Химические свойства лактозы

В молоке и молочных продуктах лактоза вместе с другими компонентами молока может подвергаться воздействию различных факторов: температурных, изменений величины рН и др., то есть может участвовать в химических реакциях в результате которых образуются соединения или продукты распада, обусловливающие свойства продуктов или отрицательно влияющие на вкус, окраску молочных продуктов.

Из большого числа возможных химических реакций следует остановиться на тех, которые представляют практический интерес. Одним из основных химических свойств лактозы является гидролиз.

Гидролиз лактозы – это расщепление ее молекул с присоединением воды с образованием глюкозы и галактозы. Гидролиз происходит по месту кислородного мостика между глюкозой и галактозой. Гидролиз лактозы может проходить под действием фермента лактазы (β-галактозидазы), минеральных кислот и ионнообменных смол.

Ферментативный гидролиз лактозы проходит под действием фермента лактазы при оптимальных условиях (рН 6,0-6,5) и создает предпосылки для регулируемого молочнокислого брожения. Молочнокислые бактерии не сбраживают лактозу, а только продукты ее гидролиза. (Различные виды брожения продуктов гидролиза лактозы будут подробно рассмотрены при обсуждении темы 13).

Кислотный гидролиз лактозы происходит под действием крепких растворов минеральных кислот (серной и соляной), так как кислородный мостик лактозы довольно прочный. Кислотный гидролиз проводят при высоких температурах с целью получения глюкозо-галактозного сиропа. Продукты гидролиза – моносахара – слаще на вкус. Лактоза гидролизуется под действием ионообменных смол – катионитов из сульфонированного полистирола. Гидролизующее действие при этом не отличается от гидролитического действия минеральных кислот, так как сульфоновые кислоты относятся к сильнодействующим. Преимущество этого способа гидролиза в том, что устраняются нежелательные побочные реакции.

Наличие свободного полуацетального (гликозидного) гидроксила в глюкозном остатке лактозы обусловливает реакции, характерные для восстанавливающих сахаров. Например, лактоза легко окисляется слабыми окислителями (жидкость Фелинга, йод и др.) с образованием лактобионовой кислоты. Лактоза восстанавливает жидкость Фелинга (раствор сернокислой меди) до закиси меди, которая выпадает в осадок и определяется количественно. Это свойство лактозы используют для количественного определения ее содержания в молоке (методы Бертрана и йодометрический).

При нагревании как в растворе, так и твердом состоянии лактоза претерпевает химические преобразования, которые сопровождаются потемнением цвета, изменениями вкуса и могут привести к ухудшению качества продуктов. При нагревании растворов лактозы в результате дегидратации образуется 5-гидроксиметил-2-фурфурол, обусловливающий потемнение раствора лактозы.

Нагревание твердой лактозы ведет к образованию дегидратированного сахара – глюкозана, обусловливающего типичный вкус и запах жженого молочного сахара. При этом образуются и другие полимерные продукты, состав которых пока неизвестен. Последующее повышение температуры ведет к полному пиролизу, то есть распаду лактозы под действием нагревания. Это явление карамелизации лактозы.

Наступающее иногда явление побурения молочных продуктов (стерилизованный, сгущенных, сухого молока) объясняется не карамелизацией, а реакцией соединения лактозы с белками с образованием окрашенных веществ меланоидинов.

В практике молочной промышленности в настоящее время используют способность трансформации остатка глюкозы в молекуле лактозы во фруктозу (перегруппировка Амадори). Эта реакция протекает в щелочной среде при нагревании водных растворов лактозы. Образовавшийся продукт называется лактулозой. Лактулозу считают наиболее активным бифидогенным фактором. Ее физиологическая роль заключается в том, что она не усваивается в верхнем отделе желудочно-кишечного тракта, проходит в толстый кишечник, где стимулирует развитие бифидобактерий, которые превращают данный изомер лактозы в молочную, уксусную и другие органические кислоты, подавляющие развитие посторонней кишечной микрофлоры. Лактулозу используют в производстве продуктов детского и диетического питания, а также в медицинской практике при лечении различных заболеваний. В настоящее время начато промышленное производство российской пищевой лактулозы «Лактусан».

Биосинтез лактозы

Дисахарид лактоза образуется в клетках молочной железы из D-глюкозы и уридиндифосфатгалактозы (УДФ-галактозы).

Синтенз лактозы происходит под действием лактозосинтетазной системы двух ферментных белков: белка А, катализирующего перенос галактозы от УДФ-галактозы на N-ацетилглюкозамин и белка В (α-лактальбумина). Белок В сам по себе не обладает каталитической актвиностью. Но этот белок изменяет специфичность белка А таким образом, что в качестве акцептора галактозы белок А может использовать не N-ацетилглюкозамин, а D-глюкозу. В результате этого белок А приобретает способность катализировать образование лактозы, а не N-ацетиллактозамина.

Последовательность реакций синтеза лактозы следующая:

Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ,

Глюкозо-6-фосфат → Глюкозо-1-фосфат,

Глюкозо-1-фосфат + УТФ → УДФ-глюкоза + 2Фн,

УДФ-глюкоза → УДФ-галактоза,

УДФ-галактоза + Глюкоза → Лактоза + УДФ.

Все реакции протекают при участии соответствующих ферментов, последнюю стадию катализирует лактозосинтетазная система двух ферментных белков.

Контрольные вопросы

1. Какие углеводные компоненты содержатся в молоке?

2. В чем заключается роль лактозы в молоке, производстве молочных продуктов и для организма человека?

3. Какие свойства лактозы обусловлены наличием в ее молекуле полуацетального (гликрозидного) гидроксила?

4. Каковы отличительные свойства изомерных форм лактозы: α-гидратной и β-лактозы?

5. Какова специфика процесса кристаллизации лактозы в производстве молочного сахара?

6. При каких условиях происходит гидролиз лактозы?

7. На чем основан переход лактозы в лактулозу и какое практическое значение имеет лактулоза?

8. Какие реакции лежат в основе синтеза лактозы?