Курсовая работа: Белки молока, строение и функции

Курсовая работа: Белки молока, строение и функции

«Калининградский Государственный Технический Университет»,

ФГОУ ВПО «КГТУ»

Кафедра химии

Курсовая работа по биохимии

Белки молока, строение и функции

Руководитель:

д.б.н., профессор Сергеева Н.Т.

Исполнитель: студент группы 08-ОП

Краснов А. О.

Калининград 2010

Содержание

Введение

1. Литературная часть

1.1 Биохимическая ценность молока

1.1.1 Белковый состав молока. Биологические функции белков молока

1.1.2 Аминокислотный состав белков

1.1.3 Липидный состав молока

1.1.4 Витаминный состав молока

1.1.5 Углеводный состав молока

1.1.6 Минеральный состав молока

1.2 Структура белков молока

1.3 Химические свойства казеина

1.4 Гидролиз белков молока

1.5 Значение белков молока в питании человека

1.6 Использование белков молока в пищевой промышленности

2. Экспериментальная часть

2.1 Материал исследования

2.2 Методика исследования

2.3 Результаты исследования

Выводы

Список использованной литературы

Введение

В жизни человека наиболее важную роль играет питание. Оно определяет и физическое состояние, а также физическое и умственное развитие, повышает иммунитет и т. д.

Молока считается наиболее ценным продуктом животного и растительного мира, т.е. наиболее ценным в биологическом и пищевом отношении, т.к. содержит все необходимые для организма человека питательные вещества в сбалансированном соотношении – белки, аминокислоты, липиды, витамины, углеводы, минеральные вещества.

Целью курсовой работы является изучение биохимической ценности молока, строения и их функций. Для этого были поставлены следующие задачи:

- изучить биохимический состав молока

- изучить строение белков молока

- изучить функции белков молока

- изучить химические изменения белков молока при гидролизе

- изучить значение молока в питании человека

- изучить изменения в содержании белка в молоке при хранении

1. Литературная часть

1.1 Биохимическая ценность молока

Химический состав молока животных очень сложный. В молоке содержатся аминокислоты, белки, углеводы, липиды, фосфатиды, стероиды, витамины, ферменты, соли, газы, вода, кальций.

Таблица 1.1.Химический состав коровьего молока, % [7]

Состав и свойства молока зависят в основном от породы и возраста коровы, лактационного периода, кормления и условий содержания.

В молоке содержится от 87-89 % воды, которая жизненно необходима для новорожденного. Её роль неоценима - являясь основной средой протекания жизненных процессов, она переносит питательные вещества, участвует в многочисленных реакциях (прежде всего в гидролитических), стабилизирует температуру тела и т.д. [5]

1.1.1 Белковый состав молока. Биологические функции белков молока

Общее содержание белков в молоке колеблется от 2,9 до 4%. Белки молока разнообразны по строению, физико-химическим свойствам и биологическим функциям. Они необходимы для обеспечения нормального развития теленка, а также имеют особое значение в питании людей.

В молоке содержится целая система белков, среди которых выделяют две главные группы: казеины и сывороточные белки. Белковый состав приведен в табл.1.

Таблица 1 Белковый состав молока[1]

К первой основной группе относится казеин, содержащий 4 фракции и их фрагменты. Вторая группа представлена сывороточными белками - β-лактоглобулином, α-лактоглобулином, иммуноглобулинами и альбумином сыворотки крови. Кроме того, в нее входят лактоферрин и некоторые другие, так называемые минорные, белки. К третьей группе относятся белки оболочек жировых шариков, составляющие всего около 1% всех белков молока.

Основная часть белков молока (78-85%) представлена казеинами (казеином). Благодаря использованию современных методов биохимического анализа белков, в том числе электрофореза в различных средах, стал известен состав компонентов (фракций) казеина, а также генетические варианты главных компонентов.

Компонентами сывороточных белков являются β-лактоглобулин и α-лактоглобулин, а также альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, протеозо-пептоны и лактоферрин.

К белкам молока следует отнести ферменты, некоторые гормоны (пролактин и др.) и белки оболочек жировых шариков. Казеины являются пищевыми белками. Они максимально расщепляются пищеварительными протеиназами в нативном состоянии, в то время как обычно глобулярные белки приобретают эту способность только после денатурации. Казеины обладают свойством свертываться в желудке новорожденного с образованием сгустков высокой степени дисперсности. Кроме того, они являются источником кальция и фосфора, а также целого ряда физиологических активных пептидов. Так, при частичном гидролизе Ϟ-казеина под действием химозина в желудке освобождаются гликомакропептиды, регулирующие процесс пищеварения (уровень желудочной секреции). Физиологическая активность присуща и растворимым фосфопептидам, образующимся при гидролизе Ϟ-казеина.

Не менее важными биологическими функциями обладают сывороточные белки. Иммуноглобулины выполняют защитную функцию, являясь носителями пассивного иммунитета, лактоферрин и другой белок – лизоцим, относящийся к ферментам молока, обладают антибактериальными свойствами. Лактоферрин и β-лактоглобулин выполняют транспортную роль – переносят в кишечник новорожденного железо, витамины и другие важные соединения.

Сывороточный белок α-лактоглобулин имеет специфическую функцию: он необходим для процесса синтеза лактозы.

Казеин. Среднее количество его в молоке составляет 81% от общего содержания белков в молоке. Химически чистый казеин – белое аморфное вещество без запаха и вкуса – практически не растворяется в воде. Казеин, получаемый в промышленности, имеет желтоватый оттенок вследствие наличия в нем некоторых веществ, попадающих в него из молока (например, жира), и изменения белка при сушке. Высушенный казеин гигроскопичен и хранить его нужно в закрытой таре в сухом помещении. В молекулу казеина входит углерод, азот, водород, кислород, сера и фосфор. Фосфор находится в виде фосфорной кислоты, образующей эфирную связь с оксиаминокислотами (серином и треонином) казеиновой молекулы. На этом основании многие рассматривают казеин как сложный белок.

Молекулярный век казеина около 30000.

Казеин, как и все белки – сложное соединение аминокислот, в которых имеются свободные аминные (основные) и кислотные группы. Таким образом, казеин – амфотерный электролит, способный диссоциировать как кислота и как основание в зависимости от реакции среды. При щелочной реакции раствора казеин заряжается отрицательно, вследствие чего он способен реагировать с кислотами:

R – СH – NH2 + HCl => R – CH – NH3Cl

          COOH                    NH3OH

Наоборот, в кислом растворе казеин приобретает способность реагировать со щелочами, т.е. катионами, при этом он заряжается отрицательно:

R – СH – NH2 + NaOH => R – CH – NH3OH

          COOH                     COONa

Следовательно, казеин может образовывать соли и с основаниями, и с кислотами.

Вследствие того, что количество карбоксильных групп больше, чем аминных, реакция казеина кислая; для нейтрализации его в растворе нейтральных солей при индикаторе фенолфталеине требуется около 8,1 мл 0,1 н. раствора щелочи на 1 г казеина.

В кислотах как минеральных, так и органических (уксусная, муравьиная и т.д.) казеин растворяется. Растворы казеина – это вязкие коллоидные трудно фильтрующиеся жидкости. Из соединений казеина наибольший интерес представляют соли щелочных и щелочноземельных металлов.

Соли казеина со щелочными и щелочноземельными металлами называют казеинатами. Соли казеина со щелочными металлами, растворяясь в воде, образуют прозрачные или слегка опалесцирующие (рассеивающие свет) жидкости.

В молоке казеин находится в форме кислых солей – кальциевых казеинатов.

Наличие у казеина аминогруппы NH2 (дающие с водой гидроксильные ионы NH2 + HOH = NH3+ + OH-) обусловливает образование с кислотами двойных растворимых солей:

H2SO4 + NH2 – R – COOH => H2SO4 * NH2 – R – COOH

Присутствие аминогруппы в молекуле белка вызывает реакцию казеина с формалином – образование метиленового белка, причем в слабокислой среде реакция проходит по уравнению:

R – NH2 + CH2O + H2N – R => R – NH – CH2 – NH – R + H2O

Казеин Формалин Казеин Метиленовый белок

в слабощелочной:

R – NH2 + CH2O => R – N = CH2 + H2O

Такая реакция наблюдается при консервировании молока формалином. Образование метиленового казеина вследствие разрушения в нем аминных групп, обладающих щелочной реакцией, вызывает увеличение кислотности молока.

Альбумин. В молоке альбумина не много – около 0,4%. Количество его повышается в молозиве, где оно достигает в первый день после отела иногда 2%, а затем в молозивные период равно 0,5 – 0,8%. Значительно больше, чем в коровьем молоке, содержится альбумина в молоке ослиц, кобылиц.

Молочный альбумин (лактоальбумин) в противоположность казеину растворим в воде, но выпадает из раствора при нагревании его до 70-800С. Такой выпавший альбумин вновь в воде не растворяется, так как при нагревании происходит изменение в строении белковой молекулы альбумина – денатурация его. Когда пастеризуют или просто нагревают молоко, то на стенках аппарата, посуды, в которых проводят нагревание, образуется осадок – молочный камень, который состоит в основном из выпавшего альбумина. В кислых растворах при нагревании альбумин выделяется хлопьями.

В нейтральных жидкостях (например, в некислой молочной сыворотке) альбумин может быть высален насыщенным раствором сернокислого аммония, сернокислым натрием, танином и рядом других веществ.

Молекулярный вес альбумина близок к молекулярному весу казеина. При действии сычужного фермента альбумин не свертывается. В молекуле альбумина фосфора нет, поэтому он относится к простым белкам.

Растворимость альбумина в молоке и то, что он не коагулирует в изоэлектрической точке, объясняется тем, что молекулы и частички альбумина сильно гидротированы.

Такие молекулы и частички белка при большой гидратированности могут находиться в растворе, несмотря на уменьшение их электрического заряда или даже при полном отсутствии его. Гидратация понижает поверхностную энергию коллоидной частицы. Вокруг коллоидной части белка группируются молекулы воды, причем первый слой боле плотно соединен с коллоидной частицей. Связь последующих слоев воды с коллоидной частицей постепенно ослабевает.

При недостаточной гидратации частиц белка водный слой становится слабым и частицы их при потере электрического заряда стремятся соединиться, укрупняясь и коагулируя.

Частицы альбумина гидратированы в большей степени, чем казеина, поэтому в изоэлектрической точке они не коагулируют, хотя устойчивость их вследствие нейтрализации электрических зарядов уменьшается. Спирт, отнимая от белков, в частности от альбумина, воду, нарушает его устойчивость в растворе, и альбумин выпадает в осадок. Реакция альбумина кислая, по величине близкая к казеину. В химическом отношении он также аналогичен казеину, образует соединения как со щелочами, так и с кислотами.

Молочный глобулин – это третий белок молока, количество его еще меньше, чем альбумина, - всего около 0,2%.

Между глобулинами молока различают собственно молочные глобулины – 0,15% и имунные глобулины – 0,05%.

Выделить глобулины можно при полном насыщении молочной сыворотки сернокислым магнием, осадок глобулина надо отфильтровать и диализом освободить от минеральных солей.

Глобулин, выделяемый в чистом виде из молока, представляет собой порошок, растворимый в воде, содержащей соли.

В молоке глобулин находится в растворенном состоянии. При нагревании раствора, имеющего слабокислую реакцию, до 750С глобулин выпадает в осадок. Обычно осаждение его при пастеризации происходит вместе с альбумином молока.

По пространственному расположению полипептидных цепей белки молока относятся к глобулярным белкам. Изучение их вторичной и третичной структуры показало, что казеин в отличие от обычных глобулярных белков почти не содержит α-спиралей; α-лактальбумин и β-лактоглобулин содержат большее количество спирализованных участков. Казеин, вероятно, промежуточное положение между компактной структурой глобулы и структурой беспорядочного клубка, которая обычно наблюдается при денатурации глобулярных белков. Такая структура обеспечивает хорошую расщепляемость казеина протеолитическими ферментами при переваривании в нативном (природном) состоянии без предварительной денатурации.

1.1.2 Аминокислотный состав белков

Белки молока содержат почти все аминокислоты, обычно встречающиеся в белках. Аминокислоты белков относятся к α-аминокислотам L-формы и имеют общую формулу:

R – CH – COOH

                 NH2

В состав белков молока входят как циклические, так и ациклические аминокислоты – нейтральные, кислые и основные, причем преобладают кислые (табл.2). Количество отдельных групп аминокислот в белках, определяемое породой, индивидуальными особенностями животных, стадией лактации, сезоном и другими факторами, обусловливает их физико-химические свойства. Основные белки молока по сравнению с глобулярными белками других пищевых продуктов содержат сравнительно много лейцина, изолейцина, лизина, глютаминовой кислоты, а казеин – также серина и пролина, но мало цистеина.

По содержанию и соотношению незаменимых аминокислот белки молока относятся к биологическим полноценным белкам.

Таблица 2 Содержание аминокислот в белках молока

1.1.3 Липидный состав молока

Жиры, как и белки, являются важнейшими компонентами пищи. На их долю приходится в среднем 33 % калорийности пищевого рациона человека. Липиды выполняют основные функции в организме – структурную, энергетическую, резервную, защитную и регуляторную.

Содержание молочного жира в молоке примерно 2,8-5%. Биологическая ценность липидов определяется содержанием полиненасыщенных жирных кислот, а также фосфолипидов и витаминов. Среди насыщенных жирных кислот в молоке более всего преобладают пальмитиновая, миристиновая, стеариновая, а среди полиненасыщенных – олеиновая, линоленовая и арахидоновая. Причем эти кислоты не синтезируются в организме человека и должны поступать с пищей. Поэтому эти кислоты называют незаменимыми жирными кислотами. [5]

Комплекс ненасыщенных жирных кислот линолевой, линоленовой и арахидоновой (известный как витамин F) участвует в регуляции обмена липидов. Особенно важно, что непредельные жирные кислоты способствуют выведению из организма холестерола, а это препятствует развитию атеросклероза. Также отмечено положительное действие этого комплекса на состояние кожного и волосяного покрова.

Таблица 3. Содержание жирных кислот в жире коровьего молока, % [4]

Из таблицы 3 видно, что коровье молоко содержит как насыщенные, так и ненасыщенные жирные кислоты. Из насыщенных преобладают пальмитиновая 31,74%, миристиновая 11,09 % и стеариновая - 9,32%. А среди полиненасыщенных – олеиновая 3,6%, линоленовая 1,8% и арахидоновая 0,3%, которые не синтезируются в организме и должны поступать в организм с пищей.

Фосфолипиды (содержание в молоке 0,03%) также необходимы для нормальной жизнедеятельности организма, они участвуют главным образом в формировании клеточной оболочки и внутриклеточных мембран.

1.1.4 Витаминный состав молока

Витамины принимают участие во многих реакциях клеточного метаболизма. Большинство витаминов не синтезируется в организме человека, правда некоторые синтезируются микрофлорой кишечника и тканями, но в малых количествах. Поэтому основным источником витаминов является пища.

В молоке коров содержится практически все витамины, необходимые для нормального развития организма. При нехватке витаминов, могут развиваться различные заболевания, например, недостаток витамина А приводит к замедлению роста, нарушение процесса зрениия, кератинизации кожи. При недостатке витамина В1 возникают метаболические нарушения – развитие болезни бери-бери, патологии нервной, пищеварительной и сердечно-сосудистой систем. Недостаток витамина В2, - заболевания кожи, глаз, остановка роста организмов. Недостаток витамина С – развитие цинги (поражения кровеносной системы, воспаление ротовой полости, выпадение зубов).

Таблица 4. Содержание витаминов в коровьем молоке, мг % [6]

Из таблицы 4 видно, что в коровьем молоке больше всего содержание витаминов В2 – 0,15мг , С – 1,5 мг и витамина РР - 10 мг. Также из таблицы видно, что 3 литра молока удовлетворяет суточную потребность человека в ретиноле, в эргокальцифероле – 5литров, в тиамине –3,1литра, в рибофлавине – 1 литр молока, в витамине РР – 16,6 литров , в витамине В6 -3,4литра, в витамине В12 – 0,75 литра, в аскорбиновой кислоте –4,5 литра молока.

1.1.5 Углеводный состав молока

Основным углеводом молока является дисахарид лактоза, или молочный сахар. Лактоза выполняет главным образом энергетическую функция – на неё приходится около 30% энергетической ценности молока. Кроме этого, один из компонентов лактозы – глюкоза – является источником синтеза резервного углевода организма – гликогена, а другой компонент – галактоза – необходим для образования ганглиозидов мозга. Лактоза еще обладает способностью улучшать всасывание кишечником кальция. [4]

Таблица 5. Содержание углеводов в коровьем молоке, % [4]

Из таблицы видно, что лактоза составляет наибольшую часть углеводов в молоке, её содержание намного превышает содержание глюкозы и галактозы. Таким образом лактоза выполняет главным образом энергетическую функцию.

1.1.6 Минеральный состав молока

В молоке также содержатся важные для организма минеральные вещества, подразделяемые на макро- и микроэлементы. Исследование минерального состава золы молока показало наличие в ней более 50 элементов: ( Ca, P, Mg Na, Cl, K, S, Cu, Fe, Mn, Zn, Al, Si, I, Br, Mo, Cd, Pb, Co, F, Cr, Ba, Hg, Sr, Li, Sn, Se, Ni, As, Ag, Ti и др. )

Кальций и фосфор – это наиболее важные макроэлементы молока. Они содержатся в молоке в легкоусвояемой форме и хорошо сбалансированных соотношениях.

Кальций в организме необходим для формирования костной ткани, проведения нервного импульса, участвует в мышечном сокращении, стабилизирует белки. Фосфор является составной частью костной ткани и зубов, в составе фосфолипидов входит в структуру клеточных мембран, липопротеидов. В составе АТФ и ее производных играет большую роль в метаболизме, осуществлении важнейших физиологических процессов. Ионы хлора используются слизистой кишечника для секреции соляной кислоты. [5]

Таблица 6.Содержание макроэлементов в коровьем молоке, мг %. [6]

Из таблицы 6 видно, что в коровьем молоке из макроэлементов наибольшее содержание калия и кальция. Также видно, что 0,75 литра молока может удовлетворить суточную потребность в кальции, 2,5 литра - в калии, 1,3 литра - в фосфоре, 3литра - в магнии и 5,5 литра - в хлоре

Железо содержится в гемоглобине крови, находится в скелетных мышцах, печени, селезенке, костном мозге, а также в составе ферментов. Его основная функция — связывание кислорода. Йод является одним из важнейших микроэлементов, необходимых для синтеза гормонов щитовидной железы человека. Недостаточное поступление йода вызывает у детей заторможенность, физическую и умственную отсталость, ослабление внимания и памяти. Кобальт входит в состав витамина В12. Медь молибден, марганец, фтор, йод и бром входят в состав важных ферментов и биологически активных соединений. [5]

Таблица 7. Содержание микроэлементов в коровьем молоке, мкг % [6]

Из таблицы 7 видно, что в коровьем молоке из микроэлементов наивысшее содержание цинка – 400мкг и железа - 70мкг. Также из таблицы видно, что 1,6 литра молока удовлетворяет суточную потребность йода, 3,2 литра молока - цинка,

1,8 литра – в олове, 4,1 литра молока – в фторе.

Молоко — самая сбалансированная по всем компонентам пища, в него входят все незаменимые для человека вещества. Включение в пищевой рацион молочных продуктов повышает его полноценность и содействует усвоению других компонентов рациона. Молоко усваивается при минимальном напряжении пищеварительных желез.

1.2 Структура белков молока

В свежем молоке белки находятся в нативном состоянии. Структура их идентична структуре белков, полученных путем биосинтеза, т. е. в нативном белке не происходит еще никаких изменений.

Первичная структура определяется числом и расположением α-аминокислот, конфигурацией связей в полипептидных цепях, и если белки состоят из нескольких полипептидных цепей - местоположением и типом поперечных связей. Выявлена первичная структура некоторых важных белков молока, в том числе αs1-, β-казеин, Н-казеина. Например, β-казеин образуется из полипептидной цепи, в которую входит 209 аминокислот: 4 - аспарагиновая кислота, 5 АСН-аспарагин, 9 - треонина, 11 - серина, 5 - серинфосфорная кислота, 17 - глутаминовая кислота, 22 - глютамин, 35 - пролиновая, 5 - глициновая, 5 - аланин, 19 - валиновая. А - первичная структура as1 - казеин содержит 199 АК, Н - казеин 169, 6 - метионина, 22 - лейцина, 11 - лизина, 5 - гистидина, 4 - изолейцина, 4- тирозина, 1 - трептофана, 5 - аргенина.

Аминокислота пролин определяет структуру и обуславливает складчатое строение полипептидных цепей. Аминокислоты находятся в цепи в определенной последовательности. Каждая полипептидная цепь имеет концевую NH2-групп и концевую COOH групп H2N – CH = СН – СООН.

Эти концевые группы могут реагировать с различными химическими веществами.

Первичная структура белков основана на главных валентных пептидных связях и дисульфидных связей. Они настолько стабильны, что при обработке и переработке молока не разрушаются энергетическими воздействиями. Поэтому первичная структура белков молока разрушается только при ферментативном распаде белка в процессе созревания сыров.

Вторичная структура. Это пространственное взаимное расположение аминокислотных остатков в полипептидной цепи и представляет собой цепь спиралеобразной конфигурации, которая образуется за счет водородного мостика между полипептидными цепями.

Водородная связь, обладая незначительной энергией связи, может расщепляться при обработке и переработке молока, например, при высокотемпературной пастеризации.

Третичная структура - представляет пространственное расположение полипептидной цепи, отдельные участки которой могут соединяться между собой прочными дисульфидными связями, возникающими между остатками цистеина. В образовании третичной структуры участвуют и другие связи - гидрофобные, электростатические, водородные и прочие. В зависимости от пространственного расположения полипептидной цепи форма молекул белков может быть различной. Если полипептидная цепь образует молекулу нитевидной формы, то белок называется фибрилярным, если она уложена в виде клубка - глобулярным (глобулус - шарик). Белки молока относятся к глобулярным белкам. Изучение их вторичной и третичной структур показало, что казеин в отличие от обычных глобулярных белков почти не содержит α-спиралей, α-лактальбулин и β-лактоглобулин содержит большое количество спирализованных участков. Казеин, вероятно, занимает промежуточное положение между компактной структурой глобулы и структурой беспорядочного клубка, который обычно наблюдается при денатурации глобулярных белков. Такая структура обеспечивает хорошую расщепляемость казеина протеолитическими ферментами при переваривании в нативном (природном) состоянии без предварительной денатурации.

Четвертичная структура характеризует способ расположения в пространстве отдельных полипептидных цепей в белковой молекуле, состоящей из нескольких таких цепей или субъединиц. Глобулярные белки, обладающие четвертичной структурой, могут содержать большое количество полипептидных цепей, тесно связанных друг с другом в компактную мицеллу, которая ведет себя в растворе как одна молекула.

Так, казеиновая мицелла среднего размера должна состоять из нескольких тысяч полипептидных цепей фракций казеина, определенным образом связанных друг с другом.

Казеин является основным белком молока, его содержание в молоке колеблется от 2,3 до 2,9%. Элементарный состав казеина, %: С - 53,1, Н - 7,1, азот - 15,6, О - 22,6, S - 0,8; Р - 0,8. Он относится к фосфопротеидам, т. е. содержит остатки Н3РО4 (органически присоединенные к аминокислоте серину моноэфирной связью (О - Р).

Казеин в молоке содержится в виде сложного комплекса казеината кальция с коллоидным фосфатом кальция - так называемого казеинат-кальций-фосфатный комплекс (ККФК), в состав которого входит небольшое количество лимонной кислоты, магния, калия и натрия.

В свежем молоке ККФК содержится в виде амицелл - это агрегаты частиц, состоящих из так называемых сублицелл.

Соединение субмицелл в мицеллы происходит с помощью фосфата кальция и кальциевых мостиков. Казеиновые мицеллы сравнительно стабильны в свежевыдоенном молоке. Они сохраняют свою устойчивость при нагревании молока до относительно высоких температур и при его механической обработке. Стабильность мицелл зависит от содержания в молоке растворимых солей кальция, химического состава казеина, РН молока и других факторов.

1.3 Химические свойства казеина

Около 95% казеина находится в молоке в виде сравнительно крупных коллоидных частиц — мицелл — которые имеют рыхлую структуру, они сильно гидратированы.

В растворе казеин имеет ряд свободных функциональных групп, которые обуславливают его заряд, характер взаимодействия с Н2О (гидрофильность) и способность вступать в химические реакции.

Носителями отрицательных зарядов и кислых свойств казеина является β и γ-карбоксильные группы аспаргиновой и глютаминовой кислот, положительных зарядов и основных свойств — å-аминогрупп лизина, гуанидовые группы аргинина и имидазольные группы гистидина. При рН свежего молока (рН 6,6) казеин имеет отрицательный заряд: равенство положительных и отрицательных зарядов (изоэлектрическое состояние белка) наступает в кислой среде при рН 4,6-4,7; следовательно в составе казеина преобладают дикарбоновые кислоты, кроме того, отрицательный заряд и кислые свойства казеина усиливают гидроксильные группы фосфорной кислоты. Казеин принадлежит к фосфоропротеидам — в своем составе содержит Н3РО4 (органический фосфор), присоединенную моноэфирной связью к остаткам серина.

Гидрофильные свойства зависят от структуры, заряда молекул, рН среды, концентрации в ней солей, а также других факторов.

Своими полярными группами и пептидными группировками главных цепей казеин связывает значительное количество Н2О — не более 2 ч. на 1 ч. белка, что имеет практическое значение, обеспечивает устойчивость частиц белка в сыром, пастеризованном и стерилизованном молоке; обеспечивает структурно-механические свойства (прочность, способность отделить сыворотку) кислотных и кислотно-сычужных сгустков, образующихся при выработке кисломолочных продуктов и сыра, т. к. в процессе высокотемпературной тепловой обработке молока денатурируется β-лактоглобулин взаимодействуя с казеином и свойства гидрофильные казеина усиливаются: обеспечивая влагоудерживающую и водосвязывающую способность сырной массы при созревании сыра, т. е. консистенция готового продукта.

Казеин – амфотерин. В молоке он имеет явно выраженные кислые свойства.

         NН2                    NН+

        R                      R

          СООН               СОО-

Его свободные карбоксильные группы дикарбоновых аминокислот и гидроксильные группы фосфорной кислоты взаимодействуя с ионами солей щелочных и щелочноземельных металлов (Na+, K+, Ca+2 , Mg+2) образуют казеинаты. Щелочные растворители в Н2О, щелочноземельные нерастворимы. Казеинат кальция и натрия имеют большое значение при производстве плавленых сыров, при котором часть казеината кальция превращается в пластичный эмульгирующий казеинат натрия, который все шире используется в качестве добавки при производстве пищевых продуктов.

Свободные аминогруппы казеина взаимодействуют с альдегидом, например с формальдегидом:

                   CH2OH

R − NH2 + 2CH2O → R − N

         CH2OH

Эту реакцию используют при определении белка в молоке методом формального титрования.

Взаимодействие свободных аминогрупп казеина (в первую очередь S-аминогрупп лизина) с альдегидными группами лактозы и глюкозы объясняется первая стадия реакции меланоидинообразования:

        O

R - NH2 + C –       R R - N = CH - R + H2O

альдозиламин

               H

Для практики молочной промышленности особый интерес представляет прежде всего способность казеина к коагуляции (осаждению). Коагуляцию можно осуществить с помощью кислот, ферментов (сычужного), гидроколлоидов (пектин).

В зависимости от вида осаждения различают: кислотный и сычужный казеин. Первый содержит мало кальция, так как ионы Н2 выщелачивают его из казеинового комплекса, сычужный казеин — это смесь наоборот казеината кальция и он не растворяется в слабых щелочах в противоположность кислотному казеину. Различают два вида казеина, получаемого осаждением кислотами: кисломолочный творог и казеин-сырец. При получении кисломолочного творога кислота образуется в молоке биохимическим путем — культурами микроорганизмов, причем отделению казеина предшествует стадия гелеобразования. Казеин-сырец получают путем добавления молочной кислоты или минеральных кислот, выбор которых зависит от назначения казеина, так как под их воздействием структура осажденного казеина различна: молочнокислый казеин — рыхлый и зернистый, сернокислотный — зернистый и слегка сальный; соляно-кислый — вязкий и резинообразный. При осаждении образуются кальциевые соли применяемых кислот. Труднорастворимый в воде сульфат кальция нельзя полностью удалить при промывке казеина. Казеиновый комплекс довольно термоустойчив. Свежее нормальное молоко с рН 6,6 свертывается при температуре 150оС — за несколько секунд, при температуре 130оС более чем за 20 минут, при 100оС — в течение нескольких часов, поэтому молоко можно стерилизовать.

С коагуляцией казеина связана его денатурация (свертывание), она появляется в виде хлопьев казеина, либо в виде геля. При этом хлопьеобразование получает название коагуляции, а гелеобразование — свертывание. Видимым макроскопическим изменениям предшествуют субмикроскопические изменения на поверхности отдельных мицелл казеина, они наступают при следующих условиях:

— при сгущении молока — казеин мицеллы образует слабо связанные друг с другом частицы. В сгущенном молоке с сахаром этого не наблюдается;

— при голодании — мицеллы распадаются на субмицеллы, шарообразная форма их деформируется;

— при нагревании в автоклаве > 130оС — происходит разрыв главных валентных связей и увеличивается содержание небелкового азота;

— при сушке распылительной — форма мицелл сохраняется при контактном способе — форма их изменяется, что влияет на плохую растворимость молока;

— при сублимационной сушке — изменение незначительны.

Во всех жидких молочных продуктах видимая денатурация казеина крайне нежелательна.

В молочной промышленности явление коагуляции казеина вместе с сывороточными белками получают копреципитаты, используют СаСl2, NH2 и гидроокись кальция.

Все процессы денатурации казеина, кроме высаливания считаются необратимыми, но это верно только в том случае, если под обратимостью процессов понимается восстановление нативных третичной и вторичной структур белков молока. Практическое значение имеет обратимое поведение белков, когда они из осажденной формы могут переходить снова в коллоидно-дисперсное состояние. Сычужное свертывание в любом случае представляет собой необратимую денатурацию, так как при этом расщепляются главные валентные связи. Сычужные казеины не могут перейти вновь в первоначальную коллоидную форму. И наоборот, обратимость может способствовать гелеобразованию пара — Н-казеина сублимационной сушки при добавлении концентрированного раствора поваренной соли. Обратим также процесс образования мягкого геля, обладающего тиксотропными свойствами, в УВТ-молоке при комнатной температуре. На начальной стадии легкое встряхивание приводит к пептизации геля. Осаждение кислоты казеина — обратимый процесс. В результате добавления соответственного количества щелочи казеин в виде казеината снова переходит в коллоидный раствор. Хлопьеобразование казеина имеет также большое значение с точки зрения физиологии питания. Мягкий сгусток образуется при добавлении слабокислых компонентов, например, лимонной кислоты, или удалении части ионов кальция методом ионообмена, а также при предварительной обработке молока протеолептическими ферментами, т. к. такой сгусток образует в желудке тонкий мягкий сгусток.

1.4 Гидролиз белков молока

По молекулярному весу казеина и других молочных белков можно заключить, что белковая молекула является сложным соединением. Молекулы белков молока под влиянием кислот, щелочей, а особенно ферментов протеаз, выделяемых молочнокислыми и другими бактериями, гидролизуются с образованием веществ меньшего молекулярного веса, вплоть до аминокислот. Естественно, что при гидролизе белка не сразу получаются конечные продукты распада, а образуются промежуточные соединения.

Конечными продуктами гидролиза белков являются альфа-аминокислоты, у которых при первом углеродном атоме после кислотной группы вместо одного атома водорода находится аминная группа. Число аминокислот в белках доходит до 30.

Русский биохимик А.Я.Данилевский около 80 лет назад впервые высказал предположение, что связь аминокислот в белках может быть осуществлена посредством пептидной связи, получаемой при взаимодействии двух аминокислот

NH2 – CH2 – COOH + NH2 – CH2 – COOH => NH2 – CH2 – CO – NH – CH2 – COOH + H2O

Аминоуксусная кислота Дипептид

Из двух аминокислот получается дипептид, который, имея также свободные аминогруппу и карбоксильную (кислотную), вступает в реакцию с новой аминокислотой, давая трипептид и т.д. В результате, из большого числа аминокислот могут образовываться полипептиды.

Синтез подобного рода полипептидов осуществил немецкий химик Э.Фишер, утверждавший, что белки построены из аминокислот, соединенных только пептидными связями.

Взгляды Э.Фишера на строение белковых веществ считали правильными несколько десятилетий, однако постепенно накапливались факты, расходившиеся с этой теорией. Так, было установлено, что белки пищи в пищеварительном тракте человека подвергаются воздействию ряда ферментов – вначале пепсина в желудке, затем трипсина и полипептидаз в кишечнике. Если бы в белках имелись только пептидные связи, то не требовалось бы несколько ферментов. Работы акад. Н.Д.Зелинского и проф. В.С.Садикова показали, что в действительности аминокислоты в белках связаны не только пептидной связью, но и другими, среди которых имеет большое значение дикетопиперазиновая связь.

Дикетопиперазиновая связь образуется при реакции двух аминокислот с выделением двух частичек воды, в результате чего появляется циклическое соединение.

Затем в белках между аминокислотами были установлены дисульфидные связи (-S-S-), сложноэфирные, водородные, амидиновые (-N=C<); последние установлены проф. Н.И.Гавриловым. Таким образом, в настоящее время белковая молекула представляется в виде сложного соединения, в котором основными формами связи между аминокислотами являются пептидные и дикетопиперазиновые.

Все формы связи в белках получаются в результате выделения молекул воды из аминокислот; следовательно, обратное присоединение молекул воды по тем же связям вызовет гидролиз (распад) белковой молекулы.

Молочные белки при гидролизе дают соединения с постепенно уменьшающимся молекулярным весом: белок – альбумозы – пептоны – полипептиды – дипептиды – аминокислоты.

Альбумозы – крупные осколки белков, сравнительно мало отличающиеся от них, растворимые в воде, дают коллоидные растворы.

Пептоны – продукты гидролиза альбумоз, значительно отличающиеся от белков, легко растворяются в воде.

Полипептиды – продукты дальнейшего гидролиза – представляют собой несколько аминокислот, соединенных пептидными связями. Полипептиды растворимы в воде.

Дипептиды – соединения двух аминокислот.

В сыре и других молочных продуктах имеются соединения, полученные в процессе гидролиза белков. В большинстве случаев они повышают питательную ценность продуктов, так как делают азотистые вещества болееусвояемые.

1.5 Значение белков молока в питании человека

Молоко один из самых совершеннейших пищевых продуктов, созданных природой. Оно представляет собой сложную биологическую жидкость, которая образуется в молочной железе самок млекопитающих и обладает высокой пищевой ценностью, иммунологическими и бактерицидными свойствами. Молоко является незаменимой полноценной пищей для новорожденных и высокоценным продуктом питания для человека всех возрастов. Молоко и молочных продукты широко применяются для лечения и профилактики различных болезней человека (ЖКТ, печени, легких).

Молоко содержит все необходимые для питания человека вещества – белки, жиры, углеводы. Кроме того, в нем содержатся многие ферменты, витамины, минеральные вещества и многие другие важные для питания элементы. Соотношение в рационе белка, жира и углеводов должно находится в соотношении 1:1:4. Состав молока по этим показателям наиболее близок к необходимому и составляет 1:1:1,5. Питательная ценность молока определяется содержанием белка и жира, молочного сахара, органическими кислотами, витаминами, ферментами и рядом других компонентов. Энергетическая ценность 200 мл молока составляет 630 Дж и покрывает дневную потребность в:

·  белке на 18%,

·  кальции на 36%,

·  йоде на 35%,

·  рибофлавине и витамине D, и фосфоре на 24%,

·  В12 на 20%, В6 на 10%,

·  магния и понтотеновой кислоты на 8%,

·  цинка и витамина А на 6%,

·  меди, тиамина и витамина С на 4%,

·  биотина, витамина Е на 2%.

Особую ценность представляют белки молока – наиболее важные в биологическом отношении органические вещества. Образующиеся в результате расщепления белков аминокислоты идут на построение клеток организма, ферментов, защитных тел, гормонов и т.д. По содержанию незаменимых аминокислот (лизин, триптофан, метионин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, треонин, валин) белки молока относятся к белкам высокой биологической ценности.

Особенно богаты незаменимыми аминокислотами сывороточные белки молока – они содержат больше по сравнению с казеином лизина, триптофана и некоторых других аминокислот. Содержание многих незаменимых аминокислот в них значительно выше не только по сравнению с белками растительных продуктов, но и по сравнению с некоторыми белками мяса и рыбы. Поэтому использование белков молока в хлебопекарной, кондитерской и мясной промышленности повышает биологическую ценность пищевых продуктов. Кроме того, казеин и сывороточные белки молока обладают рядом важных функциональных свойств (водосвязывающая, эмульгирующая, пенообразующая и др.), позволяющих использовать их концентраты в качестве белковых компонентов разнообразных продуктов.

Одним из важных качеств белков молока является то, что они содержатся в растворенном состоянии, легко атакуются и перевариваются протеолитическими ферментами пищеварительного тракта. Степень усвояемости молока составляет 96-98%.

Повышается энергетическая ценность продуктов и улучшается их усвояемость при добавлении к ним молока. Белки молока почти не оставляют вредных продуктов распада и оказывают благоприятное влияние на пищеварение.

На жизнедеятельности организма отрицательно сказывается дефицит белка молока. При этом отмечается нарушение азотистого баланса в связи с превалированием распада белка над его синтезом. Организм, испытывая недостаток белка, начинает питаться собственными тканями.

Чтобы этого избежать, необходимо постоянно вводить в организм достаточное количество белка с пищей.

Суточная потребность в белке зависит от пола, возраста, образа жизни человека. Основным источником биологически полноценного белка является животная пища.

Молочный белок содержит все жизненно необходимые аминокислоты, поэтому он так важен для потребностей растущего организма, для быстрого воссоздания клеток у больных и выздоравливающих. При смешанном питании белок молока повышает полноценность белков злаковых, обогащая аминокислотный состав принимаемой пищи. Например, при употреблении хлеба с сыром или гречневой каши с молоком сравнительно невысокая питательная ценность растительных белков значительно повышается. Видовая специфичность белков молока ближе к тканевым белкам человеческого организма, что также улучшает его усвоение. Взаимное обогащение белков происходит не только при одновременном приеме их с пищей, но также и в том случае, когда они потребляются в разное время дня. Поэтому в целях сбалансированного полноценного питания следует по возможности ежедневно употреблять молоко.

В альбумине молока содержится большое количество триптофана, который совместно с лизином и никотиновой кислотой необходим для роста и развития костной и мышечной ткани. Триптофан также совместно с никотиновой кислотой предупреждает авитаминоз — пеллагру.

Глобулин молока, как известно, является носителем иммунных тел и источником антибиотических особенностей питьевого молока, особенно молозива. Лизин совместно с аргинином необходим для сперматогенеза. Валин — для нормальной деятельности нервной системы и пищеварения. При недостатке в пище лейцина и изолейцина приостанавливается рост, развивается малокровие и появляется ряд нервных расстройств.

Казеин молока, благодаря наличию метионина и холина, предупреждает жировую инфильтрацию печени.

При сокращении поступления белка с пищей либо при увеличении его потребления при тяжелой физической работе или в результате болезни возникает белковая недостаточность.

Дефицит белка в питании уменьшает устойчивость организма к инфекциям, так как снижается уровень образования антител, нарушается синтез других защитных факторов — лизоцима и интерферона, обостряется течение воспалительных процессов.

Недостаток белка в организме неблагоприятно отражается на деятельности сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем, а также снижает аппетит, в связи с чем уменьшается приток белка с пищей — возникает порочный: круг. Избыточное белковое питание также неблагоприятно отражается на организме. Как известно, лишний белок в организме не откладывается и в таком случае увеличивается белковая нагрузка на печень и почки (печень участвует в обмене белка, а почки выводят продукты обмена белков). Усиленное белковое питание приводит к перевозбуждению нервной системы, что постепенно приводит к неврозам. Вследствие нарушения белкового обмена возникают гиповитаминозы А и В6, снижается толерантность к умственным и физическим нагрузкам, создаются предпосылки для возникновения гипертонической болезни, ишемической болезни сердца, атеросклероза и аутогенсибилизация организма (образуются антитела к собственным тканям). При наличии повышенного количества белков в пище нарушается процесс пищеварения. При этом вначале отмечается увеличение, а затем торможение секреции желудочного сока, что ухудшает усвоение пищи. Исходя из вышеизложенного, мы можем отметить, что дефицит белка и его избыток для здоровья вредны.

Связь молекулы молочного белка с фосфатами, кальцием, липидами и витаминами повышает биологическую ценность пищи.

1.6 Использование белков молока в пищевой промышленности

В настоящее время современный рынок пищевых продуктов в основном расширяется за счет появления продуктов функциональной направленности. Под функциональными подразумеваются продукты, предназначенные для систематического употребления в составе пищевых рационов всеми возрастными группами здорового населения, снижающие риск развития заболеваний, связанных с питанием, сохраняющие и улучшающие здоровье за счет наличия в них физиологически функциональных пищевых ингредиентов.

В качестве функциональных ингредиентов на основании априорной информации в производстве комбинированных продуктов используют подсластители для диабетического питания, сывороточные и соевые белки, флавоноиды, минеральные вещества (йод, кальций), пищевые волокна, поливитаминные премиксы, пребиотики, пробиотики и др.

Среди многообразия пищевых добавок в последнее время особое внимание уделяется белковым препаратам. Это связано с нехваткой пищевого белка, приводящей к возникновению дистрофии, нарушению функций кишечника, распаду белковых тканей и др. Эта тенденция, по прогнозам Института питания РАМН, вероятно сохранится. Один из способов устранения дефицита белка в питании населения – использование сывороточных белков в часто потребляемых продуктах, например, кисломолочных напитках.

К сывороточным белкам относятся следующие фракции глобулярных белков молока: α-лактальбумин, βлактоглобулин, иммуноглобулин, альбумин сыворотки крови, протеозопептоны, лактоферрин. Все фракции выполняют в организме человека важные биологические функции.

Аминокислотный состав сывороточных белков наиболее близок к аминокислотному составу мышечной ткани человека, а по содержанию незаменимых аминокислот и аминокислот с разветвленной цепью (валина, лейцина и изолейцина) превосходят все остальные белки животного и растительного происхождения.

Сывороточные белки стимулируют иммунную систему, повышают уровень инсулиноподобного фактора роста, понижают содержание холестерина сильнее, чем казеин и соевый белок. Кроме того, сывороточные белки имеют низкий гликемический показатель, что позволяет оптимизировать выделение инсулина, регулируя уровень глюкозы в крови и тем самым предотвращая возникновение диабета второго типа.

В настоящее время для выделения сывороточных белков применяют мембранные методы. Так, использование ультрафильтрации позволяет получить из молочной сыворотки уникальные их концентраты (КСБ – УФ) в нативной форме с различным содержанием белка (от 35 до 80%).

Выделенные концентраты сывороточных белков хорошо растворяются в воде в широком диапазоне рН. Это позволяет использовать их в производстве кисломолочных напитков различной кислотности.

Среди нутриентов, определяющих пищевую ценность продукта, особую физиологическую функцию выполняют белки, являясь регуляторами азотистого баланса организма. Качество белка определяется его аминокислотным составом, в первую очередь содержанием и соотношением незаменимых аминокислот.

В НИИ детского питания разрабатывается ассортимент молочных продуктов с фруктовыми, ягодными и овощными наполнителями для детей дошкольного и школьного возраста, а также подростков. Сырьевая основа продуктов – коровье молоко. В рецептуре продуктов помимо наполнителей входят растворимые пищевые волокан, сывороточный белок, высокометаксилирванный пектин, мальтодекстрин, ксантановая камедь, натуральный ароматизатор, комплекс микронутриентов, состоящий из витаминов С,А и минеральных веществ. Сывороточный белок используется в виде концентрата сывороточного белка. Содержание белка в концентрате – 51%.

2. Экспериментальная часть

2.1 Материал исследования

1. Контроль – дистиллированная вода

2. Опыт 1 – молока пастеризованное фирмы «Novelia» - 3,2%

3. Опыт 2 – молока пастеризованное фирмы «Novelia» - 3,2% после 8 суток хранения.

2.2 Методика исследования

Количественное определения содержания белка в молоке методом формольного титрования.

Цель: изучить влияние срока хранения 8 суток на количественный белковый состав молока.

Оборудование: пипетка с одной меткой для прямого слива на 10 мл; колбы Эрленмейра или стакан химический на 100 мл; бюретка для титрования.

Материалы и реактивы: свежее молоко; формалин, 30-40 %-ный раствор, натрий гидроксид, 0,1н раствор; фенолфталеин, 1 %-ный раствор.

Ход анализа

1) В КОЛБУ (или химический стакан) на 100 мл отмерить пипеткой 10 мл молока, прибавить 10 капель раствора фенолфталеина и оттитровать из бюретки 0,1н раствором гидроксида натрия до не исчезающего при взбалтывании слабо-розового окрашивания.

2) в колбу прибавить : 2 мл 30 - 40 %-ного раствора формалина, свеже нейтрализованного 0,1 н раствором гидроксида натрия до слабо-розовогоокрашивания окрашивания по фенолфталеину.

3) содержимое колбы взболтать до обесцвечивания молока и записать показания бюретки (V1).

4) продолжить титрование до окраски жидкости, в точности соответствующей окраске молока до прибавления формалина, и показания бюретки вновь записать (V2).

5) содержание белков в молоке рассчитывают по формуле:

Xб = (V2 – V1)*1,94

Где Хб-содержание белков в молоке в %;

(V2-V1) – кол-во 0,1н раствора гидроксида натрия, пошедшего на титрование в мл;

1,94 – коэффициент пересчёта.

2.3 Результаты исследования

Таблица 2.1. Количество 0.1 н NaOH, пошедшее на титрование.

Хб = 1,94*(4,55 – 2,7) = 3,589

Хб = 1,94*(4,7 – 2,6) = 4,074

Хб = 1,94*(4,4 – 2,4) = 3,88

Хб = 1,94*(3,7 – 2,3) = 2,716

Хб = 1,94*(3,4 – 2,1) = 2,522

Хб = 1,94*(3,3 – 2,1) = 2,328

Таблица 2.2. Содержание белка в молоке «Novelia»

Из данных таблицы видно, что в результате воздействия хранения сроком 8 суток, содержания белков в молоке уменьшилось на 35,5%, а по литературным данным содержание белков в течение 8 суток уменьшилось на 26%. Расхождение в экспериментальных данных с литературными может быть вызвано тем, что молоко бралось у разных коров, разных по возрасту и состоянию здоровья, с разным режимом питания и жирности молока.

Выводы

По поставленной цели и поставленным задачам курсовой работы можно сделать выводы:

1.  Коровье молоко обладает высокой биологической ценностью, т.к. в его состав входят белки, углеводы, витамины, ферменты, минеральные вещества, вода, газы и некоторые другие компоненты.

2.  Подробно было изучено строение белков молока(п. 1.2).

3.  Подробно были изучены функции белков молока(п. 1.1.1, 1.3, 1.4).

4.  Молоко является одним из самых ценных продуктов питания для человека любого возраста и незаменимым продуктом для детей в возрасте, в котором они ещё неспособны переваривать другую пищу. Молоко содержит в себе белки, богатые незаменимыми аминокислотами, жиры, углеводы, минеральные вещества, а также витамины. Молоко хорошо усваивается организмом и стимулирует жизнедеятельность полезной микрофлоры толстого кишечника.

5.  Содержание белков в молоке при хранении в течении 8 суток уменьшилось на 35,5%.

Список используемой литературы

1. Г.С.Инихов Биохимия молока и молочных продуктов Москва 1962

2. Методические рекомендации 2008

3. Молочная промышленность №7, 2009

4. Рогожин В.В. Биохимия молока и молочных продуктов / В.В. Рогожин. - СПб: ГИОРД,2006.

5. Горбатова К.К. Физико-химические и биохимические основы производства молочных продуктов. – СПб.: ГИОРД, 2003

6. Таблицы химического состава и питательной ценности пищевых продуктов / под ред. Ф.Е. Будогяна. – М.: Пищевая промышленность, 1961

7. Технология молока и молочных продуктов / под ред. П.Ф. Дьяченко – М.: Пищевая промышленность, 1974