Food-Info.net> Tematy >Składniki pokarmowe > Białka

Białka mleka

Mleko zawiera wiele różnych białek, wykrywalność w nich występuje jednak w bardzo małych ilościach. Ze względu na różne właściwości chemiczne lub fizykochemiczne oraz funkcje biologiczne można je podzielić w różny sposób. Tradycyjnie, białka mleka dzieli się na białka kazeinowe, białka serwatkowe i pozostałe białka, występujące jednak w bardzo małych ilościach. Do tych ostatnich zalicza się białka otoczek kuleczek tłuszczowych oraz część białkową enzymów.

Nazwa białka serwatkowe jest często stosowana jako synonim białek serum mleka, chociaż powinna się odnosić do białek zawartych w serwatce otrzymywanej w procesie produkcji sera. Białka serwatkowe oprócz białek serum mleka zawierają fragmenty cząsteczek kazeiny, które odcinane są przez podpuszczkę podczas formowania się skrzepu. W serwatce, niektóre z białek serum mleka występują w mniejszym stężeniu niż w surowym mleku. Wynika to z denaturacji części białek serwatkowych podczas pasteryzacji mleka, która poprzedza właściwe etapy produkcji sera.

Trzy zasadnicze grupy białek mleka są rozróżniane na podstawie ich odmiennych właściwości i formy występowania. Białka kazeinowe można łatwo wytrącić z mleka, głównie przez działanie podpuszczką lub zastosowanie niskiego pH, natomiast białka serum mleka zwykłe pozostają rozpuszczone. Globularne białka serum mleka ulegają denaturacji już przy umiarkowanym podgrzewaniu, a białka kazeinowe są w tych warunkach stabilne. Białka związane z powierzchnią cząstek tłuszczu są silnie związane adhezyjnie do powierzchni kropel tłuszczu i mogą zostać uwolnione jedynie przez działanie mechaniczne, jak np. w procesie wytwarzania masła ze śmietanki.

Białka kazeinowe

Białka kazeinowe to nazwa głównej grupy białek mleka. Białka kazeinowe występują we wszystkich rodzajach mleka pochodzącego od zwierząt, łącznie z mlekiem ludzkim. Białka kazeinowe stanowią 80% (26 g/litr mleka) mleka krowiego.

Białka kazeinowe dzielą się na cztery podgrupy α s1 -, α s2 -, β- oraz κ -kazeiny. Białka tych czterech podgrup są bardzo heterogeniczne i składają się z 2 do 8 różnych wariantów genetycznych. Warianty te różnią się między sobą kilkoma aminokwasami. Wspólną cechą α- i β-kazein jest występowanie w nich aminokwasów zestryfikowanych kwasem fosforowym. Kwas fosforowy przyłącza wapń (występujący w mleku w dużej ilości), tworząc wiązania pomiędzy i wewnątrz cząsteczek kazeiny.

W rezultacie, bialka kazeinowe z łatwością tworzą struktury polimerowe zawierające kilka identycznych lub różnych typów kazein. Ze względu na dużą liczbę grup fosforanowych oraz stref hydrofobowych w cząsteczkach kazein, wytworzone polimery są bardzo trwałe. Polimery białek kazeinowych są utworzone z setek czy nawet tysięcy pojedynczych cząsteczek tworząc roztwór koloidalny, co nadaje mleku białą barwę. Takie kompleksy molekularne są nazywane micelami. Micele kazeinowe, przedstawione na ryc.1, składają się z kompleksów sub-miceli o średnicy 10 do 15 nm (1 nanometr = 10 –9 m). Micele o średnich rozmiarach składają się z około 400 do 500 sub-miceli i mogą osiągać wymiary dochodzące do 0.4 μm (0.0004 mm).

Za trwałość miceli odpowiedzialne są fosforan wapnia oraz oddziaływania hydrofobowe między sub-micelami. Hydrofilowe fragmenty κ -kazeiny zawierają grupy węglowodanowe wyeksponowane na zewnątrz kompleksów miceli (B na ryc.1), które nadają im „owłosiony” wygląd oraz, co najważniejsze, zabezpieczają micele przed agregacją.

Znaczenie κ -kazeiny oraz reszt węglowodanowych jest szczególnie istotne w procesie produkcji sera. Podpuszczka, stosowana w pierwszym etapie produkcji, odcina reszty węglowodanowe kazeiny z powierzchni miceli. Wtedy micele tracą rozpuszczalność i agregując ze sobą tworzą skrzep.

W niskich temperaturach, struktura miceli jest osłabiana, ponieważ łańcuchy κ -kazeiny dysocjują i ze struktury miceli oddziela się hydroksyfosforan wapnia. Zjawisko to można wytłumaczyć tym, że β-kazeina jest najbardziej hydrofobową frakcją kazeiny, a oddziaływania hydrofobowe są słabsze w niskich temperaturach. Hydroliza β-kazeiny do frakcji γ - kazeiny oraz proteozo-peptonów , (produkty rozkładu) oznacza niższą wydajność w produkcji sera, ponieważ proteozo-peptony są usuwane z serwatką.

W celu wytworzenia skrzepu można wykorzystać także inne enzymy proteolityczne, jednakże często są one niespecyficzne. Ser wyprodukowany bez podpuszczki, przy użyciu proteaz roślinnych (sery wegetariańskie), często charakteryzuje się odmiennym smakiem, a ponadto wydajność sera jest w tym przypadku niższa.

Wytrącanie kwasowe

Gdy do mleka zostanie dodany kwas lub zakwaszające szczepy mikroorganizmów, jego pH obniży się. Zakwaszenie mleka o typowym pH około 6,5-6,7, skutkuje kilkoma procesami:

• Po pierwsze, następuje dysocjacja fosforanu wapnia, obecnego w micelach kazeiny, do kationu wapniowego, który penetrując strukturę miceli wytwarza silne wewnętrzne mostki wapniowe.
• Po drugie, pH zbliży się do punktu izoelektrycznego różnych frakcji białek kazeinowych. Punkt izoelektryczny jest to punkt, w którym rozpuszczalność białek kazeinowych jest najniższa i zawiera się w zakresie pH 4,2-4,7

Oba zjawiska inicjują zmiany wewnątrz miceli, poczynając od wzrostu miceli, przez ich agregację, kończąc na powstaniu mniej lub bardziej gęstego skrzepu.

Zjawiska te mają miejsce w fermentowanym mleku. W mlecznych produktach fermentowanych, jak jogurt, mikroorganizmy produkują także polisacharydy, nadające skrzepowi strukturę kremową.

Białka kazeinowe wytrącone przy pomocy kwasu ponownie rozpuszczają się, gdy doda się w nadmiarze wodorotlenek sodu. Powstały kazeinian sodu jest stosowany jako składnik żywności, głównie ze względu na doskonałe właściwości emulgujące. Jednakże, po dodaniu wodorotlenku sodu nie odtworzy się oryginalna struktura miceli..

Białka serwatkowe

Białka serwatkowe to nazwa powszechnie stosowana w odniesieniu do białek serum mleka, jednak w praktyce dotyczy jedynie białek zawartych w serwatce, otrzymywanej w produkcji sera. Gdy kazeina jest wytrącana z chudego mleka z użyciem kwasu nieorganicznego, pozostałe białka zawarte w roztworze są nazywane białkami serwatkowymi. Są one podobne do „rzeczywistych” białek serwatkowych, stąd ich wspólna nazwa.

Białka serwatkowe stanowią około 20% frakcji białkowej mleka. Są dobrze rozpuszczalne i można je podzielić w następujący sposób:

• α-laktoalbuminy
• β-laktoglobuliny
• albuminy osocza krwi (ang. Blood Serum Albumin)
• immunoglobuliny
• inne białka i polipeptydy

Białka serwatkowe, a zwłaszcza α-laktoalbuminy, posiadają bardzo dużą wartość odżywczą. Ich skład aminokwasowi jest bardzo zbliżony do tzw. optimum biologicznego. Pochodne białek serwatkowych są powszechnie stosowane w przemyśle spożywczym.

Białka serwatkowe denaturują podczas ogrzewania, co powoduje ich agregację przede wszystkim z micelami kazeiny.

W skali przemysłowej, białka serwatkowe są izolowane z użyciem techniki filtracji membranowej.

α-laktoalbumina

Białko to można uważać za typowe białko serwatki, Jest obecna w mleku wszystkich ssaków i odgrywa istotną rolę w syntezie laktozy (cukru mlekowego).

β-laktoglobulina

Białko to występuje tylko w mleku zwierząt kopytnych i jest głównym białkiem serwatkowym mleka krowiego. Gdy mleko ogrzewa się do temperatury powyżej 60°C, inicjowana jest denaturacja, gdzie istotną rolę odgrywa reaktywność aminokwasów siarkowych β-laktoglobuliny. W wysokich temperaturach, stopniowo uwalniane są związki siarkowe. To one są częściowo odpowiedzialne za zapach mleka poddanego obróbce termicznej.

Immunoglobuliny

Odgrywają one istotną rolę w ochronie nowonarodzonego zwierzęcia (czy człowieka) przed infekcjom bakteryjnym i chorobom.

Laktoferyna

Jest glikoproteiną należącą do rodziny transporterów żelaza lub transferyn. Została wyizolowana z mleka bydlęcego, choć występuje także w mleku innych zwierząt. Poza mlekiem, znaleziono ją także w wydzielinach egzokrynowych ssaków.

Laktoferyna jest uważana za białko wielofunkcyjne, bowiem posiada kilka funkcji biologicznych. Ze względu na zdolność do wiązania żelaza uważa się, że laktoferyna odgrywa rolę w transporcie żelaza przez śluzówkę jelita u noworodków ssaków. Laktoferyna posiada także właściwości przeciwdrobnoustrojowe, przeciwwirusowe, przeciwzapalne, przeciwutleniające i immunomodulacyjne. Wszystkie te właściwości są przedmiotem rozległych badań.

Laktoperoksydaza

Została zidentyfikowana jako czynnik przeciwdrobnoustrojowy w mleku, ślinie i łzach. Dzięki zdolności do oksydacji jonów SCN - z wykorzystaniem H₂O₂, laktoperoksydaza stanowi naturalny system obrony przed bakteriami. Oba te związki są obecne w płynach biologicznych i razem z laktoperoksydazą nosza nazwę systemu lactoperoksydazy (LP-s, ang. lactoperoxidase system). LP-s posiada właściwości bakteriobójcze i bakteriostatyczne względem wielu mikroorganizmów, nie wywołując negatywnego wpływu na białka i enzymy organizmu producenta.

Białka mleka występujące w małych ilościach

Białka membranowe

Białka membranowe stanowią grupę białek tworzących warstwę ochronną na powierzchni kropli tłuszczu, stabilizując emulsję tłuszczu w mleku. Niektóre z tych białek zawierają reszty tłuszczowe i nazywa się je lipoproteinami,. Globuliny membranowe są najmniejszą frakcją białek mleka, stanowiąc około 1,5% całkowitej frakcji białkowej.

Lipidy i hydrofobowe aminokwasy, będące składnikami tych białek, odpowiadają za charakterystyczną orientację hydrofobowych fragmentów molekuł w kierunku kropel tłuszczu, natomiast mniej hydrofobowe fragmenty są skierowane w stronę fazy wodnej.

Fosfolipidy i enzymy lipolityczne są zaadsorbowane wewnątrz warstwy membrany.

Enzymy w mleku

Enzymy obecne w mleku pochodzą albo od zwierzęcia, od którego pochodzi mleko, albo od bakterii. Te pierwsze stanowią normalne składniki mleka. Enzymy bakteryjne, spotykane w mleku, znacznie się różnią ze względu na właściwości i rozmiary populacji bakterii i nie będą dyskutowane w tym miejscu.

Kilka enzymów występujących w mleku jest wykorzystywanych w badaniu i sterowaniu jakością. Do najważniejszych należą peroksydazy, fosfatazy i lipazy.

Laktoperoksydaza

Peroksydaza przenosi tlen z nadtlenku wodoru (H₂O₂) na inny związek, podatny na utlenianie. Jest inaktywowana, gdy mleko zostanie ogrzane na kilka sekund do temperatury 80°C. Fakt obecności, bądź braku obecności aktywnej peroksydazy, można wykorzystać do monitorowania, czy została osiągnięta wymagana podczas pasteryzacji temperatura ponad 80°C. Jest to tzw. test peroksydazy Storch'a.

Fosfataza

Fosfataza posiada zdolność rozcinania pewnych estrów fosforanowych do kwasu fosforowego i odpowiedniego alkoholu. Fosfatazę w mleku można wykryć przez dodanie estru fosforanowego wraz z odczynnikiem, który zmienia barwę pod wpływem reakcji z uwolnioną resztą hydroksylową alkoholu. Zmiana w zabarwieniu świadczy o obecności fosfatazy. Fosfataza jest niszczona podczas zwykłej pasteryzacji (72°C, 15-20 s), dlatego test na fosfatazę można wykorzystać do sprawdzenia, czy osiągnięto wymaganą temperaturę pasteryzacji.

Lipaza

Lipaza rozkłada tłuszcz do glicerolu i wolnych kwasów tłuszczowych. Nadmiar wolnych kwasów tłuszczowych w mleku i produktach mlecznych powoduje “zjełczały” posmak. W większości, aktywność tych enzymów wydaje się być bardzo słaba, jednak mleko niektórych zwierząt może wykazywać silną aktywność lipolityczną. Uważa się, że zawartość lipazy w mleku rośnie przy końcu okresu laktacyjnego. Lipazy nie rozkładają tłuszczów tak długo, jak długo powierzchnia kropli tłuszczu jest nienaruszona. Jednakże, gdy powierzchnia kropli tłuszczu jest naruszona, lipaza odnajduje substrat i uwalnia kwasy tłuszczowe. Wolne kwasy tłuszczowe są wytwarzane wtedy, gdy do transportu schłodzonego mleko użyto uszkodzoną pompę, lub po procesie homogenizacji schłodzonego mleka niepasteryzowanego. Uwolnione kwasy tłuszczowe, wraz z innymi produktami reakcji enzymatycznej, nadają produktom mlecznym “zjełczały” posmak.

Źródło:

• Opracowano na podstawie Dairy Processing Handbook
• http://fst.osu.edu/People/HARPER/Functional-foods/Milk%20Components/Lactoperoxidase.html