скачать МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ![]() КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СРЕДНЕТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ О.А. Шейфель БИОХИМИЯ МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Для студентов ССУЗов Кемерово 2010 УДК ББК Ш Рекомендовано редакционно-издательским советом Кемеровского технологического института пищевой промышленности Шейфель, О.А. Ш 39 Биохимия молока и молочных продуктов: Конспект лекций / О.А. Шейфель; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2010. – 126 с. Рассмотрены состав молока с химической природы, структура, биологическая ценность, функциональные свойства, а также биохимические изменения компонентов молока в процессе его хранения и переработки. Представлены биохимическе и физико-химические процессы, протекающие в молоке при выработке основных молочных продуктов. Предназначено для подготовки студентов по специальности 260303 «Технология молока и молочных продуктов» всех форм обучения УДК ББК . © КемТИПП, 2010 . © О.А. Шейфель, 2010 ОГЛАВЛЕНИЕ
. ВВЕДЕНИЕ Биологическая химия, или биохимия - наука, изучающая химический состав организмов и химические процессы, лежащие в основе их жизнедеятельности. Одной из важнейших составных частей биологической химии, занимающейся изучением биохимических процессов, протекающих в сырье растительного и животного происхождения при его хранении и переработке, является техническая биохимия, в частности, биохимия молока, биохимия мяса, биохимия зерна и т. д. В основе производства молочных продуктов лежат биохимические превращения основных составных частей молока - углеводов, белков, липидов и солей. В связи с этим в курсе «Биохимия молока и молочных продуктов» значительное место отведено изучению состава молока с рассмотрением химической природы, структуры, биологической ценности, функциональных свойств, а также биохимических изменений компонентов молока в процессе его хранения и переработки. Большое внимание уделяется биохимическим и физико-химическим процессам, протекающим в молоке при выработке основных молочных продуктов, предотвращению возникновения различных пороков, снижению потерь сырья и т.д. Правильная организация и совершенствование технологических процессов, улучшение качества и свойств молочных продуктов невозможны без знания основ биохимии молока и молочных продуктов. При изучении биохимии молока и молочных продуктов используют достижения смежных наук, таких как органическая, физическая и коллоидная химия, физиология, животноводство, биохимия питания и др. Вместе с тем, биохимия молока служит научной основой для последующего изучения технологии, микробиологии молока и молочных продуктов. Конспект лекций предназначен для студентов всех форм обучения по специальности 260303 «Технология молока и молочных продуктов». Лекция 1 ^ В ПИТАНИИ НАСЕЛЕНИЯ
молока и молочных продуктов Началом научно-исследовательских работ в области биохимии молока следует считать год создания первой в России молочной лаборатории при Едимоновской молочной школе (1883 г.). Организатором этой лаборатории был проф. Ав. А. Калантар. Ему принадлежит обширное научное наследство в области химии и технологии молочных продуктов (применение при производстве швейцарского сыра солей кальция, разработка лактоденсиметра, формул для расчета сухих веществ молока и т. д.). Важным этапом развития научно-исследовательских работ в области молочного дела стало открытие в 1902— 1904 гг. научно-испытательных лабораторий в городах Западной Сибири и центральной части России. Лаборатории проводили огромную работу по исследованию состава и свойств молока, получаемого от коров местных пород, констант молочного жира, применению чистых культур молочнокислых бактерий в производстве масла и т. д. Последующее развитие маслоделия и сыроделия в нашей стране потребовало создания специального учебного и научно-исследовательского института. В 1913 г. был открыт Вологодский молочнохозяйственный институт. В институте работали профессора Г. С. Инихов, С. А. Королев, Я. С. Зайковский и др. Многочисленные исследования Г. С. Инихова по изучению состава и свойств молока и молочных продуктов, разработка методов контроля качества сырья и готовой продукции послужили основой для написания им первых учебников «Химия молока» и «Анализ молока». Проф. С. В. Паращук является основоположником русской школы сыроделия и маслоделия. Им проведена большая работа по изучению влияния кормов на состав и свойства молока и масла, свойств сычужного фермента и пепсина, разработаны основы производства диетических кисломолочных и детских лечебных молочных продуктов. Научная деятельность проф. Я. С. Зайковского была посвящена изучению природы белков молока, развитию теории образования масла, изучению физико-химических основ производства сгущенного и сухого молока. Огромный вклад в развитие научно-исследовательских работ в области биохимии молока внес проф. П.Ф. Дьяченко. За долгую жизнь он много сделал в области химии белков молока. Им разработана теория сычужной коагуляции казеина, технология получения казеинатов, термокальциевых копреципитатов и других белковых продуктов. В настоящее время большую научно-исследовательскую работу в области молочного дела осуществляют коллективы сотрудников открытого в 1930 г. Всероссийского научно-исследовательского института молочной промышленности в Москве (ВНИМИ) и Всероссийского научно-исследовательского института маслодельной и сыродельной промышленности в Угличе (ВНИИМС), а также их филиалов. ^ Молоко - один из самых ценных продуктов питания человека. По пищевой ценности оно может заменить любой продукт, но ни один продукт не заменит молоко. Молоко и молочные продукты широко применяют при лечении и профилактике различных болезней человека. Особое значение имеют молочные продукты при лечении болезней печени, легких, желудочно-кишечного тракта и др. Молоко содержит все необходимые для питания человека вещества - белки, жиры, углеводы, которые находятся в сбалансированных соотношениях и очень легко усваиваются организмом. Кроме того, в нем содержатся многие ферменты, витамины, минеральные вещества и другие важные элементы питания, необходимые для обеспечения нормального обмена веществ. Особую ценность представляют белки молока. Степень усвоения белков молока составляет 96—98%. Образующиеся в результате расщепления белков аминокислоты идут на построение клеток организма, ферментов, защитных тел, гормонов и т. д. Некоторые аминокислоты легко образуются в организме из других кислот, но есть и такие, которые должны поступать с пищей (человеческий организм не способен их синтезировать). Эти аминокислоты (лизин, триптофан, метионин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, треонин, валин) называют незаменимым. По содержанию незаменимых аминокислот белки молока относят к белкам высокой биологической ценности. Особенно богаты незаменимыми аминокислотами сывороточные белки молока. Большое значение в питании человека имеет молочный жир. Жиры являются источником энергии и выполняют многообразные функции в организме человека. Биологическая ценность жиров определяется наличием в них полиненасыщенных жирных кислот (линолевой, линоленовой и арахидоновой). Эти жирные кислоты не синтезируются в организме человека. Молочный жир содержит недостаточное количество полиненасыщенных жирных кислот. Присутствие в молочном жире значительных количеств фосфолипидов и витаминов (A, D, Е) повышает его биологическую ценность. Кроме того, молочный жир, по сравнению с другими жирами, лучше усваивается организмом человека. Этому способствуют, во-первых, относительно низкая температура плавления жира (27 - 34°С), во-вторых, нахождение его в молоке в эмульгированном состоянии - в виде мелких жировых шариков. В состав молока входит ценный углевод - лактоза (молочный сахар), используемый организмом в качестве источника энергии. Поступление лактозы в кишечник ребенка способствует развитию полезной микрофлоры, которая, образуя молочную кислоту, подавляет гнилостные процессы. Не менее ценны и минеральные компоненты молока. Прежде всего, следует отметить высокое содержание солей кальция и фосфора, которые нужны организму для формирования костной ткани, восстановления крови, деятельности мозга и т. д. Оба элемента находятся в молоке не только в прекрасно усвояемой форме, но и в хорошо сбалансированных соотношениях, что позволяет организму максимально их усваивать. Около 80% суточной потребности человека в кальции удовлетворяется за счет молочных продуктов. В молоке содержатся такие важные макроэлементы, как калий, натрий, магний, хлор, а также микроэлементы - цинк, кобальт, марганец, медь, железо, йод, которые участвуют в построении ферментов, гормонов и витаминов. Молоко является почти всех видов витаминов. Так, суточная потребность в относительно дефицитном витамине В2 удовлетворяется на 42—50% за счет молока и молочных продуктов. Также основным источником витамина А в питании человека является сливочное масло. Таблица 1 Примерные физиологические нормы потребления молока и молочных продуктов, рекомендуемые Институтом питания РАМН
Лекция 2 ^ 2.1 Средний химический состав коровьего молока Молоко представляет собой биологическую жидкость, которая образуется в молочной железе млекопитающих и предназначена для вскармливания новорожденного. Средний упрошенный состав коровьего молока представлен на рис. 1. Химический состав молока не только определяет его пищевую и биологическую ценность, но и влияет на технологическую переработку, выход и качество готовой продукции. Содержание отдельных компонентов в молоке не постоянно, оно изменяется в зависимости от стадии лактации, породы животных, состояния здоровья кормов, времени года, возраста, индивидуальных особенностей, условий содержания, техники доения и т.д. ![]() Рис.1. Средний химический состав коровьего молока ^ Вода выполняет разнообразные функции и играет важную роль в биохимических процессах. Она является растворителем органических и неорганических веществ. В водной среде проходят все многочисленные реакции живого организма. В некоторых реакциях вода принимает непосредственное участие (реакции гидролиза, окисления веществ и др.). В молоке содержится в среднем 88 % воды (с колебаниями от 86 до 89 %). Вода, входящая в состав молока и молочных продуктов, неоднородна по физико-химическим свойствам, и роль ее неодинакова. Большая часть воды молока (84,5 - 85%) находится в свободном состоянии, т. е. может принимать участие в биохимических реакциях. Свободная вода молока представляет собой раствор различных органических и неорганических веществ (сахара, солей и пр.). Ее легко можно превратить в состояние льда при замораживании молока или удалить при сгущении и высушивании. Меньшая часть (3 - 3,5%) воды находится в связанном состоянии. Существует 2 формы связи воды в молоке: 1. Адсорбционно связанная вода удерживается молекулярными силами около поверхности коллоидных частиц (белков, фосфолипидов, полисахаридов). При адсорбировании диполи воды располагаются несколькими слоями вокруг гидрофильных центров белковой молекулы (рис.2). ![]() Рис. 2. Схема гидратной оболочки белковой молекулы: 1 – диполи воды; 2 - белок Первый слой (ориентированные неподвижные молекулы воды, прочно связанные с белком) называют гидратной или водной оболочкой. От свойств гидратных оболочек зависит стабильность белковых частиц, а также жировых шариков молока. Последующие слои молекул воды связаны с белком менее прочными связями, и по свойствам она не отличается от свободной воды. 2. Особая форма связанной воды - химически связанная вода. Это вода кристаллогидратов, или кристаллизационная вода. В молоке кристаллизационная вода связана с кристаллами молочного сахара (С12Н22011 Н20). Связанная вода по своим свойствам отличается от свободной. Она не замерзает при низких температурах (ниже - 40°С), не растворяет соли, сахар. Связанную воду нельзя удалить из молока при высушивании. По количеству связанной воды обычно судят о гидрофильности белков, т.е. способности связывать всю влагу (влагу первого и последующих слоев). Контрольные вопросы:
Лекция 3 ^ 3.1 Общая характеристика, аминокислотный состав и структура белков Белки - высокомолекулярные полимерные соединения, построенные из аминокислот. В их состав входит около 53 % углерода, 7% водорода, 22% кислорода, 15 - 17% азота и от 0,3 до 3% серы. В некоторых белках присутствуют фосфор, железо и другие элементы. Все белки в зависимости от их строения и свойств делятся на две группы:
Белки выполняют многочисленные биологические функции - структурную, транспортную, защитную, каталитическую, гормональную и др. В состав белков входят остатки 20 различных аминокислот. Общая формула аминокислот следующая: H R-C-COOH NH2 Все аминокислоты содержат аминогруппу NH2, имеющую основной характер, и карбоксильную группу СООН, несущую кислые свойства. Белкам свойственны различные структуры. Последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называют первичной структурой белка (рис. 3, а). Она специфична для каждого белка. В молекуле белка полипептидная цепь частично закручена в виде α-спирали, витки которой скреплены водородными связями. ![]() Вид спирали характеризует вторичную структуру (рис. 6, б). Возможна также слоисто-складчатая структура. Пространственное расположение полипептидной цепи определяет третичную структуру белка (рис. 3, в). В зависимости от пространственного расположения полипептидной цепи форма молекул белков может быть различной. Если полипептидная цепь образует молекулу нитевидной формы, то белок называется фибриллярным (от лат. fibrilla - нить), если она уложена в виде клубка - глобулярным (от лат. globulus - шарик). Рис. 3. Структуры белковых ^ харак- молекул: теризует способ расположения а) первичная; б) вторичная; в пространстве отдельных поли- в) третичная; г) четвертичная пептидных цепей в белковой моле- куле. Белки обладают большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов). Вследствие большого размера белковых частиц водные растворы их представляют собой коллоидную систему, которая состоит из дисперсионной среды (растворитель) и дисперсной фазы (частицы растворенного вещества). Благодаря присутствию в аминокислотных остатках групп, способных к ионизации (СООН, NH2 и др.), белковые молекулы несут отрицательные и положительные заряды. Нарушение этих факторов устойчивости приводит к осаждению (коагуляции) частиц. Коагуляцию можно осуществить, добавляя в раствор белков дегидратирующие вещества (спирт, ацетон, сульфат аммония и некоторые другие соли), разрушающие гидратную оболочку. При этом происходит обратимое осаждение белков, т. е. при удалении этих веществ белки вновь переходят в нативное состояние. При действии на белок солей тяжелых металлов, кислот и щелочей, а также при нагревании происходят необратимые реакции осаждения с потерей первоначальных свойств белка. Это явление называется денатурацией. Она характеризуется развертыванием полипептидной цепи белка, которая в нативной белковой молекуле была свернута. В результате развертывания полипептидных цепей на поверхность белковой молекулы выходят гидрофобные группы. При этом белок теряет растворимость, агрегирует и выпадает в осадок.
|