Protein sữa

Sữa có chứa hàng trăm loại protein nhưng hầu hết trong số này chỉ chiếm một lượng rất nhỏ. Protein có thể được phân loại theo nhiều cách dựa vào tính chất hóa học hay vật lý, và chức năng sinh học của chúng. Thông thường, người ta phân loại protein sữa thành casein, whey protein và các protein thiểu số. Protein nằm ở bề mặt của giọt chất béo và các enzyme thì thuộc vào nhóm protein thiểu số.

Whey protein là thuật ngữ thường được dùng như là một từ đồng nghĩa với protein huyết thanh của sữa, nhưng nên dùng nó để chỉ protein trong whey từ quá trình sản xuất pho mát. Ngoài protein huyết thanh của sữa, whey protein còn chữa những đoạn của phân tử casein bị tách rời trong quá trình đông tụ men dich vị của sữa. Một số protein huyết thanh sữa tồn tại với nồng độ thấp hơn trong sữa gốc. Điều này là do biến tính nhiệt trong quá trình thanh trùng sữa trước khi làm phomat.

Người ta phân biệt ba nhóm protein chính của sữa dựa trên những biểu hiện và hình thức tồn tại rất khác nhau. Casein rất dễ kết tủa khỏi sữa chủ yếu do men dịch vị hay ở độ pH thấp, trong khi protein huyết thanh luôn hòa tan trong dung dịch. Những protein huyết thanh thể cầu biến tính khi tăng nhiệt vừa phải, trong khi casein lại khá bền nhiệt. Đúng như tên gọi, các protein màng của giọt chất béo kết dính với bề mặt của giọt chất béo và chỉ bị giải phóng bằng tác động cơ học, ví dụ như đánh kem thành bơ.

Casein

Casein là tên của một nhóm protein chủ yếu trong sữa. Casein có mặt trong tất cả các sữa động vật, bao gồm cả sữa người. Trong sữa bò casein chiếm gần 80% tổng số protein hay khoảng 26 g cho 1 lít sữa.

Casein được chia làm bốn nhóm phụ α ó -,α s2 -, β- và κ-casein. Cả bốn nhóm này đều rất không đồng nhất và có chứa từ 2 – 8 các biến thể gen khác nhau. Những biến thể này khác nhau chỉ bởi một số ít axit amin. Điểm chung giữa casein α- và β là các axit amin được este hóa thành axit phosphoric. Axit phosphoric này liên kết với canxi (có chứa nhiều trong sữa) để hình thành các liên kết nội phân tử và ngoại phân tử.

Điều này khiến casein dễ dàng tạo chuỗi polymer có chứa một vài loại casein giống hay khác nhau. Do có nhiều nhóm phosphate và những nhóm kỵ nước trong phân tử casein, các phân tử polyme được hình thành từ casein rất đặc biệt và bền. Những phân tử này được cấu tạo từ hàng trăm và hàng nghìn những phân tử đơn lẻ và hình thành nên dung dịch keo, tạo nên màu trắng của sữa. Những phức chất này được gọi là các micelle casein. Hình 1 cho thấy các micelle casein bao gồm một phức hợp các dưới-micelle, có đường kính từ 10 đến 15 nm (1 nm = 10^–9 m). Một micelle với kích thước trung bình có tới 400 đến 500 dưới-micelle và có thể có kích thước lớn tới 0.4 micron (0.0004 mm).

Hình 1 : Trên: Cấu tạo một micelle casein. Chú thích : A: dưới-micelle; B : chuỗi bề mặt; C: Phosphat canxi; D: κ -casein; E: nhóm phosphat

Phosphat canxi và tương tác kỵ nước giữa các dưới-micelle đảm bảo cho tính bền vững của cấu trúc micelle casein. Phần ưa nước của κ -casein có chứa nhóm carbohydrate, nhóm này đính ở bên ngoài của các micelle phức hợp (B trong hình 1), tạo nên một “lớp tóc”, nhưng quan trọng hơn là chúng giúp các micelle bền vững, chống lại sự kết tụ.

Casein và các nhóm carbonhydrate của nó rõ ràng rất quan trọng trong sản xuất phomat. Được sử dụng trong công đoạn đầu tiên của quá trình sản xuất phomat, men dịch vị loại bỏ carbonhydrate của casein ra khỏi bề mặt của micelle. Do đó các micelle sẽ mất đi khả năng hòa tan và liên kết với nhau để tạo thành sữa đông.

Ở nhiệt độ thấp, cấu trúc của các micelle kém bền, nguyên nhân do chuỗi κ -casein bắt đầu phân ly và hydroxyphosphat canxi tách khỏi cấu trúc micelle. Người ta cho rằng vì β-casein là casein kị nước nhất và các tương tác kị nước lại kém bền khi nhiệt độ giảm thấp. Sự thủy phân β-casein thành γ-casein và proteose-peptones ( sản phẩm phân hủy ) đồng nghĩa với năng suất thấp trong sản xuất phomat bởi lẽ proteose-peptone bị mất đi trong whey.

Các enzyme thủy phân protein khác cũng có thể được sử dụng để làm sữa đông, nhưng thường chúng không đặc hiệu. Người ta còn dùng các protease thực vật thay cho men dịch vị để sản xuất phomat chay. Tuy nhiên, những sản phẩm này có hương vị khác biệt và năng suất cũng thấp hơn.

Kết tủa bằng axit

Độ pH của sữa sẽ giảm nếu axit được bổ sung hoặc sữa có chứa các vi khuẩn sinh axit. Sữa, thông thường có độ pH vào khoảng 6.5-6.7, khi được axit hóa thì một vài quá trình sẽ xảy ra:

• Trước hết photphat canxi có trong micelle casein sẽ hòa tan và tạo ra các ion Ca 2+ , các ion này sẽ thâm nhập cấu trúc micelle và tạo nên những liên kết nội bền vững.
• Sau đó độ pH của sữa sẽ tiến đến điểm đẳng điện của từng loại casein. Điểm đẳng điện là điểm mà tại đó khả năng hòa tan của casein là thấp nhất và thường nằm trong khoảng 4.2 -4.7.

Hai quá trình này khởi đầu sự thay đổi trong chính những micelle, bắt đầu là sự tăng về kích thước của micelle thông qua qúa trình kết tụ và cuối cùng tạo thành một khối kết tụ đặc.

Những quá trình này xảy ra trong sữa lên men. Trong sữa lên men, như sữa chua, vi khuẩn cũng sản sinh polysaccharides tạo độ mịn cho khối kết tụ.

Casein đã bị kết tủa bởi axit sẽ hòa tan trở lại nếu bổ sung một lượng dư lớn hydroxit natri. Sản phẩm tạo thành caseinate natri được sử dụng như là một thành phần thưc phẩm chủ yếu là nhờ đặc tính tạo thể sữa. Cấu trúc micelle gốc không thể phục hồi lại bằng cách bổ sung hydroxit.

Sự phân tách của sữa đông và whey

Whey proteins

Whey protein là tên gọi thông dụng để chỉ các protein huyết thanh của sữa, tuy nhiên theo chuyên ngành nó chỉ bao gồm các protein trong whey thu được qua quá trình sản xuất phó mat. Nếu casein được tách ra khỏi sữa gầy bằng cách bổ sung axit khoáng thì một nhóm protein vẫn còn lại trong dung dịch sữa và được gọi là protein huyết thanh sữa. Chúng tương tự như các whey protein thực thụ, vì thế mới có tên gọi chung như vậy.

Whey protein chiếm gần 20% protein trong sữa. Chúng rất dễ hòa tan và có thể được xếp vào chia thành các nhóm sau:

• α-lactalbumin
• β-lactoglobulin
• Albumin huyết thanh
• Immunoglobulins
• Protein hỗn tạp và polypeptide

Whey protein nói chung và α -lactalbumin nói riêng có giá trị dinh dưỡng rất cao. Thành phần amino axit của chúng rất gần với thành phần được xem là tối ưu sinh hoc. Những sản phẩm có nguồn gốc whey protein được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thưc phẩm.

Whey protein biến tính trong quá trình gia nhiệt, điều này gây nên sự kết tụ của whey protein, mà chủ yếu là với micelle casein.

Ở quy mô sản xuất công nghiệp người ta tách whey protein bằng công nghệ màng.

α -lactalbumin

Protein này được xem là whey protein đặc trưng. Nó có trong sữa của mọi động vật có vú và đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp lactose (đường sữa).

β -lactoglobulin

Protein chỉ được tìm thấy ở loài có móng vuốt và là thành phần chính của whey protein sữa bò. Nếu sữa được đun nóng trên 60°C, quá trình biến tính sẽ bắt đầu khiến cho khả năng phản ứng của các amino axit chứa lưu huỳnh trong β-lactoglobulin đóng vai trò quan trọng. Ở nhiệt độ cao, các hợp chất chứa lưu huỳnh được giải phóng dần dần. Những hợp chất này đóng góp một phần vào việc tạo hương vị “nấu” của sữa qua xử lý nhiệt.

Immunoglobulins

Immunoglobulin giữ vai trò quan trọng trong việc bảo vệ động vật sơ sinh (kể cả con người) chống lại vi khuẩn và bênh tật.

Lactoferrin

Lactoferrin là một glycoprotein thuộc nhóm vận chuyển sắt. Ban đầu nó được phân tách từ sữa bò, nhưng nó cũng có mặt trong sữa của các loài động vật khác. Không chỉ có ở sữa, lactoferrin còn được tìm thấy trong dịch ngoại tiết của động vật có vú.

Lactoferrin được xem là một protein đa chức năng. Nó đóng một vài vai trò sinh học khác nhau. Với khả năng liên kết với sắt nên người ta cho rằng lactoferrin có vai trò trong việc hấp thu sắt của niêm mạc ruột ở động vật đang bú sữa. Ngoài ra, nó cũng có khả năng kháng khuẩn, kháng virut, kháng nấm, kháng viêm, chống oxi hóa và điều hòa miễn dịch. Hiện tại những tính chất này đang được nghiên cứu trên diện rộng. Xem tổng quan và những nghiên cứu hiện có tại trang mạng: http://www.lactoferrinresearch.org .

Lactoperoxidase

Lactoperoxidase được xác định là một nhân tố kháng vi sinh vật trong sữa, nước bọt và nước mắt. Nó là một hệ chống vi khuẩn tự nhiên thông qua quá trình oxi hóa các ion thiocyanate (SCN^-) bởi hydro peroxide. Chúng có trong các dịch sinh học và cùng với lactoperoxidase được gọi là hệ lactoperoxidase (LP-s). LP-s chứng tỏ khả năng chống và kìm hãm sự phát triển của nhiều loài vi khuẩn mà lại không có các tác dụng lên protein và enzym của những sinh vật sinh ra nó.

Các protein thiểu số

Protein màng

Protein màng là một nhóm các protein hình thành nên lớp bảo vệ xung quanh các giọt chất béo nhằm ổn định thể sữa của các giọt chất béo trong sữa. Một số protein này có chứa gốc lipid và được gọi là lipoprotein. Protein globulin màng chiếm tỉ lệ nhỏ nhất trong protein sữa, chỉ khoảng 1.5% tổng lượng protein.

Chất béo và các amino axit kị nước của những protein này khiến những phân tử định hướng phần kị nước về bề mặt chất béo, trong khi những phần ít kị nước hơn thì hướng về phía nước.

Phospholipid và enzyme thủy phân lipid nói riêng được hấp phụ trong cấu trúc màng.

Enzym trong sữa

Các enzym trong sữa bắt nguồn hoặc từ sữa động vật mẹ hoặc từ vi khuẩn. Trong trường hợp đầu, chúng là thành phần thông thường của sữa. Trường hợp thứ hai, enzym từ vi khuẩn, rất đa dạng và phong phú theo bản chất và kích thước của quần thể vi khuẩn, nhưng trường hợp này sẽ không được đề cập ở đây. Một số enzym của sữa được sử dụng nhằm mục đích kiểm nghiệm và kiểm soát chất lượng. Trong số đó, peroxidase, phosphatase và lipase là những enzym quan trọng hơn cả.

Lactoperoxidase

Peroxidase chuyển oxy từ hydro peroxide (H₂O₂) tới những chất dễ bị oxi hóa khác. Enzym này sẽ bị vô hoạt nếu sữa được đun nóng ở 80 C trong vài giây. Người ta có thể dựa vào điều này để chứng tỏ sự tồn tại hay không của perosidase trong sữa và nhờ đó kiểm tra được nhiệt độ thanh trùng có đạt đến 80 C hay không. Phương pháp này có tên gọi là Perosidase Storch.

Phosphatase

Phosphatase có khả năng phân cắt một số este phosphoric axit nhất định thành axit phosphoric và rượu tương ứng. Người ta nhận biết sự hiện diện của phosphatase trong sữa bằng cách bổ sung ester của phosphoric axit và một tác nhân có thể đổi màu khi tác dụng với rượu được giải phóng. Sự thay đổi màu sắc cho thấy sữa có chứa phosphatase. Enzym này bị phá hủy trong điều kiện thanh trùng thông thường (72 °C trong 15 – 20 giây), do đó phương pháp phosphatase có thể được sử dụng để xác định nhiệt độ thanh trùng có thực sự đạt yêu cầu hay không.

Lipase

Lipase có khả năng phân cắt chất béo thành glycerol và các axit béo tự do. Sự dư thừa các axit béo trong sữa và các sản phẩm từ sữa sẽ gây ra vị ôi thiu. Trong hầu hết các trường hợp, khả năng này của enzym là rất kém mặc dù sữa của một số loài động vật cho thấy hoạt tính lipase cao. Người ta tin rằng hàm lượng lipase trong sữa tăng về giai đoạn cuối của chu kì tạo sữa. Sẽ không có phản ứng nào xảy ra giữa lipase của sữa với chất béo khi bề mặt của giọt chất béo còn nguyên vẹn, nhưng ngay khi bề mặt bị phá hủy lipase sẽ có cơ hội tìm đến cơ chất và các axit béo tự do được giải phóng. Khi sữa được bơm trong điều kiện lạnh bằng máy bơm không đúng tiêu chuẩn hoặc sau quá trình đồng hóa sữa lạnh không thanh trùng, các axit béo tự do lập tức được hình thành ngay. Các axit béo và một số sản phẩm khác từ phản ứng của enzym này gây mùi vị “ôi thiu” cho sản phẩm.

Nguồn:

• Chủ yếu dựa trên Sổ tay chế biến sữa
• http://fst.osu.edu/People/HARPER/Functional-foods/Milk%20Components/Lactoperoxidase.html