КОЛЛОИДНАЯ СИСТЕМА МОЛОКА

В коллоидно-дисперсном состоянии в молоке находятся казеин, сывороточные белки и большая часть фосфатов кальция. Растворы белков, или растворы высокомолекулярных соединений, относят к истинным растворам. Следовательно, растворы белков, как и раство­ры низкомолекулярных веществ, считают однофазными гомогенны­ми системами. Однако, по данным П. А. Ребиидера с сотрудниками, свертывание макромолекул глобулярных белков в водном растворе в компактные глобулы (и тем более образование ассониатов макромо­лекул) можно считать частным случаем перехода гомогенного истин­ного раствора в двухфазный коллоидный раствор. Частицы белков молока поэтому можно рассматривать как: коллоидные частицы, а их устойчивые обратимые водные растворы — как гидрофильные кол­лоидные растворы.

Гидрофильные коллоидные системы обладают агрегативной и тер­модинамической устойчивостью, их дисперсная фаза связывает зна­чительное количество воды и образует вокруг частиц довольно плот­ные водные (гидратные) оболочки. Стабильность системы зависит от величины заряда на поверхности частиц и прочности гидратных оболочек. Гидрофильные коллоидные растворы коагулируют при до­бавлении большого количества электролита.

Характеристика дисперсной фазы. Размеры коллоидных частиц мо­лока составляют (в нм): {5-лакгоглобулина — 25…50, а-лактальбумина — 15…20, мицелл казеина — 50…300, фосфата кальция — 20… 120. Частицы сывороточных белков молока представлены отдельными макромолекулами, а также их димерами. Макромолекулы белков свернуты в компактные глобулы, имеющие отрицательный заряд и очень прочные гидратные оболочки. Они обладают большой устой­чивостью в молоке, не коагулируют при достижении изоэлектричес­кой точки, хотя при понижении рН образуют асеоциаты из несколь­ких мономеров.

Выделить белки можно путем уменьшения их растворимости — введением в молочную сыворотку большого количества электроли­та, то есть высаливанием. Высаливание сульфатом аммония и маг­ния лежит в основе фракционирования сывороточных белков моло­ка. При нагревании молока до высоких температур сывороточные белки денатурируют, затем шре тируют и коагулируют (часть денату­рированных белков образует комплексы с мицеллами казеина). Из­вестно, что сывороточн ыс белки имеют высокую биологическую цен­ность, но содержатся в небольшом количестве и оказывают влияние лишь на технологические свойства молока — термоустойчивость и сычужную свертываемость. С практической точки зрения нас боль­ше интересуют свойства казеина и коллоидного фосфата кальция.

Казеин в молоке содержится в незначительном количестве н виде мономеров (так называемый растворимый казеин) и основная чаегь — в форме полимеров (субмицеллярный и мицеллярный казеин). Ми­целлы казеина обладают свойствами гидрофильного золя, который при определенных условиях может обратимо перейти в гель.

Коллоидный фосфат кальция малорастворим в воде, и в молоке образует типичную неустойчивую коллоидную систему с гидрофоб­ной дисперсной фазой. Его растворимость повышается под влияни­ем казеина (явление коллоидной защиты), вместе с которым он входит в состав мицелл.

Таким образом, мицеллы казеина представляют собой коллоид­ную фазу смешанного состава, обладающую свойствами гидрофиль­ного и гидрофобного золя. Нахождение казеина и фосфата кальция в молоке в виде мицелл сложного состава имеет большое значение для новорожденного. Так, под действием химозина в его желудке мицел- лярный белок легко образует сгусток, который подвергается дальней­шему воздействию пепсина и других протеолитических ферментов. Кроме того, в составе мицелл казеина транспортируются очень важ­ные для молодого организма соли кальция, фосфора и магния.

Состав и свойства мицелл казеина. С помощью электронной мик­роскопии, ультрацентрифугирования и светорассеяния установлено, что сферические мицеллы казеина имеют молекулярную массу JO7… LO9, их диаметр колеблется от 50 до 300 нм. По данным Фокса (Fox), средний диаметр мицелл составляет немного выше 100 нм и средняя молекулярная масса равна 1QS.

Мицеллы имеют рыхлую структуру; так как наряду с казеином и неорганическими компонентами содержат большое количество воды — 0,7.. .4 г НгО на 1 гбелка. Сравнительно малая часть этой воды (0,5 г на 1 г белка) связана с белком и относится к так называемой связанной воде. Остальное количество воды иммобилизуется (погло­щается) внутренней частью мицелл.

Ниже приведены усредненные физические параметры казеино­

Вых мицелл.

Диаметр, нм……………………………………………………………. . 130… 160

Площадь поверхности, см2………………………………………… 8 1 10 10

Объем, см3 ………………………………………………………………….. 2,1 ¦ 10"|$

Плотность (гидратированной минеллы), кг/м……………. 1063,2

Масса, г……………………………………………………………………….. 2,2 — 10~15

Массовая доля воды, % ………………………………………. … ………. 63

Степень гидратации, г Н,0 на 1 г белка…………………………… 3,7

Молекулярная масса мицеллы гидратированной………………… 1,3 * Ю9
Дегидратированной………….. 5 — Ю3

Число пептидных цепей {молекулярной массой

30 ООО) в мицелле……………………………………………………… 104

Число мицелл в 1 см* молока…………………………………….. 10м…Ю16

Главными белковыми компонентами казеиновых мицелл являют­ся о^-, оц-} (3- и к-казеины (табл. 3.1),основными компонентами их минеральной части — кальций, фосфор и цитрат (табл, 3.2). В неболь­ших количествах мицеллы также содержат магний, калий и натрий-

Фракция кахгина

По данным Шмидта и др.

По данным Фокса

Компонент

Поданным Шлишта и др.

Пйдамиыи П. Ф, Дья­ченко, И. Ю. Алексеевой

Ое, гКаэеин

33.35,6

40

Кальций

2,65-2,75

Сь,-Казеин

9.9…11

10

Фосфор

2,9…4,3*

1,6.. .1,8

{5-Казеин

33…33,6

38

Магний

0Л…0,2

0.2…0,24

К-Каэеин

11… 11,9

12

Натрий

Од

0,0б…0,07

Калий

0,3

0,17., .0,21

Цитраты

0,4.,.0,5

0.4…0,52

* Неорганические фосфаты.

"Хаблица 3.1. Фракционный состав мицеллярного казеина, %

Таблица 3.2. Минеральный состав казеиновой мицеллы, %

Кальций в казеиновых мицеллах содержится в двух формах: органический кальций, присоединенный к фосфатным и карбок­сильным группам казеина, и неорганический кальций, входящий в состав коллоидного фосфата и цитрата кальция. По аналогии фосфор коллоидного фосфата кальция считают неорганическим фосфором в отличие от органического фосфора, входящего в со­став казеина.

Присоединение органического кальция ксеринфосфатным груп­пам казеина (Л) может осуществляться двумя способами:

О—Са—О / \ я—о—Р=О 0=Р—о—я

I

ОА/

Он

Он

Во втором случае кальций выполняет структурообразующую роль, так как соединяет две молекулы казеина. Следовательно, он может участвовать в построении субмицелл и мицелл казеина.

Как известно, комплекс органического кальция с казеином на­зывают казеинатом кальция (КК), а комплекс казеината кальция с коллоидным фосфатом кальция (КФК), представленный в виде ка­зеиновых мицелл, — казеинаткальцийфосфатным комплексом (ККФК). По данным МПГУПБ, содержание кальция в КК составляет 1,32…1,44%, отношение кальция к азоту казеина — 0,085…0,094, мо­лярное отношение кальция к фосфору в КФК равно 1,33… 1,55.

Точный состав коллоидного фосфата кальция, входящего в ККФК, и характер его связи с казеином до сих пор не выяснены. Он может быть представлен гидрофосфатом кальция СаНР04 • 2Н20 или аморф­ным фосфатом кальция Са^РО^, превращение которого в кристал­лический гидроксиапатит Са^/РО^дОН)., предотвращают магний и казеин. Это также может быть комплекс фосфата кальция и цитрата кальция типа апатита и другие соли. Исследователи считают что аморфный фосфат кальция Са3<Р04)3 представляет собой сферичес­кие частицы размером 20… 120 нм, состоящие из гранул диаметром 0,95..,2,5 нм.

Как мы уже отметили, характер связи между казеином и коллоид­ным фосфатом кальция до сих пор окончательно не установлен. Боль­шинство ученых предполагают наличие химической связи между ка­зеином и фосфатом кальция, допуская участие в этой связи как фос — фосериновых, так и карбоксильных групп. Некоторые исследовате­ли считают, что фосфат кальция может быть адсорбирован казеина­том кальция.

Структура мицелл казеина. Мицеллы представляют собой почти сферические, рыхлые, сильно гидратироваиные частицы со средним диаметром около 100 нм и молекулярной массой равной 10*. Соот­ношение между а0 а*-, и к-казеинами в мицелле составляет 3:1: 3:1; 3 :0,8:3 :1 и др.

Как мы уже отмечали в гл. 2, фракции казеина являются сильно взаимодействующими, склонными к ассоциированию (агрегирова­нию) белками. В водных растворах при наличии кальция мономеры фракций образуют ассоциаты различных форм и размеров. При этом они взаимодействуют не только между собой, но и друг с другом. Ас­социация казеинов зависит от температуры, рН и ионной силы. мо­лока. По-видимому, между фракциями казеина могут возникать свя­зи различных типов: гидрофобные взаимодействия, ионные, водо­родные и дисульфидные связи. Однако для соединений дифильного характера среди всех возможных связей основными являются гидро­фобные взаимодействия (П. А. Ребиндер, О. Б. Птицин, В. PL Из­майлова и др.).

В настоящее время известно несколько моделей казеиновых ми­целл (Waugh et a!., Payens, Morr, Rose, Slattery, Schmidt, Ono, Walstra. П. Ф. Дьяченко и др.), однако ни одна из них не может считаться пол­ностью доказанной.

Все модели мицелл можно условно разделить на две группы: мо­дели типа ядро—оболочка, которые предполагают, что гидрофобное ядро компактных мицелл состоит из а3|- и Я-казеинов, а роль защит­ной гидрофильной оболочки выполняет к-казеин и модели субми — целлярного строения рыхлых мицелл, предусматривающие их пост­роение из сферических субъединиц. Модели второго типа получили большее число сторонников.

Первой моделью суоми цел лярного строения мицелл является мо­дель, разработанная Мором (Moor); модель Шмидта (Schmidt) и дру­гие модели этого типа можно рассматривать какее модификации (см, рис. 3,2).

Авторы данных моделей предполагают, что казеиновые мицеллы состоят из плотно упакованных сферических субмицелл, построен­ных по типу ядро—оболочка. Субмицеллы состоят из 25. .30 мономе­ров четырех фракций казеина, их молекулярная масса равна (2,5.,,6) • 105, диаметр — 10 ,20 нм.

По мнению одних исследователей, вначале образуются первич­ные комплексы из а*,- и Я-казеинов, затем к ним присоединяется к-казеин; другие считают, что происходит образование комплексов как из ос5,- и |3-казеинов, так и из aSl — и к-казеинов; по мнению треть­их, сначала формируются ccs-к-комплексы, а Я-казеин является их вто­ричным компонентом. Вместе с тем установлено, что при формиро­вании субмицеллы любым способом гидрофобные участки фракций казеина сосредоточиваются в ее центре, а на поверхности располага­ются гидрофильные участки к-казеина и фосфатные труппы as-, ос&- и Я-казеинов.

Процесс агрегации малых сферических субмицелл казеина, объе­диняющихся в большие устойчивые мицеллы, вызывает много спо­ров. Что заставляет субмицеллы (одинаковые по размеру) самопро­извольно объединяться в более крупные мицеллы, причем разного размера? Согласно современным представлениям коллоидной химик о мицеллообразовании можно предполагать, что формирование ка­зеиновых мицелл идет по схеме, аналогичной схеме образования суб-

Ряс. 3,2. Модель мицеллы казеина:

А — по Мору; <5 — по Шмидту

Мицелл из мономеров казеина. Другими словами, термодинамичес­кой движущей силой мицеллообразования казеина в молоке являют­ся гидрофобные взаимодействия между субмицеллами (Слаттери). Однако гидрофобные взаимодействия определяются наличием на по­верхности контактирующих субмицелл гидрофобных областей, или «липких» пятен, которые заставляют их «слипаться», чтобы умень­шить общую площадь контакта с водой.

Другими исследователями была выдвинута также концепция об агрегации субмицелл с помощью перекрестных связей коллоидного фосфата кальция (КФК). Вместе с тем состав КФК и характер его связи с казеином до сих пор не выяснены, также не совсем ясна и его агрегирующая роль.

Наиболее полные данные о роли КФК как связующего, цементи­рующего казеин материала мы находим у Шмидта. Его гипотезу под­держивают и другие исследователи (Роуз, Кнооп, Мор и др )

Фокс и другие авторы допускают возможность агрегации субми­целл как с помощью коллоидного фосфата кальция, так и за счет гид­рофобных взаимодействий.

Авторы всех перечисленных моделей предполагают, что размер ка­зеиновых мицелл контролируется содержанием на их поверхности к-казеина и, по-видимому, количеством в среде коллоидного фосфа­та кальция.

А

Растворимый кшн

Растворим ьгй — фосфат и цитрат кальция

Дс натурированн ый

Р-ла кто глобул им

КФК

Немного другого типа модель казеиновой мицеллы, так называе­мую модель «с волосяным покровом», предлагает Уолстра (ШаЫга) (рис. 3,3).

Рис. 3.3. Модель казеиновой мицеллы по Уолстра

О >

Субмицелла

Выступающая цель

Фосфат кальция

Автор считает, что на поверхности мицелл имеется сдой доста­точно длинных волосков (длиной около 10 нм), представляющих со­бой гидрофильные участки полипептидных цепей к-казеина, содер­жащие гликомакропептиды и, возможно, гидрофильные 1^-конце — вые участки 3-казеина. Гидрофильные волоски выступают из час­тиц в дисперсионную среду и препятствуют тесному сближению мицелл. Волоски не видны в электронном микроскопе и, по-види­мому, разрушаются при центрифугировании и действии сычужного фермента.

Факторы устойчивости мицелл казеина. В свежем молоке мицел­лы казеина обладают относительной устойчивостью — не коагу­лируют при механической обработке (очистке, сепарировании, го­могенизации и др,) и надевании молока до высоких температур. Снижение их устойчивости и коагуляция наблюдаются лишь при понижении рН молока, повышении концентрации ионов кальция, внесении сычужного фермента и т. д. Факторы устойчивости и ко­агуляции мицелл казеина представляют большой практический интерес. В литературе их обычно рассматривают с позиций тео­рии ДЛФО (теории, развитой Б. В. Дерягиным, Л. Д. Ландау, Е Фервеем и Дж. Овербеком). Согласно теории ДЛФО устойчи­вость и коагуляция коллоидных растворов зависят от соотноше­ния молекулярных сил притяжения и электростатических сил от­талкивания между коллоидными частицами.

В растворе все коллоидные частицы имеют одинаковый заряд. За­ряд частиц обусловливает возникающий на границе раздела фаз двой­ной электрический слой. Адсорбционная (плотная) часть его состо­ит из потенциалопределяюших ионов частицы и протинойонов, диф­фузная часть — из противоионов. Скорость перемещения частиц в электрическом поле определяется электрокинетическим потенци­алом 4 (дзета-потенциалом), который пропорционален заряду час­тицы и имеет его знак Под действием электрического поля частицы перемещаются к электроду с противоположным знаком.

В целом коллоидные частицы (мицеллы) электронейтральны, по­этому электростатическое отталкивание между ними возникает толь­ко при достаточном сближении, когда происходит перекрывание их ионных атмосфер. Потенциальная энергия электростатического от­талкивания тем больше, чем меньше расстояние между частицами и чем больше толщина двойного электрического слоя.

Кроме сил электростатического отталкивания между коллоидны­ми частицами действуют силы молекулярного притяжения Ван-дер — Ваальса—Лондона,

Потенциальная энергия взаимодействия между коллоидными ча­стицами ^складывается из энергии электростатическою отталкива­ния Уэ и энергии молекулярного притяжения V между ними:

У= V + V.

3 м

Она может иметь отрицательное и положительное значение в за­висимости от превалирования сил притяжения или сил отталкива­ния (энергию притяжения обозначают со знаком минус, а отталки­вания — со знаком плюс).

Потенциальные кривые, характеризующие зависимость энергии взаимодействия двух сближающихся частиц от расстояния Н меж­ду ними, изображены на рис. 3,4. При больших расстояниях между частицами результирующая потенциальная кривая лежит над абс­циссой, образуя энергетический барьер (^макс). Это означает, что на данном расстоянии превалируют силы электростатического оттал­кивания. Наболее близких расстояниях начинают преобладать силы молекулярного притяжения (потенциальная кривая лежит под абс­циссой).

При больших значениях энергетического барьера коллоидная си­стема устойчива, то есть частицы не в состоянии его преодолеть и не могут образовывать агрегаты. Если значение энергетического барье
ра меньше (или одного порядка) средней кинетической энергии не­которых движущихся частиц, то частицы смогут его преодолеть. Это соответствует стадии медленной коагуляции, когда слипание отдель­ных частиц происходит лишь в результате особо удачных сближений. При медленной коагуляции образование небольших агрегатов час­тиц не сопровождается видимыми изменениями коллоидного раство­ра, то есть происходит скрытая коагуляция. Если величина энерге­тического барьера значительно уменьшится, например, при введе­нии в раствор электролита, то наступит быстрая коагуляция, при ко­торой все сближения частиц кончаются слипанием. Введение элект­ролита приводитк перестройке двойного электрического слоя — про — тивоионы вытесняются из диффузной его части в адсорбционную. При этом уменьшается толщина двойного электрического слоя и ве­личина дзета-лотенциала частиц. Когда все противоионы вытеснят — ся в адсорбционный слой, наступает изоэлектрическое состояние. Обычно начало коагуляции наблюдается не в изоэлектрической точ­ке, в которой дзета-потенциал равен нулю, а при достижении неко­торого его критического значения.

Следовательно, коагуляция золя при добавлении электролита про­исходит в результате полного исчезновения или уменьшения элект­рического заряда на поверхности частиц

Коагуляция гидрофильного золя под действием электролита в от­личие от коагуляции гидрофобно­го золя не подчиняется известному правилу Шульце-Гарди. Как пока­зали исследования (Пайенс и др.), для коагуляции казеина при введе­нии в молоко электролитов требу­ются их значительные количества.

Электрический заряд и дзета — потенциал нативных мицелл казе­ина относительно малы. Так, по данным Грина с соавторами (Green), дзета-потенциал мицелл

Рис. 3.4. Потенциальные кривые взаи­модействия двух коллоидных частиц:

/ — энергия электростатического отталкивания; 2 — энергия молекулярного притяжения; 3 — ре­зультирующая энергия взаимодействия

При ионной силе молока 0,086 при 26"С равен 19,1 мВ Однако его достаточно, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения между частицами казеина при их сближении.

Таким образом, в свежем молоке силы электростатического оттал­кивания между мицеллами казеина превалируют над силами молеку­лярного притяжения и коллоидная система молока находится в устой­чивом состоянии. Следовательно, для того чтобы вызвать агрегирова­ние и коагуляцию мицелл казеина, необходимо снизить их отрицатель­ный заряд, то есть перевести мицеллы в изоэлектрическое или близ­кое к нему состояние, а также разрушить их гидратные оболочки и сни­зить силы неэлекгростатического (энтропийного) отталкивания воло­сяного покрова мицелл согласно теории Уолстра, В практике коагуля­цию казеина осуществляют, снижая рН молока (кислотная коагуляция), внося хлорид кальция при нагревании (термокальциевая коагуляция) или сычужный фермент (сычужная коагуляция). Механизм всех видов коа! уляции казеина и свойства образующихся в молоке структуриро­ванных систем будут рассматриваться дальше,

Комментарии запрещены.