концентрат постепенно охлаждают, создавая условия для кристаллизации лактозы (кристаллизацию проводят при температуре ниже 93оС). При выборе технологических параметров охлаждения концентрата обязательно учитываются свойства изомерных форм лактозы. Так как процесс кристаллизации проводят путем снижения температуры концентрата, то из раствора выкристаллизовывается α-гидратная форма лактозы. Вследствие кристаллизации α-формы нарушается равновесие между α- и β-формами в концентрате и для его восстановления часть β-формы переходит в α-форму, которая вновь выкристаллизовывается. На этой стадии получения продукта очень важно создать такие температурные условия, которые будут обеспечивать определенную скорость перехода одной изомерной формы в другую и максимальную степень кристаллизации α-гидратной формы лактозы. Для повышения выхода продукта необходимо также создать благоприятные условия для роста кристаллов (чем крупнее кристаллы, тем меньше производственные потери). Скорость роста кристаллов зависит от скорости диффузии частиц растворенного вещества, которая в свою очередь обусловлена вязкостью раствора, зависящей от наличия в нем посторонних веществ, концентрации растворенного вещества и температуры раствора. Все эти факторы учитывают при организации технологического процесса кристаллизации лактозы. Способность лактозы выкристализовываться из пересыщенных растворов учитывают и при производстве сгущенных молочных консервов с сахаром. В процессе хранения таких продуктов возможно появление порока вкуса – песчанистость, из-за чрезмерного роста кристаллов лактозы. Это происходит вследствие снижения скорости образования зародышей кристаллов при недостаточном пересыщении лактозой. Поэтому при производстве сгущенных молочных консервов с сахаром вносят готовые кристаллы лактозы в качестве зародышей будущих кристаллов (внесение затравки). Это обеспечивает образование большого количества центров кристаллизации и замедление роста кристаллов. 7.3. Химические свойства лактозы В молоке и молочных продуктах лактоза вместе с другими компонентами молока может подвергаться воздействию различных факторов: температурных, изменений величины рН и др., то есть может участвовать в химических реакциях в результате которых образуются соединения или продукты распада, обусловливающие свойства продуктов или отрицательно влияющие на вкус, окраску молочных продуктов. Из большого числа возможных химических реакций следует остановиться на тех, которые представляют практический интерес. Одним из основных химических свойств лактозы является гидролиз. Гидролиз лактозы – это расщепление ее молекул с присоединением воды с образованием глюкозы и галактозы. Гидролиз происходит по месту кислородного мостика между глюкозой и галактозой. Гидролиз лактозы может проходить под действием фермента лактазы (β-галактозидазы), минеральных кислот и ионнообменных смол. Ферментативный гидролиз лактозы проходит под действием фермента лактазы при оптимальных условиях (рН 6,0-6,5) и создает предпосылки для регулируемого молочнокислого брожения. Молочнокислые бактерии не сбраживают лактозу, а только продукты ее гидролиза. (Различные виды брожения продуктов гидролиза лактозы будут подробно рассмотрены при обсуждении темы 13). Кислотный гидролиз лактозы происходит под действием крепких растворов минеральных кислот (серной и соляной), так как кислородный мостик лактозы довольно прочный. Кислотный гидролиз проводят при высоких температурах с целью получения глюкозо-галактозного сиропа. Продукты гидролиза – моносахара – слаще на вкус. Лактоза гидролизуется под действием ионообменных смол – катионитов из сульфонированного полистирола. Гидролизующее действие при этом не отличается от гидролитического действия минеральных кислот, так как сульфоновые кислоты относятся к сильнодействующим. Преимущество этого способа гидролиза в том, что устраняются нежелательные побочные реакции. Наличие свободного полуацетального (гликозидного) гидроксила в глюкозном остатке лактозы обусловливает реакции, характерные для восстанавливающих сахаров. Например, лактоза легко окисляется слабыми окислителями (жидкость Фелинга, йод и др.) с образованием лактобионовой кислоты. Лактоза восстанавливает жидкость Фелинга (раствор сернокислой меди) до закиси меди, которая выпадает в осадок и определяется количественно. Это свойство лактозы используют для количественного определения ее содержания в молоке (методы Бертрана и йодометрический). При нагревании как в растворе, так и твердом состоянии лактоза претерпевает химические преобразования, которые сопровождаются потемнением цвета, изменениями вкуса и могут привести к ухудшению качества продуктов. При нагревании растворов лактозы в результате дегидратации образуется 5-гидроксиметил-2-фурфурол, обусловливающий потемнение раствора лактозы. Нагревание твердой лактозы ведет к образованию дегидратированного сахара – глюкозана, обусловливающего типичный вкус и запах жженого молочного сахара. При этом образуются и другие полимерные продукты, состав которых пока неизвестен. Последующее повышение температуры ведет к полному пиролизу, то есть распаду лактозы под действием нагревания. Это явление карамелизации лактозы. Наступающее иногда явление побурения молочных продуктов (стерилизованный, сгущенных, сухого молока) объясняется не карамелизацией, а реакцией соединения лактозы с белками с образованием окрашенных веществ меланоидинов. В практике молочной промышленности в настоящее время используют способность трансформации остатка глюкозы в молекуле лактозы во фруктозу (перегруппировка Амадори). Эта реакция протекает в щелочной среде при нагревании водных растворов лактозы. Образовавшийся продукт называется лактулозой. Лактулозу считают наиболее активным бифидогенным фактором. Ее физиологическая роль заключается в том, что она не усваивается в верхнем отделе желудочно-кишечного тракта, проходит в толстый кишечник, где стимулирует развитие бифидобактерий, которые превращают данный изомер лактозы в молочную, уксусную и другие органические кислоты, подавляющие развитие посторонней кишечной микрофлоры. Лактулозу используют в производстве продуктов детского и диетического питания, а также в медицинской практике при лечении различных заболеваний. В настоящее время начато промышленное производство российской пищевой лактулозы «Лактусан». 7.4. Биосинтез лактозы Дисахарид лактоза образуется в клетках молочной железы из D-глюкозы и уридиндифосфатгалактозы (УДФ-галактозы). Синтенз лактозы происходит под действием лактозосинтетазной системы двух ферментных белков: белка А, катализирующего перенос галактозы от УДФ-галактозы на N-ацетилглюкозамин и белка В (α-лактальбумина). Белок В сам по себе не обладает каталитической актвиностью. Но этот белок изменяет специфичность белка А таким образом, что в качестве акцептора галактозы белок А может использовать не N-ацетилглюкозамин, а D-глюкозу. В результате этого белок А приобретает способность катализировать образование лактозы, а не N-ацетиллактозамина. Последовательность реакций синтеза лактозы следующая: Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ, Глюкозо-6-фосфат → Глюкозо-1-фосфат, Глюкозо-1-фосфат + УТФ → УДФ-глюкоза + 2Фн, УДФ-глюкоза → УДФ-галактоза, УДФ-галактоза + Глюкоза → Лактоза + УДФ. Все реакции протекают при участии соответствующих ферментов, последнюю стадию катализирует лактозосинтетазная система двух ферментных белков. Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Какие углеводные компоненты содержатся в молоке? В чем заключается роль лактозы в молоке, производстве молочных продуктов и для организма человека? Какие свойства лактозы обусловлены наличием в ее молекуле полуацетального (гликрозидного) гидроксила? Каковы отличительные свойства изомерных форм лактозы: α-гидратной и β-лактозы? Какова специфика процесса кристаллизации лактозы в производстве молочного сахара? При каких условиях происходит гидролиз лактозы? На чем основан переход лактозы в лактулозу и какое практическое значение имеет лактулоза? Какие реакции лежат в основе синтеза лактозы? Тема 8. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА МОЛОКА 8.1. Общая характеристика минеральных веществ. Солевой состав молока Минеральные вещества находятся в молоке в основном в виде солей, часть их, например сера и фосфор, входят в состав органических соединений. Под солями молока следует понимать катионы металлов, а также неорганические и органические анионы молока. До сих пор еще в некоторой литературе под понятием солевой состав подразумевается содержание золы. Содержанием золы принято характеризовать общее количество минеральных веществ в молоке. По составу золы можно судить лишь об элементарном составе минераль- ных веществ, а не об их естественных формах, в которых они присутствуют в молоке. Общее содержание минеральных веществ в молоке (около 1%) выше, чем содержание золы (0,7-0,8%). При озолении молока разрушаются органические соединения, а следовательно и органические соли, например, цитраты. Фосфор и сера белков и фосфатидов оказываются в золе в виде фосфата и сульфата, хотя они не относятся к солевой системе молока. При озолении происходит также частичная потеря (улетучивание) минеральных веществ: фосфор фосфатов в присутствии углерода частично превращается в оксид (Р2О5) и улетучивается, теряется часть диоксида углерода, часть хлоридов щелочных и других металлов. Таким образом, определение массы золы дает довольно грубое представление о неорганических составных частях. Метод озоления целесообразен для определения общей концентрации того или иного элемента. Исследованиями минерального состава золы с применением полярографических, колориметрических, спектрофотометрических методов, ионоселективных электродов и других современных методов обнаружено наличие в ней более 50 элементов: Ca, P, Mg, Na, K, Cl, Fe, S, Cu, Mn, Zn, Al, Si, J, Br, F, Mo, Cd, Pb, Co, Sn, Hg, Se и др. Из них около 30 определены количественно. В зависимости от концентрации в молоке ионы делят на макрои микроэлементы. Ионы Макроэлементы Катионы К+ N+ Ca++ Mg++ Микроэлементы Анионы Катионы Анионы или ++ ++ хлорид – Cl` Fe , Cu , анионообра++ ++ сульфат – SO4`` Ba , Sr , зующие ``` ++ ++ фосфаты – PO4 Co , Mn , элементы ++ ++ HPO4``, H2PO4` Zn , Mo F`, J`, Br`, B, карбонат-HCO3` Al+++, Cr+++ Si, Se цитраты – C6H5O7```, C6H6O7``, C6H7О7` Содержание макроэлементов в молоке составляет (мг в 100 см3 молока): Среднее Пределы значение колебаний Кальция Фосфора Калия Натрия Магния Хлорида Сульфата Карбоната Цитратов 120 95 145 50 14 110 29 20 175 (100-150) (75-120) (100-185) (35-70) (10-35) (80-200) (20-60) (12-25) (130-200) На содержание ионов в молоке влияют следующие факторы: индивидуальные особенности, стадия лактации, порода, рационы кормления, состояние здоровья животных. Особенно заметны изменения минерального состава в начале и конце лактационного периода. Молозиво содержит больше кальция, фосфатов, магния, хлоридов и натрия, а калия меньше, чем в нормальном молоке. К концу лактации резко увеличивается содержание хлоридов, кальция, фосфатов, что заметно по вкусу молока. При заболеваниях маститом увеличивается содержание хлоридов и натрия. 8.2. Солевое равновесие молока. Факторы, влияющие на солевое равновесие Возможные комбинации ионов для образования солей позволяют, говоря об ионах натрия, калия, сульфатах и хлоридах, сделать вывод о том, что они присутствуют в молоке в форме свободных ионов, так как соответствуют солям сильных оснований и сильных кислот, которые диссоциируют практически на 100%. Все соли натрия и калия (хлориды, гидро- и дигидрофосфаты, цитраты) содержатся в молоке в ионном состоянии. NaCl ↔ Na+ + Cl`; Na2HPO4 ↔ 2Na+ + HPO4``; NaH2PO4 ↔ Na+ + H2PO4`; C6H5O7Na3 ↔ 3Na+ + C6H5O7``` Хлориды натрия и калия обусловливают осмотическое давление молока и электропроводность, а фосфаты и цитраты входят в состав буферных систем молока. Кроме того, фосфаты и цитраты калия и натрия создают в молоке условия для растворения плохо растворимых в воде солей кальция и магния, то есть обеспечивают солевое равновесие молока: определенное соотношение между ионами кальция и анионами фосфорной и лимонной кислот, способствующими его растворению. От этого зависит количество ионизированного кальция, который в свою очередь влияет на дисперсность мицелл казеина и их трермоустойчивость. Кальций присутствует в молоке в основном в коллоидной форме: около 30 % - в виде коллоидного фосфата кальция и около 40% - в составе казеинаткальцийфосфатного комплекса. На долю истинного раствора приходится от 29 до 33% всего кальция и лишь 7-10% его ионизировано. Магний в основном присутствует в истинном растворе (от 73 до 82% всего магния), однако лишь 16% всего магния ионизировано. Остальное количество магния входит в состав коллоидного фосфата магния, а также связано с казеином. Фосфор в молоке содержится в следующих соединениях: неорганические соли в виде истинного раствора – 33%; органические эфиры в виде истинного раствора – 7%; казеинаткальцийфосфатный комплекс – 20%; неорганические соли в виде коллоидного раствора – 38,5 %; липиды – 1,5%. Таким образом, в виде истинного раствора находится около 40% всего фосфора, остальное его количество – в коллоидном состоянии. Соотношение различных форм кальция и фосфора в молоке играет важную роль в поддержании определенной степени дисперсности и гидратации белковых частиц, их стабилизации при тепловой обработке и при сычужном свертывании молока. Кроме того, это соотношение очень важно для усвоения кальция в организме. В истинном растворе кальций присутствует в форме солей слабых кислот – в основном фосфатов и цитратов. Фосфаты кальция присутствуют в форме: фосфатов – Са3(РО4)2 – в очень незначительном количестве; гидрофосфатов – СаНРО4 – преобладают в молоке; дигидрофосфатов – Са(Н2РО4)2 – в небольшом количестве (более растворимы). Если рассчитать отношение РО4``` HPO4`` при рН 6,6 (активная кислот- ность молока) и константе диссоциации фосфорной кислоты – 12,32, то эта величина составит 0,000002, что свидетельствует о преобладании ионов гидрофосфатов в молоке. В форме дигидрофосфатов присутствует лишь небольшая часть фосфатов, а ионы РО4``` содержатся в очень незначительном количестве. Если провести соответствующие расчеты концентрации гидрофосфатов в молоке, с учетом содержания в нем кальция, можно убедиться, что часть однокальциевого фосфата не находится в истинном растворе. Но поскольку в молоке нет осадка нерастворимых солей, то эта часть фосфата может присутствовать в нем только в коллоидном состоянии. Между истинно-растворимыми и присутствующими в коллоидной форме кальциевыми фосфатами существует равновесие: nCaHPO4 ↔ [CaHPO4]n истинно ↔ коллоидно растворимый растворимый При нарушении равновесия, например при удалении истинно растворимого кальция, часть его из коллоидной формы переходит в ионное состояние. Равновесие солевой системы молока в процессе его обработки и переработки может нарушаться. Важнейшими факторами, обусловливающими нарушение солевого равновесия молока, являются тепловая обработка, степень концентрирования и величина рН. С повышением температуры, как правило, наблюдается улучшение растворимости солей и повышение степени электролитической диссоциации. Однако, растворимость некоторых солей, например фосфатов и цитратов кальция, при нагревании ухудшается, они переходят в нерастворимую форму и выпадают в осадок. 3Са++ + 2НРО4`` → Ca3(PO4)2 ↓ +2H+ При этом происходит и некоторое увеличение концентрации ионов водорода. Это явление имеет место при пастеризации молока. В результате нарушения солевого равновесия часть кальция из коллоидной формы переходит в растворимое состояние. В этой связи в практике производства белковых молочных продуктов (сыры, творог, белковые концентраты) используют технологический прием – внесение раствора хлорида кальция для обеспечения необходимого количества ионизированного кальция, участвующего в сычужном свертывании молока. Концентрирование молока означает увеличение концентрации всех компонентов, в том числе и солей (имеет место в производстве сгущенных молочных продуктов). Так как в свежем молоке предел растворимости некоторых солей превышен, то при концентрировании молока они должны переходить из истинного раствора в коллоидную форму. Однако с образованием коллоидного фосфата кальция одновременно наблюдается увеличение концентрации ионов водорода (за счет реакций замещения водорода в карбоксильных группах белка). Увеличение концентрации ионов водорода приводит к образованию дигидрофосфатов из гидрофосфатов НРО4``+ H+ → H2PO4`. Поскольку дигидрофосфаты более растворимы в воде, то происходит увеличение концентрации солей в истинно растворимой фазе. Следовательно, концентрирование способствует повышению концентрации как истинно растворимых, так и коллоидных форм ионов. Увеличение концентрации ионов, особенно кальция, ведет к дестабилизации казеинового комплекса (в связи с повышенной плотностью своего заряда ионизированный кальций отнимает у белка гидратную воду). Поэтому для стабилизации белковой фазы в молоке, с целью предотвращения тепловой коагуляции белка, в производстве сгущенных и стерилизованных продуктов сознательно нарушают солевое равновесие путем обработки исходного молока на ионнообменных смолах (замена Са++ на Nа++) или добавления натриевых солей фосфорной или лимонной кислот (солей-стабилизаторов). Анионы этих кислот связывают ионизированный кальций, переводя его в нерастворимое состояние. При этом гидрофильность белковых частиц повышается. Изменение величины рН в сторону снижения по сравнению с нативным молоком (например, при хранении молока) приводит к увеличению концентрации дигидрофосфатов. При рН 5,0 практически все соли кальция и фосфора находятся в истинном растворе. При таких условиях нарушается стабильность белковой фазы и при дополнительном воздействии (сычужным ферментом или нагреванием) белок полностью дестабилизируется. В сыродельной практике используют прием, обеспечивающий увеличение содержания в молоке ионизированного кальция, необходимого для сычужного свертывания. Он заключается в том, что молоко подвергают предварительному созреванию – выдерживают несколько часов при низкой положительной температуре. За время созревания в молоке несколько повышается титруемая кислотность за счет накопления молочной кислоты, а следовательно увеличивается концентрация Н+, обусловливающая переход гидрофосфатов в более растворимую форму – дигидрофосфаты. Изменение солевого равновесия сознательно проводят в производстве плавленых сыров, вводя в смесь для плавления солиплавители (цитраты или фосфаты натрия), обеспечивающие переход параказеината кальция в параказеинат натрия, обладающий высокой растворимостью и сохраняющий свои свойства при нагревании и охлаждении. Таким образом, равновесие солевой системы молока имеет важное значение в производстве молочных продуктов. В зависимости от характера и степени воздействия на молоко при его переработке технологических факторов используют различные приемы, направленные либо на стабилизацию, либо на нарушение солевого равновесия. 8.3. Роль макро- и микроэлементов в молоке и молочных продуктах Макроэлементы обусловливают пищевую ценность молока и молочных продуктов, стабилизируют коллоидное состояние белков молока, оказывают важное, с точки зрения технологии, свертывающее действие, обусловливают буферное действие молока по отношению к водородным ионам. Кальций, магний, фосфор, натрий, калий и хлор в форме хлоридов относятся наряду с азотом и серой к элементам, которые в довольно больших количествах необходимы для нормального роста живого организма. Кальций и фосфор представляют собой наиболее важные составные части костной ткани. Ионы кальция – входят в состав казеинаткальцийфосфатного комплекса. Адсорбируясь на поверхности мицелл казеина, они укрепляют гидратную оболочку и тем самым повышают устойчивость коллоидного состояния казеина. Величина мицелл казеина зависит от содержания ионов кальция. Если удалить кальций из молока, то казеиновые мицеллы распадаются на субмицеллы. Избыток ионов кальция приводит к укрупнению казеиновых частиц, снижению гидратации и последующей коагуляции. От повышенного содержания ионов кальция зависит также тепловая коагуляция казеина в сгущенном молоке. От содержания ионов кальция в молоке зависит скорость сычужного свертывания, так как ионы кальция непосредственно участвуют в формировании структуры сгустка. При недостаточном содержании ионов кальция в молоке свертывания не происходит. С кальцием косвенно связана и «молочная» окраска молока. Добавление к молоку динатрийэтилендиаминтетрацетата способствует связыванию ионов кальция, казеиновые мицеллы распадаются и белая окраска молока становится совсем светлой. Ионы магния в молоке выполняют роль, аналогичную ионам кальция. Различные формы фосфора в соотношении с кальцием определяют степень дисперсности и гидратации белковых частиц, их стабильность при тепловой обработке и дестабилизацию в процессе сычужного свертывания молока. Анионы (цитраты, фосфаты, карбонаты) участвуют в буферной системе молока. Величина рН молока, несмотря на присутствие в нем молочнокислых бактерий, некоторое время после доения остается постоянной за счет буферной способности солей. Водородные ионы образующейся молочной кислоты вступают в диссоционное равновесие кислых солей и связываются анионами. В результате этого водородные ионы теряют окисляющую способность и рН остается постоянной до тех пор, пока в молоке содержится достаточное количество анионов для связывания ионов водорода НРО4``+H+→H2PO4`; C6H5O7```+H+→C6H6O7``; C6H6O7``+H+→C6H7O7` гидрофосфат дигидрофосфат цитраты Особое значение имеют цитраты в молоке: являются важной составной частью буферной системы и комплексообразователем для кальция и магния, следствием чего является стабилизация белковой фазы молока во избежание коагуляции при тепловой обработке. Кроме этого цитраты служат исходным веществом для образования компонентов вкуса и аромата в кисломолочных продуктах (сбраживаются молочнокислыми бактериями до ацетоина – предшественника диацетила, являющегося компонентом аромата). Микроэлементы. Концентрацию микроэлементов в молоке чаще всего выражают в микрограммах (мкг) на 100 г продукта. Она подвержена изменениям в течение лактации, очень сильно зависит от содержания микроэлементов в рационах, а также от условий хранения и переработки молока. Проводимые исследования по распределению микроэлементов между составными компонентами молока позволяют сделать вывод, что Al, Cu, Mn, Mo, Ni, Ti, Zn, Se, J связаны в основном с белками молока, а с жировой фазой – бор. Часть этих элементов и других связаны с оболочками жировых шариков. Кроме этого установлено, что естественные микроэлементы (то есть поступающие в молоко из молочной железы) и внесенные (попавшие в молоко с поверхности тары, оборудования) распределяются между составными компонентами молока по-разному. Роль микроэлементов в молоке окончательно еще не изучена. Однако уже известно, что микроэлементы входят в состав многих ферментов и в зависимости от концентрации могут либо активизировать, либо ингибировать их действие. Находясь во взаимосвязи с ферментами, микроэлементы оказывают влияние на биохимические реакции в молоке и на изменения составных компонентов молока в процессах хранения и выработки молочных продуктов. Так, молибден входит в состав ксантиноксидазы, цинк – карбогидразы, железо – каталазы и пероксидазы, марганец, магний, кобальт и цинк активизируют щелочную фосфатазу, медь ингибирует липазы и щелочную фосфатазу. В практике молочной промышленности находит применение использование микроэлементов в производстве, например таких продуктов, как натуральные сыры. Формирование специфических органолептических показателей сыров обусловлено направленностью биохимических превращений составных компонентов молока при участии ферментов в процессе созревания сыров. Обязательным условием введения микроэлементных добавок является тщательное изучение и анализ содержания микроэлементов в исходном сырье. Регулирование микроэлементного состава молока проводят также путем включения некоторых микроэлементов в кормовые рационы. Особое внимание при этом уделяется микроэлементам, имеющим важное физиологическое значение как для организма человека, так и для лактирующих животных. К ним относятся: селен, обладающий антиоксидантными свойствами, за счет чего препятствующий перекисному окислению в клеточных мембранах и подавляющий свободные радикалы; йод, регулирующий функцию щитовидной железы; цинк, участвующий в многочисленных биохимических процессах пищеварительной системы. Контрольные вопросы 1. Что понимают под солями молока? 2. Какие факторы влияют на содержание макро- и микроэлементов в молоке? 3. В какой форме присутствуют в молоке соли натрия и калия и какова их роль? 4. В какой форме присутствуют в молоке кальций и магний? 5. Что понимают под солевым равновесием молока? 6. Какие факторы обусловливают нарушение солевого равновесия в молоке? 7. Приведите примеры сознательного изменения солевого равновесия при переработке молока. 8. Какова роль макроэлементов в молоке и молочных продуктах? 9. В чем заключается значение микроэлементов в молоке? Тема 9. БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ И ДРУГИЕ ВЕЩЕСТВА МОЛОКА Кроме компонентов, содержание которых выражено в количественном отношении – около и более 1% (вода, белки, липиды, углеводы, минеральные соли), молоко как сложная биологическая система включает в свой состав ряд соединений концентрация которых выражается в микрограммах или миллиграммах: витамины, ферменты, гормоны, факторы роста. Эти соединения принято объединять в группу биологически активных веществ, которые, как правило, обладают в организме новорожденного и взрослого человека полифункциональными свойствами и играют важную роль в функционировании всех жизнеобеспечивающих систем организма. Возможность обнаружения, идентификации и количественного определения соединений этой группы расширяется на основе достижений в области совершенствования методов исследований, использования качественно новых, в частности иммуноферментного анализа. Например, с использованием этого анализа в молоке открыты новые биологически активные вещества – факторы роста. В настоящее время наиболее изучен фактор роста кровеносных сосудов – ангиогенин. Витамины молока и их биологическая роль Витамины – это сложные органические соединения, необходимые для нормального функционирования организма. Часть витаминов образуется в организме из провитаминов. Провитамины – это органические соединения, которые в результате ферментативных реакций или энергетических воздействий переходят в витамины. Например, витамин А образуется из провитамина – β-каротина. По признаку растворимости в жирах или в воде витамины делятся на две группы: жирорастворимые и водорастворимые. Содержание витаминов в молоке выражают либо в международных единицах МЕ), либо в микрограммах или миллиграммах на 100 г молока. За международную единицу принято количество витамина, проявляю- щее определенное биологическое действие. В молоке содержатся все жизненно необходимые витамины. Их содержание не постоянно и зависит от кормовых рационов, активности микрофлоры рубца коров, стадии лактации, состояния здоровья и др. Роль витаминов в молоке и молочных продуктах заключается в их влиянии на окислительно-восстановительные процессы (витамины группы Е, С), стимулировании роста молочнокислых бактерий (витамины В1, В2, В3, Н), участии в составе коферментов в ферментативных процессах (В1, В2, В3, В6, РР, Н). Кроме этого, каротиноиды и витамин В2 являются природными красителями молочных продуктов. Содержание витаминов меняется в процессе хранения молока: окисление витаминов А, Е, С, В1 и снижение их содержания, частичное разрушение при световом воздействии, особенно УФ-лучей (витамины А, В2, В6, С, Е, РР), потери при тепловых воздействиях (В1, С). К жирорастворимым витаминам молока относятся витамины групп А, Д, Е, в незначительном количестве витамин К и витамин F. Из всей группы витаминов А в молоке преобладает ретинол – витамин А1, который в основном образуется из β-каротина кормов. Витамин А1 и β-каротин обусловливают желтую окраску сливочного масла и повышают устойчивость молочного жира к окислению. Витамин А1 участвует в регулировании секреторных функций поджелудочной, потовых и сальных желез,. А также в комплексе с белком участвует в возникновении зрительного ощущения (в процессах фоторецепции). Содержание витамина А1 вместе с β-каротином от 50 до 100 мкг в 100 см3 молока. Из витаминов группы Д в молоке преобладает Д3 – холекальциферол. В организме регулирует обмен кальция и фосфора. Молоко содержит сравнительно мало витамина Д3 – от 0,03 до 0,2 мкг в 100 см3. Витамин Е – это группа соединений токоферолов (α- ,β-, γ- и др). В молоке главным образом содержится α-токоферол (от 0,02 до 0,35 мкг в 100 г молока). В молоке и молочных продуктах выполняет роль активного естественного антиокислителя липидов, витамина А и β-каротина, в организме участвует в регулировании обмена веществ. Высокое содержание витамина Е в сливочном масле ограничивает его самоокисление и повышает стойкость при хранении. Витамин К по химической природе аналогичен витамину Е и имеет аналогичную биологическую активность. Содержание его в молоке в среднем – 0,03 мкг/100 см3. Витамином F принято называть группу незаменимых ненасыщенных жирных кислот (линолевая, линоленовая и арахидоновая), которые являются биологически активными веществами и не синтезируются в организме. Содержание этих кислот в молочном жире не высокое по сравнению с растительными маслами и в среднем составляет около 3% от общего содержания жирных кислот. К водорастворимым витаминам молока относятся следующие. Витамин В1 (тиамин) стимулирует развитие и рост молочнокислых бактерий в молоке. Биологическая функция его заключается в том, что он являясь коферментом декарбоксилазы, участвует в синтезе белка и нуклеиновых кислот и регулирует углеводный и белковый обмен в организме. Содержание витамина В1 в сборном молоке составляет в среднем от 40 до 60 мкг/100 см3. Витамин В2 (рибофлавин) обладает свойствами желтозеленого пигмента (окраска молочной сыворотки), стимулирует рост молочнокислой микрофлоры, входит в состав коферментов окислительно-восстановительных ферментов, принимает участие в обмене белков, жиров, углеводов. Содержание витамина В2 в молоке от 100 до 280 мкг/100 см3. Витамин В3 (пантотеновая кислота) выполняет функцию фактора роста для дрожжей и пропионовокислых бактерий; входит в состав кофермента А, при участии которого выполняет свою функцию в обмене веществ, в синтезе липидных компонентов в организме. Диапазон колебаний в содержании пантотеновой кислоты в молоке достаточно широк – от 200 до 500 мкг/100 см3 и зависит в большей степени от стадии лактации. Витамин В6 (пиридоксин) – это группа соединений (пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин и их фосфорные эфиры, обладающие близкой биологической актвиностью. В виде фосфорных эфиров входит в состав многих ферментов, в том числе трансфераз, катализирующих переаминирование и декарбоксилирование аминокислот. Молоко и молочные продукты являются существенным источником пиридоксина в организме человека. Содержание пиридоксина в молоке колеблется от 20 до 170 мкг/100 см3. Витамин В9 (фолацин, фолиевая кислота) – это группа соединений, включающих фолиевую кислоту и ее производные, обнаруживающие биологическую активность фолиевой кислоты. Фолиевая кислота является фактором роста для многих микроорганизмов, как и дургие витамины группы В синтезируется микрофлорой рубца жвач- ных. При ее недостатке в молоке, так же, как и ниацина, пантотеновой кислоты (В3) и биотина (Н), особенно в весенний период, наблюдается замедленное развитие заквасочной микрофлоры. В сборном молоке содержание витамина В9 колебле тся от 0,4 до 260 мкг/100 см3 и зависит главным образом от микробного синтеза в рубце животных и в меньшей степени от содержания в кормах. Витамин В12 (кобаламин) – сложное органическое соединение, относящееся к классу порфинов, содержит в своем составе кобальт, синтезируется в организме жвачных при участии микрофлоры и частично поступает в организм с кормами животного происхождения. Кобаламин в виде кофермента принимает участие в биосинтезе и обмене аминокислот, жиров, нуклеиновых кислот, белков, оказывает влияние на процесс кроветворения. В молоке витамин В12 как и В9 (фолиевая кислота) связан с иммуноглобулинами. Молоко и молочные продукты являются существенным источником витамина В12 для организма человека. В молоке содержится от 150 до 600 мкг/100 см 3 этого витамина. Витамин РР (ниацин, никотиновая кислота) – по своей химической природе является никотиновой кислотой или ее производным – амидом никотиновой кислоты, синтезируется в организме жвачных микрофлорой рубца. В молоке содержится в свободном состоянии и в составе коферментов НАД и НАДФ дегидрогеназ в относительно небольшом количестве – от 70 до 170 мкг/см3. При его недостатке в организме человека нарушаются синтез белковых компонентов дегидрогеназ, что приводит к нарушению окислительных процессов. Витамин Н (биотин) – сложное органическое соединение, основу которого составляет тиофеновое кольцо, к которому присоединены остатки валерьяновой кислоты и мочевины. Биотин входит в состав активного центра ферментов, катализирующих реакции карбоксилирования, поэтому принимает участие в биосинтезе липидов, нуклеиновых кислот, углеводов и в других реакциях обмена веществ в организме. В молоке является необходимым компонентом для развития дрожжей и молочнокислых бактерий. Молоко является хорошим источником биотина, содержание его в 100 см3 молока колеблется в пределах от 2 до 10 мкг. Витамин С (аскорбиновая кислота) – по своей химической природе близка к гексозам (лактон гексоновой кислоты). Активно участвует в окислительно-восстановительных процессах, происходя- щих как в организме, так и в молоке, легко подвергается окислению. Продукт обратимого окисления ее – дегидроаскорбиновая кислота – также биологически активное соединение, которая может вновь легко восстановиться в аскорбиновую кислоту. Дегидроаскорбиновая и аскорбиновая кислоты обладают витаминной активностью. В свежем молоке содержится около 70% аскорбиновой кислоты и около 30% дегидроаскорбиновой, всего в молоке содержится от 1200 до 3500 мкг/100 см3 витамина С. Витамин С участвует во многих окислительно-восстановительных реакциях организма: синтез некоторых гормонов, утилизация липидов, превращения аминокислот и др. В молоке витамин С оказывает влияние на окислительновосстановительный потенциал, от чего зависят его органолептические свойства и стойкость при хранении. Окисление аскорбиновой кислоты ускоряется в присутствии металлов (железа, меди), света, воздуха, а также при нагревании. Характеристика ферментов молока. Использование свойств ферментов в оценке качества молока Ферменты (энзимы) – вещества белковой природы, являющиеся биологическими катализаторами. Действие ферментов строго специфично. Определяющими условиями активности ферментов являются определенная температура, диапазон рН, а также наличие активаторов. Для большинства ферментов максимум активности наблюдается в интервале температур от 40 до 50оС. При пастеризации молока происходит инактивация ферментов, что предохраняет его от возможных ферментативных процессов и порчи. В настоящее время известно более 1000 ферментов, которые подразделяют на шесть классов: 1 – оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции; 2 – трансферазы (ферменты, переносящие группы); 3 – гидролазы (гидролитические ферменты); 4 – лиазы (ферменты отщепления групп); 5 – изомеразы (ферменты изомеризации); 6 – лигазы (синтетазы). Из всех классов ферментов в практике производства молока и молочных продуктов наибольшее значение имеют оксидоредуктазы и гидролазы. Из молока, полученного при нормальных условиях от здоровых животных, выделено более 20 истинных или нативных ферментов. Часть их образуется (синтезируется) непосредственно в секреторных клетках молочной железы и переходит в молоко во время секреции (щелочная фосфатаза, ксантиноксидаза, лизоцим и др.). Другая часть пероксидаза, каталаза, альдолаза, протеиназа и др.) переходит в молоко из крови животного. Кроме нативных ферментов в молоке присутствуют бактериальные ферменты, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов молока и бактериальных заквасок. Они могут быть внеклеточными и внутриклеточными. Внеклеточные ферменты (экзоферменты) выделяются в окружающую среду как продукты жизнедеятельности клеток. Внутриклеточные (эндоферменты) действуют внутри клетки и выделяются только после ее отмирания и автолиза (распада). При производстве отдельных молочных продуктов вносят некоторые ферментные препараты: в производстве сыров, белковых концентратов, творога – сычужный фермент и его заменители, пепсин; в производстве гидролизованной сыворотки – β-галактозидазу и др. Нативные и микробные ферменты, содержащиеся в молоке и молочных продуктах, имеют большое практическое значение. Так, на действии ферментов гидролаз, оксидоредуктаз и других основано производство кисломолочных продуктов и сыров. Многие липолитические, протеолитические и другие ферменты наряду с участием в биохимических превращениях составных частей молока и формировании вкусовых характерситик продукта (например, сыров), вызывают глубокие изменения компонентов молока во время выработки и хранения молочных продуктов, что может привести к появлению пороков и снижению их питательной ценности. Кроме того, по активности некоторых нативных и бактериальных ферментов можно судить о санитарно-гигиеническом состоянии сырого молока или эффективности его пастеризации. Активность ферментов выражают в стандартных единицах – Е, которые соответствуют количеству фермента, катализирующего превращение субстрата со скоростью 1 мкмоль в 1 мин при стандартных условиях. В последнее время активность ферментов выражают в ноых единицах – катал (кат). 1 кат соответствует количеству фермента, катализирующего превращение субстрата со скоростью 1 моль в 1 с (1 кат = 6.107 Е). Оксидоредуктазы. К этому классу относятся все ферменты – переносчики электронов и водорода, которые катализируют процессы биологического оисления. В основном применяется термин «дегидрогеназа» и «редуктаза». Наименование ферментов этого класса составляются по форме «донор : акцептор оксидоредуктаза». Например: лактатдегидрогеназа – катализирует реакцию восстановления пирувата до молочной кислоты; ксантин: О2 – оксидоредуктаза (ксантиноксидаза); Н2О2:Н2О2 – оксидоредуктаза (каталаза). Из оксидоредуктаз (нативных) в молоке в соновном присутствуют ксантиноксидаза, каталаза, лактопероксидаза, в небольшом количестве – лактотдегидрогеназа, пируватдегидрогеназа. Перенос атомов водорода осуществляют коферменты: у анаэробных дегидрогеназ – никотинамидадениндинуклеотид (НАД) или никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), у аэробных - флавинадениндинуклеотид (ФАД). Дегидрогеназы принимают активное участие в молочнокислом, пропионовокислом и спиртовом брожениях. Анаэробные дегидрогеназы (редуктазы) почти не вырабатываются клетками молочной железы, а накапливаются в молоке при размножении в нем бактерий. С увеличением количества бактерий в молоке увеличивается и количество редуктаз, возрастает их активность, которую определяют по продолжительности восстановления (обесцвечивания) добавленного к молоку метиленового синего или по изменению окраски при добавлении резазурина (проба на редуктазу). По этой пробе на предприятиях молочной промышленности определяют бактериальную обсемененность молока. Из аэробных дегидрогеназ в молоке содержится ксантиноксидаза, катализирующая окисление альдегидов и пуриновых оснований до соответствующих карбоновых кислот. Пероксидаза (лактопероксидаза) катализирует окисление различных органических соединений с помощью перекиси водорода, а также может окислять неорганические соединения (например, йодид калия). 2Н2О2 пероксидаза 2Н2О + 2О АН2 + О Н2О + А` окисляемое вещество 2КJ + H2O2 пероксидаза 2 KOH + J2 Пероксидаза довольно термостабильна, инактивируется при 80оС. По реакции на пероксидазу в молочной промышленности определяют эффективность пастеризации. Пробу на пероксидазу проводят с солянокислым парафенилендиамином или йодистокалиевым крахмалом. Первый метод основан на разложении добавленной к молоку перекиси водорода пероксидазой и окислении выделившимся атомарным кислородом парафенилендиамина, с появлением темносинего окрашивания (при попадании в пастеризованное молоко сырого или при недопастеризации). Проба с йодистокалиевым крахмалом основана на разложении перекиси водорода пероксидазой, содержащейся в молоке. Освободившийся при этом атомарный кислород окисляет йодид калия, освобождая йод, образующий с крахмалом соединение синего цвета. Каталаза осуществляет окисление перекиси водорода. 2Н2О2 каталаза 2Н2О + О2 Каталаза в основном вырабатывается бактериями. В свежем молоке от здоровых коров каталазы очень мало. В молозиве и молоке от больных животных ее количество резко увеличивается. Поэтому определение активности каталазы используют как метод обнаружения молока от больных животных. Контроль основан на определении количества кислорода, выделившегося из добавленной к 15 см3 молока перекиси водорода. Натуральное молоко выделяет 1,5-3,0, анормальное – от 8 до 15 см3 кислорода. Гидролазы. К гидролитическим ферментам относятся ферменты, катализирующие гидролитические расщепления жиров, углеводов, белков и других сложных органических соединений. Из этого класса в молоке присутствуют: липазы, фосфолипазы, βгалактозидаза (лактаза), фосфатазы, протеиназы, лизоцим, рибонуклеаза, амилазы и др. В молоке содержатся нативные и бактериальные липазы, катализирующие гидролиз триацилглицеринов молочного жира. Нативные липазы инактивируются при температуре 74-80оС, бактериальные – 85-90оС. В нормальном молоке содержание нативных липаз невелико и их актвиность достаточно низкая. В стародойном молоке, в молозиве, в молоке от больных животных повышается содержание нативных липаз, происходит перераспределение их с белков на оболочку жировых шариков. Следствием чего является гидролиз молоч- ного жира и накопление продуктов гидролиза (в избыточном количестве летучих жирных кислот). Активизация нативных липаз может произойти и вследствие механических воздействий, а также насыщения молока кислородом воздуха. Бактериальные липазы, выделяемые посторонней микрофлорой молока (плесневые грибы, микрококки), отличаются высокой активностью, следствием чего может явиться появление прогорклого вкуса молока, масла или других продуктов. Бактериальные липазы заквасочных культур молочнокислых и пропионовокислых бактерий, микроскопических грибов (в производстве рокфора, русского камамбера) принимают участие в формировании специфических органолептических показателей молочных продуктов. По этой причине при подборе бактериальных культур в состав заквасок учитывают их липолитическую активность. Фосфолипазы катализируют гидролиз фосфолипидов. В молоке содержатся нативные фосфолипазы, не обладающие высокой активностью и бактериальные, в том числе продуцируемые как заквасочной микрофлорой, так и посторонней микрофлорой молока. Фосфолипазная активность молочнокислых бактерий заквасок достаточно изучена и ее учитывают при выборе отдельных штаммов как молочнокислых, так и пропионовокислых бактерий в их состав, поскольку продукты гидролиза фосфолипидов, по-видимому, принимают участие в формировани вкуса сыров. Фосфатазы катализируют гидролиз фосфорорганических соединений с образованием неорганического фосфата. В молоке обнаружены щелочная фосфатаза (оптимум рН 9,6) и кислая (оптимум рН около 5). Щелочная фосфатаза чувствительна к повышенной температуре. Она полностью инактивируется при 72-74оС, а кислая фосфатаза термостабильна. Высокая чувствительность щелочной фосфатазы к нагреванию положена в основу контроля эффективности пастеризации молока и сливок. Проба на фосфатазу по реакции с 4-аминоантипирином основана на гидролизе динатриевой соли фенилфосфорной кислоты ферментом фосфатазой. Выделившийся при гидролизе свободный фенол в присутствии окислителя дает розовое окрашивание с 4-аминоантипирином. Проба на фосфатазу по реакции с фенолфталеинофосфатом натрия основана на его гидролизе ферментом фосфатазой, содержа- щейся в молоке или молочных продуктах. Освобождающийся при гидролизе фенолфталеин в щелочной среде дает розовое окрашивание. Гликозидазы. К ним относятся β-галактозидаза, амилазы, лизоцим и др. β-Галактозидаза (лактаза) катализирует гидролитическое расщепление лактозы на моносахариды: глюкозу и галактозу. Эта реакция является первой стадией сложных многоэтапных процессов молочнокислого, пропионовокислого, спиртового брожений, положенных в основу производства большого количества кисломолочных продуктов. Кроме этого, β-галактозидазу используют для ферментативного гидролиза лактозы в молоке с целью получения низколактозных продуктов (молока, кефира, йогурта и др) для детей и взрослых, организм которых недостаточно усваивает лактозу. С использованием βгалактозидазы проводят ферментативный гидролиз лактозы и в молочной сыворотке, позволяющей перевести молочный сахар в некристаллизуемую и хорошо сбраживаемую смесь глюкозы и галактозы. Моносахара более сладкие на вкус, чем лактоза, поэтому гидролизованную молочную сыворотку используют в кондитерской и хлебобулочной промышленности. Амилазы. В молоке содержится в основном α-амилаза. Фермент катализирует расщепление полисахаридных цепей крахмала, гликогена, полисахаридов. Содержание амилазы в молоке повышается при заболевании животных. Фермент связан с лактоглобулиновой фракцией молока и инактивируется при всех режимах пастеризации. Лизоцим (мурамидаза). Фермент относят к антибактериальным факторам молока, в некоторой степени обусловливающим и его бактерицидные свойства. Это объясняется тем, что лизоцим катализирует гидролиз 1,4-β-связей между остатками N-ацетилмурамовой кислоты и N-ацетилглюкозамина в полисахаридах клеточных стенок некоторых видов бактерий, в первую очередь грамположительных (патогенные стафилококки и другие возбудители мастита у лактирующих коров). Содержание лизоцима в коровьем молоке в среднем составляет около 13 мкг в 100 см3, а в женском – значительно выше: от 10 до 100 мг в 100 см3. Лизоцим стабилен в кислой среде и выдерживает нагревание молока до высоких температур. Протеазы (протеиназы) - это ферменты, катализирующие гидролиз белков и продуктов их распада (полипептидов, пептидов), разрывая их пептидные связи. В молоке содержатся нативные и бактериальные протеазы. К нативным протеазам относится, главным образом, щелочная протеаза – плазмин. Микрофлора молока продуцирует щелочные и кислые протеазы. Плазмин попадает в молоко из крови, содержится в низких концентрациях (около 0,3 мг/дм3), связан с мицеллами казеина и лишь частично – с оболочками жировых шариков. Фермент наиболее активен при рН от 6,5 до 9,0 и температуре от 5 до 55 оС, довольно термостабилен: полная инактивация его наступает при нагревании молока до 90оС в течение 5 мин. Плазмин проявляет определенную субстратную специфичность по отношению к фракциях казеина. Наиболее чувствительны к плазмину β- и αS2- казеины; αS1- и κ-казеины гидролизуются намного медленнее; β-лактоглобулин и α-лактальбумин устойчивы к действию фермента. Этим объясняются изменения в соотношении фракций казеина при длительном хранении охлажденного молока. Под действием плазмина происходит частичный необратимый гидролиз β-казеина с образованием фрагментов, обозначаемых γ-казеинами (γ1-, γ2-, γ3-),а также горьких пептидов и других продуктов, придающих молоку горький вкус. Кроме того, при изменении фракционного состава казеина ухудшаются технологические свойства молока – способность свертываться под действием сычужного фермента. Вследствие этого ухудшаются свойства сычужных сгустков и снижается выход сыров и других белковых продуктов (γ-казеин не свертывается под действием сычужного фермента и переходит в сыворотку). Наряду с плазмином (нативная протеаза) в молоке содержатся и бактериальные протеазы, образующиеся в результате жизнедеятельности молочнокислых стрептококков и палочек, но в большей степени – психротрофных бактерий, выделяющих активные термостабильные протеазы, относящиеся к щелочным и кислым видам протеолитических ферментов. Они активны при рН от 6,8 до 8,0, более активны по отношению к κ- и β-казеинам. Результатом их действия является ухудшение технологических свойств молока и появление пороков вкуса. Деятельность протеаз бактериального происхождения, вырабатываемых заквасочными культурами, положена в основу созревания сыров. Степень и глубина протеолиза, а следовательно накопление его продуктов: полипептидов, пептидов, аминокислот, участвующих в формировании вкуса и аромата сыров, обусловлена, главным образом, активностью бактериальных протеаз заквасочных культур. Кроме гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов в молоке содержатся ферменты других классов. При производстве кисломолочных продуктов и сыров микрофлора бактериальных заквасок вырабатывает очень важные ферменты, относящиеся к классам лиаз, трансфераз, изомераз. Например, при спиртовом брожении в кефире и кумысе расщепление пировиноградной кислоты на уксусный альдегид и углекислый газ осуществляет фермент класса лиаз – декарбоксилаза. В процессе созревания сыров декарбоксилирование аминокислот с образованием аминов происходит под действием декарбоксилаз, а переаминирование осуществляют ферменты класса трансфераз – аминоферазы. В последнее десятилетие отечественной научной школой, возглавляемой академиком РАСХН И.А.Роговым (МГУПБ) проведены исследования ферментов подгруппы рибонуклеаз (класса гидролаз) в молоке, играющих важную роль в регулировании клеточного метаболизма, среди которых по своей биологической функции выделен ангиогенин как активный иммуномодулятор и фактор роста кровеносных сосудов. Ангиогенин получен из вторичного молочного сырья в составе белковой фракции. Результатом исследований явилось создание биологически активной добавки ангиогенина, которая рекомендована для использования в кчаестве самостоятельной БАД, а также для обогащения традиционных молочных продуктов; в качестве БАД к парафармацевтическим молочным продуктам (продуктам для лиц, страдающих различными заболеваниями); к детским молочным продуктам. Гормоны и газы Среди биологически активных соединений молока в нем обнаружены гормоны: эндогенные гормоны, выделяемые эндокринными железами животного, и экзогенные – гормоны, применяемые в виде препаратов для стимулирования молочной продуктивности, усвоения кормов и т.д. По химическому строению некоторые из них являются пептидами и белками, большая группа имеет стероидную структуру, отдельные представляют собой производные аминокислот и жирных кислот. Из гормонов пептидной природы в молоке обнаружены пролактин, окситоцин, соматропин; из стероидных гормонов – кортикостероиды и андрогены; из гормонов – производных аминокислот – тироидные гормоны (производные тирозина) и группа простогландинов – производных полиненасыщенных жирных кислот. Из обнаруженных в молоке гормонов не все определены количественно, но по содержанию отдельных имеются существенные различия в зависимости от стадии лактации. Например, содержание пролактина в молозиве в 2-7 раз больше, чем в нормальном молоке, а андрогенов – в 10-100 раз. Характеризуя компонентный состав молока, следует назвать газы: углекислый, кислород и азот. Общее содержание газов в молоке составляет от 60 до 120 мг в 1 дм3, из них на долю углекислого газа приходится от 60 до 70%, кислорода – от 6 до 10%, азота – от 25 до 30%. В молоке содержится также незначительное количество аммиака (около 0,2.10-3 М). Содержание газов в молоке зависит от способов доения, хранения, транспортировки и обработки молока, при которых молоко соприкасается с воздухом и содержащиеся в нем газы растворяются в молоке. После дойки содержание газов в молоке устанавливается на определенном уровне. При последующих хранении, транспортировке и обработке молока содержание отдельных газов в нем меняется. Так, в процессе хранения молока вследствие развития микроорганизмов повышается содержание аммиака, а кислорода – понижается. Поэтому по содержанию этих газов возможен контроль качества молокасырья. При очистке, перекачивании, транспортировке молока содержание кислорода в нем может повыситься, что повлечет за собой увеличение окислительно-восстановительного потенциала и, как следствие, появление в молоке во время хранения окисленного привкуса. При пастеризации молока, наоборот, растворенный кислород и углекислый газ улетучиваются, что сопровождается снижением окислительно-восстановительного потенциала и титруемой кислотности молока. Контрольные вопросы 1. 2. Какие соединения в молоке относят к биологически активным? Какова роль витаминов в молоке и молочных продуктах? Какие витамины объединяют в группу жирорастворимых, в чем заключается их биологическая роль? 4. Какую роль играют водорастворимые витамины в молоке и молочных продуктах? 5. Какие ферменты имеют наибольшее значение в практике производства молочных продуктов? 6. Что такое нативные и бактериальные ферменты? 7. Какие ферменты молока относят к классу оксидоредуктаз, какое значение они имеют в производстве молочных продуктов? 8. Какие свойства оксидоредуктаз положены в основу методов контроля молока? 9. Какие ферменты молока относят к классу гидролаз, каковы их основные свойства? 10. Как изменяется фракционный состав казеина под действием плазмина при длительном хранении молока? 11. Как изменяется содержание газов в молоке при хранении, транспортировке и обработке? 3. Тема 10. МОЛОКО КАК ПОЛИДИСПЕРСНАЯ СИСТЕМА 10.1. Общая характеристика дисперсных систем Прежде чем характеризовать молоко как полидисперсную систему, целесообразно вспомнить, какие системы называют дисперсными, по каким признакам их классифицируют и какие дисперсные системы имеют место в молоке. Дисперсной системой называют гетерогенную систему, в которой одно вещество, находящееся в диспергированном состоянии (дисперсная фаза), равномерно распределено в массе другого (дисперсионная среда). То есть дисперсная система представляет собой гетерогенную систему, состоящую из двух фаз: дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсные системы классифицируют в зависимости от величины частиц дисперсной фазы: грубодисперсные, тонкодисперсные, молекулярно-дисперсные, коллоидно-дисперсные, ионо-дисперсные и в зависимости от агрегатного состояния частиц дисперсной фазы: твердые – дисперсии, жидкие – эмульсии. Грубодисперсные системы – это системы, содержащие в качестве дисперсной фазы наиболее крупные частицы диаметром более 0,1 мм. Примером грубодисперсной системы является скоагулированый казеин в молоке. Тонкодисперсные системы – это системы, содержащие в качестве дисперсной фазы частицы диаметром от 500 до 10 5 нм. Их можно частично различить с помощью микроскопа оптического. Примером тонкодисперсной системы является жировая фаза в молоке, которая с плазмой молока образует систему двух несмешивающихся жидкостей – эмульсию. Молекулярно-дисперсные системы – это системы, содержащие в качестве дисперсной фазы частицы, размер которых не превышает 1 нм. В таких системах диспергированное вещество нельзя обнаружить с помощью оптических средств. В данном случае речь идет об истинных растворах. Такие системы образуют различные неэлектролиты (растворимые в воде вещества). Примером такой системы являются растворенная в молоке лактоза, водорастворимые витамины, растворимые небелковые азотистые соединения, органические кислоты. Коллоидно-дисперсные системы – это системы, размеры частиц дисперсной фазы которых занимают промежуточное положение между частицами дисперсной фазы в тонкодисперсных системах и молекулярно-дисперсных и составляют от 1 до 500 нм. Коллоидные частицы при наличии на их поверхности электрического заряда и сольватно-ионных оболочек (из молекул растворителя) находятся во взвешенном состоянии и без изменения условий долго могут не выпадать в осадок. В коллоидно-дисперсном состоянии в молоке находятся сывороточные белки, казеин и большая часть фосфатов кальция. Ионно-дисперсные системы – это растворы различных электролитов, распадающихся на соответствующие ионы. В молоке в ионно-дисперсном состоянии находится часть растворимых солей в форме катионов и анионов, ионы водорода. Таким образом, молоко представляет собой сложную полидисперсную систему, в которой жир эмульгирован, а белки присутствуют в гомогенном растворе остальных составных компонентов молока. Однако, провести строгую границу между дисперсными фазами и дисперсионной средой молока нельзя, так как водные растворы одних веществ являются дисперсионной средой для других. При синтезе молока между отдельными дисперсными фазами устанавливается тесная взаимосвязь, что приводит к образованию единой равновесной системы молока. Например, раствор солей стабилизирует мицеллы казеина, некоторые белковые вещества, входя в состав оболочек жировых шариков, стабилизируют жировую эмульсию и т.д. Нарушение равновесной системы молока и потеря устойчивости ее компонентов происходит под воздействием каких-либо факторов: температуры, рН, механических воздействий и др. Инженер-технолог молочной промышленности должен иметь четкое представление о взаимосвязи между отдельными составными частями молока, так как на практике приходится выбирать режимы обработки и переработки молока, которые не нарушали бы взаимосвязь и единство полидисперсной системы (производство молока пастеризованного, сливок, консервов), либо наоборот, осуществлять наиболее полное выделение одного или нескольких компонентов из полидисперсной системы (производство масла, творога, молочного сахара, молочного белка). 10.2. Молоко как коллоидная система Молоко представляет собой коллоидный раствор молочного белка и коллоидного фосфата в молочной сыворотке. Размеры коллоидных частиц молока составляют (в нм): мицелл казеина – от 40 до 300, β-лактоглобулина – от 25 до 50, α-лактальбумина – от 15 до 20, фосфата кальция – от 10 до 20. Частицы сывороточных белков молока представлены отдельными макромолекулами, а также их димерами и полимерами. Их макромолекулы свернуты в компактные глобулы, имеющие отрицательный заряд и очень прочные гидратные оболочки. Они обладают большой устойчивостью в молоке, не коагулируют при достижении изоэлектрической точки. Выделить их можно путем уменьшения растворимости – введением в молочную сыворотку элетролита (высаливанием) или нагреванием молока до высокой температуры, при которой они денатурируют, агрегируют с казеином и частично коагулируют. Казеин в молоке содержится в виде мономеров (так называемый растворимый казеин – около 5%)) и в форме полимеров (субмицеллярный и мицеллярный казеин – около 95%). Коллоидный фосфат кальция малорастворим в воде и образует неустойчивую коллоидную систему. Его растворимость повышается под влиянием казеина, вместе с которым он входит в состав мицелл. Из всех фаз молока коллоидная система самая чувствительная к воздействию различных факторов. Изменения в молоке наиболее заметны при нарушении коллоидного состояния, так как при этом происходит коагуляция белков. Неустойчивое поведение коллоидных частиц зависит от их размеров и связанной с этим общей поверхностью. Особый интерес представляет структура и величина частиц важнейшего компонента коллоидной системы – казеина. 10.2.1. Структура мицелл казеина, обусловливающая коллоидное состояние золя Хотя окончательно вопрос структуры мицелл казеина не решен, на базе исследований последних лет с использованием электронномикроскопических и других методов предпочтение отдается модели субмицеллярного строения рыхлых пористых мицелл. Согласно этому представлению мицеллы казеина имеют почти сферическую форму, средний диаметр около 100 нм (колебания от 40 до 300 нм) и молекулярную массу в среднем 6.108. Количество мицелл казеина в молоке намного больше, чем жировых шариков (до 15.1015 против 15.108 в 1 см3). Мицеллы казеина состоят из нескольких сотен субмицелл диаметром 10-15 нм. Субмицеллы – это агрегаты основных фракций казеина (αS-, β- и κ-),соединенных между собой гидрофобными, электростатическими, водородными связями и кальциевыми мостиками. Полипептидные цепи фракций казеина свертываются в субмицелле таким образом, что большинство гидрофобных групп составляют ее ядро, а гидрофильные располагаются на поверхности субмицелл. Гидрофильная часть содержит отрицательно заряженные кислотные группы аспарагиновой и глютаминовой кислот (СОО -) и фосфорной кислоты (РО32-). Гидрофильные свойства субмицелл и мицелл усиливают ориентированные наружу гликомакропептиды κ-казеина, располагающегося большей частью на поверхности субмицелл, причем субмицеллы различаются содержанием κ-казеина. Субмицеллы с незначительным содержанием κ-казеина расположены внутри мицелл, а с высоким содержанием – на поверхности. Пептидная часть гликомакропептидов κ-казеина содержит большое количество оксиаминокислот (серина и треонина), глютаминовой и аспарагиновой кислот, а углеводная – свободные карбоксильные группы сиаловой кислоты. Объединение субмицелл в мицеллы происходит, по мнению многих исследователей, с помощью коллоидного фосфата кальция и, возможно, за счет цитрата кальция и гидрофобных взаимодействий. Точный состав коллоидного фосфата кальция и механизм его взаимодействия с казеином пока не установлен, но выяснено, что удаление его из молока вызывает нарушение структуры мицелл. В соответствии с последними представлениями о строении мицеллы казеина поверхность ее имеет «волосковый слой», который распространяется в дисперсную среду на 10-15 нм и препятствует сближению мицелл (см.рис.5.5). «Волосковый слой» представляет собой выступающие с поверхности мицелл гидрофильные участки полипептидных цепей κказеина – гликомакропептиды. Мицеллы имеют пористую структуру, что обусловливает проникновение внутрь мицелл, воды и ферментов. Диссоциация присутствующих на поверхности мицелл карбоксильных групп глутаминовой, аспарагиновой и сиаловой кислот, а также фосфатных групп сообщает мицеллам отрицательный заряд, что обусловливает силы электростатического отталкивания между коллоидными частицами. В свежем молоке мицеллы казеина обладают относительной устойчивостью – не коагулируют при механических воздействиях (очистка, сепарирование, гомогенизация) и при нагревании молока до высоких температур. Для снижения их устойчивости, то есть для коагуляции, необходимо воздействие таких факторов, как понижение рН, повышение концентрации ионов кальция, внесение сычужного фермента. Факторы устойчивости казеина представляют большой практический интерес. В настоящее время в литературе их рассматривают с позиции теории ДЛФО (теории развитой Дерягиным Б.В., Ландау Л.Д., Фервеем Е. И Овербеком Дж.). Согласно теории ДЛФО устойчивость к коагуляции коллоиддных растворов зависит от соотношения молекулярных сил притяжения и электростатических сил отталкивания между коллоидными частицами. В свежем молоке силы электростатического отталкивания между мицеллами казеина преобладают над силами молекулярного притяжения (Ван-дер-ВаальсаЛондона), за счет чего коллоидная система молока находится в устойчивом состоянии. В нативном состоянии мицеллы казеина имеют на своей поверхности одинаковый заряд за счет преобладания отрицательно заряженных карбоксильных и фосфатных групп. По закону электронейтральности поверхностный заряд на стороне дисперсионной среды должен быть компенсирован равным по величине противозарядом. Противозаряд образуют противоположно заряженные гидратированные ионы кальция, называемые противоионами, и небольшое количество одинаково заряженных анионов. Часть противоионов размещается в форме адсорбционного неподвижного слоя относительно отрицательно заряженной поверхности мицеллы, а остальные ионы вследствие теплового движения диффузно рассеяны. Упрощенное изображение мицеллы казеина с двойным электрическим слоем приведено на рисунке 10.1. Таким образом, на границе раздела фаз образуется двойной электрической слой за счет положительно заряженных противоинов кальция, другие гидратированные ионы кальция, а также анионы, образуют диффузный двойной электрический слой. Электростатическое отталкивание между мицеллами казеина наступает только в том случае, если их диффузные двойные слои проникают друг в друга. Рис. 10.1. Упрощенное изображение мицеллы казеина с двойным электрическим слоем: 1 – отрицательно заряженная поверхность, внутренний слой; 2 – неподвижный адсорбционный слой ионов Са++, наружный слой; 3 – диффузный двойной электрический слой катионов и анионов молока За количественную меру силы электростатического отталкивания принимают электрокинетический потенциал (дзета-потенциал), который рассчитывают по электрофоретической подвижности мицелл (для нативных казеиновых мицелл равен 47,6 мВ). Потенциальная энергия электростатического отталкивания тем больше, чем меньше расстояние между частицами и чем больше толщина двойного электрического слоя. Кроме сил электростатического отталкивания между мицеллами казеина действуют силы молекулярного притяжения (межмолекулярного взаимодействия) Ван-дер-ВаальсаЛондона. Потенциальная энергия взаимодействия между частицами V складывается из энергии электростатического отталкивания VЭ и энергии молекулярного притяжения VМ между ними: V=VЭ+VМ. Эта величина может иметь как отрицательное, так и положительное значение в зависимости от преваливания сил отталкивания (обозначают со знаком минус) или сил притяжения (обозначают со знаком плюс). Таким образом, в свежем молоке силы электростатического отталкивания между мицеллами казеина преобладают над силами молекулярного притяжения и коллоидная система находится в устойчивом коллоидном состоянии золя. Факторами устойчивого коллоидного состояния золя являются наличие на поверхности мицелл преобладающего отрицательного заряда за счет полярных групп (фосфатных и карбоксильных), связывания полярными группами молекул воды и формирования хорошо развитой гидратной оболочки, образования относительно заряженной поверхности мицелл двойного электрического слоя. 10.2.2. Условия дестабилизации коллоидного состояния золя и формирование геля при различных способах коагуляции Дестабилизация коллоидного состояния золя, в котором находится белковая фаза в свежем молоке, положена в основу производства различных групп молочных продуктов и осуществляется путем воздействия на факторы ее устойчивости. В практических условиях осуществляют переход системы из коллоидного состояния золя в коллоидное состояние геля при кислотной, сычужной или кислотно-сычужной коагуляциях белков. Способы кислотной коагуляции используют в производстве кисломолочных диетических напитков, сметаны, творога (кислотным способом), казеина (кислотным способом). Сычужную коагуляцию казеина проводят в производстве сычужных сыров и казеина сычужного. Кислотно-сычужная коагуляция положена в основу производства кислотносычужных сыров и творога кислотно-сычужным способом. При всех названных способах коагуляции происходит переход молока как коллоидной системы из золя в гель. Гели – это коллоидные системы с особыми свойствами, в которых коллоидные частицы теряют подвижность и формируют структуры, пронизанные капиллярными промежутками, заполненными дисперсионной средой. Заполнение всего пространства с образованием геля происходит в результате ориентировки казеиновых частиц в трехмерный, напоминающий соты каркас геля с полостями, заполненными молочной сывороткой. Образование геля происходит под действием накапливающейся вследствие молочнокислого брожения молочной кислоты, либо под действием сычужного фермента, или при совместном воздействии молочной кислоты и сычужного фермента. Гели образуются только при нахождении системы в покое. Характерным свойством гелей является синерезис – самопроизвольное снижение водоудерживающей способности. При синерезисе быстрее выделяется вода, заполняющая пустоты, затем капиллярная вода, а гидратная, связанная с казеином, остается. Повышение температуры способствует отдаче гидратной воды. Процессы гелеобразования (коагуляции) в производстве молочных продуктов, структурно-механические и синеретические свойства белковых сгустков зависят от ряда факторов, с помощью которых регулируют процессы гелеобразования. К ним относятся: состав и свойства молока, состав бактериальных заквасок, их активность и доза; активность и доза сычужного фермента (или его заменителя); режимы пастеризации и гомогенизации молока; способ и продолжительность коагуляции белков. Изучение закономерностей формирования сгустков в производстве молочных продуктов достаточно сложный и до конца не изученный процесс и является постоянным объектом исследований как отечественных, так и зарубежных ученых. Однако, с помощью кинетико-реологических методов достоверно установлено, что гелеобразование при кислотной коагуляции молока аналогично структурообразованию при сычужном или кислотносычужном свертывании и протекает в четыре стадии (фазы). Первая стадия – индукционный период; вторая – стадия флокуляции (фаза интенсивной коагуляции); третья – стадия метастабильного равновесия (фаза уплотнения сгустка); четвертая – синерезис. Механизм кислотной коагуляции казеина. Кислотная коагуляция происходит под воздействием кислотообразования в молоке (как результат молочнокислого брожения) или при непосредственном добавлении минеральной или органических кислот. Процесс основан на осаждении казеина в изоэлектрической точке (рН 4,6-4,7), когда силы электростатического отталкивания между частицами белка ослабевают и начинают преобладать силы межмолекулярного взаимодействия. Повышение концентрации ионов водорода в молоке сдвигает равновесие между диссоциированными карбоксильными и фосфатными группами на поверхности мицелл казеина и ионами водорода в сторону недиссоциированных карбоксильных и фосфатных групп. СОО- + Н+ → СООН РО32- + 2Н+ → РО3Н2 При этом происходит снижение отрицательного заряда белковых частиц. Кроме отрицательно заряженных групп на поверхности белковых частиц находятся положительно заряженные аминогруппы (-NH3+). При определенной концентрации ионов водорода (рН 4,6-4,7), происходит выравнивание отрицательных и положительных зарядов, то есть наступает изоэлектрическое состояние, в котором происходят конформационные изменения макромолекул белка, они теряют растворимость и соединяются между собой, формируя сетчатую трехмерную структуру сгустка или выпадают в виде хлопьев (при непосредственном внесении кислоты). Под действием молочной кислоты нарушается структура казеинаткальцийфосфатного комплекса: от него отщепляются фосфат и органический кальций в виде лактата кальция и переходит в плазму. СаНРО4 + 2С3Н6О3 → (С3Н5О3)2Са + Н3РО4 Цитрат кальция тоже переходит в более растворимый лактат кальция Са3(С6Н5О7)2 + 6С3Н6О3 → 3(С3Н5О3)2Са + 2С6Н8О7 Структурно-механические свойства кислотного сгустка и процесс синерезиса зависят от режимов предварительной тепловой обработки молока и механической (гомогенизации). С повышением температуры пастеризации увеличивается прочность сгустка и снижается интенсивность отделения сыворотки (степень синерезиса). Это объясняется увеличением содержания в сгустках денатурированных сывороточных белков, которые, взаимодействуя с κ-казеином, увеличивают заряд мицелл казеина, а следовательно его гидрофильные свойства. Гомогенизация сырья способствует повышению вязкости сгустков и снижению степени и скорости отделения ими сыворотки за счет увеличения дисперсности жира с одновременной адсорбцией на поверхности шариков плазменных белков, удерживающих сыворотку (гидрофильность) и затрудняющих синерезис сгустка, а также за счет повышения степени дисперсности частиц белковой фазы и, как следствие, увеличения их общей поверхности и усиления гидратации. Механизм сычужной коагуляции казеина. Процесс коагуляции казеина под действием сычужного фермента (или его заменителя) носит необратимый характер и объясняется с позиции гидролитической теории. Механизм его заключается в следующем. Под действием внесенного сычужного фермента происходит гидролиз полипептидных цепей κказеина ККФК (разрыв пептидных связей). Гидролиз цепей κ-казеина происходит по чувствительной к сычужному ферменту пептидной связи между фенилаланином (остаток 105) и метионином (остаток 106). Схематично процесс представлен на рисунке 10.2. Сычужный фермент 105 Фен 106 Мет 1 169 Пиро Глу Вал-СООН Пара- κ-Казеин Гликомакропептид κ-Казеин Рис.10.2. Схема ферментативного гидролиза κ-казеина В результате ограниченного специфического протеолиза молекулы κ-казеина распадаются на гидрофобный пара- κ-казеин и гидрофильные гликомакропептиды. Поскольку гликомакропептиды κказеина несут большую часть отрицательного заряда на поверхности мицелл казеина, то при их отщеплении происходит потеря отрицательного заряда мицеллой и частичные разрушения гидратной оболочки. При таких условиях уменьшаются силы электростатического отталкивания между частицами и дисперсная система теряет устойчивость, следствием чего является появление первых хлопьев белка. Эта стадия характеризуется как индукционная. Потеря κ-казеином функций защитного коллоида по отношению к кальцийнеустойчивым αS- и β-казеинам на этой стадии создает предпосылки для интенсивной коагуляции при участии в структурообразовании пара-казеина ионов кальция (вторая стадия). В этот период формируется пространственная сетка сгустка. Ответить на вопрос, за счет каких взаимодействий происходит процесс агрегации мицелл параказеина во время гелеобразования пока трудно. Это могут быть не только силы межмолекулярного притяжения, но и гидрофобные взаимодействия неполярных групп пара- κ-казеина, электростатические связи между положительно заряженными участками пара- κ-казеина и отрицательно заряженными участками αS- и β-казеинов, кальциевые мостики между серинфосфатными группами этих фракций. 10.2.3. Совместное осаждение казеина и сывороточных белков при термокальциевом и термокислотном способах коагуляции Рассмотрев условия дестабилизации коллоидного состояния казеина – состояние золя – и переход его в состояние геля при различных способах коагуляции, имеет смысл вспомнить о других физикохимических свойствах белков: влияние концентрации солей в системе на их растворимость и отношение к нагреванию (см. подраздел 5.4 «Физико-химические свойства белков»). На изменении этих свойств основаны практические способы совместного осаждения казеина и сывороточных белков: термокальциевая и термокислотная коагуляция. Термокальциевую коагуляцию используют в производстве копреципитатов или молочного белка из обезжиренного молока и в производстве отдельных видов творога. Термокислотная коагуляция положена в основу производства копреципитатов и группы сыров, получивших название «Сыры с термокислотной коагуляцией». Термокальциевая коагуляция белков – коагуляция под действием сильного электролита – хлористого кальция – впервые была разработана и объяснена теоретически П.Ф.Дьяченко. Электролиты в водном растворе распадаются на сильно гидратированные ионы. Эти ионы конкурируют с коллоидами вследствие повышенной плотности своего заряда и отнимают гидратную воду у белков. На поверхности мицелл казеина происходит замещение ионов водорода в кислотных группах казеина (СООН) на ионы кальция. При этом, вследствие пе- рехода ионов водорода в среду, активная кислотность повышается с рН 6,6 до рН 5,0. Присоединение ионов кальция к казеину приводит к значительному снижению его термоустойчивости и казеин при температуре 95-97оС коагулирует. Одновременно с ним коагулируют и денатурированные сывороточные белки, то есть достигается комплексная коагуляция казеина и сывороточных белков (95-97 % всех белков, а при кислотной – 90-95 %, сычужной – 86%). Для белков, осажденных этим способом характерна высокая степень минерализации. Термокислотный способ коагуляции осуществляется путем добавления соляной кислоты, молочной (кислая сыворотка) или других органических кислот в нагретое до 95-97оС молоко. Механизм действия кислоты тот же что и при кислотной коагуляции. Нагревание молока до высокой температуры обеспечивает денатурацию сывороточных белков, их взаимодействие с казеином и совместную коагуляцию при увеличении концентрации ионов водорода в среде. Степень минерализации белков, осажденных термокислотным способом, значительно ниже, чем при термокальциевом. Это связано с образованием более растворимых солей кальция (лактатов) и переходом их в сыворотку при термокислотной коагуляции. 10.3. Молоко как эмульсия жира в плазме Молоко представляет собой эмульсию жировых шариков в молочной плазме. Под плазмой молока понимают свободную от жира молочную жидкость, в которой все остальные составные части молока присутствуют в неизменном виде. Свежевыдоенное молоко – это двухфазная эмульсия. При охлаждении молока часть триацилглицеринов в жировых шариках выкристаллизовываются и образуется трех- и многофазная эмульсия (дисперсия). Диаметр жировых шариков в молоке колеблется от 0,1 до 22 мкм, в среднем от 3 до 6 мкм (преобладают). Распределение жировых шариков по величине зависит от ряда факторов: породы, стадии лактации животных, рационов кормления, режимов доения и механической обработки молока. Размеры жировых шариков имеют практическое значение, так как определяют степень перехода жира в продукт, например, при получении сливок сепарированием молока, а также при производстве масла, сыра, творога. Количество жировых шари- ков в молоке велико (около 15.108 в 1 см3), что влечет за собой образование чрезмерно большой общей поверхности. 10.3.1. Факторы агрегативной устойчивости жировой эмульсии Жировая эмульсия молока характеризуется высокой агрегативной устойчивостью, то есть способностью длительное время сохранять состояние дисперсных частиц. Это обусловливается наличием на поверхности жирового шарика (глицеридного ядра) оболочки, препятствующей контакту и последующему слиянию глицеридных глобул при столкновении жировых шариков друг с другом, и ее особыми свойствами. Состав и структура оболочек жировых шариков. В настоящее время установлено, что оболочка жировых шариков состоит из основных структурных компонентов: липидов и белков, имеет толщину (по данным разных авторов) от 30 до 70 нм и более и включает в свой состав, кроме липидов и белков, ферменты, жирорастворимые витамины, минеральные элементы. Хотя состав и физико-химические свойства оболочечного материала изучены достаточно подробно, организация его компонентов в оболочке точно еще не определена. Существует несколько моделей структурной организации оболочек (Н.Кинга, А.Мортона, Х.Бауэра, В.Своупа и Дж. Бруннера, Мак Ферсона и Китчена и др.). В отличие от первых моделей, базирующихся на трактовке ее как адсорбционной межфазной пленки, в последние годы все чаще проводится аналогия между составом и структурой оболочек жировых шариков (ОЖШ) и биологических мембран. Имеет смысл обсудить модель строения оболочек жировых шариков, предложенную В.Своупом и Дж.Бруннером, позволяющую более наглядно представить их структурную организацию. Схематически строение ОЖШ с учетом ее сольватации со стороны жировой и водной фаз представлено на рисунке 10.3. Согласно рассматриваемой модели ОЖШ состоит из двух основных слоев: внутреннего (слой 1), в основном белкового, и внешнего (наружный слой 2), состоящего из фосфатидно-белковых комплексов. Со стороны глицеридного ядра жирового шарика к внутреннему белковому слою 1 обращен сольватный слой 4, состоящий из высокомолекулярных насыщенных триацилглицеринов, «смачивающих» гидрофобные кольца оболочечного белка внутреннего слоя оболочки. Со стороны водной фазы к гидрофильным группам гликопротеидов, входящих в состав наружного липопротеинового слоя 2, и гидрофильной части фосфолипидов, находящихся в этом слое, ориентирован гидратный слой, образованный молекулами воды. Таким образом, оболочка жирового шарика состоит из двух слоев – внутреннего и наружного (внешнего). Внутренний слой образуется из плазматической мембраны секреторных клеток молочной железы, в основном белкового характера, и плотно прилегает к кристаллическому слою высокоплавких триацилглицеринов ядра. На внутренней мембране адсорбирован внешний слой оболочки, состоящей из липопротеидных мицелл различного размера. 1- внутренний слой (мембранный), состоящий из белков; 2 – наружный слой (липопротеиновый) из белков и фосфолипидов; 3 – гидратный (водный) слой; 4 – сольватный слой из высокомолекулярных насыщенных триацилглицеринов Рис. 10.3. Модель строения оболочки жирового шарика (по В.Своупу и Дж.Бруннеру) Липопротеидные мицеллы содержат фосфолипиды, гликолипиды, нуклеиновые кислоты, белки и большую часть ферментов. Отдельные липопротеидные мицеллы могут мигрировать в плазму при хранении, механической и тепловой обработке молока. Одновременно на внутренней мембране могут адсорбироваться иммуноглобули- ны и липаза (при хранении сырого молока), а также казеин и денатурированный β-лактоглобулин (при тепловой обработке). Так как оболочки жировых шариков содержат на поверхности полярные группы – фосфатные фосфатидилхолина и других фосфолипидов, карбоксильные и аминогруппы белков, карбоксильные группы сиаловой кислоты и других углеводных компонентов, то на поверхности шариков создается суммарный электрический заряд – отрицательный (их изоэлетрическое состояние наступает при рН молока около 4,5%). Относительно отрицательно заряженной поверхности жирового шарика адсорбируются катионы Са++, Mg++, в результате чего образуется двойной электрический слой, аналогичный слою, который возникает на поверхности мицелл казеина. Таким образом, на поверхности жировых шариков возникает электрический потенциал около 15 мВ и электростатические силы отталкивания превышают силы молекулярного притяжения в соответствии с теорией устойчивости дисперсных систем (теорией ДЛФО). Дополнительное стабилизирующее действие оказывают гидратная оболочка, образующаяся вокруг полярных групп внешнего слоя и двойной электрический слой. Более поздние исследования состава и свойств структурных белков, входящих в состав оболочек жировых шариков, электронномикроскопические исследования их структурной организации с другими компонентами, проведенные Мак Ферсоном и Китченом, а также другими учеными, позволили сделать следующие выводы и схематично представить модель строения ОЖШ (рис. 10.4). Рис. 10.4. Модель оболочки жирового шарика (по Мак Ферсону и Китчену): 1 – фосфолипиды; 2, 3 – гликопротеиды; 4 – интегральный гидрофобный белок; 5 – ксантиноксидаза; 6 – 5`-нуклеотидаза; 7 – слой высокоплавких триацилглицеринов В состав ОЖШ входит до сорока белковых компонентов, главным образом плохо растворимых гликопротеидов, содержащих углеводы: галактозу, N-ацетилгалактозамин, Nацетилгклюкозамин, N-ацетилнейраминовую (сиаловую) кислоту. Гликопротеиды, относящиеся к внутренним белкам, как правило, пронизывают ОЖШ: один их конец взаимодействует со слоем высокоплавких триацилглицеринов, находящихся на поверхности глицеридного ядра, другой, содержащий углеводный компонент, выступает из мембран и ориентирован к водной фазе (см.компоненты 2 и 3 на рис. 10.4). Важным компонентом оболочки является нерастворимый (гидрофобный) структурный белок, встроенный во внутренний слой оболочки и названный бутирофилином (см.компонент 4 на рис. 10.4). По мнению исследователей большая часть белков ОЖШ происходит из плазматической мембраны секреторных клеток, либо может строиться частично из плазматической мембраны и частично – из мембраны вакуолей аппарата Гольджи, а также могут использоваться белки цитоплазмы секреторных клеток. К перифирическим растворимым белкам ОЖШ относится более десяти ферментов: ксантиноксидаза; щелочная и кислая фосфатазы; 5`-нуклеотидаза; плазмин и др. Большая часть их идентична ферментам клеточных мембран. В оболочках жировых шариков обнаружены минеральные элементы: Cu, Fe, Mo, Zn, Ca, Mg, Se, Na и К. Таким образом, по Мак Ферсону и Китчену оболочка жировых шариков состоит из двух слоев различного состава: внутреннего, тонкого, плотно прилегающего к жировой глобуле – слоя высокоплавких триацилглицеринов и внешнего, рыхлого (диффузного), легко десорбируемого при технологической обработке молока. Поскольку внешний слой образован большей частью фосфолипидами и гликопротеидами, следовательно на поверхности жировых шариков за счет полярных групп этих компонентов создается суммарный отрицательный заряд и, как следствие, двойной электрический слой и гидратная оболочка. Всеми исследованиями отмечается достаточно высокая механическая прочность оболочек жировых шариков, однако, пока остается нерешенным вопрос, какие силы ответственны за поддержание их структуры. Предполагают, что высокая механическая прочность оболочки обусловлена прежде всего наличием в ней внутреннего слоя, состоящего из специфического гидрофобного белка, а также гидрофобными и электростатическими взаимодействиями между структурными компонентами оболочки. Таким образом, анализируя рассматриваемые модели строения оболочек жировых шариков, можно сделать вывод, что несмотря на некоторые различия в организации их структурных компонентов, общим для них является способность стабилизировать жировую эмульсию. В нативном молоке эмульсия жира в плазме достаточно устойчива. К факторам стабильности жировой эмульсии молока следует отнести следующие. Во-первых, наличие на границе раздела фаз структурно-механического барьера – оболочки жирового шарика, являющейся модифицированной клеточной мембраной, внутренний слой которой состоит из специфического гидрофобного белка, обусловливающего ее механическую прочность. Именно структурно-механический барьер препятствует контакту и последующему слиянию глицеридных ядер друг с другом. Во-вторых, как уже отмечалось, в результате диссоциации ионогенных групп компонентов, входящих в состав наружного слоя оболочки, на поверхности жировых шариков возникает отрицательный электрический потенциал, следствием чего является их отталкивание при сближении. Дополнительное стабилизирующее действие оказывает образование двойного электрического слоя относительно заряженной поверхности жировых шариков и ее гидратация. При хранении молока и при производстве большинства молочных продуктов необходимо сохранить стабильность эмульсии молочный жир – плазма, максимально исключив воздействие факторов ее дестабилизации, так как деэмульгированный жир в значительно большей степени подвержен ферментативному и окислительному воздействиям. При выработке сливочного масла, напротив, ставится задача дестабилизировать жировую эмульсию с целью выделения из нее дисперсной фазы. По этой причине имеет смысл проанализировать факторы нарушения устойчивости жировой эмульсии. 10.3.2. Факторы нарушения устойчивости жировой эмульсии При различной степени нарушения устойчивости дисперсных систем типа эмульсий происходят процессы флокуляции и коалесценции. Флокуляция – это вид коагуляции, при которой частицы дисперсной фазы образуют рыхлые агрегаты (флокулы). Флокуляция происходит при сближении частиц на достаточно близкие расстояния. Образующиеся агрегаты (флокулы) жировых шариков непрочны и легко разрушаются при перемешивании, но при этом оболочки жировых шариков сохраняются. Этот процесс имеет место, например, при хранении сырого молока, его называют процессом отстаивания сливок. При отстаивании сливок изменяется равновесие распределения жировых шариков в молочной плазме главным образом за счет их различной плотности. Скорость отстаивания, или скорость изменения равновесия выражается уравнением Стокса V = 2/9 r2 (ρ1 – ρ2) . q/η, где: V – скорость отстаивания, м.с-1; r – радиус жирового шарика, м; ρ1 – плотность плазмы, кг/м3; ρ2 – плотность жировой фазы, кг/м3; η – вязкость молока, Па.с; q – ускорение свободного падения или ускорение силы тяжести, м.с-2. В соответствии с приведенным уравнением скорость отстаивания находится в прямой зависимости от размеров жировых шариков и разности плотности плазмы и жировой фазы. Высокая вязкость препятствует отстаиванию. При отстаивании жировые шарики образуют друг с другом конгломераты в виде гроздьев винограда, что объясняется сильной адгезионной способностью оболочечного белка. Диаметр образовавшихся конгломератов значительно больше, чем жировых шариков и может составлять 400 мкм и более, что повышает скорость отстаивания. Однако, образование конгломератов соответствует обратимой флокуляции, поскольку величина их энергетического барьера электростатического отталкивания превышает энергию взаимодействия. Это означает, что подогревание и перемешивание молока с отстоявшимся слоем жировой фазы обеспечивает вновь равномерное распределение ее в плазме. Образование конгломератов, а следовательно, способность к отстаиванию зависит от свойств поверхности раздела жировой шарик – молочная плазма, главным образом, от состояния оболочечного белка и его адгезионной способности, от температуры и механического движения, а также от агрегатного состояния триацилглицеринов в жировом шарике. Учитывая эти факторы, можно сделать вывод, что в сыром молоке скорость отстаива- ния будет значительно выше, чем в молоке после тепловой обработки, особенно высокотемпературной. Отстаивание сливок в жидких молочных продуктах явление нежелательное, поэтому в практике их производство применяют технологическую операцию – гомогенизацию исходного молока. В процессе гомогенизации достигается уменьшение диаметра жировых шариков, а следовательно, увеличение их общей поверхности. С увеличением общей поверхности возрастает потребность в оболочечных веществах, которая удовлетворяется за счет плазмы. При таких условиях плотность жировой фазы несколько повышается, а скорость отстаивания снижается (см.уравнение Стокса). Следует иметь ввиду, что после гомогенизации жировая фаза из-за увеличения ее общей поверхности, частичного нарушения оболочек жировых шариков в большей степени подвержена действию нативных липаз, следствием чего является появление прогорклого вкуса в продукте. Коалесценция, в отличие от флокуляции, является причиной необратимого нарушения эмульсии и заключается в слиянии капель дисперсной фазы (агрегации глицеридных ядер) при их соприкосновении. Коалесценция происходит в том случае, если сближающие жировые шарики преодолевают кроме энергетического барьера электростатического отталкивания по теории ДЛФО структурно-механический барьер, обусловленный гидратацией и механической прочностью оболочки. Таким образом, только дестабилизация оболочек жировых шариков приводит к необратимому нарушению эмульсии – деэмульгированию. В практике производства всех жиросодержащих молочных продуктов за исключением сливочного масла и молочного жира ставится задача максимально сохранить эмульсию молочный жир – плазма и насколько возможно стабилизировать ее. В производстве сливочного масла или молочного жира дестабилизацию эмульсии проводят сознательно, используя различные технологические приемы, заключающиеся в снижении стабилизирующей способности оболочек жировых шариков путем температурных и механических воздействий. Основными факторами, которые могут вызвать нарушение устойчивости жировой эмульсии (деэмульгирование) являются следующие. Излишне механические нагрузки при одновременном пенообразовании. Любой процесс, который при получении, транспортировке и переработке молока ведет к возникновению завихрений и пенообразованию, способствует дестабилизации оболочек жировых шариков. Как правило, это имеет место при нарушении режимов работы насосов, мешалок, процессов механической обработки молока (центробежной очистки, гомогенизации), а также при неправильном монтировании молокопроводов и др. Вспенивание приводит к изменению поверхностного натяжения у части жировых шариков, так как они в таком случае будут окружены не водной, а газовой фазой. Под действием пузырьков воздуха поверхностное натяжение меняется таким образом, что оболочки жировых шариков частично нарушаются и становятся проницаемыми для жидкого жира, то есть происходит частичное деэмульгирование. Высокотемпературный нагрев. Степень дестабилизации жировой эмульсии увеличивается по мере повышения температуры и длительности ее воздействия. При нагревании происходят изменения состава оболочек жировых шариков, заключающиеся в частичном переходе отдельных компонентов в молочную плазму, частичных изменениях структурных свойств белковой фракции оболочек и, как следствие, снижении механической прочности оболочки. Эти изменения приводят к снижению отрицательного заряда на поверхности жировых шариков, то есть к ее гидрофобизации. Охлаждение и замораживание молока. Изменения оболочки жировых шариков и дестабилизация жировой эмульсии молока (частичная) происходят также при охлаждении молока (сливок) до температуры 10оС и ниже. Они связаны с кристаллизацией триацилглицеринов в глицеридном ядре, переходом части оболочечного вещества в плазму и, как следствие, потерей отрицательного заряда на поверхности жирового шарика. Понижение устойчивости жировой эмульсии (дисперсии) происходит также при замораживании молока или сливок. Изменения оболочек жировых шариков в данном случае вызываются нарушением их сольватации со стороны жировой и водной фаз. Дегидратация оболочек при замораживании объясняется диффузией к образовавшимся в плазме кристаллам льда молекул воды, связанной с оболочкой. В результате этих изменений, а также различий коэффициента теплового расширения жира и льда при оттаивании замороженного молока происходит нарушение оболочек жировых шариков и выделение деэмульгированного жира. Действие поверхностно-активных веществ. Поверхностно-активные вещества оказывают деэмульгирующее действие за счет их различной растворимости в жировой фазе и плазме, вследствие чего снижается поверхностное натяжение и происходит десорбция оболочечного вещества. Это свойство положено в основу кислотного метода количественного определения содержания жира в молоке и молочных продуктах. Для выделения молочного жира в деэмульгированном состоянии используют концентрированную серную кислоту и изоамиловый спирт в сочетании с подогревом и последующим центрифугированием. Изоамиловый спирт и образующийся в присутствии серной кислоты серный эфир являются более капиллярноактивными поверхностно-активными веществами, чем белки и фосфолипиды оболочек жировых шариков, и вытесняют их с поверхности. Кроме этого, изоамиловый спирт, как и серная кислота обладают сильными водоотнимающими свойствами, поэтому при их добавлении происходит дегидратация как оболочечных белков, так и белков плазмы. Под действием серной кислоты все белковые вещества молока, в том числе и белки жировых шариков «сгорают» с образованием растворимых соединений, что уменьшает вязкость смеси и повышает эффективность отделения свободного жира центрифугированием. Для инженера-технолога очень важно знать факторы, которые обусловливают агрегативную устойчивость жировой эмульсии, уметь анализировать возможные последствия воздействия на жировую фазу различных приемов, способов, режимов обработки и переработки молока и выбирать параметры, позволяющие максимально сохранить ее стабильность, либо, напротив обеспечить дестабилизацию с целью выделения жировой фазы и получения сливочного масла. 10.4. Молоко как истинный раствор После выделения из молока жира и осаждения белков остается молочная сыворотка, представляющая собой истинный раствор, в котором находятся остальные растворенные в воде компоненты либо в молекулярно-дисперсном, либо в ионно-дисперсном состоянии. В виде ионно- или ионно-молекулярного дисперсного раствора в молоке содержатся соли калия, натрия, кальция, магния. В состоянии молекулярно-дисперсного раствора находятся лактоза, водорастворимые витамины, небелковые азотистые соединения, органические кислоты, некоторые ароматические вещества. Все соли калия и натрия (хлориды, гидро-, дигидрофосфаты, цитраты) диссоциированы практически полностью, то есть содержатся в ионно-дисперсном состоянии. Хлориды калия и натрия обусловливают осмотическое давление и электропроводность молока, а фосфаты входят в состав его буферной системы. В ионно-молекулярном состоянии в молоке содержится часть цитратов и фосфатов кальция и магния. Остальная часть этих солей находится в коллоидном состоянии. Между ними устанавливается равновесие. Соотношение этих форм играет важную роль в стабилизации белковых частиц молока. Так, фосфаты кальция в форме истинного раствора являются источниками образования ионов кальция, от активности которых зависят размер и устойчивость мицелл казеина при тепловой обработке, а также скорость сычужной коагуляции. По концентрации отдельных ионов в молоке нельзя судить об их активности, что объясняется действием ионов друг на друга, а также их взаимодействием с дисперсионной средой (водой) и дисперсными фазами других дисперсных систем. В таких растворах ионы и в меньшей степени молекулы не могут полностью проявлять свое действие. Оно тормозится взаимным влиянием, так как другие ионы экранируют их. Это явление называется «межионным взаимодействием». Определить коэффициенты активности ионов в молоке невозможно, поэтому их рассчитывают по величине ионной силы молока. Под ионной силой молока понимают полусумму произведений концентраций всех ионов (катионов и анионов) Сi на квадрат их заряда Zi. I= ½Σ Ci Zi2 Рассчитать ионную силу молока трудно, так как неизвестен состав фосфатов и цитратов кальция, а также степень их диссоциации. Ее рассчитывают условно принимая, что анионы цитратов и фосфатов находятся в форме одновалентных ионов Н2РО4- и С6Н7О7-. Ионная сила молока по данным различных авторов составляет от 0,079 до 0,089. Лактоза в молоке образует молекулярный раствор двух изомерных форм: α-гидратной и β-формы, которые при 20оС находятся в соотношении 37,75% (α-форма) и 62,25 (βформа). Знание физико-химических свойств изомерных форм лактозы необходимы в практике производства сгущенных молочных консервов, а также молочного сахара (см.тему 7, раздел 7.2. Структура лактозы, ее изомерные формы и физические свойства). Соотношение всех истинно растворимых веществ в молоке имеет определенную закономерность, при которой молоко имеет соответствующее осмотическое давление, температуру замерзания и кипения, и другие физико-химические свойства. Изменение содержания одного из компонентов в фазе истинного раствора влечет за собой изменение концентрации другого, чтобы сохранить физико-химические свойства биологической системы. Причем эта «корректировка» происходит на стадии синтеза молока. Например, для поддержания постоянного для молока осмотического давления при повышении содержания хлоридов в молоке в конце лактации происходит снижение содержания лактозы. Таким образом в молоке содержатся несколько взаимно влияющих друг на друга систем с различными физико-химическими видами равновесий. Равновесные отношения между различными фазами обусловливают сложную структуру молока и ее чувствительность к физическим, химическим и биологическим воздействиям. Наиболее четко выражены равновесные отношения между коллоидной системой и истинным раствором. На практике стоит задача выбрать такой щадящий режим обработки молока, чтобы влияние на равновесные отношения в нем было по возможности незначительным. В то же время при производстве ряда продуктов необходимо провести разделение полидисперсной системы молока на ее главные составные части, причем с минимальным влиянием на свойства компонентов молока. Чем лучше удается разделение системы на отдельные фазы, тем выше выход продукта. Контрольные вопросы Какие системы называют дисперсными и по каким признакам их классифицируют? Почему молоко называют сложной полидисперсной системой? Почему молоко характеризуют как коллоидную систему? Каковы современные представления о структуре мицелл казеина, обусловливающей коллоидное состояние золя? 5. Обозначить факторы устойчивости мицелл казеина с позиции теории ДЛФО. 6. При каких условиях возможен переход белковой фазы из золя в гель? 7. В чем заключается механизм кислотной коагуляции казеина? 8. Как объясняется механизм сычужной коагуляции с позиции гидролитической теории? 9. В чем заключается совместное осаждение казеина и сывороточных белков и какие способы совместной коагуляции используются в промышленных условиях? 10.Какие факторы обусловливают агрегативную устойчивость жировой эмульсии? 1. 2. 3. 4. 11.Каковы особенности строения оболочки жирового шарика? 12.При каких условиях возможно нарушение устойчивости жировой эмульсии? 13.Является ли процесс отстаивания жировой фазы в молоке дестабилизацией состояния эмульсии? 14.Обосновать факторы нарушения устойчивости жировой эмульсии. 15.Какие компоненты молока находятся в состоянии истинного раствора? 16.Какое значение имеют истинно растворимые компоненты в определении физикохимических свойств молока? 17.Какие растворимые компоненты оказывают стабилизирующее действие на белковую фазу? 18.Каковы основные физико-химические свойства изомерных форм лактозы, имеющие практическую значимость при выделении ее из молочной сыворотки в производстве молочного сахара? Тема 11. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ, ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОЛОКА Физико-химические свойства молока обусловливаются концентрацией, степенью дисперсности и другими характеристиками его составных компонентов, присутствующих в различных фазах молока, и взаимодействующих между собой в единой полидисперсной системе. Все физико-химические свойства в зависимости от влияния на них дисперсных фаз можно условно разделить на свойства, на которые существенно влияют частицы всех дисперсных фаз и свойства, зависящие от истинно растворимых составных компонентов молока. Частицы всех дисперсных фаз молока влияют на плотность, кислотность и окислительно-восстановительный потенциал. Вязкость и поверхностное натяжение определяются составными компонентами, находящимися в эмульгированном и коллоидном состояниях. Компоненты молока в состоянии молекулярной и ионно-молекулярной дисперсии обусловливают осмотическое давление, электропроводность, температуру замерзания. Физико-химические свойства используют для оценки качества молока-сырья, отдельные характеристики свойств используют при теплофизических расчетах, при создании современного оборудования и приборов контроля состава и свойств молока, для расчета скорости разделения в центробежном поле сепаратора и в других случаях. По изменениям физико-химических свойств сырого молока можно судить об изменении его качества и последствиях внешних воздействий на него. Например, при фальсификации молока водой изменяется содержание сухих веществ в молоке и понижается его плотность; при нарушениях функции молочной железы повышается содержание хлоридов и увеличивается электропроводность; при низком санитарно-гигиеническом уровне получения молока увеличивается содержание в нем бактерий, следствием чего является повышение титруемой кислотности молока и т.д. Под органолептическими свойствами молока понимают свойства, воспринимаемые органами чувств: внешний вид, цвет, консистенция, вкус и запах, которые зависят от содержания всех составных компонентов молока и его физико-химических показателей. К технологическим свойствам молока видимо можно отнести свойства, которые в значительной степени определяют проведение тех или иных технологических процессов в производстве молочных продуктов. Например, термоустойчивость молока отражает способность молока сохранять стабильность белковой фазы при нагревании; сычужная свертываемость – способность молока свертываться под действием сычужного фермента, что очень важно в производстве сыров, творога, белковых концентратов. В производстве взбитых молочных продуктов одним из основных технологических свойств исходного сырья является его способность к пенообразованию. Все свойства молока: физико-химические, органолептические и технологические обусловлены составляющими его компонентами и, следовательно, зависят от тех же факторов, что и состав молока (см. тему 4). В процессе обработки молока (центробежная очистка, пастеризация, гомогенизация и др.) и при переработке молока на различные молочные продукты возможны изменения физико-химических и органолептических свойств. Следовательно по отдельным физико- химическим и органолептическим показателям можно контролировать степень энергетических и механических воздействий, направленность и скорость физико-химических и биохимических процессов, а также состав, свойства и качество готовых продуктов и их соответствие требованиям стандартов. Плотность Плотность это величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объема, выражается в кг/м3 ( по международной системе единиц). Плотность молока, как сложной биологической системы зависит от содержания сухих веществ молока и от соотношения основных компонентов, так как каждый из них имеет определенную величину плотности. При 20оС плотность воды составляет 1000, белков – 1391, жира – 921, лактозы – 1610, минеральных солей – 2857 кг/м3. Плотность молока в среднем составляет 1029-1030 кг/м3, пределы колебаний – от 1027 до 1032 кг/м3. Плотность молока, определяемая сразу же после доения, ниже плотности, измеренной через несколько часов на 0,8-1,5 кг/м3, что объясняется частичным отвердеванием триацилглицеринов, улетучиванием части газов, увеличением плотности белков при охлаждении молока. Поэтому плотность молока – сырья определяется не ранее, чем через два часа после доения. В молоке плотность определяют ареометром (лактоденсиметром), который градуирован в г/см3. В некоторых расчетах, где используется величина этого показателя, плотность выражают в градусах ареометра (Ао). За градус ареометра принимают две последние цифры показаний (например, 1029 кг/м3 соответствует 29оА). Плотность молока, как и другие его физико-химические свойства зависит от породной принадлежности животного, его физиологического состояния, рационов кормления, стадии лактации и др. (см. тему 4). При фальсификации молока, например, при добавлении воды, плотность молока понижается (каждые 10% добавленной воды снижают этот показатель в среднем на 3 кг/м3. При разбавлении обезжиренным молоком плотность молока несколько повышается, так как плотность обезжиренного молока выше и составляет от 1033 до 1035 кг/м3. Поэтому величина плотности молока служит косвенным пока- зателем натуральности молока и в некоторой степени полноценности его химического состава относительно содержания основных компонентов. Титруемая кислотность Титруемая кислотность – это показатель, обусловленный содержанием в молоке компонентов кислотного характера: органических кислот, как в диссоциированном, так и в недоссоциированном виде, кислых солей, белков, растворенного в воде углекислого газа и некоторых других соединений. В России титруемую кислотность молока и молочных продуктов, кроме сливочного масла, выражают в условных единицах – градусах Тернера (оТ). Под градусами Тернера понимают объем (см3) раствора гидроксида натрия (калия) с концентрацией 0,1 моль/дм3, необходимого для нейтрализации кислых соединений в 100 см3 (100 г) молока (или продукта), разбавленного в два раза водой, в присутствии индикатора фенолфталеина. Механизм определения титруемой кислотности следующий. Содержащаяся в молоке молочная кислота является слабой кислотой и диссоциирует незначительно. При добавлении гидроксильных ионов (титрование щелочью) ионы водорода связываются в недиссоциированную воду. Для сохранения условий равновесия распадаются другие молекулы молочной кислоты и вновь образовавшиеся ионы водорода опять связываются добавлением ОН-ионов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не диссоциируют все присутствующие в молоке молекулы кислоты. Таким образом, при титровании раствором гидроокиси натра связывается все количество содержащейся в молоке кислоты. При титровании молока щелочью наряду с молочной кислотой нейтрализуются гидрофосфаты, гидроцитраты и кислотные группы казеина, а также другие органические кислоты, присутствующие в молоке. Таким образом, при титровании молока гидроксидом натрия в молоке нарушается динамическое равновесие между недиссоциированными молекулами (АН) и ионами (А-, Н+): АН ↔ А- + Н+. Добавляемые при титровании гидроксильные ионы (ОН-) связывают ионы водорода в слабодиссоциированные молекулы воды: Н+ + ОН- →Н2О. В результате удаления из раствора ионов водорода диссоциионное равновесие сдвигается вправо – в сторону распада молекул на ионы. То есть, по мере добавления гидроксида натрия все молекулы кислых соединений постепенно распадаются на ионы, при этом ионы водорода нейтрализуются гидроксилами. Кислотность свежего молока составляет 16-18оТ. Она обусловлена наличием в молоке кислых солей: гидро- и дигидрофосфатов, дигидроцитратов – около 9-13оТ, белков – около 4-6оТ; углекислоты, молочной кислоты, лимонной, аскорбиновой, СЖК – около 3оТ. Повышение титруемой кислотности при хранении молока обусловлено развитием в нем микроорганизмов, сбраживающих продукты гидролиза лактозы (моносахара) с образованием молочной кислоты. Повышение кислотности вызывает нежелательные явления, например снижение устойчивости белков к нагреванию. Поэтому показатель – титруемая кислотность – служит для определения свежести молока. Титруемая кислотность молозива на 5-6 оТ выше, чем кислотность нормального молока за счет значительного повышения содержания в нем сывороточных белков. Стародойное молоко и молоко от больных животных имеет кислотность на несколько градусов ниже (на 5-8оТ) по сравнению с нормальным, в основном за счет повышенного содержания основных солей – хлоридов. Кроме названных факторов – состояние здоровья и стадия лактации – на титруемую кислотность молока влияют породная принадлежность, рационы кормления и др. Так, например, при недостатке солей кальция в кормах нарушается минеральный обмен в организме коров, следствием чего является повышение титруемой кислотности молока до 23-25оТ. По величине титруемой кислотности контролируют все технологические процессы производства молочных продуктов, основой которых является молочнокислое брожение: кисломолочные напитки, сметана, кисломолочные белковые продукты. Кроме этого, титруемая кислотность многих продуктов (пастеризованного и стерилизованного молока, сливок, различных напитков как свежих, так и кисломолочных, творога и др.) является одним из критериев соответствия их требованиям, регламентированным нормативными документами. 11.3. Активная кислотность и буферные свойства Величина рН – активная кислотность - характеризует концентрацию свободных водородных ионов (активность) в молоке и численно равна отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов (Н+), выраженной в моль на 1 дм3. Величина рН цельного молока составляет в среднем 6,7, при активности ионов водорода 2.10-7 моль.(дм3)-1. Источниками ионов водорода в молоке являются органические кислоты (молочная, аскорбиновая, лимонная и др.), кислые соли (натриевые и калиевые соли ортофосфорной, лимонной, угольной кислот), белки. Но на величину рН влияет только та часть кислых соединений, которая находится в диссоциированном виде. Таким образом, определение величины рН позволяет выявить только часть кислых соединений (находящихся в диссоциированном виде), а определение титруемой кислотности – всех компонентов, имеющих кислотный характер. По величине активной кислотности нельзя характеризовать свежесть молока, так как изменение активной кислотности сдерживается буферными свойствами молока. Наглядным доказательством этого служит тот факт, что несмотря на действие молочнокислых бактерий, и как следствие, некоторое накопление молочной кислоты в процессе доставки и хранения молока, величина его рН изменяется медленнее, чем титруемая кислотность. Буферные свойства молока обусловлены наличием в нем ряда буферных систем. Следует вспомнить, что буферные системы обладают способностью поддерживать величину рН среды при добавлении кислот или щелочей и могут состоять из слабой кислоты и ее соли, образованной сильным основанием, или из смеси двух кислых солей слабой кислоты, а также и то, что белки, благодаря своим амфотерным свойствам, проявляют буферное действие. Буферная способность белков молока объясняется наличием в их молекулах аминных и карбоксильных групп. Карбоксильные группы вступают в реакцию с ионами водорода образовавшейся или добавленной молочной кислоты: N+H3 N+H3 R + H+ ↔ R COOCOOH Кислотная диссоциация белков незначительна, поэтому концентрация ионов водорода остается постоянной, в то время как тируемая кислотность повышается, так как при определении в реакцию со щелочью вступают как активные, так и первоначально связанные ионы водорода. Буферная способность фосфатов заключается во взаимном переходе гидрофосфатов в дигидрофосфаты и обратно. При добавлении (образовании) кислоты часть гидрофосфатов переходит к дигидрофосфаты НРО42- + Н+ → Н2РО4- , так как анион Н2РО4- слабо диссоциирует на Н+ и НРО42-, то рН молока почти не изменяется, а титруемая кислотность возрастает. Цитраты и бикарбонаты в условиях повышения кислотности молока вступают в реакцию с ионами Н+ аналогично фосфатам. Трехосновная лимонная кислота – НОС (СН2СООН)2СООН – при рН свежего молока практически вся присутствует в виде трехвалентных ионов цитрата – Zit3-, с повышением кислотности трехвалентные ионы переходят в форму двухвалентных - Zit2- и одновалентных цитратов Zit-, поэтому в молоке работают дополнительные цитратные буферные системы: Z2/3=Zit3-/Zit2- и Z1/2=Zit2-/Zit-. Действие карбонатного буфера заключается в следующем: НСО3- + Н+ →Н2СО3. В процессе молочнокислого брожения вследствие накопления анионов молочной кислоты (лактатов), образующих с недиссоциированной молочной кислотой типичную буферную систему, появляется дополнительно лактатная буферная система. Следует иметь в виду, что действие буферных систем зависит от степени (константы) диссоциации входящих в их состав компонентов. Для удобства цифрового выражения степень диссоциации выражают величиной рК – отрицательным логарифмом константы диссоциации. Буферные системы молока имеют следующие величины рК: фосфатный буфер – 7; гидрокарбонатный – 6,5; белковый – 6; цитратный (Z2/3) – 5,6; цитратный (Z1/2) – 4,4 и лактатный – 3,9. Действие буферных систем в молоке происходит в определенной последовательности и зависит от величины их рК. Например, при накоплении в молоке молочной кислоты при его сквашивании молочнокислыми бактериями, или при титровании молока раствором с концентрацией соляной кислоты 0,01 моль/дм3 (процессы равнозначны) происходит постепенный сдвиг рН в кислую сторону. На начальной стадии этих процессов (при рН свежего молока) начинает работать фосфатный буфер с самым высоким значением рК, затем – гидрокарбонатный и белковый, при достижении активной кислотности молока до рН 5,5 начинает работать цитратный буфер, а затем лактатный. При рН молока ниже 5,2 лактатный буфер прекращает свое действие, так как возрастающее количество ионов лактата снижает степень диссоциации молочной кислоты, то есть буферная способность молока будет исчерпана, значение рН резко снижается, следствием чего является понижение активности молочнокислых бактерий. Таким образом, благодаря наличию буферных систем, молоко устойчиво к естественному изменению кислотности. Изменение рН в щелочную сторону невозможно при нормальных условиях в процессе хранения молока. Однако при добавлении к молоку щелочи буферные системы молока некоторое время предотвращают повышение величины рН. Например, белки и фосфаты реагируют следующим образом: N+H3 NH2 R + OH ↔ R + H2O; COO COO H2PO4ˉ + OHˉ ↔ HPO4 2ˉ + H2O То есть, буферные системы связывают гидроксильные ионы с образованием воды, исключая возможность сдвига рН в щелочную сторону. Для количественного выражения буферной способности молока введено понятие «буферная емкость». Под буферной емкостью молока понимают объем (см3) раствора соляной кислоты (или гидроксида натрия) с концентрацией 1 моль/дм3, который необходимо добавить к 100 см3 молока для сдвига рН на единицу. Буферная емкость свежего нормального молока по кислоте может быть в пределах от 1,7 до 2,6, а по щелочи – от 1,2 до 1,4. Наличие буферных систем в биологических жидкостях имеет большое значение: это своего рода защита живого организма от возможного резкого изменения рН. Буферная способность составных частей молока играет большую роль в жизнедеятельности молочнокислых бактерий, имеющих строго определенный оптимум величины рН. В производственных условиях измерение рН имеет большое значение, так как от величины рН зависят: - коллоидное состояние белков молока, а следовательно, стабильность полидисперсной системы; - условия роста полезной и вредной микрофлоры и, как следствие, направленность микробиологических и биохимических процессов на различных стадиях производства продуктов (например, натуральных сыров); - - скорость образования компонентов вкуса и аромата отдельных продуктов; состояние равновесия между ионизированным и коллоидным фосфатом кальция и обусловленная этим термоустойчивость белков; активность нативных и бактериальных ферментов. 11.4. Окислительно-восстановительный потенциал Окислительно-восстановительный потенциал молока (Е) – редоксипотенциал - является количественной мерой способности системы отдавать (процесс окисления) или присоединять (процесс восстановления) электроны. Нормальное свежее молоко имеет потенциал от 250 до 350 МВ. В качестве измерительных приборов для определения этого показателя в молоке используют рН-метры со шкалой в милливольтах. Основными факторами, влияющими на величину потенциала, являются концентрация растворенного кислорода и присутствие химических соединений, способных отдавать или присоединять электроны. Основные компоненты молока (жир, лактоза, белки) не влияют на величину окислительно-восстановительного потенциала. Молоко содержит ряд химических соединений, способных отдавать или присоединять электроны: аскорбиновую кислоту, токоферолы, цистеин, рибофлавин, молочную кислоту, коферменты окислительно-восстановительных ферментов, металлы и др. В окислительно-восстановительную систему молока входят разнообразные системы, например: аскорбиновая кислота 2 цистеин 2Н 2Н молочная кислота 2Н 2Н дегидроаскорбиновая кислота; цистин; 2Н 2Н пировиноградная кислота. На величину окислительно-восстановительного потенциала оказывают значительное влияние концентрация ионов водорода, а также виды и количество ферментов. Значимость этих факторов зависит от многих условий: содержания бактерий в молоке и их разновидностей, режимов тепловой обработки и хранения и др. Любое изменение концентрации содержащихся в молоке окислителей и восстановителей может вызвать изменение окислительновосстановительного потенциала. Например, нагревание ведет к улетучиванию растворимого кислорода и к разрушению аскорбиновой кислоты. Поэтому потенциал пастеризованного молока значительно ниже, а сухое молоко имеет еще меньший потенциал, в результате чего характеризуется повышенной устойчивостью к окислительным воздействиям. Максимальное изменение окислительно-восстановительного потенциала обусловлено активным обменом веществ микроорганизмов. Микроорганизмы потребляют кислород и вырабатывают ферменты, которые оказывают восстановительное действие. Величина окислительно-восстановительного потенциала при этом резко снижается. На изменении его величины основан метод определения бактериальной обсемененности молока по редуктазной пробе. При определенном значении Е индикаторы метиленовый голубой, или резазурин, внесенные в молоко, восстанавливаются, обесцвечиваясь или изменяя окраску. Чем больше бактерий в сыром молоке, тем быстрее падает Е и восстанавливаются метиленовый голубой и резазурин. От величины Е зависит интенсивность протекания в молочных продуктах биохимических процессов (сыры, кисломолочные продукты): протеолиз, распад аминокислот, лактозы, липидов и др. и накопление ароматических веществ (диацетила и др.). Возникновение в молоке и молочных продуктах таких пороков вкуса, как окисленный, металлический привкус обусловлено повышением окислительновосстановительного потенциала среды. 11.5. Вязкость и поверхностное натяжение Вязкость – это свойство среды оказывать сопротивление относительному смещению ее слоев. За единицу вязкости в Международной системе единиц (СИ) принята паскаль-секунда (Па с). Паскальсекунда – это динамическая вязкость среды, касательное напряжение в которой при ламинарном течении и разности скоростей слоев, находящихся на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равной 1 м/с, равно 1 Па. Жидкости, вязкость которых не зависит от скорости сдвига, называются «ньютоновскими». Цельное и обезжиренное молоко несущественно отличается от «ньютоновских» жидкостей. Вязкость молока можно представить как сумму вязкости воды и приращений вязкости от дисперсных фаз (белки, жиры, углеводы). Вязкость цельного молока составляет в среднем при 20оС 1,8.10-3 Па с (обезжиренного – 1,5.10-3 Па с, молочной сыворотки 1,2.10-3 Па с). Вязкость молока зависит от содержания жира, казеина, степени дисперсности и гидратации мицелл казеина и шариков жира, а также от кислотности, температуры и способов обработки молока. Так, вязкость гомогенизированного молока выше, чем негомогенизированного. Это обусловлено увеличением общей площади поверхности жировых шариков и адсорбцией белков на их оболочках, а также повышением степени дисперсности частиц белковой фазы. В молочной промышленности большой практический интерес представляет вязкость сильно структурированных молочных продуктов – сметаны, кисломолочных напитков и др. Вязкость этих продуктов, обусловленная образованием внутренних структур, отличается от истинной вязкости ньютоновских жидкостей (к которым условно относят цельное молоко). Для них введено понятие «эффективная вязкость», которая характеризует равновесное состояние между процессами восстановления и разрушения структуры. Поверхностное натяжение молока рассматривается как сила, действующая на единицу длины границы раздела фаз молоко-воздух, и стремящаяся сократить поверхность до минимума при заданных объемах фаз. Поверхностное натяжение молока при 20оС составляет около 44.10-3 Н/м, что в 1,7 раза ниже поверхностного натяжения воды. Это объясняется тем, что молоко содержит поверхностно активные вещества (ПАВ): белки, фосфолипиды, жирные кислоты. Поверхностное натяжение молока зависит от температуры, химического состава, состояния белковой и жировой фаз, активности липаз, продолжительности хранения, режимов технологической обработки. Поверхностное натяжение снижается при нагревании молока и особенно сильно при липолизе, так как в результате гидролиза жира образуются ПАВди- и моноацилглицерины, свободные жирные кислоты, понижающие величину поверхностной энергии. При переработке молока поверхностное натяжение возникает также на границе раздела других фаз: жир-плазма и воздух-плазма, способствуя гидратации оболочек жировых шариков и пенообразованию. Пенообразование имеет большое значение для некоторых процессов переработки молока, например для маслообразования, фризе- рования смеси при производстве мороженого, в производстве взбитых десертов и др. Однако, пенообразование при получении, транспортировании, перекачивании, сепарировании и сгущении молока отрицательно влияет на качество молока и вырабатываемых продуктов. Это объясняется возможностью дестабилизации жировой эмульсии при пенообразовании, появления свободного жира, активизации липаз и, как следствие, гидролитичечского расщепления жира, а также окисления свободного жира. 11.6. Осмотическое давление и температура замерзания молока Эти физико-химические свойства молока взаимообусловлены и зависят от наличия истинно растворимых компонентов молока: лактозы и солей в ионизированном состоянии (преимущественно хлоридов и фосфатов калия и натрия). Осмотическое давление – это избыточное гидростатическое давление молока, препятствующее диффузии воды через полупроницаемую перегородку (мембрану). Температура замерзания – это температура, при которой молоко переходит из жидкого состояния в твердое. Осмотическое давление молока с нормальным химическим составом постоянно, близко по величине к осмотическому давлению крови животного и составляет в среднем 0,66 Мпа. Температура замерзания молока составляет минус 0,54 оС. Осмотическое давление рассчитывают по температуре замерзания. Согласно законам Рауля и Вант-Гоффа Росм = Δt . 2, 269 / К, Где: Δt – понижение температуры замерзания исследуемого раствора, о С; 2,269 – осмотическое давление 1 моль вещества в 1 дм3 раствора, Мпа; К – криоскопическая постоянная растворителя, для воды равна 1,86. Следовательно, при температуре замерзания молока минус 0,54оС (Δt равна 0,54 оС) его осмотическое давление Росм = 0,54 . 2,269 / 1,86 = 0,66 МПа Осмотическое давление молока, как любых биологических жидкостей, поддерживается на постоянном уровне. При повышении в молоке содержания хлоридов (в конце лактации) одновременно снижается содержание лактозы. Температура замерзания молока довольно стабильный показатель. Изменяется она при заболевании животных и при разбавлении молока водой. По этому показателю судят о натуральности молока (криоскопический метод). 11.7. Электропроводность и теплофизические свойства Электропроводность молока обусловлена содержанием в нем ионов, изменения концентраций которых отражаются на величине этого показателя. Удельная электропроводность молока относительно невелика и в среднем составляет 46.10-2 См/м с колебаниями от 40.10-2 до 60.10-2 См/м. За единицу измерения удельной электропроводности (единицу СИ) принят сименс на метр (См/м). Сименс на метр равен удельной электрической проводимости проводника, который при площади поперечного сечения 1 м2 и длине 1 м имеет электрическую проводимость 1 См. Сименс равен электрической проводимости проводника сопротивлением 1 Ом. Наибольшее влияние на удельную электропроводность молока оказывают ионы: Cl-, Na+, K+, H+, Ca++ и др. Имеющие электрические заряды казеин, сывороточные белки, жировые шарики в силу относительно больших размеров передвигаются медленно и в некоторой степени снижают подвижность ионов, то есть несколько уменьшают электропроводность молока. Электропроводность молока зависит от породной принадлежности животного, стадии лактации, состояния здоровья и др. Например, молоко, полученное от животных больных маститом и в конце лактации, имеет повышенное содержание хлоридов и, следовательно, повышенную электропроводность, равную 1,3 и 0,65 См/м, соответственно. Электропроводность молока повышается при нарастании кислотности, при концентрировании (сгущении) до определенного содержания сухих веществ (в концентрате обезжиренного молока около 25%), но при последующем концентрировании электропроводность начинает снижаться. Это объясняется взаимным влиянием увеличения концентрации и снижения диссоциации, а также повышением вязкости и межионным взаимодействиями. Разбавление молока водой способствует снижению электропроводности. Измерение электропроводности используют для контроля степени сгущения в производстве сгущенного молока, сгущенной мо- лочной сыворотки, для выявления добавленных в молоко нейтрализующих средств (с целью снижения титруемой кислотности), при контроле скорости растворения сухого молока. Кроме этого, в молочной промышленности контролируют по электропроводности концентрации моющих щелочных растворов. Теплофизические свойства молока: удельная теплоемкость, теплопроводность, коэффициент температуропроводности, зависят от температуры, содержания сухих веществ и влаги, жира, кислотности, степени дисперсности жировой фазы и др. Количественные характеристики этих свойств используют при проведении расчетов затрат теплоты или холода на нагревание или охлаждение молока или молочных продуктов. Удельная теплоемкость, теплопроводность и коэффициент температуропроводности взаимообусловлены: а , СР где: а – коэффициент температуропроводности, м2/с; λ – теплопроводность, Вт/(м К); С – удельная теплоемкость, Дж/(кг К); Р – плотность продукта, кг/м3. Удельная теплоемкость цельного молока, как и удельная теплоемкость воды и обезжиренного молока в интервале температур от 273 до 333 оК (от 0 до 60оС) изменяется незначительно. В этом интервале температур ее можно считать величиной постоянной, равной 3900 Дж/(кг К). (Джоуль на килограмм-кельвин равен удельной теплоемкости вещества, имеющего при массе 1 кг теплоемкость 1 Дж/К). Теплопроводность молока при 20 оС составляет 0,5 Вт/м К. (Ватт на метр-кельвин равен теплопроводности вещества, в котором при стационарном режиме с поверхностной плотностью теплового потока 1 Вт/м2 устанавливается температурный градиент 1 К/м). Теплопроводность молока увеличивается с повышением температуры и незначительно уменьшается с увеличением содержания в нем жира. Коэффициент температуропроводности – параметр, характеризующий скорость изменения температуры вещества в нестационарных тепловых процессах, или мера теплоинерционных свойств вещества. Коэффициент температуропроводности молока зависит от температуры, плотности, содержания воды и жира. Для молока при 20оС равен около 13.10-8 м2/с. 11.8. Органолептические свойства К органолептическим свойствам относят те свойства, которые воспринимаются органами чувств: внешний вид, цвет, консистенция, вкус и запах. Российским стандартом на молоко-сырье эти показатели характеризуются следующим образом. Молоко должно быть однородной жидкостью, без осадка и хлопьев, белого или слабо-кремового цвета с запахом и вкусом, свойственным для молока, без посторонних запахов и привкусов. Белый цвет и непрозрачность молока обусловливают рассеивающие свет коллоидные частицы белков и жировые шарики, кремовый оттенок – растворимые в жире каротиноиды. Охарактеризовать вкус нормального молока очень трудно, это ровный и приятный вкус, в котором отдельные вкусовые и ароматические вещества не выделяются, но ощущаются некоторые оттенки вкуса, например слабовыраженный сладковато-солоноватый, присущий только молоку. Сладковатосолоноватый привкус обусловлен наличием в молоке лактозы и хлоридов. При повышенном содержании хлоридов в конце лактации или при инфицировании вымени молоко безвкусно, или солоноватое на вкус. До настоящего времени нельзя с уверенностью сказать, какие вещества обусловливают слабый, но характерный запах молока. К числу ароматических и вкусовых веществ сырого молока относят большое количество соединений различных групп, которые могут присутствовать в виде следов, в концентрациях от сотых долей до нескольких миллиграмм в 100 см3 молока. К ним относят альдегиды, кетоны, жирные кислоты, сернистые и карбонильные соединения и др. В молоке обнаружены ацетон, ацетальдегид, масляная, капроновая и другие летучие жирные кислоты, пировиноградная и молочная кислоты, азотистые соединения: свободные аминокислоты, пептиды, амины, аммиак, особое значение в образовании аромата молока приписывают диметилсульфиду и другим сернистым соединениям. Несомненно, что содержание этих соединений обусловлено различными факторами. Так, концентрация сернистых соединений зависит исключительно от состава кормовых рационов; ацетона – от состояния здоровья животных и от рационов кормления; свободных жирных кислот – от степени гидролиза жира; пировиноградной кислоты – от степени загрязнения молока посторонней микрофлорой и т.д. Вкус и запах молока зависят не только от наличия и концентрации определенных ароматических веществ, но и от их соотношения. Повышение содержания в молоке отдельных вкусовых и ароматических веществ, изменения в их соотношениях приводят к изменению нормального вкуса и запаха молока и появлению пороков. Причинами появления пороков органолептических свойств молока могут быть: нарушение физиологических процессов в организме животного вследствие заболеваний, на различных стадиях лактации; поступление в молочную железу с кровью различных специфических вкусовых и ароматических веществ, содержащихся в кормах; нарушение санитарных правил получения, правил хранения, транспортировки и первичной обработки молока, следствием чего являются, как правило, липолиз и окисление липидов, гидролиз белков, дестабилизация жировой и белковой фаз и т.д. 11.9. Технологические свойства При общих требованиях к санитарному качеству, физико-химическим и органолептическим характеристикам молока – сырья, регламентируемым государственным стандартом, в производстве различных групп молочных продуктов предъявляются дополнительные требования, которые касаются качественного состава микрофлоры; жировой и белковой фаз, их степени дисперсности, отношения к действию температур; соотношения солей в системе; комплекса биологических свойств молока как среды для развития заквасочной микрофлоры и ряда других свойств, которые обеспечивают направленность проведения технологических процессов. Именно эти свойства принято называть технологическими. Так, например, производство кисломолочных продуктов основано на коагуляции белковой фазы под действием молочной кислоты, образующейся при сбраживании продуктов гидролиза лактозы ферментными системами заквасочных культур молочнокислых бактерий. Следовательно, способность к коагуляции зависит от общего содержания белков и лактозы и активности молочнокислых бактерий. Молоко с низким содержанием сухого обезжиренного остатка имеет пониженную кислотность, но сквашивается быстрее, так как буферная емкость его понижена. Активность заквасочной микрофлоры в значительной степени зависит от наличия источников азотистого питания, в основном свободных аминокислот, при низком уровне которых в молоке (весенний период) технологический процесс коагуляции замедляется. Производство сливочного масла основано на выделении и дестабилизации жировой фазы и последующем формировании структуры продукта под воздействием различных технологических приемов и режимов, использование которых обусловлено физикохимическими свойствами триацилглицеринов молочного жира. В производстве сычужных сыров очень важно, чтобы молоко имело не только полноценный состав, но и определенные фракционный состав казеина и степень дисперсности его мицелл, достаточное количество ионизированного кальция, обеспечивающих процесс сычужной коагуляции молока. Для характеристики молока как сырья для производства детских молочных продуктов необходимо иметь максимально полную информацию о содержании в нем как основных компонентов, так и микроэлементов и биологически активных веществ. В производстве сгущенных и стерилизованных, а также детских продуктов одним из главных требований к молоку является стабильность белковой фазы к высокотемпературным воздействиям – термостабильность (термоустойчивость) белков. Однако, из-за сложности методов контроля и отсутствия экспресс-методов, приемлемых в производственных условиях, до настоящего времени исключается возможность контроля многих технологических свойств молока. В реальных условиях производства при необходимости контролируют термоустойчивость и сычужную свертываемость молока. Термоустойчивость. Этот показатель отражает важное технологическое свойство молока – способность сохранять агрегативную устойчивость белков при высоких температурах. Термоустойчивость прежде всего зависит от степени дисперсности мицелл казеина, на которую влияют титруемая кислотность молока, его солевой состав и соотношение фракций в мицеллах казеина, а также содержание сывороточных белков. Чем выше степень дисперсности мицелл, тем выше термоустойчивость казеина и наоборот. Принято считать, что мелкие мицеллы содержат меньше коллоидного фосфата кальция и больше защитного κ-казеина, чем крупные. При повышении титруемой кислотности молока происходят снижение отрицательного заряда на поверхности казеиновых мицелл, а, следовательно, степени их гидратации и переход коллоидных солей кальция в ионно-молекулярное состояние (нарушение солевого равновесия). Следствием этих изменений являются уменьшение сил электростатического отталкивания между мицеллами, их агрегация при участии ионизированного кальция и снижение степени дисперсности. В процессе нагревания происходит частичная дегитратация мицелл казеина и денатурация сывороточных белков, которые в денатурированном состоянии взаимодействуют с поверхностной фракцией мицелл казеина – κ-казеином. При повышенном их содержании в молоке, поверхность мицелл казеина не в состоянии полностью принять на себя все денатурированные сывороточные белки, их избыток выпадает в осадок. При этом степень дисперсности мицелл казеина возрастает, а устойчивость к нагреванию понижается. Поскольку одними из главных факторов термоустойчивости молока являются рН среды и концентрация ионов кальция, то в основу методов определения термоустойчивости положены ее зависимость от этих характеристик: контроль молока по величине рН; измерение концентрации ионов кальция в молоке ионометрическим методом; оценка термоустойчивости в зависимости от объема добавленного 1% раствора хлорида кальция (хлоркальциевая проба). Устойчивость белковой фазы молока к нагреванию оценивают также по алкогольной пробе. Метод основан на снижении диэлектрической постоянной раствора белка и уменьшении его гидратации при добавлении к молоку этилового спирта. Взаимодействие между белком и спиртом тем сильнее, чем в более неустойчивой форме белок присутствует в растворе. Сычужная свертываемость. Это свойство молока характеризует его способность свертываться под действием внесенного сычужного фермента с образованием плотного сгустка. Продолжительность сычужной коагуляции белков и реологические характеристики получаемого сгустка зависят от концентрации ионов водорода в среде, содержания казеина, его фракционного состава, размера мицелл казеина, соотношения ионизированного кальция и коллоидного фосфата кальция. Содержание казеина в молоке, его фракционный состав, включая генетические варианты, определяют скорость сычужного свертывания и плотность сгустка. Принято считать, что содержание казеина в молоке должно составлять не менее 2,5% при максимальном содержании в нем αS- и β-казеинов. При этом преобладание в составе фракций казеина генетических вариантов В β- и κ-казеинов уменьшает продолжительность сычужного свертывания и способствует получению более плотного сгустка. Увеличение в составе казеина γ- фракций ухудшает способность молока у сычужному свертыванию, поскольку эта фракция не свертывается под действием сычужного фермента. Степень дисперсности мицелл казеина также влияет на скорость процесса. Чем она выше, тем больше общая поверхность мицелл казеина, следовательно концентрация внесенного фермента на единицу поверхности будет ниже и скорость процесса, будет замедляться. Процесс сычужного свертывания зависит от активной кислотности молока, поскольку от величины рН зависит стабильность мицелл казеина, соотношение ионизированного кальция и коллоидного фосфата кальция, а также активность внесенного фермента. Оптимальной для сычужного свертывания величиной принято считать рН в диапазоне от 6,5 до 6,6, хотя скорость процесса в этом случае ниже, чем при рН 6,0, при которой активность фермента выше. Но при снижении величины рН до этого уровня происходит переход мицеллярного кальция в сыворотку, что влияет на свойства сгустков. На коагуляционной стадии процесса сычужного свертывания важное значение имеет концентрация ионизированного кальция, принимающего участие в формировании структуры сгустка. Роль ионов кальция в образовании сгустка состоит в том, что они осуществляют перекрестные связи мицелл друг с другом через фосфосерильные остатки казеинов. Предполагается также, что положительно заряженные ионы Са2+ нейтрализуют остатки поверхностного заряда, а значит снижают гидратацию, которую частично сохраняют мицеллы казеина. Учитывая роль ионов кальция в сычужном свертывании, при условии частичной потери их при тепловой обработке, перед свертыванием вносят дополнительно раствор хлорида кальция. Таким образом, технологические свойства молока определяются количественным и качественным составом его компонентов, стабильностью различных дисперсных фаз, физикохимическими свойствами молока как единой полидисперсной системы и обусловлены множеством тех же факторов, которые оказывают влияние на состав и физико-химические свойства молока. Контрольные вопросы 1. От чего зависит плотность молока? 2. Что характеризует показатель «титруемая кислотность» молока и в чем заключается механизм его определения? 3. Что понимают под активной кислотностью молока и в чем заключаются различия в оценке молока по этому показателю и титруемой кислотностью? 4. Какие буферные системы содержит молоко и в чем заключается их действие? 5. Что понимают под буферной емкостью молока, от чего она зависит? 6. Какое значение имеет контроль активной кислотности (рН) молока в производственных условиях? 7. От чего зависит окислительно-восстановительный потенциал молока и как он изменяется в процессе хранения и обработки молока? 8. От чего зависит вязкость молока? 9. Чем обусловлено поверхностное натяжение молока и какие факторы на него влияют? 10.Чем обусловлено осмотическое давление молока? 11.Какие факторы влияют на электропроводность молока? 12.Что означают теплофизические характеристики молока и в каких случаях их используют? 13.Как характеризуются органолептические свойства молока, чем они обусловлены? 14.Что понимают под технологическими свойствами молока? 15.Что характеризует показатель термоустойчивость молока? 16.Какие факторы влияют на сычужную свертываемость молока? ТЕМА 12. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МОЛОКА ПРИ ЕГО ХРАНЕНИИ И ОБРАБОТКЕ При хранении, транспортировке и предварительной обработке молока происходят структурные изменения его составных компонентов и как следствие, изменения физико-химических, органолептических и технологических свойств. В процессе хранения молока в условиях низких температур или в замороженном состоянии, при механической и тепловой обработке его меняется состав оболочек жировых шариков, нарушается их целостность, образуются агрегаты, скопление шариков и т.д. В результате частичной дестабилизации жировой эмульсии появляется деэмульгированный (свободный) жир, что способствует увеличению потерь жира при технологической переработке молока и снижению стойкости молочных продуктов при хранении. В процессе хранения молока в условиях низких температур возможна миграция β-казеина в плазму без видимого нарушения мицелл и его последующий гидролиз под действием плазмина молока с образованием γ-казеинов и протеозо-пептонов. Механические и тепловые воздействия могут вызвать нарушение структуры казеина и денатурацию сывороточных белков. Кроме этого, пастеризация и стерилизация способствует изменению солевого равновесия молока, образованию соединений, влияющих на вкус, запах, цвет и биологическую ценность молочных продуктов. Под воздействием этих факторов происходят изменения свойств ферментов (их активизация или, наоборот, инактивирование), разрушение части витаминов и некоторые другие физико-химические изменения молока. Все эти изменения связаны с энергетическими воздействиями, которые обусловливают возможность разрыва различных типов связей в составных частях молока. Разрыв различных межмолекулярных и внутримолекулярных связей в результате воздействия механической или тепловой энергии может привести к следующим последствиям. Например, под воздействием механической энергии нарушаются гидрофобные связи, следствием чего является десорбция белко- вых компонентов с оболочек жировых шариков и дезагрегация казеиновых мицелл. Под воздействием тепловой энергии происходит разрыв водородных и ковалентных связей, в результате – необратимая денатурация белков, образование продуктов распада с интенсивным вкусом и запахом, разрушение витаминов. Под воздействием энергии излучения (ультрафиолетовый свет) происходит нарушение ковалентных связей и начинается самоокисление молочного жира. Возможность разрыва связей, а следовательно, изменения составных частей молока зависят от продолжительности энергетического воздействия, от присутствия каталитически действующих веществ, от величины рН среды, а также от величины окислительновосстановительного потенциала. 12.1. Изменения при хранении в условиях низких температур и транспортировке Сразу после выдаивания молоко охлаждают, чтобы затормозить жизнедеятельность микроорганизмов. Охлаждение осуществляют до температуры 6…10оС – нормальное охлаждение, до 2…6оС – глубокое охлаждение, в отдельных случаях – от минус 12 до минус 25оС – замораживание. При охлаждении значительным изменениям подвержены компоненты молока с гидрофобными связями, которые при охлаждении ослабляются (прежде всего белки и жир). Белки. С понижением температуры прочность гидрофобных связей уменьшается. Часть мицеллярного казеина переходит в растворимую форму, что объясняется большим количеством гидрофобных групп у β-казеина. При длительном хранении (двое суток) охлажденного молока может произойти гидролиз βказеина под действием нативной протеазы – плазмина с образованием γ-казеинов и протеозо-пептонной фракции, что отрицательно сказывается на способности молока свертываться под действием сычужного фермента, синеретических свойствах белковых сгустков и термоустойчивости молока (технологические свойства молока). Кроме этого, при длительном хранении охлажденного молока возможен гидролиз белков под действием бак- териальных протеаз, которые в большей степени атакуют κказеин и могут способствовать накоплению горьких пептидов и других нежелательных продуктов, придающих молоку посторонние привкусы. При хранении замороженного молока происходит сначала частичная дезагрегация мицелл казеина, а затем мицеллы соединяются в плотные частицы, которые осаждаются при оттаивании молока. За счет этого также ухудшаются технологические свойства молока. Липиды. Охлаждение молока сопровождается частичным изменением агрегатного состояния молочного жира: часть триацилглицеринов в глицеридном ядре жирового шарика переходит в кристаллическое состояние. Происходят изменения в оболочке жировых шариков за счет перехода части оболочечного вещества в плазму, как следствие, потери отрицательного заряда и ослабления гидратации. Оболочка при этом приобретает хрупкость, несколько истончается и при дополнительных воздействиях (перекачивание, перемешивание, транспортирование) может стать проницаемой для жидкого жира. В этом случае уже происходит дестабилизация жировой эмульсии (см.тему 10, п. 10.3.2. «Факторы нарушения устойчивости жировой эмульсии»). Следствием таких изменений может явиться наличие деэмульгированного жира и его гидролиз под действием нативных липаз или липаз психротрофных микроорганизмов. Нативные липазы могут вызывать два вида липолиза: спонтанный и индуцированный. Спонтанный липолиз характерен для молока с повышенным содержанием липаз (стародойного, от больных животных). В данном случае плазменная липаза связывается с оболочками жировых шариков и вызывает гидролиз жира. Индуцированный липолиз возникает при нарушении оболочек жировых шариков вследствие механических воздействий (перемешивания, перекачивания, транспортирования), которые приводят к активированию липазы. Следствием липолиза является накопление свободных жирных кислот (СЖК), особенно кислот от С4 до С12, которые обусловливают появление порока вкуса – прогорклый. При замораживании молока и последующем его оттаивании также происходит деэмульгирование жира. Это обусловлено тем, что коэффициент теплого расширения жира более чем в 2 раза превышает коэффициент теплового расширения льда. Увеличение объема жира при повышении температуры больше, чем льда, поэтому на поверхности раздела фаз лед – жир возникают напряжения, вызывающие повреждение оболочек жировых шариков. Следствием появления деэмульгированного жира является накопление продуктов его гидролиза и появление прогорклого вкуса. Соли кальция и фосфора. При хранении, охлаждении молока возможно перераспределение форм солей. При хранении молока даже в условиях низких температур происходит накопление молочной кислоты (некоторое повышение титруемой кислотности), что приводит к снижению отрицательного заряда белковых частиц и нарушению баланса между солями кальция. Часть солей кальция из коллоидной формы переходит в ионномолекулярное состояние. Увеличение содержания ионизированного кальция обусловливает возможность агрегации частиц казеинаткальцийфосфатного комплекса. Ферменты. При охлаждении молока происходит десорбция ферментов с оболочек жировых шариков и из мицелл казеина в плазму молока в результате ослабления гидрофобных связей (липаза, протеиназа, щелочная фосфатаза, ксантиноксидаза и др.). В результате механических воздействий, связанных с транспортированием молока повышается активность ферментов следствием чего являются изменения жировой и белковой фаз молока (их гидролиз) и отклонения в технологических параметрах при переработке молока: снижение степени обезжиривания молока при сепарировании; потери жира при производстве масла, сыра, увеличение продолжительности сычужного свертывания молока, увеличение продолжительности сквашивания молока и сливок. При замораживании молока и последующем оттаивании происходит активация плазменной липазы, что связано также со степенью деформации оболочек жировых шариков. При этих условиях усиливаются и процессы липолиза. При замораживании молока повышается активность некоторых оксидаз, следствием чего является появление пороков вкуса. Витамины. При хранении охлажденного молока и его транспортировании происходят значительные потери витамина С (от 18 до 70%) в зависимости от температуры охлаждения и продолжительности хранения. Содержание других витаминов при хранении охлажденного молока в течение суток изменяется незначительно. При увеличении продолжительности хранения охлажденного молока происходит некоторое снижение содержания витаминов А, Е, группы В. 12.2. Изменения при механических воздействиях Механические воздействия при обработке молока: центробежная очистка, бактофугирование, перекачивание, перемешивание и гомогенизация в основном сопровождаются изменениями степени дисперсности и стабильности жировой фазы, а также дезагрегацией казеиновых мицелл. Из физико-химических свойств изменяется только вязкость молока (повышается при гомогенизации). Мембранная обработка молока оказывает влияние на структуру и свойства белковых фракций. Липиды. Центробежная очистка и бактофугирование не влияют на изменение жировой фазы (при соблюдении режимов). Однако, при нарушении режимов работы, например насосов, подающих молоко на центробежную очистку, возможно пенообразование, десорбция адсорбированных оболочкой жировых шариков ферментов и повышение их активности. Предварительное перекачивание, перемешивание, пастеризация, охлаждение и замораживание молока отрицательно влияют на процесс сепарирования молока. При таких условиях сепарирования возникает возможность дробления жировых шариков, снижение эффективности сепарирования. Гомогенизация молока и сливок предназначена для увеличения степени дисперсности жировой фазы. С увеличением степени дисперсности происходит увеличение общей поверхности жировых шариков, изменение состава их оболочек. Нативных оболочечных компонентов недостаточно для того, чтобы покрыть возросшую поверхность шариков жира. Поэтому дефицит оболочечного белка компенсируется за счет адсорбирования плазменных белков – казеина и сывороточных. Из-за увеличения общей поверхности жировых шариков повышается возможность гидролитического воздействия липаз на жир. Белки, ферменты, соли. Центробежная очистка практически не влияет на эти компоненты. При гомогенизации изменяется структура и свойства белков: уменьшается размер мицелл ка- зеина, часть их распадается на субмицеллы, которые адсорбируются на поверхности жировых шариков. Повышение степени дисперсности белковой фазы, а следовательно увеличение общей поверхности обусловливает увеличение зарядов на поверхности и усиление гидратационных свойств. При таких условиях меняются структурно-механические и синеретические свойства сычужных и кислотных сгустков, замедляется их синерезис. В процессе гомогенизации меняется соотношение форм солей: увеличивается количество кальция в ионномолекулярном состоянии, а часть коллоидного фосфата и цитрата кальция адсорбируется поверхностью жировых шариков. После гомогенизации молока наблюдается активизация ферментов – ксантиноксидазы, липазы и др., сопровождающаяся образованием свободных жирных кислот, прогорканием молока и повышением титруемой кислотности. Мембранная обработка молока или сыворотки в производстве сывороточных белковых концентратов, белковых молочных продуктов (сыров, творога, паст), в том числе детских продуктов оказывает влияние на структуру казеина и сывороточных белков. Структурные изменения белковой фазы зависят от продолжительности мембранной обработки, особенностей технологического процесса, а также от степени концентрирования. При ультрафильтрационной обработке молока происходит частичная денатурация сывороточных белков (около 20%) и их ассоциация с казеином. При диафильтрации (повторной ультрафильтрации разбавленного водой белкового УФ-концентрата) степень денатурации сывороточных белков возрастает в 4…5 раз. Предположительно процесс денатурации белков при ультрафильтрации происходит на границе раздела фаз воздух – жидкость. Повышение степени денатурации белков при диафильтрации является следствием удаления из концентрата лактозы (при разбавлении водой), обладающей защитными свойствами по отношению к белкам. Концентрирование обезжиренного молока в 2…3 раза с помощью его ультрафильтрационной обработки в производстве сычужных сыров и творога незначительно влияет на структурные изменения белковой фазы. Однако, при повышении степени концентрирования (в 5 и более раз) эти изменения отрицательно влияют на структурно-механические и синеретические свойства образующихся сгустков и приводят к потерям белка с сывороткой. 12.3. Изменения при тепловой обработке Тепловую обработку молока: пастеризацию, стерилизацию, ультравысокотемпературную обработку (УВТ-обработку) проводят с целью обеспечения соответствия вырабатываемых продуктов санитарно-гигиеническим требованиям и повышения стойкости их при хранении. При тепловой обработке происходят изменения составных компонентов молока, его физикохимических, органолептических и технологических свойств. Степень этих изменений зависит от температуры и продолжительности ее воздействия на молоко. По этой причине выбор режимов тепловой обработки определяется в зависимости от последующего использования молока на те или иные группы молочных продуктов. Последствия влияния тепловой обработки на составные части молока не всегда желательны. Например, в производстве сычужных сыров денатурация сывороточных белков и снижение содержания ионизированного кальция в молоке после тепловой обработки отрицательно влияют на процессы сычужного свертывания, обработки сгустка и качество готового продукта. В производстве кисломолочных напитков, напротив, денатурация сывороточных белков, их последующее взаимодействие с мицеллами казеина способствует повышению гидратационных свойств получаемых сгустков и предотвращает синерезис. Конечный эффект тепловой обработки при одновременном предотвращении технологически обусловленного отрицательного влияния на составные части молока зависит от резистентности микроорганизмов, устойчивости дисперсных фаз молока, а также от интенсивности нагревания. Кроме этого, на выжываемость микроорганизмов и стабильность дисперсных фаз молока оказывают влияние величина активной кислотности (рН), окислительно-восстановительный потенциал и срок хранения молока. При нагревании содержание энергии в молоке повышается. Тепловое движение частиц и колебания атомов в молекулах усиливаются. При определенной температуре поглощенная энер- гия достигает величины энергии активации для разрыва или образования связей. Вследствие этого при нагревании все составные части молока с незначительной энергией связи претерпевают изменения. Например, сывороточные белки, ферменты с высоким содержанием водородных и легко расщепляемых ковалентных связей особенно подвержены изменениям при нагревании. Достаточно сильные изменения при нагревании претерпевает также часть витаминов. Казеины и истинно растворимые компоненты изменяются незначительно. Сывороточные белки. В зависимости от интенсивности и продолжительности нагревания происходит частичная или полная денатурация белков. Вследствие разрыва водородных и ковалентных связей с незначительной энергией происходят конформационные изменения – нарушение их вторичной и третичной структуры, в результате чего компактно свернутая молекула превращается в беспорядочный клубок. Развертывание αспиральных участков молекулы приводит к высвобождению функциональных групп: сульфгидрильных (-SH), гидроксильных (-ОН), аминогрупп (-NH2) и др. Вследствие реакционной способности этих групп денатурированные белки могут взаимодействовать между собой и с казеином. Денатурированный βлактоглобулин образует комплексы с α-лактальбумином, которые взаимодействуют с κ-казеином. Образование комплексов сывороточных белков с κ-казеином резко меняет поверхностные свойства казеиновых мицелл: усиливает гидратационные свойства, ухудшает способность свертываться под действием сычужного фермента, снижает термоустойчивость казеина. С высвобождением сульфгидрильных групп при нагревании молока связано появление вкуса кипяченного молока, усиление антиокислительных свойств и понижение окислительновосстано-вительного потенциала. Основным источником SHгрупп является β-лактоглобулин. Денатурация сывороточных белков сопровождается частичной или полной потерей коллоидной растворимости. Чувствительность к нагреванию отдельных фракций сывороточных белков различна. Наименее устойчивыми к нагреванию являются иммунные глобулины, затем альбумины сыворотки сроки, более устойчивы β-лактоглобулин и α-лактальбумин. Протеозо-пептоны – самая термостабильная фракция сыворо- точных белков. Особенности денатурации основных сывороточных белков β-лактоглобулина и α-лактальбумина обсуждалось при изучении темы 5 «Белки молока» (раздел 5.4. «Физикохимические свойства белков»). Особую значимость для практической обработки и переработки молока имеют следующие изменения, связанные с тепловой денатурацией сывороточных белков: - снижение окислительно-восстановительного потенциала при одновременном усилении антиокислительных свойств; - возникновение привкуса кипячения; - снижение способности к свертыванию под действием сычужного фермента и прочности сгустка, что отрицательно сказывается на отделении сыворотки и последующем процессе созревания сыра; - усиление гидратационных свойств кислотных сгустков в производстве кисломолочных диетических напитков. Казеинаткальцийфосфатный комплекс (ККФК). В отличие от других глобулярных белков является термоустойчивым белком. Его коагуляция наступает при выдержке молока, нагретого до 120…130оС, в течение от 2 до 88 минут. Тепловая стабильность казеина зависит от концентрации ионов кальция в молоке, величины рН и денатурированной части сывороточных белков. Однако, при тепловой обработке при высоких температурах (выше 100оС) казеинаткальцийфасфатный комплекс претерпевает ряд физико-химических изменений. Вследствие гидролиза фосфатноэфирных связей происходит его дефосфорилирование с удалением из αS- и β-казеинов части органического фосфора, в результате чего снижается суммарный отрицательный заряд казеиновых мицелл. После дефосфорилирования ухудшается способность казеина связывать кальций, часть его уходит из казеинатов кальция, наступает дестабилизация мицелл и снижается термоустойчивость. При нагревании выше 110 оС в результате гидролиза пептидных связей в κ-казеине от него отщепляется гликомакропептид, выполняющий роль защитного коллоида мицелл, что может вызвать тепловую коагуляцию белков. Кроме этого на поверхности мицелл осаждается комплекс денатурированных βлактоглобулина и α-лактальбумина, коллоидный фосфат кальция. В результате замедляется сычужное свертывание и изменя- ются структурно-механические и синеретические свойства сгустков (кислотного и сычужного) – усиливается степень гидратации. Термоустойчивость казеина зависит от солевого равновесия: при повышении содержания ионов кальция в плазме молока происходит их присоединение к ККФК, в результате чего уменьшается отрицательный заряд мицелл казеина, они агрегируются в крупные агрегаты и коагулируют при нагревании. Термоустойчивость зависит и от размеров мицелл казеина: чем они мельче, тем выше термоустойчивость, так как более мелкие мицеллы содержат больше κ-казеина, обладающего высоким отрицательным зарядом и сильными гидрофильными свойствами. Термоустойчивость ККФК зависит от величины рН (накопление молочной кислоты, понижение рН, переход коллоидного кальция в ионно-молекулярное состояние обусловливают коагуляцию казеина). Лактоза. При высокотемпературной пастеризации и особенно при стерилизации происходит частичная изомеризация лактозы в лактулозу и взаимодействие с аминогруппами белков. Изомеризация лактозы в лактулозу происходит путем перемещения в глюкозном остатке водорода от второго углеродного атома к первому (перегруппировка Амадори), в результате чего лактоза переходит в лактулозу, состоящую из двух моносахаров: глюкозы и фруктозы. Эта реакция интенсивно протекает в щелочной среде и положена в основу получения лактулозы из водных растворов лактозы (см.тему 7, раздел 7.3 «Химические свойства лактозы»). Содержание лактулозы незначительно в пастеризованном молоке, но при УВТ-обработке и стерилизации оно заметно повышается. Взаимодействие лактозы с аминогруппами белков происходит в процессе длительной высокотемпературной обработки молока. Конечным продуктом взаимодействия являются темноокрашенные соединения – меланоидины. Образование этих соединений происходит в несколько стадий в результате целого ряда окислительно-восстановительных реакций. В ходе реакций образуются промежуточные продукты: альдегиды и кетины (ацетальдегид, глицеральдегид, фурфурол, ацетон, ацетоин, диацетил и др.), органические кислоты (пировиноградная, уксусная, муравьиная, молочная) и др. Некоторые их этих соединений обладают выраженным вкусом и запахом и могут в зависимости от концентрации и соотношения положительно или отрицательно влиять на вкус молочных продуктов. Вследствие образования меланоидинов изменяются вкус и цвет молочных продуктов. Интенсивность окраски молока зависит от температуры и продолжительности ее воздействия. Соли. В процессе тепловой обработки прежде всего изменяется состав солей кальция. Часть гидро- и дигидрофосфатов кальция, находящихся в ионно-молекулярной форме, переходит в плохо растворимый фосфат кальция: 3СаНРО4 → Са3(РО4)2 + Н3РО4 3Са(Н2РО4)2 → Са3(РО4)2 + 4Н3РО4 Образовавшийся фосфат кальция агрегирует в виде коллоида и осаждается на мицеллах казеина. При этом происходит необратимая минерализация ККФК, что приводит к нарушению его структуры и снижению термоустойчивости. Часть фосфата кальция вместе с денатурированными сывороточными белками образует отложения на поверхности теплообменных аппаратов (молочный камень или пригар). Очевидно, что в результате тепловой обработки молока содержание в нем растворимого кальция снижается. Это снижение может достигать 50% в зависимости от вида и интенсивности тепловой обработки. Снижение растворимого кальция в молоке ухудшает его технологические свойства, в частности способность свертываться под действием сычужного фермента. Поэтому при производстве творога, сыра в молоко после пастеризации вносят растворимые соли кальция для восстановления солевого баланса. Липиды. При нагревании молока белки и фосфолипиды частично переходят с поверхности жирового шарика в плазму, в результате чего оболочка шарика истончается. При пастеризации дисперсность жира повышается, изменяется состав оболочек – нарушенные нативные оболочки шариков жира быстро восстанавливаются за счет адсорбции сывороточных белков и казеина молочной плазмы. Поэтому степень дестабилизации жира при пастеризации незначительна. Однако, в результате денатурации белковых компонентов оболочек шарики жира теряют способность склеиваться и отстой сливок замедляется. При стерилизации молока происходит повышение степени денатурации белков оболочек жировых шариков, в результате чего может произойти дестабилизация эмульсии и, как следствие, появление деэмульгированного жира. (См.тему 10 п.10.3.2. «Факторы нарушения устойчивости жировой эмульсии»). Витамины и ферменты. Наиболее устойчивы к термообработке жирорастворимые витамины (А, Д, Е), а из водорастворимых – витамины В2 (рибофлавин), В3 (пантотеновая кислота), РР (ниацин), Н (биотин). Более чувствителен к тепловой обработке витамин С (аскорбиновая кислота), потери его составляют от 10 до 30%. Частично разрушаются и витамины В12 (кобаламин) – от 10 до 20%, В6 (пиридоксин) – около 10%, В9 (фолацин) – от 10 до 20%. Ферменты. Большая часть нативных и бактериальных ферментов инактивируются при тепловой обработке вследствие денатурации белковых компонентов их молекул. Скорость инактивации зависит от температуры нагревания и продолжительности ее воздействия. Степень тепловой инактивации ферментов имеет важное практическое значение не только с точки зрения предохранения молока от воздействия ферментов на его составные компоненты, но и как объективный тест при контроле эффективности режимов тепловой обработки. Ферменты молока в зависимости от вида и происхождения имеют различную термоустойчивость. Наиболее чувствительны к нагреванию амилаза, щелочная фосфатаза, каталаза, нативная липаза. Сравнительно устойчивы к нагреванию кислая фосфатаза, ксантиноксидаза, пероксидаза, бактериальные липазы и протеиназы. При тепловой обработке (пастеризация, УВТ-обработка) молока возможны случаи неполного инактивирования термостабильных ферментов. Сохраняя свою активность, они могут вызвать в молоке и молочных продуктах нежелательные биохимические процессы, следствием которых является накопление продуктов расщепления составных компонентов молока, снижающих вкусовые свойства продуктов. Наибольшую опасность представляют липазы и протеиназа бактериального происхождения: липазы способствуют про- горканию молочных продуктов, протеиназы вызывают свертывание УВТ-молока. Контрольные вопросы 1. Какие изменения происходят в белках при хранении молока в условиях положительных низких температур и при замораживании? 2. В чем заключается изменение агрегатного состояния молочного жира при охлаждении молока? 3. Каковы причины появления деэмульгированного жира при длительном хранении охлажденного молока? 4. В чем заключается перераспределение форм солей в охлажденном молоке? 5. Каким изменениям подвергаются белки под воздействием различных видов механической обработки молока? 6. Каким образом влияет механическая обработка молока на активность ферментов? 7. Каким изменениям подвержены сывороточные белки в зависимости от интенсивности и продолжительности тепловой обработки? 8. Каким образом влияет тепловая обработка молока на казеинаткальцийфосфатный комплекс? 9. Как влияет высокотемпературная обработка молока на лактозу? 10.Какие изменения происходят в солевой системе при тепловой обработке молока? 11.Какие изменения происходят в жировой фазе при тепловой обработке молока? 12.Как изменяется активность ферментов при тепловой обработке молока? Тема 13. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ МОЛОКА В ПРОЦЕССАХ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ И ПРИ ХРАНЕНИИ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ Изменения белковой и жировой фаз, углеводных компонентов, солевого и витаминного состава, которые происходят в молоке при его хранении и обработке (тепловой, механической) продолжаются при последующих технологических операциях выработки молочных продуктов. Характер этих изменений зависит от вида вырабатываемых продуктов и, соответственно, от направленности и режимов физических воздействий, например, нагревания и концентрирования в производстве сгущенных, сгущенных стерилизованных и сухих продуктов, или биологических воздействий: использования бактериальных заквасок и ферментных препаратов в производстве кисломолочных продуктов, сыров. 13.1. Изменения составных компонентов молока при сгущении и сушке При сгущении молока происходит концентрирование всех составных компонентов за счет удаления части свободной воды. Следствием концентрирования являются увеличение концентрации всех дисперсных фаз молока и активной межфазной поверхности; рост свободной поверхностной энергии на границе раздела фаз и усиление роли сил молекулярного взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса-Лондона). Каковы последствия этих изменений для различных фаз молока имеет смысл рассмотреть более подробно. Белки и соли. При концентрировании (сгущении) происходит увеличение молекулярной массы частиц казеинаткальцийфосфатного комплекса в силу следующих причин: повышения концентрации ионов водорода в среде и, как следствие, снижение отрицательного заряда на его поверхности; изменения соотношения электростатических сил отталкивания и молекулярного притяжения в сторону увеличения последних; увеличения концентрации солей кальция в истинном растворе, а следовательно, и ионизированного кальция, способствующего агрегированию мицелл. Сближение агрегатов ККФК при концентрировании за счет усиления молекулярного взаимодействия приводит к образованию структурированной системы, характеризующейся повышенной вязкостью. Это явление усиливается предшествующей гомогенизацией и тепловой обработкой молока, при которой происходит денатурация сывороточных белков, как следствие, образование комплексов β-лактоглобулин – α-лактальбумин и их взаимодействие с мицеллами казеина. Интенсивность этих изменений возрастает при последующей тепловой обработке (стерилизации или сушке), что может привести к дестабилизации белковой фазы (коагуляции). С целью предотвращения дестабилизации белковой фазы при сгущении, последующей стерилизации сгущенного молока или сушке используют следующие приемы. Путем внесения солей-стабилизаторов в виде цитратов или фосфатов калия (натрия) снижают концентрацию ионизированного кальция в исходном молоке. Анионы лимонной или фосфорной кислот связывают ионизированный кальций, переводя его в нерастворимое состояние. При таких условиях дисперсность и гидрофильность белковых частиц повышается. Другим способом повышения тепловой устойчивости белковой фазы является удаление центрифугированием образовавшихся при предварительном нагревании молока до (75оС) неустойчивых белковых агрегатов и коллоидного фосфата кальция, а также высокотемпературная пастеризация смеси перед сгущением с целью образования устойчивых комплексов между ККФК и основными сывороточными белками. Лактоза. В процессе сгущения концентрация лактозы, как и других компонентов возрастает, однако, она остается в растворенном состоянии и существенно не влияет на свойства сгущенного продукта. При длительном воздействии высоких температур в процессе сгущения создаются условия для альдольноаминной полимеризации ее с белками. Реакция протекает при взаимодействии аминогрупп лизина, входящего в состав белков, и альдегидных групп глюкозы и лактозы с образованием меланоидинов - коричневоокрашенных соединений, обусловливающих изменение цвета продукта от светло-кремового до темнобурого. Начавшаяся в процессе сгущения реакция может протекать и при последующем хранении продуктов с нарушением температурных режимов. Вследствие меланоидинообразования изменяются не только цвет продуктов, но и его вкусовые характеристики, за счет образования побочных продуктов реакций, консистенция (загустевание продукта при полимеризации казеинового комплекса), а также снижается их биологическая ценность из-за по- тери незаменимой аминокислоты лизина, аминогруппы которой вступают в реакцию полимеризации. Потери лизина могут составлять до 20% в производстве сгущенного молока и до 15% при выработке сухого молока. Как уже отмечалось, при сгущении повышается концентрация лактозы, ее раствор переходит в состояние, близкое к насыщенному. При последующем охлаждении концентрата часть лактозы выкристаллизовывается. С учетом физико-химических свойств изомерных форм лактозы (см. тему 7, раздел 7.2. «Структура лактозы, ее изомерные формы и физические свойства») в первую очередь кристаллизуется α-форма, имеющая более низкую растворимость по сравнению с β-формой. Из-за выделения из раствора α-гидратной формы лактозы нарушается равновесие между изомерными формами и часть β-формы переходит в αформу. Вследствие недостаточного пресыщения лактозой скорость образования зародышей кристаллов будет замедленной. При последующем охлаждении сгущенного молока скорость роста кристаллов на базе уже образовавшихся зародышей кристаллов будет превышать образование центров кристаллизации. Это может привести к увеличению размеров кристаллов до 20…25 мкм и появлению мучнистой и песчанистой консистенции продукта. С целью предотвращения возможности появления такого порока в ходе технологических процессов создают условия для преобладания скорости образования зародышей кристаллов над скоростью их роста. В качестве зародышей будущих кристаллов вносят мелкокристаллическую лактозу (затравку) и регулируют режим охлаждения продукта. В процессе сушки частично кристаллизуется β-форма лактозы, а большая часть ее переходит в аморфное состояние. Аморфное состояние лактозы обусловливает высокую гигроскопичность сухих молочных продуктов. В процессе их хранения может происходить кристаллизация и переход β-лактозы в αгидратную форму, что ухудшает свойства сухих молочных продуктов. Молочный жир. В процессах сгущения, гомогенизации сгущенной смеси, распыления сгущенного молока и сушки происходит повышение степени дисперсности жировой фазы: увеличение количества жировых шариков и их общей поверхности. При таких условиях не исключена возможность частичной дестабилизации жировой фазы и появления свободного жира, который в значительной степени подвержен окислительным воздействиям, что снижает стойкость продуктов при хранении. При сгущении и сушке происходит частичный гидролиз триацилглицеринов молочного жира с накоплением летучих жирных кислот, образованием лактонов, карбонильных соединений, участвующих в формировании свойственных пастеризованному молоку вкуса и аромата продуктов. При такой обработке снижается содержание в молочном жире ненасыщенных жирных кислот. С целью сохранения стабильности жировой фазы обеспечивают строгий контроль всех режимов и параметров сгущения и сушки, а для предупреждения окислительных процессов допускается вносить антиоксиданты. Витамины. В производстве сгущенных и сухих продуктов происходят потери витамина А до 20%, а витамин Е достаточно стойкий к технологическим воздействиям. Некоторое снижение его по сравнению с содержанием в исходном молоке обусловлено в основном пастеризацией. В процессе сгущения и сушки не происходит значительных изменений в содержании большинства водорастворимых витаминов: тиамина (В1), биотина (Н), пантотеновой кислоты (В3), рибофлавина (В2), а содержание фолиевой кислоты в сгущенном и сухом молоке повышается. Объясняется это высвобождением связанных форм витамина под влиянием температурной обработки. Менее стоек при сгущении и сушке кобаламин (В12), потери которого могут достигать более 40%, пиридоксин (В 6) – от 30 до 40%, по некоторым данным до 90% при сушке. Потери аскорбиновой кислоты при сгущении составляют от 17 до 26%, а при последующем высушивании достигают 60%. 13.2. Биохимические изменения составных компонентов молока при его переработке Направленное регулирование биохимических превращений составных компонентов молока: углеводов, белков, липидов за счет использования бактериальных ферментов заквасочных культур микроорганизмов, а также промышленных ферментных препаратов положено в основу производства различных молочных продуктов и сыров. Молоко представляет собой идеальную питательную среду для микроорганизмов, обмен веществ которых обусловливает ферментативный гидролиз углеводов – гликолиз, белков – протеолиз и липидов – липолиз, а также последующие ферментативные превращения продуктов их гидролиза. В результате ферментативных превращений составных компонентов молока образуются вкусовые и ароматические вещества, формирующие специфические органолептические характеристики продуктов. Следует иметь ввиду, что ферментативные превращения начинаются в процессе хранения сырого молока и их направленность зависит от качественного состава микрофлоры сырого молока. 13.2.1. Брожение молочного сахара. Виды брожения В основе производства большой группы кисломолочных продуктов, сыров лежат процессы глубокого распада молочного сахара под действием ферментных систем микроорганизмов, называемые брожением. В некоторых случаях процессы брожения лактозы являются причиной порчи молочных продуктов: излишняя кислотность, избыточное газообразование и др. В зависимости от накопления конечных продуктов распада, обусловленного видом микроорганизмов и их ферментными системами, различают несколько типов брожения молочнокислое гомоферментативное и гетероферментативное, спиртовое, уксуснокислое, пропионовокислое. На начальном этапе все виды брожения протекают по одинаковой схеме до промежуточной стадии – образование пирувата. Исключение составляет гетероферментативное молочнокислое брожение. На первом этапе под действием фермента βгалактозидазы (лактазы) происходит гидролиз лактозы на глюкозу и галактозу. глюкоза галактоза Лактоза + Н2О галактозидаза Продукты гидролиза глюкоза и галактоза далее подвергаются брожению под действием ферментных систем микроорганизмов. Распад глюкозы и галактозы начинается с их фосфори- лирования посредством АТФ и при участии ферментов гексокиназы и галактокиназы. глюкозо 6 фосфат АДФ Глюкоза + АТФ гексокиназа Галактоза +АТФ галактокин галактозо 1 фосфат АДФ аза Под действием ферментов и при участии уридиндифосфатглюкозы (УДФГ) галактозо-1-фосфат переходит в глюкозо-1-фосфат, а затем в глюкозо-6-фосфат. УДФГал глюкозо 1 фосфат Галактозо-1-фосфат+УДФГ галактозо 1фосфат уридилтрансфераза Таким образом, галактоза непосредственно не сбраживается, она переходит последовательно в глюкозо-1-фосфат, затем после изомеризации в глюкозо-6-фосфат, который включается в схему ферментативных превращений глюкозы. Процесс молочнокислого брожений каждой гексозы молочного сахара выражается суммарным уравнением С6Н12О6 + 2Фн + 2 АДФ → 2С3Н6О3 + 2 АТФ + Н2О Наряду с молочной кислотой могут образовываться и побочные продукты брожения. Молочнокислые бактерии по характеру продуктов сбраживания глюкозы относят к гомоферментативным или гетероферментативным. Гомоферментативные бактерии образуют главным образом молочную кислоту (более 90% всех продуктов брожения), а гетероферментативные бактерии около 50% глюкозы превращают в молочную кислоту, а остальное количество – в этиловый спирт, уксусную кислоту и углекислый газ. Однако провести строгую границу между гомо- и гетероферментативными молочнокислыми бактериями по образующимся продуктам брожения иногда бывает трудно. Так, отмечены факты образования отдельными штаммами гомоферментативных молочнокислых бактерий от 8 до 30% побочных продуктов, а гетероферментативные бактерии под воздействием ряда факторов могут вести себя как гомоферментативные. Более характерным признаком при делении молочнокислых бактерий на группы является путь сбраживания глюкозы. Гомоферментативные бактерии: молочнокислые стрептококки Lac.lactis, Lac.cremoris, Lac.diacetylactis и др., термофильные и мезофильные молочнокислые палочки Lbm.acidophilum, Lbm.bulgariсum, Lbm.casei и др. сбраживают глюкозу по гликолитическому пути Эмбдена-Мейергофа. Гомоферментативное молочнокислое брожение. Механизм гомоферментативного молочнокислого брожения глюкозы изучен достаточно подробно. Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту в результате ряда последовательных реакций происходит при участии десяти ферментов по схеме, представленной на рис.13.1. На заключительной стадии пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты под действием фермента лактатдегидрогеназы. Роль восстановительного агента при этом выполняет НАД·Н2, образовавшийся в результате окисления глицеральдегид-3-фосфата (рис.13.1). СН3СОСООН + НАД·Н2 ↔ СН3СНОНСООН + НАД` Следовательно, при гомоферментативном молочнокислом брожении из 1 моля глюкозы образуются 2 моля молочной кислоты (с одновременным синтезом 2 молей АТФ). Молочная кислота может быть не единственным конечным продуктом гомоферментативного молочнокислого брожения. Ход брожения может изменяться в зависимости от конкретных условий процесса: наличия углекислого газа и кислорода, рН и температуры среды и др. При этом в качестве побочных продуктов могут образовываться летучие и нелетучие органические кислоты, глицерин, спирты, ацетон, ацетоин, диацетил и др. Однако содержание побочных продуктов при гомоферментативном молочнокислом брожении невелико. Гетероферментативное молочнокислое брожение. Бактерии группы лейконостоков (Leuc.citrovorus, Leuc.dextranicum), а также гетероферментативные молочнокислые палочки (Lbm.brevis, Lbm.plantarum и др.) не могут сбраживать глюкозу по гликолитичесГлюкоза 1 АТФ АДФ Глюкозо-6-фосфат 2 Фруктозо-6-фосфат 3 АТФ АДФ Фруктозо-1,6-дифосфат 4 5 Глицеральдегид-3-фосфат НАД` (2) 6 НАД·Н2 (2) 1,3-Дифосфоглицерат (2) Диоксиацетонфосфат +Фн (2) 7 АДФ (2) АТФ (2) 3-Фосфоглицерат (2) 8 2-Фосфоглицерат (2) 9 -Н2О 10 АДФ (2) АТФ (2) Фосфоенолпируват (2) Пируват (2) 11 L(D)-лактат (2) Рис. 13.1. Схема расщепления глюкозы молочнокислыми бактериями по гликолитическому пути Примечание. Цифры на схеме обозначают ферменты, катализирующие реакции: 1-гексокиназа; 2-глюкозофосфатизомераза; 3фосфофруктокина-за; 4-альдолаза; 5-триозофосфатизомераза; 6-глицеральдегид-фосфатдегидрогеназа; 7фосфоглицераткиназа; 8-фосфоглицеро-мутаза; 9-енолаза; 10пируваткиназа; 11-лактатдегидрогеназа. кому пути вследствие отсутствия у них ключевого фермента альдолазы, необходимого для расщепления фруктозо-1,6-дифосфата на две молекулы триозофосфата. Расщепление глюкозы под действием ферментных систем гетероферментных бактерий происходит пентозофосфатным путем по схеме, представленной на рисунке 13.2. Глюкоза 1 АТФ АДФ Глюкозо-6-фосфат НАДФ` НАДФ·Н2 2 6-Фосфоглюканат НАДФ` НАДФ·Н2 3 -СО2 Рибулозо-5-фосфат 4 Рибозо-5-фосфат 5 Глицеральдегид-3-фосфат НАД` +Фн НАД·Н2 1,3-Дифосфоглицерат 2АДФ 2АТФ Пируват НАД·Н2 НАД` Лактат Ацетилфосфат АДФ АТФ Ацетат НАДФ·Н2 НАДФ` Ацетальдегид НАДФ·Н2 НАДФ` Этанол -Фн Рис. 13.2. Схема расщепления глюкозы гетероферментативными молочнокислыми бактериями по пентозофосфатному пути Примечание. Цифры на схеме обозначают ферменты, катализирующие реакции: 1 – гексокиназа, 2-глюкозо-6фосфат-дегидрогеназа; 3-6-фосфоглюконатдекарбоксилаза; 4-изомераза; 5-фосфокетолаза. В ходе реакций по пентозофосфатному пути из каждого моля глюкозы образуется моль молочной кислоты, моль этанола и углекислого газа: С6Н12О6 + Фн + АДФ → С3Н6О3 + С2Н5ОН + СО2 + АТФ Фруктозо-6-фосфатный путь расщепления глюкозы бифидобактериями. Бифидобактерии (В. /bifidum, B.longum, B.adolescentis и др.) в отличие от пентозофосфатного пути превращают глюкозу не в глюкозо-6-фосфат, а во фруктозо-6-фосфат, который далее расщепляется фосфокетолазой на эритрозо-4-фосфат и ацетилфосфат (рис. 13.3). Затем эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат под действием ферментных систем превращаются в два моля пентозо-5-фосфата, который расщепляется на ацетилфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Далее глицеральдегид-3-фосфат образует два моля пирувата, которые восстанавливаются в лактат. Глюкоза 2АТФ 2АДФ Фруктозо-6-фосфат фосфат Структурная перестройка Эритрозо-4-фосфат сахара 2 Пентозо-5-фосфат 2Фн Фруктозо-6Фн Ацетилфосфат АДФ АТФ Ацетат 2 Глицеральдегид-3-фосфат 2Ацетилфосфат 4АДФ 2НАД` АДФ 4АТФ 2НАД·Н2 АТФ 2Пируват 2Ацетат 2 Лактат Рис. 13.3. Путь сбраживания глюкозы бифидобактериями А два моля ацетилфосфата дефосфорилируются и образуют два моля ацетата. Таким образом, в результате сбраживания продуктов гидролиза лактозы бифидобактериями происходит образование уксусной и молочной кислот в молярном отношении 3:2. Бифидобактерии имеют низкую β-галактазидазную активность и плохо развиваются в молоке. Для стимуляции их роста в закваски вводят культуры термофильного стрептококка, обладающего повышенной β-галактозидазной активностью. Спиртовое брожение. Спиртовое брожение имеет место при выработке кефира, кумыса, курунги и других кисломолочных продуктов. Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи родов Saccharomyces, Zygosaccharomyces, Fabospora, Torulopsis и др. Они сбраживают глюкозу с образованием этанола и диоксида углерода: С6Н12О6 + Фн + 2АДФ → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту в первой стадии спиртового брожения идет по гликолитическому пути аналогично гомоферментативному молочнокислому брожению (см.рис.13.1). Затем пировиноградная кислота подвергается декарбоксилированию с образованием уксусного альдегида и углекислого газа при участии фермента пируватдекарбоксилазы. Уксусный альдегид при участии НАД·Н2 восстанавливается в этанол: СН3СОСООН → СО2 + СН3СНО, СН3СНО + НАД·Н2 → С2Н5ОН + НАД ` Кроме этанола и углекислоты дрожжи могут образовывать в небольшом количестве другие спирты (изобутиловый, пропиловый, глицерин), уксусную, пропионовую и янтарную кислоты, а также ацетоин и диацетил. Пропионовокислое брожение. Возбудителем брожения являются пропионовокислые бактерии (Propionibacterium), которые превращают глюкозу или молочную кислоту в пропионовую и уксусную кислоты. Одновременно образуется небольшое количество янтарной кислоты. Если брожение начинается с глюкозы, то процесс образования пировиноградной кислоты идет аналогично гомоферментативному молчонокислому брожению. Если же брожению подвергается молочная кислота, то путем дегидрирования (при участии лактатдегидрогеназы) она также превращается в пировиноградную кислоту. В дальнейшем одна часть пировиноградной кислоты подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА, который через ацетилфсфат переходит в уксусную кислоту (в реакциях участвуют ферменты пируватдегидрогеназа, фосфо-трансацетилаза и ацетаткиназа): +HS – KoA; НАД` СН3СОСООН О СН3 - С S-КоА -СО2 О +Н2О СН3 – С СН3СООН Ф АДФ АТФ +Фн – НS-КоА Другая часть пировиноградной кислоты превращается в пропионовую через промежуточные стадии образования щавелевоуксусной, яблочной и янтарной кислот. Суммарное уравнение пропионовокислого брожения глюкозы (если одна треть молекул глюкозы превращается в уксусную кислоту, а две трети – в пропионовую) имеет следующий вид: 3С6Н12О6+8ФН+8АДФ→4СН3СН2СООН+2СН3СООН+2СО2+2Н2О+8АТФ Пропионовокислое брожение играет важную роль в процессе созревания твердых сычужных сыров с высокой температурой второго нагревания. Продукты этого брожения обусловливают специфический вкус и аромат сыров, а также участвуют в формировании их рисунка. Маслянокислое брожение. Инициатором брожения являются маслянокислые бактерии (Cl.buturicum и др), сбраживающие как глюкозу, так и молочную кислоту. До образования пировиноградной кислоты брожение идет по гликолитическому пути. Затем пировиноградная кислота декарбоксилируется до ацетил-КоА. Одна часть молекул ацетилКоА переходит в ацетилфосфат и далее в уксусную кислоту. Другая часть ацетил-КоА конденсируется в ацетоацетил-КоА, который через ряд реакций превращается в масляную кислоту. По характеру образования конечных продуктов различают несколько типов маслянокислого брожения. Так, конечными продуктами одного из типов брожения являются масляная и уксусная кислоты, углекислота и водород: 2С6Н12О6+2Н2О+7ФН+7АДФ→СН3(СН2)2СООН+2СН3СООН+4СО2+6Н2+7А ТФ При другом типе маслянокислого брожения происходит образование бутилового и изопропилового спиртов или этанола и ацетона. Таким образом, в процессе маслянокислого брожения наряду с масляной кислотой образуется ряд побочных веществ, часто обладающих резким, неприятным запахом, а также большое количество газов. Маслянокислое брожение – нежелательный процесс в производстве кисломолочных продуктов и особенно сыров. Продукты жизнедеятельности маслянокислых бактерий являются при- чиной появления в кисломолочных продуктах неприятного вкуса и запаха или вспучивания сыров. Уксуснокислое брожение. В молочных продуктах может проходить уксуснокислое брожение под действием уксуснокислых бактерий, являющихся часто спутниками дрожжей, либо появляющихся на поверхности продуктов. При использовании кефирных грибков, происходит неполное окисление части образовавшегося этанола до уксусной кислоты: Н 2О 1 / 2 О2 2Н СН 3СН 2 ОН СН 3СНО СН 3 СН (ОН ) 2 СН 3 СООН Н 2 О Чистые культуры уксуснокислых бактерий плохо развиваются в молоке, так как не усваивают лактозу, а источниками углерода для них служат этанол и лактат. Однако, их рост усиливается при совместном культивировании с дрожжами (и молочнокислыми бактериями). В кефире, приготовленном на чистых культурах, уксуснокислые бактерии постепенно вытесняют дрожжи и накопление спирта прекращается. В кефире, выработанном на кефирных грибках, дрожжи не исчезают полностью. Вероятно, они находятся в метабиозе: дрожжи, образуя этанол, создают условия для развития уксуснокислых бактерий. Однако, при излишнем развитии уксуснокислых бактерий происходит ослизнение кефирных грибков и образование тягучей консистенции закваски. 13.2.2. Роль продуктов брожения в формировании вкуса, аромата и консистенции молочных продуктов Характерные вкус и аромат молочных продуктов – кисломолочных напитков, сметаны, кислосливочного масла, сыров во многом определяется накоплением большого количества соединений в процессах брожения молочного сахара. К ним относятся карбонильные соединения – альдегиды (ацетальдегид, пропионовый альдегид и др.) и кетоны (ацетон, ацетоин, диацетил и др.); карбоновые кислоты (молочная, уксусная, пропионовая, лимонная, муравьиная, масляная и др.); спирты и их эфиры (этанол, пропанол и др.); диоксид углерода и ряд других соединений. Кроме этого, образующиеся при брожении соединения участвуют в формировании структуры и консистенции молочных продуктов: они определяют характер получаемых белковых сгустков, их структурно-механические и синеретические свойства, а в сырах – дополнительно и характер формирования рисунка. Каждое из соединений, определяющих органолептические характеристики продуктов, имеет специфический вкус и аромат, а степень участия в формировании этого показателя зависит от их концентрации и соотношений. Некоторые соединения, несмотря на их высокую концентрацию, оказывают незначительное влияние на формирование вкуса и аромата, так как обладают высокой пороговой чувствительностью. И напротив, соединения, имеющие очень низкие величины порога чувствительности, существенно влияют на вкус и запах продукта, присутствуя в незначительных концентрациях. Ацетальдегид. Образуется в процессе жизнедеятельности различных микроорганизмов: молочнокислых, пропионовокислых, уксуснокислых, дрожжей. Главными источниками образования аце- тальдегида в заквасках и продуктах являются пирувит, ацетилфосфат и цитрат. Молочнокислые палочки Lbm.bulgaricum для образования ацетальдегида используют аминокислоту треонин. При хранении заквасок и кисломолочных продуктов содержание ацетальдегида снижается, так как часть его превращается в этанол, либо используется на образование диацетила и ацетоина цитратсбраживающими ароматобразующими молочнокислыми стрептококками (Lac.diacetilactis, Leu.cremoris и Leu.dextranicum). При высоких концентрациях ацетальдегида продукт приобретает резкий привкус. Диацетил и ацетоин. Как отмечено выше, эти соединения являются продуктами метаболизма ароматообразующих молочнокислых бактерий. Кроме того, их могут продуцировать (в меньшей степени) другие молочнокислые бактерии (Str.thermophilus, Lbm.casei, Lbm.plantarum, Lbm.brevis), а также дрожжи и пропионовокислые бактерии. Предшественником диацетила и ацетоина является пируват, который ароматообразующие стрептококки образуют в основном из цитрата. Поэтому для усиления аромата кисломолочных продуктов за счет накопления диацетила при их производстве в молоко или сливки (в производстве кислосливочного масла) вносят цитрат. При сбраживании глюкозы лейконостоками и дрожжами в качестве побочных продуктов могут также образовываться в небольших количествах диацетил и ацетоин. Накопление вкусовых и ароматических веществ в кисломолочных продуктах регулируют составом заквасок, использованием многоштаммовых заквасок, уровнем рН и температурными режимами. В процессе молочнокислого брожения образуется молочная кислота, которая имеет существенное значение для формирования структуры и консистенции кисломолочных продуктов, кислотносычужных и кисломолочных сыров. В производстве молочных продуктов этих групп применяют кислотное или кислотно-сычужное свертывание (в производстве кислотно-сычужных сыров и творога кислотно-сычужным способом). Кислотное свертывание (коагуляция) заключается в постепенном снижении величины рН молока или сливок (в производстве сметаны) под действием образующейся в процессе молочнокислого брожения молочной кислоты. При медленном росте кислотности происходит снижение отрицательного заряда на поверхности мицелл и уменьшение сил электростатического отталкивания; переход коллоидного фосфата в растворимую форму; потеря гидратной воды, структурные изменения, в результате чего мицеллы теряют устойчивость и молоко или сливки свертываются. Механизм кислотной коагуляции подробно обсуждался при изучении темы 10 (п.п. 10.2.1; 10.2.2). Трехмерная пространственная структура, охватывающая весь объем сквашиваемого молока, образуется только тогда, когда силы притяжения мицелл медленно преодолевают силы электростатического отталкивания. Кислотно-сычужное свертывание характеризуется потерей устойчивости мицелл казеина, но при одновременном воздействии молочной кислоты и сычужного фермента. Механизм сычужной коагуляции обсуждался при изучении темы 10 (п.п. 10.2.1; 10.2.2). Оба способа коагуляции приводят к формированию из реконструированных мицелл, соединенных в пряди, с помощью поперечных связей трехмерной сетчатой структуры, удерживающей в своих ячейках сыворотку. Кислотные сгустки отличаются от кислотносычужных и сычужных (в производстве сычужных сыров или сычужного казеина) отсутствием связей через коллоидный фосфат кальция. Характер формируемых сгустков, их структурно-механические и синеретические свойства влияют на формирование структуры и консистенции вырабатываемых продуктов. 13.2.3. Протеолиз и формирование органолептических показателей Протеолиз – ферментативное гидролитическое расщепление белков имеет место при длительном хранении сырого молока, в производстве различных кисломолочных продуктов. Протеолитическое расщепление казеинаткальцийфосфатного комплекса является первой стадией сычужного свертывания в производстве сыров, творога кислотно-сычужным способом, казеина сычужного. Особое значение имеет протеолиз в созревании сыров как основополагающий процесс формирования их специфических органолептических характеристик. Интенсивность протеолиза обусловлена многими факторами: протеолитической активностью заквасочных микроорганизмов, уровнем рН, температурными режимами, влажностью продукта и др. Продуктами гидролиза белков являются пептиды с различной молекулярной массой и аминокислоты. Под действием различных ферментных систем аминокислоты могут подвергаться изменениям с образованием органических кислот, альдегидов, аминов и других соединений, многие из которых обладают выраженными вкусовыми свойствами и вместе с продуктами биохимических превращений лактозы участвуют в формировании органолептических свойств продуктов. Направленность ферментативного гидролиза белков в производстве молочных продуктов регулируют путем подбора в состав заквасок различных видов микроорганизмов по их протеолитической активности. Нерегулируемый протеолиз под действием протеаз посторонних микроорганизмов, в том числе и гнилостных в сыром молоке или термоустойчивых нативных и бактериальных протеаз остаточной микрофлоры, может явиться причиной образования различных соединений с неприятным запахом и вкусом, которые обусловливают порчу продукта. В производстве сыров и творога гидролиз белков обусловлен также действием внесенных ферментных препаратов – химозина (сычужного фермента) и пепсина, которые обладают свертывающей активностью. Под действием внесенного в молоко сычужного фермента происходит ферментативный гидролиз полипептидных цепей κ-казеина ККФК. Механизм гидролитического действия сычужного фермента заключается в расщеплении пептидной связи, образованной фенилаланином (остаток 105) и метионином (остаток 106) в цепи κказеина (см.тему 10, п.10.2.2). В результате отщепления гликомакропептида под действием сычужного фермента казеиновые частицы теряют заряд, а следовательно и устойчивость и переходят в параказеиновые, которые за счет сил молекулярного притяжения и при участии ионов кальция образуют агрегаты и затем пространственную сетку сгустка. Таким образом, при сычужном свертывании происходят биохимические изменения казеина и затем физико-химические процессы коагуляции и структурообразования. После свертывания молока в производстве сычужных сыров молокосвертывающие ферменты наряду с бактериальными и нативными протеазами участвуют в процессах распада белков сырной массы при созревании с образованием многочисленных азотистых соединений. Степень участия молокосвертывающих ферментов в созревании сыров зависит от их свойств и количества в сырной массе. При созревании сыра сычужный фермент в большей степени атакует αS-казеин и медленно или почти не атакует β-казеин, так как αS-казеин содержит большое количество чувствительных к химозину пептидных связей. В резульатте действия сычужного фермента происходит неглубокий распад казеина с образованием высокомолекулярных полипептидов и пептидов, которые затем гидролизуются под действием как внеклеточных (экзоферментов), так и внутриклеточных (эндоферментов) протеаз бактерий. Бактериальные ферменты кроме этого могут гидролизовать и сами фракции казеина, поэтому им отводится ведущая роль в ферментативном гидролизе белков сырной массы. В процессе созревания сыров степень и глубина протеолиза, а следовательно, накопление его продуктов (растворимых в воде пептидов, свободных аминокислот) зависит от протеолитической активности бактериальных и молокосвертывающих ферментов, технологических параметров и режимов выработки сыров, содержания в них влаги, уровня активной кислотности, концентрации соли и др. Так, например, гидролитическому расщеплению в производстве рассольных сыров подвергается около 8% белков; сыров с низкой температурой второго нагревания – от 20 до 25%; с высокой температурой второго нагревания – от 25 до 30% и мягких сыров – около 40%. Продукты гидролиза белков (пептиды, свободные аминокислоты) оказывают влияние на формирование вкуса и запаха молочных продуктов, так как обладают определенными вкусовыми характеристиками. Например, глицин, аланин, серин, пролин имеют сладкий вкус; аргинин, гистидин, лейцин и триптофан – горький; валин, треонин, фенилаланин – сладкогорький; глутаминовая и аспарагиновая кислоты – кислый; цистин и метионин – сернистый. При производстве молочных продуктов и особенно при созревании сыров свободные аминокислоты подвергаются воздействию различных ферментных систем, результатом которого являются реакции их дезаминирования, переаминирования, декарбоксилирования и др. Процесс дезаминирования аминокислот в зависимости от условий среды может идти окислительным путем с образованием кетокислот; гидролитическим – с образованием оксикислот и восстановительным – с образованием карбоновых кислот (пировиноградной, пропионовой, янтарной, изомасляной, яблочной и др.). В свою очередь продукты дезаминирования свободных аминокислот могут подвергаться декарбоксилированию при участии декарбоксилазы с образованием альдегидов. Декарбоксилированию подвергаются и свободные аминокислоты, особенно при созревании сыров, в результате которого образуются амины и диоксид углерода (углекислый газ). Амины обладают ярковыраженными вкусовыми свойствами и в зависимости от концентрации могут участвовать в формировании вкусовой композиции продукта, либо обусловливать пороки вкуса и запаха (аммиачный, рыбный и др.). Таким образом, при гидролитическом расщеплении белков и последующих реакциях биотрансформации продуктов гидролиза происходит накопление большого количества различных соединений, которые участвуют в формировании органолептических свойств молочных продуктов. 13.2.4. Изменения липидных компонентов В процессах хранения молока, выработки молочных продуктов и их последующего хранения молочный жир как смесь триацилглицеринов, а также фосфолипиды подвергаются ферментативным воздействиям, следствием которых являются накопление различных химических соединений. Образующиеся химические соединения безусловно оказывают влияние на формирование органолептических свойств продуктов, а в некоторых случаях обусловливать возникновение пороков. Ферментативный гидролиз триацилглицеринов, как основы молочного жира, в сыром молоке до его переработки обусловливает накопление свободных жирных кислот, в том числе низкомолекулярных и, как следствие, проявление порока – «прогорклый вкус». Появление этого порока в молоке приводит к ухудшению вкуса и запаха вырабатываемых из него продуктов, особенно масла. Степень ферментативного гидролиза молочного жира зависит от многих факторов: стабильности жировой фазы в молоке, концентрации и активности нативных липаз в молоке, интенсивности механических воздействий, продолжительности и температурных режимов хранения молока, качественного состава его микрофлоры и др. В производстве молочных продуктов и особенно сливочного масла очень важно предупредить гидролитическое расщепление молочного жира: исключить использование молока, подвергнутого липолизу; исключить возможность обсемененности масла психротрофными бактериями и плесневыми грибами; обеспечить соблюдение режимов пастеризации сырья, созревания сливок и др. Однако гидролитическое расщепление ацилглицеринов молочного жира, накопление свободных жирных кислот, особенно летучих: муравьиной, уксусной, пропионовой, масляной, изомасляной, капроновой и каприловой имеет большое значение в формировании органолептических свойств многих сыров. Поскольку основными источниками липолитических ферментов при выработке сыров являются микроорганизмы заквасок, то при их подборе в состав заквасок учитывают липолитическую активность. Ферментативному гидролизу подвержены и другие липидные компоненты – фосфолипиды. Гидролиз фосфолипидов имеет место при выработке и хранении масла, сыров и кисломолочных продуктов. Процесс проходит под действием фосфолипаз молочнокислых и пропионовокислых бактерий с образованием высокомолекулярных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, фосфатидных кислот, азотистых и других соединений. Образовавшиеся продукты гидролиза, например насыщенные жирные кислоты подвергаются ферментативному окислению, которое протекает по типу β-окисления (см.тему 6, раздел 6.5). Ферментативное окисление кислот по типу β-окисления происходит в мягких сырах и сливочном масле. Образующиеся при этом различные метилкетоны придают сырам определенные вкусовые качества, а в масле являются причиной появления прогорклого и окисленного вкуса. По этой причине для большинства молочных продуктов (масло, кисломолочные продукты, некоторые сыры) гидролиз фосфолипидов нежелателен. Однако, в производстве отдельных сыров, например с высокой температурой второго нагревания используют закваски молочнокислых и пропионовокислых бактерий с высокой фосфолипазной активностью. Наряду с гидролитическим расщеплением липидных компонентов они подвержены и окислительным воздействиям: ферментативному окислению при участии окислительновосстановительных ферментов и окислению под действием кислорода воздуха и света – перекисному окислению (см.тема 6, раздел 6.5). Продукты окисления – альдегиды, кетоны, кетокислоты, гидроперекиси, оксикислоты обусловливают появление в продуктах нежелательных окисленных привкусов и запахов, которые в зависимости от интенсивности окислительных процессов могут сопровождаться выраженными металлическим, рыбным и салистым привкусом. Относительно легко окисляются кислородом воздуха фосфолипиды, особенно в присутствии в молоке или продуктах солей тяжелых металлов. Активное окисление фосфолипидов обусловлено высоким содержанием в их молекулах полиненасыщенных жирных кислот, которые легко окисляются с образованием перекисей и карбонильных соединений, ухудшающих вкус и запах молочных продуктов. Кроме этого, фосфолипиды являются структурными компонентами оболочек жировых шариков, поэтому их окисление будет способствовать дестабилизации жировой фазы и лучшей атакуемости триацилглицеринов ферментами и кислородом воздуха. Таким образом, в процессе переработки молока его составные компоненты подвергаются различным воздействиям, обусловливающим их физико-химические и биохимические превращения, результатом которых является формирование вырабатываемых продуктов со свойственными им органолептическими характеристиками (вкусом, запахом, консистенцией), рисунком, физико-химическими показателями. Одновременно с этим нарушения режимов технологических процессов, неконтролируемая направленность биохимических превращений может привести к появлению пороков различной степени выраженности. Контрольные вопросы 1. Какие изменения происходят в белковой фазе молока при его концентрировании? 2. Каковы причины возможной дестабилизации белковой фазы при сгущении? 3. Каким изменениям подвержена лактоза при длительном воздействии высоких температур в процессе сгущения? 4. Как можно предотвращать возможность появления песчанистой консистенции в сгущенных продуктах вледствие кристаллизации лактозы? 5. Каковы причины возможной дестабилизации жировой фазы при сгущении и сушке? 6. Как влияют сгущение и сушка молока на его витаминный состав? 7. В основе производства каких молочных продуктов лежат процессы брожения молочного сахара? 8. Каковы особенности гомоферментативного и гетероферментативного брожений молочного сахара? 9. В чем заключаются особенности расщепленния глюкозы бифидобактериями? 10. Производство каких продуктов основано на спиртовом брожении и какие соединения образуются в ходе этого брожения? 11. В чем заключаются особенности пропионовокислого и маслянокислого брожений? 12. Какое значение имеют продукты брожения в формировании вкуса и аромата молочных продуктов? 13. В чем заключается механизм кислотной коагуляции казеина под действием образующейся при молочнокислом брожении молочной кислоты? 14. В чем заключается механизм гидролитического действия сычужного фермента на казеин? 15. Какие факторы влияют на интенсивность протеолиза в сырах? 16. Каким изменениям подвержены продукты гидролиза белков? 17. Каким биохимическим изменениям подвержены липидные компоненты в производстве молочных продуктов и их хранении? БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.- 344 с. 2. Горбатова К.К. Химия и физика белков молока.- М.: Колос, 1993.- 192 с. 3. Горбатова К.К. Химия и физика молока: Учебник для вузов.- СПб.: ГИОРД, 2003.- 288 с. 4. Гудков А.В. Сыроделие: технологические, биологические и физико-химические аспекты / Под ред. С.А.Гудкова.- М.: ДеЛи принт, 2003.- 800 с. 5. Зобкова З.С. Пороки молока и молочных продуктов и меры их предупреждения.- М.: Молочная промышленность, 1998.- 76 с. 6. Осинцев А.М. Теоретические и экспериментальные исследования процессов, лежащих в основе свертывания молока /Кемеровский технологический институт пищевой промышленности.- Кемерово, 2003.- 120 с. 7. Состав и свойства молока как сырья для молочной промышленности: Справочник /Н.Ю.Алексеева, В.П.Патратий и др.; Под ред. Я.И.Костина.- М.: Агропромиздат, 1986.- 239 с. 8. Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры в 4-х томах (Т.1. Цельномолочные продукты. Т.2. Масло коровье и комбинированное. Т.3. Сыры. Т.4. Мороженое).- СПб.:ГИОРД, 2003. 9. Степаненко П.П. Микробиология молока и молочных продуктов: Учебник для вузов.Сергиев Посад: ООО «Все для Вас – Подмосковье», 1999.- 415 с. 10.Тепел А. Химия и физика молока.- М.: Пищевая промышленность, 1979.- 623 с. 11. Шидловская В.П. Ферменты молока.- М.:Агропромиздат, 1985.- 152 с. 12. Шидловская В.П. Органолептические свойства молока и молочных продуктов.- М.: Колос, 2000.- 280 с. Остроумова Тамара Алексеевна Химия и физика молока Учебное пособие Редактор Л.Г.Барашкова Художественный редактор Л.П.Токарева Подписано в печать Формат 60х70 1/16. Отпечатано на ризографе. Уч.изд.л.12,5 Тираж экз. Заказ № Цена 50 руб. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности 650056, г.Кемерово-56, бульвар Строителей,47 Отпечатано в лаборатории множительной техники КемТИПП, 650010, Кемерово-10, ул.Красноармейская, 52
