Строение и функции белков молока

Эти концевые группы могут  реагировать с различными химическими  веществами.

Первичная структура белков основана на главных валентных пептидных  связях и дисульфидных связей. Они настолько стабильны, что при обработке и переработке молока не разрушаются энергетическими воздействиями. Поэтому первичная структура белков молока разрушается только при ферментативном распаде белка в процессе созревания сыров.

Вторичная структура. Это  пространственное взаимное расположение аминокислотных остатков в полипептидной  цепи и представляет собой цепь спиралеобразной  конфигурации, которая образуется за счет водородного мостика между  полипептидными цепями.

Водородная связь, обладая  незначительной энергией связи, может  расщепляться при обработке и  переработке молока, например, при  высокотемпературной пастеризации.

Третичная структура - представляет пространственное расположение полипептидной  цепи, отдельные участки которой  могут соединяться между собой  прочными дисульфидными связями, возникающими между остатками цистеина. В образовании третичной структуры участвуют и другие связи - гидрофобные, электростатические, водородные и прочие. В зависимости от пространственного расположения полипептидной цепи форма молекул белков может быть различной. Если полипептидная цепь образует молекулу нитевидной формы, то белок называется фибрилярным, если она уложена в виде клубка - глобулярным (глобулус - шарик). Белки молока относятся к глобулярным белкам. Изучение их вторичной и третичной структур показало, что казеин в отличие от обычных глобулярных белков почти не содержит α-спиралей, α-лактальбулин и β-лактоглобулин содержит большое количество спирализованных участков. Казеин, вероятно, занимает промежуточное положение между компактной структурой глобулы и структурой беспорядочного клубка, который обычно наблюдается при денатурации глобулярных белков. Такая структура обеспечивает хорошую расщепляемость казеина протеолитическими ферментами при переваривании в нативном (природном) состоянии без предварительной денатурации.

Четвертичная структура  характеризует способ расположения в пространстве отдельных полипептидных  цепей в белковой молекуле, состоящей  из нескольких таких цепей или  субъединиц. Глобулярные белки, обладающие четвертичной структурой, могут содержать  большое количество полипептидных  цепей, тесно связанных друг с  другом в компактную мицеллу, которая  ведет себя в растворе как одна молекула.

Так, казеиновая мицелла  среднего размера должна состоять из нескольких тысяч полипептидных  цепей фракций казеина, определенным образом связанных друг с другом.

Казеин является основным белком молока, его содержание в  молоке колеблется от 2,3 до 2,9%. Элементарный состав казеина, %: С - 53,1, Н - 7,1, азот - 15,6, О - 22,6, S - 0,8; Р - 0,8. Он относится к фосфопротеидам, т. е. содержит остатки Н₃РО₄ (органически присоединенные к аминокислоте серину моноэфирной связью (О - Р).

Казеин в молоке содержится в виде сложного комплекса казеината кальция с коллоидным фосфатом кальция - так называемого казеинат-кальций-фосфатный комплекс (ККФК), в состав которого входит небольшое количество лимонной кислоты, магния, калия и натрия.

В свежем молоке ККФК содержится в виде амицелл - это агрегаты частиц, состоящих из так называемых сублицелл.

Соединение субмицелл в мицеллы происходит с помощью фосфата кальция и кальциевых мостиков. Казеиновые мицеллы сравнительно стабильны в свежевыдоенном молоке. Они сохраняют свою устойчивость при нагревании молока до относительно высоких температур и при его механической обработке. Стабильность мицелл зависит от содержания в молоке растворимых солей кальция, химического состава казеина, РН молока и других факторов.

1.3 Химические  свойства казеина

Около 95% казеина находится  в молоке в виде сравнительно крупных  коллоидных частиц — мицелл — которые имеют рыхлую структуру, они сильно гидратированы.

В растворе казеин имеет  ряд свободных функциональных групп, которые обуславливают его заряд, характер взаимодействия с Н₂О (гидрофильность) и способность вступать в химические реакции.

Носителями отрицательных  зарядов и кислых свойств казеина  является β и γ-карбоксильные группы аспаргиновой и глютаминовой кислот, положительных зарядов и основных свойств — å-аминогрупп лизина, гуанидовые группы аргинина и имидазольные группы гистидина. При рН свежего молока (рН 6,6) казеин имеет отрицательный заряд: равенство положительных и отрицательных зарядов (изоэлектрическое состояние белка) наступает в кислой среде при рН 4,6-4,7; следовательно в составе казеина преобладают дикарбоновые кислоты, кроме того, отрицательный заряд и кислые свойства казеина усиливают гидроксильные группы фосфорной кислоты. Казеин принадлежит к фосфоропротеидам — в своем составе содержит Н₃РО₄ (органический фосфор), присоединенную моноэфирной связью к остаткам серина.

Гидрофильные свойства зависят  от структуры, заряда молекул, рН среды, концентрации в ней солей, а также других факторов.

Своими полярными группами и пептидными группировками главных  цепей казеин связывает значительное количество Н₂О — не более 2 ч. на 1 ч. белка, что имеет практическое значение, обеспечивает устойчивость частиц белка в сыром, пастеризованном и стерилизованном молоке; обеспечивает структурно-механические свойства (прочность, способность отделить сыворотку) кислотных и кислотно-сычужных сгустков, образующихся при выработке кисломолочных продуктов и сыра, т. к. в процессе высокотемпературной тепловой обработке молока денатурируется β-лактоглобулин взаимодействуя с казеином и свойства гидрофильные казеина усиливаются: обеспечивая влагоудерживающую и водосвязывающую способность сырной массы при созревании сыра, т. е. консистенция готового продукта.

Казеин – амфотерин. В молоке он имеет явно выраженные кислые свойства.

         NН₂                    NН⁺

        R                      R         

 СООН               СОО^-

Его свободные карбоксильные  группы дикарбоновых аминокислот и  гидроксильные группы фосфорной  кислоты взаимодействуя с ионами солей щелочных и щелочноземельных металлов (Na⁺, K⁺, Ca⁺² , Mg⁺²) образуют казеинаты. Щелочные растворители в Н₂О, щелочноземельные нерастворимы. Казеинат кальция и натрия имеют большое значение при производстве плавленых сыров, при котором часть казеината кальция превращается в пластичный эмульгирующий казеинат натрия, который все шире используется в качестве добавки при производстве пищевых продуктов.

Свободные аминогруппы казеина  взаимодействуют с альдегидом, например с формальдегидом:

 

 

                   CH₂OH

R − NH₂ + 2CH₂O → R − N        

 CH₂OH

Эту реакцию используют при  определении белка в молоке методом  формального титрования.

Взаимодействие свободных  аминогрупп казеина (в первую очередь S-аминогрупп лизина) с альдегидными группами лактозы и глюкозы объясняется  первая стадия реакции меланоидинообразования:        

O

 

R - NH₂ + C –       R R - N = CH - R + H₂O

альдозиламин              

H

Для практики молочной промышленности особый интерес представляет прежде всего способность казеина к коагуляции (осаждению). Коагуляцию можно осуществить с помощью кислот, ферментов (сычужного), гидроколлоидов (пектин).

В зависимости от вида осаждения  различают: кислотный и сычужный казеин. Первый содержит мало кальция, так как ионы Н₂ выщелачивают его из казеинового комплекса, сычужный казеин — это смесь наоборот казеината кальция и он не растворяется в слабых щелочах в противоположность кислотному казеину. Различают два вида казеина, получаемого осаждением кислотами: кисломолочный творог и казеин-сырец. При получении кисломолочного творога кислота образуется в молоке биохимическим путем — культурами микроорганизмов, причем отделению казеина предшествует стадия гелеобразования. Казеин-сырец получают путем добавления молочной кислоты или минеральных кислот, выбор которых зависит от назначения казеина, так как под их воздействием структура осажденного казеина различна: молочнокислый казеин — рыхлый и зернистый, сернокислотный — зернистый и слегка сальный; соляно-кислый — вязкий и резинообразный. При осаждении образуются кальциевые соли применяемых кислот. Труднорастворимый в воде сульфат кальция нельзя полностью удалить при промывке казеина. Казеиновый комплекс довольно термоустойчив. Свежее нормальное молоко с рН 6,6 свертывается при температуре 150^оС — за несколько секунд, при температуре 130^оС более чем за 20 минут, при 100^оС — в течение нескольких часов, поэтому молоко можно стерилизовать.

С коагуляцией казеина  связана его денатурация (свертывание), она появляется в виде хлопьев  казеина, либо в виде геля. При этом хлопьеобразование получает название коагуляции, а гелеобразование —  свертывание. Видимым макроскопическим изменениям предшествуют субмикроскопические  изменения на поверхности отдельных  мицелл казеина, они наступают при  следующих условиях:

— при сгущении молока —  казеин мицеллы образует слабо связанные  друг с другом частицы. В сгущенном  молоке с сахаром этого не наблюдается;

— при голодании —  мицеллы распадаются на субмицеллы, шарообразная форма их деформируется;

— при нагревании в автоклаве > 130^оС — происходит разрыв главных валентных связей и увеличивается содержание небелкового азота;

— при сушке распылительной — форма мицелл сохраняется при  контактном способе — форма их изменяется, что влияет на плохую растворимость  молока;

— при сублимационной сушке  — изменение незначительны.

Во всех жидких молочных продуктах видимая денатурация  казеина крайне нежелательна.

В молочной промышленности явление коагуляции казеина вместе с сывороточными белками получают копреципитаты, используют СаСl₂, NH₂ и гидроокись кальция.

Все процессы денатурации  казеина, кроме высаливания считаются необратимыми, но это верно только в том случае, если под обратимостью процессов понимается восстановление нативных третичной и вторичной структур белков молока. Практическое значение имеет обратимое поведение белков, когда они из осажденной формы могут переходить снова в коллоидно-дисперсное состояние. Сычужное свертывание в любом случае представляет собой необратимую денатурацию, так как при этом расщепляются главные валентные связи. Сычужные казеины не могут перейти вновь в первоначальную коллоидную форму. И наоборот, обратимость может способствовать гелеобразованию пара — Н-казеина сублимационной сушки при добавлении концентрированного раствора поваренной соли. Обратим также процесс образования мягкого геля, обладающего тиксотропными свойствами, в УВТ-молоке при комнатной температуре. На начальной стадии легкое встряхивание приводит к пептизации геля. Осаждение кислоты казеина — обратимый процесс. В результате добавления соответственного количества щелочи казеин в виде казеината снова переходит в коллоидный раствор. Хлопьеобразование казеина имеет также большое значение с точки зрения физиологии питания. Мягкий сгусток образуется при добавлении слабокислых компонентов, например, лимонной кислоты, или удалении части ионов кальция методом ионообмена, а также при предварительной обработке молока протеолептическими ферментами, т. к. такой сгусток образует в желудке тонкий мягкий сгусток.

 

1.4 Гидролиз белков  молока

По молекулярному весу казеина и других молочных белков можно заключить, что белковая молекула является сложным соединением. Молекулы белков молока под влиянием кислот, щелочей, а особенно ферментов протеаз, выделяемых молочнокислыми и другими  бактериями, гидролизуются с образованием веществ меньшего молекулярного веса, вплоть до аминокислот. Естественно, что при гидролизе белка не сразу получаются конечные продукты распада, а образуются промежуточные соединения.

Конечными продуктами гидролиза  белков являются альфа-аминокислоты, у которых при первом углеродном атоме после кислотной группы вместо одного атома водорода находится аминная группа. Число аминокислот в белках доходит до 30.

Русский биохимик А.Я.Данилевский  около 80 лет назад впервые высказал предположение, что связь аминокислот  в белках может быть осуществлена посредством пептидной связи, получаемой при взаимодействии двух аминокислот

NH₂ – CH₂ – COOH + NH₂ – CH₂ – COOH => NH₂ – CH₂ – CO – NH – CH₂ – COOH + H₂O

^{Аминоуксусная кислота Дипептид}

Из двух аминокислот получается дипептид, который, имея также свободные  аминогруппу и карбоксильную (кислотную), вступает в реакцию с новой  аминокислотой, давая трипептид и т.д. В результате, из большого числа аминокислот могут образовываться полипептиды.

Синтез подобного рода полипептидов осуществил немецкий химик  Э.Фишер, утверждавший, что белки  построены из аминокислот, соединенных  только пептидными связями.

Взгляды Э.Фишера на строение белковых веществ считали правильными несколько десятилетий, однако постепенно накапливались факты, расходившиеся с этой теорией. Так, было установлено, что белки пищи в пищеварительном тракте человека подвергаются воздействию ряда ферментов – вначале пепсина в желудке, затем трипсина и полипептидаз в кишечнике. Если бы в белках имелись только пептидные связи, то не требовалось бы несколько ферментов. Работы акад. Н.Д.Зелинского и проф. В.С.Садикова показали, что в действительности аминокислоты в белках связаны не только пептидной связью, но и другими, среди которых имеет большое значение дикетопиперазиновая связь.

Дикетопиперазиновая связь  образуется при реакции двух аминокислот  с выделением двух частичек воды, в  результате чего появляется циклическое  соединение.

Затем в белках между аминокислотами были установлены дисульфидные связи (-S-S-), сложноэфирные, водородные, амидиновые (-N=C<); последние установлены проф. Н.И.Гавриловым. Таким образом, в настоящее время белковая молекула представляется в виде сложного соединения, в котором основными формами связи между аминокислотами являются пептидные и дикетопиперазиновые.