Казеин ( / ˈ k eɪ s iː n / KAY -seen , от латинского caseus «сыр») — это семейство родственных фосфопротеинов ( αS1 , aS2 , β , κ ), которые обычно встречаются в молоке млекопитающих , составляя около 80 % белков в коровьем молоке и от 20 % до 60 % белков в человеческом молоке . [1] Овечье и коровье молоко имеют более высокое содержание казеина, чем другие виды молока, а человеческое молоко имеет особенно низкое содержание казеина. [2]
Казеин является основным эмульгатором в молоке, то есть он помогает смешивать масла, жиры и воду в молоке. [3]
Казеин имеет широкий спектр применения: от основного компонента сыра до использования в качестве пищевой добавки. [4] Наиболее распространенной формой казеина является казеинат натрия (исторически называемый нутрозой ), который является очень эффективным эмульгатором. [3] [5] Казеин секретируется в молоко из клеток молочной железы в форме коллоидных мицелл казеина , типа биомолекулярного конденсата . [6]
В качестве источника пищи казеин поставляет аминокислоты , углеводы и два основных элемента: кальций и фосфор . [8]
Казеин содержит большое количество аминокислот пролина , которые препятствуют образованию общих вторичных структурных мотивов белков. Также отсутствуют дисульфидные мостики . В результате он имеет относительно небольшую третичную структуру . Он относительно гидрофобен , что делает его плохо растворимым в воде . Он обнаружен в молоке в виде суспензии частиц, называемых мицеллами казеина , которые показывают лишь ограниченное сходство с мицеллами типа поверхностно-активного вещества в том смысле, что гидрофильные части находятся на поверхности, и они имеют сферическую форму. Однако, в резком контрасте с мицеллами поверхностно-активного вещества, внутренняя часть мицеллы казеина сильно гидратирована. Казеины в мицеллах удерживаются вместе ионами кальция и гидрофобными взаимодействиями. Любая из нескольких молекулярных моделей может объяснить особую конформацию казеина в мицеллах. [9] Одна из них предполагает, что мицеллярное ядро образовано несколькими субмицеллами, периферия состоит из микроворсинок κ-казеина. [10] [11] [12] Другая модель предполагает, что ядро образовано казеин-связанными фибриллами. [13] Наконец, самая последняя модель [14] предполагает двойную связь между казеинами для гелеобразования. Все три модели рассматривают мицеллы как коллоидные частицы, образованные агрегатами казеина, обернутыми в растворимые молекулы κ-казеина.
Изоэлектрическая точка казеина составляет 4,6. Поскольку pH молока составляет 6,6, казеин имеет в молоке отрицательный заряд. Очищенный белок нерастворим в воде. Хотя он также нерастворим в нейтральных солевых растворах, он легко диспергируется в разбавленных щелочах и солевых растворах, таких как водный оксалат натрия и ацетат натрия .
Фермент трипсин может гидролизовать фосфатсодержащий пептон . Он используется для образования типа органического клея . [ 15 ]
Казеиновая краска — это быстросохнущая, водорастворимая среда, используемая художниками. Казеиновая краска использовалась со времен Древнего Египта как форма темперной краски и широко использовалась коммерческими иллюстраторами в качестве материала по выбору до конца 1960-х годов, когда с появлением акриловой краски казеин стал менее популярным. [16] [17] Он по-прежнему широко используется художниками-декораторами, хотя акрил также проник в эту область. [18]
Клеи на основе казеина готовятся из казеина, воды и щелочей (обычно смеси гашеной извести и гидроксида натрия ). Молоко снимают , чтобы удалить жир, затем молоко сквашивают , чтобы казеин осаждался в виде молочного сгустка . Сгусток промывают (удаляя сыворотку ) , а затем сгусток прессуют, чтобы выжать воду (его даже можно высушить до порошкообразного состояния). Казеин смешивают со щелочью (обычно как с гидроксидом натрия, так и с гидроксидом кальция), чтобы получить клей. Клеи, изготовленные с использованием различных смесей щелочей, обладают разными свойствами. Также могут быть добавлены консерванты. [19] [20]
Они были популярны для деревообработки, в том числе и для самолетов, вплоть до авиалайнера de Havilland Albatross в 1939 году. [21] [22]
Казеиновый клей также используется в производстве трансформаторов (в частности, трансформаторных плат) из-за его маслопроницаемости. [23]
Elmer's Glue-All, Elmer's School Glue и многие другие клеи Borden изначально изготавливались из казеина. Хотя одной из причин была его нетоксичность, основным фактором была его экономичность. К концу 20-го века Borden заменила казеин во всех своих популярных клеях на синтетические материалы, такие как ПВА .
Хотя казеиновые клеи в значительной степени заменены синтетическими смолами, они все еще используются в определенных нишевых приложениях, таких как ламинирование огнестойких дверей и маркировка бутылок. [21] [24] [25] Казеиновые клеи быстро истончаются при повышении температуры, что позволяет легко и быстро наносить тонкие пленки для маркировки банок и бутылок на производственной линии. [26]
Несколько продуктов, кремов и начинок содержат различные казеинаты. Казеинат натрия действует как более мощная пищевая добавка для стабилизации обработанных пищевых продуктов; однако компании могут использовать казеинат кальция для увеличения содержания кальция и снижения уровня натрия в своих продуктах. [27]
Казеин в основном используется в пищевых продуктах для порошков, требующих быстрого растворения в воде, от кофейных сливок до быстрорастворимых крем-супов. В начале 1920-х годов компания Mead Johnson представила продукт под названием Casec для облегчения желудочно-кишечных расстройств и проблем с пищеварением у младенцев, которые были частой причиной смерти детей в то время.
Все казеинаты обладают очень эффективными эмульгирующими свойствами и широко используются для приготовления эмульсий в пищевых продуктах. [29] [3]
Считается, что он нейтрализует капсаицин , активный ингредиент перцев чили , таких как халапеньо и хабанеро . [30] Молоко часто употребляют для уменьшения раздражения, вызванного острой пищей.
Сыр состоит из белков и жиров из молока , обычно коровьего , буйволиного , козьего или овечьего . Он производится путем коагуляции , которая вызвана дестабилизацией мицеллы казеина, что запускает процессы фракционирования и селективной концентрации. [2] Обычно молоко подкисляют, а затем коагулируют путем добавления сычужного фермента , содержащего протеолитический фермент , известный как реннин ; традиционно получаемый из желудков телят , но в настоящее время чаще производимый из генетически модифицированных микроорганизмов. Затем твердые частицы отделяются и прессуются в конечную форму. [31]
В отличие от многих белков, казеин не коагулируется под воздействием тепла. В процессе свертывания молока протеазы воздействуют на растворимую часть казеинов, κ-казеин , тем самым создавая нестабильное мицеллярное состояние, которое приводит к образованию сгустка. При коагуляции с химозином казеин иногда называют параказеином . Химозин (EC 3.4.23.4) представляет собой аспарагиновую протеазу , которая специфически гидролизует пептидную связь в Phe105-Met106 κ-казеина и считается наиболее эффективной протеазой для сыродельной промышленности (Rao et al., 1998). С другой стороны, британская терминология использует термин казеиноген для некоагулированного белка и казеин для коагулированного белка . Поскольку он существует в молоке, он представляет собой соль кальция .
Привлекательным свойством молекулы казеина является ее способность образовывать гель или сгусток в желудке, что делает ее очень эффективной в снабжении питательными веществами. Сгусток способен обеспечить устойчивое медленное высвобождение аминокислот в кровоток, иногда длящееся в течение нескольких часов. [32] Часто казеин доступен в виде гидролизованного казеина , при этом он гидролизуется протеазой , такой как трипсин . Отмечено, что гидролизованные формы имеют горький вкус, и такие добавки часто отказываются от младенцев и лабораторных животных в пользу цельного казеина. [33]
Некоторые из самых ранних пластиков были основаны на казеине. В частности, галалит был хорошо известен тем, что использовался в пуговицах . Волокно можно изготовить из экструдированного казеина. Ланитал , ткань из казеинового волокна (известная как Aralac в США), была особенно популярна в Италии в 1930-х годах.
Соединения, полученные из казеина, используются в продуктах для реминерализации зубов для стабилизации аморфного фосфата кальция (АФК) и высвобождения АФК на поверхности зубов, где он может способствовать реминерализации. [34] [35] [36]
Диеты без казеина и глютена иногда используются в альтернативной медицине для детей с аутизмом . По состоянию на 2015 год доказательства того, что такие диеты оказывают какое-либо влияние на поведение или когнитивные и социальные функции у детей с аутизмом, были ограниченными и слабыми. [37] [38]
Казеиновые белки имеют потенциал для использования в качестве наноматериалов из-за их легкодоступного источника (молока) и их склонности к самоорганизации в амилоидные фибриллы. [39]
Нет достаточных доказательств того, что казеины в молоке увеличивают риск заболевания раком . [40]
Бета-казеины A1 и A2 являются генетическими вариантами молочного белка бета-казеина, которые отличаются одной аминокислотой ; пролин находится в позиции 67 в цепи аминокислот , которые составляют бета-казеин A2, в то время как в бета-казеине A1 в этой позиции находится гистидин . [41] [42] Из -за того, как бета-казеин взаимодействует с ферментами, обнаруженными в пищеварительной системе, A1 и A2 по-разному обрабатываются пищеварительными ферментами , и семиаминопептид , бета- казоморфин -7 (BCM-7), может высвобождаться при переваривании бета-казеина A1. [41]
Тип бета-казеина А1 является наиболее распространенным типом, встречающимся в коровьем молоке в Европе (за исключением Италии и Франции, где больше коров А2), Соединенных Штатах, Австралии и Новой Зеландии. [43]
Интерес к различию между белками бета-казеина А1 и А2 возник в начале 1990-х годов в ходе эпидемиологических исследований и исследований на животных, первоначально проведенных учеными в Новой Зеландии, которые обнаружили корреляции между распространенностью молока с белками бета-казеина А1 и различными хроническими заболеваниями. [41] Исследование вызвало интерес в средствах массовой информации, среди некоторых представителей научного сообщества и предпринимателей. [41] В начале 2000-х годов в Новой Зеландии была основана компания A2 Corporation для коммерциализации теста и маркетинга «молока А2» как молока премиум-класса, которое является более полезным из-за отсутствия пептидов из А1. [41] A2 Milk даже обратилась в регулирующий орган Food Standards Australia New Zealand с просьбой потребовать размещать предупреждение о вреде для здоровья на обычном молоке. [41]
В ответ на общественный интерес, маркетинг молока А2 и опубликованные научные данные независимый обзор, опубликованный в 2005 году, не обнаружил никакой заметной разницы между употреблением молока А1 или А2 в отношении риска заражения хроническими заболеваниями. [41] Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) изучило научную литературу и опубликовало обзор в 2009 году, в котором не обнаружило никакой идентифицируемой связи между хроническими заболеваниями и употреблением молока с белком А1. [43]
Небольшая часть населения страдает аллергией на казеин. [44] Непереносимость казеина , также известная как «непереносимость молочного белка», возникает, когда организм не может расщеплять белки казеина. [45] Распространенность аллергии или непереносимости казеина составляет от 0,25 до 4,9% среди маленьких детей. [46] Цифры для детей старшего возраста и взрослых неизвестны. Значительная часть людей с расстройствами аутистического спектра имеет непереносимость или аллергию на белок казеина во взрослом возрасте. Это может использоваться врачами и диетологами для выявления аутизма у тех, кто может не проявлять традиционных аутичных черт . [47] [ требуется проверка ] Диета , известная как безказеиновая, безглютеновая (CFGF), обычно практикуется этими людьми после обнаружения у них непереносимости или аллергии. [ необходима цитата ]
Казеин, прошедший термическую обработку, оказался более аллергенным и его сложнее переваривать при кормлении младенцев. [48] Грудное молоко обычно не вызывает аллергической реакции, но его следует давать младенцу с осторожностью каждый раз в случае неблагоприятной реакции на что-то, содержащее казеин, съеденное кормящей матерью. Было показано, что соблюдение диеты без казеина улучшает исходы у младенцев, находящихся на грудном вскармливании, при наличии аллергии или непереносимости молочного белка. [49] Доказано, что грудное молоко является лучшей пищей для младенца, и его следует пробовать в первую очередь, если это возможно. [50]
Было показано, что добавление фермента протеазы помогает людям с непереносимостью казеина переваривать белок с минимальными побочными реакциями. [51]