Διαφάνειες Παραδόσεων Χημείας Τροφίμων 2014-15 Ενότητα Α Εισαγωγή στη Χημεία Τροφίμων, Εισαγωγή στη Διατροφή Ενότητα Β Συστατικά των Τροφίμων Ενότητα Γ Χημεία των διαφόρων Τροφίμων Ενότητα Δ Εισαγωγή στην Ανάλυση Τροφίμων: εφαρμογές αέριας και υγρής χρωματογραφίας Ιωάννης Ρούσσης
ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΤΡΙΤΗΣ ΕΝΟΤΗΤΑΣ Οι διαφάνειες παραδόσεων είναι αποτέλεσμα πρώτης επεξεργασίας. Στην επεξεργασία αυτή για την ύλη Χημεία των διαφόρων Τροφίμων κυρίως χρησιμοποιήθηκαν α) τα παρακάτω βιβλία που συνιστώ / είναι χρήσιμα για μελέτη: --- Belitz H.-D., Grosch W., Schieberle P. Χημεία Τροφίμων, 4 η έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα. --- Καμιναρίδης Σ., Μοάτσου Γ. Γαλακτοκομία. Εκδόσεις ΕΜΒΡΥΟ. Αθήνα 2009. β) προγενέστερες σημειώσεις του υπογράφοντα. Σε μικρό βαθμό χρησιμοποιήθηκαν τα βιβλία Βουδούρης Ε.Κ., Κοντομηνάς Μ.Γ. Εισαγωγή στη Χημεία των Τροφίμων. Ιωάννινα 1983. Γαλανοπούλου Ν., Ζαμπετάκης Γ., Μαυρή Μ., Σιαφάκα Α. Διατροφή και Χημεία Τροφίμων. 2 η έκδοση. Εκδόσεις Σταμούλη. Αθήνα 2011. Γαλανός, Δ.Σ. Θέματα Χημείας Τροφίμων. Αθήνα 1977. Κυριτσάκης, Α.Κ. Ελαιόλαδο. Θεσσαλονίκη, 2007. Μπόσκου Δ. Χημεία Τροφίμων. 5 η έκδοση. Εκδόσεις Γαρταγάνη. Θεσσαλονίκη 2004. Σουφλερός Ε.Η., Ροδοβίτης, Β.Α. Το τσίπουρο και η τσικουδιά. Θεσσαλονίκη 2004. Τσατσαρώνης, Γ.Χ. Χημεία Τροφίμων. Θεσσαλονίκη 1976. Ιωάννης Ρούσσης
ΧΗΜΕΙΑ ΓΑΛΑΚΤΟΣ Γάλα είναι η φυσιολογική έκκριση του μαστού των θηλαστικών που προορίζεται για κατανάλωση ως πόσιμο γάλα ή ως προϊόντα γάλακτος. Τα γαλακτοκομικά προϊόντα προκύπτουν από οποιαδήποτε επεξεργασία του γάλακτος, και μπορεί να περιέχουν πρόσθετα τρόφιμα ή άλλα συστατικά. Το γάλα είναι η πιο πλήρης απλή φυσική τροφή. Προορίζεται από τη φύση ως μοναδική τροφή των νεογνών στα πρώτα στάδια της ζωής τους. Το γάλα των πρώτων ημερών μετά τον τοκετό ονομάζεται πρωτόγαλα και διαφέρει από το κανονικό γάλα στη σύσταση και στις ιδιότητές του. Ο άνθρωπος χρησιμοποιεί το γάλα άλλων θηλαστικών. Τα πρώτα ζώα που εξημέρωσε για το γάλα τους ήταν μάλλον τα πρόβατα και οι κατσίκες, πριν από 8.000-10.000 χρόνια. Σήμερα χρησιμοποιείται κυρίως το αγελαδινό γάλα και δευτερευόντως το πρόβειο και το γίδινο γάλα.
Πίνακας. Σύσταση, %, αγελαδινού, γίδινου, πρόβειου και μητρικού γάλακτος. Γάλα Νερό Λίπος Πρωτεΐνη Λακτόζη Τέφρα Αγελαδινό 87,3 3,8 3,3 4,9 0,7 Γίδινο 86,1 5,0 3,9 4,2 0,8 Πρόβειο 81,4 7,6 5,6 4,5 0,9 Μητρικό 87,6 4,0 1,4 6,8 0,2
Πίνακας. Παραγωγή αγελαδινού, πρόβειου και γίδινου γάλακτος στην Ελλάδα. Είδος γάλακτος Έτος Παραγωγή γάλακτος (τόννοι) Αγελαδινό 1974 686.711 2004 774.979 Πρόβειο 1974 545.980 2004 703.319 Γίδινο 1974 400.108 2004 470.308
Το γάλα περιέχει λίπος, καζείνες, πρωτεΐνες του ορού, λακτόζη, άλατα, βιταμίνες και ένζυμα. Μπορεί να θεωρηθεί ως ψευδοδιάλυμα. Το λίπος του γάλακτος βρίσκεται με τη μορφή λιποσφαιρίων. Έτσι, το γάλα μπορεί να θεωρηθεί ως γαλάκτωμα λίπους σε νερό. Οι καζείνες που είναι οι κύριες πρωτεΐνες του γάλακτος βρίσκονται με τη μορφή μικυλλίων. Τα καζεινικά μικύλλια βρίσκονται σε κολλοειδή διασπορά. Τα λιποσφαίρια αποτελούνται από πυρήνα τριγλυκεριδίων και μεμβράνη κυρίως πρωτεινικής φύσης. Πλάσμα γάλακτος είναι το γάλα χωρίς τα λιποσφαίρια, και είναι ισοδύναμο με το άπαχο γάλα. Το λίπος του γάλακτος αποτελείται κυρίως από τριγλυκερίδια με λιπαρά οξέα που έχουν 2-20 άτομα C και 0-4 διπλούς δεσμούς. Επίσης, σε μικρές συγκεντρώσεις περιέχει και άλλα λιπίδια, όπως φωσφολιπίδια, χοληστερόλη, ελεύθερα λιπαρά οξέα, διγλυκερίδια. Οι πρωτεΐνες του γάλακτος είναι οι καζεΐνες και οι πρωτεΐνες του ορού. Το 80 % των πρωτεϊνών του γάλακτος είναι διαλυτό σε ph 4,6. Το κλάσμα αυτό είναι η καζεΐνη, που είναι μίγμα διαφορετικών πρωτεϊνών. Το 20 % των πρωτεϊνών του γάλακτος είναι διαλυτό σε ph 4,6. Το κλάσμα αυτό αποτελούν οι πρωτεΐνες του ορού και διάφορες άλλες πρωτεΐνες όπως ένζυμα. Τα μικύλλια των καζεινών συνίστανται από καζεΐνες, νερό, άλατα, και ένζυμα. Ορός γάλακτος καλείται το πλάσμα γάλακτος ή άπαχο γάλα χωρίς την καζεΐνη. Οι πρωτεΐνες του ορού είναι κυρίως σφαιρικές πρωτεΐνες και βρίσκονται στο γάλα ως μονομερή ή ολιγομερή.
Εικόνες γάλακτος σε διάφορες μεγεθύνσεις.
Στα υδατοδιαλυτά συστατικά του γάλακτος ανήκουν η λακτόζη, άλατα, βιταμίνες και διάφορες άλλες ενώσεις μικρού ΜΒ. Η λακτόζη, το χαρακτηριστικό ζάχαρο του γάλακτος, είναι ανάγων διζαχαρίτης γλυκόζης και γαλακτόζης. Τα άλατα του γάλακτος είναι ανόργανα και οργανικά, απλά ή σύμπλοκα, μερικά ιονισμένα. Μεταξύ αυτών κύρια είναι τα φωσφορικά, κιτρικά, χλωριούχα, θειικά, ανθρακικά και δισανθρακικά άλατα K, Na, Ca και Mg. Ως κύρια συστατικά του γάλακτος θεωρούνται οι πρωτεΐνες, το λίπος, η λακτόζη και τα άλατα. Αυτά κυρίως καθορίζουν τη διατροφική και εμπορική του αξία. Ως δευτερεύοντα συστατικά του γάλακτος θεωρούνται διάφορα λιπίδια εκτός από τα τριγλυκερίδια, μη πρωτεινικές αζωτούχες ενώσεις, βιταμίνες, ένζυμα, αέρια, και άλλα. Επιπλέον, στο γάλα βρίσκονται διάφοροι μικροργανισμοί, όπως και σωματικά κύτταρα από τα ζώα.
Πίνακας. Σύσταση του γάλακτος. Συστατικό % Νερό 87,7 Λακτόζη 4,7 Λίπος 3,7 Πρωτείνες, καζείνη και πρωτείνες ορού 3,2 Ανόργανα 0,7 Οργανικά οξέα 0,18 Άλλα συστατικά 0,14
Πίνακας. Χαρακτηριστικά συστατικών του γάλακτος. 1 nm = 10-9 m = 10 A 0 1 μm = 1 μ = 10-6 m = 1000 nm Μέγεθος Συστατικό Μονάδες / ml γάλακτος Κατάσταση στο γάλα 0,1-10 μm Λιποσφαίρια 10 10 Γαλάκτωμα 20-400 nm Μικκύλια καζεϊνών 10 14 Κολλοειδής διασπορά 3-6 nm Πρωτείνες ορού 10 17 Κολλοειδές διάλυμα
ΛΙΠΟΣ Στο γάλα το περισσότερο από το 95 % των λιπιδίων βρίσκεται με τη μορφή λιποσφαιρίων που είναι διασπαρμένα στη φάση του ορού του γάλακτος. Με φυσικές μεθόδους, όπως με φυγοκέντρηση, το λίπος του γάλακτος εύκολα μπορεί εύκολα να διαχωριστεί από τα άλλα υπόλοιπα συστατικά του γάλακτος. Το λίπος του γάλακτος είναι το πιο εύγευστο φυσικό λίπος, και είναι σημαντικό συστατικό του. Εκτός από πηγή ενέργειας, είναι και πηγή δομικών συστατικών κυτταρικών μεμβρανών. Επίσης, είναι πηγή απαραίτητων λιπαρών οξέων, λινελαικό, όπως και λιποδιαλυτών βιταμινών (A, D, E, K). Το λίπος διαμορφώνει σε μεγάλο βαθμό τα ρεολογικά και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των προϊόντων γάλακτος. Το 98 % και πλέον του λίπους του γάλακτος συνίσταται από τριγλυκερίδια. Το περίπου 1 % συνίσταται από φωσφολιπίδια (0,6 %), δι-γλυκερίδια (0,35 %), μονογλυκερίδια και ελεύθερα λιπαρά οξέα. Ποσοστό μικρότερο από 1 % συνίσταται μησαπωνοποιήσιμα συστατικά. Αυτά είναι οι στερόλες κυρίως η χοληστερόλη (0,3 %), λιποδιαλυτές βιταμίνες, και άλλα λιπίδια όπως τα καροτενοειδή (προβιταμίνη Α). Στα καροτενοειδή οφείλεται το κίτρινο χρώμα του λίπους του αγελαδινού γάλακτος. Τα καροτενοειδή του πρόβειου και του γίδινου γάλακτος δεν προσδίδει κίτρινο χρώμα. Έτσι, τα προϊόντα πρόβειου και γίδινου γάλακτος έχουν λευκό χρώμα, όπως η Φέτα. Στο λίπος του γάλακτος υπάρχει μεγάλη ποικιλία των λιπαρών οξέων, περίπου 250. μεταξύ αυτών κύρια είναι αυτά με άρτιο αριθμό ατόμων C, 4-18, ενώ τα υπόλοιπα βρίσκονται σε ελάχιστες συγκεντρώσεις. Τα λιπαρά οξέα μικρού ΜΒ βρίσκονται σε μεγάλες συγκεντρώσεις και συνιστούν το 10-25 % του λίπους. Το βουτυρικό (βουτανοικό) οξύ είναι χαρακτηριστικό του λίπους του γάλακτος των μηρυκαστικών, και δεν υπάρχει σε άλλο φυσικό λίπος.
Τα κορεσμένα λιπαρά οξέα βρίσκονται σε υψηλά επίπεδα, και συνιστούν το περίπου 63 % του λίπους του γάλακτος. Από τα ακόρεστα κύριο (περίπου 70 %) είναι το ελαϊκό οξύ. Στα υπόλοιπα ακόρεστα λιπαρά οξέα κυριαρχεί η cis διαμόρφωση (95-97 % των δ.δ. είναι cis διαμόρφωσης και 3-5 % trans). Με ενζυμική υδρόλυση, από τα τριγλυκερίδια του γάλακτος παράγονται ελεύθερα λιπαρά οξέα. Όταν παράγονται κυρίως ελεύθερα λιπαρά οξέα μικρού ΜΒ (βουτυρικό και καπροικό), προκύπτει δυσάρεστο flavour. Το πρόβειο και το γίδινο γάλα, σε σχέση με το αγελαδινό, περιέχουν σε μεγαλύτερη αναλογία τα λιπαρά οξέα C8:0 C14:0. Τα λιπαρά οξέα καθορίζουν τις φυσικές του ιδιότητες του λίπους του γάλακτος, που είναι: Η πυκνότητα στους 20 ο C είναι 0,915. Η διαλυτότητα στο νερό στους 20 ο C είναι 0,14 %, και αυξάνει με αύξηση της θερμοκρασίας. Το σημείο τήξης είναι 29-37 ο C, και το σημείο στερεοποίησης είναι 24-19 ο C. Το λίπος είναι υγρό στη θερμοκρασία του σώματος της αγελάδας. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπως στο ψυγείο, το λίπος του γάλακτος περιέχει μεγάλη αναλογία στερεού λίπους ( σκληραίνει ). Η κρυστάλλωση του λίπους του γάλακτος επηρεάζει τη συνεκτικότητα της κρέμας και του βούτυρου που έχουν υψηλά επίπεδα λίπους. Η κρυστάλλωση συμβαίνει κατά την ψύξη, με δημιουργία μικτών κρυστάλλων που περιέχουν διάφορα τριγλυκερίδια.
Δομή λιποσφαιρίων γάλακτος Τα λιποσφαίρια συνίστανται από πυρήνα που αποτελείται κυρίως από τριγλυκερίδια και μεμβράνη που αποτελείται κυρίως από πρωτεΐνες. Τα λιποσφαίρια έχουν διάμετρο 0,1-10 μm. Η μεμβράνη των λιποσφαιρίων έχει μέσο πάχος 15 nm (10-20 nm), και αποτελεί περίπου το 2-6 % της μάζας του λιποσφαιρίου. Η μεμβράνη των λιποσφαιρίων δρα ως γαλακτωματοποιητής, και βοηθά στη διασπορά του λίπους στο πλάσμα του γάλακτος. Επίσης, προστατεύει τα λιπίδια του πυρήνα από τη λιπόλυση που οδηγεί σε αλλοίωση. Στο αγελαδινό γάλα το πλήθος των λιποσφαιρίων είναι > 10 10 / ml, έχουν αρνητικό επιφανειακό φορτίο, και μέση διάμετρο 4,55 μm. Το πρόβειο και το γίδινο γάλα έχουν μικρότερα λιποσφαίρια, που έχουν μέση διάμετρο 3,30 και 3,40 μm, αντίστοιχα. Η δομή των λιποσφαιρίων είναι σχετικά ασταθής, καθόσον η μεμβράνη τους μπορεί να καταστραφεί κατά τις κατεργασίες ή ακόμη κατά τη διατήρηση του γάλακτος. Τα λιποσφαίρια έχουν πυκνότητα περίπου 0,9 και το πλάσμα του γάλακτος 1,036. έτσι, έχουν την τάση να ανεβαίνουν στην επιφάνεια του γάλακτος, όταν αυτό παραμένει σε ηρεμία. Συμβαίνει συσσωμάτωση λιποσφαιρίων και δημιουργία λιπαρής μεμβράνης (πέτσας) στην επιφάνεια του γάλακτος. Το φαινόμενο είναι γνωστό ως αποκορύφωση και γίνεται αντιληπτό σε 30 min σε γάλα που παραμένει σε ηρεμία.
Τα λιποσφαίρια συγκολούνται με τη βοήθεια συμπλέγματος ανοσογλοβουλίνης και λιποπρωτεινών (αγλουτινίνης ή συγκολητίνης ή κρυογλοβουλίνη) και τα συσσωματώματα έχουν διάμετρο μέχρι 1 mm. Τα συσσωματώματα έχουν μεγάλη τάση να ανέβουν στην επιφάνεια. Όμως, διασπώνται εύκολα με την αύξηση της θερμοκρασίας ή με μηχανική κατεργασία. Στο νωπό κρύο γάλα η αποκορύφωση συμβαίνει πιο γρήγορα. Το φαινόμενο αυτό είναι πολύ περιορισμένο στο πρόβειο, γίδινο και βουβαλινό γάλα. Έτσι, η αποκορύφωση σε αυτά τα είδη γάλακτος συμβαίνει πολύ πιο αργά. Η αποκορύφωση στο πόσιμο γάλα είναι ανεπιθύμητη, ενώ είναι απαραίτητη στην παραγωγή κρέμας και βούτυρου. Για αποφυγή της αποκορύφωσης του λίπους του γάλακτος εφαρμόζεται η ομογενοποίηση. Κατά την ομογενοποίηση το προθερμασμένο (περίπου 40 ο C) γάλα,, διέρχεται από μικρές οπές υπό πίεση περίπου 200 bar. Η ομογενοποίηση, που είναι η κύρια μέθοδος σταθεροποίησης του λίπους στο γάλα, επιφέρει τις παρακάτω αλλαγές. Με την ομογενοποίηση μειώνεται το μέγεθος λιποσφαιρίων, που αποκτούν μέση διάμετρος < 1 μm. Έτσι, συμβαίνει πολύ μεγάλη αύξηση του αριθμού τους, και αύξηση της επιφάνειάς τους μέχρι και 10 φορές. Με την ομογενοποίηση αλλάζει και η σύσταση της μεμβράνης των λιποσφαιρίων, και η νέα μεμβράνη περιέχει και πρωτεΐνες, κυρίως καζείνες. Επίσης, συμβαίνει μετουσίωση των συγκολητινών που συμμετέχουν στη δημιουργία συσσωματωμάτων λιποσφαιρίων.
Σύσταση λιποσφαιρίων γάλακτος, ανά Kg (αριστερά). Κατανομή λίπους σε νωπό και ομογενοποιημένο γάλα (δεξιά).
ΛΑΚΤΟΖΗ Το κύριο ζάχαρο του γάλακτος είναι η λακτόζη. Το αγελαδινό και το πρόβειο γάλα περιέχουν περίπου 4,8 % λακτόζη, και το γίδινο περίπου 4,3 %. Το αγελαδινό γάλα περιέχει ολιγοσακχαριτών, περίπου 100 mg/l, και μονοζαχαρίτες (γλυκόζη και γαλακτόζη), περίπου 10 mg/l. Δεν περιέχει πολυζαχαρίτες. Όμως, περιέχει σύνθετους υδατάνθρακες, όπως το Ν-ακετυλο-νευραμικό οξύ, που βρίσκονται σε γλυκοπρωτείνες και γλυκολιπίδια. Η κ-καζείνη είναι γλυκοπρωτείνη, και περιέχει περίπου 5 % ζάχαρα. Περίπου τα 2/3 των μορίων της κ-καζείνης στο αγελαδινό γάλα είναι γλυκοζυλιωμένα. Υπάρχουν τρεις μονοζαχαρίτες, το Ν-ακετυλ-νευραμικό οξύ, τη γαλακτόζη και την Ν- ακετυλο-γαλακτοζαμίνη, που σχηματίζουν τρι- ή τετραζαχαρίτες, που συνδέονται με θρεονίνη της κ-καζείνης. Η παρουσία των ζαχάρων προσδίδει υδρόφιλο χαρακτήρα στην καρβοξυτελική περιοχή του μορίου, ενώ η αμινοτελική περιοχή είναι υδρόφοβη.
Η λακτόζη είναι διζαχαρίτης D-γλυκόζης και D-γαλακτόζης, με β(1 4) γλυκοζιτικό δεσμό. Οι μονοζαχαρίτες βρίσκονται κυρίως με τη μορφή πυρανόζης. Είναι αναγωγικό ζάχαρο, καθόσον η ημιακεταλική ομάδα της γλυκόζης είναι ελεύθερη. Στο γάλα υπάρχει με τους α- και β- ανωμερικούς τύπους (διαφέρουν ως προς τη θέση του ΟΗ και του Η του C-1) σε ισορροπία. Με ήπια αναγωγή η ελεύθερη αλδευδομάδα της λακτόζης μετατρέπεται σε αλκοολική, και παράγεται η λακτιτόλη. Η λακτιτόλη έχει σχετικά γλυκιά γεύση, δεν μεταβολίζεται και βρίσκει εφαρμογή ως γλυκαντικό σε τρόφιμα χαμηλών θερμίδων. Η λακτόζη υδρολύεται από το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση. Με ενζυμική υδρόλυση της λακτόζης παράγεται γάλα υδρολυμένης λακτόζης, που είναι κατάλληλο για καταναλωτές με δυσανεξία στη λακτόζη. Επίσης, παράγονται σιρόπια που έχουν τριπλάσια γλυκύτητα από τη λακτόζη. Κατά την επεξεργασία σε > 100 o C απουσία αμινοομάδων κατ αρχή σχηματίζεται λακτουλόζη, που είναι διζαχαρίτης γαλακτόζης και φρουκτόζης. Η λακτουλόζη χρησιμοποιείται ως δείκτης υψηλών θερμικών κατεργασιών του γάλακτος. Η αντίδραση αυτή είναι αντιστρεπτή. Ακολουθεί καραμελοποίηση και σχηματίζεται ένα μίγμα συστατικών, όπως υδροξυμεθυλο-φουρφουράλη, φουρφουρυλ-αλκοόλη, ακεταλδεύδη, οξικό οξύ, μυρμηκικό οξύ, πυροσταφυλλικό οξύ. Οι αντιδράσεις αυτές δεν είναι αντιστρεπτές, και τα προϊόντα πολυμερίζονται προς διάφορα πολυμερή, ορισμένα από τα οποία προσδίδουν καστανή χροιά και δυσάρεστο flavour.
Κατά τις επεξεργασίες του γάλακτος σε υψηλές θερμοκρασίες, > 115 o C, παρουσία αμινοομάδων συμβαίνει η αντίδραση Maillard. Σχηματίζονται έγχρωμες ενώσεις όπως οι μελανοιδίνες που σκουραίνουν το χρώμα του γάλακτος, όπως και ενώσεις που προσδίδουν δυσάρεστο flavour στο γάλα (γεύση καμμένου). Η θρεπτική αξία του γάλακτος μειώνεται λόγω, της καταστροφής του απαραίτητου αμινοξέος λυσίνη. Σε γάλα που δεν έχει θερμανθεί πολύ έντονα κυριαρχεί η ισομερίωση της λακτόζης και οι επακόλουθες αντιδράσεις, ενώ οι αντιδράσεις Maillard συμβαίνουν σε μικρό ποσοστό. Σε γάλα που έχει θερμανθεί πολύ έντονα κυριαρχούν οι αντιδράσεις Maillard. Εάν αρχίσει η πορεία των αντιδράσεων Maillard, εξελίσσεται ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Έτσι, μπορεί να εξελίσσεται κατά την αποθήκευση προϊόντων γάλακτος, όπως του συμπυκνωμένου γάλακτος. Η λακτόζη παρουσιάζει το φαινόμενο του πολυστροφισμού, δηλαδή σε υδατικό διάλυμα η α-λακτόζη μετατρέπεται σε β- και το αντίστροφο, μέχρις ισορροπίας. Το φαινόμενο συμβαίνει και σε σκόνη γάλακτος, αλλά σε πολύ μεγάλο χρόνο. Η α-λακτόζη είναι πολύ λιγότερο διαλυτή από τη β-λακτόζη. Η αυθόρμητη κρυστάλλωση της λακτόζης δεν είναι εύκολη, και συμβαίνει σε υπέρκορα διαλύματα (υπερδιπλάσια συγκέντρωση της διαλυτότητάς της). Η κρυστάλλωση της λακτόζης έχει μεγάλη σημασία στα προϊόντα χαμηλής υγρασίας όπως σκόνη γάλακτος, ζαχαρούχο συμπυκνωμένο γάλα και το παγωτό, που έχουν υψηλές συγκεντρώσεις λακτόζης. Ο σχηματισμός κρυστάλλων λακτόζης (> 10 μm) στα προϊόντα αυτά, έχουν επίδραση στην αίσθηση κατά τη μάσηση (αμμώδης υφή).
Η α-λακτόζη κρυσταλλώνεται ως ενυδατωμένη μορφή που περιέχει 5 % νερό. Οι κρύσταλλοι αυτοί (εμπορική λακτόζη), σχηματίζονται με συμπύκνωση σε < 93, 5 o C. Σε > 93,5 o C σχηματίζονται κρύσταλλοι άνυδρης β-λακτόζης που είναι γλυκύτεροι και πιο ευδιάλυτοι. Υπάρχει και η άμορφη ή υαλόμορφη λακτόζη, που δημιουργείται όταν το γάλα αφυδατώνεται γρήγορα οπότε η γρήγορη αύξηση του ιξώδους δεν επιτρέπει το σχηματισμό κρυστάλλων. Η λακτόζη έχει μικρότερη γλυκύτητα από τη γλυκόζη και τη ζαχαρόζη. Η λακτόζη ζυμώνεται (μεταβολίζεται) εύκολα από διάφορους μικροοργανισμούς, όπως τα γαλακτικά βακτήρια, που τη χρησιμοποιούν ως πηγή ενέργειας. Από τις ζυμώσεις παράγονται ενώσεις με μικρότερο ΜΒ. Η πιο σημαντική ζύμωση στη γαλακτοκομία είναι η γαλακτική (ομογαλακτική και ετερογαλακτική), με σχηματισμό γαλακτικού οξέος. Το γαλακτικό οξύ μπορεί, επίσης, να ζυμωθεί από βακτήρια. Με την προπιονική ζύμωση μετατρέπεται σε προπιονικό οξύ και διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο συγκεντρώνεται στη μάζα του τυριού και δημιουργεί χαρακτηριστικές οπές. Με την βουτυρική ζύμωση παράγεται βουτυρικό οξύ που έχει ανεπιθύμητη οσμή και αέρια διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο που δημιουργούν φουσκώματα στα τυριά. Επίσης, σε προϊόντα γάλακτος συμβαίνει και αλκολική ζύμωση της λακτόζης, όπως στο κεφίρ και το κουμίς, που σχηματίζεται αλκοόλη μέχρι 2 %.
Ζυμώσεις λακτόζης
Ομογαλακτική ζύμωση Ετερογαλακτική ζύμωση Προπιονική ζύμωση Βουτυρική ζύμωση
ΑΖΩΤΟΥΧΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΓΑΛΑΚΤΟΣ Οι αζωτούχες ενώσεις του γάλακτος είναι κατά περίπου 95 % πρωτεϊνικής φύσης και κατά 5 % μη πρωτεϊνικής φύσης πολύ μικρού ΜΒ. Το αγελαδινό γάλα περιέχει περίπου 3,3 % w/v πρωτεΐνες. Από αυτές το περίπου 80 % είναι καζεΐνες και το περίπου 20 % πρωτεΐνες του ορού. Με οξίνηση στο ph 4,6, που είναι το ισοηλεκτρικό σημείο των καζεϊνών, καταβυθίζεται η ισοηλεκτρική καζεΐνη ενώ οι πρωτεΐνες του ορού είναι διαλυτές. Στις πρωτεΐνες του γάλακτος ανήκουν και τα υπάρχοντα ένζυμα. Τα μη πρωτεινικά αζωτούχα συστατικά είναι περίπου 1,6-1,8 g/l γάλακτος. Σε αυτά είναι πεπτίδια, αμινοξέα, ουρία, οροτικό οξύ, ουρικό οξύ, κρεατινίνη, αμμωνία, αμίνες, νουκλεοτίδια, και άλλα. Με ισχυρές θερμικές κατεργασίες του γάλακτος το μη πρωτεϊνικό άζωτο αυξάνεται σημαντικά λόγω αποικοδόμησης των πρωτεϊνών.
Καζείνες Οι κύριες καζείνες του γάλακτος (αγελαδινού) είναι οι αs1-cn, αs2-cn, β-cn και κ-cn. Επίσης, βρίσκονται και οι γ-καζείνες που προκύπτουν από υδρόλυση της β-καζείνης με δράση της πλασμίνης (φυσική πρωτεινάση του γάλακτος). Τα % ποσοστά των καζεινών είναι περίπου αs1-cn 38, αs2-cn 10, β-cn 36, κ-cn 13 και γ-καζείνες 3. Οι καζεΐνες έχουν φωσφορικές ομάδες εστεροποιημένες με σερίνη. Επίσης, έχουν συνδεμένο ασβέστιο με τις πρωτεινικές καζείνες που είναι ανάλογο με τις φωσφορικές ομάδες. Έχουν υψηλά επίπεδα προλίνης. Δεν έχουν κατά κανόνα δισουλφιδικούς δεσμούς, και είναι υψηλά υδρόφοβες. Είναι θερμοανθεκτικές και δυσδιάλυτες. Η αs1-cn έχει 23.600 ΜΒ, 199 αμινοξέα, και 8-9 φωσφορικές ομάδες. Καταβυθίζεται σε πολύ χαμηλή συγκέντρωση ασβεστίου. Έχει ΙΣ (Ισοηλεκτρικό Σημείο) 4,5. Η αs2-cn έχει 25.200 ΜΒ, 207 αμινοξέα, 10-14 φωσφορικές ομάδες, 2 κυστείνες (1 S-S-). Καταβυθίζεται σε πολύ χαμηλή συγκέντρωση ασβεστίου. Έχει ΙΣ 5,0. Η β-cn έχει 24.000 ΜΒ, 209 αμινοξέα, 5 φωσφορικές ομάδες. Σχηματίζει μεγάλο πολυμερές στους 20 ο C αλλά όχι στους 4 ο C. Είναι λιγότερο ευαίσθητη στην καταβύθιση με ασβέστιο.
Η κ-cn έχει 19.000 ΜΒ, 169 αμινοξέα, 1-2 φωσφορικές ομάδες, 2 κυστείνες. Είναι πολύ ανθεκτική στην καταβύθιση με ασβέστιο. Σταθεροποιεί τις άλλες καζείνες. Η χυμοζίνη (πρωτεολυτικό ένζυμο) διασπά το δεσμό Phe105-Met106 και αποσταθεροποιεί το μικύλλιο. Προκύπτουν η υδρόφοβη παρα-κ-καζείνη και το υδρόφιλο γλυκομακροπεπτίδιο (καζεινομακροπεπτίδιο). Είναι η μόνη καζείνη που έχει στο μόριό της υδατάνθρακες (περίπου 5%), και είναι η λιγότερο φωσφορυλιωμένη. Οι υδατάνθρακες είναι το Ν- ακετυλο-νευραμικό οξύ, η γαλακτόζη και η Ν-ακετυλο-γαλακτοζαμίνη. Οι γ-καζείνες αποτελούν τμήματα της β-καζείνης. Η γ1- το 29-209, η γ2- το 106-209, η γ3- το 108-209. Μικύλλιο καζεινών Στο γάλα, το μεγαλύτερο μέρος των καζεϊνών βρίσκεται με μορφή μικυλίων καζείνης σε κολλοειδή μορφή, και μόνο μικρό μέρος σε διαλυτή μορφή. Η διαλυτή καζείνη, μέχρι το 10 % της ολικής, συνίσταται από μόρια ή αθροίσματα μορίων διαφόρων κλασμάτων καζεϊνών. Η σχέση διαλυτής και κολλοειδούς καζεΐνης εξαρτάται από τα ιόντα ασβεστίου και τα φωσφορικά, όπως και τη θερμοκρασία. Η βιολογική λειτουργία του μικυλίου είναι να μεταφέρει μεγάλες ποσότητες αδιάλυτου κολλοειδούς φωσφορικού ασβεστίου στα νεογνά σε υγρή μορφή και να σχηματίζει πήγμα στο στομάχι για πιο αποτελεσματική διατροφή. Το μικύλιο περιέχει κυρίως καζεινικές πρωτεΐνες, κολλοειδές φωσφορικό ασβέστιο, ιόντα μαγνησίου και κιτρικά. Το ανόργανο σύμπλεγμα καλείται κολλοειδές φωσφορικό ασβέστιο, και είναι περίπου το 8 % της καζεΐνης.
Τα μικύλια είναι σχεδόν σφαιρικά και υπάρχουν περίπου 10 15 ανά ml γάλακτος. Έχουν μέση διάμετρο περίπου 120 nm, με εύρος 20-400 nm (1nm=10-6 m). Περιέχουν 5.000-50.000 καζεινικά μόρια. Τα μικύλια είναι ενυδατωμένα με 2-3 (ακόμη και 3,7) g Η 2 Ο ανά g πρωτείνης. Υδρόφιλο κολλοειδές με δίπολα νερού. Τα μικύλια φαίνεται να αποτελούνται από υπομικύλια. Κατά το πρότυπο των υπομικυλίων κάθε υπομικύλιο αποτελείται από 10-100 καζεινικά κλάσματα. Τα υπομικύλια έχουν υδρόφοβο πυρήνα και ένα περίβλημα κυρίως από το υδρόφιλο καρβοξυτελικό άκρο της κ-καζείνης.
Καζεινικό μικύλιο σε νωπό γάλα, με ηλεκτρονική μικροσκοπία. Μοντέλο καζεινικού μικυλίου και υπομικυλίου. Στο αριστερό σχήμα στο εξωτερικό τμήμα βρίσκεται η κ-καζείνη.
Πρωτείνες ορού Οι κύριες πρωτεΐνες του ορού είναι η β-λακτογλοβουλίνη και α-λακταλβουμίνη. Άλλες είναι η αλβουμίνη του ορού, οι ανοσοσφαιρίνες, οι πρωτεόζες-πεπτόνες. Οι πρωτεΐνες του ορού είναι υψηλής διατροφικής αξίας. Είναι πλούσιες σε κυστείνη, και έτσι καλύπτουν την έλλειψη των καζεινών σε κυστείνη. Η συνολική συγκέντρωση των πρωτεϊνών του ορού είναι περίπου 6,3 g/l. Οι επί μέρους συγκεντρώσεις τους είναι β-γαλακτογλοβουλίνη 3,2, α-γαλακτοαλβουμίνη 1,2, αλβουμίνη ορού 0,4, ανοσογλοβουλίνες 0,7, πρωτεόζες-πεπτόνες 0,8. Η β-λακτογλοβουλίνη (β-lg) έχει 18.000 ΜΒ, 162 αμινοξέα, 2 S-S-, 1 SH. Μπορεί να υπάρχει και σε διμερή ή οκταμερή. Είναι ευαίσθητη στη θέρμανση, το οποίο έχει τεχνολογική σημασία. Με θέρμανση σχηματίζει σύμπλοκο με την κ-cn που είναι σταθερό. Είναι φορέας SH που με μετουσίωση της πρωτεΐνης δίνει γεύση βρασμένου στο θερμανθέν γάλα. Η α-λακταλβουμίνη (α-la) έχει 14.000 ΜΒ, 123 αμινοξέα, 4 S-S-. Είναι λιγότερο ευαίσθητη στη θέρμανση από τη β-γαλακτοαλβουμίνη. Η οροαλβουμίνη έχει 67.00 ΜΒ, 17 S-S- και μία SH. Θεωρείται ότι βρίσκεται στο γάλα από το αίμα του ζώου. Οι ανοσοσφαιρίνες ή ανοσογλοβουλίνες είναι μια ετερογενής ομάδα αντισωμάτων. Ενισχύουν το ανοσοποιητικό σύστημα του νεογνού περνώντας άθικτες από το γαστρεντερικό σύστημα στο αίμα.
Υπάρχουν 5 επί μέρους ομάδες (τάξεις) και στο γάλα βρίσκονται οι 3 από αυτές οι IgG, IgA, IgM. H IgG βρίσκεται σε μεγαλύτερη αναλογία στο γάλα, και είναι πολυμερές 2 βαριών αλυσίδων και 2 ελαφριών με συνολικό ΜΒ 150.000. Η IgM έχει ΜΒ περίπου 900.000. Για την IgA στο γάλα δεν υπάρχουν πολλές πληροφορίες. Οι πρωτεόζες -πεπτόνες διαφέρουν από τις υπόλοιπες πρωτεΐνες του ορού, και δεν είναι ευαίσθητες στη θέρμανση. Είναι τμήματα της β-καζείνης, συμπληρωματικά των γ- καζεινών, καθόσον προέρχονται από ενζυμική υδρόλυσή της. Όμως, μία είναι γλυκοπρωτείνη της μεμβράνης των λιποσφαιρίων. Άλλη πρωτείνη του ορού είναι η λακτοφερίνη, που υπάρχει σε μικρές συγκεντρώσεις. Δεσμεύει σίδηρο και έχει αντιμικροβιακή δράση. Σύγκριση πρωτεϊνών πρόβειου και γίδινου γάλακτος με το αγελαδινό Το αγελαδινό γάλα περιέχει 4 κύριες καζείνες, τις αs1-cn, αs2-cn, β-cn και κ-cn. Το πρόβειο γάλα περιέχει 5 κύριες καζείνες, τις αs1-cn, αs2-cn, β1-cn, β1-c, και κ-cn. Το σύστημα μικυλλίων του πρόβειου γάλακτος είναι όμοιο με του αγελαδινού, ενώ τα μικύλλια του πρόβειου γάλακτος έχουν μικρότερο μέγεθος, D < 80 nm. Το πρόβειο γάλα θρομβώνει πιο γρήγορα και δίνει πιο σταθερό πήγμα από το αγελαδινό. Το γίδινο γάλα έχει σχετικά λιγότερη καζείνη από το αγελαδινό, και χαμηλά επίπεδα αs1- CN. Το γίδινο έχει 12-25 %, και σε κάποιες περιπτώσεις 0 %, ενώ το αγελαδινό και μέχρι 45 %. Αντίθετα, το γίδινο έχει υψηλότερα επίπεδα β-καζεινών (β1-cn και β2-cn) σε σχέση με την β-καζείνη του αγελαδινού γάλακτος. Η σύνθεση των μικυλλίων του γίδινου και του αγελαδινού γάλακτος είναι παρόμοια.
Αριστερό σχήμα: Ηλεκτροφόρημα καζεϊνών πρόβειου (αριστερά) και αγελαδινού (δεξιά) γάλακτος. Δεξιό σχήμα: Ηλεκτροφόρημα γίδινου γάλακτος.
Πήξη του γάλακτος Τα μικύλλια των καζεινών είναι σταθερά στο γάλα. Αυτό καθόσον είναι αρνητικά φορτισμένα και απωθούνται, και η είναι υψηλά ενυδατωμένα, περίπου 3,7 g/g πρωτεΐνης. Τα καζεινικά μικύλια αποσταθεροποιούνται με δύο βασικούς τρόπους που αποτελούν τη βάση για την παρασκευή προϊόντων γάλακτος. ---Με υδρόλυση της κ-καζείνης με δράση της χυμοζίνης, που συμβαίνει στην παραγωγή τυριών. Στην παραγωγή τυριών χρησιμοποιούνται, επίσης, γαλακτικά βακτήρια, που με ζύμωση της λακτόζης και παραγωγή γαλακτικού οξέος μειώνουν το ph. ---Με οξίνηση σε ph 4,6, που συμβαίνει στην παραγωγή γιαουρτιού. Οι δύο παραπάνω τρόποι αποσταθεροποίησης οδηγούν στην δημιουργία πήγματος (πήξη του γάλακτος). Όξινη πήξη Σε ph < 5,2 τα μικύλλια των καζεινών αποδιοργανώνονται. Αυτό συμβαίνει επειδή το κολλοειδές φωσφορικό ασβέστιο αποσυνδέεται από τα καζεινικά μικύλια και διαλυτοποιείται. Σε ph 4,6, που είναι το ισοηλεκτρικό σημείο καζεινών, συμβαίνει εξουδετέρωση του αρνητικού φορτίου της καζείνης, και σχηματίζεται ένα συνεκτικό δίκτυο από αφαλατωμένα υπομικύλλια. Αυτό μετατρέπεται σε πήγμα που περιλαμβάνει το σύνολο του νερού και των άλλων συστατικών του γάλακτος. Στο πήγμα αναπτύσσονται ενδομοριακοί ηλεκτροστατικοί και υδρόφοβοι δεσμοί, με αποτέλεσμα να είναι εύθραυστο.
Στους περίπου 40 ο C η πήξη παρατηρείται ήδη από το ph 5,2. Η οξίνηση του γάλακτος συμβαίνει με ζύμωση της λακτόζης από γαλακτικά βακτήρια, με παραγωγή γαλακτικού οξέος. Η ζύμωση συμβαίνει στην παρασκευή γιαουρτιού και άλλων προϊόντων ζύμωσης του γάλακτος με ph 3,9-4,5. Το γάλα υφίσταται θερμική κατεργασία στους > 80 οc. Με αυτή εξυγιαίνεται το γάλα, και υφίσταται κάποια συμπύκνωση για λήψη συμπαγούς πήγματος γιαουρτιού. Επίσης, συμβαίνει μετουσίωση πρωτεϊνών του ορού, κυρίως της β-λακτογλοβουλίνης, που αλληλεπιδρούν με τις καζείνες. Έτσι, μαζί με τις καζείνες κατακρημνίζονται και συμμετέχουν στο πήγμα και οι μετουσιωμένες πρωτεΐνες του ορού. Στάδια όξινης πήξης.
Η πήξη του γάλακτος με χυμοζίνη Η πήξη του γάλακτος με τη δράση της χυμοζίνης είναι το πρώτο στάδιο στην παρασκευή τυριών. Αυτή συμβαίνει σε δύο φάσεις, την ενζυμική και την μη ενζυμική φάση. Κατά την ενζυμική φάση η χυμοζίνη υδρολύει το δεσμό Phe 105-Met 106 της κ-καζείνης. Η αντίδραση ολοκληρώνεται σε λίγα λεπτά ακόμη και στους περίπου 15 o C. Προϊόντα είναι η η παρα-κ-καζείνη (1-105 αμινοξέα της κ-καζείνης, αμινοτελικό άκρο της κ-καζείνης), και το γλυκομακροπεπτίδιο (μακροπεπτίδιο) (106-160 αμινοξέα, καρβοξυτελικό άκρο της κ-καζείνης).
Έτσι, με την υδρόλυση της κ-καζείνης προκύπτει η παρακαζείνη και το γλυκομακροπεπτίδιο. Η παρακαζείνη είναι η τροποποιημένη καζείνη. Στην παρακαζείνη περιλαμβάνεται και η παρα-κ-καζείνη που απελευθερώνεται με την ενζυμική υδρόλυση. Το γλυκομακροπεπτίδιο απομακρύνεται από την επιφάνεια των μικυλλίων των καζεινών. Επειδή είναι έντονα αρνητικά φορτισμένο, με την απομάκρυνσή του μειώνεται το αρνητικό φορτίο των μικυλλίων όπως και η ηλεκτροστατική άπωση μεταξύ τους. Επίσης, μειώνεται η επιφανειακή τους ενυδάτωση κατά περίπου 30 %. Το μακροπετίδιο ως υδατοδιαλυτό διαλύεται στον ορό του γάλακτος. Όταν υδρολυθεί το περίπου 85 % της κ-καζείνης αρχίζει προοδευτικά η κροκίδωση των μικυλλίων, με ανάπτυξη υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων και γεφυρών ασβεστίου. Πήξη του γάλακτος με πυτιά.
Πήξη του γάλακτος με χυμοζίνη. Ι. Δράση χυμοσίνης στην κ-καζειίνη. ΙΙ. Αποσταθεροποίηση μικυλλίου με απομάκρυνση του μακροπεπτιδίου. ΙΙ. Κροκίδωση αποσταθεροποιημένων μικυλλίων με ιόντα ασβεστίου.
Δηλαδή αποτέλεσμα της ενζυμικής πήξης του γάλακτος είναι η δημιουργία ενός τρισδιάστατου πρωτεϊνικού πλέγματος, της παρακαζείνης. Η παρακαζείνη περιέχει και ανόργανα συστατικά και διατηρεί τα χαρακτηριστικά των μικυλλίων της. Στην ακόλουθη μη ενζυμική φάση τα ιόντα ασβεστίου είναι απαραίτητα. Η συσσωμάτωση των αποσταθεροποιημένων μικυλλίων των καζεινών παρουσία ιόντων ασβεστίου συμβαίνει σε θερμοκρασία > 20 ο C. Συχνά προστίθεται στο γάλα (10-20 g/100 ml). Το πήγμα παρουσιάζει μεγάλη ικανότητα συναίρεσης. Συναίρεση είναι η ιδιότητα του πήγματος να συρρικνώνεται και να αποβάλλει ορό (τυρόγαλα). Το πήγμα (τυρόπηγμα) παρουσιάζει ελαστικότητα και δεν θρυμματίζεται. Στο τυρόπηγμα περικλείονται τα λιποσφαίρια και μέρος του ορού του γάλακτος. Το γλυκομακροπεπτίδιο απομακρύνεται με το τυρόγαλα.
Λειτουργικές ιδιότητες πρωτεϊνών γάλακτος Οι κύριες λειτουργικές ιδιότητες των πρωτεϊνών του γάλακτος αφορούν την ενυδάτωσή τους. Η ικανότητά τους να συγκρατούν νερό ελέγχει τη διαλυτότητά τους, και επηρεάζει και άλλες σημαντικές ιδιότητές τους όπως τη γαλακτωματοποιητική ικανότητα, τον αφρισμό, τη ζελατινοποίηση. Με την ενυδάτωση σχετίζονται Η όξινη πήξη και η πήξη με χυμοζίνη. Η συσσωμάτωση με θέρμανση των καζεινών. Η μη όξινη πήξη (πήξη ηλικίας ) (συμβαίνει με δράση πρωτεολυτικών ενζύμων). Η θρόμβωση κατά την παρασκευή τυριών τυρογάλακτος (με τη θερμική κατεργασία συμβαίνει μετουσίωση των πρωτεϊνών του ορού και θρόμβωση). Η ανασύσταση της σκόνη γάλακτος. Οι πρωτεΐνες του γάλακτος βρίσκουν εφαρμογή στη ζαχαροπλαστική και αρτοποιία για αύξηση της ικανότητας προσρόφησης νερού από το αλεύρι. Έτσι, πετυχαίνεται βελτίωση της αρτοποιητικής ικανότητας ασθενών αλεύρων. Χρησιμοποιούνται περισσότερο οι καζεΐνες, κυρίως κυρίως το καζεινικό νάτριο, που παρουσιάζει διαλυτότητα σε εύρος ph με εξαίρεση ph 3-5. Οι πρωτεΐνες του ορού χρησιμοποιούνται λιγότερο.
Γαλακτωματοποιητική ικανότητα: Οι πρωτεΐνες του γάλακτος, και κυρίως οι καζείνες έχουν πολύ καλή γαλακτωματοποιητική-σταθεροποιητική ικανότητα. Με ξεδίπλωμα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας διατάσσονται στην επιφάνεια μεταξύ υδατικής και λιπαρής φάσης. Τα καζεινικά παράγωγα, καζεινικό νάτριο και καζεινικό κάλιο, χρησιμοποιούνται περισσότερο, όπως σε παγωτά. Αφρισμός: Αφρός είναι σύστημα δύο φάσεων, που αποτελείται από φυσαλίδες αέρα που διαχωρίζονται (μεταξύ τους) από λεπτό και συνεχές στρώμα υγρού. Οι πρωτεΐνες προσανατολίζουν τις υδρόφιλες και υδρόφοβες ομάδες τους προς την υδατική και μη υδατική φάση αντίστοιχα. Έτσι, προσδίνουν ομοιόμορφη κατανομή του αέρα, και κατά συνέπεια ομοιόμορφη και επιθυμητή δομή στα τρόφιμα στα οποία προστίθενται. Από τις πρωτεΐνες του γάλακτος οι καζείνες χρησιμοποιούνται περισσότερο, κυρίως σε γλυκά και σαντιγύ. Ζελατινοποίηση: Η ζελατινοποίηση επηρεάζει την υφή, το χυμώδες και παίζει ρόλο στη σταθεροποίηση γαλακτωμάτων και αφρών. Η θρομβωμένη καζείνη σχηματίζει πηκτή. Από την ικανότητα ζελατινοποίησης πρωτεϊνών του γάλακτος εξαρτάται η δομή του τυροπήγματος, και η υφή της γιαούρτης. Η ζελατινοποίηση των καζεϊνών βρίσκει εφαρμογή στην παρασκευή τυριού Cottage και κρέμας γάλακτος. Οι πρωτεΐνες του ορού του γάλακτος χρησιμοποιούνται σε προϊόντα κρέατος για τη συμβολή τους στο σχηματισμό πηκτής.