Нобелевские премии 2021 года. Экологически чистое зазеркальное молоко

Нобелевская премия по химии 2021 года присуждена за развитие асимметрического органокатализа. Лауреатами стали Беньямин Лист (Институт исследования угля Общества Макса Планка, Германия) и Дэвид Макмиллан (Принстонский университет, США).

Кристаллы солей винной кислоты — тартратов — могут иметь две формы, представляющие собой зеркальные отражения друг друга. В зависимости от своей формы они поляризуют видимый свет, поворачивая плоскость поляризации по часовой стрелке или против неё. Рисунок: Tom Murphy VII//Wikimedia Commons/PD.

Беньямин Лист. Фото: www.kofo.mpg.de.

Дэвид Макмиллан. Фото: Frank-Wojciechowski/princeton.edu.

Хиральностью обладают практически все природные аминокислоты (исключение — простейшая из них, глицин). Пример — аминокислота аланин, которая существует в двух формах (L-, левовращающий изомер и D-, правовращающий). Эти изомеры содержат асимметрические атомы углерода — то есть связанные с четырьмя различными заместителями.

Беньямин Лист показал, что молекула аминокислоты пролина может быть эффективным катализатором в важных органических реакциях. До него такие небольшие органические молекулы использовались в подобной роли в считаных случаях. Так, ферменты — «классические» биокатализаторы — представляют собой сложные молекулы, обычно белковые (в этом случае они состоят из сотен аминокислот). Как правило, лишь небольшой участок белка, называемый активным центром, непосредственно участвует в ускорении целевой химической реакции. Беньямин Лист задумался, действительно ли для катализа всегда необходим весь белок? Проведя соответствующий эксперимент, он пришёл к своему открытию. Рисунок: Johan Jarnestad, Agnes Moe/The Royal Swedish Academy of Sciences/nobelprize.org (с изменениями).

Дэвид Макмиллан в поисках замены металлоорганическим катализаторам сконструировал простую молекулу, которая оказалась превосходным асимметрическим катализатором. Рисунок: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/nobelprize. org (с изменениями).

‹

›

Открыть в полном размере

Альфред Нобель в своих изобретениях опирался прежде всего на химическую науку. И не случайно химия в его завещании была упомянута второй после физики. За годы существования Нобелевской премии в области химии лауреатами стали 188 учёных. Нынешние лауреаты 2021 года опубликовали свои прорывные работы практически одновременно — в 2000 году. Беньямин Лист впервые показал, что в качестве эффективного катализатора для синтеза «зеркальных» молекул — химических соединений, имеющих одинаковое строение, но представляющих собой зеркальные отражения друг друга, — может выступать аминокислота. Примерно в то же время Дэвид Макмиллан обнаружил, что небольшие органические молекулы способны заменить неэкологичные металлоорганические катализаторы. Именно Макмиллан предложил название новому виду катализа — органокатализ.

«– Ты хотела бы жить в доме за зеркалом, Китти? Вот уж не знаю, давали ли бы они тебе там молоко. Может быть, зеркальное молоко и невкусное»*. Мартин Гарднер, один из главных популяризаторов науки двадцатого века и специалист по творчеству Льюиса Кэрролла, в своём бестселлере «Аннотированная Алиса», вышедшем в 1960 году, поддерживает следующую занятную гипотезу: в этот отрывок из самого начала «Алисы в Зазеркалье» эрудит Кэрролл поместил шутку об оптических изомерах — или, в современных терминах, о явлении хиральности.

Сама концепция веществ-изомеров была сформулирована великим синтетиком Фридрихом Вёлером ещё в 1827 году: химик изучал соли серебра и обнаружил, что фульминат и цианат этого металла обладают разными свойствами, несмотря на одинаковый состав, — это и стало определением изомерии в химии. Звучит логично: если химические свойства определяются не только набором и количеством определённых атомов, но и порядком их соединения, то формулы AgNCO (цианат серебра) и AgCNO (фульминат серебра) действительно описывают разные вещества. Но что если даже те молекулы, где все атомы соединены в одном и том же порядке, могут иметь принципиально разные свойства только благодаря разной пространственной геометрии? На первый взгляд, эта идея выглядит по-кэрролловски абсурдной — но уже к середине XX века она стала одной из главных иллюстраций красоты химии, а Айзек Азимов посвятил оптической изомерии целую главу в своей «Краткой истории химии».

Историю описания оптических изомеров не назовёшь простой — и в ней находится место ключевым персонажам из физики, химии и биологии. Всё началось с открытия физика Жана-Батиста Био: он обнаружил, что многие кристаллы и жидкости (включая, к примеру, раствор сахарозы) поворачивают плоскость поляризации света — а в случае водных растворов угол поворота напрямую связан с концентрацией этих веществ. Обнаруженный Ж.-Б. Био эффект активно использовали для неразрушающего анализа сахаросодержащих растворов, но его природу смогли объяснить только несколько десятилетий спустя, в 1848 году. Это было первым значимым достижением молодого химика Луи Пастера (до мировой славы отца микробиологии оставались ещё годы).

В процессе изучения тартратов, солей винной кислоты, он обратил внимание на разную форму кристаллов этих веществ — они были зеркальными отражениями друг друга. Буквально перебрав кристаллы своими руками, Луи убедился: кристаллы одной формы вращали плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой — против. Пастер связал форму кристаллов с формой самих молекул, также предположив для последних зеркальное строение, — так и родилась идея хиральности. Сам этот термин, происходящий от греческого слова «рука» (у вас никогда не получится «совместить» две хиральные молекулы при помощи поворота, так же, как у вас не получится наложить друг на друга левую и правую руку в одной плоскости), появился уже в 1904 году. Его предложил ещё один учёный с мировым именем — лорд Кельвин.

Однако даже Пастеру не удалось интерпретировать ключевой для современной истории хиральности момент: выделенные из биологических источников тартраты были только правовращающими, в то время как получаемые в ходе лабораторного синтеза образцы содержали обе формы кристаллов и не изменяли плоскость поляризации света. Выходит, что в природе существует механизм, благодаря которому можно синтезировать только один необходимый изомер?

Впоследствии, с дальнейшим развитием биохимии, оказалось, что вообще вся природа на Земле во многом гомохиральна — то есть склонна к совершенно определённым оптическим изомерам. Так, девятнадцать из двадцати природных аминокислот левовращающие, в то время как природные сахара в основном правовращающие. Если мы представим, что кэрролловское Зазеркалье действительно устроено так, как описывает Алиса, то Китти буквально не сможет переварить зазеркальное молоко, содержащее левовращающий сахар лактозу — то есть лакомство станет для кошки не только невкусным, но и опасным! Сюжетный ход с инопланетной жизнью, питающейся белка’ми, которые состоят из правовращающих аминокислот, неоднократно воспроизведён в научной фантастике: один из недавних ярких примеров — серия видеоигр Mass Effect, где расы кварианцев и турианцев не могут употреблять человеческую еду.

Гомохиральность связана не только с питанием: наши центры вкуса и обоняния тоже подстроены под определённые оптические изомеры — так, и мята, и тмин пахнут разными оптическими изомерами карвона. Ну ладно, запахи — всё становится гораздо более серьёзным, когда речь заходит о веществах, использующихся при производстве лекарств. И здесь требуется поговорить о ферментах и катализе.

Для описания принципа работы белковых катализаторов-ферментов часто используют метафору «ключ-замок», но справедливости ради отметим, что более корректной здесь была бы метафора «перчатка-рука». Пробовали ли вы когда-нибудь надеть на руку перчатку не своего размера? А с неправильным количеством пальцев? А принципиально другой формы? Если перчатка вам слегка не подходит, то, скорее всего, вам всё же удастся её надеть, но работать отвёрткой или тем более писать станет намного сложнее. Однако если перчатку немножко растянуть и добиться хорошей посадки, это заметно улучшит ситуацию — в химических терминах здесь можно говорить о снижении энергетического барьера. При взаимодействии фермента и субстрата последний связывается с активным центром фермента, что слегка меняет форму обеих молекул и позволяет ускорить целевую химическую реакцию в тысячи и миллионы раз при той же температуре.

Как вы уже могли догадаться, зачастую активные центры ферментов подстроены под совершенно конкретные оптические изомеры, что определяет биологическую активность гигантского процента лекарств, выступающих в роли специфических ингибиторов и, как правило, конкурирующих с субстратом за активный центр фермента. Синтез некорректного оптического изомера в роли лекарственного вещества может иметь катастрофические последствия: так, правовращающий пеницилламин эффективно лечит ревматоидный артрит, а левовращающий — весьма токсичен. Даже если другие изомеры не токсичны, а, скажем, просто неактивны, это тоже плохо, поскольку снижает эффективность лекарства в том случае, когда вместо чистого изомера используется их смесь (такое наблюдается для некоторых антидепрессантов).

Поскольку главный признак наличия хиральности у вещества — присутствие в его формуле асимметрического атома углерода (то есть такого, у которого есть четыре разных заместителя), направление синтетической химии, занимающееся получением конкретных оптических изомеров, называют асимметрическим синтезом. Ещё не так давно человечество даже близко не могло сравниться с природой в эффективности асимметрического синтеза: к примеру, у α-токоферола (витамина Е) существует восемь оптически активных изомеров, но в масличных растениях образуется только один из них, и именно он обладает наибольшей активностью как витамин! Тем не менее потребности фармкомпаний привели к тому, что асимметрический синтез в последние тридцать лет стал одной из самых горячих областей органической и фармацевтической химии.

Асимметрический органокатализ, за который получили Нобелевские премии Беньямин Лист и Дэвид Макмиллан, примечателен не только самой возможностью хирально селективного синтеза. Очень большая часть органических реакций ускоряется при помощи катализаторов на основе металлов: достаточно вспомнить платину и палладий, активно использующиеся в нефтеперерабатывающей промышленности. Так же и с асимметрическим синтезом: вообще говоря, за разработку хиральных подходов уже вручали Нобелевскую премию — в 2001 году комитет отметил Рёдзи Ноёри, Барри Шарплесса и Уильяма Ноулза, в том числе за подход к асимметрическому присоединению водорода, с использованием катализатора на основе родия.

Однако идеи середины XX века всё же начинают устаревать: нынешние синтетики активно развивают органокатализ — то есть катализ с использованием молекул, в составе которых есть только атомы углерода, водорода, кислорода, азота и серы (в отдельных случаях к этому списку добавляются галогены и фосфор). Стимулов достаточно: запасы металлов — особенно платиновых — на Земле не так уж велики. Многие из них дороги, их не так легко перерабатывать, они могут довольно сильно загрязнять среду, а все эти пункты противоречат концепции «зелёной химии», активно развивающейся на всех уровнях химической науки. Отказываться от асимметрического катализа никто не планирует, но сделать его хотя бы отдалённо экологически чистым, приблизившись к идее sustainability**, выглядит благородной затеей.

Ошибочно полагать, что премии Листу и Макмиллану достались за саму идею асимметрического органокатализа — в конце концов, в первом подтверждённом хирально селективном синтезе, проведённом в 1904 году Вилли Марквальдом, в качестве катализатора использовался алкалоид бруцин, самый настоящий органокатализатор! Их заслуга в том, что предложенные ими катализаторы могут эффективно использоваться в самых базовых реакциях, позволяющих кирпичик за кирпичиком конструировать самые разные вещества в ходе уже хорошо известных синтетикам последовательностей реакций — только на этот раз хирально селективно и с несколько меньшим вредом для Земли. Говоря языком Льюиса Кэрролла, открытия Листа и Макмиллана — то, что в теории может помочь нам не только изучить, но и получить зазеркальное молоко своими руками.

Комментарии к статье

* Кэрролл Л. Алиса в Зазеркалье. Цитата дана в переводе В. Азова.

** В переводе с английского — устойчивость. Термин, обозначающий устойчивое, сбалансированное взаимодействие человека с природой. — Прим. ред.

Точка Замерзания и с чем её едят. : Library

Меня попросили сделать небольшой, скажем так, «научно-политический» обзор по точке замерзания молока, ну или правильнее по изменению точки замерзания молока, (как только этот показатель не называют в сети), далее просто ТЗ. У этого показателя долгая и запутанная предыстория и такие же нынешние трактовки. Давайте рассмотрим, как «политические» (смысл, цели, маркетинг) так и «научные» (теория, вариации, расчёты) аспекты этого весьма любопытного показателя.

Выводы, которые напрашиваются после прочтения:

• Определение погрешности измерения Точки Замерзания без установленной погрешности измерения солей и лактозы бессмысленно.
• Только Анализатор «УЛИКОР» в исполнении «КЛЕВЕР-2М» в состоянии произвести грамотный расчёт точки замерзания.
• Точка замерзания относится к добавленной воде весьма относительно.
• Действительная точка замерзания определяется Криоскопом.

Итак, начнем.

1.Введение. Общепринято считать, что ТЗ — это физиологическая константа, которая характеризует натуральность коровьего молока. Рассматривать биологические причины «константности», осмотическое давление молока\крови животного и прочие тонкости, мы не будет, просто констатируем, что причины есть. Контроль Т З позволяет определить некие параметры состава молока и как следствие здоровье животного. Это правильно. Но тут следует сказать, что такой контроль подразумевает, что состав молока при этом не контролируется другими способами, если же ведется планомерный и полный мониторинг сырья более точными и информативными методами, то целесообразность дополнительного контроля ТЗ теряется. Ну и есть еще непонятно кем придуманная и затем монетизировнная «идея», что контроль ТЗ позволяет установить фальсификацию молока и в частности разбавление его водой (Показатель «Добавленная вода»).

2.Теория. От чего зависит точка замерзания. Из школьного курса химии известно, что ТЗ любой жидкости зависит от молярной массы растворенных в ней соединений и криоскопической постоянной растворителя. Для сырого молока это в первую очередь растворенные в воде (плазме) нативная лактоза и соли, если какое либо соединение не было растворено умышленно для, скажем так, неких «специфических» целей. Общую формулу дает нам второй закон Рауля, который даже «эффективные менеджеры» отменить пока не в силах.

∆Т_зам = К_т^. с_m,

где с_m — моляльная концентрация вещества, К_т — криоскопическая постоянная, для воды К_т = 1,86.

Таким образом ТЗ для молока можно установить с достаточной точностью исходя из содержания лактозы\ солей и общей массы (%) сухих веществ в молоке (или массы (%) воды). Факторы, которые зачастую называют причинами изменения ТЗ как-то рацион кормления, сезонность, стадии лактации, порода животного и т. д. по сути являются опосредованными, поскольку они фактически меняют не ТЗ, а лактозно-солевой состав, который и определят ТЗ. Факторы и минорные компоненты которые могут реально оказать влияние на значения ТЗ известны, об этом далее.

3.Измерения. Исходя из вышеизложенного прейдем к вопросу как корректно измерить ТЗ. Формально в соответствии с указанным Законом для это нужно знать молярное содержание всех компонентов плазмы молока, причем если, к примеру, влияние галактозы на ТЗ сопоставимо с лактозой поэтому достаточно знать общую сумму углеводов, то относительный молярный состав солей в молоке и особенно соотношение одновалентных и двух валентных может критично менять ТЗ, для учета таких особенностей существует поправочный (изотонический) коэффициент Вант-Гоффа (i), тогда формула приобретает следующий вид.

∆Т_зам = i ^. К_т^. с_m

где, i — степень диссоциации электролита, с учетом количества образующихся ионов

Использование неких средних значений относительного состава солей приведет к значительным ошибкам. Также из формул следует, что соли, влияющие на ТЗ должны, находится в виде истинного раствора, соли, связанные с белковыми и жировыми агрегатами, не будут участвовать в расчёте, поэтому применение для расчета ТЗ молока данных по содержанию золы (%) или общему элементному составу не совсем корректно.

Можно еще рассмотреть дополнительное влияние компонентов не указных выше, обычно в этом случае упоминается углекислый газ (содержание которого зависит от многих факторов), кислотность (при скисании молока) и абсолютные значения жира и белка (в контексте их сорбционных свойств и связывания растворенных в плазме солевых соединений). Общепринято пренебрегать таким влиянием, но то, что перечисленные факторы влияют и могут привнести ошибку, следует помнить. Ну и отдельная проблема — это ТЗ термообработанного молока, честно говоря я не знаю, как в рамках данного текста описать эту проблему, там все очень сложно и непонятно, проще сказать, что для термообработанного молока ТЗ не существует, как не существует ее для обрата или сливок, хотя фактически конечно она есть. С другой стороны, как говорится нет показателя — нет проблемы.

Теперь как это работает в анализаторе молока. Сообразно сказанному выше для определения ТЗ с установленной точностью прибор обязан определять в молоке содержание лактозы и солей с этой самой установленной точностью. Если такой возможности нет, говорить об измерении ТЗ не приходится. К примеру, анализатор Клевер-2М в Режиме 2 имеет такую возможность, никакого особого секрета нет, формула по которой рассчитана и установлена погрешность такого измерения в явном виде указана в Методике Измерения. К сожалению, это единственный пример, в котором алогоритм и формулы расчета приведены в явном виде открыто и честно, указаны все ограничения и применения таких измерений. К примеру, честно указывается, что в Режиме 1, в котором анализатор не измеряет лактозу и соли, нет и ТЗ. Гипотетически можно конечно представить, что на аналогичных молочных анализаторах измерить ТЗ можно каким-то другим способом, но лично нам и производителем аналогичных приборов о таком способе неизвестно, если он есть зачем это скрывать? По всему сведения от таких «способАх» обычно находятся глубоко в мыслях не совсем порядочных продавцов и маркетологов, и как следствие возникают «политические» вопросы.

«Политические» вопросы. Маркетинг — это по определению когнитивное искажения нашего сознания, у продавцов такая работа, их можно понять и простить. Но давайте попробуем их уловки и хитрости назвать некими «допущениями» и посмотреть на них хотя бы с околонаучной точки зрения. К примеру, есть мнение, что плотность молока можно вполне точно и достоверно определить исходя из содержания жира и СОМО, в таком определении есть некие допущения (как и для ТЗ, см. выше), связанные с относительным составом СОМО, растворенными в молоке газами, размерами жировых шариков и белковых мицелл), но все подобные допущения вполне обоснованы и вносят минорные ошибки на фоне общей. В целом это работает и действительно молочники этим пользуются, формулы расчёта плотности приведены в литературе, во вполне себе серьезных изданиях. Но тогда, по мнению наших маркетологов, такой же «финт» можно провести, к примеру, с нахожденим концентраций солей и лактозы просто умножая измеренное значение СОМО на волшебный коэффициент. Причем многие производители не скрывают их (коэффициентов) значение, к примеру, для молочных анализаторов «Лактоскан» производства болгарской Компаниии «Милктроник» в явном виде указано для лактозы значение 0,55, для солей 0,083. Тогда любой мало-мальски грамотный маркетолог, обязательно сделает допущение, что так как диапазон содержания лактозы в цельном молоке находится в крайне узком (4,3−4,7%) диапазоне, можно задекларировать измерение лактозы «расчетно-маркетинговым» путем и получить результат вполне в рамках декларируемой погрешности (0,2%) поскольку содержание лактозы с большой достоверностью и вероятностью «впишется» в значение 4,5 +\-0,2%. Ура! мы измерили лактозу, к пуговицам претензии есть? Ну, а особо продвинутые маркетологи умудряются подобным «измерениям» придать и официальный статус (см. таблицу). Ну и далее, «зная» такую лактозу и такие же соли, измеряем такую же ТЗ. В целом насколько подобные допущения легитимны, полагаю следует оставить на усмотрение читателя, определять скорость ветра по наклону деревьев, наверное, тоже можно, но повторимся здесь вопрос именно в допущениях, способах их подачи и трактовки.

Ну и, если пытливый читатель захочет реально проверить достоверность подобных «псевдо» измерений и наличие в приборе «волшебного коэффициента» расчета, он всегда может добавить в молоко некое точное значение лактозы и посмотреть, что получится в результате.

Каким образом для УЗ-анализаторов молока при утвреждении их типа Средств Измерений регламентируется измерение ТЗ и устанавливается погрешность такого измерения, остается только догадываться, тем ни менее что имеем то имеем (см. еще раз таблицу). Каким образом возможность и корректность такого измерения подтверждается в дальнейшем, и в том числе при проведении поверки СИ, тоже остается за кадром, хотя формально любой пытливый пользователь может после успешного проведния поверки запросить протокол ее проведения, где должно быть указано, каким образом и на каком основании была установлена правильность измерения ТЗ. В довершение отметим, что все сказанное выше можно отнести к любому другому, не обязательно ультразвуковому прибору. Причем, как правило, производители ведут себя намного честнее продавцов, к примеру, на официальном сайте такого известного производителя как ФОСС-электрик, ТЗ указана как индикативная опция, использование которой рекомендуется только в комплекте с датчиком УЭП, которым оснащены последние модели. Каким образом при пресечении границы РФ эта информация теряется, остается загадкой, как, впрочем, и планируемые «внесения» ТЗ в стандартизированную методику (ГОСТ) для ИК-спектроскопии.

Ну и что бы читатель не счел наши рассуждения излишне оппортунистическими, сошлемся на исследования ТЗ выполненные лет «цать» назад на базе нашего профильного молочного института. Досталось там всем и ультразуковым и инфракрасным приборам. Цитируем выводы:

Экспресс-анализаторы, применяемые для измерений физико-химических показателей, в том числе точки замерзания, … не могут быть рекомендованы для измерения температуры замерзания молока…, так как они основаны на математическом обсчете содержания массовой доли лактозы в молоке («MilkoSkan Minor», AKM -98)

Полностью можно ознакомится по ссылке. Читаем, но не забываем про все указанные выше допущения.

http://osmometer.ru/articles/article₃.htm

Аппендикс. Про добавленную воду через ТЗ. Тут все просто — есть примерный расчет, что добавление 1% воды вызывает увеличение температуры замерзания молокана 0,006°C. Далее нехитрым умножением можно рассчитать «добавленную» воду. Но при этом и содержание всех компонентов молока тоже уменьшается на тот же процент, поэтому многие производители приборов используют для расчета добавленной воды СОМО, хотя возможно через ТЗ как-то более солидно что ли, не знаю… Ну и естественно, рассчитанная таким образом «вода», не имеет никакого отношения к физическому добавлению воды с целью фальсификации, по той простой причине, что для такого расчета необходимо знать первоначальный состав (или ТЗ) молока до фальсификации. Каким способом это узнать у «фальсификатора» непонятно, кроме утюга и паяльника вот так сразу в голову ничего не приходит.

Выводы. Ну и в качестве выводов подчеркнем, что ООО НПП БИОМЕР всегда придерживался здравомыслящей позиции, что гвозди нужно забивать молотком, самая правильная ТЗ определяется криоскопом, как положено по ее определению и по смыслу. Для любого самого хитрого показателя всегда найдется своя методика, и даже для совсем спорных и нетривиальных показателей вроде «добавленной воды». Просто следует применить методику, которая разработана и предназначена именно для определения добавленной воды, то что Вам она неизвестна, не означает, что ее нет.

После внимательного прочтения данного материала, читатель может воспользоваться промокодом KAY1963 для получения 5% скидки на покупку продукцию производства ООО НПП БИОМЕР. Срок действия промокода до 13 марта 2022 года.

www.ChemistryIsLife.com — Химия молока

Два основных химических вещества в молоке:

-вода

-лактоза (углевод)

Молекулярная формула воды для воды — h30. Вода является наиболее доступным ресурсом на поверхности Земли. , она покрывает 70 процентов Земли. Вода может существовать в жидком, твердом и газообразном состоянии. Молекулярная формула лактозы

лактозы: C12h32O11. Лактоза образуется из единиц галактозы и глюкозы. Лактоза является основным углеводом молока. Лактоза отвечает за втягивание воды в молоко, так как она образуется в молочных железах млекопитающих.

Роль химии

Химический состав компонентов молока следующий:

Вода образуется, когда она выпадает из облаков в виде дождя. Она начинается, когда кислород и водород соединяются вместе, образуя отдельные молекулы воды. Вода встречается в природе.

лактоза (углевод) представляет собой сахар. Лактоза создается в лаборатории. Его получают из галактозы и глюкозы.

Базовые исследования

Как это делается?

Молоко представляет собой белую жидкость, вырабатываемую молочными железами млекопитающих. После этого коров доят два раза в сутки с помощью механических вакуумных доильных аппаратов. Используется для имитации сосания приплода коров.

Где сделано?

Молоко производится млекопитающими, однако оно делается «питьевым» на сотнях заводов, которые пастеризуют молоко.

Как это работает?

Молоко способствует развитию человеческого тела. Причина этого в том, что кальций в молоке укрепляет кости.

Ресурсы

http://wiki.answers.com/Q/What_elements_are_in_milk

(здесь вы можете узнать некоторые элементы в молоке)

http://www.milkfacts.info/Milk%20Composition /Milk%20Composition%20Page.htm

(здесь можно посмотреть состав молока)

http://happycowcaramels.com/wp-content/uploads/2012/11/Happy-Cow-clip-art-.jpg

http://www.raw-milk-facts.com/images/RawMilkLabelLores.jpg

http://2.bp.blogspot.com/-tyTOrP-NQrs/T_2wFlHoJRI/AAAAAAAAAIk4/wku_2zNvvGA/s800/milk- упаковка-дизайн-27. jpg

http://www.toreuse.com/wp-content/uploads/2011/02/Pasteurizer.jpg

http://1.bp.blogspot.com/_MdtKGxrmZqY/S8i0BsyQLaI/AAAAAAAAArQ/Npz7aqIZN8w/s1600/machine .jpg

http://www.examiner.com/images/blog/EXID6785/images/milk_on_store_shelves_-_ap_paul_sakuma(1).jpg

http://lunar.thegamez.net/lactose/super-lactose/shirt- lactose-800×600.jpg

(фотографии молока и коров)

http://en.wikipedia.org/wiki/Milk

http://i-cdn.apartmenttherapy.com/uimages/kitchen/2008_09_30-HomogenizedMilk.jpg

(как производится молоко)

http://www.madehow.com/Volume-4/Milk.html#b

(факты о молоке)

http://www.merriam -webster.com/dictionary/water

http://answers.yahoo.com/question/index?qid=20080705061659AAK9nWM

(информация о воде)

http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/ 546lactose.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Lactose

(информация о лактозе (углеводах))

Об авторе

Стром Нюрнбергер учится в старшей школе Биллингса. Ему нравится изучать химию одного из его любимых напитков – молока. Он в футболе уже 2 года. Он надеется продолжить играть в футбол в колледже и продолжить свое образование.

Наука о грудном молоке и детских смесях | Feature

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендует кормить детей исключительно грудным молоком в течение первых шести месяцев их жизни. В 2010 году, когда я была беременна нашим первым ребенком, на дородовых курсах нам вдалбливали идею «грудь лучше всего». Кроме того, наши матери кормили нас грудью, все наши друзья и родственники кормили своих детей грудью, я всегда собиралась кормить грудью наших детей. Или мы так думали.

Чего мы не знали до рождения, так это того, что мое тело по какой-то неустановленной причине не производит молоко. Ничего такого. Наших детей кормили детскими смесями – как и миллионы других малышей, чьи родители не кормят грудью по выбору или по необходимости.

Если бы мы активно выбирали искусственное вскармливание, я полагаю, был бы тщательный процесс отбора перед родами. В конце концов, формула, которую пили наши дети, была выбрана в панике: срочный слепой выбор между брендами, предлагаемыми в холодильнике педиатрического отделения. Мы так и не удосужились его изменить.

Большинство смесей основано на коровьем молоке с модификациями и добавками, чтобы сделать его более подходящим для человеческого ребенка. Ингредиенты различаются между брендами и продуктами, а рецептуры постоянно развиваются по мере того, как растет наше понимание того, что нужно младенцам для полноценного развития, а научные достижения открывают двери для новых ингредиентов.

Одна или две ложки

Медицинское и общественное здравоохранение единодушно согласны с тем, что грудное молоко является оптимальной пищей для младенцев. Поэтому следует ожидать, что состав детских смесей постепенно приближается к составу грудного молока. Самым большим изменением в детских смесях за последние годы стало добавление олигосахаридов грудного молока (HMO).

Впервые обнаруженные в грудном молоке в 1930-х годах, ОМО являются третьим по величине твердым компонентом грудного молока и ключевым отличием его от коровьего. «В человеческом молоке их концентрация примерно в 300 раз выше, чем в коровьем молоке, — говорит Лей Кван Го, представитель BASF. Этот многонациональный химический гигант производит HMO 2′-фукозиллактозу (2′-FL) для использования в детских смесях. ОПЗ также гораздо более структурно разнообразны, чем их бычьи аналоги: на сегодняшний день в грудном молоке идентифицировано более 150 различных ОПЗ.

2′-Фукозиллактоза

ОПЗ не усваиваются, поэтому их роль заключается не только в кормлении младенцев. Вместо этого научный консенсус заключается в том, что эти молекулы поддерживают иммунную систему как в кишечнике, так и во всем остальном теле. Но детали того, как это сделать, остаются крайне отрывочными. «Мы находимся только на вершине айсберга, когда дело доходит до понимания их широкого спектра потенциальных преимуществ», — сказал представитель Nestlé Chemistry World . «Нестле» — многонациональный конгломерат продуктов питания и напитков, который производит детские смеси, включая HMO-содержащий NAN .

Для того, чтобы организм производил более 150 различных молекул HMO, разумно предположить, что каждая из них служит уникальной биологической цели. Поэтому, чтобы полностью раскрыть биологическую функцию ОПЗ, ученые должны изучать каждое соединение отдельно. Тем не менее биологическая функция лишь нескольких ОПЗ детально изучена, объясняет Ларс Боде, исследователь ОПЗ из Калифорнийского университета в Сан-Диего, США. «Даже для них полная история остается неуловимой», — добавляет он. Подробнее о трудностях фундаментальных исследований HMO см. вставку «Химия сахара» ниже.

Химия сахара

Примерно за 90 лет, прошедших с момента их первого обнаружения, ученые выявили и определили структуру более 150 уникальных олигосахаридов грудного молока (HMOs) в грудном молоке. Они не присутствуют в равных пропорциях. «50% массы ОПЗ в молоке представлено менее чем 20 структурами», — объясняет Стивен Таунсенд, химик и эксперт по ОПЗ из Университета Вандербильта в Теннесси, США.

Чтобы изучить их индивидуальные биологические функции, ученым необходимо получить достаточное количество каждой молекулы. Это остается серьезной проблемой. «Основная причина, по которой функционирование отдельных видов ОПЗ до сих пор неясно, связана с отсутствием доступа к чистым соединениям в достаточном количестве», — говорит Си Чен, химик и эксперт по ОПЗ из Калифорнийского университета в Дэвисе, США.

Смесь HMO можно легко извлечь из грудного молока. Но из-за их похожей структуры и физических свойств невозможно разделить более 150 различных компонентов, объясняет Таунсенд.

Для любых ОПЗ, предназначенных для коммерциализации, наиболее экономичным вариантом является генетическая модификация бактерий или дрожжей, позволяющая им производить соответствующие ОПЗ. Для исследовательских целей меньшего масштаба может подойти химический или ферментативный синтез. Из-за их сложной структуры, HMO может быть чрезвычайно сложным для синтеза.

Весь синтез будет выполнен нажатием кнопки

Группа Таунсенда использует химический синтез. «Мы сделали одно из самых простых соединений HMO в грудном молоке, и нам потребовалось почти два года, чтобы сделать это», — объясняет он. Пытаясь ускорить процесс, Алексей Демченко, химик по углеводам из Университета Сент-Луиса, штат Миссури, США, находится на ранних стадиях разработки автоматизированного химического синтезатора HMO.

«Наша цель — синтезировать все основные структуры олигосахаридов грудного молока, — говорит Демченко. Его синтезатор представляет собой самодельную платформу, созданную на основе прибора высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), который обычно используется для разделения соединений. В начале эксперимента автодозатор для ВЭЖХ загружается необходимыми моносахаридами и реагентами. «Весь синтез будет выполняться нажатием кнопки», — объясняет Демченко. На данный момент его группа завершила один успешный синтез с использованием своего инструмента и в настоящее время корректирует процесс, чтобы повысить выход продукции.

При химическом синтезе HMO именно комплексные стратегии защиты и снятия защиты создают самые большие узкие места. Ферментативный синтез не имеет этой проблемы, объясняет Чен. «С ферментами вам не нужно ничего защищать, просто соедините вещи вместе, и они сформируют связь, которую вы хотите, если вы выберете правильную гликозилтрансферазу». ферменты. Все это молекулы с линейной структурой ядра; ОПЗ с разветвленной структурой ядра все еще ускользают от нее. «Если мы идентифицируем хороший бета-1,6- N -ацетилглюкозаминилтрансфераза, то, в принципе, мы можем производить все олигосахариды грудного молока», — говорит она.

Ферментация будущего

Детские смеси, содержащие ОМО, начали выпускаться в 2015 году, и по прагматическим соображениям большинство торговых марок в настоящее время содержат только два из этих олигосахаридов: 2′-FL и лакто- N -неотетраозу. Оба продукта легко производить в массовом порядке с помощью ферментации, и их безопасность и эффективность были доказаны в ходе испытаний на рост.

Лакто-N-тетраоза

Но в академических кругах некоторые разногласия связаны с добавлением 2′-FL в смесь, поскольку он не всегда присутствует во всем грудном молоке. «Около 20% мам ничего этого не делают», — говорит Боде. Беспокоит то, что случайное упущение 2′-FL в природе может быть не случайным, и что это может указывать на то, что эта молекула полезна не для всех младенцев. По словам Боде, здесь еще предстоит провести множество фундаментальных исследований.

Промышленность, тем временем, продвигается вперед, добавляя ОПЗ в молочные смеси, и на горизонте появятся более сложные комбинации. Датская бионаучная компания Chr. Hansen, например, разработал пятикомпонентную смесь HMO, содержащую 2′-FL, 3-фукозиллактозу, лакто- N -тетраозу, 3′-сиалиллактозу и 6′-сиалиллактозу. Как и BASF, Chr. Hansen производит ингредиенты для детской смеси, а не саму смесь.

«Результаты наших научных исследований на младенцах показывают, что смесь из пяти ОПЗ положительно влияет на пищеварение, улучшая консистенцию и частоту стула. Характер стула напоминает стул младенцев, находящихся на грудном вскармливании», — говорит Катя Паршат, руководитель отдела исследований и разработок HMO в Chr. Хансен. Она добавляет, что в ближайшее время ожидаются дополнительные научные данные испытаний с использованием ОПЗ в концентрациях, сравнимых с грудным молоком.

По мере того, как знания об ОПЗ – как об их структуре, так и о биологических функциях – расцветали, росло и стремление к этим молекулам, помимо детских смесей. Они уже продаются в виде пребиотических добавок для всех возрастных групп, и исследователи начинают изучать их более широкое применение. См. рамку ОПЗ помимо формулы ниже для получения более подробной информации.

ОПЗ, не входящие в состав смеси

Основная роль производимых олигосахаридов грудного молока (ОПГ) приходится на детские смеси. Их вторичное использование в качестве готовых пребиотиков для всех возрастных групп было, возможно, неизбежным последующим действием. Но, как теперь выясняют исследователи, потенциальное применение этих биологически активных молекул намного шире, чем предполагалось изначально.

Ларс Боде из Калифорнийского университета в Сан-Диего, США, возглавляет поиск новых медицинских приложений для ОПЗ. Основное заболевание, над которым он работает, — это некротизирующий энтероколит, серьезная желудочно-кишечная проблема новорожденных, которая, как известно, затрагивает гораздо больше детей, находящихся на искусственном вскармливании, чем их эквиваленты на грудном вскармливании. Его группа разрабатывает использование дисиалиллакто- N -тетраозы HMO в качестве терапевтического средства для детей, у которых выявлен риск развития этого состояния.

Определенные ОПЗ могут использоваться для лечения таких заболеваний, как сердечный приступ и инсульт

Bode также является частью Калифорнийского университета в Сан-Диего, который занимается разработкой диагностического прибора для определения количества дисиалиллакто- N -тетраозы в грудном молоке. «Если мы измерим эти защитные олигосахариды в собственном молоке матери или в донорских молочных продуктах, то мы сможем определить подходящие партии для кормления недоношенного ребенка [с риском развития заболевания]», — говорит Боде.

Боде и его сотрудники находятся на ранних стадиях изучения использования ОПЗ для лечения и профилактики заболеваний взрослых, связанных с хроническим воспалением. «Мы показали на животных, что определенные ОПЗ можно использовать для лечения таких заболеваний, как сердечный приступ и инсульт», — говорит он. Но это только начало, добавляет Боде. «Когда мы получим глубокое механистическое понимание того, что все эти олигосахариды делают на клеточно-молекулярном уровне [во время грудного вскармливания], это позволит нам разработать новые терапевтические средства на основе этих компонентов для людей всех других возрастных групп, а также для младенцев».

Приготовление протеинов

В то время как производители детских смесей по-прежнему сосредоточены на углеводном составе, чтобы приблизить свои молочные смеси к натуральным продуктам, две новые компании занимаются гуманизацией другого важного компонента грудного молока: протеинов. .

Сингапурская компания TurtleTree начинает с лактоферрина, белка , который широко распространен в грудном молоке и обладает антимикробными свойствами. Лактоферрин также естественным образом присутствует в коровьем молоке, хотя и с несколько иной структурой и в значительно более низких концентрациях. Дополнительный бычий лактоферрин, извлеченный из коровьего молока, добавляли в детские смеси с 19 века.80-е годы.

Мы можем воссоздать белки человеческого молока

TurtleTree использует прецизионную ферментацию для производства лактоферрина. По словам Джесс Нгуен, бизнес-менеджера TurtleTree, его «выращивают с использованием микроорганизмов в биореакторе». «Эти клетки-хозяева размножаются с высокой скоростью, как и в процессе пивоварения, используя относительно недорогие питательные вещества для роста, и выделяют целевой белок, который затем очищается и очень близок к белку самого грудного молока», — говорит Нгуен.

Запуск лактоферрина запланирован на середину-конец 2022 года, говорит Нгуен, добавляя, что производство в настоящее время наращивается, и проводятся научные испытания для одобрения регулирующими органами. Бычий лактоферрин также продается в качестве иммуностимулирующей добавки для взрослых, и TurtleTree планирует выйти на этот рынок со своим продуктом.

Helaina, начинающая компания, базирующаяся в Нью-Йорке, США, занимается производством белков, идентичных человеческим, для включения в детские смеси. Он также использует прецизионную ферментацию . «У нас есть платформа микробной экспрессии, которую мы разработали сами, — говорит основатель Helaina Лаура Кац. «Мы можем воссоздать белки, обнаруженные в грудном молоке, которые идентичны по последовательности и посттрансляционным модификациям тем, что обнаружены в грудном молоке». любые сроки выхода на рынок. Но — что касается TurtleTree — план намного шире, чем просто создание одного или двух гуманизированных белков. В конце концов, Кац хочет, чтобы Хелайна воспроизвела каждый основной компонент грудного молока отдельно в лаборатории, а затем смешала их вместе, чтобы сформировать молочную смесь.

Культивированное человеческое молоко

TurtleTree также стремится производить полноценный продукт из грудного молока, но с использованием совсем другого набора инструментов. План состоит в том, чтобы убедить человеческие клетки производить человеческое молоко в биореакторе: человеческое молоко, выращенное на клеточной культуре.

Мы можем производить молоко вне тела, если сможем правильно выращивать клетки

Другой запуск одновременно пытается выполнить тот же квест. Лейла Стрикленд, соучредитель Biomilq, говорит, что она придумала идею культивирования грудного молока в 2009 году.пока изо всех сил пытается кормить грудью своего сына. В то время она была постдоком в области клеточной биологии и пыталась понять биологические причины проблем, с которыми она столкнулась. «Мне только что пришла в голову мысль, что мы можем производить молоко вне тела, если сможем правильно выращивать клетки», — говорит Стрикленд.

Эпителиальные клетки молочных желез лежат в основе процессов Biomilq и TurtleTree. В природе эти клетки располагаются слоями в ткани молочной железы, где они производят молоко по указанию гормональных мессенджеров. Они поглощают питательные вещества из кровотока с одной стороны слоя и выделяют молоко с другой стороны, в модули молочной железы. То же самое происходит и в биореакторах. Клетки располагаются слоем, питательные вещества поглощаются из культуральной среды клеток под клетками, а материнское молоко вытекает сверху.

Стрикленд ясно дает понять, что молоко, произведенное в биореакторах, не является грудным молоком. «Оно никогда не будет воспроизводить все те же качества и свойства грудного молока», — говорит она. Однако его состав гораздо ближе к грудному молоку, чем к составу смеси на основе крупного рогатого скота. В нем отсутствуют всего два элемента: антитела (они вырабатываются разными типами клеток в организме) и возможность микробной передачи от матери к ребенку.

Тем не менее, если что-то, более похожее на грудное молоко, сможет начать массовое производство, это станет началом новой эры в кормлении младенцев. Конечно, предстоит преодолеть еще много препятствий, прежде чем эта идея станет реальностью. И Biomilq, и TurtleTree признают, что пройдет несколько лет, прежде чем культивированное человеческое молоко будет готово к массовому производству.

Серьезные задачи, которые предстоит решить, включают определение и поиск лучшего типа клеток, расширение производственного процесса, получение одобрения регулирующих органов на очень новый продукт и выяснение того, как производить молоко по той же приблизительной цене, что и коровья смесь.

Родители, использующие искусственное вскармливание, скорее всего, продолжат горячо приветствовать дальнейшую гуманизацию детских смесей — будь то за счет добавления ОМО, белков, подобных человеческим, или создания практически реальных продуктов, выращенных в лаборатории. Однако поддержка этих продуктов далеко не универсальна. Есть опасения, что лучшие варианты искусственного вскармливания могут побудить больше родителей отказаться от грудного вскармливания, что, по мнению всех врачей и экспертов в области общественного здравоохранения, было бы вредным.