Каждый отдельно взятый казеиновый белок - это цепочка примерно из дух сотен аминокислот. Каждая аминокислота несёт на себе как минимум один отрицательный и один положительный заряд (дабы не усложнять, механизм расписывать не буду, просто примем этот факт). Таким образом в одной молекуле белка собирается множество разноимённых зарядов, а в составе мицеллы их вообще невообразимое количество. Однако они не ведут беспорядочную половую жизнь, а действуют на благо всей конструкции, обеспечивая устойчивость между её частями. Помните фразу «противоположности притягиваются»? Так вот это оно. Положительные заряды тянутся к отрицательным, формируют и удерживают связи.

На поверхности «шарика» мицеллы концентрируются каппа-казеины, это те, что с хвостиками. При этом хвостики свои они выставляют наружу, потому мицелла имеет волосатый вид. Хвостики несут на себе отрицательный заряд. Таким образом на поверхности мицеллы присутствуют как отрицательные, так и положительные заряды, но первые сильно преобладают, то есть суммарно поверхность заряжена отрицательно.

Все казеиновые мицеллы плавают в воде. А молекулы воды являются диполями - с одной стороны заряжены положительно, а с другой - отрицательно. Логично, что диполи воды своими положительными концами тянутся к отрицательно заряженным хвостикам на поверхности мицеллы и прочно соединяются с ними. Получается вот такая ромашка:

Этот слой диполей воды на поверхности мицеллы называется гидратной оболочкой белка. Именно она не позволяет отдельным мицеллам взаимодействовать, соединяться друг с другом и образовывать агломераты. На внешнюю часть гидратной оболочки липнут следующие диполи воды, к ним - следующие и так далее. На картинке выше изображена одиночная мицелла. А их там много:

Это схематичная картинка в 2D, а теперь представьте всё это в объёме! В этой отрицательно-положительной суете возникают Ван-дер-ваальсовы взаимодействия, силы взаимного притяжения и отталкивания: диполи одновременно и тянутся друг к другу, и бегут друг от друга. Именно это постоянное напряжение поддерживает равновесие в системе, не даёт мицеллам осесть на дно или скооперироваться. И как бы мы не перемешивали, не переливали, не взбалтывали молоко, оно остается равномерным и однородным.

Для того, чтобы сделать из жидкого молока плотный продукт (сыр, творог, сметану и т.д.) нужно заставить казеиновые мицеллы коагулировать, то есть слипаться друг с другом. Этому препятствует гидратная оболочка, значит нужно от неё избавиться. Гидратная оболочка держится за счёт зарядов, значит нужно их убрать. Таким образом основа коагуляции - нейтрализация отрицательных зарядов на поверхности белковой мицеллы. Без своих поверхностных отрицательных зарядов мицеллы потеряют стабильность, начнут взаимодействовать друг с другом, формируя пространственные структуры в виде сети или цепочек, образуется сгусток. Самые распространённые способы коагуляции - кислотный и сычужный. Иногда эти способы комбинируют и называют кислотно-сычужной коагуляцией.

Сычужная коагуляция проводится при помощи фермента химозина. Ранее его получали из сычуга - одного из желудков молочных телят, отсюда и название. Сейчас на производствах в основном используется фермент микробного происхождения. Ферменты - это биологические катализаторы, провоцирующие и ускоряющие какую-то определённую реакцию. Конкретно химозин срезает с поверхности мицеллы торчащие наружу хвостики каппа-казеина, разумеется, вместе с их отрицательными зарядами. В отсутствии заряда мицеллы утрачивают гидратную оболочку и начинают слипаться с образованием сгустка. Этот способ широко применяется при производстве сыров.

Перед тем, как перейти к кислотной коагуляции, вспомним такое понятие как активная кислотность, то есть рН среды. Простыми словами - это степень кислости или щелочности продукта. Измеряется она в единицах рН по шкале от 0 до 14, где 7 - нейтральная среда, > 7 - щелочная, < 7 - кислая. За кислость отвечают водородные ионы, чем их концентрация больше, тем кислее будет продукт. рН свежего молока составляет примерно 6,8 единиц, то есть оно имеет слабокислую реакцию.

Кислотная коагуляция запускается при попадании в молоко кислоты. Тут есть два варианта. Первый -  влить в молоко непосредственно кислоту, которая в водной среде быстро диссоциирует на положительно заряженные ионы водорода и кислотный остаток, рН продукта резко падает. Процесс формирования сгустка пойдет быстро, но неоднородно, могут образовываться комочки. Во избежание этого необходимо вносить кислоту максимально равномерно по всему объёму. Таким способом делают, например, сыр Маскарпоне.

Второй путь - добавление заквасочных микроорганизмов. Они выделяют кислоту постепенно, процесс будет более длительным, но более равномерным. Этот путь сложнее, так как требует особого внимания как к самим микробам, так и к процессу их культивирования. На молекулярном уровне это выглядит так:

Бактерии попадают в молоко, акклиматизируются и начинают свою жизнедеятельность. Они выделяют фермент лактазу, который расщепляет молочный сахар лактозу на два моносахара - глюкозу и галактозу. Бактерии поедают глюкозу и постепенно выделяют молочную кислоту. По мере выделения молочная кислота в водной среде также постепенно диссоциирует на положительно заряженные ионы водорода и кислотный остаток. Положительные водородные ионы оттесняют диполи воды от отрицательных хвостиков на поверхности мицеллы и сами с ними соединяются. Положительный заряд водородного иона + отрицательный заряд хвостика в сумме дают ноль, то есть заряд обнуляется. Диполю воды это не интересно, и он отстаёт от мицеллы. Этот эффект называется буферной ёмкостью белка - белок фиксирует на себе водородные ионы, не даёт им слишком активно накапливаться в окружающей его среде, процесс снижения рН идет плавно. Бактерии продолжают выделять, молочная кислота - диссоциировать, водородные ионы - обнулять заряд хвостиков. В один прекрасный момент количество оставшихся необнулённых отрицательных зарядов сравнивается с количеством имеющихся на поверхности мицеллы положительных зарядов. Суммарный заряд поверхности казеиновой мицеллы становится равен нулю. Диполям воды это не интересно, и они отстают от мицеллы. Значение рН среды, при котором происходит это событие называется изоэлектрической точкой белка. Для казеина это значение составляет 4,7 единиц рН. В изоэлектрической точке утратившие гидратную оболочку мицеллы начинают активно слипаться и формировать сгусток. При этом бактерии всё ещё продолжают выделять, молочная кислота - диссоциировать, водородные ионы - обнулять заряд оставшихся хвостиков. Таким образом при дальнейшем снижении рН (ниже 4,7) положительные заряды начинают преобладать над отрицательными, суммарный заряд поверхности становится положительным - происходит перезарядка поверхности белковой мицеллы. Диполи воды снова начинают тянуться к белкам, гидратная оболочка восстанавливается.

Перейдём к жирам.

Существует такое правило: полярное взаимодействует с полярным, неполярное - с неполярным. Вода полярная, её молекулы-диполи несут отрицательные и положительные заряды. Молекулы жира не заряжены. Поэтому жир не взаимодействуют с водой. Молочный жир распределён в объеме молока в виде небольших капель - жировых шариков. Каждый шарик имеет двухслойную оболочку в состав которой входят особые белки, они так и называются «белки оболочек жировых шариков». Об этом я писала здесь: Что такое молоко? (Часть 2) .

Эти белки выполняют роль эмульгатора, связывая шарик с водной средой. То есть жир мимикрирует под белок, и механизм его связи с диполями воды строится на том же принципе, что и у белковой мицеллы. Благодаря этому жировые шарики равномерно распределены по объёму молока и не отторгаются на поверхность. Почему же тогда у домашнего молока происходит отстаивание сливок?

Плотность жира ощутимо ниже плотности воды, поэтому он всегда всплывает на поверхность. Жировые шарики - самый крупный компонент цельного молока, который удерживается в объёме молока благодаря связям с диполями воды. Однако их удерживающих сил не хватает противостоять выталкивающей силе разности плотностей. И постепенно жировые шарики, как пузырьки в газировке, поднимаются вверх. Так на поверхности цельного молока образуется слой сливок, состоящий из жировых шариков в белковых оболочках. Для предотвращения этого события на производствах молоко подвергают гомогенизации. В этом процессе один жировой шарик разбивается на множество более мелких. Новорожденные шарики тут же покрываются своей эмульгирующей оболочкой и сцепляются с диполями воды. Благодаря их небольшому размеру удерживающая сила диполей превосходит выталкивающую силу, и расслоения на фракции не произойдёт. Именно поэтому у магазинного молока отстаивания сливок не происходит.

На этом, пожалуй, завершу обзор темы устойчивости молока как единой системы. В следующий раз планирую уделить время (не)братьям нашим меньшим и рассказать о бактериях и прочей мелочи, которая любит обживаться в питательной жидкости, вырабатываемой молочными железами самок млекопитающих во время лактации))

Лактозу называют молочным сахаром, она является дисахаридом, то-есть состоит из двух моносахаридов: глюкозы и галактозы. Эти два моносахара по отношению друг к другу являются изомерами - веществами с одинаковым составом, но разным строением. Их основным предшественником является еще один изомер - глюкоза, поступающая в молочную железу из крови животного.

Для того, чтобы усвоить лактОзу, в первую очередь нашему организму нужно расщепить её на вышеуказанные составные части. Это происходит под действием специального фермента - лактАзы, который синтезируется в клетках тонкого кишечника. Если организм синтезирует этот фермент в недостаточном количестве или не синтезирует вовсе, то возникает лактазная недостаточность и, как следствие, непереносимость лактозы. Таким образом, этим людям в целом молоко можно, а лактозу в частности нельзя.

Для получения безлактозного молока в обычное молоко на производствах добавляют фермент. Лактоза расщепляется на глюкозу и галактозу, которые не причинят человеку дискомфорта. Так что сам по себе состав молока не меняется, изменяется лишь форма входящих в него сахаров.

Безлактозное молоко на вкус слаще обычного. По шкале сладости сладость глюкозы и галактозы составляет 70-74 и 40-50 единиц соответственно. А сладость их соединения (лактозы) всего 16-20 единиц. Таким образом один и тот же набор химических элементов наш язык воспринимает по-разному, в зависимости от соединения.

При производстве кисломолочных продуктов на предприятиях в молоко добавляют специальные заквасочные микроорганизмы. Они с помощью лактазы перерабатывают лактозу в молочную кислоту, которая, собственно и сквашивает молоко, стимулируя формирование сгустка.

Следующий компонент молока - жир, 2,8-6%. Вообще молекулы жиров состоят из трехатомного спирта глицерола и трёх жирных кислот. Температура плавления и кристаллизации жиров зависит от видов и процентного соотношения входящих в их состав жирных кислот. Температура плавления молочного жира около 30°С, температура его кристаллизации около 20°С. Переход из твёрдого состояния в жидкое происходит постепенно. Именно поэтому сливочное масло в холодильнике твердое, на кухонном столе - пластичное, а на сковороде - жидкое.

Жиры по своей природе неполярны, то есть не имеют заряда. Именно поэтому они не способны смешиваться с водой, молекулы которой полярны и являются диполями. Для соединения жира с водой необходимы эмульгаторы - вещества, одна часть молекулы которых заряжена, а другая нет. Заряженная (гидрофильная) часть связывается с водой, а незаряженная (гидрофобная) с жиром, таким образом как бы сшивая их друг с другом.

Молочный жир – один из наиболее ценных по питательности компонентов. Он имеет желтый цвет благодаря содержащимся в нём пигментам - каротиноидам. Их содержание в молоке колеблется в зависимости от рациона и времени года. Жир находится в молоке в виде шариков. Они покрыты двухслойной оболочкой, в состав которой входят лецитин, холестерин и специальные белки - белки оболочек жировых шариков. Именно они находятся на поверхности этой конструкции и обеспечивают связь жирового шарика с водной средой.

Помимо основных компонентов - воды, белков, сахара и жиров - в молоке есть еще множество различных веществ.

Минеральные вещества, 0,7%. Они делятся на макро- и микроэлементы, и не потому, что одни большие, а другие маленькие. Макроэлементов в молоке относительно много (99,9% от общего количества). К ним, например, относятся кальций, калий, фосфор, магний, натрий, хлор, сера. Каждый из них имеет важное значение в равновесии системы. Например. кальций и фосфор входят в состав казеиновых мицелл и обеспечивают их устойчивость. Среди микроэлементов молока выделяют железо, цинк, кобальт, йод, марганец, фтор.

Витамины. Сколько всего в природе существует витаминов, пока не ясно. В зависимости от классификации разные источники выдают разные цифры. Научным сообществом на сегодняшний день признано всего 13 штук и в молоке есть почти все. Все витамины делятся на водо- и жирорастворимые. Водорастворимые витамины (С и группа В) сосредоточены в водной фазе, в обезжиренном молоке, жирорастворимые (A, D, E, F, K) - в жировой, в сливках.

Гормоны. Это химические стимуляторы, которые вырабатываются эндокринной системой организма. В небольшом количестве они попадают в молоко из крови животного и не имеют большого значения для потребителя или технологического процесса.

Ферменты. Это биологические катализаторы - вещества, ускоряющие или провоцирующие химические реакции. Их действие специфично, каждый фермент катализирует определённую реакцию. Так лактаза только расщепляет лактозу на моносахара, других задач у неё нет. Ферменты действуют при определенных температурах и рН среды. Также их активность зависит от наличия химических веществ — активаторов и ингибиторов. Роль активатора, например, могут играть некоторые витамины.

Часть ферментов молока синтезируется непосредственно в молочной железе, часть поступает из крови. Также они продуцируются микрофлорой, что приводит к росту количества ферментов в уже выдоенном молоке.

Ферменты имеют белковую природу, при температуре 60-80ºС белок денатурирует, и фермент инактивируется. Этот факт имеет большое промышленное значение. Температурная обработка молока инактивирует ферменты, компоненты молока не подвергаются превращениям и дольше сохраняются в неизменном виде, увеличивается срок годности продукта.

Соматические клетки. В многоклеточных организмах присутствуют два типа клеток: половые и соматические. Первые отвечают за размножение, а из вторых собственно и состоит организм. Все клетки постоянно обновляются, отмершие удаляются, в том числе и с биологическими жидкостями. Так в молоко попадают клетки эпителия и крови. В молоке здоровой коровы количество соматических клеток не должно превышать 500 тысяч штук в 1 мл. Увеличение их числа говорит о воспалительных процессах, в частности о заболевании маститом. Высокое содержание соматических клеток мешает переработке молока, снижает его сыропригодность.

Газы. Они попадают в молоко из организма животного, при выдаивании и обработке, а также в результате жизнедеятельности микроорганизмов. В 1 л молока содержится около 50-80 мг газов: углекислый, кислород, азота, незначительное количество аммиака. В процессе хранения вследствие развития микрофлоры количество аммиака в сыром молоке увеличивается, а содержание кислорода понижается. На производствах часто используют деаэраторы, которые выгоняют из продукта лишние газы, а также летучие ароматические соединения, которые придают молоку посторонний запах. При производстве кисломолочных продуктов газы, в частности кислород, являются помехой, так как заквасочные бактерии анаэробны.

Помимо стандартного набора обязательных компонентов в молоке могут присутствовать различные посторонние вещества: пестициды, гербициды, инсектициды, радионуклиды, тяжелые металлы, токсины. Они попадают в молоко с кормом, водой или из воздуха. Также в молоке могут находится антибиотики. Основной путь их поступления - лекарственные препараты. Молоко от коровы, перенёсшей антибиотикотерапию, не должно сдаваться на перерабатывающие предприятия в течение 10 дней с момента прекращения лечения, до выведения препаратов из организма. Однако также антибиотики в незначительном количестве могут накапливаться в уже выдоенном молоке в результате деятельности некоторых микроорганизмов.

Собственно, по составу молока у меня вроде бы и всё. Если что запамятовала - извиняйте, напоминайте, обсудим) В следующем посте планирую напомнить, что молоко - это не просто набор разрозненных компонентов, а упорядоченная система, все части которой находятся в постоянном взаимодействии. Расскажу, почему крупные и тяжелые казеиновые мицеллы не оседают на дно, а лёгкие жировые шарики не всегда всплывают на поверхность.

Следующий интересный комментарий, точнее несколько на одинаковую тему: цвет!

Белый цвет молока это, разумеется, оптический эффект. Но обусловлен он в первую очередь белками, роль жира не столь значительна в этом вопросе. Молоко с точки зрения отношений воды и жира является эмульсией первого типа, то есть системой "масло в воде". Такие эмульсии обычно имеют молочно-белый цвет. Однако шарики молочного жира покрыты многослойной белковой (белково-липидной) оболочкой. То есть отражение непосредственно от чистого жира минимально! Сам по себе молочный жир имеет жёлтый цвет (более или менее яркий, в зависимости от кормовой базы и сезона года). Помните цвет топлёного масла? Вот, это оно! Белковые оболочки, покрывающие жир, сглаживают цвет, делая его кремовым или "молочным". Чем жирнее молоко, тем кремовее оно выглядит.

Кроме того, молоко не является чистой эмульсией. Оно - многокомпонентная дисперсная система. Отражение и рассеивание света происходит от всех его составных частей. Также степень интенсивности цвета зависит в том числе от степени диспергации этих самых частей - чем мельче, тем больше площадь отражающей поверхности, тем цвет насыщеннее. Усреднëнное содержание жира и белка в молоке примерно по 3,5%. То есть при примерно равном содержании и при среднем размере жирового шарика в 5000 нм, а казеиновой мицеллы в 150-200 нм, отражающая площадь белка существенно больше, чем жира. Так что наибольшее значение в этом процессе имеют казеиновые мицеллы.

Наглядный эксперимент: если убрать из молока жир, оно остаётся белым, иногда с голубоватым оттенком, то есть за белизну жир ну никак не может быть в единоличном ответе! Ну все же видели в магазине обезжиренное молоко? А вот если извлечь из обезжиренного молока белок, то оставшаяся жидкость будет прозрачная, жёлтая или даже с зеленоватым оттенком.

Вытащить белок можно методом мембранной фильтрации (как бы процедить молоко от белка). Для наглядности сделала фото колб с промежуточным результатом ультрафильтрации (извлечения белка) на нашем заводе.

Другой способ вытащить белок - осадить его, то есть сделать, например, творог. Отделившаяся сыворотка также будет "безбелковым молоком", только кислым. А цвет сыворотки... ну вы поняли, да?

Вообще от физики я далека, у меня еë и в школе-то толком не было. Так что с какими-то терминами и понятиями могла напутать. Но общую суть передала, как смогла.

Я немного разгреблась со своими хлопотами и, наверное, созрела. Попробую, а там уж как пойдёт, не буду загадывать.

Ну что ж, начнëм, помолясь. И начнём с основ. Что же такое молоко? С точки зрения биологии, это питательная жидкость, выделяемая молочными железами самками млекопитающих, предназначенная для вскармливания детëнышей. Только вдумайтесь в это определение! Новорождённый детëныш, беспомощный и беззащитный, первое время (у разных видов разный срок) питается исключительно молоком, растëт (увеличивается в размерах) и развивается (совершенствует системы организма). То есть в молоке есть абсолютно все необходимые для этого компоненты!

С точки зрения состава молоко - это многокомпонентная жидкость, в которой все составные части находятся в тесной связи и постоянном взаимодействии.
Что же это за вещества и как они уживаются в пределах одного продукта?
Сразу оговорюсь, что процентное соотношение компонентов в молоке зависит от так называемых зоотехнических факторов: породы коровы, стадии лактации, состояния здоровья, сезона года, условий содержания, кормовой базы и так далее. Поэтому в посте цифры буду приводить в примерных диапазонах.

Самый объëмообразующий компонент молока - вода, её там аж +/- 87%. Важно отметить, что молекула воды полярна и является диполем - несёт на себе одновременно и положительный, и отрицательный заряд. Эта информация пригодится нам в ходе дальнейшего повествования.

Следующий ключевой компонент - белки, 2,8-3,7%. Вообще все белки состоят из аминокислот и несут на себе большое количество отрицательных и положительных зарядов. Белки молока можно разделить на несколько групп, основные три: казеин, сывороточные и белки оболочек жировых шариков. Кстати, именно белки придают молоку белый цвет.

Казеин называют основным белком молока. На самом деле это целая группа белков: альфа- (два типа), бета-, гамма- и каппа-казеины. Мало того, что их молекулы сами по себе достаточно крупные, так они ещё любят собираться в упорядоченные структуры - мицеллы. Альфа-, бета- и гамма-казеины располагаются в основном в центре, а каппа-казеины - на периферии. Также каппа-казеины имеют "хвостики", которые несут отрицательный заряд. Таким образом, казеиновая мицелла имеет вид волосатого шарика.

Дополнительно в состав мицеллы входят кальций и фосфор.
Казеиновые мицеллы устойчивы к высоким температурам - остаются неизменны до +/-140°С. Именно они отвечают за формирование структуры сгустка кисломолочных продуктов. В желудке казеин створаживается, долго переваривается и создаёт длительное чувство сытости.

Молекулы сывороточных белков более мелкие и существуют в молоке по отдельности. Они подвержены воздействию высоких температур и начинают постепенно денатурировать при температуре от 65°С. Готовому продукту они придают вкус и нежность. При употреблении быстро усваиваются и пополняют белковый запас организма.

Третья группа - белки оболочек жировых шариков - неразрывно связана с темой молочного жира, поэтому расскажу о них позже.
Также в составе молока присутствуют пептиды, отдельные аминокислоты и небелковые азотистые основания.

На этом позвольте откланяться, и так простыню по дороге из командировки с телефона накатала, притомилась. А ведь это только начало. Если скучно / сложно / не интересно - дайте знать, и я не буду мучить вас новыми постами на эту тему.

Приглашаю авторов опубликованных комментариев: @padavidlo @Sylar20 @Dosifeya @marrena @mr.FlNCH @Andrewsarh @SagamorNord