Контрольні запитання.

1. Які види ліпідів містяться в молоці?

2. Які сполуки входять до складу молочного жиру?

3. Як впливає вміст насичених і ненасичених жирних кислот на консистенцію виробленого масла?

4. Які фізичні та хімічні числа жирів ви знаєте?

5. Як визначається число омилення?

6. Що показує йодне число?

7. Що характеризує число рефракції жиру?

8. Яку будову має оболонка жирової кульки?

9. Де містяться фосфатиди в молоці?

10. Які сполуки називаються стеринами?

Лекція 4. Білки молока.

План.

1. Білки молока, їх характеристика.

2. Казеїн. Склад та властивості.

3. Сирова точні білки. Склад та властивості.

Література: Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. – СПб.: ГИОРД, 2001 с. 21…36.

1. Загальна характеристика білків.

Білки – високомолекулярні полімерні сполуки, побудовані з амінокислот. В склад їх входить близько 50% вуглецю, 7% водню, 23% кисню, 16% азоту, 0-3% сірки. В деяких білках присутні фосфор, заліза.

Всі білки в залежності від їх будови і властивостей поділяються на дві групи:

• Прості (протеїни);

• Складні(протеїди).

Протеїни складаються тільки з амінокислот, в молекулі протеїдів крім білкової частини є з’єднання небілкової природи. Наприклад, ліпопротеїди крім білка містять ліпіди, глюкопротеїди – вуглець, фосфопротеїди – фосфорну кислоту.

В молоці міститься в середньому 3,5% білків, відхилення лежать в межах 2,9-4%. Білки, які входять до складу молока, складні, різноманітні за будовою, фізико-хімічними властивостями і біологічними функціями.

Використовуючи сучасні методи розподілу і виділенню білків, встановлено, що до складу молока входять казеїн, β –лактоглобулін, α-лактальбумін, альбумін сироватки крові, імуноглобуліни, протеозопептонна фракція. Крім того, в незначній кількості виявлено білок в складі оболонок жирових кульок, лактоферин, білки, які мають антибактеріальні і ферментативні властивості.

Амінокислотний склад білків. В склад білків входять залишки 20 різних α- амінокислот.

Всі амінокислоти містять аміногрупу(ΝН₂), яка має лужні властивості, і карбоксильну групу(СООН) – кислі властивості. За будовою своїх радикалів R, або бокових ланцюгів, вони поділяються на ациклічні і циклічні. В залежності від кількості амінних або карбоксильних груп амінокислоти поділяються на нейтральні, кислі і лужні.

Нейтральні амінокислоти мають одну амінну і одну карбоксильну групи

Аланін (α- амінопропіонова кислота)

Серин (α- аміно- β - оксипропіонова кислота)

Цистеїн (α- аміно- β - тіопропіонова кислота)

Кислі амінокислоти мають дві карбоксильні групи і одну аміногрупу. До них відноситься глютамінова кислота (α- аміноглутарова кислота)

Лужні амінокислоти містять дві аміно- і одну карбоксильну групи. Наприклад, лізин (α,ε-діамінокапронова кислота).

Структура білків. З’єднання амінокислот в поліпептидний ланцюг відбувається за допомогою пептидного зв’язку. З двох амінокислот утворюється дипептид, з трьох-трипептид, із декількох – поліпептид.

При гідролізі (розщепленні) поліпептидів відбувається розрив пептидних зв’язків і утворення вільних амінокислот. Ця реакція каталізується протеолітичними ферментами і відіграє важливу роль при перетравлюванні білків в шлунково-кишковому тракті, дозріванні сирів.

Білкам характерні різні структури. Послідовність амінокислотних залишків в поліпептидному ланцюзі називають первинною структурою білка(рис.7,а). Вона специфічна для кожного білка.

В молекулі білка поліпептидний ланцюг частково закручена в вигляді α- спіралі, витки якої скріплені водневими зв’язками. Водневі зв’язки виникають між амінними і карбоксильними групами розміщеними на протилежних витках спіралі (С=О...Н-Ν). Але не всі білкові ланцюги знаходяться в формі α- спіралі.

Рис. 7.

Деякі амінокислоти (пролин, серин) заважають її утворенню, і в цих місцях спіраль розривається. Вид спіралі характеризує вторинну структуру(рис. 7,б).

Просторове розміщення поліпептидного зв’язку визначає третинну структуру білка (рис.7,в).

Окремі ділянки поліпептидного зв’язку можуть з’єднуватись між собою міцними дисульфідними зв’язками (-S-S-), які виникають між залишками цистеїну. Важливе значення в утворенні третинної структури мають слабкі зв’язки (гідрофобні зв’язки між неполярними групами амінокислот, електростатичні зв’язки між протилежно зарядженими групами, водневі зв’язки). В залежності від просторового розміщення поліпептидного ланцюга форма молекул білків може бути різною. Якщо поліпептидні ланцюги утворюють молекулу нитковидної форми, то білок називається фібрилярним, якщо вона складена в вигляді клубку – глобулярним.

В воді поліпептидні ланцюги глобулярних білків звертаються таким чином, що майже всі полярні групи розміщуються на поверхні глобули, а більшість гідрофобних сховані всередині неї. Полярні групи мають гідрофільні властивості, тобто властивістю притягувати до себе дипольні молекули води. При цьому молекули води орієнтуються, утворюючи гідратну оболонку.

Білки молока відносяться до глобулярних білків. Казеїн займає проміжне положення між компактною структурою глобули і структурою хаотичного клубка, яка спостерігається при денатурації глобулярних білків. Така структура забезпечує добре розщеплення казеїну протеолітичними ферментами при перетравлюванні в природному стані без попередньої денатурації.

Четвертинна структура характеризує спосіб розміщення в просторі окремих поліпептидних ланцюгів в білковій молекулі, яка складається з декількох таких ланцюгів або субодиниць (рис. 7,г). Глобулярні білки, які мають четвертинну структуру. Можуть містити велику кількість поліпептидних ланцюгів, тісно зв’язаних один з одним в компактну міцелу, яка веде себе в розчині як одна молекула. Так, казеїнова міцела середнього розміру повинна складатися з декількох тисяч поліпептидних ланцюгів фракцій казеїну, визначеним чином зв’язаних один з одним.

Властивості білків. Білки мають велику молекулярну масу. Внаслідок великого розміру білкових часток водні розчини їх являють собою колоїдну систему, яка складається із дисперсного середовища (розчинник) і дисперсної фази (частинки розчиненої речовини). Розміри колоїдних частинок коливаються від 1 до 200нм (1 нанометр= 1х10^-9м). Стійкість колоїдних систем обумовлена наявністю на поверхні частинок електричного заряду і гідратної оболонки. Порушення цих факторів призводить до осадженню (коагуляції) часточок.

Завдяки наявності в амінокислотних залишках груп. Здатних до іонізації (СООН, ΝН₂), білкові молекули несуть негативні та позитивні заряди.

При пропусканні електричного струму білки переміщуються до катоду або аноду в залежності від заряду білкової молекули. Глобулярні білки за рахунок переважання в них залишків кислих амінокислот набувають в розчинах надлишок від’ємних зарядів. Тільки при визначеному рН спостерігається рівність негативних і позитивних зарядів, тобто електричний заряд білків в цілому буде дорівнювати 0. За цих умов білок знаходиться в ізоелектричному стані і білкова молекула не переміщується в електричному полі. Величина рН розчину, при якому білок знаходиться в ізоелектричному стані, називають ізоелектричною точкою. Ізоелектрична точка більшості глобулярних білків знаходиться в слабокислому середовищі (рН =4,5-6,5).

В ізоелектричній точці сили електричного відштовхування між білковими глобулами мінімальні. Це призводить до того, що білки в ізоелектричній точці легко агрегатують (збільшуються) і коагулюють. При рН нижче ізоелектричної точки проходить перезарядження білкових часток – вони набувають протилежний заряд і стають стійкими в розчині.

Коагуляцію можна виконати, додаючи в розчин білків дегідратуючі речовини (спирт, ацетон, сульфат амонію), які руйнують гідратну оболонку. При цьому проходить зворотне осадження білків. Тобто при видаленні цих речовин білки знову переходять в нативний стан.

При дії на солей тяжких металів, сильних кислот і лугів, а також при сильному нагріванні проходять незворотні реакції осадження з втратою первинних властивостей білка. Це перетворення називається денатурацією.

Рис. 8. Схема денатурації білків

Денатурація характеризується розвертанням поліпептидного ланцюга білка, який в нативній білковій молекулі був звернений (рис. 8.). В результаті розвертання поліпептидного ланцюга при руйнуванні третинної і вторинної структур) на поверхню білкової молекули виходять гідрофобні групи. При цьому білок втрачає розчинність, агрегатує і випадає в осад.

2. Казеїн є основним білком молока – його вміст складає 78-85% всіх білків, а масова частка в молоці коливається від 2,1 до 2,8 %. Він знаходиться в вигляді колоїдних частинок, або міцел (крупиць), які мають діаметр 40-300 нм і середню молекулярну масу 6х10⁸. Міцели складаються з ще менших (діаметром 10-15 нм) субміцел, які формуються з молекул компонентів казеїну. На поверхні міцел є заряджені групи (сумарний заряд частин однаковий і має від’ємний знак) і гідратна оболонка, тому при наближенні один до одного вони не злипаються і не коагулюють. Таким чином, часточки казеїну в свіжому молоці достатньо стійкі.

Казеїн відноситься до фосфопротеїдів, тобто містить залишки фосфорної кислоти (органічний фосфор), приєднаний до амінокислоти серину моноефірним зв’язком (О-Р).

ΝН ОН

RСН – СН₂ – О – Р = О

С ОН

О

Казеїн Серинфосфорна кислота

Казеїн виділений із молока за допомогою кислоти, представляє собою суміш декількох компонентів, або фракцій. Основними фракціями казеїну є α_s-, β - , κ - і γ – казеїн. Їх молекулярна маса відрізняється незначно і складає 19000-24000.

α_s-, β –Казеїн чутливі до йонів кальцію – в їх присутності агрегатують і випадають в осад. κ - Казеїн не осаджується йонами кальцію. Субміцели та міцели казеїну формуються так, що нестабільні α_s-, β –казеїн розміщуються всередині часточок, а нечутливі до йонів кальцію κ - казеїн – на їх поверхні. Всі три фракції осаджуються при внесенні в молоко сичужного ферменту.

γ – Казеїн являє собою частину молекули β –казеїну, тобто утворюється при його розщепленні протеолітичними ферментами молока. Він не входить до складу міцел казеїну і не осаджується під дією сичужного ферменту. Відповідно при виробництві сиру кисломолочного та сичужного він втрачається з сироваткою.

Подібно до інших тваринних білків казеїн має вільні аміногрупи (ΝН₂) і карбоксильні групи (СООН), при цьому кількість останніх переважає. Тому казеїн відноситься до кислих білків і має ізоелектричну точку при рН 4,6-4,7.

Казеїн містить ОН-групи фосфорної кислоти, тому що є не простим, а складним білком – фосфопротеїдом. До ОН-груп фосфорної кислоти та до деяких СООН-груп кислих амінокислот казеїну приєднується кальцій, магній, калій, натрій, які знаходяться в молоці. Таким чином казеїн в молоці міститься в вигляді слабкої кислоти і її солей – в основному в вигляді казеїнату кальцію.

В склад міцел нарівні з казеїнатом кальцію входить колоїдний фосфат кальцію, за допомогою якого субміцели з’єднуються в міцели. Відповідно, міцели казеїну являють собою складний білково-сольовий комплекс, який називають казеїнаткальційфосфатним комплексом.

Вміст казеїну в молоці і розмір часточок залежать від породи та індивідуальний особливостей тварин.

Гідрофільні властивості нативного казеїну визначаються кількістю і видом груп, які мають властивість приєднувати воду. До них відносяться в основному гідрофільні групи бічних ланцюгів білкових молекул – карбоксильні, амінні, гідроксильні і сульфгідрильні. Всі перераховані групи приєднують різну кількість молекул води(карбоксильні більше, ніж амінні). Відповідно, характер взаємодії казеїну з водою залежать від амінокислотного складу, а також від реакції середовища і концентрації в ній солей, які обумовлюють число заряджених груп в білкових частинках.

Після теплової та механічної обробки молока або при осадженні білків кислотою, сичужним ферментом гідрофільні властивості казеїну міняються внаслідок зміни структури білкових часточок і перерозподілу на їх поверхні гідрофільних і гідрофобних груп. Оскільки відомо, що гідрофільні властивості глобулярних білків зменшується поблизу ізоелектричної точки і при їх агрегації після теплової денатурації. Крім того, великий вплив на гідрофільні властивості казеїну мають сироваточні білки молока, які взаємодіють з його частинками в процесі теплової обробки. Сироваточні білки (навіть після денатурації) зв’язують воду більш активно в порівнянні з казеїном. Тому їх приєднання до міцел казеїну підвищує його гідрофільні властивості. Це необхідно враховувати при виборі режимів пастеризації сировини – молока.

Для того, щоб виділити казеїн його необхідно довести до ізоелектричного стану або зруйнувати гідратні оболонки навколо його часточок. З цією метою вносять в молоко коагулянт – кислоту (кислотна коагуляція) або сичужний фермент (сичужна коагуляція). Осаджують казеїн (але рідше) за допомогою хлориду кальцію (кальцієва коагуляція). Під впливом коагулянтів казеїн випадає в осад, а колоїдний розчин білка перетворюється в згусток, або гель, часточки білку з’єднуються один з одним в ланцюжок і утворюють просторові сітки. Швидкість утворення згустків, їх властивості залежать від способів коагуляції, температури, рН молока. Процеси гелеутворення відіграють важливу роль при виробництві кисломолочних продуктів і сиру.

Максимально виділити казеїн можливо при використанні кислот (і хлориду кальцію), при внесенні сичужного ферменту коагулюють близько 86% казеїну молока.

3. В молоці сироваточних білків в порівнянні з казеїном мало – 0,5-0,9%, що складає 15-22% всіх білків, але їх значення для новонародженого теляти дуже велике.

Імуноглобуліни, які переходять в молоко із крові тварини, являють собою антитіла, які нейтралізують чужорідні клітини, тобто виконують захисну роль. Їх особливо багато міститься в молозиві. Підвищується кількість імуноглобулінів в молоці хворих тварин (мастит). Промислового значення ці білки не мають, тому що їх кількість в нормальному молоці незначна (0,05%). І при пастеризації вони втрачаються на пластинах пастеризатора.

Із усіх компонентів сироваточних білків промислове значення має β – лактоглобулін і α – лактальбумін, в сумі складають близько 70% (або 9-17% загальної кількості білків молока). Ці білки містяться в молоці в вигляді маленьких в порівнянні з казеїном часточок: β – лактоглобулін має розмір 25-50 нм, α – лактоальбумін 15-20 нм. Часточки білків несуть на поверхні сумарний від’ємний заряд, оточені дуже міцними гідратними оболонками, тому не коагулюють навіть в ізоелектричній точці.

β – Лактоглобулін і α – лактальбумін більш термостійкі в порівнянні з імуноглобулінами, але поступаються в цій властивості казеїну. При пастеризації молока швидше денатурують β-лактоглобулін, ніж α-лактальбумін. Денатурований β – лактоглобулін легко утворює агрегати і взаємодіє з міцелами казеїну, в складі яких переходить в згусток при кислотній або сичужній коагуляції білків молока.

Сироваточні білки зазвичай виділяються із молочної сироватки шляхом нагрівання її до температури 90-95⁰С. Можна їх виділити, суміщаючи денатурацію з кислотою або кальцієвою коагуляцією. Отримані таким чином білки (білкова маса) використовують в виробництві альбумінного сиру, плавлених сирів та інших білкових продуктів.

Більш перспективне виділення сирова точних білків в нативному (не денатурованому) стані для використання в виробництві дитячих і дієтичних молочних продуктів. Для цієї мети приймають мембранний метод обробки – ультрафільтрацію.