Углеводный комплекс молочной сыворотки

12-05-2014, 15:23

Углеводы молочной сыворотки представлены в основном лактозой — сахаром животного происхождения (в русской терминологии, особенно для продукта, — молочный сахар или сахар молочный). Она (он) составляет основную массу в сухом веществе молочной сыворотки (более 70%) и характеризует при получении молочного сахара показатель доброкачественности — ДК или чистоты — Ч. Кластерная структура лактозы идеализирована к процессам нанотехнологии (размер молекулы на уровне 1 нм = 10в-9) и показана на рис. 1.16.

Лактоза, как углевод, является благодатной средой для биотехнологии — исторически реализована в технологии кисломолочных продуктов: напитки, сыр, творог и др. Молочная сыворотка, с данной позиции, может считаться идеализированной средой для ферментации, что будет показано неоднократно в монографии на тривиальных примерах (сквашивание).
Лактоза (молочный сахар) относится к классу олигосахаридов, а именно дисахаридов. Предполагается, что лактоза может существовать в пяти изомерных формах: α, β, γ, δ и ε, причем α- и β-формы являются основными. Практически известны три формы лактозы: α-гидрат, α-ангидрид и β-ангидрид. Обычный молочный сахар, вырабатываемый на молочных предприятиях, является α-гидратом.
Агрегатное состояние лактозы в водных растворах зависит от температуры и концентрации. В молочном сырье она находится в виде истинного раствора. В пересыщенных растворах лактоза образует кристаллы. В сухом молоке и насыщенных растворах лактоза находится в аморфном состоянии.
На рис. 1.17 приведены рентгенограммы всех состояний аномеров, хроматограммы углеводов подсырной и творожной сыворотки, элементарная ячейка и кристаллы лактозы.

Свойства α- и β-форм различны, что необходимо учитывать при выработке молочного сахара. Растворимость лактозы в различных растворителях также различается. В водных растворах она зависит от pH среды, температуры, присутствия других веществ. В присутствии белков, минеральных солей растворимость лактозы повышается за счет мелассообразующей способности несахаров, особенно минеральных солей. Это особенно важно учитывать при выработке молочного сахара. Чем ниже качество очистки сыворотки от несахаров, тем больше лактозы остается в мелассе. В серном эфире, абсолютном этиловом и метиловом спиртах лактоза практически нерастворима, что используют для получения чистого продукта путем промывки кристаллов спиртом.
Лактоза кристаллизуется из пересыщенных растворов при температуре ниже 93 С — α-гидратная, выше — p-ангидридная. Она может образовывать метастабильные растворы с сохранением в течение длительного времени пересыщения без образования кристаллов. Оптимальный коэффициент пересыщения сывороточных сиропов при производстве молочного сахара равен 1,8. Степень пересыщения лактозы можно рассчитать по формуле (1.9):

Kп = Кф/Кн

где Kп — коэффициент пересыщения; Кф — количество вещества в исследуемом растворе при данной температуре; Kн — количество вещества в насыщенном растворе.
При охлаждении растворов, содержащих лактозу, выкристаллизовывается α-форма, как менее растворимая. Равновесие форм в растворе нарушается и часть β-формы переходит в α-форму, которая вновь выкристаллизовывается. Скорость роста кристаллов зависит от ряда факторов и в частности от скорости перехода β-формы в α-форму. Форма кристаллов неоднородна. Кристалл может иметь до 16 поверхностей в виде трапеции, четырехугольника, параллелепипеда и ромба. Длина кристалла лактозы примерно в 1,8 раза больше ширины. Различный внешний вид кристаллов лактозы обусловлен особенностями роста отдельных граней.
Лактоза относится к активным редуцирующим углеводам. Она обладает слабыми кислотными свойствами и связывает приблизительно два моля едкого натра на один моль сахара. Наличие в структуре лактозы различных функциональных групп придает ей повышенную химическую активность. Альдегидная, первичная и вторичная гидроксильные группы лактозы обуславливают реакции присоединения, окисления, восстановления и осмоления. В щелочных растворах лактоза окисляется до сахариновых кислот, а затем осмоляется — буреет.
Нагревание лактозы и ее водных растворов вызывает значительные изменения. Кристаллы α-гидрата при нагревании до 87 °С начинают плавиться, при 100 °С постепенно теряют кристаллизационную воду, а при 110 °С становятся безводными. При 120 °С начинается процесс карамелизации — кристаллы темнеют, а при 170-180 °С процесс заканчивается образованием изолактанов. Термоустойчивость растворов лактозы зависит от многих факторов: концентрации лактозы в растворе, pH среды, чистоты раствора и др. В процессе нагревания идет накопление кислых соединений, возрастание оптической плотности за счет накопления красящих соединений, изменение цвета. При температуре выше 100 °С растворы лактозы приобретают коричневую окраску. Этот процесс рассматривают как реакцию взаимодействия углеводов и азотсодержащих соединений с образованием темноокрашенных соединений — меланоидинов. Повышение температуры, щелочная реакция среды, наличие ионов меди и железа ускоряют процесс образования меланоидинов. При производстве молочного сахара меланоиди-новая реакция по возможности должна быть исключена.
Гликозидная связь между монозами в молекуле лактозы может быть гидролизована химически или ферментативно. Химический гидролиз лактозы может быть вызван действием сильных кислот (например, соляной). Один грамм лактозы в 100 мл 10%-ной соляной кислоты при температуре 100 °С полностью гидролизуется на глюкозу и галактозу в течение 1 ч. Гидролиз соляной кислотой может протекать и при низких температурах (ниже 10 °С).
Лактоза сравнительно легко гидролизуется до моносахаров лактазой (β-галактозидазой). Продуцентами фермента лактазы могут быть дрожжи или грибы. Условия гидролиза зависят от вида используемого фермента (грибного или дрожжевого происхождения). Фермент действует как на α-, так и на β-формы лактозы. Процесс нашел промышленное применение при выработке глюкозо-галактозных сиропов.
Лактоза легко сбраживается молочнокислыми бактериями. В зависимости от вида микроорганизмов процесс может идти по гликолитической схеме (гомоферментативное брожение) или по гексозомонофосфатному пути (гетероферментативное брожение). В первом случае из молекулы лактозы образуются две молекулы молочной кислоты, во втором — молочная кислота, углекислота, этиловый спирт и уксусная кислота. Процессы широко используют в молочной промышленности при выработке всех кисломолочных продуктов, сыров, этилового спирта, продуктов микробного синтеза на молочной сыворотке. Теоретически по количеству молочной кислоты в молочном сырье можно судить о степени разложения лактозы. Однако между расчетными и опытными данными имеется некоторая разница, возрастающая по мере нарастания кислотности. Зависимость между кислотностью и массовой долей молочного сахара в молочной сыворотке приведена в табл. 1.24.

При производстве молочного сахара сбраживание лактозы необходимо исключить. Лактоза является основным углеводным компонентом молока, который почти полностью переходит в сыворотку и ее содержание в молоке различных видов млекопитающих может колебаться в значительных пределах (от 0,1% до 7,0%). Содержание лактозы (в %) в молоке некоторых млекопитающих приведено ниже:

Лактозу применяют при производстве продуктов детского питания, супов и соусов, в кондитерской промышленности (печенье, бисквиты, шоколад, кондитерские изделия). Ее также широко используют в фармацевтической промышленности как наполнитель таблеток, а в сухой гранулированной форме — в качестве наполнителя при производстве порошковых ингаляторов. Кроме того, можно считать установленным, что лактоза и ее производные в настоящее время рассматриваются как биоактивные компоненты продуктов питания. Низкие показатели сладости, кариогенности, энергетической ценности (2-4 ккал/г); диетические и пребиотические свойства; улучшение поглощения кальция и магния делают лактозу привлекательным товаром. А ее производные — лактулоза, лактитол и ГОС, рассматриваются как факторы «здоровья кишечника».
Лактозу можно применять диабетикам, так как она имеет гликемический индекс менее 50. Способность углеводов вызывать повышение уровня сахара в крови (гипергликемию) определяется гликемическим индексом. Этот индекс будет тем выше, чем выше уровень сахара в крови, вызванный расщеплением углеводов. По гликемическому индексу углеводы делят на плохие (с гликемическим индексом выше 50), и хорошие (с гликемическим индексом ниже 50). На рис. 1.18 приведен гликемический индекс лактозы в сравнении с некоторыми моно- и дисахаридами.

Сладость лактозы меньше, чем сладость сахарозы, она менее гигроскопична и более сыпуча, чем сахароза, обладает хорошими поглотительными свойствами. Степень сладости лактозы относительно некоторых видов углеводов:

Способность лактозы сорбировать ароматические вещества (AB) значительно выше, чем у других углеводов, что используется на практике при изготовлении ряда продуктов питания и напитков. В табл. 1.25 эти показатели приведены для сведения и возможного практического использования.