Artículo de Revisión

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Kappa caseína de la leche: aspectos bioquímicos, moleculares, productivos y nutricionales

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Luz Andrea Guevara-Garay,* Diego Alejandro Cuartas-Castaño, Felipe Llano-Naranjo.

Programa de Medicina Veterinaria y Zootecnia, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, Risaralda, Colombia.

* Correo electrónico: landrea@utp.edu.co

Fecha de Recepción: 18-04-2013.

Fecha de Aceptación: 13-09-2013.

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Resumen

La caseína hace parte de las proteínas secretadas en la leche de la mayoría de los mamíferos, es una fosfoproteína producida por cuatro genes que codifican para las caseínas a s1, a s2, β y κ, las cuales se organizan en forma de micelas o unidades solubles. Las caseínas tienen un alto contenido de aminoácidos esenciales que se separan de la parte acuosa por acción de enzimas como la quimosina, la cual precipita la proteína en la elaboración quesos. Dentro de la caseínas de la leche, la kappa-caseína tiene gran influencia en la composición de la leche en relación con su capacidad de coagulación, tiempo de formación del cuajo, tasa de formación de la cuajada, y vigor del coágulo en la producción de queso para consumo humano. El conocimiento de los factores que definen el nivel de kappa caseína en la leche es de relevancia para los productores y procesadores, puesto que la elevación de su contenido puede derivar en un mayor rendimiento del producto para la elaboración de derivados lácteos y, a su vez, en un mayor beneficio económico.

Palabras clave: Proteínas de la leche; bovinos; alimentación; productos lácteos.

Kappa casein of milk: productive, molecular, biochemical and nutritional aspects

Abstract

Casein is a phosphoprotein secreted in the milk of most mammal species. It belongs to a group of proteins coded by four genes, namely a s1, a s2, β and κ, which are organized in micelles or soluble units. Proteins from this group have a high content of essential amino acids. These molecules are separated by precipitation from the aqueous part by enzymes, such as chymosin, during the production of cheese. Moreover, the caseins, kappa-casein plays a major role on milk coagulation, thus, influencing the rennet formation time, the curd production rate and the consistency of cheese made for human consumption. Knowledge on the factors involved in regulating kappa-casein levels in milk, is of the most relevant aspects to milk producers and dairy product manufacturers given that an increase in its content, may improve milk yield and finally, economic profit.

Key Words: Milk proteins, cattle, feeding, dairy products.

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Introducción

La leche bovina contiene en promedio 33 g/L de proteína, de esta el 80% aproximadamente se encuentra como proteínas complejas supramoleculares llamadas micelas de caseína (1) (2). La caseína junto con las albúminas y globulinas conforman la fracción proteica de los sólidos de la leche en la mayoría de los mamíferos, la caseína es un agregado de macromoléculas de proteínas y minerales (3) (4), la cantidad de caseína en la leche varía según la especie animal pudiendo ir de 10 hasta 100 g/L (5).

Una micela de leche bovina contiene 10⁴ moléculas individuales de caseína en asociación coloidal con fosfato de calcio y pequeñas cantidades de magnesio, sodio, potasio y citrato (6), la principal función de las micelas de caseína es el transporte de calcio y fósforo (7).

La composición de la caseína de la leche varía ampliamente según la especie animal (8), en la actualidad se conocen cuatro tipos de caseína α , α _s2, β y κ (5); esta última es de gran interés para la industria láctea ya que define la formación del cuajo para la elaboración de los derivados lácteos (4, 9).

Para la kappa caseína se propuso su clasificación en dos grupos según la especie animal, en el grupo I (vacas, ovejas, cabras y búfalos de agua) y en el grupo II (ratas, ratones, cerdos y humanos), la diferencia entre estas radica en las bases hidrofóbicas, el contenido de carbohidratos, la composición de aminoácidos y sitio de clivaje proteolítico (10).

La leche bovina contiene una cantidad similar de caseínas α_s1 y β, este valor oscila entre 9 y 11 g/L, mientras que el contenido de las caseinas α _s2 y K es cercano a 3 g/L (5).

En el mundo se han llevado a cabo múltiples estudios en los cuales se identifican las variantes alélicas de la kappa caseína, asociándolas a su vez con la concentración en leche de esta proteína (11) (12) (13).

En bovinos se han reportado 6 tipos de alelos A, B, C, E, F y G, siendo los dos primeros los de mejor rendimiento y mayor interés para el desarrollo de la industria láctea (14); la variante alélica A aparece con más frecuencia en el ganado lechero, mientras que la variable B tiene menor frecuencia pero presenta mejores rendimientos ya que define un menor tamaño de la micela y retención de mayor cantidad de sólidos al momento de la coagulación, mejorando así la firmeza del coagulo. (15) (16).

Otros autores reportan que la kappa caseína posee once variantes alélicas, A, B, C, E, F1, F2, G1, G2, H, I, y J; en el caso de las búfalas se ha encontrado que solo poseen un alelo B para determinación de kappa caseína, siempre en homocigosis (17).

Los alelos AA para kappa caseína están relacionados con una mayor producción de leche que la tipo BB, mientras que el heterocigoto AB muestra una producción media. Se ha podido demostrar que las vacas con codificación para kappa caseína AB resultaron mayores productoras que cualquiera de las homocigotas (18) (19).

Las vacas que presenten una variante alélica BB tienen un 0,08% más de proteína en la leche que las vacas que presenten una variante alélica AA (20) (21), por otro lado, la expresión del gen de caseína en leche depende de múltiples factores entre los que se encuentran el estado nutricional, el número de lactancias y el número de ordeños en el día (3).

Características Bioquímicas

La caseína es una fosfoproteína, lo cual significa que esta químicamente unida a una sustancia que contiene ácido fosfórico, la mayoría de los grupos fosfato están unidos por los grupos hidroxilo de los aminoácidos serina y treonina (22). La caseína en la leche se encuentra en forma de sal cálcica como caseinato cálcico (23).

De las 4 caseínas conocidas, la α y β no son solubles en leche y se precipitan en presencia de los iones de calcio, la Kappa caseína es la única caseína soluble en presencia de iones de calcio, también presenta pocos grupos fosfato (5) y un alto contenido de carbohidratos dispuestos en una sola cara de su superficie por lo que esta parte exterior es fácilmente soluble en agua gracias a los grupos polares.

La otra parte de su superficie se une fácilmente a las α y β caseínas insolubles, lo que da lugar a la formación y estabilización de la micela (22). Esta estabilidad está relacionada con las moléculas de kappa caseína, las cuales forman en la superficie una estructura de cepillo con fuerte entropía (24) (7).

En la leche bovina la micela de caseína tiene un diámetro de 180 nm, la superficie de la micela de caseína contiene igual cantidad de a y k caseína con pequeñas cantidades de β caseína, mientras que en el interior se encuentra principalmente α y β caseína (25).

La kappa caseína tiene un peso monomérico molecular de 19.000 y se encuentra comúnmente como una mezcla de formas proteicas poliméricas, aunque también puede formar pequeños agregados en solución acuosa por asociación de las partes hidrofóbicas de la molécula (26).

La gran cantidad de prolina existente en las caseínas normalmente inhibe la formación de estructuras ordenadas elicolidales, la presencia de kappa caseína organiza algunas regiones en forma de a hélices cortas y fragmentos β laminares (27).

La kappa caseína es la única glucosilada, los grupos carbohidratados son unidos a la kappa caseína por los residuos de treonina y serina por vía O-glicosidica en la porción C-terminal de la molécula, este proceso se incrementa durante la producción de calostro (28). Tiene más de 6 sitios de O-glucosilación lo que la hace una proteína muy heterogénea, estos sitios están distribuidos entre los residuos 127 a 141 de la cadena compuesta por 169 aminoácidos, aun así, la molécula de kappa caseína tiene del 30% al 40% de su estructura libre de carbohidratos (7).

La Kappa caseína humana es menos glucosilada que la de cabra o vaca, los residuos carbohidratados pueden ser más del 55% del peso de la molécula, en los bovinos esta porción corresponde a la galactosa, N-acetil galactosamina y al ácido N-acetil neuraminico (29).

Características Nutricionales y Productivas:

La secuencia de aminoácidos y el hecho de que requiera altas temperaturas para su desnaturalización hacen de la Kappa caseína un excelente nutriente (23) (26), a su vez, la secuencia de 8 aminoácidos presentes en esta molécula puede ser la responsable de la presentación de alergias en algunas personas que toman leche de animales rumiantes artiodáctilos (30), estas reacciones, también son atribuidas a las caseínas α y β (31).

Las caseínas bovinas tienen diferentes propiedades funcionales y han sido utilizadas en la industria alimenticia así como en otras diferentes industrias.

En carpintería son usados los coágulos de caseína molidos para formar harina, la cual se dispersa bien en un medio alcalino (NaOH), dando lugar a caseinatos de sodio. Esta solución espesa, tiene poder adhesivo y es comúnmente utilizada en madera, papel, vidrio y porcelana; también se ha utilizado la caseína en la elaboración de plásticos similares al carey, endureciéndola al adicionar formol (3).

En medicina humana, el caseinato de sodio inhibe la proliferación de la línea celular mieloidea 32D cl3 por una vía no tóxica, también induce la expresión del factor estimulador de las colonias de macrófagos, este efecto es atribuido a las caseínas α, β y κ (32). A los fosfopéptidos de caseína se les ha atribuido propiedades antioxidantes al comprobar su efecto in vitro sobre la preservación de la actividad mitocondrial, la disminución en la concentración de glutatión (GSH) y aumento de la actividad de la GSH reductasa (33).

La kappa caseína carboximetilada, se comporta como una proteína amiloidogénica que experimenta agregación nuclear y formación fibrilar amiloidea por una vía similar a la péptidos amiloidogénicos como el amiloideo β, el cual se ha asociado con la enfermedad de alzheimer (34) (35).

Por otro lado, se ha descrito el efecto antibacterial del Hidrolizado de kappa caseína de la leche del yak, esta fracción fue determinada en las bacterias de Escherichia coli (36). También se han realizado pruebas con el Hidrolizado de α, β y κ caseína de la leche bovina, reportando efecto antibacteriano sobre las bacterias Enterococcus faecalis, Bacillus subtilis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae y Staphylococcus aureus (37).

En los países del mediterráneos es muy popular el consumo de quesos provenientes de la leche de cabra y oveja, con su leche se producen quesos tan reconocidos como el Roquefort, Peccorino Romano, Feta, Manchego, Bryndza y otros conocidos como quesos de leche de cabra. La leche de ovejas y cabras se caracteriza por tener un mayor contenido de proteína comparada con la de vaca (5,8%-4,6%-3,3% respectivamente), dentro de las proteínas evaluadas en estas dos especies está el caseinomacropeptido el cual se compone por aminoácidos 64 C terminales de la kappa caseína los cuales son liberados por la quimosina o pepsina durante la elaboración de los quesos, este aminoácido de composición única es especial en dietas de pacientes con fenilcetonuria u otras enfermedades hepáticas (38).

En ovejas, la experimentación con la fracción C-terminal de la kappa caseína ha demostrado que esta proteína tiene un efecto anticoagulante, al inhibir la agregación plaquetaria (39).

En la actualidad se considera a la kappa caseína como un péptido bioactivo, es posible encontrar en el mercado suplementos comerciales con esta proteína, estos son usados como reguladores de la presión arterial alta, anticarcinogénicos, antimicrobiales y antitrombóticos (40) (41).

Muchos estudios han procurado comprender la forma como las caseínas definen la formación del cuajo de la leche y han intentado establecer como puede ser manipulada esta propiedad (42) (43).

La desestabilización enzimática de la Kappa caseína es la base para la fabricación de quesos y yogures, por medio de la modificación de los procesos de agregación de esta caseína con reacciones de hidrólisis en presencia de la quimosina (26).

El paso inicial en la fabricación de la mayoría de los quesos es la hidrólisis enzimática de la kappa caseína, este proceso se realiza en presencia de la enzima quimosina o rennina la cual en la primera etapa rompe la kappa caseína en los aminoácidos fenilalanina 105 y metionina 106 ocasionando la reducción del total de la carga negativa y la repulsión estérica, haciendo las micelas susceptibles a la agregación (44) (45).

De la misma forma, el tratamiento con calor a 85-95 ^oC ha sido ampliamente reportado para incrementar el pH, gelificación y firmeza en leche ácida, proceso que tiene gran aplicación en la elaboración de yogures, esto se atribuye a la formación de complejos entre las proteínas del suero y la kappa caseína inducidos por la temperatura (46).

En algunos lugares como Asia Central y Rusia la leche de yegua es comúnmente consumida como kumis, pero de esta no es posible elaborar quesos ya que contiene niveles muy bajos de kappa caseína que evitan su coagulación (47) (48).

La leche de burra y cabra ha sido investigada para su uso en pacientes que presentan rechazo a las proteínas de la leche bovina ya que esta tiene buena palatabilidad y al igual que en las yeguas tiene un menor contenido de caseínas (49) (50).

En el Reino Unido y Europa la leche de búfalo es muy utilizada por su rendimiento en la elaboración de yogures y quesos. En estos lugares, se investigó sobre los niveles de las diferentes caseínas en leche de búfalo y vaca ya que estas definen el tamaño y la estructura de las micelas determinando la producción y la calidad del coagulo para la fabricación del queso mozzarella, en este caso, determinaron que la leche de búfalo tiene mayor concentración de β y κ caseína en comparación con la de vaca (51).

Otros estudios evaluaron el efecto ejercido por la concentración relativa de kappa caseína en la leche sobre las propiedades de coagulación y producción de tres variedades de queso italiano, en este caso no se encontró ningún efecto relevante que pudiera ser atribuido a los diferentes niveles de esta proteína en la leche recolectada (52). Mientras que la leche recolectada de granjas en Estonia mostró una relación significativa entre la firmeza de los cordones para la elaboración de quesos y los niveles de kappa caseína (53).

Discusión

Incentivar los esfuerzos encaminados al estudio de la kappa caseína resulta de gran relevancia, dado que esta versátil proteína ha demostrado tener potencial en el campo de la medicina con diferentes usos terapéuticos; por otro lado, la capacidad para incrementar la eficiencia en la elaboración de derivados lácteos resulta en un argumento adicional para enfocar las investigaciones en determinar como la epigenética puede llegar a influir sobre los niveles de esta proteína en la leche de los animales de interés zootécnico.

Es necesario conocer como factores como la raza, la edad, el número de lactancias, el nivel de producción, el tipo de dieta entre otros, define los niveles de esta proteína en la leche, este conocimiento ya ha sido definido para otros componentes de la leche como lo es la grasa, en donde se ha determinado que independientemente del potencial genético para la producción de grasa en leche, la dieta define en gran medida su presencia.

En la medida que se incremente y se difunda el conocimiento sobre las técnicas que determinan una mayor producción de kappa caseína en la leche, será posible enfocar la producción pecuaria hacia hatos elite con mayores niveles de kappa caseína, de tal manera que estos hatos puedan ser utilizados para la experimentación en medicina humana y que a la vez los ganaderos puedan recibir bonificaciones por parte de las empresas lácteas por producción de leche especial para la elaboración de derivados, productos que son los que mayores ingresos netos dejan a esta industria.

Agradecimientos

A Juan Manuel Vásquez por aportar sus conocimientos del idioma ingles para la realización del abstract del presente artículo.

Conflictos de interés

Los autores declaran no tener conflictos de interés.

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