Το γάλα είναι μία πολύ πλούσια υψηλής θρεπτικής αξίας τροφή. Περιέχει πολλά θρεπτικά συστατικά, μερικά από τα οποία είναι τόσο σπάνια, ώστε δεν υπάρχουν πουθενά αλλού στη φύση. Δεν είναι τυχαίο λοιπόν, ότι το γάλα έχει σαν προορισμό να χρησιμεύει ως πρώτη, αλλά και μοναδική, τροφή για το νεογέννητο. Η μεγάλη θρεπτική του αξία οφείλεται όχι μόνο στις πρωτεΐνες αλλά και σε άλλες θρεπτικές ύλες όπως είναι το ασβέστιο, ο φώσφορος, διάφορες βιταμίνες, υδατάνθρακες και πολλά άλλα τα οποία αναφέρονται παρακάτω (Κεχαγιάς, 1997).

Συστατικά του γάλακτος

Το γάλα από τα διάφορα είδη ζώων (αγελαδινό, πρόβειο, γιδινό) παρουσιάζει μόνο ποσοτικές διαφορές ως προς τη σύσταση. Τα συστατικά που βρίσκονται σε μεγαλύτερες ποσότητες είναι (Κεχαγιάς, 1997):

Συστατικό Περιεκτικότητα
Νερό 88,00%
Λίπος 3,70%
Πρωτεΐνες 3,20%
Λακτόζη 4,70%
Ανόργανα άλατα 0,75%

Παράγοντες που επηρεάζουν τα συστατικά του γάλακτος

Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν ποσοτικά ή ποιοτικά τα συστατικά του γάλακτος είναι (Κεχαγιάς, 1997):

  1. Το είδος και η φυλή του ζώου
  2. Το κληρονομικό δυναμικό του ζώου
  3. Ο αριθμός των αμέλξεων ανά εικοσιτετράωρο
  4. Η περίοδος της ημέρας
  5. Η σωματική κατάσταση του ζώου
  6. Η διάρκεια της ξηρής περιόδου
  7. Η συχνότητα των τοκετών
  8. Ο οργασμός
  9. Η ηλικία του ζώου
  10. Η κόπωση και η συμπεριφορά του ανθρώπου στα ζώα
  11. Η υγιεινή κατάσταση του ζώου
  12. Οι συνθήκες διατροφής
  13. ο στάδιο της γαλακτικής περιόδου
  14. Η θερμοκρασία περιβάλλοντος
  15. Ο τρόπος άμελξης

Πρωτεϊνες

Το γάλα αποτελεί μια πηγή πρωτεϊνών για τον άνθρωπο. Έχουν μελετηθεί κυρίως οι πρωτεΐνες του γάλακτος της αγελάδας ενώ λιγότερο οι πρωτεΐνες του γάλακτος άλλων θηλαστικών. Οι κύριες πρωτεΐνες σε όλα τα είδη γάλακτος δηλαδή το αγελαδινό, το πρόβειο και το κατσικίσιο, αλλά και στο τυρόγαλα είναι οι καζεΐνες, η β-λακτογλοβουλίνη, η α-λακταλβουμίνη, η αλβουμίνη ορού και οι ανοσογλοβουλίνες. Όλες οι κύριες πρωτεΐνες (εκτός της αλβουμίνης και τις ανοσογλοβουλίνες) συντίθεται στα επιθηλιακά κύτταρα στο μαστικό αδένα από αμινοξέα που προέρχονται στο αίμα (Τσοχατζής, 2005).

 

Πρωτεϊνες Γάλακτος

Πρωτεΐνες γάλακτος και οι γενετικές τους παραλαγές. Μέσα στις παρανθέσεις δίνεται η περιεκτικότητα σε g/l.

Πρωτεΐνες του ορού του γάλακτος

Ορός του γάλακτος ή τυρόγαλα ονομάζεται το θολό υποκίτρινο υγρό που παραμένει μετά την απομάκρυνση από το γάλα του λίπους και της καζεΐνης. Η τελευταία απομακρύνεται είτε με οξίνιση, είτε με την επίδραση της πυτιάς. Ο ορός αυτός περιέχει διάφορα θρεπτικά συστατικά όπως πρωτεΐνες, γαλακτοζάχαρο και υδατοδιαλυτές πρωτεΐνες. Τα κυριότερα πρωτεϊνικά συστατικά του γάλακτος είναι η γαλακταλβουμίνη και γαλακτογλοβουλίνη. Η γαλακταλβουμίνη λαμβάνεται από το τυρόγαλα με εξαλάτωση με θειικό μαγνήσιο. Η γαλακτογλοβουλίνη απαντά σε ελάχιστα ποσά στο γάλα (μερικά χιλιοστόγραμμα ανά λίτρο γάλακτος) σε αντίθεση δε προς την καζεΐνη και τη γαλακταλβουμίνη, περιέχει γλυκίνη.

Με θέρμανση του γάλακτος επέρχεται καθίζηση τόσο της αλβουμίνης όσο και της γλοβουλίνης. Το λαμβανόμενο προϊόν αποτελεί την πρώτη ύλη της παρασκευής της μυζήθρας (Ηλιόπουλος, 1997).

Καζεΐνη

Οι καζεΐνες (CN) είναι φωσφοπρωτεΐνες. Βρίσκονται στο γάλα με τη μορφή μικυλλίων (καζεϊνικά μικύλλια), δηλαδή ως μια μάζα πυκνών πρωτεϊνικών κόκκων. Οι φωσφορικές ομάδες που είναι δεσμευμένες στα μόρια των καζεϊνών, δεσμεύουν το ασβέστιο (Ca+2) σχηματίζοντας ιονικούς δεσμούς. Ακολούθως εφόσον οι καζεΐνες φωσφορυλιωθούν, δημιουργούνται οι δεσμοί του ασβεστίου με τις φωσφορούχες ομάδες και αρχίζει ο πολυμερισμός των μορίων του μικυλλίου. Αυτή η δομή {καζεΐνη-PO4-Ca+2-PO4-καζεΐνη} είναι σημαντική για τον σχηματισμό των μικυλλίων. Η μορφή και η δομή του μικυλλίου της καζεΐνης δίνεται στο Σχήμα 1 (Τσοχατζής, 2005).

Η μορφή και η δομή του μικυλλίου της καζεΐνης

Σχήμα 1. Καζεϊνικό μικύλλιο και δομή καζεϊνικού υπομικυλλίου
(www.foodsci.uoguelph.ca)

Κλάσματα καζεΐνης

Αρχικά η καζεΐνη θεωρήθηκε ότι ήταν ομοιογενές σώμα, όπως ο Mellander επέτυχε, με την χρησιμοποίηση της ηλεκτροφόρησης, να την διαχωρίσει σε τρία κλάσματα που ονόμασε με ελληνικά γράμματα α, β, γ. το πρώτο έχει και μεγαλύτερη ηλεκτροφορική κινητικότητα και το τελευταίο τη μικρότερη.

Εκτός από την διαφορετική ηλεκτροφορητική ικανότητα που αντανακλά διαφορές στη δομή τους, τα κλάσματα αυτά διαφέρουν και στην συμπεριφορά τους απέναντι στην πυτιά.

Το 1956 διαπιστώθηκε ότι η α-καζεΐνη δεν είναι ομοιογενής ουσία αλλά σύμπλοκο καζεϊνών. Απομονώθηκαν αρχικά δυο κλάσματα της, η αs και η κ-καζεΐνες, που αργότερα διαπιστώθηκε ότι και αυτά ήταν ετερογενή. Έτσι βρέθηκε ότι η α αποτελείται από αs1-καζείνη αλλά και από άλλες σε μικρότερη αναλογία. Με την χρησιμοποίηση πλέον εξελιγμένων μεθόδων ηλεκτροφόρησης στην ταυτοποίηση, απομόνωση και καθαρισμό των κλασμάτων της καζεΐνης διαπιστώθηκε η ύπαρξη γενετικών παραλλαγών της. Στον Πίνακα 1 δίνονται τα διάφορα κλάσματα της καζεΐνης, η αναλογία του καθενός στην ολική καζεΐνη και οι γενετικές παραλλαγές τους (Ανυφαντάκης, 1994).

Πίνακας 1. Κλάσματα καζεΐνης (Ανυφαντάκης, 1994)

κλάσματα αναλογία % γενετικές παραλαγές
as1 40 A, B, C, D
as2 5
κ 15 A, B
λ 5
β 30 A1, A2, A3, B1, B2, C, D, E
γ 5 A1, A2, A3, B

Μικύλλια

Όπως αναφέρθηκε ήδη το μεγαλύτερο ποσοστό της καζεΐνης βρίσκεται στο γάλα υπό μορφή μικροτεμαχιδίων τα οποία καλούνται μικέλλες. Οι μικέλλες αποτελούνται από μεγάλο αριθμό μορίων διαφόρων κλασμάτων καζεϊνών που ενώνονται μεταξύ τους και σχηματίζουν πολυμερή. Το μέγεθος τους κυμαίνεται μεταξύ 30 και 300mμ, συνήθως όμως είναι 80-100mμ (Ανυφαντάκης, 1994).

Τα μικύλλια αποτελούνται από τις α-, β- και κ- καζεΐνες. Οι α-καζεΐνες είναι σε πολυφωσφορυλιωμένη μορφή (αs1-, αs2-, as3-, as4- ,as5- και as6) και κύριες πρωτεΐνες στο γάλα τις αs1-, αs2-. Η β-καζεΐνη είναι η κύρια πρωτεΐνη στο αγελαδινό γάλα, αλλά είναι δευτερεύουσα στο ανθρώπινο γάλα. Η κ-καζεΐνη (α-γλυκοπρωτεΐνη) υπάρχει σε όλο το Καζεϊνικό μικύλλιο και δρα ως σταθεροποιητής του μικυλλίου. Η γ-καζεΐνη προέρχεται από την πέψη των β-καζεϊνών και βρίσκεται στον αδένα.

Η αλφα(s1)-καζεΐνη (μοριακό βάρος 23.000) έχει δυο υδροφοβικές περιοχές στο μόριο της, οι οποίες και περιέχουν και όλα τα υπολείμματα της προλίνης. Οι περιοχές διαχωρίζονται από μια πολική περιοχή η οποία αποτελείται από 8 φωσφορικές ομάδες. Μπορεί να κατακρημνιστεί ως ίζημα σε χαμηλά επίπεδα ασβεστίου.

Η αλφα(s2)-καζεΐνη έχει μοριακό βάρος 25.000 και αποτελείται από 199 υπολείμματα αμινοξέων εκ των οποίων τα 10 είναι υπολείμματα προλίνης. Μπορεί να κατακρημνιστεί και αυτή σαν ίζημα σε χαμηλά επίπεδα ασβεστίου.

Η βήτα(β)-καζεΐνη έχει μοριακό βάρος 24.000 και αποτελείται από 209 υπολείμματα αμινοξέων εκ των οποίων τα 35 είναι υπολείμματα προλίνης. Αποτελείται από μια ισχυρά φορτισμένη περιοχή Ν και μια υδροφοβική περιοχή.

Είναι αμφιλιτική πρωτεΐνη η οποία δρα ως τασενεργό μόριο. Μπορεί να πολυμεριστεί ανάλογα με τη θερμοκρασία σε ένα μεγάλο πολυμερές στους 20οC αλλά δεν πολυμερίζεται στους 4οC. Είναι λιγότερο ευαίσθητη στην καταβύθιση με το ασβέστιο.

Η κάπα(κ)-καζεΐνη (μοριακό βάρος 19.0000, 169 υπολείμματα, 20 υπολείμματα προλίνης) είναι πολύ ανθεκτική στην κατακρήμνιση με ασβέστιο, σταθεροποιώντας άλλες καζεΐνες. Κατά την τυροκόμιση η πυτιά (χυμοσίνη) δρα στο δεσμό των υπολειμμάτων 105Phe-106Met (φαινυλαλανίνη-106μεθειονίνη) ελαχιστοποιώντας την σταθερότητά της, αφήνοντας ένα υδροφοβικό κομμάτι κ-καζεΐνης το οποίο καλείται παρα-κ-καζεΐνη και αντίστοιχα ένα υδροφιλικό κομμάτι το οποίο καλείται κ-καζέϊνο-γλυκομακροπεπτίδιο (GMP) ή πιο σωστά καζέϊνο-μακροπεπτίδιο (CMP).

Η ελεγχόμενη υδρόλυση της καζεΐνης είναι το μέσο παρασκευής τυριών και άλλων γαλακτοκομικών προϊόντων. Η εκτεταμένη αποσταθεροποίηση της δομής των καζεϊνικών μικυλλίων και η μερική υδρόλυση των καζεϊνών, ελαττώνει την ποιότητα του γάλακτος και την απόδοση του γάλακτος σε τυρί (Τσοχατζής, 2005). H δομή της καζεϊνης του γάλακτος δίνεται στο παρακάτω σχήμα.

H δομή της καζεϊνης του γάλακτος

Σχήμα 2. Δομή καζεΐνης (courses.che.umn.edu)

Δομή μικυλλίων

Υπάρχουν πολλά πρότυπα αλλά και σοβαρές αντιγνωμίες πάνω στη δομή των μικυλλίων των καζεϊνών.

Πρότυπο του Waugh και των συνεργατών του

Κατά τους ερμηνευτές αυτούς κάθε μικύλλιο της καζεΐνης αποτελείται από ένα πυρήνα - περιορισμένου μεγέθους αθροίσματα μονομερών των αs1 και β-καζεϊνών - και το φλοιό του -; μικρές μονάδες μικρές μονάδες που δημιουργούνται από την αλληλεπίδραση της αs ή β-καζεΐνης με την κ-καζεΐνη απουσία ασβεστίου. Ο φλοιός καλύπτει ομοιόμορφα ολόκληρο τον πυρήνα και έχει προσανατολισμένες τις μονάδες που τον αποτελούν κατά τέτοιο τρόπο ώστε το μακροπεπτίδιο την κ-καζεΐνης να είναι εκτεθειμένο. Καθώς το μακροπεπτίδιο είναι έντονα υδρόφιλο και έχει μεγάλη συγγένεια με τον ορό του γάλακτος η τάση των επιφανειών των μικυλλίων να αλληλεπιδρούν είναι περιορισμένη. Εξάλλου υπάρχει έντονη αλληλεπίδραση μεταξύ του υδροφοβου παρα-κ- τμήματος της κ-καζεινης και των αs1 και β-καζεϊνών προς δημιουργία μικρών μονάδων του περιβλήματος του πυρήνα.

Πρότυπο Parry και Carroll

Τα μικύλλια στην περίπτωση αυτή θεωρείται ότι αποτελούνται από πολυμερή αs και β καζεϊνών που σχηματίζονται γύρω από ένα πυρήνα κ-καζεΐνης. Τα πολυμερή αυτά διατηρούνται μαζί με κολλοειδές φωσφορικό ασβέστιο. Η κ-καζεΐνη του πυρήνα δεν σχετίζεται με την σταθερότητα των μικυλλίων στην περίπτωση αυτή. Οι παραπάνω ερευνητές προσδιόρισαν ότι η κ-καζεΐνη υπάρχει σαν διαλυτή ενωμένη με μικρές ποσότητες των αs και β καζεϊνών.

Πρότυπο Morr

Κατά την θεωρία αυτή τα μικύλλια της καζεινης αποτελούνται από ένα αριθμό μικρών μονάδων που σχηματίζονται με ένωση μονομερών αs1-, β-, και κ-καζεϊνών δια μέσου ασβεστίου, η διάμετρος των οποίων υπολογίστηκε από τον Morr σε 300 ϊ. Οι μονάδες αυτές ενώνονται με κολλοειδές φωσφορικό ασβέστιο και δημιουργούν τη μικέλλα (Ανυφαντάκης, 1994).

Ανάλυση πρωτεϊνών γάλακτος

Στο πεδίο του ποιοτικού ελέγχου, είναι ιδιαίτερης σημασίας και βαρύτητας η ανάλυση των καζεϊνών και γενικότερα των πρωτεϊνών του γάλακτος. ΓιΆ αυτό το λόγο είναι απαραίτητη πλέον η εύρεση μιας αναλυτική τεχνικής για την ανίχνευση των συστατικών του γάλακτος και κυρίως των πρωτεϊνών αυτού.

Ανάλυση καζεϊνών με τριχοειδή ηλεκτροφόρηση

Η τριχοειδής ηλεκτροφόρηση (CE) είναι μια αναλυτική τεχνική υψηλής ευκρίνειας που απαιτεί προκατεργασίας δείγματος και μπορεί να προσδιοριστεί ταυτόχρονα τις καζεΐνες του γάλακτος και τις πρωτεΐνες ορού. Σχετική μελέτη έγινε για την σταθεροποίηση και έλεγχο δυο τύπων καζεϊνών (α- και β- καζεΐνες) σε πρόβειο γάλα. Το ηλεκτρογράφημα λήφθηκε σε ένα Quanta 4000E σύστημα CE. Η ανίχνευση πραγματοποιήθηκε στα 214 nm. Η εισαγωγή του δείγματος έγινε με υδροδυναμική μέθοδο για 40s (Τσοχατζής, 2005).

Το αντίστοιχο ηλεκτρογράφημα που λήφθηκε από τους J.M. Izko et al., για πρότυπα διαλύματα α-καζεινης και β-καζεινης δίνεται στο Σχήμα 3.

Ηλεκτρογράφημα για πρότυπα διαλύματα α-καζεινης και β-καζεινης
Σχήμα 3. CE ανάλυση πρότυπων (a) πρωτεϊνών (15mg/mL) και καζεΐνης τυριού (10 mg/mL) (b) καζεΐνη τυριού (20 mg/mL) και (c) πρότυπο διάλυμα καζεΐνης (20 mg/mL) (Τσοχατζής, 2005).

Ανάλυση πρωτεϊνών με HPLC αντίστροφής φάσης (Reserved Phase - RP)

Οι Bobe et al. μελέτησαν τις 6 κύριες πρωτεΐνες του αγελαδινού γάλακτος, οι οποίες ήταν οι εξής: αs1-, αs2-, β-, κ- καζεΐνες (CN) οι πρωτεΐνες του ορού α-λακταλβουμίνη (α-LA), η β-λακτογλοβουλίνη (β-LG), οι ανοσογλοβουλίνες Ig και οι πρωτεΐνες του ορού (BSA), καθώς επίσης και οι γενετικές παραλλαγές Α και Β των κ-CN και β-LG. Εφαρμόστηκε μια μέθοδος RP-HPLC. Η συγκεκριμένη μέθοδος διαχωρίζει και ποσοτικοποιεί τις 6 κύριες πρωτεΐνες με πολύ καλή γραμμικότητα, με μεγάλη ακρίβεια και επαναληψιμότητα και με ένα συνολικό χρόνο ανάλυσης 2 h. H σειρά έκλουσης των 6 πρωτεϊνών ήταν κ-CN, αs2-CN, αs1-CN, β-CN, α-LA και β-LG. Η μελέτη για την ύπαρξη γενετικών παραλλαγών των πρωτεϊνών, γίνεται με την χρήση προτύπων, τα οποία αποτελούνταν από καθαρές γενετικές παραλλαγές των πρωτεϊνών του γάλακτος.

Τα συμπεράσματα και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι Ιg δεν ανιχνεύονται καθόλου με τη συγκεκριμένη μέθοδο. Έχει αναφερθεί από άλλους ερευνητές ότι συνεκλούονται μαζί με τις β-CN ή και πριν τις α-LA σε σκόνη γάλακτος. Επίσης BSA συνεκλούονται μαζί με τις α-LA (Τσοχατζής, 2005).

Οι γραμμικές περιοχές της ανάλυσης των Bobe et al. δίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Πίνακας 2. Αποτελέσματα ανάλυσης πρωτεινών γάλακτος με τη μέθοδο RP-HPLC (Τσοχατζής, 2005).

πρωτεΐνη εύρος τιμών (μg) πιθανότητα p>Fb
κ- CN 5.5-44.2 0.97
αs2-CN 2.9-22.8 0.82
αs1-CN 5.1-81.9 0.15
β-CN 4.2-66.9 0.22
α-LA 0.5-8.3 0.22
β-LG 1.4-11.3 0.7

Προσδιορισμός της ολικής καζεΐνης με τη μέθοδο Kjeldahl

Ολική καζεΐνη του γάλακτος -; ονομάζεται επίσης και ισοηλεκτρική-είναι έκφραση % (κατά βάρος) της πρωτεΐνης που κατακρημνίζεται από το γάλα σε pH 4.6 στη θερμοκρασία των 20οC. Προσδιορίζεται έμμεσα. Αρχικά προσδιορίζεται με τη μέθοδο Kjeldahl, η ολική περιεκτικότητα του γάλακτος σε άζωτο και στη συνέχεια κατακρημνίζεται η καζεΐνη με ρυθμιστικό διάλυμα οξικού οξέος-οξικού νατρίου. Προσδιορίζεται το άζωτο του διηθήματος και η περιεκτικότητα σε καζεΐνη υπολογίζεται από την διαφορά των δυο προσδιορισμών αζώτου. Επίσης υπολογίζεται και το ελεύθερο καζεΐνης άζωτο από τον τύπο (Ανυφαντάκης, 1992):

NCN = [1.40*N(V1-V0)/5]*0.994

Μηχανισμός πήξεως του γάλακτος με ένζυμα

Κατά καιρούς έχουν διατυπωθεί διάφορες θεωρίες με τις οποίες επιχειρείται η ερμηνεία του φαινομένου της πήξεως του γάλακτος με την πυτιά.

Η πρώτη άποψη ήταν ότι η καζεΐνη είναι ομοιογενής ουσία η δομή της οποίας αλλάζει υπό την επίδραση της ρεννίνης, ένζυμο που κυριαρχεί στην πυτιά. Σχηματίζεται τότε μια νέα μορφή της, η παρακαζεΐνη, που κατακρημνίζεται, παρουσία ιόντων ασβεστίου. Οι άλλες πρωτεΐνες του γάλακτος δεν προσβάλλονται από την πυτιά. Ο Hammersten ήταν από τους πρώτους υποστηρικτές της θεωρίας αυτής και την παρέστησε σχηματικά ως εξής.

Εξίσωση Hammersten

Το προϊόν που παράγεται από την ρεννίνη αποτελεί την τυρόμαζα, τη βασική δηλαδή ύλη του τυριού (Ανυφαντάκης, 1994).

Βιβλιογραφία

  • Κεχαγιάς Χ., (1997), «Σύσταση και φυσικο-χημικές ιδιότητες του γάλακτος» στο «Τεχνολογία γάλακτος & Γαλακτοκομικών προϊόντων», κεφ. 2, σελ. 18-26, Τ.Ε.Ι., Αθήνα.
  • Ανυφαντάκης Μ.,Ε., (1994), «ΧΗΜΕΙΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΓΑΛΑΚΤΟΣ», σελ. 108-116, Εκδόσεις Α. Σταμούλης, Αθήνα.
  • Ανυφαντάκης Μ.,Ε., (1992), «Μέθοδοι Εξετάσεων του Γάλακτος και των Προϊόντων του», σελ. 87-88, Εκδόσεις Α. Σταμούλης, Πειραιάς.
  • Τσοχατζής Ε., (2005), «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ ΤΟΥ ΓΑΛΑΚΤΟΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΝΟΘΕΙΑΣ ΤΟΥ ΓΑΛΑΚΤΟΣ ΜΕ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΣΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΑ ΚΑΖΕΪΝΩΝ», σελ.2-4,25-34, Πτυχιακή εργασία, ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ, ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ, Θεσσαλονίκη.
  • Ηλιόπουλος Γ., (1997), «Πρωτεΐνες» στο «ΧΗΜΕΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ», κεφ. 3, σελ. 182-184, Ο.Ε.Δ.Β., Αθήνα.
  • http://www.foodsci.uoguelph.ca/deicon/casein.gif
  • FScN 4111: Food Chemistry - Lecture Materials and Readings