Структура мицелл казеина, обусловливающая коллоидное состояние золя

Хотя окончательно вопрос структуры мицелл казеина не решен, на базе исследований последних лет с использованием электронно-микроскопических и других методов предпочтение отдается модели субмицеллярного строения рыхлых пористых мицелл. Согласно этому представлению мицеллы казеина имеют почти сферическую форму, средний диаметр около 100 нм (колебания от 40 до 300 нм) и молекулярную массу в среднем 6^.10⁸. Количество мицелл казеина в молоке намного больше, чем жировых шариков (до 15^.10¹⁵ против 15^.10⁸ в 1 см³).

Мицеллы казеина состоят из нескольких сотен субмицелл диаметром 10-15 нм. Субмицеллы – это агрегаты основных фракций казеина (α_S-, β- и κ-),соединенных между собой гидрофобными, электростатическими, водородными связями и кальциевыми мостиками. Полипептидные цепи фракций казеина свертываются в субмицелле таким образом, что большинство гидрофобных групп составляют ее ядро, а гидрофильные располагаются на поверхности субмицелл. Гидрофильная часть содержит отрицательно заряженные кислотные группы аспарагиновой и глютаминовой кислот (СОО^-) и фосфорной кислоты (РО₃^2-). Гидрофильные свойства субмицелл и мицелл усиливают ориентированные наружу гликомакропептиды κ-казеина, располагающегося большей частью на поверхности субмицелл, причем субмицеллы различаются содержанием κ-казеина. Субмицеллы с незначительным содержанием κ-казеина расположены внутри мицелл, а с высоким содержанием – на поверхности. Пептидная часть гликомакропептидов κ-казеина содержит большое количество оксиаминокислот (серина и треонина), глютаминовой и аспарагиновой кислот, а углеводная – свободные карбоксильные группы сиаловой кислоты. Объединение субмицелл в мицеллы происходит, по мнению многих исследователей, с помощью коллоидного фосфата кальция и, возможно, за счет цитрата кальция и гидрофобных взаимодействий. Точный состав коллоидного фосфата кальция и механизм его взаимодействия с казеином пока не установлен, но выяснено, что удаление его из молока вызывает нарушение структуры мицелл. В соответствии с последними представлениями о строении мицеллы казеина поверхность ее имеет «волосковый слой», который распространяется в дисперсную среду на 10-15 нм и препятствует сближению мицелл (см.рис.5.5). «Волосковый слой» представляет собой выступающие с поверхности мицелл гидрофильные участки полипептидных цепей κ-казеина – гликомакропептиды. Мицеллы имеют пористую структуру, что обусловливает проникновение внутрь мицелл, воды и ферментов.

Диссоциация присутствующих на поверхности мицелл карбоксильных групп глутаминовой, аспарагиновой и сиаловой кислот, а также фосфатных групп сообщает мицеллам отрицательный заряд, что обусловливает силы электростатического отталкивания между коллоидными частицами.

В свежем молоке мицеллы казеина обладают относительной устойчивостью – не коагулируют при механических воздействиях (очистка, сепарирование, гомогенизация) и при нагревании молока до высоких температур. Для снижения их устойчивости, то есть для коагуляции, необходимо воздействие таких факторов, как понижение рН, повышение концентрации ионов кальция, внесение сычужного фермента.

Факторы устойчивости казеина представляют большой практический интерес. В настоящее время в литературе их рассматривают с позиции теории ДЛФО (теории развитой Дерягиным Б.В., Ландау Л.Д., Фервеем Е. И Овербеком Дж.). Согласно теории ДЛФО устойчивость к коагуляции коллоиддных растворов зависит от соотношения молекулярных сил притяжения и электростатических сил отталкивания между коллоидными частицами. В свежем молоке силы электростатического отталкивания между мицеллами казеина преобладают над силами молекулярного притяжения (Ван-дер-Ваальса-Лондона), за счет чего коллоидная система молока находится в устойчивом состоянии.

В нативном состоянии мицеллы казеина имеют на своей поверхности одинаковый заряд за счет преобладания отрицательно заряженных карбоксильных и фосфатных групп. По закону электронейтральности поверхностный заряд на стороне дисперсионной среды должен быть компенсирован равным по величине противозарядом. Противозаряд образуют противоположно заряженные гидратированные ионы кальция, называемые противоионами, и небольшое количество одинаково заряженных анионов. Часть противоионов размещается в форме адсорбционного неподвижного слоя относительно отрицательно заряженной поверхности мицеллы, а остальные ионы вследствие теплового движения диффузно рассеяны. Упрощенное изображение мицеллы казеина с двойным электрическим слоем приведено на рисунке 10.1. Таким образом, на границе раздела фаз образуется двойной электрической слой за счет положительно заряженных противоинов кальция, другие гидратированные ионы кальция, а также анионы, образуют диффузный двойной электрический слой. Электростатическое отталкивание между мицеллами казеина наступает только в том случае, если их диффузные двойные слои проникают друг в друга.

Рис. 10.1. Упрощенное изображение мицеллы казеина с двойным электрическим слоем:

1 – отрицательно заряженная поверхность, внутренний слой; 2 – неподвижный адсорбционный слой ионов Са⁺⁺, наружный слой; 3 – диффузный двойной электрический слой катионов и анионов молока

За количественную меру силы электростатического отталкивания принимают электрокинетический потенциал (дзета-потенциал), который рассчитывают по электрофоретической подвижности мицелл (для нативных казеиновых мицелл равен 47,6 мВ). Потенциальная энергия электростатического отталкивания тем больше, чем меньше расстояние между частицами и чем больше толщина двойного электрического слоя.

Кроме сил электростатического отталкивания между мицеллами казеина действуют силы молекулярного притяжения (межмолекулярного взаимодействия) Ван-дер-Ваальса-Лондона.

Потенциальная энергия взаимодействия между частицами V складывается из энергии электростатического отталкивания V_Э и энергии молекулярного притяжения V_М между ними: V=V_Э+V_М. Эта величина может иметь как отрицательное, так и положительное значение в зависимости от преваливания сил отталкивания (обозначают со знаком минус) или сил притяжения (обозначают со знаком плюс).

Таким образом, в свежем молоке силы электростатического отталкивания между мицеллами казеина преобладают над силами молекулярного притяжения и коллоидная система находится в устойчивом коллоидном состоянии золя.

Факторами устойчивого коллоидного состояния золя являются наличие на поверхности мицелл преобладающего отрицательного заряда за счет полярных групп (фосфатных и карбоксильных), связывания полярными группами молекул воды и формирования хорошо развитой гидратной оболочки, образования относительно заряженной поверхности мицелл двойного электрического слоя.