Изучение синтеза основных компонентов молока как составляющих полидисперсной системы

С точки зрения физико-химической классификации молоко можно рассматривать как высокодисперсную (коллоидную) систему, которая определяется свойствами воды. Как полярное вещество вода обеспечивает возможность существовать и интенсивно двигаться в броуновском движении, независимо друг от друга, в дисперсной среде (раствор лактозы в воде) частицам дисперсной фазы (мицеллы казеина, молекулы лактоальбуминов и лактоглобулинов). Коллоидное состояние допускает размеры частиц дисперсной фазы от 10 до 200 нм. Более мелкие молекулы (лактоза — 1,0-1,5 нм) находятся в растворе, образуя дисперсную среду, более крупные выделяются из дисперсной среды как неспособные к самостоятельному броуновскому движению (1, 2).

В молоке частицы находятся в трех формах: молекулярно-ионной (лактоза и соли), коллоидной (белки) и взвешенной, в виде эмульсии (жир). Содержание перечисленных основных компонентов в молоке при адекватном обеспечении молочной железы предшественниками определяется количеством и активностью ферментных систем, участвующих в синтезе каждого из ингредиентов. В свою очередь, обеспеченность железы предшественниками зависит как от количества протекающей крови (3, 4), так и от интенсивности извлечения предшественников тканями железы. Объем протекающей крови тесно связан с количеством секреторного эпителия. Изменения активности систем синтеза находятся под влиянием гормонального фона по стадиям лактации. Разные гормоны неодинаково воздействуют на системы синтеза белков, лактозы и жира. Так, гипертиреоз значительно увеличивает продукцию и синтез жира без адекватного увеличения удоя (5, 6). Под влиянием соматотропина, наоборот, прежде всего повышается удой (7, 8). Исходя из того, что синтез отдельных ингредиентов молока происходит в разных ферментных системах, по их концентрации и взаимоотношению можно судить и об активности систем синтеза. Рассмотрение этих вопросов в связи с удоем, различиями состава молока на разных стадиях лактации и роли отдельных ингредиентов в формировании коллоидной системы молока было предметом наших исследований, представленных в настоящей статье.

Цель работы заключалась в рассмотрение вопросов синтеза и продукции жира, белка и лактозы и их участия в формировании молока как коллоидной системы.

Методика . Исследования проводили на голштинизированных черно-пестрых коровах в опытном хозяйстве «Кутузовка» (Харьковский р-н, Харьковская обл., Украина, 2011 год). Кормление коров соответствовало существующим нормам энергетического, протеинового и минерального питания и достаточно строго корректировалось с учетом фактической питательной ценности используемых кормов. Основу рационов в осенний и зимний периоды, а также ранней весной составляли консервированные корма — силос кукурузный, сенаж и сено. В летний период, при достаточно высоком накоплении питательных веществ в зеленых растениях (зеленая масса озимых, люцерна, кукуруза) в течение июня—августа, животные получали зеленую массу перечисленных кормов. Общий состав рационов корректировался концентратами в соответствии с составом основного грубого корма и удоем. Образцы молока от каждой коровы отбирали ежемесячно во время контрольного доения с использованием аппаратов, снабженных специальными приспособлениями для формирования средней пробы. В каждый цикл получения образцов в течение трех смежных суток отбирали не менее 400-500 проб молока. Всего в разные периоды после лактации (с 14-х по 500-е сут) проанализировали 6338 проб.

При изучении состава разных порций удоя опыты проводили на четырех голштинизированных черно-пестрых коровах с суточной продуктивностью 9,5-6,4 кг молока во второй половине лактации в условиях физиологического двора (Институт животноводства, Украина). Коровы получали кукурузный силос, комбикорм и сено люцерны, содержание животных — привязное. Пробы молока от каждой особи отбирали в утреннее и вечернее доение 3 раза в течение 10 сут. Состав молока определяли в трех порциях суточного удоя: 1 — молоко, полученное в начале доения (цистернальное, выдаивали вручную из каждой доли вымени); 2 — усредненная проба (основной удой, отбирали из ведра после выдаивания аппаратом), 3 — остаточное (альвеолярное) молоко (получали из каждой доли вымени вручную после снятия аппарата и массажа вымени).

Пробы молока исследовали на приборе Bentley-150 Comby («Bentley Instruments Inc.», США).

Данные обрабатывали статистически с использованием пакета прикладных программ Microsoft Excel .

Результаты. Значительное ежемесячное число исследованных образцов нивелировало влияние индивидуальных особенностей животных на тестируемые показатели, что позволило достаточно точно охарактеризовать закономерности изменения состава молока и оценить влияние различных факторов с точки зрения их значения для синтеза жира, белка и лактозы и участия в формировании коллоидной системы молока. Нами бы- ли получены данные по соотношению компонентов молока в зимний и летний периоды, на разных стадиях лактации, у животных с неодинаковым удоем и в разных порциях удоя, которые обсуждаются.

При оценке состава молока коров в зависимости от стадии лактации (табл. 1) выявили, что изменение содержания отдельных компонентов в молоке и их продукции происходило неравномерно. Выход жира и белка снижался за счет уменьшения удоя при повышении содержания этих компонентов в молоке в конце лактации. В то же время количество лактозы падало только из-за уменьшения удоя без заметного снижения ее доли в молоке. Таким образом, дисперсная среда молока оставалась постоянной и благоприятной для поддержания дисперсной фазы (белков) и жировой эмульсии на заключительных этапах лактации. Следовательно, снижение удоя при затухании или прекращении лактации происходит за счет уменьшения синтеза лактозы и без изменения состава дисперсной среды молока.

1. Состав молока у голштинизированных черно-пестрых коров на разных стадиях лактации ( M ± m , опытное хозяйство «Кутузовка», Харьковский р-н, Харьковская обл., Украина, 2011 год)

Сравнение содержания белка, жира и лактозы в молоке у коров с разным удоем (независимо от стадии лактации, или времени после отела) продемонстрировало, что процент жира и белка у особей с высоким удоем был заметно (или существенно) ниже, чем у низкопродуктивных коров (табл. 2). Концентрация этих соединений закономерно снижалась у коров с повышенным удоем. Содержание лактозы в молоке у коров с максимальным удоем было на 5 % выше (р > 0,05), чем у низкопродуктивных. В то же время продукция жира у высокопродуктивных коров увеличилась на 360 %, белка — на 403 %, а лактозы — на 491 %. Таким образом, с ростом продуктивности происходило значительное (или резкое) увеличение объема дисперсной среды без заметного изменения в ее составе доли лактозы — основного компонента, формирующего эту среду. Интересно отметить, что объем дисперсной среды изменялся независимо от количественных показателей по компонентам дисперсной фазы. Образующаяся в секреторных клетках и выходящая в полость альвеол лактоза неспособна преодолевать барьер стенки и выходить как из альвеолы, так и из протоковой системы. Лактоза (и галактоза) никогда не обнаруживаются в оттекающей от вымени крови. Приведенные данные показывают, что регуляция синтеза лактозы не зависит от регуляции синтеза белка и продукции жира в молочной железе коров.

2. Состав молока, продукция жира, белка и лактозы у голштинизированных черно-пестрых коров с разным удоем независимо от стадии лактации ( M ± m , опытное хозяйство «Кутузовка», Харьковский р-н, Харьковская обл., Украина, 2011 год)

Таким образом, очевидно, что регуляция удоя как в сторону увеличения, так и в сторону снижения начинается с изменения синтеза лактозы в клетках альвеолярного эпителия. Синтез лактозы происходит за счет активности лактозосинтетазы — комплекса фермента галактозилтрансферазы и а -лактальбумина (8) в аппарате Гольджи секреторной клетки. Синтез казеина, начинаясь в полисомах клетки, оканчивается также в аппарате Гольджи насыщением фосфором и кальцием. Очевидно, гормон роста, регулирующий величину удоя, оказывает непосредственное влияние прежде всего на лактозосинтетазную активность.

Коэффициенты корреляции ( r ) между содержанием жира и величиной удоя на зимних рационах составили - 0,34 (р < 0,01), на летних — - 0,35 (р < 0,01), между содержанием белка и удоем — соответственно - 0,32 (р < 0,01) и - 0,40 (р < 0,01). В то же время корреляционная зависимость между удоем и содержанием лактозы была положительной: на зимних рационах r = 0,27 (р < 0,01), на летних — r = 0,28 (р < 0,01). По нашему мнению, это также подтверждает роль лактозы как фактора, формирующего объем дисперсной среды для размещения дисперсной фазы (белки) и эмульсии жира и величину удоя в целом. Корреляция между процентом белка и лактозы и жира и лактозы была отрицательной, что подтверждает значение лактозы как фактора, определяющего величину удоя независимо от синтеза белков и жира.

Роль отдельных компонентов молока также рассматривалась нами в исследованиях разных порций удоя (табл. 3). Из представленных данных видно, что у всех животных направленность изменений содержания жира в молоке была одинаковой. Однако этот показатель в разные сроки у каждой коровы существенно различался, в том числе и по всему удою. Отклонения от средних значений, определенных за 3 сут, составляли от - 20 до + 16 %. В то же время отклонения от средних величин по содержанию белка и лактозы оказались существенно ниже.

3. Состав молока (%) из разных порций удоя у голштинизированных чернопестрых коров в среднем за 3 сут ( M ± m , физиологический двор Института животноводства, Украина, 2011 год)

В среднем по всем животным в цистернальной порции молока, выделяемой в начале доения, содержание лактозы составляло 4,30±0,11 %, жира — 1,84±0,12 %, белка — 3,06±0,05 %. В альвеолярной порции, полученной после стимуляции вымени по окончании обычного доения, содержание лактозы осталось практически тем же, по жиру показатель равнялся 6,97±0,27 %, по белку — 2,85±0,03%. Доля лактозы в целом была близкой к величинам, полученным по всему удою. Это указывает на непрерывность функционирования лактозосинтезирующей системы, находящейся в аппарате Гольджи секреторной клетки. Содержание белка в молоке в проведенном опыте оказалось низким и сходным в разных порциях. Как отмечалось, синтез молекулы казеина происходит в рибосомах (полисомах) с последующим включением ионов кальция и фосфора также в аппарате Гольджи. Низкое содержание белка при обычном содержании лактозы свидетельствует о различиях в метаболических путях, эффекторах и их мишенях, участвующих в регуляции синтеза лактозы и казеина в клетке.

Таким образом, объем продукции молока определяется двумя факторами: первый — количество альвеолярной ткани и секреторного эпителия, второй — активность ферментных систем синтеза компонентов молока (14, 15). В представленной работе рассматривается объем синтеза молока главным образом в связи с активностью ферментных систем. Синтез компонентов молока в молочной железе (лактоза, казеин, лактоальбумин и лактоглобулин) может варьировать без изменения количества альвеолярной ткани. Хорошо известно, что при кратковременном голодании происходит снижение удоя в результате как уменьшения притока предшественников в молочную железу, так и снижения активности ферментных систем. При возобновлении адекватного кормления удой достаточно быстро восстанавливается.

Исходя из данных о том, что величина удоя обусловлена главным образом синтезом лактозы, можно считать регуляцию синтеза лактозы основным фактором, определяющим изменение удоя. В качестве еще одного интересного факта в пользу утверждения о преобладающем влиянии синтеза лактозы на величину удоя следует рассматривать реакцию на сомато- тропин как основной регулятор молокообразования. В наших исследованиях, как и в экспериментах других авторов, показано, что увеличение удоя происходит уже на следующие сутки после введения экзогенного гормона роста без адекватного быстрого увеличения содержания жира, что свидетельствует о первоочередном действии соматотропина на синтез лактозы, а не других компонентов молока (16-19).

На основании изложенного схема синтеза базовых компонентов молока представляется следующим образом. В соответствии с обеспеченностью вымени предшественниками в эпителиальной клетке синтезируется лактоза, достаточно свободно секретируемая в полость альвеолы и образующая раствор (дисперсную среду молока), в который поступает дисперсная фаза — белки, синтезируемые в клетке эпителия. Белки (лактоальбумин, лактоглобулин и казеин) из клетки выходят не свободно, а после сжатия альвеолы миоэпителием. Этим, в частности, объясняется разный состав порций молока в начале и конце доения. Выделение в полость альвеолы глобул жира, не включающихся в состав коллоида, также происходит после «выдавливания» содержимого из секреторного эпителия в полость альвеолы и движения молока через систему канальцев.

Итак, полученные результаты позволяют заключить, что образование компонентов молока не находится в достаточно тесной взаимосвязи: различия в изменении содержания и соотношения ингредиентов в ответ на одинаковые воздействия (например, затухание лактации) указывают на неодинаковую чувствительность разных систем синтеза к одним и тем же факторам. Изменения удоя у животного или различия в удое между особями определяются главным образом продукцией лактозы. Однако при этом колебания концентрации лактозы незначительны по сравнению с варьированием по количеству образуемого молочного белка и жира. Это свидетельствует о поддержании постоянной дисперсной среды в молоке как коллоидной системе. Процентное содержание компонентов дисперсной фазы (белки) и эмульгируемого в дисперсной среде жира не зависит от объема дисперсной среды, формирующейся за счет лактозы. Иными словами, величина удоя (объем продуцируемого молока) определяется количеством синтезируемой в молочной железе лактозы при ее относительно постоянной концентрации в молоке.