Казеин ( / ˈk eɪ s iː n / KAY -seen , от латинского caseus «сыр») — семейство родственных фосфопротеинов ( αS1 , aS2, β , κ ) , которые обычно обнаруживаются в молоке млекопитающих , составляя около 80% белков в коровьем молоке и от 20% до 60% белков женского молока . [1] Овечье и коровье молоко имеет более высокое содержание казеина, чем другие виды молока, а женское молоко имеет особенно низкое содержание казеина. [2]
Казеин является основным эмульгатором молока, то есть помогает смешивать масла, жиры и воду в молоке. [3]
Казеин имеет множество применений: от основного компонента сыра до пищевой добавки. [4] Наиболее распространенной формой казеина является казеинат натрия , который является очень эффективным эмульгатором. [3] [5] Казеин секретируется в молоко из клеток молочной железы в виде коллоидных мицелл казеина , разновидности биомолекулярного конденсата . [6]
В качестве источника пищи казеин поставляет аминокислоты , углеводы и два незаменимых элемента: кальций и фосфор . [7]
Казеин содержит большое количество аминокислот пролина , которые препятствуют образованию общих вторичных структурных мотивов белков. Дисульфидных мостиков также нет . В результате он имеет относительно мало третичной структуры . Он относительно гидрофобен , что делает его плохо растворимым в воде . Он содержится в молоке в виде суспензии частиц, называемых мицеллами казеина , которые имеют лишь ограниченное сходство с мицеллами поверхностно-активного типа в том смысле, что гидрофильные части находятся на поверхности и имеют сферическую форму. Однако, в отличие от мицелл поверхностно-активных веществ, 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. [8] Одна из них предполагает, что мицеллярное ядро образовано несколькими субмицеллами, а периферия состоит из микроворсинок κ-казеина. [9] [10] [11] Другая модель предполагает, что ядро образовано фибриллами, связанными между собой казеином. [12] Наконец, самая последняя модель [13] предполагает двойную связь между казеинами, обеспечивающую гелеобразование. Все три модели рассматривают мицеллы как коллоидные частицы, образованные агрегатами казеина, обернутыми растворимыми молекулами κ-казеина.
Изоэлектрическая точка казеина равна 4,6. Поскольку pH молока равен 6,6, казеин в молоке имеет отрицательный заряд. Очищенный белок нерастворим в воде. Хотя он также нерастворим в нейтральных растворах солей, он легко диспергируется в разбавленных щелочах и солевых растворах, таких как водный оксалат натрия и ацетат натрия .
Фермент трипсин способен гидролизовать фосфатсодержащий пептон . _ _ _ Он используется для образования типа органического клея . [14]
Казеиновая краска — это быстросохнущая водорастворимая среда, используемая художниками. Казеиновая краска использовалась со времен Древнего Египта в качестве темперной краски и широко использовалась коммерческими иллюстраторами в качестве предпочтительного материала до конца 1960-х годов, когда с появлением акриловой краски казеин стал менее популярным. [15] [16] Он до сих пор широко используется художниками-живописцами, хотя акрил также проник в эту область. [17]
Клей на основе казеина состоит из казеина, воды и щелочей (обычно смеси гашеной извести и гидроксида натрия ). Молоко обезжиривают , чтобы удалить жир, затем молоко сквашивают, так что казеин выпадает в осадок в виде молочного творога . Творог промывают (удаляя сыворотку ), а затем отжимают творог, чтобы отжать воду (его можно даже высушить до состояния порошка). Казеин смешивают со щелочью (обычно с гидроксидом натрия и кальция) для получения клея. Клеи, изготовленные из разных смесей щелочей, обладают разными свойствами. Также могут быть добавлены консерванты. [18] [19]
Они были популярны для обработки дерева, в том числе для самолетов, вплоть до авиалайнера de Havilland Albatross в 1939 году. [20] [21]
Казеиновый клей также используется в производстве трансформаторов (в частности, трансформаторных щитов) из-за его маслопроницаемости. [22]
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 в использовании. К концу 20-го века компания Borden заменила казеин во всех своих популярных клеях на синтетические материалы, такие как ПВА .
Несмотря на то, что клеи на основе казеина в значительной степени заменены синтетическими смолами, они все еще находят применение в определенных нишевых приложениях, таких как ламинирование противопожарных дверей и маркировка бутылок. [20] [23] [24] Казеиновый клей быстро разжижается при повышении температуры, что позволяет легко и быстро наносить тонкие пленки для этикетирования банок и бутылок на производственной линии. [25]
Некоторые продукты, сливки и начинки содержат различные казеинаты. Казеинат натрия действует как более эффективная пищевая добавка для стабилизации обработанных пищевых продуктов, однако компании могут использовать казеинат кальция для увеличения содержания кальция и снижения уровня натрия в своих продуктах. [26]
Казеин в основном используется в пищевых продуктах для производства порошков, требующих быстрого растворения в воде, от сливок для кофе до растворимых супов-пюре. В начале 1920-х годов Мид Джонсон представил продукт под названием Casec для облегчения желудочно-кишечных расстройств и проблем с пищеварением у младенцев, которые в то время были частой причиной смерти детей.
Все казеинаты обладают очень эффективными эмульгирующими свойствами и широко используются для приготовления эмульсий в пищевых продуктах [28] . [3]
Считается, что он нейтрализует капсаицин , активный ингредиент перца чили , такого как халапеньо и хабанеро . [29] Молоко часто употребляют, чтобы уменьшить раздражение, вызванное острой пищей.
Сыр состоит из белков и жиров молока , обычно молока коров , буйволов , коз или овец . Он производится путем коагуляции , вызванной дестабилизацией мицеллы казеина, что запускает процессы фракционирования и селективного концентрирования. [2] Обычно молоко подкисляют, а затем коагулируют путем добавления сычужного фермента , содержащего протеолитический фермент , известный как ренин ; традиционно получают из желудков телят , но в настоящее время производят чаще из генетически модифицированных микроорганизмов. Затем твердые вещества отделяют и прессуют до окончательной формы. [30]
В отличие от многих белков, казеин не коагулируется при нагревании. В процессе свертывания молока протеазы , свертывающие молоко , действуют на растворимую часть казеина, κ-казеин , вызывая тем самым нестабильное мицеллярное состояние, которое приводит к образованию сгустков. При коагуляции 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). Британская терминология, с другой стороны, использует термин «казеиноген» для обозначения несвернувшегося белка и «казеин» для обозначения свернувшегося белка . Поскольку он содержится в молоке , это 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 продолжающееся в течение нескольких часов. [31] Часто казеин доступен в виде гидролизованного казеина , при этом он гидролизуется протеазой, такой как трипсин . Известно, что гидролизованные формы имеют горький вкус, и младенцы и лабораторные животные часто отказываются от таких добавок в пользу интактного казеина. [32]
Некоторые из первых пластиков были основаны на казеине. В частности, галалит был хорошо известен благодаря использованию в пуговицах . Клетчатка может быть изготовлена из экструдированного казеина. Ланитал , ткань из казеинового волокна (известная в США как Аралак ), была особенно популярна в Италии в 1930-е годы. Недавние инновации, такие как Qmilk , предлагают более изысканное использование волокна для современных тканей.
Соединения, полученные из казеина, используются в продуктах для реминерализации зубов для стабилизации аморфного фосфата кальция (ACP) и высвобождения ACP на поверхности зубов, где он может способствовать реминерализации. [33] [34] [35]
Диеты с исключением 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, когнитивные и социальные функции детей с аутизмом, были ограниченными и слабыми. [36] [37]
Казеиновые белки имеют потенциал для использования в качестве наноматериалов благодаря их легкодоступному источнику (молоку) и их склонности к самосборке в амилоидные фибриллы. [38]
Бета-казеины А1 и А2 представляют собой генетические варианты молочного белка бета-казеина, отличающиеся одной аминокислотой ; пролин находится в положении 67 в цепи аминокислот , составляющих бета-казеин А2, тогда как в бета-казеине А1 в этом положении находится гистидин . [39] [40] Из-за того, что бета-казеин взаимодействует с ферментами пищеварительной системы, A1 и A2 по-разному обрабатываются пищеварительными ферментами , а пептид из семи аминокислот , бета- казоморфин -7 (BCM-7 ) может высвобождаться при переваривании А1-бета-казеина. [39]
Тип бета-казеина А1 является наиболее распространенным типом, обнаруженным в коровьем молоке в Европе (за исключением Италии и Франции, где больше коров А2), США, Австралии и Новой Зеландии. [41]
Интерес к различию между бета-казеиновыми белками А1 и А2 возник в начале 1990-х годов благодаря эпидемиологическим исследованиям и исследованиям на животных, первоначально проведенным учеными в Новой Зеландии, которые обнаружили корреляцию между распространенностью в молоке белков бета-казеина А1 и различными хроническими заболеваниями. [39] Исследование вызвало интерес в средствах массовой информации, среди некоторых представителей научного сообщества и предпринимателей. [39] Компания A2 Corporation была основана в Новой Зеландии в начале 2000-х годов для коммерциализации теста и продвижения на рынок «Молока А2» как молока премиум-класса, которое более полезно для здоровья из-за отсутствия пептидов А1. [39] A2 Milk даже обратилась в регулирующий орган по пищевым стандартам Австралии и Новой Зеландии с просьбой потребовать наличия предупреждения о вреде для здоровья на обычном молоке. [39]
В ответ на общественный интерес, маркетинг молока А2 и опубликованные научные данные. Независимый обзор, опубликованный в 2005 году, также не обнаружил заметной разницы между употреблением молока А1 и А2 в отношении риска заражения хроническими заболеваниями. [39] Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) проанализировало научную литературу и опубликовало обзор в 2009 году, не выявило никакой явной связи между хроническими заболеваниями и употреблением молока с белком А1. [41]
Небольшая часть населения страдает аллергией на казеин. [42] Непереносимость казеина , также известная как «непереносимость молочного белка», возникает, когда организм не может расщеплять белки казеина. [43] Распространенность аллергии или непереносимости казеина колеблется от 0,25 до 4,9% среди детей раннего возраста. [44] Число детей старшего возраста и взрослых неизвестно. У значительной части людей с аутистическим спектром во взрослом возрасте наблюдается непереносимость или аллергия на казеиновый белок. Это может быть использовано клиницистами и диетологами для выявления аутизма у тех, у кого нет традиционных аутичных черт . [45] [ необходима проверка ] Диета , известная как безказеиновая и безглютеновая (CFGF), обычно практикуется этими людьми после обнаружения у них непереносимости или аллергии.
Было доказано, что казеин, прошедший термическую обработку, более аллергенен и труднее переваривается при кормлении младенцев. [46] Грудное молоко, как правило, не вызывает аллергических реакций, но его следует давать младенцу каждый раз с осторожностью в случае возникновения побочных реакций на что-то, что употреблял кормящий родитель и что содержало казеин. Было показано , что соблюдение безказеиновой диеты улучшает результаты лечения детей, находящихся на грудном вскармливании, с аллергией или непереносимостью молочного белка. [47] Доказано, что грудное молоко является лучшей пищей для младенца, и, если оно доступно, его следует попробовать в первую очередь. [48]
Было показано, что добавление фермента протеазы помогает людям с непереносимостью казеина переваривать белок с минимальной побочной реакцией. [49]