Лактоза

Лактоза является углеводом молока и обычно занимает наибольший удельный вес из всех трех главных компонентов молока. Молоко коровы содержит около 5% лактозы, в то время как молоко женщины - в среднем 7%. По этой причине в смеси для грудных детей добавляют лактозу. Лактоза является источником энергии (30% калорийной ценности молока обусловлена лактозой), придает молоку сладкий вкус, является субстратом, из которого образуется молочная кислота в кисломолочных продуктах, вместе с белками участвует в реакции карамелизации, с ней связаны консистенция и растворимость хранившихся молочных продуктов. Молоко содержит также около 7 мг глюкозы и 2 мг галактозы на 100 мл. Лактоза - основной компонент в препаратах для отбеливания растворимого кофе, ее используют при изготовлении жевательной резины. Румяные корочки у пирогов можно получить, если смазать их раствором лактозы до выпечки. Хрустящему картофелю в ломтиках и жареному картофелю фри можно придать более глубокую и ровную окраску, если до жарения в масле опустить в раствор лактозы.

Лактоза синтезируется только клетками лактирующей молочной железы реакцией глюкозы с уридиндифосфатгалактозой. Фермент галактозилтрансфераза модифицируется а-лактальбумином (образуется модифицированная галактозилтрансфераза) и катализирует синтез лактозы. В нелактирующей железе глюкоза участвует в другой реакции, поскольку в такой железе нет а-лактальбумина.

Единственный отряд млекопитающих, представители которого не имеют лактозы в молоке (а также и других углеводов) - это Pinnipedia: тюлени, морской лев и моржи Тихого океана. Если этим животным давать лактозу в любой форме, они заболевают. Калифорнийский морской лев не синтезирует а-лактальбумина. Однако при добавлении в препараты клеток молочной железы морского льва а-лактальбумина коровьего молока лактоза начинает вырабатываться.

При гидролизе лактозы (12 углеродных атомов) образуется глюкоза (6 атомов) и галактоза (6 атомов). В клетках пищеварительного тракта лактаза (b-D-галактозидаза) ответственна за гидролиз лактозы. Лактаза действует главным образом в тощей кишке, втором из трех основных отделов тонкого кишечника, где ворсинки (метаболически активные, дифференцированные, неделящиеся клетки) секретируют в похожих на щетку гранях. Галактоза и часть глюкозы поступают в кровоток и доставляются в печень, где вовлекаются в обмен. Некоторая часть глюкозы ферментируется микроорганизмами в кишечнике, понижая таким образом рН содержимого. Это, в свою очередь, способствует подавлению роста нежелательных гнилостных бактерий.

В процессе роста полезные бактерии синтезируют витамины группы В, которые используются организмом хозяина. Лактоза в кишечнике способствует также всасыванию кальция, магния, фосфора и использованию витамина D. Если количество лактозы в кишечнике на поверхности клеток превышает гидролитическую активность имеющейся лактазы, то часть лактозы остается непереваренной. Некоторое количество лактозы всасывается, поступает в кровяное русло и используется печенью в обмене или же выделяется с мочой. Другая часть проходит в толстый отдел кишечника, где могут проходить два процесса, если количество ее значительно. Один из них физический: молекулы лактозы увеличивают осмотическое давление, и вода проходит из тканей в кишечник. Другой процесс биохимический: бактерии кишечника, особенно группы кишечной палочки, гидролизуют лактозу и ферментируют ее, вырабатывая кислоту и газ. Симптомами этого процесса могут быть вздутие, скопление и отхождение газов, отрыжка, спазмы и водянистая: взрывная диарея.

В клетках слизистой оболочки активность лактазы максимальна в первые годы жизни детей. В последующем она снижается. Для того чтобы переваривать большие количества лактозы, в последующие годы жизни увеличивается масса слизистой кишечника. Сообщалось, что увеличение потребления лактозы повышает способность к ее перевариванию, то ли вследствие индуцирования выработки лактазы, то ли из-за изменения микрофлоры кишечника таким образом, что количество лактозы, которая может быть вовлечена в обмен веществ, увеличивается. Отсутствие толерантности к лактозе в наибольших масштабах проявляется среди народов Азии и Африки, причем в некоторых популяциях частота этого нарушения достигает 100%. Среди населения северной Европы высокая толерантность является правилом. В США 70% черного населения в различной степени является нетолерантным, среди белого населения эта цифра равна 15%. Наилучшим тестом определения толерантности к лактозе является определение уровня глюкозы в крови после дачи лактозы. При отсутствии толерантности дача больших количеств (50-100 г) кристаллической лактозы не вызывает достоверного повышения концентрации глюкозы в крови у людей после 12-часового голодания. Условия постановки этого теста значительно отличаются от различных форм дачи небольших количеств молока и диагностика отсутствия толерантности к лактозе по этому методу не должна приравниваться к определению толерантности к молоку. Для того чтобы получить 50 г лактозы, необходимо выпить около литра молока. Многие люди, которые реагируют на клинический тест лактозной толерантности, вполне могут без явных неблагоприятных ощущений выпить стакан или два молока за завтраком.

Дефицит лактазы можно встретить также и при заболеваниях тонкого отдела кишечника, когда количество фермента уменьшается вследствие структурных аномалий стенки кишечника. Такая временная недостаточность лактазы может возникнуть после обострения гастроэнтерита или в хронических случаях при заболеваниях слизистой кишечника (например, спру детей или тропической диарее). После успешного лечения уровень лактазы достигает нормального и лактозу вновь можно употреблять в пищу.

В некоторых районах земного шара в развитии лактозной нетолерантности могут играть роль некоторые факторы среды, поскольку рецидивирующий паразитоз желудочно-кишечного тракта связан с антисанитарными условиями жизни. При этих заболеваниях поражаются стенки кишечника, что оказывает ингибирующее действие на образование или выделение лактазы. Некоторые исследователи полагают, что отсутствие толерантности к лактозе у взрослых является нормальным генетическим состоянием, и среди групп людей, которые в отдаленном прошлом начали употреблять в пищу молоко коров, овец и коз, селективное преимущество имели те, которые благодаря случайной мутации имели достаточно высокую активность лактазы для переваривания лактозы. Конечно, это лишь предположение, основанное на данных о генетическом механизме отсутствия толерантности к лактозе.

Частичная ферментация лактозы в пахте, йогурте и аналогичных продуктах дает возможность потреблять эти продукты людям с отсутствием толерантности к лактозе без отрицательных последствий. Более 20% лактозы ферментируется до молочной кислоты, повышая кислотность продукта до 1% ввиду того, что метаболическая эффективность реакции ниже 100%.

Существует два изомера лактозы - альфа и бета. Альфа-форма кристаллизуется в виде моногидрата (одна молекула воды соединяется с одной молекулой сахара). Однако при высушивании при высокой температуре (свыше 100° С) и вакууме вода удаляется и образуется а-ангидрид. При температуре свыше 93,5° С а-ангидрид превращается в b-ангидрид. При комнатной температуре в растворах находится как альфа, так и бета-формы. Быстрым удалением воды из раствора можно создать также лактозное стекло (высококонцентрированный или сверхнасыщенный раствор без кристаллов). Кристаллы не образуются вследствие того, что высокая вязкость раствора замедляет диффузию лактозных молекул к центрам роста кристаллов.

Сладость лактозы в зависимости от концентрации колеблется от 1/2 до 1/5 сладости сахарозы: Она относительно слаще при более высоких концентрациях, чем при низких. Сладость b-лактозы больше, чем а-формы. Однако различия быстро исчезают в растворах вследствие мутаротации (превращения бета-формы в альфа и наоборот).

В сравнении с большинством сахаров лактоза относительно менее растворима в воде. При 25° С в 100 г воды растворяется 18 г лактозы (рацемическая смесь а- и b-форм). Молоко, концентрированное до отношения 1:3 (например, сгущенное молоко), приближается к точке насыщения лактозой при комнатной температуре, а при охлаждении образуются кристаллы гидрата a-лактозы. Растворимость а-лактозы приблизительно составляет 7 г на 100 г воды при 15° С, в то время как в таком же количестве воды растворяется 50 г b-лактозы. Тенденция к кристаллизации лактозы в концентрированных растворах может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Затруднения при кристаллизации возникают при выработке мороженого, сгущенного и сухого молока, а также сухой молочной сыворотки. Однако свойство лактозы кристаллизоваться можно использовать для выделения ее из растворов в различных формах, имеющих уникальные свойства.

Ферменты молока

Ферментами называются органические вещества, обладающие каталитическими свойствами и участвующие в реакциях, но не изменяющиеся в их ходе. Все ферменты целиком или частично состоят из белков, но в молоке их ничтожно мало. Поскольку ферменты являются белками, они обычно инактивируются при нагревании и имеют определенные, только им свойственные рН и другие показатели, при которых они действуют наиболее эффективно.

Ферменты имеют важное значение с двух точек зрения. Во-первых, они могут изменить химическое строение продукта, влиять на вкус, запах, вид или реакцию. Во-вторых, их можно использовать как индикатор качества или технологии обработки продукта. Например, наличие в молоке щелочной фосфатазы после пастеризации является доказательством недостаточного нагревания или повторного загрязнения (смешивания) с сырым молоком.

Свежее сырое молоко содержит ферменты, которые поступили из организма коровы. Другие ферменты вырабатываются в молоке или молочных продуктах микроорганизмами в молочной железе или вне ее. Рассмотрим теперь те ферменты, которые имеют практическое значение.

Большинство ферментов можно классифицировать по отношению к субстратам, на которые они действуют. Например, карбогидразы действуют на углеводы (карбогидраты), протеазы - на белки (протеины), липазы - на липиды. Однако Международное биохимическое общество разделило ферменты на шесть больших классов: оксиредуктазы, которые катализируют реакции окисления или восстановления; трансферазы, которые катализируют перенос специфических химических групп; гидролазы, которые гидролизуют субстраты, попутно связывая образующуюся молекулу воды; лиазы, которые отнимают или присоединяют специфические химические группы к соответствующим субстратам; изомеразы, которые катализируют изомеризацию, и лигазы, которые катализируют синтез или соединение компонентов единиц субстрата. К наиболее важным ферментам молока относятся оксиредуктазы (пероксидаза и каталаза) и гидролазы (амилаза, протеаза, фосфатаза и липаза).

Фосфатазы

Эти ферменты катализируют гидролиз эфиров фосфорной кислоты. Щелочная фосфатаза всегда содержится в сыром молоке, хотя ее концентрация непостоянна. Большая часть щелочной фосфатазы связана с микросомальными частицами, которые абсорбируются на поверхности жировых шариков. Разрушение щелочной фосфатазы происходит почти полностью после подогрева при минимальной температуре и времени (при самых разнообразных режимах пастеризации). Однако незначительное снижение температуры или сокращение времени пастеризации ниже минимума оставляет некоторую часть активности неизменной. Восстановление активности может произойти в продуктах с высоким содержанием жира, пастеризованных при ультравысоких температурах и хранимых при относительно низких температурах. Фермент активируется ионами магния. Оптимальная величина рН щелочной фосфатазы 9,6. Фосфопротеиновая фосфатаза (в литературе широко распространено название «кислая фосфатаза» ввиду низкого значения рН, при котором действует этот фермент) более устойчива к нагреванию и инактивируется при 88° С в течение 30 минут. Она имеет оптимум рН 4,0. Действует на ароматические фосфаты, фосфор казеина и пирофосфаты.

Эстеразы

Эти ферменты катализируют гидролиз эфиров с образованием спиртов и кислот. Липазы являются особым типом эстераз, которые разлагают жиры в эмульсии на жирные кислоты и глицерин.

Число содержащихся в молоке эстераз и липаз неизвестно. Сообщалось, что в парном молоке содержится две липазы. При охлаждении мембранная липаза необратимо абсорбируется мембраной жировых шариков. Если концентрация мембранной липазы чрезмерно высока, молоко может прогоркать, и остановить этот процесс можно только охлаждением. В молоке коров на последней стадии лактации и при кормлении в основном сеном часто содержатся высокие концентрации мембранной липазы. Липаза плазмы может быть активирована перемешиванием, гомогенизацией и изменениями температурного режима. По-видимому, при этом липаза из казеина переходит на жировые шарики. Однако известно также, что сильное перемешивание и гомогенизация разрушают защитную мембрану жировых шариков. При такой обработке липаза получает больше доступа к субстрату (жиру) и по этой причине ускоряется процесс липолиза. Ввиду увеличения чувствительности гомогенизированного жира к действию липазы гомогенизацию необходимо проводить непосредственно перед пастеризацией или сразу же после нее. После пастеризации липолитическая активность молока равна нулю. Однако после подогрева при высоких температурах (около 90° С) в течение 3 с активность липазы восстанавливается при хранении молока в течение 48 ч.

Липазы могут вырабатываться в молоке некоторыми бактериями, которые при пастеризации не инактивируются. Однако частота случаев прогоркания молока вследствие бактериальной липазы низка. В молозиве и маститном молоке высока активность арилэстеразы (А-эстераза). По-видимому, она поступает в молоко из сыворотки крови, когда проницаемость тканей повышается при воспалительных процессах.

Протеазы

Эти ферменты катализируют разрыв пептидных связей (место связи аминогруппы аминокислот с карбоксильной группой) путем присоединения молекулы воды (гидролиз), расщепляя таким образом белковую молекулу. Если имеются соответствующие протеазы или их комбинации, белок может быть разложен полностью до составляющих его аминокислот.

В молоке бактерии вырабатывают протеазы, что затрудняет обнаружение протеаз самого молока. Тем не менее опытным путем было доказано наличие протеолиза в молоке, инкубируемом при 37° С, когда число бактерий было незначительным и рост их ингибировался. Активная фракция осаждается вместе с казеином при подкислении молока. Бактерии Pseudomonas иногда вырабатывают протеазу, которая не инактивируется при пастеризации. Одна микробная протеаза, изученная в лабораториях, обусловливает дефекты, особенно горьковатый привкус ультрапастеризованного молока, сыра чеддер и творога после хранения этих продуктов в обычном холодильнике.

Каталаза

Этот фермент разлагает перекись водорода на воду и кислород. В молоке каталаза связана в основном с лейкоцитами, которых особенно много в маститном молоке. Поэтому тесты, основанные на содержании каталазы, использовались для определения числа лейкоцитов в молоке. Однако корреляция между количеством выделившегося кислорода и числом лейкоцитов относительно низкая, и поэтому более целесообразна использовать другие скрининг-тесты. Некоторые микроорганизмы вырабатывают в молоке каталазу, и это обстоятельство может затруднить интерпретацию результатов скрининг-теста, основанного на этом принципе. Каталаза молока разрушается при пастеризации.

Пероксидаза (лактопероксидаза)

Пероксидаза катализирует перенос кислорода от пероксидов на другие вещества. Молоко содержит пероксидазу в относительно высоких концентрациях (около 1 % от общего содержания белков в молочной сыворотке). Фермент представляет собой гем-протеин с содержанием железа около 0,07%. Пастеризация при минимальных температурах не инактивирует его.

Ксантиноксидаза

Этот фермент в коровьем молоке содержится в высоких концентрациях, а в женском - полностью отсутствует. Он катализирует окислительно-восстановительные реакции. Отсутствие ксантиноксидазы в женском молоке служит основой теста дифференциации женского молока от коровьего. Примерами веществ, окисляемых ксантиноксидазой, являются ксантин, альдегиды, пурины, пиримидины и восстановленный никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Примерами акцепторов кислорода являются атомарный кислород, метиленовая синь, цитохром С, феррицианид, нитраты и хинон. Рибофлавин является составной частью ксантиноксидазы. Пастеризация не разрушает его, на к нагреванию он более чувствителен, чем пероксидаза.

Другие ферменты коровьего молока

К другим ферментам молока относятся альфа-амилаза, которая разлагает крахмал, альдолаза, которая гидролизует фруктозу-1, 6-дифосфат и карбоангидраза, которая катализирует как гидратацию углекислота газа, так и обратную реакцию - дегидратацию угольной кислоты (Н₂СО₃). Этим, конечно, список ферментов молока не исчерпывается.

Клеточные компоненты молока

Клеточные компоненты молока включают лейкоциты (белые кровяные клетки), эпителиальные клетки и в некоторых случаях эритроциты (красные кровяные клетки). Все эти клетки классифицируются как соматические. Число их в молоке связано с наличием инфекции или травмой молочной железы. Бактериальные клетки попадают в молоко как с наружной поверхности молочных желез, так и изнутри. Количество поступивших из вымени клеток зависит от способности инфицирующих бактерий к росту и размножению в молочных железах, размеров инфицированной ткани и защитной способностью организма животного, а именно фагоцитарная активность лейкоцитов и иммунитет, обусловленный антителами молока.

У свободных от инфекции животных количество бактерий в асептически взятом молоке обычно менее 300 на 1 мл. В молоке из инфицированных желез число бактерий может достигнуть нескольких миллионов на 1 мл, но обычно находится в пределах 10000-100000 млн/мл. При стрептококковой инфекции число бактерий обычно выше, чем при стафилококковой.