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Proteínas de la Leche
Debido a la facilidad con que se les puede aislar de la leche cruda, son
las proteínas mejor estudiadas e incluso se conoce la estructura
primaria de casi su totalidad.
Su descripción comparativa es difícil ya que varía mucho con el tipo
de especie.
La leche de vaca es la mejor conocida, su producción es la más
importante, porque se utiliza para reemplazar la leche materna y como
alimento proteico esencial de los adultos.
Además la leche y sus derivados, entran en la composición de
numerosos alimentos domésticos o industriales.
El sector además se benefició con el desarrollo de nuevas tecnologías
de fraccionamiento y transformación que mejoraron las condiciones
del consumo, conservación o incorporación.
La leche es un sistema homogéneo formado por varios componentes de
diferente función, forma y tamaño. Un ejemplo de separación entre estos
componentes es a través de la tecnología de membranas, especialmente en
procesos impulsados por diferencia de presión.
10 mm
Células somáticas
Glóbulos grasos
100 mm
Bacterias y esporas
MF
100 nm
Micelas de caseínas
Submicelas de caseínas
10 nm
1 nm
UF
Proteínas Séricas
Lactosa
Sales
0.1 nm
Agua
NF
OI
Figura 1. Componentes de la leche: tamaño e indicación del proceso de membrana.
MF: microfiltración, UF: ultrafiltración, NF: nanofiltración, OI: Osmosis inversa
Proteínas de la leche de cabra
Además de ser un alimento de origen animal alto en proteínas, también
proporciona la mayoría de los aminoácidos esenciales.
En comparación con la leche de vaca, la leche de cabra tiene proteínas
de menor tamaño, lo que hace que esta leche sea más fácilmente
digestiva por nuestro organismo. Por lo tanto, esta leche puede tomarse
por personas que tengan algunas alteraciones gástricas o úlceras para
los cuales, la leche de vaca podría ser más difícil de asimilar.
La leche de cabra también es una alternativa para quienes tengan
alergia a las proteínas de la leche de vaca.
Además de ser rica en proteínas, la leche de cabra también es rica en
vitaminas A, D, B1, B2 y B12 y es un alimento rico en calcio.
Composición de las proteínas de la leche
En una leche normal el contenido medio de P es de 30-35 g por litro,  95% del
nitrógeno total de la leche.
Componentes nitrogenados de la leche
Caseínas (fracción micelar insoluble,
80%), conteniendo una parte mineral
(fosfato de calcio : son fácilmente
aislables por centrifugación o
precipitación isoeléctrica a pH 4,6
Proteínas solubles o proteínas
del lactosuero  20%:
Porcentaje de proteína en la
leche
g/kg proteína
p/p
Caseína
Alfa-s1-caseína
10,0
30,6
Alfa-s2-caseína
2,6
8,0
Beta-caseína
Gamma-caseína
Caseína total
10,1
3,3
26,0
Proteínas del suero de la leche
30,8
10,1
79,5
Beta-lactoalbúmina
1,2
3,7
Beta-lactoglobulina
3,2
9,8
Albúminas del suero de leche
0,4
1,2
Inmunoglobulinas
0,7
2,1
Misceláneos
Proteínas totales del suero de la
leche
0,8
2,4
6,3
19,3
0,4
1,2
32,7
100
Proteínas de las membranas de
los glóbulos grasos
Proteínas total
Figura 1. Patrón de
electroforésis que se obtiene
con las proteínas lácteas
procedentes de las especies
humana (calle 2) y bovina
(calle 3). La calle 1 muestra
las proteínas de referencia
para los pesos moleculares y
la flecha indica el sentido de
migración de las proteínas
Tabla 1. Contenido proteico y caseínico de la leche de
algunas especies animales.
componente
especie
humana
bovina
ovina
caprina
proteínas (%
del total
lácteo)
1,3-1,5
3,2-3,5
5,4-6,0
3,1-4,0
Caseínas
(% del total
proteico)
44,9
82,5
84,8
81,3
Composición de los diferentes constituyentes
Composición de las caseínas (fosfoproteínas)
Son proteínas ácidas, por ser ricas en ac. glutámico y aspártico, en la
caseína B el contenido de prolina es alto, y está repartido en forma
regular a lo largo de la cadena polipeptídica, por lo que hace improbable
la presencia de estructuras ordenadas (hélice a o estructuras B), en
cantidades apreciables.
La composición en AA, le confiere una hidrofobicidad media, ligeramente
superior a la de la mayoría de las proteínas globulares, esta propiedad le
permite a las caseínas asociarse muy fácilmente en complejos de elevada
masa molar.
El pH isoeléctrico global está próximo a 4,7, comprende varios tipos de
moléculas de los cuales:
50% es as- caseína
30% es b-caseína
15% es k-caseína
5% de g-caseína
La caseína as1 e tiene un comportamiento dipolar con un polo globular
mucho más hidrófogo y un polo cargado, y presenta una estructura poco
ordenada , se encuentra generalmente al estado de monómeros.
La caseína as2 es la más hidrófila de todas las caseínas porque es la más
fosforilizada y más rica en residuos catiónicos, esta estructura sugiere que
las interacciones electrostáticas son muy importantes y dependen del pH,
resulta una gran sensibilidad a los iones Ca 2+.
La caseína b es la más hidrófoba de las caseínas, las partes cargadas están
separadas por una cadena muy larga sin carga. Presenta una estructura
poco ordenada: 10% de hélice a, 13% de pliegue b y 77% sin orden
estadístico.
A bajas temperaturas (4°C) puede perder la estructura micelar y es más
sensible a la hidrólisis por proteasas.
Las caseínas g provienen de la parte terminal de la caseína b.
A pH 7 y 37°C se añade Ca, la as coagula, la b precipita y la k no resulta
afectada.
caseínas k, tiene un solo residuo foforilado, por lo tanto fija poco Ca y su
solubilidad no se afecta por la presencia de este ion, es anfipolar.
La acción protectora de la caseína k se ejerce hasta una relación 10
moléculas de a por una de k.
Durante la coagulación enzimática de la leche por la quimosina, proteasa
presente en el cuajo, la enzima escinde el enlace peptídico fenilaminametionina. Así se liberan:
El caseinato glucopéptido,
muy polar y soluble
La parte N terminal, llamada paracaseína k ,
cargada +, muy hidrófoga, ordenada y poco
soluble. En presencia de Ca los conjuntos
miscelares se polimerizan y coagulan, formando
un gel, que por sinérisis expulsa el lactosuero.
La velocidad y el grado de coagulación y sinéresis son tanto más
elevados cuanto mayor sean los contenidos en caseína, calcio y
acidez de la leche.
Imágenes por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)
Micelas de
caseína en la
leche
Micelas de caseína
formando cadenas
en el yogur
http://www.magma.ca/~pavel/science/Foods&bact.htm
Micelas de caseína
formando cluster o
asociaciones en el
queso
Composición de las proteínas del lactosuero
Cuando se coagulan las caseínas, quedan en solución las otras
proteínas, conjuntamente con la lactosa y sales minerales para
constituir lo que se llama lactosuero.
Esta separación entre caseína y proteínas del lactosuero fue llevada a cabo
por primera vez por Hammarsten en 1883.
La glándula mamaria sintetiza las dos proteínas principales del
lactosuero: la b-lactoglobulina y la a-lactoalbúmina.
Entre ellas destacan su solubilidad, incluso a pH 4,5, si no se
calientan, sus propiedades emulsionantes y espumantes y su
capacidad de gelificación.
Se recuperan por ultrafiltración o intercambio iónico, con secado a
temperaturas lo más bajas posible para evitar su desnaturalización.
a-lactoalbúmina
La a -lactalbúmina es una proteína que se encuentra en la leche de casi
todas las especies, con la excepción de algunas focas. Su misión biológica
es la síntesis de la lactosa
Es la segunda proteína en concentración en el lactosuero de vaca (entre 1 y
1,5 mg /ml), y la más abundante en el lactosuero humano.
Está formada por una sola cadena polipeptídica, de 123 aminoácidos, con
un PM de unos 14.200. Su estructura terciaria, muy compacta, globular, está
mantenida por cuatro puentes disulfuro, con una zona de hélice a y otra de
hojas plegadas b . Es una proteína ácida con un PI de alrededor de 4,8 a 5.
En la vaca existen dos variantes genéticas, con distribución desigual según
las razas (En la europeas solamente existe la variante B, con arginina en la posición
10. En las indias existe también la variante A, con glutamina en esa posición)
Desde el punto de vista nutricional, la a -lactalbúmina es importante dada la
abundancia de triptófano.
La a -lactalbúmina es una de las proteínas de la leche que pueden causar
alergia a este alimento
b-lactoglobulina
Su composición en AA es diferente a las caseínas contienen menos
ácido glutámico y prolina pero son más ricos en AA azufrados,-SH
(cistina y metionina)
Sus puntos isoeléctricos van de 5,2 a 5,6
Es la proteína más abundante en el lactosuero bovino, en el que
alcanza concentraciones de 2 a 4 mg/ml, representando alrededor de la
mitad de las proteínas del lactosuero.
Está presente también en la leche de otras especies, como la yegua y
la cerda, pero no se encuentra en la leche humana.
Está formada por una sola cadena de 162 aminoácidos, con un peso
molecular de unos 18.400. Su secuencia se conoce desde 1976.
Hay por lo menos 4 variantes genéticas (A, B, C y D), siendo las más
comunes las llamadas A y B, que difieren en dos aminoácidos. La
variante A tiene una valina en la posición 118, y un aspártico en la
posición 64, mientras que la variante B tiene, respectivamente, alanina y
glicina.
La función de la b -lactoglobulina no se ha establecido todavía con
seguridad, aunque probablemente, al menos en el caso de los
rumiantes, se trata de una proteína transportadora de ácidos grasos, que
ejerce su función en el tubo digestivo del lactante.
Inmunoglobulinas
Las inmunoglobulinas son proteínas que forman parte del sistema de defensa
contra microrganismos. La estructura básica, con forma de Y está constituida
por dos cadenas ligeras y dos cadenas pesadas. Cada cadena ligera está
unida a una cadena pesada por un puente disulfuro, mientras que las dos
cadenas pesadas se unen entre sí mediante dos puentes disulfuro. Las
cadenas pesadas están glicosiladas.
Albúmina
La albúmina de la leche es la misma que se encuentra en la sangre, y
procede de ella. Es una proteína relativamente grande, con una cadena
formada por 528 aminoácidos. En el lactosuero se encuentra en una
concentración de alrededor de 0,4 mg/ml.
Lactoferrina
La lactoferrina es una proteína fijadora de hierro, con una afinidad por el
ion muy grande. emparentada estructuralmente con la transferrina de la
sangre y con la ovotransferrina del huevo. Tiene carácter básico, con un
punto isoeléctrico próximo a 9.
Es una glicoproteína que está formada por dos lóbulos, unidos por una
hélice de tres vueltas.
La lactoferrina es abundante en la leche humana, encontrándose también
en concentraciones significativas en la leche de los rumiantes y en la de
yegua.
En todos los casos, la concentración es mayor en el calostro y en el
periodo de secado, pero en la leche humana se mantiene también una
concentración significativamente elevada a lo largo de toda la lactación
La fase micelar de la leche
Aptitud de las caseínas para la asociación
Aún en ausencia de iones minerales, las caseínas tienen un nivel de
asociación muy elevado, superior al de las proteínas globulares. Esta
propiedad está ligada a la desigual repartición de cargas y cadenas
laterales apolares a lo largo de las cadenas peptídicas. Así los
contituyentes b y k forman en solución micelas como lo hacen “los
agentes detergentes”
Las micelas se forman a partir de una CMC, es decir cuando se
sobrepasa un “umbral” de concentración.
Además como la estructura espacial de las caseínas en solución es muy
libre, los numerosos grupos hidrófogos, más expuestos al agua se
asocian entre si.
Las caseínas interaccionan entre sí formando una dispersión coloidal
que consiste en partículas esféricas llamadas micelas con un diámetro
que suele variar entre 60 a 450nm poseyendo un promedio de 130nm.
A pesar de la abundante literatura científica sobre la posible estructura
de una micela, no hay consenso sobre el tema.
La cantidad de
micelas por ml de
leche es del orden
de 10 12.
Estructura propuesta para una
micela de caseína
Se han propuesto diversos modelos fisicoquímicos de organización de las
micelas, en los que estas se encuentran a su vez constituidas por subunidades
(submicelas), con un diámetro de entre 10 y 20nm. Se considera que las
subunidades se enlazan entre sí gracias a los iones de calcio.
Se sugiere que el fosfato de calcio se une a los grupos NH2- de la lisina; el
calcio interacciona con el grupo carboxilo ionizado (COO-). Las submicelas se
constituyen a partir de la interacción constante entre las caseínas α, β y κ.
Hay que resaltar la función de la κcaseína para estabilizar las
micelas, especialmente contra la
precipitación
de
las
otras
fracciones proteínicas por la
acción del calcio o de los enzimas.
En todos estos las unidades
hidrófobas entre las moléculas
de
proteínas
aseguran
la
estabilidad de la micela.
Estructura propuesta para la organización
de las micelas de caseína a partir de unas
subunidades denominadas submicelas
Aptitud de las caseínas para la asociación
La masa molar media se eleva medida que aumentan la fuerza
iónica, temperatura y concentración de caseína:
Fuerza
iónica
CMC
Masa molecular
de la micela
Grado de
polimerización
0,2
0,5
552.000
23
0,05
0,74
321.000
13
La temperatura ejerce una influencia considerable, por debajo de 4°C la
caseína b está completamente despolimerizada, lo que se explica por la
rotura de numerosas interacciones hidrófogas
Efectos de los tratamientos tecnológicos
- Efectos de los tratamientos térmicos
La caseína micelar y las proteínas de lactosuero sufren en el curso del
calentamiento, modificaciones cuya naturaleza e intensidad depende de
numerosos factores: pH, temperatura y duración del tratamiento térmico,
naturaleza y concentración de los constituyentes minerales y orgánicos
presentes, etc.
A temperaturas moderadas (inferiores a 100 °C) que corresponden a
las que se alcanzan durante la pasteurización y concentración de la
leche, se observa, especialmente una desnaturalización de la blactoglobulina.
A partir de los 80 °C la proteína se polimeriza y puede formarse un gel.
A T < a 100° se pueden encontrar ligadas a las micelas de caseína una
gran parte de las proteínas del lactosuero, lo que da una mayor
resistencia a las proteasas (quimosina).
A partir de 110°C-120°C, la estabilidad de la fase proteica de la leche
depende del pH.
El comportamiento frente a los tratamientos térmicos esta influenciado
por diversos factores:
1. La alteración de la superficie micelar por fijación de las proteínas
de lactosuero motiva, probablemente, una modificación del
potencial eléctrico zeta y de la hidratación de las micelas.
2. El descenso del pH que se produce durante el calentamiento (hasta 1
unidad de pH) hace la leche más “sensible” a la coagulación térmica;
este descenso de pH se debe a la formación de ácidos orgánicos
(fórmico, levulínico, etc.) a partir de lactosa, así como a reacciones
de hidrólisis del fosfato orgánico de las caseínas
3. Los calentamientos energéticos que modifican las caseínas. Las
caseínas que sólo contienen algunas estructuras secundarias y
terciarias organizadas, no sufren la desnaturalización propiamente
dicha y quedan solubles a alta temperatura. No obstante, se producen
reacciones de hidrólisis a partir de 110ºC. La desfosforilización es
más rápida que la liberación de nitrógeno no proteico, así, un
calentamiento de 5h a 120ºC de una solución de caseinato de sodio,
libera 80% del fósforo y 20% del nitrógeno no proteico, una gran parte
del fósforo liberado, está bajo la forma mineral.
4. A pesar del alto contenido en agua, la esterilización origina
reacciones Maillard y hace no utilizables una parte de los residuos
de lisina. También parece que las reacciones de pardeamiento están
implicadas en el fenómeno de gelificación de las leches UHT
durante el almacenamiento.
5. La concentración en materia seca de la leche también influencia su
estabilidad al calor; un aumento de la concentración disminuye
considerablemente la estabilidad térmica de la leche y aumenta el
riesgo de gelificación durante el almacenamiento.
Después de un tratamiento UHT O HTST (alta temperatura-corto
tiempo: 140ºC durante algunos segundos) de esterilización de la
leche, puede decrecer la estabilidad de las micelas durante el
almacenamiento. La gelificación que se observa algunas veces
después de varios meses de conservación, podría tener dos causas:
a) Una inactividad incompleta de la proteasa de la leche o de las
proteasas termorresistentes de las bacterias psicrófilas;
b) Una formación incompleta de complejos proteicos protectores
de la estabilidad de la micela (condiciones de calentamiento
demasiado bajas).
Efectos de la refrigeración
El almacenamiento de la leche a baja temperatura (2 a 6ºC) motiva
fundamentalmente dos tipos de modificaciones: la desestabilización de
las micelas y una proteólisis limitada.
El frío modifica los equilibrios salinos (P y Ca) entre micelas y la fase
soluble: los contenidos del suero en Ca, P y caseína aumentan y el pH
se eleva ligeramente (aumento de 0,3 – 0,4 unidades de pH entre 38 y
6ºC).
Resultan así modificadas las proteínas (aumento del tiempo de
coagulación, modificación de la consistencia de la cuajada y de la
sinérisis); la disminución del rendimiento quesero puede alcanzar
hasta un 10%.
Es posible restaurar las propiedades iniciales por una
“prematuración” una adición de CaCl2 o por un ajuste de pH inicial.
Parece apropiado un tratamiento térmico (calentamiento a 60ºC
durante 30 minutos) para conseguir la reabsorción de la caseína b en
las micelas.
Además, el frío aumenta la degradación de la caseína b en caseína g.
Según la temperatura y la duración del almacenamiento en frío, se
observa una gran variabilidad del contenido de la leche en caseínas g
(2 a 10%). En efecto, la caseína b, al emigrar en la fase soluble se
hace más accesible y más hidrolizables por las proteasas naturales
de la leche o por las bacterias psicrófilas.
Estas diversas proteólisis limitadas modifican la composición
micelar y por lo tanto las propiedades físicas y tecnológicas de la
caseína (coagulación enzimática, características de la cuajada y del
queso, defectos de sabor que aparecen en el curso del afinado, etc.).
Tratamientos mecánicos
Los tratamientos mecánicos de homogenización disminuyen la
estabilidad de las micelas en la leche entera (sobre todo cuando el
tratamiento se realiza a 60ºC) y sólo tienen un efecto mínimo sobre las
micelas de la leche descremada.
Usos y aplicaciones
Además de usarse directamente en la elaboración de productos
alimentarios (derivados lácteos y cárnicos, panes y productos de
repostería, etc.), la caseína se utiliza en la elaboración de productos no
alimentarios: pegamentos y pinturas, cubiertas protectoras, plásticos.
Otros usos tecnológicos son la clarificación de vinos o como ingrediente
en preparados de biología molecular y microbiología (medios
enriquecidos para el cultivo microbiano).
En la alimentación especial, la caseína sirve para la elaboración de
preparados médicos y concentrados proteicos destinados a la
alimentación de los deportistas, especialmente después de su
entrenamiento. Así, se ha observado que la digestión de las caseínas es
más lenta que la de las lactoproteínas solubles (también denominadas
seroproteínas) y, por ello, más apropiada para reparar el anabolismo de
los aminoácidos durante el período que sigue a una comida.
Tabla 3. Algunos usos tecnológicos de la caseína
Producto
Propiedad
Aplicación
Envoltura
•Capacidad de formar
películas
•Adherencia
•Pintura
•Tinta
•Papel
•Embalaje
•Acabado del cuero
•Envoltura textil
Adhesivo
•Manejabilidad
•Fuerza de adhesión
•Resistencia al agua
•Cola con base acuosa
Plástico
•Buen procesado
•Resistencia mecánica
•Resistencia al agua
•Plástico rígido
•Plástico desechable
•Fibra
•Película/ lámina de
envoltura en embalajes
Surfactante
•Tensión superficial
•Estabilidad de interface
•Emulgente, detergente
Bibliografía
Cheftel, J. C., Cuq, J. L. and Lorient, D., Proteínas alimentarias. 1989,
Acribia S.A., España
Introducción a la bioquímica y tecnología de los alimentos, Vol I, J.C.
Chefter, H. Cheftel, Editorial Acribia, 2000.
http://milksci.unizar.es/bioquimica/temas/proteins/lactosuero.html