Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

18.4. Мицеллярные и белково-липидные комплексы молока

твием, следует выделить следующие: опсонины, агглютинины, лизины, антитоксины, лактенины, лизоцимы и др.

Опсонины — антитела, способствующие фагоцитированию бактерий,

т.е. активизируют механизмы разрушения бактерий с участием компонентов комплемента. Агглютинины — антитела, склеивающие бактерии. Действующим механизмом этих антител является агглютинация. Лизины — антитела, способные растворять (лизировать) клетки, бактерии и действуют на них токсически. Антитоксины — антитела, нейтрализующие яды, выделяемые бактериями. При этом происходит связывание антителами токсина бактерий, а затем его разрушение. Лизоцимы — это белки, механизм действия которых проявляется в способности лизировать,

т.е. разрушать некоторые бактерии. Кроме того, в молоке содержатся иммуноглобулины, способные временно подавлять активность бактерий.

18.4.МИЦЕЛЛЯРНЫЕ И БЕЛКОВО-ЛИПИДНЫЕ КОМПЛЕКСЫ МОЛОКА

Сложные комплексы белков и липидов молока образуют упорядоченные структуры, которые построены по типу мицелл, которые представляют структуры гетерогенного состава, чаще всего шарообразной формы и различных размеров, формирующиеся неполярными молекулами в полярной среде. Стабилизированы мицеллы за счет слабых связей, преимущественно гидрофобных, гидрофильных, ионных, водородных и др. Компоненты, входящие в состав мицелл, представляют собой ассоциированные образования, сформированные под воздействием молекул растворителя и условий среды (температура, рН, ионная сила и др.).

В полярных растворителях образование мицелл происходит путем упорядоченного расположения липидов таким образом, что их гидрофильные головки бывают обращены в сторону полярных молекул воды, тогда как неполярные углеводородные радикалы формируют гидрофобное ядро, изолированное от молекул растворителя. К мицеллообразующим молекулам относятся жирные кислоты, фосфолипиды, ганглиозиды, желчные кислоты. Устойчивые мицеллы могут образовываться в смешанных белково-липидных комплексах. При этом белки располагаются по периферии мицеллы, контактируя с молекулами воды, а гидрофобные молекулы (липиды) занимают центральную часть молекулы.

Так как ядро мицеллы гидрофобно и на поверхности располагаются заряженные молекулы, то такие структуры способны солюбилизировать неполярные вещества, обеспечивая их растворимость в полярной среде. Этому подвергаются все соединения, которые нерастворимы или плохо растворимы в воде. Стабильность мицеллы определяется величиной

393

Глава 18. Биохимия молока

критической константы мицеллообразования (ККМ) и числом агрегации. При этом значение ККМ определяет концентрацию вещества, при которой начинают образовываться мицеллы (табл. 18.2).

Та б л и ц а 1 8 . 2

Критические концентрации мицеллообразования для некоторых соединений

Мицеллы представляют из себя целостные структуры, изолированные

впространстве друг от друга за счет наличия у каждой из мицелл гидратной оболочки, которая формируется путем упорядоченного расположения молекул воды, контактирующих с полярными поверхностными молекулами мицеллы. Мелкие мицеллы способны к агрегации, сливаясь в единые крупные структуры, которые из-за слабых взаимодействий могут разрушаться при различных физических воздействиях опять на более мелкие.

Солюбилизация неполярных соединений, таких как холестерин, возможна за счет внедрения неполярных молекул в гидрофобное ядро мицеллы, тогда как соединения, содержащие полярные группы (жирные кислоты, простые эфиры и др.), при солюбилизации располагаются

вповерхностных структурах мицеллы. Таким образом, обеспечивается индивидуальность расположения молекулы на мицелле, когда их полярная группа обращена наружу, а гидрофобная часть молекулы погружена вовнутрь мицеллы. Соединения с несколькими полярными группами (фосфолипиды, триглицериды и др.), могут адсорбироваться на поверхности мицеллы. Процесс солюбилизации зависит от температуры, концентрации и природы соединений, входящих в состав мицеллы. При этом насыщенные мицеллы образуют устойчивые дисперсные системы, что характерно для различных компонентов молока, в частности жировых шариков, у которых поверхностная оболочка является фрагментом мембраны лактоцита.

394

18.4. Мицеллярные и белково-липидные комплексы молока

18.4.1. Мицеллы казеина

Мицеллы казеина являются ассоциированными образованиями, формирование которых протекает в вакуолях аппарата Гольджи. Процесс протекает поэтапно. Вначале, после завершения биосинтеза полипептидных цепочек казеина на рибосомах клетки, они поступают в вакуоли аппарата Гольджи, где подвергаются гликозилированию (т. е. осуществляется присоединение углеводов к поверхности белковой глобулы), а также фосфорилированию.

Вприсутствии ионов кальция образуются субмицеллы казеина. Затем по мере насыщения субмицелл ионами Са2+ и фосфатов, субмицеллы могут сливаться, образуя мицеллы. После слияния с мембраной клетки мицеллы казеина выталкиваются в просвет альвеол.

Размер мицелл казеина может изменяться и зависит от времени года, породы и кормления животных и др. В образовании устойчивых мицелл казеина принимает участие находящийся в растворе фосфат кальция, который образует казеинаткальцийфосфатный комплекс (ККФК).

Вмолоке казеин присутствует в виде казеинатов кальция, в образовании которых участвуют остатки аминокислот (аспарагиновая и глутаминовая кислоты), имеющие свободные карбоксильные группы.

O

C O Белок Ca2+

C O

O

Фосфорилированию подвергаются белки, на поверхности которых располагаются аминокислотные остатки, содержащие гидроксильные группы (серин, треонин, тирозин).

При этом кальций может присоединяться к гидроксильной группе остатка фосфорной кислоты.

395

Глава 18. Биохимия молока

Кроме того, ион кальция способен образовать кальциевый мостик (соединяя между собой два и более белков) за счет образования связи с расположенными на поверхности этих белков остатками фосфорной кислоты.

OO

Эта способность кальция проявляется при формировании мицелл казеина. Разнообразие мицелл, в образовании которых принимают участие ионы кальция и фосфора, могут реализоваться в следующих структурах:

Таким образом, мицеллы казеина представляют собой упорядоченные белковые структуры, в образовании которых принимают участие ионы кальция и остатки фосфорной кислоты, формирующие кальций-фосфат- ные мостики, связывающие между собой молекулы казеина. Поэтому казеин в молоке присутствует в виде сложного ККФК, в состав которого могут входить и некоторые полярные соединения (лимонная, уксусная кислоты, витамины и др.) и ионы (Na+, K+, Mg2+, Cl– и др.). В мицелле присутствует 35...65 % кальция, 25...50 % неорганического фосфора, 25…30 % магния и 8…10% цитрата.

Увеличение в молоке содержания кальция, связанного с казеином, может приводить к понижению термоустойчивости казеиновых мицелл. Это необходимо учитывать при изучении свертывания молока при нагревании и при установлении скорости сычужной коагуляции. Стабильность казеиновых мицелл зависит от содержания в молоке ионов кальция, фосфора, состава казеинов, рН молока, температуры среды.

Размеры мицелл казеина являются определяющими при выявлении технологических свойств молока, в особенности при определении при-

396

18.4. Мицеллярные и белково-липидные комплексы молока

годности молока для производства сыров. При этом проявляется способность молока к свертыванию под действием сычужного фермента.

18.4.2. Жировые шарики

18.4.2.1. Механизм формирования жировых шариков

Структурированные образования, сформированные в результате пиноцитоза, имеющие наружную оболочку, представленную белковолипидными комплексами мембран лактоцитов, называются жировыми шариками (рис. 18.2). Размер жирового шарика (ЖШ) может колебаться в пределах 0,1…20 мкм, в среднем диаметр ЖШ составляет 3…4 мкм.

липиды

поверхностная

оболочка

Рис. 18.2. Строение жирового шарика

В период лактации в секреторных клетках молочной железы (лактоцитах) активизируются биосинтетические процессы, приводящие к формированию на апикальной поверхности микроворсинок лактоцита куполообразных выпячиваний (жировые капли), содержащих различные липиды, которые по достижению определенных размеров отрываются и вместе с покрывающей их плазмалеммой поступают в полость альвеол. В альвеолы выделяются и другие биогенные молекулы секреторных клеток. Вместе с казеином, лактозой и другими компонентами молока они формируют мицеллы.

18.4.2.2. Состав и поведение белков оболочек жировых шариков

Идентифицировано более 40 белковых комплексов, принимающих участие в формировании оболочки ЖШ. Основная масса этих белков гликопротеиды, в составе которых углеводы (галактоза, N-ацетилгалак- тозамин, N-ацетилглюкозамин и сиаловая кислота) и ферменты (кислая и щелочная фосфатазы, ксантиноксидаза, χ-глутаминтрансфераза, нуклеозидазы и др.). Поверхность жирового шарика сформирована из белков и фосфолипидов, которые входили в структуру клеточной мембраны. В основном фосфолипиды представлены лецитином (фосфатидилхолином) и кефалином (фосфатидилэтаноламином). Эти два фосфолипида являются основными липидами мембран клеток животных.

397

Глава 18. Биохимия молока

Внутри ЖШ содержатся триглицериды, жирные кислоты и стероиды. Кроме того, в составе ЖШ могут присутствовать витамины (A, D, E), ионы металлов (Cu2+, Fe3+, Ca2+, K+ и др.) и функциональные белки (казеин, сывороточные белки), расположение которых определяется их природой. Гидрофобные молекулы обычно бывают погружены во внутреннюю часть ЖШ, тогда как полярные и заряженные молекулы располагаются в поверхностных структурах ЖШ. Стабильность структуры ЖШ определяется в основном слабыми гидрофобными и гидрофильными связями. Поэтому при гомогенизации, сепарировании, транспортировке, низко- и высокотемпературной обработке ЖШ могут разрушаться. Размеры ЖШ имеют значение при определении технологической пригодности молока при производстве сливок, масла, сыра, творога и др. ЖШ способны слипаться, всплывать на поверхность молока, формируя слой сливок.

18.5.МОЛОКО КАК ПИТАТЕЛЬНЫЙ СУБСТРАТ ДЛЯ БАКТЕРИЙ. ЗАКВАСКИ

Вмолоке всегда присутствует определенное количество микроорганизмов. Причем качественный и количественный состав микрофлоры зависит от степени соблюдения гигиены производства молока, чистоты доильных аппаратов, помещений и др. Основными источниками микроорганизмов являются животные, помещения, корма, молокопроводы, цистерны

идр. Поэтому в молоке могут присутствовать различные микроорганизмы: стрептококки серологических групп N и D, молочнокислые палочки (Lactobacterium bulgaricum, Bacterium acidophilum), психрофильные микробы родов Pseudоmonаs, Alcaligens, Achromobacter, Flavobacterium.

Вслучае загрязнения молока в нем могут присутствовать коли-формы, микрококки, коринебактерии, микобактерии, пропионовокислые бактерии, дрожжи, плесневые грибы, спорообразующие бактерии (бациллы), анаэробы (клостридии). Высоко содержание в молоке иммуноглобулинов, лактоферрина, лизоцима и других соединений, которые обеспечивают его бактерицидные свойства. В норме микрофлора свежевыдоенного молока представлена молочнокислыми стрептококками и лактобактериями, которые в процессе своей жизнедеятельности окисляют лактозу, вырабатывая в качестве основного продукта брожения молочную кис-

лоту, а также СО2, диацетил и летучие кислоты (уксусная, пропионовая, муравьиная, янтарная). Среди молочнокислых стрептококков следует выделить виды, активно вырабатываемые молочную кислоту: Str. lactis, Str. cremoris, Str. paracitrovorus. Эти стрептококки используются при изготовлении кисломолочных продуктов (сливки, кефир, простокваша, сыры и др.). Оптимальными условиями для развития стрептококков слу-

398

18.6. Пороки молока биохимического происхождения

жит молоко с кислотностью ниже 120 °Т и температурой среды 30…32 °С. Исключение составляют термофильные стрептококки (Str. termophilus), для которых 43…45 °С является оптимальной температурой развития. Термофильный стрептококк применяется при изготовлении ряженки, йогурта, швейцарского сыра. Поэтому молоко является идеальным питательным субстратом для молочнокислых бактерий. В нем содержатся все необходимые для роста и развития бактерий питательные вещества (углеводы, аминокислоты, витамины и др.).

Кроме того, молоко используется как среда, на которой при создании оптимальных условий культивируют молочнокислые бактерии и эта смесь с молочнокислой культурой, называемая закваской, используется для приготовления кисломолочных продуктов (сметана, кефир, простокваша, ряженка, ацидофилин, ацидофильное молоко и др.).

Для приготовления первичной закваски отбирают 1…1,5 дм3 свежего доброкачественного молока, которое вначале кипятят в течение 10…15 мин, а затем охлаждают. В охлажденное молоко добавляют порцию сухой или влажной закваски, тщательно все перемешивая. Прикрыв сосуд крышкой, помещают его в термостат на 12…15 ч. Для молочнокислого стрептококка температура 36…38 °С, для ацидофильной и болгарской палочки — 42…45 °С. Температура и продолжительность термостатирования зависят от принадлежности закваски.

Условием получения качественной закваски является формирование ровного, без пузырьков сгустка, кислотность которого равна 80…85 °Т. Если сгусток не образуется в течение суток, то это может происходить в результате гибели используемой в закваске культуры, и поэтому для производства необходимо использовать новую сухую или жидкую закваску.

Из первичной закваски готовят вторичную, путем повторной пересадки культуры. Для этого новую порцию молока кипятят или пастеризуют при 90…95 °С в течение 10 мин. После охлаждения вносят приблизительно до 5 % первичной закваски. Сквашивание вторичной закваски проводят 8…10 ч. Из вторичной закваски готовят рабочую закваску, кислотность которой должна соответствовать для молочнокислого стрептококка 90…100 °Т, а болгарской и ацидофильной палочек — 100…110 °Т. Хранить рабочую закваску рекомендуют при 6…8 °С.

18.6.ПОРОКИ МОЛОКА БИОХИМИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

К основным порокам молока можно отнести кормовые привкусы, которые обусловлены скармливанием животным пахучих кормов или технологическими недостатками при хранении молока. Молоко способно

399

Глава 18. Биохимия молока

накапливать различные пахучие вещества, содержащиеся в растениях, а также в окружающей среде. Особенно высокой адсорбирующей способностью обладает парное молоко. Вещества, придающие горечь, способны связываться в основном с белками молока.

Вслучае высокого содержания в молоке солей натрия и калия проявляется солоноватый вкус молока, что характерно преимущественно для стародойного молока, которое может свидетельствовать о нарушении нормальной деятельности молочной железы, развитии воспалительного процесса в вымени животного.

Поскольку в молоке содержится много различных по структуре ли-

пидов, то окисление некоторых из них активными формами кислоро-

да, в частности супероксидрадикалами •О2–, перекисью водорода Н2О2, синглетным водородом 1О2 и другими соединениями, активизирующими протекание свободнорадикальных процессов, приводит к накоплению

вмолоке продуктов окисления, придающих молоку неприятный вкус. Подвержены действию окислителей прежде всего ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая и арахидоновая), продуктами окисления которых могут быть различные альдегиды.

Вкачестве высокомолекулярных антиоксидантов в молоке проявляется активность каталазы, пероксидазы и супероксиддисмутазы. Причем пероксидаза молока способна катализировать реакции окисления различных неорганических и органических соединений в присутствии кислорода (оксидазные реакции) или перекиси водорода (пероксидазные реакции). Специфичность по отношению субстратов пероксидаза приобретает в реакциях совместного окисления, когда в каталитическом процессе фермента участвуют два и более субстратов. При этом один из субстратов окисляется, а другой активирует фермент. Перекисное окисление

липидов находится под контролем антиоксидантов, которые в молоке представлены витаминами ретинолом, α-токоферолом, аскорбиновой кислотой.

Хранение молока при повышенной температуре способствует активизации процессов окисления ненасыщенных жирных кислот (НЖК) фосфатидами, которые входят в состав мицелл или жировых шариков. Продукты окисления НЖК придают молоку рыбный привкус, а продукты реакции молочной кислоты с корродирующим металлом тары придают молоку металлический вкус. Прогоркий вкус молоку могут придавать продукты действия липаз, которые способны гидролизовать нейтральные липиды и фосфолипиды.

Наличие в молоке гнилостных бактерий и кишечной палочки способствует протеканию процессов гниения, придавая молоку гнилостный, сырный и затхлый привкус (он обусловлен и наличием в молоке продуктов гидролиза белков). При этом кислотность молока понижается за счет

400

18.7. Химический состав молозива

накопления в молоке продуктов жизнедеятельности этих бактерий — молочной кислоты, а также продуктов брожения (этанол, СО2).

В молоке гнилостные микробы (сенная, картофельная бациллы) и неспоровые (бактерии гниения, протей) бактерии, а также микрококки обладают протеолитической активностью, расщепляя белки молока, придавая ему горький вкус. Мыльномолочные бактерии, попадающие в молоко из кормов, образуют щелочи, омыляющие липиды. При этом молоко не скисает, не свертывается, но приобретает вкус мыла. Молоко приобретает тягучую, слизистую консистенцию при действии молочного лейконостока (Leuconostoc lactis), продукты жизнедеятельности которого защелачивают среду, нарушая процесс свертываемости молока.

Развитие гнилостных, маслянокислых бактерий и дрожжей сопровождается брожением молока, обусловливая накопление газов и кислот. Этот порок называют «бродящее молоко». Действие маммококков и микрококков способствует повышению кислотности молока, а вырабатываемые этими бактериями протеолитические ферменты приводят к преждевременному его свертыванию.

18.7. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МОЛОЗИВА

В первые дни лактации молочная железа самки выделяет молозиво. Это густая, желтоватая, солоноватая на вкус жидкость слабокислой реакции. В молозиве содержится в 3,5 раза больше белков, чем в молоке. Среди белков молозива преобладают иммуноглобулины, легко перевариваемые альбумины и глобулины. Молозиво богато лецитинами и ферментами, но бедно лактозой. В составе липидов молозива много ненасыщенных жирных кислот, каротина и витамина А.Из минеральных веществ в большом количестве содержится фосфор, кальций, магний. Плотность молозива 1,040…1,080 г/см3. Состав молозива коровы следующий (в %): воды — 72, казеина — 4,8, альбуминов и глобулинов — 10…11, липидов — до 8,5, лактозы — 2,5, золы — 1,0…1,4. Иммуноглобулины молозива без предварительного гидролиза всасываются в кровь через стенку кишечника новорожденных, принимающих в качестве корма молозиво, и создают у них колостральный (молозивный) иммунитет, обеспечивающий устойчивость к ряду инфекционных болезней в первые 1,5…2 месяца постнатальной жизни.

Отличительная особенность молозива — высокое содержание в нем липидов, богатых витаминами А, D и Е.Каротина и витамина А в молозиве содержится в 5…6, а витамина Е в 6…7 раз больше, чем в молоке. В нем присутствует необходимое количество витаминов группы В, но это только при условии обеспечения коровы полноценным питанием.

401

Глава 18. Биохимия молока

Титруемая кислотность хорошего молозива достигает в первых удоях 45…500, а у отдельных животных 540 °Т, что связано с наличием значительного количества белков и кислых фосфатов, которые придают молозиву слабокислую реакцию и определенные буферные свойства. Молозиво содержит много кальция, фосфора, калия, а также натрий, магний, хлор и микроэлементы (железо, медь, марганец, кобальт и др.).

Питательная ценность 1 кг молозива в первый день лактации равна

всреднем 0,43 кормовых единицам и 93…96 г белка, что в 1,5 раза выше питательной ценности молока по кормовым единицам и в 2,5 раза — по белку. Питательные вещества молозива усваиваются теленком почти полностью.

Молозиво богато ферментами — ускорителями химических процессов

вживых организмах; наибольшее значение среди них имеют пероксидаза, редуктаза, каталаза, липаза, кислая и щелочная фосфатазы, лактаза, протеиназа и пептидаза.

Вмолозиве находятся нейтрофильные лейкоциты, малые и средние эпителиальные клетки и другие форменные элементы, которые предохраняют организм новорожденных телят от действия патогенной микрофлоры. Эти клетки постепенно исчезают из секрета по мере превращения молозива в молоко. Наибольшее количество соматических клеток, лейкоцитов

и сывороточных белков содержится в молозиве первых трех дней лактации. Значительно меньше в таком молозиве содержится α-лактальбумина, β-лактоглобулина, альбуминов, трансферринов. Уже на 2…3 сутки лактации неполноценное молозиво по содержанию клеточных и гуморальных компонентов защиты соответствует полноценному секрету молочных желез коров на 5…7 дни лактации.

Кроме большой питательной ценности, молозиво играет исключительно важную роль в обеспечении защиты организма новорожденного теленка от действия патогенной микрофлоры.

На состав и качество молозива влияют породные и индивидуальные особенности коров, их возраст, сезон отела, состав и питательность рационов, технологические параметры содержания животных (продолжительность сухостойного периода, схема запуска и подготовки к отелу и т. п.). Однако в большинстве исследований рассматриваются лишь отдельные аспекты использования молозива, причем выводы носят зачастую противоречивый характер из-за недостаточно полного учета комплекса действующих факторов (биологических, технологических и экономических).

Возможность беспрепятственного прохождения молозива через покровный эпителий тонкого кишечника существует только в первые 24…36 ч жизни теленка. Эта способность после указанного срока утрачивается, и белки, в том числе и иммуноглобулины, подвергаются, как и другие пищевые белки молозива, ферментативному распаду, а затем всасыванию.

402