کازئین و عملکرد بیولوژیکی آن

کازئین چیست؟

(Casein) پروتئین مخصوص شیر است. کازئین فسفوپروتئین است که در صنایع غذایی (به خاطر ارزش خوراکی و نیز عامل چسبندگی) و همچنین در پزشکی کاربرد دارد. نزدیک به ۸۰ درصد از پروتئین موجود در شیر گاو و پنیر از نوع کازئین است. کازئین فقط در شیر و به حالت کمپلکس کلسیم کازئینات فسفات به صورت کلوییدی وجود دارد.
کازئین نسبت به حرارت بسیار مقاوم است ولی در حدود نقطه­‌ی ایزوالکتریک (۶/ ۴=pH) به حالت رسوب در می­‌آید. کازئین به عنوان حاملی برای انتقال پروتئین ها، کلسیم، پتاسیم و فسفر است.

علت مقاومت کازئین به حرارت داشتن مقدار زیادی اسید آمینه پرولین و هیدروکسی پرولین و مقدار بسیار کم اسید آمینه سیستین و سیستئین است که از تشکیل ساختمان ثانویه و حالت پروتئین ممانعت می‌کند و در نتیجه کازئین فقط به شکل ساختمان اول وجود دارد بنابراین پیوندهای پپتیدی نسبت به حرارت مقاوم هستند.

انواع کازئین

کازئین دارای چهار زیر گروه اصلی آلفا، بتا، کاپا و گاما است که تفاوت آن‌ها در داشتن یا نداشتن یک یا چند اسید آمینه است. میسل‌های کازئین شامل دو نوع پروتئین کازئین، حساس به کلسیم (که شامل سه زیر گروه ۱αs -، ۲-αs و β- کازئین ها) و غیرحساس به کلسیم (فقط κ-کازئین) است.
سه کازئین حساس به کلسیم وظیفه اتصال کلسیم و فسفر را دارند، در حالی که κ- کازئین مسئول تثبیت ساختار است. هنگامی که این پروتئین‌ها و مواد معدنی به دستگاه گوارش می‌رسند، آنزیم‌های خاص هضم، κ -کازئین را از بین می‌برند و میسل محلول را به یک لخته نامحلول تبدیل می‌کنند. این ممکن است مانند یک چیز بد به نظر برسد، اما در واقع، برای همه مصرف کنندگان شیر مفید است زیرا باعث می‌شود به تدریج مواد مغذی را در جریان خون آزاد کند. آنچه که زمانی مایع بود اکنون یک جامد است و نیاز به تلاش بیشتر و زمان هضم طولانی دارد.

۱-    کازئین آلفا S۱ و S۲ :

آلفا کازئین دارای دو دنباله تریپتوفان است.آلفا کازئین اجزایی به نام آلفا اس یک و آلفا اس دو دارد نقطه اشتراک این گروه‌هـا داشـتن گـروه هیدروکسـی و اسـید فسـفریک استریفیه است. اسید فسفریک باعث پیوند کلسیم و منیزیم و تعدادی از نمک‌های ترکیبی با کازئین است. ساختار آلفا ۱S و ۲S مشابه هم است و فقط یک تفاوت جزئی در توالی اسید آمینه وجود دارد. آلفا ۱S، ۴۰ درصد کازئین کل شیر گاو را تشکیل می‌دهد.

۲-   کازئین بتا:

بتا کازئین دارای یک دنباله تریپتوفان است. ۱۳ پروتئین مختلف بتا-کازئین وجود دارد که هر یک به پروتئین و کلسیم بالای شیر کمک می کند. ۲A و ۱A نوع ژنتیکی هستند اما از آنها برای نشان دادن «انواع» پروتئین های β-کازئین استفاده می شود. تفاوت A۱  و A۲ مربوط به اسید آمینه موجود در هریک از آنها است، هشت پروتئین -β کازئین گروه بندی شده در زیر ۲A، اسید آمینه یکسانی را در موقعیت ۶۷ (پرولین) دارند، در حالی که پنج گروه تحت ۱A دارای هیستیدین در موقعیت ۶۷ هستند. این تفاوت در اسید آمینه به نحوه هضم پروتئین ها مرتبط است. کازئین A۱ از شیر گاوهای آمریکایی، اروپایی و استرالیایی به دست می‌آید.

کازئین ۲A  حاصل شیر گاوهای فرانسوی، آفریقایی و آسیایی است و در شیر بز نیز یافت می‌شود. مطالعات اخیر نشان داد که شیر حاوی ۱A باعث کاهش فعالیت لاکتاز و افزایش التهاب روده و تشدید علائم حاد دستگاه گوارش می‌شود در حالیکه شیر حاوی A۲ باعث کاهش علائم حاد گوارشی عدم تحمل شیر می‌شود. بنابراین، علائم گوارشی مرتبط با شیر ممکن است ناشی از مصرف ۱A β-کازئین به جای لاکتوز در برخی از افراد باشد. از بین شیر تمام حیوانات، شیر بز حاوی کازئین ۲A با غلظتی مشابه شیر انسان است. به همین دلیل برخی از افرادی که دچار عدم تحمل لاکتوز هستند، قادرند شیر بز را بیشتر از شیر گاو تحمل کنند.

۳-    کاپا کازئین یا K-Casein :

Kـ کازئین در پروتئین تمام پستانداران یافت می‌شود. این ترکیب به علت توانایی اش برای تقسیم کردن شیر به لخته و دلمه، در پنیر سازی ضروری است. کوچکترین کازئین است، حساسیت کمی به کلسیم دارد. کاپا کازئین را فاکتور پایدارکننده (STABILIZING FACTOR) گویند، زیرا موجب می‌شود میسل‌ها در شیر به صورت معلق درآیند و رسوب نکنند، اگر کاپا کازئین را جدا کنند حالت پایدار از بین رفته و پروتئین کازئین در کنار یون کلسیم رسوب می‌کند.

میسل کازئین:

میسل عبارت است از تعداد زیادی ذرات کروی که به وسیله فسفات کلسیم بهم چسبیده اند. درحاشیه این ذرات هم کازئین k وجود دارد و هم کازئین های دیگر. ولی قسمت عمده کازئین k درحاشیه است و هسته عبارت است از محل تجمع قسمت های غیر طبیعی. تعداد ذراتی که به هم می چسبند تحت تأثیر شرایط محیطی از قبیل درجه حرارت و اسیدیته می توانند زیاد یا کم شوند. پس اندازه میسل می­تواند بزرگ یا کوچک شود ولی به هرحال ذرات جانبی ساختمان میسل از کازئین k بیشتری تشکیل شده است.

به طورخلاصه میسل عبارت است از اجتماع ذرات کروی شکل تشکیل شده از انواع کازئین‌ها این ذرات به وسیله فسفات کلسیم به یکدیگر ملحق می‌گردند. ترکیب قسمت خارجی این ذرات بیشتر از کازئین k است، به همین علت وقتی که به شیر مایه پنیر اضافه می‌شود اولین کازئینی که مورد حمله قرار می گیرد، k است. همچنین وقتی که به شیر اسید اضافه می‌شود، فسفات کلسیم یا سیمان ملحق کننده ذرات کازئینی با اسید ترکیب شده و بنابراین ذرات به صورت مجزا از هم درآمده و رسوب می­‌کنند و فسفات کلسیم ترکیب شده با اسید به بخش محلول می‌رود.

روش تهیه کازئین

برای تهیه این پروتئین، شیر بدون ‌چربی را با اسید رقیق با مایه پنیر عمل‌آوری می‌کنند، کازئین شیر ته‌نشین می‌شود. سپس ماده رسوب ‌شده را صاف و خشک می‌کنند. پس از تولید، کازئین به شکل دانه‌ای یا کلوخه‌ای و به رنگ مایل به سفید تا زرد به دست می‌آید. هنگام تهیه اسید لاکتیک از شیر دست ‌نخورده نیز مقداری کازئین به عنوان محصول فرعی تولید می‌شود. بیشتر تولید کازئین با رسوب اسیدی است. کازئین اسیدی را به‌روش ته‌نشینی با اسیدهای لاکتیک، سولفوریک و کلریدریک در ۴/۴ تا ۷/۴ pH=از شیر پس چرخ به‌دست می‌آورند. کازئین‌های مختلف برحسب نوع اسید مصرفی برای استحصال شناسائی می‌شود.

کازئین اسیدی کاربرد محدودی دارد و در صنایع غذائی از آن فقط برای غلات صبحانه‌ای و غنی ‌سازی نان استفاده می‌کنند. نمک‌های کازئینات کلسیم و سدیم در صنایع غذائی کاربرد وسیعی دارند که این نمک‌ها را از خنثی کردن کازئین اسیدی به‌دست می‌آورند.

کازئین در آب و الکل نامحلول است ولی در قلیایی‌ها حل می‌شود. در شیر نیز به صورت سوسپانسیون است. از واکنش این ماده با هیدروکسید سدیم، کازئینات سدیم به دست می‌آید.

رسوب کازئین

یکی از خواص ویژه کازئین، توانایی آن در رسوب دهی است و این ماهیت ناشی از ساختار پیچیده مولکول کازئین سازنده میسل است. رسوب‌دهی می‌تواند به وسیله عامل‌های مختلفی انجام پذیرد. تفاوت­‌های زیادی در بین رسوب کازئین میسلی در شرایط مناسب با رسوب در شکل غیر میسلی مثل سدیم کازئینات مشاهده می‌گردد.  رسوب‌دهی کازئین می‌تواند به وسیله اسید و آنزیم صورت گیرد. در رسوب‌دهی کازئین با روش آنزیمی اساس کار پنیر سازی است.

تفاوت پروتئین وی و کازئین:

دو پروتئین اصلی در شیر وجود دارد که بر اساس حلالیت آن‌ها در ۶/۴ pH در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد قابل جدا شدن است. در این شرایط، بخش زیادی از پروتئین‌ها به نام کازئین‌ها رسوب می‌کنند، در حالی که پروتئین‌هایی که محلول باقی مانده‌اند به عنوان پروتئین‌های سرم یا پروتئین‌های آب پنیر شناخته می‌­شوند.

اگرچه وی و کازئین هر دو از یک خانواده و هر دو منابع زیادی از آمینو اسید را دارا هستند ولی فرق عمده این دو در این است که وی سریعا جذب می­‌شود و خاصیت آنابولیک دارد؛ به سرعت سطح آمینو اسید خون را بالا می‌برد و ساخت عضله و سنتز پروتئین عضله را شروع می­‌کند.
در دست دیگر کازئین قرار دارد که برعکس وی پروتئین دیر جذب می‌­شود و تا چندین ساعت جریان ثابتی از آمینو اسید را در خون دارد، به همین دلیل باعث جلوگیری از تخریب عضله می‌­شود.

چه عواملی باعث آلرژی به کازئین می‌شوند؟

آلرژی به کازئین بیشتر در نوزادان و کودکان کم سن شیوع دارد. این آلرژی زمانی اتفاق می‌افتد که سیستم ایمنی بدن کازئین را به اشتباه به عنوان مهاجم در نظر گرفته و با آن مبارزه ‌کند. این وضعیت موجب واکنش آلرژیک در بدن می‌شود. کودکانی که از شیر مادر تغذیه کرده‌اند در خطر کمتر آلرژی به کازئین قرار دارند.

هنوز کارشناسان در مورد علت ابتلای برخی نوزادان به آلرژی کازئین و عدم ابتلای برخی دیگر مطمئن نیستند اما معتقدند ژنتیک می‌تواند در این زمینه نقش داشته باشد. معمولاً آلرژی به کازئین با رشد کودک در سه تا پنج ‌سالگی برطرف می‌شود. اما متأسفانه آلرژی برخی کودکان با افزایش سن از بین نرفته و ممکن است در بزرگسالی نیز ادامه داشته باشد.

ساختار و عملکرد کازئین

بسیاری از آنزیم‌های پروتئاز می‌توانند به انتهای کربنی کاپا کازئین حمله کرده و میسل را ناپایدار نموده و در دمای بالاتر از ۵۲ ℃ در مجاورت یون Ca شیر را قابل انعقاد نمایند که، اولین مرحله اساسی در ساختن انواع پنیرها است. آنزیم رنین کاپاکازئین را از ناحیه‌ی خاصی می‌شکند و موجب رسوب کازئین و تشکیل لخته می‌شود . کاپاکازئین اولین پروتئینی که تحت تاثیر قرار می‌گیرد.

درجه حرارت پائین تاثیر منفی روی– β کازئین دارد. در درجه حرارت‌های نزدیک نقطه انجماد زنجیر کازئین شروع به تجزیه کرده و کلسیم فسفات ساختمان میسل را ترک می‌کند و بدین ترتیب از حالت کلوییدی به حالت محلول در می‌آید. این تغییرات باعث طولانی شدن زمان انعقاد شیر و تولید دلمه) لخته (نرم کرده و در نتیجه چنین شیری مناسب برای پنیر سازی نخواهد بود.)
نگهداری شیر در دمای> ۵۰℃ موجب بازگشت دوباره‌ی بخشی از خصوصیات اصلی شیر می‌گردد .

ویژگی های بیولوژیکی کازئین:

کازئین دارای ویژگی‌های بیولوژیکی و فیزیولوژیکی مهمی در ارتباط با ارتقاء سلامتی و پیشگیری از بیماری‌ها است. فعالیت ضد سرطانی، کاهش عوامل خطر زمینه ساز بیماری‌های قلبی عروقی و اثرات ضد پوسیدگی دندان به کازئین ارتباط داده شده است زیرا باعث مهار آنزیم بتا گلوکورونیداز می‌شود به علاوه کازئین به عنوان منبع غنی پپتیدهای زیست فعال شناخته شده است. نقش‌­های فیزیولوژیکی گوناگونی از قبیل ویژگی­‌های شبه اپیوئیدی، تنظیم کننده و ضد پرفشاری خون، ضد باکتریایی و ضد ویروسی به این پپتیدها نسبت داده شده است.

علاوه بر ارزش تغذی‌ه­ای بالا، کازئین و پپتیدهای مشتق شده از آن دارای ویژگی­‌های بیولوژیکی و فیزیولوژیکی متعددی هستند. شکل ۱ برخی از اثرات بیولوژیک کازئین و پپتیدهای زیست فعال مشتق شده از کازئین را نشان می‌دهد.

کاربرد کازئین در محصولات لبنی و غیر لبنی:

پروتئین‌های شیر سال‌هاست که از اهمیت زیادی برای لبنیات و صنایع غذایی عمومی برخوردار هستند. با توجه به این که کازئین می‌تواند توسط بار ایزو الکتریک یا انعقاد ناشی از رنت به سهولت تولید شود، از اوایل قرن بیستم به صورت تجاری تولید می‌شود.
در ابتدا، کازئین فقط برای کاربردهای صنعتی، به عنوان مثال، چسب، پلاستیک و لعاب کاغذ مورد استفاده قرار می‌گرفت و در اصل یک محصول جانبی با اهمیت اقتصادی جزئی بود.
کارهای پیشگامانه در نیوزلند و استرالیا در دهه ۱۹۶۰ صورت گرفت تا کازئین برای استفاده به عنوان یک ماده غذایی توسعه یافت؛ در نتیجه، این محصول به یک محصول بسیار با ارزش تر تبدیل شد و اکنون یکی از پروتئین‌های اصلی کاربردی مواد غذایی است.

تولید کازئین درجه یک از مواد غذایی عملکردی در دهه ۱۹۶۰ همزمان با تولید محصولات غذایی فرآوری شده‌ای که به پروتئین‌های کاربردی احتیاج دارند، صورت گرفت. مهمترین کاربرد محصولات کازئین در پنیرهای مشابه، به خصوص پنیر پیتزا، به عنوان امولسیفایر موجود در سفید کننده‌های قهوه و در گوشت‌های فرآوری شده، برخی از محصولات بر پایه غلات و انواع غذاهای رژیمی است.

برنامه‌های کاربردی بالقوه مواد حاوی کازئین به عنوان حامل مواد غذایی حساس، از جمله ترکیبات زیست فعال، در اشکال مختلف: هیدروژل‌ها، امولسیون‌ها، فیلم‌ها و پوشش‌های خوراکی را می‌توان نام برد.

در پزشکی به عنوان مثال، در مورد استفاده از میسل‌های β-کازئین به عنوان حامل انتقال برای داروهای درمانی استفاده شده است.

کلام پایانی

پروتئین های شیر بیش از ۱۰۰ سال است که مورد تحقیق قرار گرفته اند، به خصوص از سال ۱۹۵۰. بنابراین جای تعجب ندارد که پروتئین های شیر بهترین سیستم پروتئین غذایی هستند.

کازئین و ترکیبات بیولوژیک آن بدلیل خواص برجسته عملکردی اهمیت ویژه‌ای دارند. اگرچه تا چندی پیش اثرات بیولوژیک شناخته شده­ای برای کازئین در نظر گرفته نشده است ولی مطالعات اخیر حاکی از نقش های برجسته کازئین در پیشگیری از بیماری‌های دهان و دندان، کاهش عوامل خطر بیماری های قلبی و اثرات ضد سرطانی است. از سوی دیگر طیف گسترده پپتیدهای زیست فعال موجود در کازئین، امکان استفاده از این پروتئین ها را در تغذیه بالینی فراهم می آورد.

برخی از این پپتیدهای زیست فعال می‌توانند به عنوان ترکیبات دارویی با اثرات دارویی شناخته شده در نظر گرفته شوند. به عنوان مثال این پپتیدها در درمان فشار خون، بیماری‌های دهان و دندان و ارتقا عملکرد ایمنی قابلیت استفاده دارند. بر اساس دانش موجود ACE کازئین فسفوپپتیدها و پپتیدهای مهار کننده آنزیم دارای بیشترین اهمیت از نظر بروز ویژگی‌های ارتقاء دهنده سلامتی است.

دستیابی به داده‌­های کافی براساس مطالعات انسانی برای اثبات اثرات این پپتیدها در ارتباط با ارتقا سلامتی ضروری به نظر می‌رسد. در مجموع، با توجه به اعمال گسترده بیولوژیکی کازئین و نیز با توجه به یافته‌های حاصل از مطالعات مختلف که اثبات کننده فواید این خانواده پروتئینی در ارتباط با سلامتی، پیشگیری و بهبود بیماری‌ها است، به نظر می‌رسد توصیه به استفاده از این پروتئین‌ها در افراد سالم و بیمار مفید باشد.

منابع:

۱.      شهبازی، ر.، داودی، س. ح.، مرتضویان، س. الف. م.، اسمعیلی، س. (۱۳۹۱).بررسی اثرات بیولوژیک کازئین و پپتیدهای زیست فعال مشتق شده از کازئین. مجله علوم تغذیه و صنایع غذایی ایران. سال هفتم، شماره ۵، صفحات۸۱۱-۸۲۰.

۲.      De Kruif, C.G., Holt, C. (۲۰۰۳). Casein Micelle Structure, Functions and Interactions. Advanced Dairy Chemistry Volume ۱: Proteins, ۳rd edn.

۳.      Huppertz, T., Fox, P.F., Kelly, A.L. (۲۰۱۸). The caseins: Structure, stability, and functionality. Proteins in Food Processing. https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/B۹۷۸-۰-۰۸-۱۰۰۷۲۲-۸.۰۰۰۰۴-۸

۴.      He, M., Sun, J., Jiang, Z.Q. et al. (۲۰۱۷). Effects of cow’s milk beta-casein variants on symptoms of milk intolerance in Chinese adults: a multicentre, randomised controlled study. Nutr J ۱۶, ۷۲  .https://doi.org/۱۰.۱۱۸۶/s۱۲۹۳۷-۰۱۷-۰۲۷۵-۰

۵.      Newmark, L.M. (۲۰۱۸). Milk Casein Proteins: Ancient, Diverse, an Essential.  in SPLASH!® milk science update: May ۲۰۱۸ Issue.