Autor: Zdravko Šumić
Mentor: prof. dr Spasenija Milanović
Kravlje mlijeko sadrži prosječno 4,8% laktoze. Ona čini oko 37% suve materije mlijeka, što čini da mliječnog šećera ima više nego ostalih sastojaka pojedinačno. Od svih sastojaka laktoza podliježe relativno najmanjim kolebanjima u toku laktacionog perioda. Na količinu laktoze najveći uticaj ima zdravstveno stanje vimena. U slučaju mastitisa količina laktoze se znatno smanjuje.
Slika 5. Hemijska struktura laktoze
Laktoza utiče na niz fizičkih osobina mlijeka: osmotski pritisak, indeks refrakcije. U tehnološkom pogledu ona je značajna pri proizvodnji kiselomliječnih proizvoda, sireva, kisele pavlake i maslaca. U znatnoj mjeri utiče i na senzorna svojstva mlijeka.
.
Fizičke osobine laktoze
Laktoza je disaharid koji se sastoji od D-glukoze i D-galaktoze. Ova dva molekula povezana su galaktozidnom vezom tj. preko aldehidne grupe galaktoze (veza se ostvaruje preko prvog C atoma galaktoze i četvrtog C atoma glukoze). Na molekulu glukoze ostaje slobodna poluacetalna -OH grupa koja ima redukujuće osobine pa laktoza spada u redukujuće šećere.
Laktoza se u mlijeku nalazi u dva strukturno izomerna oblika a i b koji se razlikuju po konfiguraciji H i OH grupa na prvom C atomu glukoze. Ova dva oblika se razlikuju po fizičkim osobinama:
– veličini ugla skretanja ravni polarizovanog svjetla,
– rastvorljivosti,
– uslovima kristalizacije i,
– oblikom, veličinom, čvrstinom, gustinom i temperaturom rastvaranja kristala.
Na datoj temperaturi uspostavlja se ravnoteža ova dva oblika. Jedan prelazi u drugi što se naziva mutarotacija. Njihov odnos zavisi od temperature.
Oba ova oblika mogu kristalisati iz presićenog rastvora u hidratnom (sa vezanim jednim molekulom vode) i anhidrovanom obliku (Đorđević, 1987).
Rastvorljivost. Laktoza pokazuje neke posebne osobine rastvaranja. Pri obrazovanju vodenih rastvora razlikuju se tri karakteristična momenta koji se označavaju kao:
Početna rastvorljivost. Privremeni, nestabilni stadijum u rastvaranju mliječnog šećera i definiše se kao procenat laktoze koji se rastvori u vodi prije nego što počne mutarotacija. Ona u velikoj mjeri zavisi od temperature i povećava se sa povećanjem temperature.
Završna rastvorljivost. Poslije stadijuma početne rastvorljivosti, dalje rastvaranje laktoze nije moguće bez prelaska a oblika u b oblik ili obrnuto. S obzirom da je b oblik rastvorljiviji ovo pretvaranje se nastavlja sve do obrazovanja zasićenog rastvora pri čemu se uspostavlja ravnoteža između dva oblika. Kada se govori o rastvorljivosti misli se na završnu (ukupnu) rastvorljivost na određenoj temperaturi.
Završna rastvorljivost laktoze je relativno mala (manja od saharoze i glukoze). Ovo je jedan od faktora koji ograničava širu upotrebu laktoze. Rastvorljivost laktoze se u prisustvu saharoze smanjuje, a povećava u prisustvu kalcijumovih soli CaCl2, CaBr2, Ca(NO3)2. Prisustvo ovih soli dovodi i do obrazovanja vrlo stabilnih presićenih rastvora. Razlog ovakvom ponašanju je obrazovanje kompleksa između mliječnog šećera, soli i rastvarača.
Laktoza je vrlo rastvorljiva u alkoholima i nerastvorljiva u nepolarnim organskim rastvaračima (hloroform, etar). Zbog toga se ovi solventi koriste za izdvajanje laktoze iz vodenih rastvora. Ako se zasićenom vodenom rastvoru laktoze doda alkohol nastupiće smanjenje rastvorljivosti i započeće kristalizacija.
Presićenost (superrastvorljivost). Ako se zasićeni rastvor laktoze hladi dobiće se presićen rastvor. Pri sporom hlađenju presićenost može postati velika. Prema tome osobina je laktoze da stvara presićene rastvore koji su prilično stabilni tj. kod kojih kristalizacija ne nastupa automatski.
Kristalizacija. Proces kristalizacije se sastoji iz dva stadijuma:
1. obrazovanje jezgra kristalizacije i
2. porast jezgara sa obrazovanjem kristala
Kao što je već rečeno spontana kristalizacija iz presićenih rastvora laktoze se teško odvija. Zato je najčešće potrebno da se kristalizacija potpomogne dodavanjem već formiranih kristala laktoze, mešanjem rastvora, primjenom ultrazvuka i sl.
Ako je temperatura rastvora niža (ispod 93,5oC) obrazovaće se kristali a hidrata laktoze, jer je ovaj oblik manje rastvorljiv od b’oblika. Ovim se narušava ravnoteža, pa izvjesna količina b laktoze prelazi u a-laktozu sa težnjom da opet uspostavi ravnotežu. Na ovaj način se ponovo obrazuje presićen rastvor a-laktoze što omogućava da se kristalizacija nastavi sve dok se koncentracija ukupne laktoze (a + b) ne smanji do nivoa koji odgovara završnoj rastvorljivosti na datoj temperaturi. Zbog ovoga kristalizacija laktoze zahtjeva više vremena.
Na brzinu kristalizacije utiče čitav niz faktora:
- stepen presićenosti (što je veći, veća je brzina kristalizacije, jer je veća vjerovatnoća obrazovanja jezgara),
- temperatura (sniženjem se postiže veća presićenost, ali time se povećava viskozitet),
- viskozitet rastvora (što je veći manja je brzina difuzije i time manja brzina kristalizacije),
- jačina podstreka za kristalizaciju,
- površina jezgara kristalizacije i
- da li se kristalizacija odvija u miru ili u pokretu.
Brzina kristalizacije se najčešće određuje promjenom koncentracije u jednakim vremenskim intervalima. Najveća brzina je na početku, tj.kada je presićenost najveća. Brzina mutarotacije zavisi od temperature i veća je sa njenim povećanjem (koristi se 30-32oC). Kristalizacija se odvija brže na višim temperaturama.
U proizvodnji mliječnog šećera presićenost rastvora postiže se smanjenjem temperature pa se tom prilikom obrazuju kristali a-hidratne laktoze. Zbog toga se u trgovini laktoza nalazi u obliku a-hidratne laktoze i ona je sinonim za laktozu u običnom govoru.
Kristali b-laktoze dobijaju se iz presićenih ratvora t>93,5oC. Kristali ovog oblika ne sadrže kristalnu vodu pa je to b-anhidrid laktoze. Naravno konverzija između hidratni=anhidridni oblik moguća je i kod a i b-laktoze.
Kristali laktoze imaju kompleksnu kristalografsku strukturu. To su monociklični kristali sa jednom osom simetrije. Na oblik kristala utiče:
– prisustvo drugih materija u rastvoru (saharoza utiče u tom smislu da nastaju kraći i širi kristali). Prisustvo koloidnih materija ne izaziva promjene u izgledu kristala.
– brzina kristalizacije. Ako se odvija dovoljno brzo dobiće se kristali igličastog oblika. Kod a-laktoze ove iglice su prave, dok su kod b-laktoze savijene.
U čvrstom stanju laktoza se može dobiti u amorfnom obliku, koji se naziva laktozno staklo. To se dešava pri brzom sušenju koncentrovanog rastvora laktoze. Veliki viskozitet i brzo sušenje onemogućavaju kristalizaciju. Onemogućena je i mutarotacija tako da je odnos a/b onakav kakav je bio u rastvoru u trenutku sušenja. Laktozno staklo je vrlo higroskopno. Apsorbuje vodenu paru iz vazduha i postaje vrlo ljepljivo. Na ovo se mora obratiti pažnja pri čuvanju mlijeka u prahu (Đorđević, 1987).
.
Hemijske reakcije
U zavisnosti od uslova sredine u reakciju mogu stupiti: glukozidna veza, poluacetalna (redukujuća) grupa glukoze, slobodne hidroksilne grupe i veze između C atoma.
Hidroliza. Raskidanje glukozidne veze može nastati dejstvom enzima, neorganskih kiselina i jonskih izmjenjivača.
enzim b-D-galaktozidaza izaziva hidrolizu laktoze pri čemu nastaju glukoza i galaktoza. Brzina reakcije zavisi od koncentracije enzima, temperature, pH i prisustva drugih supstanci (prisustvo galaktoze usporava djelovanje enzima pa je hidroliza usporena u kasnijim stadijumima. Inaktiviranje enzima nastaje na 75oC/15min.
za hidrolizu laktoze koriste se jače mineralne kiseline (HCl, H2SO4) jer je ona otpornija na ovaj način hidrolize od nekih drugih disaharida, npr. saharoze. Brzina hidrolize zavisi od c(kiseline) i temperature s tim što se ne koriste t>100oC jer tada nastaje niz jedinjenja koja pogoršavaju senzorna svojstva.
sulfonisane polisaharidne smole koje se koriste u jonskim izmjenjivačima takođe efikasno vrše hidrolizu laktoze jer sulfonske kiseline su jake kiseline. Hidroliza ovim kiselinama ima prednost jer se ne stvaraju sporedni proizvodi hidrolize.
Oksidacija. Kao posljedica oksidacije laktoze može nastati veliki broj različitih jedinjenja.
– pri blagoj oksidaciji oksidiše se samo karbonilna grupa koja prelazi u -COOH i nastaje laktobionska kiselina. Ova reakcija odvija se pri kvalitativnom i kvantitativnom određivanju laktoze pomoću Felingovog reagensa (CuSO4). Međutim, laktobionska kiselina će nastati samo u prisustvu pogodnog pufera. U suprotnom nastaće hidroliza laktoze, a zatim oksidacija glukoze i galaktoze do D-glukonske i D-galaktonske kiseline.
Laktobionska kiselina pokazuje jako izraženu težnju da obrazuje laktone kao posljedica intramolekulske esterifikacije hidroksilnih grupa na 4 i 5 C atomu.
– Oksidacija sa cc(HNO3) daje dikarbonske kiseline sa kraćim lancem kao što su vinska, racemska i oksalna.
– Oksidacija perjodatima daje formaldehid i HCOOH.
– Potpuna oksidacija sa obrazovanjem CO2 i H2O može se postići KMnO4 u alkalnoj sredini. Potpuna oksidacija nastaje i kao posljedica biološke oksidacije u organizmu.
– Oksidativne promjene mogu nastati i pod uticajem povišene temperature.
Redukcija. Redukcijom laktoze pod nekontrolisanim uslovima može da nastane čitav niz jedinjenja. U prvom redu to su različiti alkoholi. Redukcija laktoze pod određenim uslovima temperature i pritiska koristi se za proizvodnju laktozitola. Redukciji podliježe u prvom redu aldehidna grupa šećera koja usljed toga prelazi u alkoholnu.
Piroliza. Pod dejstvom povišene temperature i pri različitim uslovima sredine može nastati veoma veliki broj produkata degradacije laktoze od kojih izvjestan broj ima značaja za tehnologiju mlijeka.
Prilikom kuvanja ili sterilizacije mlijeka javlja se žućkasta ili slabo mrka boja. Ranije se smatralo da je to posljedica karamelizacije šećera. Kasnije je utvrđeno da ova promjena boje nastaje kao posljedica prisutnih i laktoze i proteina mlijeka, u prvom redu kazeina, usljed čega nastaju šećeri po tipu Maillardove reakcije. Obrazovanje aminošećera ima nisku Ea pa je reakcija autokatalitička do izvjesnog stepena. Ovo znači da Maillardova reakcija teče i poslije prestanka dejstva visokih temperatura koje je iniciraju.
Ako se svježa surutka (ili surutka koja je učinjena slabo alkalnom dodavanjem NaOH ili Na2CO3) zagrijeva duže na temperaturi ključanja mogu se uočiti dvije vrste promjena:
1. promjena boje koja postepeno postaje mrka. Ova promjena izazvana je nastajanjem aminošećera. Dakle, i proteini surutke i neproteinske azotne materije, a ne samo kazein, mogu da reaguju sa laktozom.
2. smanjenje pH. Ono nastaje kao posljedica termičke razgradnje laktoze usljed čega nastaju razne niskomolekularne kiseline: mliječna, mravlja, sirćetna i u manjoj mjeri levulinska i pirogrožđana.
Stepen termičke razgradnje laktoze (i vrsta jedinjenja koja nastaje) u velikoj mjeri zavisi od uslova pod kojima se ona odigrava a to su: temperatura, pH, pritisak, c(O2), vrsta pufera i sl.
.
Vrste fermentacije laktoze
Mlijeko je veoma pogodna sredina za razvoj različitih mikroorganizama. Različiti mikroorganizmi u mlijeku fermentišu laktozu stvarajući veoma različite proizvode kao rezultat metaboličkih procesa. Od svih metabolita za tehnologiju mlijeka bitne su mliječni, propionski, buterni i alkoholni metaboliti.
Prije fermentacije laktoza biva hidrolizovana pod dejstvom enzima b-D-galaktozidaze, a nastali proizvodi, glukoza i galaktoza, podliježu fermentativnoj transformaciji.
Mliječna fermentacija. Odigrava se pod dejstvom bakterija mliječne kiseline:
Ovakva kvantitativna reakcija nikada se ne dešava jer pored mliječne kiseline nastaju i različiti drugi proizvodi (CO2, H2, CH4, CH3COOH i dr.). Samo ako se fermentacija odvija pod djelovanjem selekcionisanih sojeva homofermentativnih bakterija mliječne kiseline pri optimalnim uslovima sredine reakcija je prilično kvantitativna jer se od laktoze stvori fermentacijom 85-98% mliječne kiseline.
Neselekcionisani sojevi mliječnih bakterija mogu da stvore samo oko 1% mliječne kiseline jer promjena reakcije sredine ometa njihovu aktivnost (smanjenje pH).
Mliječna fermentacija ima veliki značaj. Na njoj se zasniva proizvodnja kiselomliječnih proizvoda, kisele pavlake, „kiselih sireva“ i dr. Mliječna fermentacija se odvija i za vrijeme zrijenja sireva (Carić, 1997).
Mliječna fermentacija može da bude i od ogromne štete ako se odvija nekontrolisano u mlijeku. Mlijeko sa povećanom kiselošću ima slabije tehnološke osobine i može se iskoristiti samo u izradi nekih proizvoda koji su lošijeg kvaliteta (sitni sir, tehnički kazein, maslac).
Propionska fermentacija. Od značaja je kod proizvodnje nekih vrsta sireva čiji je predstavnik ementalski sir. Kod drugih sireva i ostalih mliječnih proizvoda ova fermentacija se smatra štetnom. U mlijeku se ova fermentacija ne sreće jer su bakterije propionske kiseline anaerobne ili mikroaerofilne pa ne postoje uslovi da se ona odigra.
Propionska fermentacija se nastavlja na mliječnu. To znači da mliječne bakterije fermentuju laktozu do mliječne kiseline koju zatim bakterije propionske kiseline fermentacijom pretvaraju u propionsku.
Iz reakcije se vidi da je ova transformacija u suštini heterofermentativna. Prilikom propionske fermantacije nastaje znatna količina CO2 koja se koncentriše u međuprostorima između pojedinih zrna tijesta sireva i dovodi do obrazovanja okaca (šupljina). Otuda se u tijestu ementalskog sira nalaze velike šupljine.
Buterna fermentacija. Smatra se sekundarnom jer ne nastaje neposredno iz glukoze već od proizvoda njene prethodne transformacije kao što su mliječna, pirogrožđana kiselina i glicerin. Pojedine vrste buternih bakterija pokazuju veću sklonost da transformišu pojedina od tri pomenuta supstrata.
Pored buterne pri ovoj transformaciji nastaju i drugi proizvodi: CH3COOH, CO2, H2, CH4 i dr. Gasovi: CH4, CO2, H2 izazivaju nadimanje tvrdih sireva.
Buterna fermentacija je nepoželjna u mlijeku i proizvodima jer dovodi do nepoželjnih promjena mirisa i ukusa. Nanosi velike štete u proizvodnji tvrdih sireva izazivajući tzv.kasno nadimanje koje se javlja 3-4 nedjelje poslije zrijenja sireva. Buterna fermentacija u sirevima počinje tek kada mliječna prestane i kada pH počne da raste kao rezultat fermentacije proteina. To dolazi zbog njihove osjetljivosti prema kiseloj sredini i zbog antagonizma prema mliječnim bakterijama. Buterne bakterije su većinom sporogene i zato se teško uništavaju. Osnovni način borbe protiv buternih bakterija sastoji se u poboljšanju higijenskih uslova proizvodnje maslaca, tj.da se spriječi da one dospiju u mlijeko (Carić, 1997).
Alkoholna fermentacija. Mliječni šećer se poslije hidrolize može prevesti u alkohol (Saccharomyces). Ova fermentacija je značajna kod proizvodnje:
– kiselomliječnih proizvoda kefira i kumisa. Ovdje se pored mliječne fermentacije odvija i alkoholna, pri kojoj nastaje značajna količina CO2. Ovaj gas prožima masu kefira i kumisa dajući im pjenušav izgled. On nekada stvara i probleme prilikom pakovanja ovih proizvoda jer izaziva nadimanje.
– Proizvodnja alkohola iz surutke.
Dakle, kvasci fermentacijom laktoze pored mliječne kiseline proizvode etanol i CO2.
Spisak korišćene literature možete naći u Literatura – Tehnologija mleka.