Биологические, химические, физические и функциональные свойства молока и его компонентов
Химические, физические, биологические и функциональные свойства молока многообразны и сложны ввиду многообразия компонентов молока, биологической изменчивости их содержания и типов обработки, которым оно подвергается при производстве, переработке, доставке и реализации. Биологическая изменчивость является причиной того, что молоко любой коровы отличается по свойствам от молока другой коровы и даже от собственного молока от дойки к дойке.
Липиды в молоке диспергированы в виде эмульсии. Замечательно то, что молочные липиды содержат относительно большие количества низкомолекулярных жирных кислот. Белки и азотистые вещества подразделяются согласно современной номенклатуре на 11 фракций. Казеин составляет около 80% этих белков. Белки в соединениях с кальцием и фосфором находятся в коллоидном виде. Белки сыворотки молока также соединяются с кальцием, но они не образуют коллоида, поэтому эти компоненты находятся в водной фазе. В молоке имеются все незаменимые для организма человека жирные кислоты и незаменимые аминокислоты. Сахар молока представлен лактозой. Она менее растворима, чем глюкоза или сахароза, что имеет большое значение в процессах пищеварения и переработки молока и молочных продуктов.
Основными минеральными веществами молока являются кальций, фосфор и еще пять элементов; кроме того, имеется 11 второстепенных элементов и по меньшей мере 13 микроэлементов. Некоторые элементы частично находятся в коллоидной системе, в то время как другие только в истинном растворе.
Молочный жир содержит витамины A, D, Е и К. Обезжиренная часть молока является особенно богатым источником рибофлавина и содержит все витамины группы В, а также витамин С. Кроме биологического значения каждого витамина для организма человека, некоторые из них вступают в реакцию, влияющую на качество молока и молочных продуктов. Рибофлавин, аскорбиновая кислота и витамин Е принимают участие в окислительно-восстановительных реакциях.
В молоке обнаруживаются ферменты, которые участвуют в его синтезе и секреции, а также вырабатываемые бактериями в молочной железе. Некоторые ферменты разрушаются при тепловой обработке и наличие их в молоке указывает на то, что молоко сырое (тест на тепловую обработку молока). Некоторые из ферментов, особенно липазы, разлагают молоко при определенных условиях.
В целом наличие в молоке клеточных компонентов нежелательно. Клеточные компоненты состоят главным образом из лейкоцитов и бактерий. Однако если бы лейкоциты в молоке не проявляли фагоцитарной активности, то инфекционные микроорганизмы заполонили бы весь организм коровы.
Молоко обладает буферной способностью, которая поддерживает его рН около 6,5-6,7 и титруемую кислотность около 0,14-0,18% (видимая кислотность). Окислительно-восстановительный потенциал молока зависит от его контакта с кислородом, роста микроорганизмов в нем, обмена веществ в лейкоцитах, тепловой обработки и деаэрации или вакуумизации. Плотность молока и молочных продуктов и индекс рефракции зависят от его состава. Содержание жира оказывает влияние на первый показатель, но не влияет на второй. Казеин - основной компонент молока, влияющий на его вязкость. На поверхностное и межфазное натяжения оказывают влияние белки, фосфолипиды, жир, свободные жирные кислоты и способ обработки, который, в свою очередь, влияет на содержание этих компонентов.
Необходимо, чтобы работники, занятые в процессах получения молока, анализа качества, переработки и доставки его потребителю, знали и имели твердые представления о химических, физических, биологических и функциональных свойствах молока и молочных продуктов, используемых в питании людей.
Можно увидеть чрезвычайную сложность состава и свойств молока. Оно состоит из эмульсии жира и коллоидной дисперсии белков вместе с молочным сахаром (лактозой), находящимся в истинном растворе. Наряду с этими основными компонентами молоко содержит минеральные вещества (наиболее важными из них являются кальций и фосфор), витамины, ферменты и различные органические соединения, такие, как лимонная кислота. Характерный цвет молока обусловлен главным образом дисперсными молочными белками и солями кальция. В этом разделе обсуждаются некоторые основные аспекты биологических, химических, физических и функциональных свойств молока.
Корбин и Уиттиер указывают в обзоре, что человек долгое время преднамеренно не сепарировал молоко. Прошло лишь 200 лет с того дня, когда было доказано, что лактоза является истинным сахаром. В 1790 г. в качестве составных частей молока перечислялись молочный жир, казеин, лактоза, небольшое количество экстрактивных веществ, немного солей и вода. Прошло лишь 100 лет с того момента, когда в молоке были выделены лактальбумин, лактоглобулин и железо. Однако после 1900 г. изучение состава молока шло значительно более быстрыми темпами.
Липиды
Липиды молока нерастворимы в водной фазе (за исключением следов водорастворимых жирных кислот) и представлены в глобулярной (в виде мельчайших капель) форме, называемой эмульсией. Основным компонентом липидов является триглицеридная фракция. Каждый триглицерид состоит из одной молекулы глицерина (трехатомного спирта) и трех молекул жирных кислот.
Жирные кислоты имеют карбоксильную (-СООН) группу, которая придает им кислотные свойства. Атом водорода в этой группе ионизируется (отделяется от остальной части молекулы). Он может быть замещен металлом (например, натрием) с образованием мыла или глицерином с образованием жира. К карбоксильной группе могут присоединяться другие атомы или группы атомов, образуя новую молекулу. В жирных кислотах количество атомов колеблется от одного атома водорода (муравьиная кислота) до длинных цепей углерода и водорода.
В молочном жире содержатся только следы моно- и диглицеридов. Глицерин и масляная кислота соединяются до образования моноглицерида по реакции этерификации.
Для того чтобы образовать триглицерид, к оставшимся двум гидроксильным группам глицерина (-ОН) в реакции того же типа необходимо присоединить жирные кислоты. Молочный жир содержит по меньшей мере 140 видов жирных кислот. Состав, количество и способ их связи с глицерином определяют свойства молочного жира. Около 85% общей массы молочных липидов приходится на жирнокислотную часть триглицеридов.
По сравнению с другими пищевыми жирами молочный жир в процентном отношении содержит намного больше низкомолекулярных жирных кислот. Будучи жидкими при низких температурах, они благоприятно влияют на точку плавления молочного жира (понижают ее). Большинство жирных кислот имеет неразветвленную цепь и четное число углеродных атомов. Однако с 1951 г. выделено огромное количество жирных кислот с разветвленными цепями и с нечетным числом углеродных атомов. Жирные кислоты менее чем с десятью углеродными атомами являются насыщенными, то есть они не содержат двойных связей между соседними углеродными атомами. Из насыщенных жирных кислот наиболее высокую концентрацию в молочном жире имеет пальмитиновая кислота.
Одну ненасыщенную двойную связь между атомами углерода могут иметь кислоты с 10, 12, 14-24 атомами углерода. Эти кислоты составляют 35% всех жирных кислот молочного жира. На долю олеиновой кислоты (18С), которая является преобладающей жирной кислотой, приходится около 30% всех жирных кислот молочного жира. В молекулах, имеющих двойные связи, цепь углеродных атомов имеет 90°-ный угол с каждой стороны каждой двойной связи.
Вещества, молекулы которых имеют более чем одну ненасыщенную связь, называются полиненасыщенными. Полиненасыщенные жирные кислоты имеют важное значение в питании человека, но в качестве незаменимых жирных кислот (эссенциальные жирные кислоты) организм человека использует только цис, цис-форму. По-видимому, основная часть (более 60%) ненасыщенных жирных кислот в молоке с 18 углеродными атомами (диены) находятся в цис, цис-форме, называемой линолевой кислотой. Диены включают углеродную цепь с 18-22 атомами.
Функции незаменимых жирных кислот до конца не изучены. Они могут участвовать в образовании структур клеточных мембран, в нормальном транспорте липидов in vivo и в работе ферментных систем. Они активизируют как синтез, так и обмен холестерина в организме.
В линоленовой кислоте, которая также содержит 18 атомов углерода, имеются три ненасыщенные связи в цис, цис, цис-конфигурации. Линоленовая кислота является основным триеном (кислотой с тремя двойными связями) молочного жира, содержание других триенов составляет лишь около 0,14%. Арахидоновая кислота имеет четыре двойные связи, 20 углеродных атомов в цепи и цис, цис, цис, цис-конфигурацию двойных связей. Общее содержание ее в молочном жире около 0,14%. Другие тетраены (кислоты с четырьмя двойными связями) в молочном жире обнаруживаются в виде следов. То же самое относится и к пентаенам (кислотам с пятью двойными связями в 20-22-атомной углеродной цепи). Большинство жирных кислот молока имеет, по всей вероятности, прямую (неразветвленную) углеродную цепь, но 2% или более (по массе) имеют разветвленную цепь.
На точку плавления жира влияет три фактора: 1) состав жирных кислот - молекулярная масса и степень насыщенности, 2) распределение кислот в глицеридах и 3) полиморфная форма жировых кристаллов. Точка плавления молочного жира находится в пределах от 30 до 41° С. На этот показатель влияют способ предварительной обработки жира, особенно режим охлаждения и физическая форма жира в масле.
Низкомолекулярные и ненасыщенные жирные кислоты понижают точку плавления, в то время как присутствие высокомолекулярных насыщенных кислот повышает ее. Из молока коров, пасущихся весной и летом на пастбище, вырабатывают более мягкое масло, что связано с увеличением поступления в организм животных ненасыщенных жирных кислот с кормом. Однако микрофлора рубца принимает активное участие в присоединении водорода (то есть восстановлении) в ненасыщенные жирные кислоты, и это строго ограничивает поступление ненасыщенных жирных кислот в кишечный тракт, откуда они легко всасываются в кровяное русло и транспортируются кровью.
Интересно сравнить содержание ненасыщенных жирных кислот в молоке коровы - жвачного животного - с содержанием их в молоке кобылы: по массе соответственно 33 и 59%.
Исследователи из лаборатории молочных продуктов МСХ США провели опыт по скармливанию коровам высоконенасыщенного растительного масла (сафлорового), покрытого казеином, обработанным формальдегидом. Аналогичный подход был использован австралийскими исследователями. Оболочка масла защищала большую часть его от гидрогенизации: в рубце и давала возможность пройти в кишечник в неизменном виде. Здесь завершился процесс пищеварения, и ненасыщенные жирные кислоты были доставлены в молочную железу кровотоком. Таким образом, они стали частью молочного жира, что явилось причиной необычно высокого содержания ненасыщенных жирных кислот (линолевой кислоты, например, в молочном жире подопытных животных содержалось 35% по сравнению с 3% контрольных). Исследователи из штата Огайо скармливали коровам болтушку из соевой муки. При этом количество полиненасыщенных жирных кислот увеличилось с 10 до 19% при одновременном снижении содержания насыщенных жирных кислот с 56 до 40%.
Мы еще недостаточно хорошо знаем, каким образом жирные кислоты молочного жира распределяются по трем реактивным группам молекулы глицерина. Вероятно, что в целом происходит случайное распределение с некоторыми биологическими модификациями. При строго случайном распределении одна третья часть каждой жирной кислоты должна находиться в каждом из трех возможных положений, но в распределении жирных кислот в молочном жире этого не наблюдается. Природа должна была внести биологические коррективы, с тем, чтобы не вырабатывались жиры с чрезмерно высокой точкой плавления (которые были бы твердыми при температуре тела), чего можно было бы ожидать при синтезе триглицеридов с тремя длинными цепями насыщенных жирных кислот.
Ввиду того что углеродные цепи глицеридов, прикрепленные к глицерину, могут свободно вращаться по оси, перпендикулярной к оси глицериновой части молекулы, возникают молекулы самой разнообразной конфигурации. Таким образом, глицериды при кристаллизации формируются самым различным образом, и явление это известно как полиморфизм. Следовательно, кристаллы могут иметь разную плотность и различную точку плавления.
Моноглицериды и диглицериды вместе составляют менее чем 0,5% общей липидной фракции молока, а содержание диглицеридов в 10 раз выше, чем моноглицеридов. Эти соединения обычно концентрируются на поверхности жировых шариков, поскольку они имеют одну (диглицериды) и две (моноглицериды) свободные гидроксильные группы, и при отсутствии жирных кислот они обычно соединяются с водой. Иногда моно- и диглицериды добавляют в некоторые молочные продукты для стабилизации эмульсии.
Фосфолипиды, хотя и занимают небольшой удельный вес по содержанию (от 0, 2 до 1,0%), являются важными компонентами молочного жира и широко распространены в природе, включая ткани и клетки тела. Они состоят из жирных кислот, фосфорной кислоты и других соединений, таких, как глицерин и холин в лецитине, этаноламин и серин в цефалине и сфингозин в сфингомиелине. Низкомолекулярные жирные кислоты присутствуют лишь в незначительных количествах. К другим сложным липидам относятся цереброзиды (сфингозин+галактоза+высокомолекулярные жирные кислоты) и плазмалогены (глицерин+альдегиды+жирные кислоты+фосфорная кислота+холин или этаноламин). Нейтральные плазмалогены не содержат фосфорной кислоты, Фосфолипиды находятся в комплексе с белками молока. Сливки, отделенные от молока центрифугированием, содержат около 65% связанного с липидами фосфора из-за высокой степени абсорбции фосфолипидов жировыми шариками, что помогает стабилизации последних (эмульгирование). При сбивании масла и гомогенизации фосфолипиды удаляются с жировых шариков и не полностью реабсорбируются. Они менее чувствительны к окислению в сывороточной фазе, чем на поверхности жировых шариков, поэтому гомогенизированное молоко менее подвержено окислению, катализируемому соединениями меди.
Основным стерином молока является холестерин (от 0,35 до 0,4% жира). Структурная конфигурация холестерина следующая.
Холестерин является составной частью клеток большинства высших животных. Особенно его много в нервной ткани. Одна из форм холестерина - 7-дегидрохолестерин, является предшественником витамина D3 и может активизироваться (превратиться в витамин) облучением молока ультрафиолетом. Поскольку холестерин не имеет эфирных связей, в отличие от триглицеридов и других эфиров он не подвергается омылению.
К другим неомыляемым липидным компонентам относятся витамины A, D, Е и К.
Белки и азотистые соединения
Азот в молоке содержится в основном в аминокислотах, которые связаны друг с другом посредством пептидных связей. В такой связи а-аминная (-NH2) группа одной аминокислоты соединяется с карбоксильной (-СООН) группой другой. Такие связи повторяются многократно, образуя длинную цепь (полимер, или полипептид). Азот аминокислот в белках составляет около 16% массы. Исходя из этого, мы определяем количество азота по методу Кьельдаля и умножаем на 6,38 (в случае с белками молока) с тем, чтобы вычислить содержание белка.
Белки строятся синтезирующим механизмом клетки, и каждый белок специфичен для клеток (как животных, так и растительных), в которых они образованы. Материал ядра клетки, называемый дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), в конечном счете определяет, какие белки будут вырабатываться в клетке. Однако промежуточный материал, рибонуклеиновая кислота (РНК), служит переносчиком существенной информации. Эта информация передается в виде шаблона, или матрицы, которая определяет последовательность аминокислот в белковой цепи. Обычно в белках молока обнаруживают девятнадцать аминокислот, включая незаменимые аминокислоты, особенно триптофан и лизин, дефицитные в растительных белках. Но концентрация серосодержащих аминокислот - цистина и метионина - в молоке ниже оптимальной.
Казеин содержит около 0,8% серы, в то время как b-лактоглобулин и а-лактальбумин содержат соответственно около 1,6 и 1,9%.
Питательная ценность белков кукурузы, картофеля или белого хлеба, по существу, удваивается при их использовании в пищу с достаточными количествами молока с целью сбалансирования по незаменимым аминокислотам.
В казеине, основном белке молока, фосфат образует сложный эфир с серином и треонином. Обе аминокислоты имеют на противоположных концах карбоксильной группы гидроксильную группу и поэтому вступают в реакцию образования сложного эфира с фосфорной кислотой. Белки, содержащие другие, кроме аминокислот, соединения, называются сложными белками (примером является фосфопротеин - казеин).
Для того чтобы охарактеризовать белок, необходимо определить содержание в нем аминокислот и других составных частей, число молекул и их конфигурацию (расположение молекул в пространстве). Другие ценные свойства белка включают изоэлектрическую точку, устойчивость к нагреванию, к солям, таким, как сульфат аммония и сульфат магния, электрофоретическую подвижность (направление и скорость движения в электрическом поле) и молекулярную массу. Применение различных методов исследования этих свойств открыли широкое разнообразие белков молока. Читатель может найти описание различных свойств белков во многих других источниках.
Казеин (содержание в молоке 2,5%) - это белок, который осаждается при подкислении снятого молока (обрата) до величины рН около 4,6. Белки, остающиеся в сыворотке молока после удаления казеина, называются сывороточными белками молока (0,6%). Некоторые сывороточные белки молока осаждаются при нагревании. Лактальбумин, имеющийся в продаже, представляет собой смесь термолабильных, осаждаемых кислотами белков молочной сыворотки. Однако по современной терминологии и классификации, основанной на специфических химических свойствах, в молоке выделяют 11 основных фракций. Двумя главнейшими компонентами казеина являются а- и b-казеины. Однако особенно важное значение имеет х-казеин, поскольку он стабилизирует другие казенны в присутствии кальция. Большинство белковых фракций было выделено в нескольких формах, названных генетическими вариантами. Комитет по классификации и номенклатуре молочных белков и методологии Американской ассоциации по молочному скотоводству и молочному делу рекомендовал использовать подстрочные индексы для их обозначения.
Казеин синтезируется в секреторных клетках молочной железы в высокоагрегированном состоянии, благодаря чему образуются мицеллы более или менее сферической формы, диаметр которых колеблется в молоке коровы от 0,03 до 0,3 мкм (1 мкм=10-6 м). Внутри казеиновых мицелл имеются пещеры, или каналы, которые вмещают относительно крупные молекулы (с молекулярной массой не менее 36000). Молекулы в мицеллах расположены в определенном порядке, чем обусловлены многие функциональные свойства белка. Казеиновая мицелла в среднем состоит из 10000 казеиновых мономеров.
Для синтеза а-лактальбумина требуется наличие определенных гормонов: инсулин, кортизон, эстроген и пролактин. Синтез этого белка ингибируется гормоном прогестероном. В конце беременности концентрация прогестерона в молочной железе снижается и начинается образование а-лактальбумина. b-лактоглобулин состоит только из аминокислот. В отличие от казеина он содержит свободные сульфгидрильные группы (-SH) в виде цистеиновых (аминокислота) остатков. Эти группы при нагревании молока придают ему специфический привкус кипяченого молока.
Иммуноглобулины тесно связаны друг с другом по химическому составу и физическим свойствам. Сюда входят антитела молока, которых особенно много в молозиве. Эти антитела имеют наиболее высокую молекулярную массу по сравнению с другими белками молока.
Альбумин сыворотки крови, по-видимому, проходит через мембраны тканей молочной железы в неизменном виде. При воспалении этих тканей концентрация альбумина сыворотки крови в молоке возрастает вследствие увеличения проницаемости тканей. Альбумин сыворотки крови связывает и инактивирует некоторые антибиотики, особенно пенициллин G, применяемый при лечении маститов.
В молоке находятся также высокорастворимые низкомолекулярные (имеющие короткие полимеры) белки, такие, как ферменты, которые состоят главным образом из белков. Ферменты - это органические катализаторы, которые участвуют в химических реакциях, оставаясь сами неизменными. Они уменьшают количество энергии, которое необходимо для протекания реакции. Ферменты жизненно необходимы в биологических реакциях.
Молочная аллергия - это реакция организма типа аллерген-антитело. Аллерген - обычно безвредное вещество, имеющееся в пищевых продуктах или окружающей среде, который в организме сенсибилизированного человека может вызвать астматические и желудочно-кишечные заболевания. Признаками молочной аллергии являются астма, риниты, рвота, боли в животе, диарея, жжение и анафилаксия. Белки молока являются этиологическими факторами в случаях молочной аллергии. Почти все белки являются антигенами и должны рассматриваться как потенциальные аллергены. Хотя основная аллергенная активность молочных белков приписывалась b-лактоглобулину и а-лактальбумину, вопрос этот сложный и противоречивый. Не совсем окончательные, но существенные данные показывают на увеличение аллергической реакции среди лиц, чувствительных к продуктам конденсации лактозы и е-аминогруппе лизина (аминокислота, которая входит в состав b-лактоглобулина). Это продукт так называемой коричневой реакции, или реакции Мейлларда, которая происходит при интенсивном кипячении молока.
Молочная аллергия возникает главным образом у младенцев и детей до двухлетнего возраста. Частота случаев заболеваний широко колеблется от 30% у подверженных аллергии детей до менее чем 0,1-7,0% у неподверженных. Антитела к молочным белкам можно обнаружить в течение менее чем одного месяца после первого приема молока. От рождения до трех месяцев жизни слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта человека относительно проницаема для непереваренных (неразложенных в процессе пищеварения) белков пищи. Следовательно, в раннем возрасте очаги образования антител вероятнее всего подвергаются воздействию со стороны инородных белков, особенно у детей из семей с аллергическим наследственным фоном. Очевидно, необходимо рекомендовать кормление грудью, особенно в тех семьях, где отмечались случаи неблагоприятных реакций, поскольку вероятность развития молочной аллергии с возрастом значительно снижается.
Дети, которых кормили грудью в течение различных периодов времени перед переводом на коровье молоко, реагировали слабее и уровень антител у них был ниже, чем у детей, которых сразу же после рождения кормили пастеризованным или порошковым молоком, причем степень ответной реакции была прямо пропорциональна длительности периода грудного вскармливания.
Диагноз аллергии к молоку затруднителен не только вследствие множественности симптомов, которые дублируют признаки других заболеваний, но также из-за отсутствия надежных объективных тестов. Наиболее ценный тест - провокационный - заключается в вызывании симптомов путем скармливания молока, которые после прекращения дачи молока исчезают. Повторные постановки реакции позволяют уточнить диагноз.
В исследованиях ученые МСХ США показали, что при гидролизе пепсином (как это происходит в желудке) из казеинов, а-лактальбумина, b-лактоглобулина и бычьего сывороточного альбумина крови образуются антигены. Продолжаются исследования по выявлению значения этих антигенов, которые обладают антигенными свойствами, четко различающимися от белков, из которых они образовались.