Лактоза и ее производные

Лактоза и ее производные
Научный редактор академик РАСХН А.Г. Храмцов

Раздел I
Общие сведения о лактозе (молочном сахаре)

Вступление
В настоящем разделе сделана попытка представить в обобщенном виде современные
представления о лактозе как естественной составляющей молочного сырья на примере коровьего молока. При этом совершенно очевидно, что основное предназначение лактозы — составной части секрета млекопитающих женского рода — участие
в процессе вскармливания новорожденных. Академик А.А. Покровский заметил по
этому поводу, что содержание углеводов в молоке кормящей особи, возможно, связано с метаболизмом и рангом млекопитающих в иерархии живых систем [101].
В результате техногенной эволюции вполне обоснованно значительная часть молока животных и прежде всего коровы (в эпосах народов мира — кормилицы, а в
некоторых странах — богини) используется для питания человека непосредственно
и в виде продуктов. В «Диалектике природы» Ф. Энгельс отметил, что приручение
(одомашнивание) животных дало человеку продукт (молоко и молочные изделия)
по крайней мере равноценные мясу [167].
Уникальные свойства лактозы, так же, как казеина, сыров, творога и молочного
жира, сконцентрированном в масле сливочном, сметане, обусловили получение молочного продукта в виде молочного сахара. При этом в качестве сырьевого источника используется нормальный побочный продукт основного производства — молочная сыворотка (лактозосодержащее сырье — ЛСС).
Таким образом, лактоза в чистом виде и ее метаболиты в молочных продуктах
являются нормальной составляющей диеты человека. Так же, как в организме новорожденного, они подвергаются метаболизму с получением производных лактозы —
глюкозы и галактозы и затем продуктов их распада (промежуточных и конечных)
в соответствии с принципами биологических технологий живых систем [140].
В этом плане вполне логичным и обоснованным представляется получение производных лактозы в виде промышленных продуктов. При этом целесообразно использовать все достижения фундаментальных наук — физики, химии, биологии
и опыт смежных отраслей (пищевой, медицинской, сельскохозяйственной, ветеринарной, нефтяной и химической).
На приведенной ниже схеме изображена картина возможных путей превращения
лактозы в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) млекопитающих в природных циклах, молоке и молочных продуктах, лактозосодержащем сырье — молочном сахаре
и его производных.
В данном разделе в логической последовательности рассмотрены природа и синтез, химия, физика и биология лактозы; подчеркнута ее ценность, направления использования; приведены некоторые положения взаимосвязи теории и практики на
28 Раздел I. Общие сведения о лактозе (молочном сахаре)
примере растворов лактозы; теоретически показана возможность синтеза ее производных; кратко изложена аналитическая химия лактозы и ее производных.
Следует специально остановиться на терминологии, связанной с лактозой, в целом и применительно к монографии. Термин «лактоза» является общепринятым,
используется по отношению к лактозе как составной части молока, молочного, в
том числе лактозосодержащего сырья и исходного субстрата для трансформации
в производные. При получении из лактозы готового продукта этот термин также
правомерен («лактоза») и используется в нормативной документации ряда странчленов ММФ. Представляется целесообразным, особенно в русской транскрипции,
для лактозы в виде продукта использовать термин «молочный сахар» или «сахар
молочный», который общепризнан в нашей стране, в том числе на уровне нормативно-технической документации (НТД). Далее при изложении материала приведенные выше термины будут использоваться в тексте в свободной интерпретации. Для
информации ниже приведены эти термины на языках некоторых стран, принятых
в ММФ, в соответствии со словарем [234], а также на китайском (в честь очередного
XXVII международного молочного конгресса 2006 г.) и японском— в знак признания выдающегося вклада в проблематику лактулозы:
русский — лактоза, молочный сахар, сахар молочный;
английский — lactose, milk sugar, sugar milk;
французский — lactose, sucre de lait;
немецкий — Die Laktose, Der Milchzucker;
испанский — lactosa, lactina, asucar de leche;
китайский:
японский:
Молочный
сахар
Молоко и молочные
продукты
ЛСС
Лактоза
молока
Детеныши
млекопитающих
Пищевые продукты,
мед-, ветпрепараты,
кормовые средства
Метаболиты
Производные
Желудочнокишечный тракт
Глава 1
Характеристика лактозы
1.1. Природа, синтез и структура лактозы
Главный углевод молока — лактоза — присутствует в молоке всех видов млекопитающих.
Феномен отсутствия лактозы в секрете лактирующей самки калифорнийского тюленя практического значения не имеет. Первые сведения о лактозе появились в 1583 г. и принадлежат (по информации А.И. Овчиникова и К.К. Горбатовой) алхимику А. Турнейссеру. Затем
в 1615–1633 гг. итальянский монах Ф. Бертолетти получал сгущением сыворотки молока
«манну» — кашицеобразную массу и «важнейшую соль сыворотки молока» [181]. В 1694 г.
венецианский врач Л. Тести ввел в обиход употребление термина «молочный сахар». Известный химик К. Шелле (1780 г.) установил, что молочный сахар относится к углеводам и внес
его в этот ряд под названием «лактоза» (lactose). Долгое время считали, что лактоза находится только в молоке, однако в настоящее время этот дисахарид обнаружен в некоторых грибах
и пыльце растений [34].
Биологический синтез лактозы представляется следующим образом [130, 221, 313]:
D-глюкоза АТФ
D-глюкозо-6-фосфат α-D-глюкозо-1-фосфат
УТФ
УТФ
УДФГ УДФГал
Заключительной стадией является перенос галактозного остатка на D-глюкозу с образованием лактозы:
УДФГал + D-глюкоза УДФ + лактоза
Установлено, что синтез лактозы по данной схеме осуществляется в молочной железе из
D-глюкозы с помощью двух ферментов, составляющих лактозосинтетазную систему [125, 134].
30 Раздел I. Общие сведения о лактозе (молочном сахаре)
Один из этих белков — белок А — катализирует реакцию:
УДФ-Гал + N-ацетилглюкозамин f УДФ + N-ацетиллактозамин
Белок А обнаружен также в печени и в тонком кишечнике. Второй компонент лактозосинтетазной системы — белок В — представляет собой давно известный α-лактальбумин молока.
Не обладая сам по себе каталитической активностью, он изменяет специфичность белка А,
в результате чего в приведенном уравнении донором галактозных остатков может быть не
N-ацетилглюкозамин, а D-глюкоза. Таким образом, продуктом совместного действия белков
А и В является не N-ацетиллактозамин, а свободная лактоза.
В литературе были сообщения о биосинтезе лактозы путем переноса галактозильного
остатка от УДФГал на глюкозо-1-фосфат [237]:
УДФГал + D-глюкозо-1-фосфат ` УДФ + лактозилфосфат
Далее идет гидролиз лактозилфосфата фосфорилазой.
Эти данные, однако, не были подтверждены [202]. Тем не менее лактозилфосфат и ГДФлактоза содержится в молоке. Вероятно, эти соединения включаются в биосинтез высших
олигосахаридов молока.
Синтез полимерогомологов лактозы, содержащих остатки N-ацетилглюкозамина [313], фукозы
[169] и N-ацетилнейраминовой кислоты [215], идет также через уридиновые НДФС.
Химический синтез лактозы из моноз возможен по схеме
С6Н12О6 + С6Н12О6 ` С12Н22О11 + Н2О
Глюкоза Галактоза Лактоза
Впервые химический синтез лактозы был осуществлен в 1942 г., по информации С.Л. Берман, из ацетобром-D-галактозы и изопропилиден-D-глюкозы [10]. Однако эта проблема до
настоящего времени не решена и представляет исключительно теоретический интерес.
Единственный реальный источник лактозы, в том числе для получения молочного сахара и его производных — молоко млекопитающих. В нашем конкретном случае это коровье
молоко и лактозосодержащее сырье, полученное в результате его промышленной обработки.
Сыворотка от переработки козьего, овечьего и буйволиного молока имеет пока ограниченное
применение.
Лактоза присутствует в молоке в свободном виде или в форме содержащих лактозу олигосахаридов. Концентрация свободной лактозы может колебаться от 1 до 36%, в зависимости от
вида млекопитающего. Коровье молоко содержит в среднем 4,5% лактозы, а женское молоко
от 6 до 7%. Отклонения обусловливаются возрастом, временем года, стадией лактации и наследственностью [193].
Лактоза, являясь основным олигосахаридом молока, относится к восстанавливающим
дисахаридам, которые состоят из молекул D-глюкозы и D-галактозы, связанных 1–4 гликозидной связью, и имеет химическую формулу С12Н22О11. По номенклатуре IUPAC лактоза
называется 4-О-β-D-галактопиранозил-D-глюкопираноза.
Элементарный состав лактозы приведен в табл. 1.1.
Из приведенных в таблице данных следует, что основными составляющими молекулы
лактозы являются кислород и углерод. Присутствие водорода, с учетом соотношения с кислородом и наличие углерода, дало основание для названия класса этих соединений — углеводы, к которым следует относить и лактозу молочного сырья.
Молекула лактозы содержит 12 связанных атомов углерода, 22 атома водорода, 9 гидроксильных групп, одну эфирную и одну карбонильную группу. В гидратной форме присут­
Глава 1. Характеристика лактозы 31
ствует кристаллизационная вода, что следует учитывать на практике при определении влажности молочного сахара.
Строение лактозы можно изобразить пространственно (наша редакция в программе HyperChem), проекционно по Э. Фишеру (рис. I на цветной вклейке), перспективно по В. Хеуорсу или конформационно по Р. Ривсу (рис. 1.1).
CH2OH
OH
HO O
O
OH
CH2OH
OH
O
OH
OH
    
CH2OH
CH2OH
HO
HO
HO
OH
OH
OH
O
O
O
1 2
Рис. 1.1. Перспективная (1) и конформационная (2) формулы лактозы
Молекулы лактозы находятся в молоке в молекулярно-дисперсной форме, образуя истинный раствор. Предполагают, но не общепризнано, что лактоза может существовать в пяти
изомерных формах: α, β, γ, δ и ε; причем α- и β-формы являются основными. Каждая из форм
лактозы может быть гидратной и ангидридной, т. е. безводной. Следует обратить внимание,
что по чисто арифметическим расчетам (две гексозы) лактоза может образовывать 56 изомеров [16]. Практически известны три формы лактозы: α-гидрат (С12Н22О11 · Н2О), α-ангидрид
(С12Н22О11) и β-ангидрид (С12Н22О11). Вырабатываемая в промышленных условиях лактоза
является α-гидратом, так как содержит 5% кристаллизационной воды [151]. Известны продукты из смеси аномеров лактозы и β-стереоизомера [156].
1.2. Физические свойства лактозы
Очищенная лактоза — бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в воде, пиридине,
горячей уксусн