Молочный сахар

Молочный сахар — это дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы, основной углевод молока и молочных продуктов. Химическое название — лактоза (от лат. lac — молоко). В чистом виде представляет собой белый кристаллический порошок без запаха, со сладким вкусом, который примерно в 4–5 раз менее сладок, чем сахароза (тростниковый или свекловичный сахар). Молочный сахар играет ключевую роль в питании млекопитающих в раннем возрасте, а также широко используется в пищевой промышленности, фармацевтике и микробиологии.

Физико-химические свойства

Лактоза (C₁₂H₂₂O₁₁) является восстанавливающим дисахаридом, в котором остаток галактозы связан с остатком глюкозы β-1,4-гликозидной связью. Молекулярная масса — 342,3 г/моль. Существует в двух аномерных формах: α-лактоза (стабильна в кристаллическом виде) и β-лактоза (более сладкая и растворимая). При растворении в воде происходит мутаротация — установление равновесия между формами.

Основные физические характеристики:

• Растворимость в воде: при 20 °C — около 16 г/100 мл; при 100 °C — до 80 г/100 мл. Растворимость ниже, чем у сахарозы.
• Температура плавления: α-лактоза плавится при 202 °C (с разложением), β-лактоза — при 252 °C.
• Гигроскопичность: низкая, что позволяет использовать лактозу в порошкообразных смесях.
• Кристаллизация: склонна к образованию крупных кристаллов, что используется в производстве сухого молока и сыворотки.

При нагревании свыше 150 °C лактоза карамелизуется, а в щелочной среде может изомеризоваться в лактулозу — синтетический дисахарид, используемый как слабительное и пребиотик.

Биологическая роль и метаболизм

Лактоза является основным источником энергии для детёнышей млекопитающих. В грудном молоке человека её содержание составляет 6,5–7,2 %, в коровьем молоке — 4,5–5,0 %. Для усвоения лактозы в тонком кишечнике необходим фермент лактаза (β-галактозидаза), который расщепляет её на глюкозу и галактозу. Глюкоза быстро всасывается и используется как энергетический субстрат, а галактоза необходима для синтеза ганглиозидов и цереброзидов — компонентов нервной ткани.

У большинства людей активность лактазы высока в младенчестве, но после отлучения от груди (в возрасте 2–5 лет) у значительной части населения мира (около 65–70 %) происходит снижение выработки фермента — развивается лактазная недостаточность (гиполактазия). Это генетически обусловленное состояние, распространённость которого варьирует: у европейцев — 5–20 %, у азиатов и африканцев — 70–95 %. При употреблении молочных продуктов у таких людей возникают симптомы непереносимости: вздутие живота, диарея, метеоризм.

Получение

Промышленное производство молочного сахара осуществляется из молочной сыворотки — побочного продукта при производстве сыра, творога и казеина. Сыворотка содержит 4–5 % лактозы, а также белки, минеральные соли и жир. Технологический процесс включает несколько этапов:

1. Очистка сыворотки — удаление белков (ультрафильтрация или тепловая коагуляция) и жира (сепарирование).
2. Концентрирование — выпаривание воды до содержания сухих веществ 60–65 %.
3. Кристаллизация — медленное охлаждение сиропа с затравкой кристаллов α-лактозы.
4. Центрифугирование — отделение кристаллов от мелассы (маточного раствора).
5. Сушка — удаление остаточной влаги до 0,1–1 %.
6. Измельчение и просеивание — получение порошка заданной фракции.

Выход лактозы составляет 70–80 % от исходного содержания в сыворотке. Для получения фармакопейной (высокоочищенной) лактозы применяют дополнительную перекристаллизацию и ионообменную очистку.

Применение

Пищевая промышленность

Молочный сахар используется как:

• Наполнитель и подсластитель в детских молочных смесях, сухом молоке, сгущёнке, мороженом, кондитерских изделиях (шоколад, карамель, печенье).
• Регулятор кристаллизации — в производстве сгущённого молока и варёной сгущёнки для предотвращения образования крупных кристаллов.
• Среда для ферментации — в производстве йогуртов, кефира, сыров (молочнокислые бактерии сбраживают лактозу до молочной кислоты).
• Носитель ароматизаторов и красителей — благодаря низкой гигроскопичности и нейтральному вкусу.

Фармацевтика

В медицине лактоза применяется как:

• Вспомогательное вещество (наполнитель) в таблетках и порошках — до 90 % массы таблетки может составлять лактоза.
• Основа для ингаляционных порошков — используется в дозированных ингаляторах для доставки лекарств (например, сальбутамола).
• Плазмозамещающий раствор — в составе растворов Рингера-лактата для внутривенного введения.
• Слабительное средство — лактулоза (производное лактозы) применяется при запорах.

Микробиология и биотехнология

Лактоза служит:

• Селективным субстратом в питательных средах для выделения кишечной палочки (E. coli) и других энтеробактерий (среда Эндо, среда Левина).
• Сырьём для производства этанола, молочной кислоты, биогаза путём ферментации.

Классификация продуктов по содержанию лактозы

Безлактозные продукты и альтернативы

Для людей с лактазной недостаточностью выпускаются безлактозные молочные продукты (молоко, йогурты, сыры), в которых лактоза предварительно расщеплена на глюкозу и галактозу с помощью фермента лактазы. Такие продукты имеют сладковатый вкус из-за более сладких моносахаридов. Альтернативой служат растительные заменители молока (соевое, миндальное, овсяное, рисовое), которые не содержат лактозы, но отличаются по питательному составу.

Интересные факты

• Лактоза была впервые выделена из молока итальянским врачом и химиком Фабрицио Бартолетти в 1619 году.
• В 1780 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле описал свойства молочного сахара и дал ему название «сахар молока».
• Способность взрослых людей переваривать лактозу (персистенция лактазы) — результат мутации, возникшей около 7–10 тысяч лет назад у народов, занимавшихся скотоводством (преимущественно в Европе и некоторых регионах Африки и Ближнего Востока).
• Лактоза используется в производстве некоторых видов пива (молочный стаут) и коктейлей, придавая напиткам сладость и плотность.

Источники

1. Химия пищи: учебник / под ред. А. П. Нечаева. — М.: Колос, 2011.
2. Технология молока и молочных продуктов / Г. Н. Крусь, А. Г. Храмцов. — М.: КолосС, 2007.
3. Swallow D. M. Genetics of lactase persistence and lactose intolerance // Annual Review of Genetics. — 2003. — Vol. 37.
4. Фармацевтическая технология: учебное пособие / под ред. В. А. Попкова. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2018.
5. ГОСТ 33567-2015 «Лактоза молочная. Технические условия».