Азотсодержащий комплекс молочной сыворотки

12-05-2014, 15:19

Азотосодержащий комплекс молочной сыворотки представлен белковыми веществами (протеины) и небелковыми соединениями; занимает в массе сухого вещества до 15 %.
Белковые вещества молочной сыворотки исключительно многообразны и постоянно исследуются в рамках протеомики и пептидомики. На последних Международных конференциях по молочной сыворотке (2005 и 2008 гг.) они являлись доминантой практически во всех докладах, особенно специалистов медиков и нутрициологов (питание). Номенклатура, состав и функциональные свойства белков молочной сыворотки достаточно хорошо исследованы, имеются системные публикации.
Кластерная структура белковых веществ, в плане нанобиотехнологии, так же достаточно полно представлена в работах И.Т. Смыкова. На рис. 1.11 показана классическая схема формирования структур (четыре уровня) белков.

Казеиновые фракции исходного молока в молочной сыворотке представлены в виде скоагулированных частиц т. н. «сырной или казеиновой пыли» и нетолерантных (не коагулируют) к ферментам — в основном, протеозо-пептоны и γ-казеин. Присутствующий в молочной сыворотке казеин подлежит удалению с позиций технологии и экономики.
Распределение казеиновых частиц в подсырной сыворотке показано на рис. 1.12, что определяет необходимый уровень аппаратурно-процессового оформления для извлечения.

Протеозо-пептоны, γ-казеин и др. фракции, переходящие в молочную сыворотку (их масса) рассматриваются в комплексе с сывороточными белками.
Сывороточные белки по своему статусу (заложено даже в названии) остаются в БТС молочной сыворотки и являются объектом многолетних исследований. Их фракционный состав показан в табл. 1.19.

Сложность фракционного состава белков молочной сыворотки и в то же время их идентичность независимо от места получения можно подтвердить электрофореграммами подсырной и творожной сыворотки, а также образцами подсырной сыворотки с различных предприятий (рис. 1.13).
Главными из сывороточных белков являются β-лактоглобулин и α-лактальбумин. Сывороточные белки богаты дефицитными незаменимыми аминокислотами (лизин, триптофан, метионин, треонин) и цистеином, что позволяет отнести их к наиболее биологически ценной части белков молока. Использование белков молочной сыворотки в пищевых целях имеет большое практическое значение. Традиционно их извлекали в денатурированном состоянии. В настоящее время для выделения в нативном состоянии используются мембранные методы и сорбция-десорбция.

Кратко остановимся на отдельных фракциях белкового комплекса молочной сыворотки. На долю β-лактоглобулина приходится около половины всех сывороточных белков (или 7-12% общего количества белков молока). В молоке β-лакгоглобулин находится в виде димера, состоящего из двух полипептидных цепей с молекулярной массой около 18000 Да каждая. При нагревании молока до температуры выше 30 °С β-лактоглобулин распадается на мономеры, которые при дальнейшем нагревании агрегируют за счет образования дисульфидных связей.
Денатурированный в процессе пастеризации β-лактоглобулин образует комплексы с к-казеином мицелл казеина и осаждается вместе с ними при кислотной или сычужной коагуляции казеина. Образование комплекса «β-лактоглобулин-к-казеин» значительно ухудшает атакуемость к-казеина сычужным ферментом и снижает термоустойчивость мицелл казеина.
Вторым важнейшим белком молочной сыворотки является α-лактальбумин (его содержание составляет 2-5 % общего количества белков молока), в составе которого обнаружена лактоза. Этот белок является частью лактозосинтезирующей системы и участвует в последней стадии биосинтеза лактозы, α-лактальбумин является гетерогенным белком. Он содержит главный компонент, имеющий два генетических варианта (молекулярная масса около 14000 Да), а также минорные компоненты, некоторые из которых являются гликопротеидами.
В молоке α-лактальбумин тонкодиспергирован (размер частиц 15-20 нм). Он не коагулирует в изоэлектрической точке (при pH 4,2-4,5) в силу своей большой гидратированности, не свертывается под действием сычужного фермента, термостабилен. Повышенная устойчивость α-лактальбумина к нагреванию обусловлена наличием в его молекуле большого количества дисульфидных связей. Альбумин сыворотки крови не синтезируется в молочной железе, а поступает в молоко из крови. В молоке коров, больных маститом, содержание этой фракции увеличено.
Иммуноглобулины (иммунные глобулины) — в обычном молоке содержатся в очень малых количествах (1,9-3,3% общего количества белков). В молозиве они составляют основную массу (до 90 %) сывороточных белков. Иммуноглобулины объединяют группу высокомолекулярных белков (гликопротеидов), выполняющих функцию антител. Антитела — вещества, образующиеся в организме животного при введении в него различных чужеродных белков (антигенов) и нейтрализующие их. К ним относятся агглютинины, бактериолизины, преципитаты, антитоксины и др. Иммуноглобулины молока обладают резко выраженными свойствами агглютинации — склеивания микробов и других чужеродных клеток, а также шариков жира.
Из молозива и коровьего молока выделено три основные группы иммуноглобулинов (Иг): G, А и М. В количественном отношении преобладают иммуноглобулины группы G, главным образом ИгG1 и, в меньшей степени, ИгG2, ИгG1 и ИгG2 имеют молекулярную массу около 150000 и представляют собой мономеры. ИгA является димером, HrM — пентамером. Содержание углеводов в ИгG составляет (2-4)%, в ИгА — (8-9)%, в ИгМ — (10-12)%.
Протеозо-пептоны (протеозо-пептонная фракция) — это наиболее термостабильная часть сывороточных белков. Протеозо-пептоны не осаждаются из молока при pH 4,6 после нагревания (до 95-100 °С) в течение 20 мин. Они составляют около 24% сывороточных белков и 2-6% всех белков молока. Протеозо-пептонная фракция неоднородна по составу и состоит из четырех компонентов, которые называют компонентами 3, 5, 8 «быстрый» и 8 «медленный». Компонент 3 представляет собой сывороточный белок с молекулярной массой около 41000 Да и высоким содержанием углеводов (до 17%). Остальные компоненты являются фосфопептидами, образующимися вместе с γ-казеинами при расщеплении β-казеина протеиназами молока. Содержание протеозо-пептонной фракции увеличивается в процессе длительного хранения молока при 3-5 °С. Эта фракция является промежуточной между собственно белками и полипептидами.
На рисунке 1.14 приведены молекулярные структуры основных белков молочной сыворотки. За некоторой экзотичностью приведенных структур скрывается сложность их организации и бесконечность познания с возможностью практического использовании для «разборки» (гидролизаты) и «сборки» (нанотрубки).

Сравнительная ценность основных фракций белков молочной сыворотки подтверждается их аминокислотным составом в сравнении с казеином (табл. 1.20).

Очевидно, что общее содержание незаменимых аминокислот, как в альбумине, так и в глобулине значительно выше, чем в казеине. Интегральный коэффициент биологической ценности сывороточных белков, рассчитанный по методике ФАО/ВОЗ, оценивается в 1,3 по сравнению с казеином, что указывает на необходимость их обязательного извлечения и последующего рационального использования. Например, поданным Н.П. Кустова сывороточные белки могут служить дополнительным источником метионина, лизина, треонина, триптофана и лейцина.
Г. Б. Гаврилов приводит информацию о биологической ценности (по аминокислотному скору) сывороточных белков в процессе получения советского сыра (табл. 1.21).

Индустрия производства фракций сывороточных белков практически состоялась (к сожалению, пока за рубежом). Можно определенно говорить об ангиогенине (отечественная разработка школы академика И. А. Рогова), бета-глобулине, лактоальбумине, иммуноглобулине, лактоферрине, лактопероксидазе, L-карнитине, фолатах, остеопонтине и др. минорных фракциях молочной сыворотки, как исходном сырье для их получения.
Еще более интересные возможности, в т.ч. с коммерческой точки зрения, открываются в тематике получения гидролизатов сывороточных белков — комплекса или селективного набора аминокислот. Аминокислотный пул сывороточных белков вполне логично (аналог крови) многообразен и приведен для сведения в табл. 1.22.

На приведенном ниже рисунке 1.15 показано распределение аминокислот в белках молочной сыворотки.
Получение пептидов (макро- и микро-), направленный и управляемый гидролиз (протеолиз) белков молочной сыворотки до аминокислот освоен в отрасли и представляет самостоятельную коммерческую составляющую. Феноменом является селективное извлечение нежелательных пептидов и аминокислот из рацемической смеси.

Небелковые азотистые соединения молочной сыворотки представляют собой промежуточные и конечные продукты азотистого обмена в организме животного и в молоко попадают непосредственно из крови (мочевина, пептиды, аминокислоты, креатин и креатинин, аммиак, оротовая, мочевая и гиппуровая кислоты). Общее их количество составляет 30-60 мг% или около 5 % от общего содержания азота в молоке. Нормальное содержание мочевины в крови и молоке составляет 15-30 мг%. Количество ее возрастает в весенне-летний период при избыточном потреблении белков с зеленым кормом или при скармливании больших доз карбамида. На азот пептидов и аминокислот приходится около 5-8 мг%. Общее количество креатина и креатинина не превышает 2,5-4,5 мг%. Содержание небелковых азотистых соединений в молочной сыворотке приведено ниже, мг%:

В состав аминокислот молочной сыворотки входят аминокислоты белковых веществ и свободные аминокислоты. Аминокислотный состав казеина и сывороточных белков несколько различен (табл. 1.22). В альбумине содержание триптофана в 4 раза больше, чем в казеине, содержание незаменимой аминокислоты (содержащей серу) цистина в глобулине — почти в 7 раз, а в альбумине — в 19 раз больше, чем в казеине. В альбумине и глобулине также больше незаменимой аминокислоты лизина, которая играет определенную роль в защитных реакциях организма. Такое содержание аминокислот важно для биологических процессов, происходящих в организме. Сывороточный белок считается наиболее ценным белком молока. По своей биологической ценности он превышает даже белок куриного яйца, так как для покрытия суточной потребности человека в незаменимых аминокислотах требуется 28,4 г общего белка коровьего молока, 17,4 г яичного и всего лишь 14,5 г сывороточного белка в нативном состоянии.
Количество таких лимитированных аминокислот, как фенилаланин и тирозин, составляет в сывороточном белке 71-75 % их содержания в яичном белке. В молочной сыворотке содержатся все незаменимые аминокислоты (табл. 1.23).

Общее содержание аминокислот в подсырной и творожной сыворотке примерно одинаково. Однако в творожной сыворотке содержится в 3,5 раза больше аминокислот и в 7 раз больше незаменимых свободных аминокислот (в основном за счет валина, фенилаланина, лейцина, изолейцина), чем в подсырной. Это можно объяснить тем, что при производстве творога происходит более интенсивный гидролиз белков, чем при производстве сыра. Содержание свободных аминокислот в подсырной сыворотке в 4 раза больше, чем в исходном молоке, а в творожной — в 10 раз.
На современном уровне познания видимо можно согласиться с мнением зарубежных экспертов из смежных областей протеомики, что азотсодержащий комплекс молочной сыворотки уникален и является «бездонным кладезем» для их получения и модификации.