Diese Seite beschreibt die Eigenschaften von Milchkohlenhydraten. Es gibt eine kurze Einführung in die allgemeine Kohlenhydratchemie, gefolgt von Abschnitten über die Chemie von Milchkohlenhydraten (Laktose), die physikalischen Eigenschaften von Laktose und den Einfluss von Wärmebehandlungen auf die Eigenschaften von Laktose. Für weitere Einzelheiten zu den Eigenschaften von Laktose siehe die Referenzen von Fox und McSweeney (1998), Holsinger (1988, 1997) und O’Brien (1995, 1997).
Allgemeine Kohlenhydratchemie
Kohlenhydrate bestehen aus Molekülen, die Saccharide genannt werden. Einfache Saccharide enthalten 1 oder 2 Moleküle und werden als Monosaccharide oder Disaccharide oder, allgemeiner, als Zucker bezeichnet. Oligosaccharide und Polysaccharide sind Ketten, die einige bis viele Zuckermoleküle enthalten und als Stärke bezeichnet werden können.
Die für die Ernährung und Gesundheit wichtigen Monosaccharide sind Glukose (manchmal auch Dextrose genannt), Fruktose und Galaktose. Die Disaccharide sind Saccharose (Glucose + Fructose), Lactose (Glucose + Galactose) und Maltose (Glucose + Glucose). Die beiden Zuckermoleküle in Disacchariden sind aneinander gebunden, und diese Bindung muss aufgebrochen werden, bevor die Zucker vom Körper für Energie und andere Körperfunktionen verwendet werden können. Stärken sind lange Glukoseketten, die gerade oder verzweigt sein können, und es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie sich die Moleküle in Stärken miteinander verbinden können. Stärken aus verschiedenen Quellen, wie Weizen oder Mais, haben einzigartige funktionelle Eigenschaften. Die Struktur von Stärken kann verändert werden, um ihre funktionellen Eigenschaften zu verbessern und ihre Verwendung in Lebensmitteln zu erhöhen.
Chemie der Kohlenhydrate in der Milch
Milch enthält etwa 4,9 % Kohlenhydrate, bei denen es sich überwiegend um Laktose mit Spuren von Monosacchariden und Oligosacchariden handelt. Laktose ist ein Disaccharid aus Glukose und Galaktose. Die Struktur der Laktose ist:
Laktose Physikalische Eigenschaften
Laktose ist in der Serumphase (Molke) von flüssiger Milch gelöst. Gelöste Laktose liegt in zwei Formen vor, dem so genannten α-Anomer und dem ß-Anomer, die sich ineinander umwandeln können. Die Löslichkeit der beiden Anomere ist temperaturabhängig, weshalb die Gleichgewichtskonzentration der beiden Formen bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich ist. Bei Raumtemperatur (70°F, 20°C) beträgt das Gleichgewichtsverhältnis etwa 37% α- und 63% ß-Lactose. Bei Temperaturen über 93,5°C (200°F) ist das ß-Anomer weniger löslich, so dass das Verhältnis von α- zu ß-Lactose höher ist. Die Art des vorhandenen Anomers hat keinen Einfluss auf die ernährungsphysiologischen Eigenschaften der Laktose.
Laktosekristallisation tritt auf, wenn die Konzentration der Laktose ihre Löslichkeit übersteigt. Die physikalischen Eigenschaften von Laktosekristallen hängen von der Kristallart ab und können ihre Verwendung in Lebensmitteln stark beeinflussen. Die Temperatur beeinflusst, wie oben beschrieben, das Gleichgewichtsverhältnis der α- und ß-Laktoseanomere. Laktosekristalle, die sich bei Temperaturen unter 20°C (70°F) bilden, sind hauptsächlich α-Laktosekristalle. Die α-Monohydrat-Laktosekristalle sind sehr hart und bilden sich zum Beispiel, wenn Speiseeis zahlreiche Erwärmungs- und Gefrierzyklen durchläuft. Dies führt zu einer unerwünschten körnigen, sandigen Textur im Speiseeis. In Speiseeis werden häufig Gummen verwendet, um die Kristallisation von Laktose zu hemmen. Die kristalline Form der ß-Laktose ist süßer und besser löslich als die α-Monohydrat-Laktose und wird daher in einigen Backwarenanwendungen bevorzugt. Wenn eine Laktoselösung schnell getrocknet wird, hat sie keine Zeit zu kristallisieren und bildet eine Art Glas. Laktoseglas kommt in Milchpulvern vor und führt zur Verklumpung. Die Verklumpung ist erwünscht, da sie zu einem Milchpulver führt, das sich sofort in Wasser auflöst.
Einfluss von Wärmebehandlungen auf die Eigenschaften von Laktose
Die normalen Pasteurisierungsbedingungen für flüssige Milch haben keine signifikanten Auswirkungen auf Laktose. Die höheren Temperaturen, die bei der Ultrahocherhitzung (UHT) von Produkten mit verlängerter Haltbarkeit und bei der Sprühtrocknung verwendet werden, können zu Bräunungs- und Isomerisierungsreaktionen führen, die die Produktqualität und die ernährungsphysiologischen Eigenschaften beeinträchtigen können. Die Bräunungsreaktion, die so genannte Maillard-Reaktion, findet zwischen der Laktose und dem Protein in der Milch statt und führt zu unerwünschten Geschmacks- und Farbstoffen sowie zu einer Verringerung des verfügbaren Gehalts an der Aminosäure Lysin im Milchprotein. Die Isomerisierungsreaktion ist eine molekulare Umstrukturierung von Laktose zu Laktulose. Lactulose wird zur Verwendung in der pharmazeutischen Industrie bei der Herstellung von Tabletten hergestellt.