CASEINA: LA PROTEINA DE LA LECHE

La leche es el líquido secretado por las hembras de todos los mamíferos, su función principal es suplir todas las necesidades nutricionales de los neonatos; la ingesta de leche cumple con el primer requerimiento fisiológico que es el aporte energético, en este caso asociado al contenido de grasa (lípidos y ácidos grasos esenciales), lactosa, vitaminas, minerales y proteínas; también contiene los aminoácidos y los grupos aminos provenientes de las proteínas que son necesarios para la biosíntesis de aminoácidos no esenciales. A través de los años la leche ha sido el objetivo de diferentes estudios, por ser la fuente principal de nutrientes y proteína en las diferentes poblaciones alrededor del mundo. La cantidad de proteína contenida en la leche puede variar en función de variables asociadas a los animales como la especie, la raza, etapa de lactancia, numero de ordeños por día, estado de salud y alimentación del animal; por otro lado, el clima, calidad de los pastos, disponibilidad de agua y las otras condiciones asociadas a la geografía.

Se estima que la producción mundial de leche supera los 600 millones de toneladas por año, esto corresponde a las especies domesticadas por el hombre, con una distribución porcentual de producción por especies; el ganado bovino 85%, bufalino 11%, ovino y caprino 2%, y pequeñas cantidades producidas por otro grupo de especies como la camella y las yeguas. La leche hace parte de la dieta humana desde hace 10 mil años y en la actualidad la leche y los derivados lácteos son la fuente de la que proviene el 30% de la proteína consumida en la dieta de la mayoría de los países de la Unión Europea, Estados Unidos, Canadá, Australia y Nueva Zelanda. El éxito de la leche como alimento no solo se debe a sus propiedades nutricionales; adicional a esto, tiene un sabor agradable y es muy versátil, debido a que se puede transformar fácilmente en una amplia variedad de productos industriales.

La producción de la mayoría de los derivados lácteos se basa propiedades particulares de las proteínas lácteas, lo cual ha motivado la investigación científica, las proteínas lácteas se encuentran muy bien caracterizadas debido a la facilidad con las que estas pueden ser aisladas de la leche; La investigación científica sobre las proteínas lácteas se remonta a comienzos del siglo XIX, cuando los primeros artículos científicos fueron publicados y el término “caseína” fue usado por primera vez, inicialmente se creía que la leche contenía solo un tipo de proteínas; sin embargo los estudios demostraron que las proteínas de la leche se podían separar en dos grupos muy bien definidos entre sí, las caseínas que se precipitan con facilidad y las proteínas del suero lácteo. La leche contiene cientos de tipos diferentes de proteínas, algunas se encuentran en cantidades muy pequeñas y se pueden clasificar usando diferentes métodos según sus propiedades físicas, químicas o funciones biológicas. Usualmente se clasificaban las proteínas lácteas en caseína, albumina y globulina, pero se ha cambiado por una clasificación más abreviadas que solo incluye los grupos más representativos, estos son las caseínas, las seroproteínas y las proteínas de las membranas de los glóbulos de grasa. Es importante dedicarles un tiempo a las proteínas del suero de leche, conocidas también como “Seroproteínas”, son consideradas como proteínas solubles y se clasifican principalmente en albúminas y globulinas, donde se incluyen la a-lactoalbúminas, b-lactoglobulinas, inmunoglobulinas, proteasas-peptonas y otros compuestos nitrogenados minoritarios no específicos como lactoferrina y lisozima.

Las proteínas se construyen a partir de unos 20 tipos de aminoácidos, 18 de estos se encuentran en la leche; es importante tener en cuenta que 8 de estos aminoácidos (9 en los niños) no pueden ser sintetizados por el cuerpo humano. Estos aminoácidos son esenciales para mantener el funcionamiento metabólico, por esto la necesidad de adquirirlos de los alimentos que se ingieren, esta es la razón para llamarlos “aminoácidos esenciales” y todos se encuentran en las proteínas de la leche. Los aminoácidos son las unidades estructurales y funcionales con las que se construyen las proteínas, se caracterizan por contar en su molécula con un grupo amino (NH2) y un grupo carboxilo (COOH), ambos grupos funcionales anclados al mismo átomo de carbono (carbono a), por esto se les conoce como (a-aminoácidos) y son un tipo especifico de aminoácidos que permiten la construcción de macromoléculas como las proteínas. Las propiedades fisicoquímicas y sensoriales de las proteínas lácteas dependen de la configuración de las macromoléculas de proteína, las cuales según el orden y tipo de aminoácidos al interior de la macromolécula determinan su naturaleza; cualquier cambio en el tipo o secuencia de los aminoácidos en la cadena molecular altera las propiedades de la proteína. Para el caso específico de las proteínas lácteas las moléculas de proteínas contienen entre 100 y 200 aminoácidos; la combinación de los 18 aminoácidos en las cadenas de hasta 200 posiciones, permite la configuración de un número muy amplio de diferentes proteínas.

La presencia de los grupos amino y carboxilo en los aminoácidos les otorgan propiedades químicas de electrolitos anfóteros, el cual se refiere a que los aminoácidos en una solución acuosa se pueden ionizar y dependiendo del pH es su comportamiento; en soluciones básicas se comportan como un ácido, en soluciones ácidas se comportan como una base y cuando el pH es neutro alcanza un estado dipolar iónico; cambios en el pH de la leche modifican la distribución de las cargas en la proteínas que alteran el estatus eléctrico de las misma en la leche, cuando las cargas de los grupos amino se igualan con los grupos ácidos se tiene una carga neta total de cero en las proteínas, en este punto las moléculas de proteína no se repelen y dichas moléculas se agrupan, el pH donde se alcanza el estado dipolar iónico se conoce como punto isoeléctrico de la proteína de leche.

“El punto isoeléctrico de la proteína se da cuando el pH de la leche hace que la carga neta total de la proteína sea cero; En este punto las moléculas de proteína no se repelen entre sí y las cargas positivas de unas se atraen con las cargas negativas de las otras, esto provoca que las moléculas de proteína se agrupen, de esta manera las proteínas se precipitan y separan de la solución”.

Las caseínas son definidas como las fosfoproteínas que precipitan en la leche descremada cruda bajo acidificación a un pH de 4.6 (punto isoeléctrico), son el grupo más grande entre las proteínas de la leche, al igual que las otras proteínas las caseínas forman fácilmente polímeros que contienen diversos grupos de moléculas idénticos o diferentes, esto se debe a la disponibilidad de grupos ionizables y la presencia de polos hidrófobos e hidrófilos en las molécula de caseína, los polímeros que forma tienen características muy especiales. Estas macroestructuras químicas se componen de centenares o miles de moléculas individuales que forman una solución coloidal tipo emulsión, estos complejos moleculares se les conocen como “micelas de caseína”, las cuales pueden medir hasta 0.4 µm y solo pueden ser observadas con un microscopio electrónico.

Figura. Estructura de una submicela de caseína. (Fuente: Dairy processing handbook. Tetra Pak Processing Systems AB)

 

Los grupos de caseínas (a, b, k) presentan variantes genéticas que difieren entre sí en unos pocos aminoácidos, pero es común en los tres subgrupos que uno de dos aminoácidos tiene un grupo hidroxilo esterificado con el ácido fosfórico, el cual se uno con el calcio, magnesio y otras sales complejas para formar uniones complejas entre las moléculas y al interior de estas. La distribución entre las caseínas (a, b, k) es variada en las diferentes micelas; las sales de calcio de las a-caseína y b-caseína son casi insolubles en agua (núcleo hidrófobo), mientas las sales de las k-caseína son solubles en agua (núcleo hidrofílico).

Figura. Construcción y estabilización de una micela de caseína. (Fuente: Dairy processing handbook. Tetra Pak Processing Systems AB)

 

La separación de la caseína del resto de la leche se da por la insolubilización de las micelas de caseína, que se produce por la separación de los extremos hidrofílicos de la k-caseína cuando es atacada por un agente enzimático o acidificante, los cuales neutralizan la carga de las micelas. Existen diferentes métodos físicos y químicos de separación  de la caseína como la ultra centrifugación, centrifugación de caseinatos de calcio, métodos de saturación con sales, filtración con geles, precipitación con etanol, crio precipitación; sin embargo, a nivel industrial los métodos más importantes son la coagulación enzimática con cuajo, precipitación isoeléctrica con ácidos y filtración con membranas.

La caseína acida se produce a partir de leche descremada con acidificación directa con un ácido orgánico fuerte o por fermentación con la adición de un cultivo láctico hasta alcanzar el pH del punto isoeléctrico (usualmente pH 4.6), en este punto se puede secar y obtener la caseína ácida; sin embargo, la neutralización de esta con el uso de hidróxidos fuertes usualmente de calcio, sodio y potasio para producir los respectivos caseinatos de calcio, sodio y potasio. La caseína renina (rennet casein) se obtiene partiendo leche descremada y por acción enzimática del cuajo, el cuajo “rennet” que es una enzima proteolítica

que ataca directamente la molécula de k-caseína entre el enlace de los aminoácidos 105 y 106 (Fenilalanina y Metionina respectivamente), dando origen a dos compuestos:, la paracaseína que es insoluble y permanece en la cuajada, y los glico-macropéptidos se encuentran en solución con el lactosuero y son un subproducto de la producción quesera. Por último, la producción de caseína micelar implica el uso de nuevas tecnologías de separación, donde la leche descremada no se somete a procesos químicos con ácido o enzimas, pero se pasa por equipos de filtración de membranas.

Figura. Producción industrial de caseína y sus derivados. (Fuente: El Autor)

La falta de proteínas en la dieta tiene un impacto negativo, especialmente cuando los requerimientos de proteína son altos son altos (embarazo, crecimiento y enfermedad), por esto es muy importante asegurar la ingesta diaria recomendada de las mismas; en los países industrializados la población cumple con este requerimiento más fácilmente. Cuando se analiza la relación entre los nutrientes y el precio de los alimentos, la leche es una fuente relativamente barata de proteína y nutrientes.

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Caseínato de calcioCaseínato de sodio

 

 

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