Электрическое состояние белков молока

Боковые цепи некоторых аминокислот белков молока несут электрический заряд, зависимый от pH молока. Когда pH изменяется при добавлении кислоты или основания, изменяется также и распределение заряда белка. При обычной pH молока, равном 6,6, белковая молекула имеет общий отрицательный заряд. Молекулы белка остаются разделенными из-за отталкивания идентичных зарядов.

При добавлении ионов водорода они адсорбируются белковыми молекулами. При величине pH, при которой положительный заряд белка становится равен отрицательному заряду (когда число групп NH₃⁺ и СОО^– в боковых цепях одинаково), общий заряд белка будет нулевым. Белковые молекулы больше не отталкиваются друг от друга, а положительные заряды одной молекулы притягиваются отрицательными зарядами соседних молекул, что приводит к образованию огромных белковых скоплений с последующим выпадением белка из раствора. Величина pH, при которой происходит это явление, называется изоэлектрической точкой данного белка.

При наличии избытка водородных ионов белковые молекулы приобретают общий положительный заряд. Это снова приводит к взаимному отталкиванию белковых молекул, что позволяет оставаться им в растворе. С другой стороны, при добавлении раствора сильной щелочи (NaOH) все белки приобретают отрицательные заряды, остаются в растворенном состоянии.

Классификация белков молока

Молоко содержит сотни видов белков, большинство из которых присутствует в очень незначительных количествах. Белки можно классифицировать разными способами на основе их химических или физических свойств и биологических функций. Старый способ разделения белков на казеины, альбумины и глобулины дает путь к более адекватной системе их классификации. В таблице 2.5 приведен сокращенный список белков молока в соответствии с современной системой. Незначительные группы белков при этом для простоты исключены. Понятие “сывороточный белок” часто используют в качестве синонима для белков молочной плазмы, но его нужно было бы зарезервировать для белков сыворотки, получаемой в процессе приготовления сыра. В добавление к белкам молочной сыворотки сывороточный белок содержит и фрагменты молекул казеина.

Некоторые белки присутствуют в меньшей концентрации, чем в исходном молоке. Это обусловлено тепловой денатурацией при пастеризации молока в процессе производства сыра. Три основные группы белков в молоке значительно различаются между собой характеристиками и свойствами. Казеины могут легко осаждаться в молоке различными способами, в то время как белки сыворотки обычно остаются в растворе. Белки оболочки жировых шариков, как и положено им по названию, прилипают к поверхности этих шариков и выделяются только при механическом воздействии – например, при сбивании сливок в масло.

Казеин

Казеин является групповым названием преобладающего класса белков молока. Казеины легко образуют полимеры, содержащие несколько идентичных или разных типов молекул. Благодаря большому количеству в молекуле казеина ионизируемых групп, а также гидрофильных и гидрофобных участков полимерные молекулы, образованные казеинами, являются очень специфичными. Эти полимеры построены из сотен и тысяч отдельных молекул и образуют коллоидный раствор, придающий обезжиренному молоку его характерный беловато-голубой оттенок.

Таблица 2.5

Концентрация белков в молоке

*) далее именуемые ás-казеин

**) включая ã-казеин

Эти молекулярные комплексы известны в качестве мицелл казеина. Величина этих мицелл может достигать 0,4 мкм, и они могут быть видны только под электронным микроскопом.

Мицеллы казеина

Три подгруппы казеина – ás-казеин, _____ê-казеин и â-казеин – все являются гетерогенными и состоят из 2–8 генетических вариантов, которые отличаются друг от друга только несколькими аминокислотами. Общим для этих подгрупп является то, что у них одна из двух аминокислот, содержащих гидроксигруппы, эстерифицирована фосфорной кислотой, присоединяющей кальций и магний и некоторые комплексные соли с образованием внутримолекулярных или межмолекулярных связей.

Мицеллы казеина, состоят из комплекса субмицелл с диаметром 10–15 нм (нанометр = 10^–9 м). Содержание -, - и -казеиновых фракций неодинаково распределено в различных мицеллах. Кальциевые соли s и -казеин почти нерастворимы в воде, а -казеин легко растворим.

Благодаря доминирующей локализации последнего из казеинов на поверхности мицелл растворимость его кальциевой соли превалирует над нерастворимостью двух других казеинов, содержащихся в мицеллах, и потому вся мицелла в целом растворима с образованием коллоидного раствора. (Современные данные о химии молока. Том 1. Белки. П.Ф.Фокс – Advanced dairy chemistry. Vol.1 Proteins. P.F. Fox).

Согласно Роллема (Rollema) (1992), комбинация моделей Слаттери и Эвард (Slattery & Evard) (1973), Шмидт (Schmidt) (1982) и Валстра (Walstra) (1990) дает наилучшее из имеющихся объяснений того, каким образом образуются и стабилизируются мицеллы.

Фосфат кальция и гидрофобное взаимодействие между субмицеллами приводят к объединению казеиновых мицелл. Гидрофильные С-концевые части -казеина, содержащие углеводную группу, выступают снаружи комплексных мицелл, придавая им “волосистый” вид и, что важно, стабилизируют их. Основой этому является сильный отрицательный заряд углеводов.

Размер мицелл зависит в большой степени от содержания ионов кальция (Са++). Если эти ионы покидают мицеллу – например, при диализе, то она распадается на субмицеллы. Мицелла среднего размера состоит приблизительно из 400–500 субмицелл, которые объединяются, как описано выше.

При расщеплении С-окончания -казеина на поверхности мицелл – например, под действием сычужного фермента – мицеллы теряют растворимость и начинают агрегировать с образованием казеинового сгустка.

В неповрежденных мицеллах имеется избыток отрицательных зарядов, и потому они взаимно отталкиваются. Молекулы воды, удерживаемые гидрофильными участками -казеина, являются важной частью этого равновесия. При удалении этих гидрофильных участков вода начинает покидать структуру, что является сигналом к началу действия сил притяжения. Образуются новые связи – например, солевого типа с активным кальцием и гидрофобного типа.

Образование связи приводит к вытеснению воды, и вся структура в конце концов осаждается с образованием плотного сгустка.

Низкая температура отрицательно воздействует на мицеллы, вызывая диссоциацию цепей -казеина и удаление гидроксифосфата кальция из их структуры, в которой он присутствует в коллоидном виде, в раствор.

Объяснение этого явления состоит в том, что -казеин является наиболее гидрофобной фракцией казеина, и что гидрофобные взаимодействия ослабляются при понижении температуры. Эти изменения делают молоко

Примечание: При большом избытке кислоты, добавляемой к коагуляту, казеин будет растворяться с образованием соли и кислоты.

При применении соляной кислоты раствор будет содержать гидрохлорид казеина, частично диссоциированный на ионы.

-казеин, кроме того, после выхода из мицеллы легче подвергается гидролизу различными протеазами, содержащимися в молоке. Его гидролиз до -казеина и протеозопептонной фракции приводит к более низкому выходу получаемого сыра из-за того, что протеозопептонные фракции отходят в сыворотку. Распад -казеина может также привести к образованию пептидов, вызывающих горечь и таким образомприводящих к ухудшению вкусовых качеств сыра.

В этом контексте необходимо упомянуть, что когда сырое или пастеризованное и хранившееся в холоде молоко нагревают в течение 20 секунд до 62–65°С, то -казеин и гидроксифосфат кальция возвращаются в мицеллы, вызывая при этом полное или частичное восстановление исходных свойств молока.

Осаждение казеина

Способность казеина к осаждению является одним из характерных его свойств.

Из-за сложной природы молекул казеина и образующихся из них мицелл это осаждение может быть вызвано многими различными агентами. Необходимо помнить о том, что существует большая разница между оптимальными условиями осаждения для казеина в мицеллярной и немицеллярной форме – например, в виде казеината натрия. Последующее описание относится в основном к осаждению мицеллярного казеина.

Осаждение кислотой

При введении кислоты в молоко или при росте в нем бактерий, продуцирующих кислоту, происходит понижение pH молока. При этом происходит двухстадийное изменение среды, окружающей мицеллы. Прежде всего коллоидный гидроксифосфат кальция, присутствующий в мицеллах казеина, растворяется с образованием ионов кальция, проникающих в структуру мицелл, и создает прочные внутренние кальциевые связи. Затем pH раствора достигает изоэлектрических точек отдельных видов казеина.

Оба эти процесса инициируют изменения внутри мицелл, начиная с их роста через агрегацию и заканчивая более или менее плотным коагулятом.

В зависимости конечной величины pH коагулят будет являться солью казеина и/или казеином в его изоэлектрическом состоянии.

Величина изоэлектрических точек компонентов казеина зависит от наличия других ионов, присутствующих в растворе. Теоретические величины pH для этих точек, при определенных условиях совпадающие с реальными его значениями, составляют 5,1–5,3. В солевых растворах при условиях,схожих с теми, которые характерны для молока, интервал кислотности для оптимального осаждения составляет pH 3,9–4,5, а практическая его величина для осаждения казеина в молоке равна 4,7.

При большом избытке гидроксида натрия, вводимого в осажденный казеин, вновь растворенный казеин будет превращаться в казеинат натрия, частично диссоциируемый на ионы. Кисломолочные продукты имеют обычно pH в пределах 3,9–4,5, лежащий в кислой области интервала изоэлектрических точек. При получении казеина из обезжиренного молока добавлением серной или соляной кислоты часто выбирают pH 4,6.

Осаждение ферментами

Аминокислотная цепь, образующая -казеин, состоит из 169 аминокислот. В этой цепи связь между аминокислотными остатками в положениях 105 (фенилаланин) и 106 (метионин) легко доступна для многих протеолитических ферментов. Некоторые из них атакуют эту связь и расщепляют полипептидную цепь. Образующийся концевой аминосодержащий фрагмент содержит аминокислоты между 106-м и 169-м положениями, среди которых преобладают полярные аминокислоты, а также углевод, придающий этой последовательности гидрофильные свойства. Эта часть молекулы -казеина, называемая гликомакропептидом, выделяется в сыворотку при изготовлении сыра. Остальная часть -казеина, состоящая из аминокислот между 1-м и 105-м положениями, нерастворима и остается в сгустке вместе с s- и фракциями казеина. Эту часть называют пара--казеином. Раньше считали, что весь сгусток состоит из пара-казеина.

Образование сгустка обусловлено внезапным удалением гидрофильных макропептидов и наступающей при этом неравновесностью внутримолекулярных сил. Это приводит к развитию и усилению связи между гидрофобными участками цепи за счет кальциевых связей, образующихся, когда молекулы воды, содержащиеся в мицеллах, начинают покидать структуру. Данный процесс обычно называют стадией коагуляции и синерезисом. Расщепление связи 105–106 в молекуле -казеина часто называют первичной стадией действия сычужного фермента, а стадию коагуляции и синерезиса – второй стадией процесса. Имеется также третья стадия этого процесса, при которой сычужный фермент воздействуетна компоненты казеина более обычным путем. Это происходит при созревании сыра.

Продолжительность всех трех стадий определяется главным образом значением pH и температурой. Кроме того, вторая стадия сильно зависит от концентрации ионов кальция и от присутствия или отсутствия сывороточных белков молока на поверхности мицелл.

Сывороточные белки

Сывороточными белками обычно называют белки молочной сыворотки.

При удалении казеина из обезжиренного молока каким-либо методом осаждения (таким, как добавление неорганической кислоты) в жидкости остается группа белков, которые и называют белками молочной сыворотки. До тех пор пока они не будут подвергнуты денатурации нагреванием, они не осаждаются при их изоэлектрических точках. Однако они обычно осаждаются полиэлектролитами, такими как карбоксиметилцеллюлоза. Технически для выделения сывороточных белков часто используют подобные вещества или комбинацию нагревания и регулирования pH. При нагревании молока некоторые сывороточные белки денатурируют и образуют комплексы с казеином, понижая способность казеина подвергаться воздействию сычужного фермента и присоединять кальций. Сгусток из молока, прошедшего высокотемпературную обработку, не выделяет сыворотку, как это происходит обычно с сырным сгустком, из-за меньшего в этом случае числа связей в виде мостиков внутри молекул казеина и между ними. Сывороточные белки вообще и -лактальбумин, в частности, имеют очень высокую питательную ценность. Их аминокислотный состав очень близок к тому, что считается биологическим оптимумом. Производные сывороточных белков широко применяются в пищевой промышленности.

-лактальбумин

Этот белок можно считать типичным сывороточным белком. Он присутствует в молоке всех млекопитающих и играет важную роль в синтезе лактозы в вымени.

Сывороточными белками являются:

-лактальбумин

-лактоглобулин

Имеются два способа вызвать флокуляцию и коагуляцию частиц казеината: осаждение их кислотой и осаждение ферментами.

-лактоглобулин

Этот белок найден только у копытных животных и является основным компонентом молока коров.

При нагревании молока выше 60°С начинается его денатурация, в которой реакционная способность серосодержащей аминокислоты -лактоглобулина играет заметную роль.

Сера начинает образовывать связи в виде мостиков между молекулами -лактоглобулина, между -лактоглобулином и -казеином и между -лактоглобулином и -лактальбумином.

При высоких температурах во время этого процесса начинают постепенно выделяться такие соединения серы, как сероводород. Эти соединения вызывают появление привкуса “кипяченого молока”.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: