Лактоза: свойства, строение и применение

Лактоза (от лат. lac — молоко), также называемая молочным сахаром, — это дисахарид, состоящий из остатков молекул глюкозы и галактозы, соединённых β-1,4-гликозидной связью. Химическая формула — C₁₂H₂₂O₁₁. Лактоза является основным углеводом молока всех млекопитающих и широко используется в пищевой промышленности, фармацевтике и микробиологии.

Физические и химические свойства

В чистом виде лактоза представляет собой белый кристаллический порошок без запаха, со сладким вкусом. Сладость лактозы значительно ниже, чем у сахарозы (примерно в 4–6 раз), что делает её менее привлекательной как самостоятельный подсластитель, но важной для создания определённой текстуры продуктов.

Лактоза существует в двух аномерных формах — α- и β-лактозе, которые различаются пространственным расположением гидроксильной группы у первого атома углерода глюкозного остатка. α-лактоза кристаллизуется с одной молекулой воды (моногидрат), тогда как β-лактоза образует безводные кристаллы. При растворении в воде происходит мутаротация — переход одной формы в другую до установления равновесия.

Молочный сахар хорошо растворим в воде, но хуже, чем сахароза. Растворимость зависит от температуры: при 20 °C составляет около 17 г на 100 мл воды, при нагревании увеличивается. Лактоза не гигроскопична, что обусловливает её применение в производстве сухих смесей.

В отличие от многих других сахаров, лактоза устойчива к действию большинства микроорганизмов, так как лишь немногие бактерии способны её ферментировать. Это свойство определяет её использование в качестве наполнителя в лекарственных препаратах.

Биосинтез и биологическая роль

Лактоза синтезируется в молочных железах млекопитающих из глюкозы и галактозы под действием фермента лактозосинтазы. Содержание лактозы в молоке варьируется: в коровьем молоке — около 4,5–5,2 %, в женском — 6,5–7 %, в молоке морских млекопитающих может достигать 10 %.

Физиологическое значение лактозы для новорождённых многообразно. Она является источником энергии, способствует усвоению кальция и магния в кишечнике, а также стимулирует рост полезной микрофлоры — бифидобактерий и лактобацилл. Продукты ферментации лактозы (молочная и уксусная кислоты) создают кислую среду, препятствующую размножению патогенных бактерий.

Метаболизм и лактазная недостаточность

Расщепление лактозы в тонком кишечнике осуществляется ферментом лактазой (β-галактозидазой), которая гидролизует её на глюкозу и галактозу, всасывающиеся в кровь. Активность лактазы максимальна у младенцев и снижается с возрастом у большинства людей.

Недостаточность лактазы приводит к непереносимости лактозы — состоянию, при котором нерасщеплённый дисахарид попадает в толстую кишку и подвергается бактериальному брожению. Это вызывает вздутие живота, диарею, метеоризм и боли. Распространённость непереносимости лактозы неравномерна: она встречается у 5–10 % населения Северной Европы, но достигает 70–90 % среди жителей Восточной Азии, Африки и коренных народов Америки. Генетический полиморфизм, позволяющий сохранять выработку лактазы во взрослом возрасте, закрепился в популяциях, исторически занимавшихся молочным скотоводством.

Лактазная недостаточность бывает врождённой (генетическое заболевание) и вторичной, возникающей при поражении слизистой кишечника (например, при целиакии или после кишечных инфекций).

Промышленное получение

В промышленных масштабах лактозу получают из молочной сыворотки — побочного продукта производства сыра, творога и казеина. Технологический процесс включает несколько стадий: сгущение сыворотки под вакуумом, кристаллизацию лактозы при медленном охлаждении, отделение кристаллов центрифугированием, промывку и сушку.

Выход лактозы из сыворотки составляет около 70 % от исходного содержания. Полученный продукт может быть пищевым (рафинированным) или техническим. Для фармацевтических целей используют высокоочищенную лактозу с контролируемым размером частиц.

Применение

Пищевая промышленность

Лактоза используется при производстве детских молочных смесей, где её содержание приближают к уровню женского молока. Она входит в состав хлебобулочных изделий (улучшает цвет корочки при выпечке), колбасных изделий, соусов, мороженого и сгущённого молока. Благодаря низкой гигроскопичности лактозу добавляют в сухие смеси и концентраты для предотвращения комкования.

Фармацевтика

В фармацевтической промышленности лактоза — наиболее распространённый наполнитель для таблеток и капсул. Она инертна, совместима с большинством действующих веществ, придаёт таблеткам необходимую массу и обеспечивает их распадаемость. Лактоза также используется в производстве ингаляционных порошков и лиофилизированных препаратов.

Микробиология

В микробиологии лактоза входит в состав дифференциально-диагностических сред (например, среды Эндо, агара МакКонки) для выявления кишечных бактерий. Способность ферментировать лактозу с образованием кислоты и газа является важным таксономическим признаком при идентификации энтеробактерий.

Интересные факты

• Впервые лактоза была выделена итальянским химиком Фабрицио Бартолетти в 1615 году из молока.
• Название «лактоза» предложил французский химик Жан-Батист Дюма в 1843 году.
• Лактоза составляет около 40 % сухого вещества женского молока.
• В природе лактоза встречается только в молоке млекопитающих; в растениях она не обнаружена.
• Существуют безлактозные продукты, в которых лактоза предварительно гидролизована ферментами до глюкозы и галактозы, что делает их пригодными для людей с непереносимостью.

Источники

• Химия углеводов: монография / под ред. А. Ф. Бочкова. — М.: Наука, 2018.
• Нечаев А. П., Траубенберг С. Е., Кочеткова А. А. Пищевая химия. — СПб.: ГИОРД, 2015.
• Справочник технолога молочного производства. Т. 1. Цельномолочные продукты. — СПб.: ГИОРД, 2004.
• Swallow D. M. Genetics of lactase persistence and lactose intolerance // Annual Review of Genetics. — 2003. — Vol. 37.