Op deze pagina worden de eigenschappen van melkkoolhydraten beschreven. Er is een korte inleiding over algemene koolhydraatchemie, gevolgd door hoofdstukken over de chemie van melkkoolhydraten (lactose), de fysische eigenschappen van lactose, en de invloed van warmtebehandelingen op de eigenschappen van lactose. Voor meer details over de eigenschappen van lactose, zie de referenties van Fox en McSweeney (1998), Holsinger (1988, 1997), en O’Brien (1995, 1997).
Algemene chemie van de koolhydraten
Koolhydraten zijn opgebouwd uit moleculen die sacchariden worden genoemd. Eenvoudige sachariden bevatten 1 of 2 moleculen en worden monosachariden of disachariden genoemd, of, meer algemeen, suikers. Oligosacchariden en polysacchariden zijn ketens die een paar tot veel suikermoleculen bevatten en kunnen worden aangeduid als zetmeel.
De monosacchariden die belangrijk zijn in voeding en gezondheid zijn glucose (soms dextrose genoemd), fructose, en galactose. De disacchariden zijn sucrose (glucose + fructose), lactose (glucose + galactose), en maltose (glucose + glucose). De 2 suikermoleculen in disacchariden zijn aan elkaar gebonden en deze binding moet worden verbroken voordat de suikers door het lichaam kunnen worden gebruikt voor energie en andere lichaamsfuncties. Zetmeel is een lange glucoseketen die recht of vertakt kan zijn, en er zijn verschillende manieren waarop de moleculen in zetmeel aan elkaar kunnen binden. Zetmeel van verschillende oorsprong, zoals tarwe of maïs, heeft unieke functionele eigenschappen. De structuur van zetmeel kan worden gemodificeerd om hun functionele eigenschappen te verbeteren en hun gebruik in voedingsmiddelen te vergroten.
Koolhydraatchemie van melk
Melk bevat ongeveer 4,9% koolhydraten die hoofdzakelijk bestaan uit lactose met sporen van monosacchariden en oligosacchariden. Lactose is een disacharide van glucose en galactose. De structuur van lactose is:
Lactose Fysische eigenschappen
Lactose is opgelost in de serumfase (wei) van vloeibare melk. Lactose opgelost in oplossing komt voor in 2 vormen, de α-anomeer en de ß-anomeer genoemd, die tussen elkaar heen en weer kunnen schakelen. De oplosbaarheid van de 2 anomeren is temperatuurafhankelijk en daarom zal de evenwichtsconcentratie van de 2 vormen bij verschillende temperaturen verschillend zijn. Bij kamertemperatuur (70°F, 20°C) is de evenwichtsverhouding ongeveer 37% α- en 63% ß-lactose. Bij temperaturen boven 200°F (93,5°C) is het ß-anomeer minder oplosbaar en is de verhouding α- tot ß-lactose hoger. Het aanwezige type anomeer heeft geen invloed op de voedingseigenschappen van lactose.
Lactose kristallisatie treedt op wanneer de concentratie van lactose groter is dan de oplosbaarheid. De fysische eigenschappen van lactosekristallen zijn afhankelijk van het kristaltype en kunnen het gebruik ervan in levensmiddelen sterk beïnvloeden. Temperatuur beïnvloedt de evenwichtsverhouding tussen de α- en ß-lactose anomeren, zoals hierboven beschreven. Lactosekristallen die gevormd worden bij temperaturen lager dan 20°C zijn voornamelijk α-lactosekristallen. De α-monohydraat lactosekristallen zijn zeer hard en vormen zich bijvoorbeeld wanneer roomijs talrijke opwarmings- en invriescycli ondergaat. Dit resulteert in een ongewenste korrelige, zanderige textuur in het roomijs. In roomijs worden vaak gommen gebruikt om de kristallisatie van lactose tegen te gaan. De kristalvorm van ß-lactose is zoeter en beter oplosbaar dan het α-monohydraat lactose en kan de voorkeur hebben in sommige bakkerijtoepassingen. Wanneer een lactose-oplossing snel wordt gedroogd, heeft het geen tijd om te kristalliseren en vormt het een soort glas. Lactoseglas komt voor in melkpoeders en veroorzaakt klontering. Het klonteren is wenselijk omdat het resulteert in een melkpoeder dat onmiddellijk oplost in water.
Invloed van warmtebehandelingen op de eigenschappen van lactose
De normale pasteurisatiecondities gebruikt voor vloeibare melk hebben geen significant effect op lactose. De hogere temperaturen die worden gebruikt voor ultrahoge temperatuur (UHT) pasteurisatie van producten met verlengde houdbaarheid en sproeidrogen kunnen bruinings- en isomeratiereacties veroorzaken, die de productkwaliteit en voedingseigenschappen kunnen beïnvloeden. De bruiningsreactie, de zogenaamde Maillard-reactie, treedt op tussen de lactose en het eiwit in melk en veroorzaakt ongewenste smaken en kleur, en vermindert het beschikbare gehalte van het aminozuur lysine in melkeiwit. De isomerisatiereactie is een moleculaire herschikking van lactose tot lactulose. Lactulose wordt geproduceerd voor gebruik door de farmaceutische industrie bij de productie van pillen.