Введение
По своему определению молоко является единственным и абсолютно достаточным продуктом питания для новорожденных млекопитающих. Однако, благодаря своему уникальному составу, молоко крупных одомашненных млекопитающих сталосдревнейшихвременоднимизсамыхдоступных высокопитательных пищевых продуктов в рационе человека [1, 2]. Роль молока, как полноценного продукта питания и как сырья для производства других продуктов питания, привело к увеличению спроса на него. В результате производство молочных продуктов превратилось в одну из важнейших отраслей промышленности.
В последнее время существенно выросло внимание к заменителям молока, изготовленным на основе растительного сырья. Чаще всего сырьем для таких заменителей молока служат семена бобовых культур или орехи (соя, чечевица, арахис, миндаль, фундук, кешью, кокос), а также семена зерновых культур (рис, овес, кунжут) [3–7]. Использование растительных заменителей молока может быть связано с целым рядом причин, включая медицинские (например, аллергия на молочные белки или лактозу), культурные (например, вегетарианство) или религиозные (например, запрет на использование коровьего молока у индуистов). Возможно, именно религиозный запрет на использование коровьего молока сделал возможным появление его соевого аналога в Восточной Азии уже с древних времен [8]. Как молоко, так и его растительные аналоги могут употребляться сами по себе в виде напитков. Однако очень часто их используют в качестве сырья для переработки в сыры и кисломолочные продукты, в случае молока, или в их аналоги в случае использования растительных молокоподобных продуктов. Основой производства таких продуктов является процесс коагуляции суспензий, состоящих из животных или растительных белков. Механизмы коагуляции коллоидных растворов на основе молочных белков и белков растительного происхождения заметно отличаются друг от друга. Так, например, сычужный фермент, пепсин и химозин, используемые для коагуляции молочного казеина, не вызывают свертывания растительных аналогов молока, хотя некоторые ферменты все-таки способны вызвать их коагуляцию [9]. Вместе с тем, существует и ряд свойств, которые указывают на возможное сходство в формировании коллоидной устойчивости для белковых систем как животного, так и растительного происхождения. К ним относятся, например, возможность кислотного свертывания, сильная чувствительность к ионам кальция или
магния, а также температурные эффекты [10–13].
Прогресс в понимании коагуляции молока основан на исследовании особенностей структуры молочных белков, их функций и особенностей взаимодействий между ними [14, 15]. Тем не менее, в настоящее время не существует общепринятой физико-химической модели, адекватно описывающей процесс свертывания молока под действием различных факторов на основе общих принципов. Механизмы коагуляции растительных белков изучены гораздо
также имеются [10–13].
Целью данного исследования является попытка построения на основе краткого обзора физико- химических свойств животных белков молока и белков растительных заменителей молока достаточно общей универсальной модели их коагуляции.
Объекты и методы исследования
Основными объектами исследования, резуль- таты которого представлены в данной работе, являлись коллоидные растворы восстановленного обезжиренного молока, полученного в соответствии с методикой, изложенной в [16], и соевого молока, полученного по общепринятым методикам, описанным в [6].
В качестве основного метода проверки предложенных в работе гипотез использовалось моделирование экспериментальных данных в рамках разработанных схем, описывающих физико- химические процессы коагуляции белковых коллоидных систем. В ходе моделирования основные физико-химические параметры описываемых систем варьировались в диапазоне разумных технологических значений.
Результаты и их обсуждение
Коагуляция казеина. Основной белок молока представлен несколькими видами казеинов (от лат. caseus – сыр). Они присутствуют в молоке в виде практически сферических мицелл со средним радиусом около 100 нм. Внутренняя часть мицелл представлена достаточно гидрофобными α- и β-казеинами. Эти казеины имеют значительное количество пептидных остатков, несущих на себе фосфатные группы. Эта особенность позволяет мицеллярным казеинам связывать значительное количество кальция, образуя казеинаты, и, кроме того, связывать внутри мицелл нанокластеры коллоидного фосфата кальция, служащего основным источником фосфора и кальция для растущего организма новорожденных. Поверхность мицелл покрыта κ-казеинами, в состав которых входят достаточно длинные гидрофильные макропептидные цепочки, образующие «волосковый» защитный слой, не позволяющий мицеллам слипаться в водном растворе [17–20]. Нативные мицеллы казеина в водном растворе имеют отрицательный электрический заряд, возникающий при диссоциации различных функциональных групп казеинов. Этот заряд, часть которого обеспечивает
«жесткость» полиэлектролитической «щетки» из волосков κ-казеина [21], обеспечивает коллоидную стабильность мицеллярного раствора в молоке.
Именно коагуляция мицелл казеина лежит в основе производства сыров, творога и кисломолочных продуктов. Нарушение коллоидной стабильности мицелл приводит к их слипанию и образованию сетки молочного геля, в которую захватываются также жировые шарики. В результате образуется сгусток, служащий основой для производства различных молочных продуктов.
Рисунок 1 – Схематическое изображение мицеллы казеина (a) и парной потенциальной энергии их взаимодействия
(b) в зависимости от расстояния r между центрами мицелл
Figure 1 – Schematic representation of casein micelles (a) and the pairing potential energy of their interaction
(b) depending on the distance r between the centers of the micelles
Потеря стабильности коллоидной мицеллярной системы казеинов может быть связана с различными способами разрушения защитного волоскового слоя. При воздействии сычужном свертывании молока макропептидные волоски κ-казеина отщепляются химозином, что приводит к разрушению защитного слоя [22]. Во время кислотной коагуляции дополнительные водородные ионы легко попадают в полиэлектролитическую щетку, смещая ионное равновесие в рекомбинацию диссоциированных групп макропептидных кислот κ-казеина, тем самым уменьшая электрический заряд макропептидных
Для объяснения экспериментальных особенностей свертывания молока нами предложена модель парного взаимодействия мицелл, основанная на модели липких твердых сфер [23] с двумя дополнительными прямоугольными потенциалами [14]. Полная потенциальная энергия парного взаимодействия мицелл для выбранной модели схематически изображена на рис. 1.
Как видно из рисунка, взаимодействие мицелл представлено «твердой стенкой» на расстоянии D между центрами мицелл, глубокой прямоугольной
«потенциальной ямой» шириной a и прямоугольным
«отталкивающим барьером» шириной δ и высотой
волосков и разрушая защитный слой [14].
Ur:
U (r) = Uw (r) + Ua (r) + Ur (r) , где
ì+¥, r £ D
ì-U0 + Uadd , r £ D + a
U (r) = ìUr , r £ D + d
U (r) = í
w î0,
r > D ,
Ua (r) = í
î0,
r > D + a ,
í
|
r > D + d . (1)
Отталкивание, характеризующееся потенциальной
отрицательного электрического заряда на волосках
энергией U , обусловлено наличием на поверхности
κ-казеина q
, пропорционального концентрации
r
мицелл упругого волоскового слоя толщиной δ,
состоящего из макропептидных остатков κ-казеина.
CMP
диссоциированных макропептидных остатков, и
дополнительного отрицательного электрического
Притяжение, характеризующееся потенциальной
заряда мицелл q
, пропорционального концентра-
|
CAS
ции диссоциированных молекул казеинатов кальция.
Заряд на поверхности мицелл может уменьшаться в результате гидрирования макропептидных остатков κ-казеина в результате смещения влево реакции
Дополнительный потенциал U
add
описывает
CMP
« CMP- + H+ , (2)
отталкивание мицелл в результате возникновения
одноименного электрического заряда при диссоциации мицеллярного казеината кальция. Это отталкивание имеет короткодействующий характер из-за сильного дебаевского экранирования белковых молекул ионами, содержащимися в молочной сыворотке. При достаточно высокой степени диссоциации казеинатов кальция потенциал
где обозначение CMP условно выбрано для представления гидрофильных зарядообразующих групп κ-казеина. Кроме того, концентрация макропептидных волосков на поверхности мицелл может уменьшаться в результате гидролиза протеолитическими ферментами:
|
может изменить
[CMP] = [CMP]0 exp(-kCMP [E]t) , (3)
знак, становясь в этом случае отталкивающим.
Кинетика коагуляции определяется тем фактом,
|
|
|
зависят
[E] – концентрация фермента. В результате заряд
от времени. Эти зависимости определяются кинетикой изменения соответствующих зарядов:
поверхностного слоя мицелл можно представить в
виде:
-e [CMP- ] e
q = = -
KCMP [CMP]0 exp(-k
[E]t)
CMP
[M] [M] K
CMP
+[H+ ]
CMP
, (4)
где e – элементарный заряд, [M] – концентрация
препаратов [24, 25]. Этот факт позволил нам
|
реакции (2).
– константа равновесия
объяснить коллоидную дестабилизацию в результате уменьшения дополнительного заряда
Дополнительный заряд мицелл возникает при диссоциации мицеллярного казеината кальция, который мы представим упрощенной схемой
мицелл без добавления кальция процессом аналогичным (3)
[CaCAS] = [CaCAS]0 exp(-kCAS [E]t) , (6)
CaCAS
« Ca2+ +
CAS2- . (5)
где k
CAS
– константа скорости дополнительного
Как показывает опыт, фосфорилированные
участки казеинов также могут быть подвержены протеолитическому действию ферментных
протеолиза. В результате кинетика изменения
дополнительногозарядамицеллказеинаопределяется выражением
q = -2e
[CAS2- ]
=
-2e K
CAS
[CaCAS]0 exp(-k
[E]t) , (7)
CAS
[M] [M]
KCAS
+[Ca2+ ]
CAS
|
– константа равновесия реакции (5).
сдвигая равновесие схемы (5) влево. Дополнительный
|
|
положительный член U
в потенциале U
(7), зависит от концентрации ионов кальция (что, на наш взгляд, вполне адекватно объясняет роль кальция в коагуляции молока) следует ввести в схему (1)–(7) дополнительный источник ионов кальция, связанный с диссоциацией мицеллярного фосфата кальция.
Из-за сложности состава коллоидного фосфата кальция (CCP), его гидрирование рассмотрим в рамках крайне упрощенной схемы, включающей всего одну ступень:
CCP + 2H+ « CCP* + Ca2+ , (8)
где CCP* – гидрированная форма коллоидного кальций-фосфатного комплекса. Мы надеемся, что такая «усредненная» схема, по крайней мере, качественно, правильно описывает основные особенности процесса гидрирования кальций фосфатного комплекса.
Модель на основе схемы, представленной выражениями (1)–(8), была успешно применена для расчетов кинетики сычужной коагуляции восстановленного обезжиренного молока, обогащен- ного ионами кальция и магния [26].
Кислотная коагуляция молока не столь явно зависит от концентрации ионов кальция в исходном молоке и определяется величиной рН молока. Известно, что флоккуляция казеина в молоке начинается со значения рН около 5. Однако при таких значениях рН мицеллярный фосфат кальция практически полностью диссоциирует. Это приводит к тому, что, с одной стороны, дополнительные водородные ионы при повышенной кислотности уменьшают заряд макропептидных волосков, сдвигая равновесие реакции (2) влево. Упругость полиэлектролитической щетки уменьшается
уменьшается, делая его чисто адгезивным.
|
Отметим, что механизмы сычужной и кислой коагуляции можно легко объединить в нашей модели для описания кислотно-сычужного свертывания молока.
Коагуляция глицинина. Основными белками сои являются глицинин и b-конглицинин (от лат. Glycine – соя). По своим свойствам эти глобулины аналогичны белкам других бобовых, зерновых и орехов с индексами седиментации 11S и 7S соответствен- но [27]. Доля этих белков составляет около 70 % протеинов сои. Очевидно, что коагуляционные свойства соевого молока во многом определяются
|
становится
именно их коллоидной устойчивостью.
незначительным. С другой стороны, увеличение концентрации ионов кальция в результате диссоциации коллоидного фосфата кальция приводит к уменьшению дополнительного заряда мицелл,
Кроме белков, составляющих до 40 % сухих веществ сои, в ней содержится около 30 % жиров до 30 % углеводов. В таблице 1 представлены результаты сравнения состава коровьего и соевого молока на основе анализа различных источников.
Соевое молоко – весьма условный продукт и его состав сильно зависит как от качества исходных бобов, так и от способа приготовления. В таблице 1 приведены усредненные данные для соевого молока, полученного по традиционной технологии из свежих бобов после их замачивания и размалывания в равном количестве воды.
Как видно из таблицы 1, пищевой состав сои достаточно близок к составу молока, хотя имеется и ряд существенных отличий. Если количество белков и жиров отличается не слишком существенно (менее, чем в 2 раза), то кальция в коровьем молоке больше примерно в 30 раз. С другой стороны, в соевом молоке содержится примерно в 15 раз больше железа. Безусловно, имеются отличия в химическом составе различных компонентов, определяемые, например, различием состава животных и растительных жиров. В отличие от молока, где основным углеводом является лактоза, углеводы сои представлены поли- и олигосахаридами. В то же время аминокислотный состав белков сои достаточно близок к составу казеинов. С другой стороны, имеются и существенные отличия, прежде всего, в способе связи фосфора с протеинами.
Как описано выше, фосфор в молоке млекопитающих содержится в виде соединений с аминокислотными остатками казеинов (в основном α- и β-) и в виде связанного казеинами коллоидного фосфата кальция. В соевом молоке основная часть «белкового» фосфора представлена
белковыми комплексами с фитиновой кислотой или фитинатами [28–30]. Часть фосфора как в животном, так и в «растительном» молоке представлена фосфолипидами. Их роль в описании коллоидной стабильности этих продуктов, на наш взгляд, не столь существенна.
С точки зрения построения модели, описывающей коагуляцию соевого молока, важнейшим фактором является способность фитиновой кислоты образовывать комплексы с металлами, в первую очередь, с кальцием и магнием [12, 31]. С одной стороны, это свойство фитинат-глицининовых комплексов уменьшает пищевую ценность соевого молока [33, 34], а с другой, является основной причиной разрушения коллоидной стабильности в соевом молоке.
Соевое молоко представляет собой коллоидную взвесь частиц диаметром 40–200 нм [35, 36]. Точный состав коллоидных частиц не описан, но считается, что они, как и в молоке животного происхождения, представляют собой мицеллы, состоящие из глицининов и b-конглицининов, а также их жировые капли, поверхность которых стабилизирована белковыми молекулами.
Исходя из аналогии с молоком животного происхождения мы предлагаем следующую модель, описывающую коллоидную устойчивость соевого молока. Как и в случае молока животного происхождения, энергия парного взаимодействия белковых мицелл соевого молока может быть представлена в виде U (r) = Uw (r) + Ua (r) , где
ì+¥, r £ D
U (r) = í ,
ì-U0
U (r) = í
+ Uadd
, r £ D + a
. (9)
w î0,
r > D a
î0,
r > D + a
|
|
соевого молока при обычных условиях, потенциал
отталкивание, обусловленное наличием на
межмицеллярного притяжения U
|
– U имеет
поверхности мицелл упругого волоскового слоя.
Этот факт отражает хорошо известное свойство соевого молока не свертываться под действием сычужного фермента.
|
положительный знак, что соответствует взаимному
отталкиванию мицелл.
Дополнительный заряд мицелл возникает при диссоциации фитинат-глицининового комплекса (GllyPhy), который мы представим упрощенной схемой:
взаимодействия обеспечивающие слипание мицелл
при непосредственном контакте их поверхностей.
GlyPhy «
2H+ +
GlyPhy2-
. (10)
|
описывает
CaGlyPhy «
Ca2+ +
GlyPhy2-
отталкивание мицелл в результате возникновения одноименного электрического заряда при диссоциации фитинатов, входящих в состав белковых мицелл. Это отталкивание имеет короткодействующий характер из-за сильного дебаевского экранирования белковых молекул ионами, содержащимися в сыворотке. При достаточно высокой степени диссоциации фитинатов, что, по-видимому, является нормальным для случая
Отметим, что в качестве металла, связывающегося с фитинат-глицининовым комплексом, может выступать не только кальций. Это лишь добавит к реакциям схемы (10) дополнительные каналы. Вместе с тем, несмотря на сложный и многоступенчатый характер диссоциации фитиновой кислоты и фитинатов, можно надеяться, что схема (10), по
Таблица 1 – Сравнительный состав коровьего и соевого молока
Table 1 – Comparative composition of cow and soy milk
|
Продукт |
Содержание в 100 г продукта |
||||||
|
Вода, г |
Белки, г |
Жиры, г |
Углеводы, г |
Кальций, мг |
Фосфор, мг |
Железо, мг |
|
|
Коровье молоко |
88 ± 1 |
3,2 ± 0,3 |
3,3 ± 0,5 |
5,0 ± 0,2 |
115 ± 5 |
100 ± 20 |
< 0,05 |
|
Соевое молоко |
93 ± 3 |
2,7 ± 0,3 |
1,9 ± 0,3 |
1,7 ± 0,3 |
4,0 ± 0,3 |
40 ± 10 |
0,6 ± 0,2 |
крайней мере, качественно, правильно описывает возникновение заряда фитинат-глицининового
является рабочей гипотезой, основанной на сходстве химического взаимодействия кальция с фосфатными
|
, который пропорционален
группами различных соединений. Тогда при
концентрации [GlyPhy2–]
[GlyPhy2- ]
повышении температуры дополнительный заряд мицелл снижается, что ведет к увеличению скорости
qGly
= -2e
[M]
. (11)
коагуляции обычного и растительного молока.
Схема (9)–(11) позволяет легко объяснить основные особенности коагуляции соевого молока. Действительно, увеличение кислотности среды приводит к сдвигу равновесия первой из реакций (10) влево и уменьшению заряда (11), определяющего потенциальную энергию отталкивания мицелл
Выводы
Анализ физико-химических свойств молока животного происхождения и его аналогов на основе растительного сырья позволил разработать модель формирования устойчивости коллоидных растворов белковых мицелл животного и растительного
|
в (9). К аналогичному эффекту приводит
происхождения. Вобоихслучаяхосновнымфактором,
увеличение концентрации ионов кальция (или
магния) в сыворотке соевого молока, сдвигающее влево вторую реакцию в схеме (10). В любом случае, потенциальная энергия взаимодействия мицелл в
обеспечивающим коллоидную стабильность систем, является электрический заряд, возникающий при диссоциации ряда функциональных групп
|
становится отрицательной, что
белковых комплексов. Особую роль в поддержании
соответствует притяжению (или, в дальнейшем, слипанию) частиц.
Для объяснения температурной зависимости коагуляции молока и молокоподобных растительных систем необходимо сделать еще одно предположение. Будем считать, что равновесие реакций (5) и (8), а также второй реакции в схеме
(10) с ростом температуры смещается влево. То есть при повышении температуры образуются менее растворимые соединения кальция (или магния) с содержащими остатки фосфорной кислоты комплексами. Отметим, что, если для реакции
- такая зависимость является установленным фактом, то для реакции (5) и (10) это предположение
коллоидной устойчивости молока и растительных
молокоподобныхсистемиграютфосфоросодержащие органические соединения. Именно этим объясняется важная роль кальция и магния в коагуляции животного и растительного молока.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование
Исследованиявыполненыврамкахинициативного проекта авторского коллектива на базе ФГБОУ ВО
«Кемеровский государственный университет».
