Лактоза (молочный сахар) Лактоза (от лат. lactis — молоко) С12Н22О11 — углевод группы дисахаридов, содержится в молоке и молочных продуктах. Молекула лактозы состоит из остатков молекул глюкозы и галактозы. Лактозу иногда называют молочным сахаром. При кипячении с разбавленной кислотой происходит гидролиз лактозы. Получают лактозу из сыворотки молока. Применяют для приготовления питательных сред, например
при производстве пенициллина. Используют в качестве вспомогательного вещества (наполнителя) в фармацевтической промышленности. Из лактозы получают лактулозу – ценный препарат для лечения кишечных расстройств, например, запора. Непереносимость лактозы Несмотря на употребление лактозы в лечебных целях, у многих людей лактоза не усваивается и вызывает нарушения в работе пищеварительной системы, в том числе понос, боли и вздутие живота, тошноту и рвоту после употребления молочных продуктов.
У этих людей отсутствует или производится в недостаточном количестве фермент лактаза. Назначение лактазы – расщепление лактозы на ее части, глюкозу и галактозу, которые должны затем адсорбироваться тонкой кишкой. При недостаточной функции лактазы она остается в кишечнике в исходном виде и связывает воду, что вызывает понос. Кроме того, кишечные бактерии вызывают брожение молочного сахара, в результате которого вздувается живот. Непереносимость молочного сахара довольно распространена.
В Западной Европе она встречается у 10-20 процентов населения, а в некоторых азиатских странах до 90 процентов людей не могут ее переварить. “У человека активность лактазы начинает снижаться в конце первого года жизни (до 24 мес. она обратно пропорциональна возрасту), причем наибольшей интенсивности этот процесс достигает в течение первых 3–5 лет жизни. Снижение активности лактазы может продолжаться и в дальнейшем, хотя, как правило, проходит медленнее.
Представленные закономерности лежат в основе лактазной недостаточности (ЛН) взрослого типа (конституциональной ЛН), причем темпы снижения активности фермента генетически предопределены и в большой степени определяются этнической принадлежностью индивидуума. Так, в Швеции и Дании непереносимость лактозы встречается примерно у 3% взрослых лиц, в Финляндии и Швейцарии — у 16%, в Англии — у 20–30%, во
Франции — у 42%, а в странах Юго-Восточной Азии и у афро-американцев в США — почти у 100%. “Высокая частота конституциональной ЛН (НЛ) среди коренного населения Африки, Америки и ряда стран Азии в определенной степени связана с отсутствием в этих регионах традиционного молочного животноводства. Так, только в племенах масаев, фулани и тасси в Африке с древних времен выращивают молочный скот, а
у взрослых представителей этих племен ЛН встречается относительно редко. Частота конституциональной ЛН (НЛ) в России составляет в среднем около 15%. Лактозный оперон Лактозный оперон (lac operon) – последовательность генов у многих бактерий, которая кодирует ферменты, необходимые для расщепления лактозы до глюкозы и галактозы, т.е. для утилизации сахара. Исследования этого оперона сыграли важную роль в развитии молекулярной генетики.
1. ПРИРОДА И СИНТЕЗ ЛАКТОЗЫ. Лактоза (молочный сахар) по современной номенклатуре углеводов относится к классу олигосахаридов, а именно дисахаридов (биоз). Первые сведения о молочном сахаре как составной части молока встречаются в работе итальянского ученного Фабрицио Бертоллети (1633 год). Выпаривая молочную сыворотку он получил из нее «важнейшую соль молока», которое писал под названием «манна» – кашице – образная масса.
Молочным сахаром полученное вещество назвал Шель (1780 год) установил, что молочный сахар относится к углеводам, и внес его в этот ряд под названием лактоза. Химическая формула лактозы С12Н22О11. Лактоза содержит 12 связанных атомов углеродов 22 атома водорода, 9 гидроксильных атомов, 1 эфирный и 1 карбоксильный. Лактоза может синтезироваться химическим и биологическим путем.
Теоретический химический синтез лактозы может быть осуществлен по равенству С6Н12О6 + С6Н12О6 (С12Н22О11 + Н2О глюкоза галактоза лактоза вода Механизм биологического образования лактозы в организме лактирующего животного до конца еще не выяснил. Если предложить, что лактоза синтезируется в организме, то единственным источником синтеза ее является глюкоза крови, приносимая к вымени. Глюкоза пространственной перестройкой (галактозогенезом) превращается
в галактозу. В молоке, кроме лактозы, содержится другие углеводы и их производные. Из моносахаридов (моноз) молока важное значение имеет глюкоза и галактоза, являющиеся структурными элементами молекулы лактоза и ее гидролиза. 2. ХИМИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛАКТОЗЫ. Лактоза относится классу активных (восстанавливающих, редуцирующих углеводов). Обладая слабыми кислотными свойствами, она связывает приблизительно 2 моля едкого натра
на 1 моль сахара. Различные функциональные группы в структуре лактозы обуславливают ее большую химическую активность. Циклическая форма лактозы может переходить в альдегидную. Гликозидная связь между монозами в лактозе может быть гидролизована химические или ферментотивно. Химический гидролиз лактозы может быть вызван действием сильных кислот (например соляной). 1 г. лактозы, нагретый до 100 С, полностью гидролизуется на глюкозу и галактозу в течении 1 ч в 100
мл 10 % – ной серной кислоты. Гидролиз соляной кислотой может протекать при низкой температуре (ниже 10 С) и при нагревании. Гидролиз лактозы осуществляется труднее гидролиза сахарозы, на практике считают, что лактоза устойчива в кислых растворах. В щелочных растворах лактоза окисляется до сахариновых кислот, а затем осмоляется – буреет. Щелочной распад лактозы носят энольный характер а скорость его зависит от температуры. В результате нагревания лактоза и его водные растворы значительно изменяются, что определяет
химизм технологических режимов. Кристаллы гидрата при нагревании до 87( С начинают плавиться, при 100( С постепенно теряет кристаллизационную воду, а при 110( С становится безводными. Повышение температуры, щелочная реакция среды, увеличение концентрации, наличие ионов меди и железа ускоряют образование меланоидинов из сахара, в том числе и из лактозы. При производстве молочного сахара мелоноидиновая реакция должна быть по возможности исключена.
Лактоза сравнительно легко подвергается воздействию ферментов продуцируемых микроорганизмами. Распад лактозы осуществляется под действием лактазы, продуцируемой стенками кишечника и микроорганизмами. Теоретически по количеству молочной кислоты в молоке можно судить о степени разложении лактозы. Направленный гидролиз лактозы до моноз осуществляется так же ферментом – галактозидазой. Лактоза не расщепляется ферментом пивных и хлебных дрожжей.
На реакции брожения лактозы основа на производство кисломолочных продуктов, сыров. При получении молочного сахара брожения необходимо исключить. 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОЛОЧНОГО САХАРА. Вырабатываемый промышленностью молочный сахар используют при приготовлении медицинских препаратов и в пищевой промышленности. В зависимости от потребителей молочная промышленность производить молочный сахар трех видов: для медицинских
препаратов рафинированный ; для антибиотиков, на технические цели и для рафинации – сахар – сырец; для пищевой промышленности – очищенный, или пищевой. Использование при производстве медицинских препаратов. При изготовлении медицинских препаратов молочного сахара используют в качестве инертного наполнителя, разбавителя или активного компонента. В этом случае совершенно чистый ингредиент – рафинированный, не влияющий на лечебные свойства препарата. Требования качеству оговариваются в специальной статье
Государственной фармакопеи. Содержание лактозы можно определить расчетным путем (сухие вещества минус примеси, без учета содержания глюкозы): для выработки медицинских препаратов желательно, чтобы лактоза поступала в полиэтиленовых мешках в размолотом виде и без посторонних примесей, бактериально чистой: общее количество клеток в 1 г не более 1000 сапрофитных бактерий; титр кишечной палочки не ниже 3 г отсутствие бактерий группы сальмонелла и анаэробов.
Составление сред для ферментации. При производстве антибиотиков одним из главных компонентов сред для ферментации является молочный сахар – сырец или кристаллизат молочного сахара (45 % лактозы). Такое применение молочного сахара обусловлено тем, что он, медленно сбраживаясь, поддерживает реакцию среды, желательную для развития антибиотиков. Сахар должен быть стойким при хранении и иметь стандартный состав без посторонних включений и примесей (особенно белков и солей тяжелых металлов).
Использование в пищевой промышленности. Молочный сахар в пищевой промышленности применяют при производстве некоторых видов карамели, помадки, шоколада и других кондитерских изделий. Лактоза стабилизирует и улучшает их окраску, вкус и запах. В молочноконсервной промышленности лактозу применяют в качестве затравки для кристаллизации при производстве сгущенного молока. Используют «рафинированный молочный сахар, тщательно измельченный в тонкий порошок,
который просеивают через сито не меньше чем 200 меш, т.е. с 80 ячейками на 1 пог. сита. Доказано, что существует обратная зависимость между количеством затравки и размером кристаллов лактозы в сгущенном молоке. Рафинированная лактоза для производства сгущенных молочных консервов должна отвечать следующим требований: Размер кристаллов для затравки до 3 – 4 мкм обусловлен тем, что максимальные кристаллы лактозы в молочных консервах равны 10 – 25 мкм. 4.
ПРОИЗВОДСТВО МОЛОЧНОГО САХАРА – СЫРЦА ИЗ ОЧИЩЕННОЙ СЫВОРОТКИ. Первоначальная технологическая схема получения молочного сахара – сырца включала огневую выпарку сыворотки с последующим выделением и отделением кристаллов путем прессования. Для осуществления процесса использовали котел и рычажный пресс. Затем Г. Кутырин внедрил схему с выпариванием сыворотки в открытых котлах с кристаллизацией лактозы
в ушатах, отделением кристаллов отслоением и сушкой их в сушилках с огневым подогревом. Процесс усовершенствовали Чебатарев (1934) и сотрудники Ленинградского химико- технологического института молочной промышленности, внедрив выпаривание в концентраторах А. Фиалкова. А. Розанов разработал промышленную схему производства сахара – сырца с включением специального оборудования: подогревателей, вакуум- аппаратов, центрифуг, фильтр – прессов и вакуум-сушилок.
По результатам разработки поточно-механизированной линии производства молочного сахара- сырца (А. Фиалков и И. Нейштадт, 1959) были созданы ванны для отваривания альбумина, сушилки, кристаллизаторы. Сгущение сыворотки осуществляют на вакуум-аппаратах. Аппарат для сгущения сыворотки под вакуумом должен быть герметичным с подводом тепла и удалением из него воздуха (разряжение) до требуемой температуры кипения.
Степень разрежения выражают величиной абсолютного давления, или вакуума. Вторичный или соковый, пар, образующейся при кипении сыворотки, конденсируется при соприкосновении с холодной водой или стенкой, охлаждаемой водой. Воздух, поступающий в аппарат с сывороткой и через не плотности, удаляют паром паровыми и и механическими вакуум-насосами. Применяют выпарные аппараты только из нержавеющей стали.