Влияние зоотехнических факторов на белковый состав сырого коровьего молока
Молоко — уникальный продукт питания, содержащий широкий спектр питательных компонентов, витаминов, макро- и микроэлементов.
Наиболее ценными компонентами молока являются белки, которые содержат незаменимые для организма человека аминокислоты. При этом в белках мяса, рыбы и растительных продуктов содержание аминокислот в разы ниже, чем в молочных белках.
В современном производстве большое внимание уделяется количественным показателям молока и жирномолочности, вариативность которой выражена больше, чем изменения в составе и количестве белков молока.
Но в последние годы с популяризацией функционального и специализированного питания появилась необходимость более полного изучения именно белков молока, включая количественное значение аминокислот. Важную роль в смещении вектора научного внимания на этот компонент молока сыграли растительные аналоги сырого молока КРС.
В современных продуктах всё чаще используются миндальное, кокосовое, соевое, овсяное, бамбуковое и прочие виды молока. Важно понимать, что растительные продукты уступают коровьему, прежде всего по полноценности белка, содержанию минеральных компонентов и их усваиваемости.
Таким образом, современные тенденции альтернативного молока остаются противоречивыми, и вопрос улучшения качества молока животного происхождения актуален.
Для поддержания и наращивания качества продукции на основе сырого молока необходимо актуализировать спектр факторов, влияющих на белковый состав и свойства молока КРС. Это в свою очередь позволит улучшить и расширить ассортимент молочной продукции, так как основой любого продукта является качественное сырье.
Цель работы — актуализация научных данных о влиянии зоотехнических факторов на белковый состав сырого коровьего молока.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи: поиск и отбор научной литературы по заданной тематике; анализ отобранных научных работ; структурирование полученных данных и формирование базы факторов, оказывающих влияние на белковый состав молока КРС; установление зависимости факторов друг от друга; определение изменений белковомолочности от факторов и их комбинаций.
Материалы и методы исследования
Материалами исследования являлись актуальные данные научных статей, монографий и конференций о факторах, влияющих на белковый состав молока.
Авторами в качестве методов исследований в рамках заданной тематики использовались аналитический и синергетический подходы по критериям, указанным в таблице 1.
Используемые методы позволили произвести поиск, анализ и систематизацию данных, составить научный обзор.
Основной стратегией поиска материалов была проработка библиографичеких порталов Elibrary.ru, PubMed, Google Scholar, Scopus и научных онлайн-изданий.
Были использованы поисковые запросы на: русском языке — «белок молока КРС», «факторы, влияющие на белок молока», «структура белков молока разных пород КРС», «аминокислотный состав молока», «кормление молочных коров», «технологические показатели сырого молока», «качество сырого молока», «состав молока КРС»; английском языке — milk protein concentration, cattle milk protein, protein structure of bovine milk, сasein composition and energy metabolism, cattle feeding, factors of milk quality.
Работа с научной литературой 2013–2023 гг. позволила сформировать актуальную информационную базу для глубокого комплексного обзора темы. Всего были рассмотрены 118 работ, из них 29 содержали дублирующие данные, 32 косвенно или поверхностно касались заданной тематики, поэтому не представляли ценности в рамках данного обзора, 12 не имели открытого доступа к полному тексту.
Анализ научных статей более раннего периода осуществлялся при отсутствии новых публикаций по отдельным аспектам исследуемой тематики.
Результаты и их обсуждение
Роль белка в сыром молоке
Молоко млекопитающих представляет собой желто-белую непрозрачную сладковатую жидкость, достаточно сложную по химическому составу. В состав молока входят свыше 200 различных компонентов (табл. 2), которые взаимосвязаны между собой, создают систему органических и неорганических соединений и находятся в водной фазе в грубодисперсной, коллоидной или растворимой форме.
Степень обеспеченности молока по показателям: животный белок — 52–55%; незаменимые жирные кислоты — 33–37%, обменная энергия — 25–28%.
Химический состав сырого молока является основным условием в принятии решения о дальнейшей его переработке на определенный вид молочной продукции. Ключевые требования использования молока на пищевые цели — его качество и технологические свойства.
Белки молока подразделяют на три группы: казеины, сывороточные белки и белки оболочек жировых шариков (рис. 1).
Благодаря влиянию гидрофильных свойств казеина на водосвязывающую и влагоудерживающую способность сгустка, на консистенцию и потребительские свойства готового продукта молочный белок является важным компонентом при производстве творога, сыров и кисломолочных продуктов.
Основная протеиновая составляющая молока — казеин, классифицируемый на многочисленные фракции, основные из них — as1, as2, бета, каппа. Все фракции синтезируются в клетках молочной железы и имеют генетические варианты.
Длительное время селекционеры в нашей стране занимались в основном увеличением количественной продуктивности коров и повышением содержания жира в молоке. Сегодня акцент постепенно смещается на аминокислотный состав, соотношение белковых фракций и полноценность молока, используемого в питании человека.
Факторы, влияющие на белковый состав молока
Основная особенность животноводства заключается в том, что на один показатель разные факторы действуют комплексно на всех этапах технологического процесса производства, то есть показатели белка в молоке, заложенные генетически, могут изменяться в зависимости от кормления, климатических условий, фазы лактации и так далее, но при этом оставаться в «свойственном» породном диапазоне.
В рамках исследования авторы намеренно отошли от схемы разделения факторов на паратипические и непаратипические, дабы показать всестороннее влияние разных групп факторов на организм животных и дальнейшее производство сырого молока. Для систематизации изученных факторов авторы сформировали следующие группы:
- селекционно-генетические факторы, обусловливающие породную и линейную принадлежность и индивидуальный продуктивный потенциал животного;
- кормовые факторы, объединяющие в себесбалансированность рациона, качество используемых кормов и изменения кормовой базы;
- временные факторы, подразумевающие сезонные и возрастные изменения, влияющие на физиологическое состояние животных. Факторы этой группы не поддаются контролю со стороны человека;
- технологические факторы, отвечающие за условия содержания животных и все производственные процессы, такие как доение, кормление, осеменение, отслеживание фазы лактации животных и т. д.
- Селекционно-генетические факторы
Порода и индивидуальная генетическая наследуемость признаков характеризуют количественные показатели удоя и качество молока, в особенности жирнокислотный и белковый состав. Генетический фактор обусловливает «типичные породные» показатели молочной продуктивности и дальнейшую дифференциацию молока в зависимости от технологических свойств полученного сырья.
У каждой породы КРС молочного направления есть свои генетические особенности, влияющие на комплекс показателей молока. Исследования наследственных особенностей качества молока проводятся разными способами: межпородный сравнительный анализ, внутрипородное линейное или семейное сравнение, продуктивные показатели разновозрастного стада, генотипирование белков молока по крови животных, направленное ротационное скрещивание с последующим анализом молока потомства разных поколений и т. д.
Работа, проведенная в 2018 году на севере Италии на 505 коровах, была основана на трех- и двухпородных помесях бурой швицкой, голштинской и монбельярдской пород разного возраста. Разные схемы и вариации скрещивания позволили создать большой спектр генетических вариантов продуктивности потомков.
Молоко от помесных коров имело более высокое содержание и пропорции каппа-казеина и α-лактальбумина, более низкое содержание β-лактоглобулина и большую долю казеинов при меньшем содержании сывороточных белков в молочном истинном белке, чем у чистокровных голштин.
Трехпородные помеси отличались от двухпородных только большим содержанием α-лактальбумина в молоке.
Результаты данного исследования подтверждают целесообразность использования программ скрещивания для изменения профиля молочного белка с целью улучшения качества молока и его свойств для сыроделия.
В исследовании Н.Л. Игнатьевой поголовье черно-пестрых голштинизированых коров УОХ «Приволжское» (Чувашская ГСХА) было проанализировано на изменения белковомолочности в зависимости от происхождения отцов (Канада, Нидерланды, Дания, Россия). Группы сравнивались по принципу пар-аналогов для минимизации влияния сторонних факторов. Было доказано, что электрофоретические показатели соотношения фракций белков молока у коров одной породы разного происхождения отличаются.
Детальный анализ фракционного состава молочного белка у животных голландской селекции обладал наиболее высоким содержанием основных белковых фракций.
Такого рода исследования позволяют проработать направленную селекционную стратегию и производить молоко, более эффективно используемое в производстве молочных продуктов (табл. 3).
Подобные исследования имеют множество вариантов для поиска и установки закономерностей в молоке, обусловленные происхождением коров. Знания о корреляции показателей белка молока позволяют выводить селекционную работу на новый уровень, использовать новые методы молекулярной генетики и отбирать животных в раннем возрасте не по продуктивным показателям, а по комбинациям генов.
Фракции казеина различаются аминокислотным составом, количеством полиморфных вариантов, молекулярной массой, при этом аутосомные гены-маркеры, кодирующие их, связаны между собой, регулируются синхронно во время лактации и имеют разные аллельные варианты, которые обусловливают замену аминокислот в первичной структуре белка и напрямую влияют на технологические свойства молока, например сыропригодность, образование и плотность сгустка.
В России успешно применяется мировой генофонд молочных пород коров. Импортирование скота из Дании, Нидерландов, Великобритании, Италии и США реализуется для расширения генетической базы внутри страны и улучшения продуктивных показателей аборигенных пород молочного и комбинированного скота.
Важной проблемой селекции является понижение содержания белка (на 1,6–2,4%) и жира (на 0,09–0,14%) в молоке аборигенных пород при работе в сторону улучшения молочного типа и повышения молочной продуктивности. При этом низкие удои коров с высоким количеством белка и жира в молоке создают проблему рентабельности и экономической выгоды в работе с таким скотом.
Основными показателями белков молока, на которые влияют породные и генетические особенности животных, за исключением объема молока, являются:
- Аминокислотный состав белков и полноценность молока, обусловливающие содержание в молоке незаменимых аминокислот. Самым биологически полноценным считается молоко швицкой и симментальской пород (43–46%). В молочном белке наибольший удельный вес (в зависимости от генотипа) составляют глутаминовая кислота (21,5–22,7%), лейцин (9,5–9,7%), пролин (9,4–9,5%), а наименьший — цистин (0,93–1,10%).
- Сычужная свертываемость зависит от аминокислотного состава, содержания казеина и соотношения белковых фракций. В меньшей степени на эти показатели влияют содержание кальция в молоке и его кислотность. Скорость свертываемости молока показывает его пригодность для сыроделия. Например, молоко айрширской породы богато α- и β-фракциями казеина, которые обеспечивают высокую свертываемость и хорошую сыропригодность молока. В свою очередь, в молоке КРС ярославской породы выявлено высокое содержание каппа-казеина, что обусловливает высокое качество этого молока для сыроделия.
- Белок молока как количественный показатель имеет обратную зависимость от молочной продуктивности. У высокопродуктивных черно-пестрых и голштинских пород белок молока колеблется в пределах 2,86–3,17% и 2,98–3,44% соответственно, при этом у коров с более низкими породными удоями белок молока выше: монбельярдская — 3,35–3,96%, симментальская — 3,20–3,89%, швицкая — 3,35–3,89%, джерсейская — 3,88–4,07%. Необходимо учитывать, что 48% общей изменчивости содержания жира и белка обусловлены породой, 4–15% — генетическими особенностями линии, около 40% — негенетическими факторами.
- Термоустойчивость молока в большей степени зависит от времени года и периода лактации, но породные различия доказывают генетическую зависимость этого показателя: более высокое содержание кальция и более крупные мицеллы казеина в молоке айрширских коров обусловливают более низкую термоустойчивость молока этих коров в сравнении с черно-пестрой породой коров.
- Кормовые факторы
Количество белка в молоке — это показатель того, насколько полноценно корова обеспечена энергией и необходимыми питательными веществами. Калорийность кормов влияет на интенсивность работы микроорганизмов рубца, отвечающих за синтез протеина, который напрямую влияет на уровень белка в молоке. При этом для синтеза протеина бактериям рубца необходим доступный азот, контрольным индикатором которого является мочевина молока.
На образование молока используются перевариваемый протеин и 70% аминокислот, поступающих с кормом, поэтому в кормлении высокопродуктивных молочных коров важно учитывать их повышенную чувствительность к изменениям структуры рациона.
Важно обеспечить сбалансированное питание, при котором не будет избытка или недостатка питательных и биологически активных веществ, так как и та и другая крайности провоцируют снижение уровня белка в молоке и могут влиять на соотношение фракций.
Сырое молоко, получаемое от коров, поедающих однообразный рацион, имеет плохие технологические свойства и хуже подвергается сычужному свертыванию за счет повышения количества гамма-фракций казеина и общему смещению баланса белка в сторону сывороточных. Получаемый из такого молока сыр имеет низкие показатели качества и хранимоспособности.
Учеными установлено, что преимущественно силосное кормление провоцирует снижение удоя на 10–12%, а белка — на 5–7%. В такой ситуации замедляется процесс свертываемости молока (на 17–22%), так как мицеллы казеина становятся мельче, качество сыров и масла ухудшается, а кислотность молока повышается, как и риск ацедозов и кетозов у коров. Не только силосное, но и любое однотипное кормление приводит к технологическому снижению качества получаемой продукции.
Понятие сбалансированности рациона варьируется в зависимости от факторов климата, фазы лактации, породы животных. Для высокобелковых коров характерны чрезмерные потери белка через молоко на 100–150-й день лактации, что приводит к истощению организма, поэтому важно балансировать корма в зависимости от потребностей животных в конкретный период.
Легкопереваримые углеводы необходимы в рационе для нормальной микрофлоры рубца, и их недостаток приводит к общему снижению качества молока. Конечным продуктом микробной ферментации в рубце являются летучие жирные кислоты (ЛЖК), которые в результате ферментативного расщепления корма могут быть преобразованы в глюкозу, обеспечивая до 60% ежедневной потребности животных в энергии. ЛЖК способствуют повышению усвоения протеина и витаминов группы В, С, К.
Для получения высоких показателей белка и жира в молоке нужно учитывать особенности рубцового пищеварения и поддерживать здоровую микрофлору рубца, что обеспечивается следующими элементами системы кормления:
- увеличение общего количества скармливаемых кормов;
- обеспечение необходимого разнообразия кормов;
- балансирование рациона по энергии, белку, клетчатке, минеральным веществам и витаминам;
- высокое качество кормов.
В период начальной фазы лактации высокопродуктивная корова может расходовать из тканей организма более 300 г белка. Повышенная дача кормов может улучшить белковомолочность на 0,2–0,3%. Но в течение всей лактации необходимо учитывать изменения потребностей животных и, следовательно, регулировать процентное соотношение концентратов к объемистым кормам в рационах и кормосмесях: в начале — 40–50 — 50–60%, в середине — 25–30 — 70–75%, в конце — 10–15 — 85–90%. Концентратный перекорм ведет к нарушению баланса жира и белка за счет отрицательного влияния на жирномолочность.
В работе Н.В. Папуши и соавт. рассмотрены последствия ошибок в балансировании рациона под конкретную производственную группу животных путем повышения доли концентратов. Это привело к увеличению массовой доли молочного белка, в том числе казеина (на 0,2–0,3%), при этом нарушило соотношение «жир — белок» (1:1 от изначальных 1,25:1).
Важно учитывать не только баланс рациона по общему белку, но и долю переваримого протеина в сыром протеине. Переваримый протеин должен составлять примерно 65% от сырого протеина в рационе. При сокращении уровня переваримого протеина (даже до 60%) значительно снижаются продуктивность и белок молока.
В отношении молока интерес представляет как избыток, так и дефицит сырого протеина, так как оба фактора приводят к потере продуктивности и белковомолочности: в первом случае из-за избытка аммиака и сниженного усвоения поступающего протеина, во втором — из-за нехватки питательного компонента.
Установлено, что с каждым процентом потерянного сырого протеина в диапазоне 9–15% содержание белка в молоке падает на 0,02%. В то же время белковый перекорм угнетает процессы брожения в рубце жвачных за счет снижения образования уксусной кислоты.
- Зоогигиенические и технологические факторы
- Сезонность и лактация
При анализе влияния сезонности и фазы лактации на качественный состав молока нельзя не учитывать их взаимосвязь, так как разные фазы могут приходиться на разные сезоны в зависимости от селекционной работы на каждом предприятии.
Основными факторами, которые влияют на качественные показатели молока по сезонам года, являются изменение состава и структуры рациона, колебания температуры и влажности воздуха окружающей среды. Особенно важны перепады температуры при выгульном или стойлово-пастбищном содержании, так как температура в коровнике может критично отличаться от этого показателя на улице (перепад более ±25 °С).
Благодаря летнему выпасному сезону к осени в молоке коров накоплено большое количество сухих веществ, белка, жира, лактозы, кальция, калия, натрия, каротина и кальциферола (витамина D). Содержание казеина в молоке (в зависимости от сезонов года) колеблется от 71,2% летом до 80,8% зимой.
Важную роль играют адаптивность животных и их способность выдерживать перепады температур. Эта способность обусловлена не только генетической предрасположенностью, но и удовлетворением всех физиологических потребностей продуктивных животных.
Повышение температуры воздуха в летний период может быть критичным и вызвать тепловой стресс у коров, что повлечет снижение не только количества молока, но и его физико-химических показателей (в частности, белка), резкое возрастание числа соматических клеток.
Представители Американской ассоциации ученых в области молочных продуктов установили, что при тепловом стрессе снижаются количество молочного белка и концентрация казеина, увеличивается концентрация мочевины. При тепловом стрессе доля aS1-казеина в общем количестве казеина увеличивается, а доля aS2-казеина снижается.
Поскольку не было обнаружено влияния теплового стресса на концентрацию молочного жира или лактозы, понижение белка, по-видимому, является результатом специфического снижения синтеза белка в молочных железах, а не общего снижения активности лактации.
Г.А. Ларионовым и К.Д. Егоровой исследован вопрос специализации сырого молока с точки зрения сезонности: молоко осенне-зимнего периода по своему составу более пригодно для использования в качестве сырья для переработки в масло, творог и сыры, чем весеннее. При этом лучшим для сыроделия считается молоко 3–6 месяцев лактации, если этот период не приходится на начало весны.
В работе Л.А. Остроумова и соавт. представлены результаты исследований по изучению сезонных изменений содержания общего белка, казеина и сывороточных белков в сыром молоке. Определено, что относительное количество сывороточных белков молока подвержено значительным колебаниям в течение года — от 14,6 до 26,9% (среднее — 19,12%).
Самое высокое содержание сывороточных белков в молоке-сырье отмечается в октябре и марте. Концентрация казеинов особенно существенно снижается в марте, апреле и мае. В июне и июле их количество увеличивается, а в остальные месяцы оно стабильно — в пределах 76,0–82,0%.
Т.В. Шишикина, А.Р. Кашаева и соавт. показали, что коровы, отелившиеся осенью и зимой, обладают не только высокими количественными показателями лактации (продолжительность, среднесуточный удой и общий удой за лактацию), но и более высокими показателями белка молока в сравнении с коровами, отелившимися в другие сезоны года.
Важный аспект для получения качественного молока — подготовка организма животного в течение сухостойного периода: жировые запасы, накопленные в этот период, являются энергетической базой для успешной лактации.
При повышении надоев после отела содержание белка в молоке коров уменьшается до 2–3-го месяца лактации, где отмечаются наивысший удой и наименьшая концентрация белка. В течение лактации белок молока постепенно возрастает, и к 6–9-му месяцу лактации нормой является содержание белка не выше 3,6–3,8 % (среднее значение, так как породные и производственные особенности конкретного стада могут варьироваться). Если этот показатель повышается, то количество надоя значительно сокращается.
- Технология содержания и доения
Как показывает мировой и отечественный опыт, в молочном скотоводстве наиболее перспективны беспривязное содержание коров с выгульными площадками или пастбищами в весенне-осенний период и доение в доильных залах на поточных высокопроизводительных установках. При этом зоогигиенические показатели животноводческих помещений, такие как низкая температура, высокая влажность и недостаточное вентилирование, влияют на общее состояние животного, продуктивность и общее качество молока.
Постоянное привязное содержание без возможности свободно передвигаться в течение дня провоцирует болезни копыт и суставов и стресс, что приводит к травматизму животных и снижению качественной и количественной молочной продуктивности. Активный моцион и свободный доступ к выгульным площадкам необходимы для сохранения здоровья животных.
Ученые исследовали влияние на молочную продуктивность не только системы содержания, но и возрастных категорий животных.
В работе установлено, что при беспривязном содержании коров со своими сверстницами у животных сокращается сервис-период, при этом повышаются удой и концентрация белка в молоке. При сохранении такой же системы содержания (но без учета возраста коров) возникает снижение удоя и белка, но наблюдается повышение жира в молоке, что провоцирует смещение баланса жира и белка молока и изменение его распределения на переработку.
Выводы
В ходе научного обзора рассмотрена зависимость показателей белкового состава молока от различных факторов. Полученные данные нельзя назвать однозначными, но можно утверждать, что породные особенности животных — это неизменный показатель, который обусловливает генетический потенциал коров. В свою очередь, фактор кормления оказывает наибольшее влияние на белок молока в рамках заложенных генетических особенностей каждого животного. При этом кормление — наиболее легко изменяемый фактор, который необходимо корректировать в зависимости от условий содержания животных, фазы лактации, возраста животных и сезонных изменений, с учетом баланса питательных компонентов кормосмесей.
Высокий уровень белка в молоке коров обусловлен не только комбинацией полиморфизмов, но и эффективным питанием, обеспеченностью коровы энергией и наличием благоприятных условий для активности микроорганизмов в рубце, отвечающих за синтез аминокислот и протеинов.
Основным выводом исследования является то, что все факторы на постоянной основе оказывают комплексное влияние на организм животных, поэтому для производства качественной молочной продукции необходимо учитывать все их изменения и баланс.
Неконтролируемое повышение одного показателя влечет за собой снижение других, что приводит к ухудшению качества продукции. Необходимо производить регулярный контроль условий содержания животных и всех технологических процессов, учитывать специфику предприятия и осуществлять деятельность, основываясь на нормах и потребностях продуктивных животных.
Открытыми вопросами для изучения влияния на белковый состав молока остаются сезонные и возрастные изменения, преобразования рационов, их влияние на конкретные белковые структуры молока. Для более глубокого изучения структурных показателей белков сырого молока КРС необходимы постоянное расширение и обновление племенной базы с целью выявления новых закономерностей и породных особенностей, способствующих производству качественного сырого молока.
Об авторах
Екатерина Владиславовна Серба; младший научный сотрудник
e_serba@vnimi.org; https://orcid.org/0009-0004-4411-527X
+7 (916) 4300914
Елена Анатольевна Юрова; кандидат технических наук, заведующая лабораторией технохимического контроля
e_yurova@vnimi.org; https://orcid.org/0000-0003-3369-5673
Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности (ВНИМИ), ул. Люсиновская, 35, корп. 7, Москва, 115093, Россия
УДК 664. 641/642
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-387-10-192-200
