کازئین و کاربردهای آن

میزان پروتئین در شیر گاو بین 5/3-2/3 درصد است . عمده ترین ترکیب پروتئینی شیر کازئین می باشد . از دیگر ترکیبات پروتئینی شیر پروتئین های آب پنیر ( پروتئین سرم شیر ، whey protein ) است . کازئین در برابر نقطه ایزوالکتریک حساس بوده و رسوب می دهد اما نسبت به حرارت پایدار است و دناتوره نمی شود .

ساختار کازئین

کازئین شیر شامل حدود 94 درصد پروتئین و 6 در صد ترکیبات با وزن مولکولی پایین است که فسفات کلسیم کلوئیدی نامیده می شوند. این فسفو پروتئین ها وزن مولکولی 19 تا 25 کیلو دالتون و pH ایزو الکتریک آنها بین 4.6 تا 4.8 است. کازئین ها حاوی ریشه های متعدد اسید های آمینه آب دوست و آب گریز بوده و بنابراین پروتئین هایی دوگانه دوست هستند که توانایی تولید کوپلیمرهای بلوکی دارند و تمایل بالایی به خود سامانی به میسل هایی در محدوده 50 تا 500 نانومتر (میانگین 250 نانومتر) دارند. این میسل های کروی دارای یک قسمت داخلی آبگریز هستند که سطح خارجی آنها توسط یک لایه کازئین کاپای (κ) آب دوست که میسل را به واسطه ایجاد دافعه الکترواستاتیک و فضایی بین میسل ها پایدار می کند، احاطه شده است.

 با جدا سازی و خالص سازی آن به روش های گوناگون ، انواع  مختلفی تولید خواهد شد .

پروتئین کازئین دارای 3 نوع آلفا ، بتا و کاپا است . مهمترین نوع کازئین ، کاپاکازئین است که در تهیه پنیر نقش مهمی ایفا می کند. از گروه فسفو پروتئين ها است كه به چهار فرم (alpha S₁ -Casein) ، (alpha S₂-Casein) ، (beta-Casein) و (kappa-Casein)  يافت مي شود.

پروتئین سرم شیر دارای ارزش غذایی بالایی است زیرا حاوی مقدار زیادی اسید آمینه ضروری است . این اسیدهای آمینه دارای ترکیبات گوگردی هستند که در اثر حرارت بوی پخته گرفته که حاصل از ترکیب شدن گوگرد با هیدروژن است . انواع پروتئین های سرم شیر شامل : بتالاکتو گلوبولین ، آلفا لاکتالبومین و ایمنو گلوبولین است . اگر بخواهیم بدانیم که این انواع مختلف کازئین چه تفاوتی در جریان تولید دارند ، می توانیم نگاهی به فلوچارت زیر داشته باشیم:

انواع كازئين

 كازئين رنت :

براي تهيه اين نوع كازئين همانند ساير انواع كازئين از شير بدون چربي استفاده مي شود . وجود مقادير كم چربي در كيفيت محصول تاثير داشته و به اين جهت استفاده از شير كاملا چربي گرفته در توليد كازئين بسيار مهم است .

مايه زني با كمك آنزيم كيموزين موجود در رنت انجام مي گيرد . شير در يك زمان كوتاه حرارت سالم سازي را متحمل شده و تا 30 در جه سانتي گراد خنك مي شود و سپس به آن رنت اضافه مي گردد . بعد از 15 تا 20 دقيقه لخته حاصل مي شود كه بعد از برش به آن حرارت داده مي شود . در طول حرارت دادن ( تا 60 درجه سانتي گراد ) لخته بهم زده مي شود . براي غير فعال كردن آنزيم حرارت زياد مورد نياز مي باشد .

زماني كه لخته به حرارت نهايي لازم رسيد آب پنير ( سرم ) خارج شده و كازئين باقيمانده با آب شسته مي شود تا لاكتوز و نمك موجود در آن خارج گردد . عمل شستشو در دو يا سه مرحله در حرارت مابين 45 و 60درجه صورت مي پذيرد . بعد از خروج آب ، كازئين به وسيله الك يا جدا كننده ، آبگيري بيشتر شده و به وسيله هواي داغ خشك مي شود به طوري كه محتوي آب آن به % 12 برسد . سپس كازئين خشك شده ،خرد شده و به شكل پودر در ميآيد، حرارت خشك كردن به روش مورد استفاده بستگي دارد . در خشك كردن دو مرحله اي، حرارت 50 تا 55 درجه در مرحله اول و 65 درجه در مرحله دوم است . كازئين رنت بايد داراي رنگ سفيد يا كمي مايل بهزرد باشد . رنگ تيره اين محصول نمايانگر كيفيت نامرغوب است كه در نتيجه محتوي زياد لاكتوز آن بوده و يا اشتباهي در فرآيند حاصل شده است .

توليد كازئين يا به طور غير مداوم در تانك هاي مخصوص و يا به صورت مداوم انجام مي گيرد . در روش مداوم خروج سرم قبل از اينكه كازئين از 3 يا 4 تانك شستشو و مجهز به بهمزن بگذرد انجام مي پذيرد . در مرحله آخر آب شستشو حتما بايد داراي كيفيت مناسب باشد . بعد از اين مرحله كازئين به منظور آبگيري بيشتر تا مقدار ماده جامد 40 تا % 45 وارد يك خشك كننده (Decanter) مي شود و سپس خرد شده و به صورت ذرات بسيار ريز در كيسه پر مي شود .

كازئين رنت به ميزان زيادي در صنايع پلاستيك سازي مورد استفاده قرار مي گيرد . همچنين از اين محصول در تهيه الياف مصنوعي (Synthetic Fibers) استفاده مي شود .

 كازئين اسيد :

براي تهيه اين نوع كازئين شير بدون چربي تا نقطه ايزو الكتريك كازئين اسيدي مي شود كه اين عمل ممكن است يا اسيدي شدن بيولوژيكي باشد و يا با افزودن اسيد انجام گيرد .

اسيدي شدن بيولوژيكي ( كازئين اسيد لاكتيك )

در اين روش شير پاستوريزه شده تا حرارت 23 الي 27 درجه سانتي گراد خنك شده و يك مايه آغازگر مزوفيل به آن اضافه مي شود . اسيدي شدن حدود 15 ساعت تا رسيدن به PH مورد نظر ادامه مي يابد . اگر اين عمل به سرعت انجام گيرد مشكلاتي را مثل كيفيت غير يكنواخت و بازده كم كازئين به دنبال خواهد داشت .
براي اين نوع توليد تانك هاي بزرگ مورد استفاده قرار مي گيرند . بعد از اين كه لخته كازئين شسته و خشك شد بقيه مراحل مانند كازئين رنت دنبال مي گردد .

افزودن اسيد ( كازئين اسيد )

در اين روش بعد از اينكه شير حرارت لازم را ديد يك اسيد معدني به آن اضافه مي شود به طوري كه PH به 4 / 4 تا 4 / 3 كاهش يابد . سپس شير در يك واحد تبادل حرارت صفحه اي به حرارت 40 الي 45 درجه سانتي گراد رسيده و رسوب كازئين در يك خشك كننده آبگيري شده و سپس خرد و بسته بندي مي شود . از كازئين اسيد در صنايع شيميايي براي تهيه رنگ و چسب، كاغذ هاي براق و لوازم آرايش استفاده مي شود . در صنايع غذايي نيز اين محصول مورد مصرف قرار مي گيرد .

كازئين هم رسوب :

اين نوع كازئين حاوي كليه پروتئين هاي شير بوده و به اين جهت داراي ارزش غذائي نسبتا زيادي نسبت به ساير كازئينها مي باشد . ( به علت كيفيت بالاي پروتئن هاي سرم ) . اين كازئين داراي مقدار كم ) %)0.5 – 0.8 يا متوسط ( حدود %) 1.5 با زياد ) %)2.3 – 3 كلسيم و مقادير مختلفي كلريد كلسيم مي باشد كه به منظور رسوب دادن كازئين از آن استفاده شده است . كلريد كلسيم را قبل از حرارت دادن شير يا همزمان با نگه داري آن در تانك اضافه مي نمايند . بعد از اينكه كازئين رسوب كرد آنرا شستشو مي دهند، به اين جهت مقدار كلسيم موجود در رسوب تابع مراحل شستشوي اين فرآورده است .
از اين نوع كازئين بيشتر در صنايع غذايي مثل ماكاروني سازي ، رشته سازي ، تهيه شكلات و شيريني و سس مايونز استفاده مي شود و به اين جهت ممكن است فرآيند داراي 5 مرحله شستشو باشد .

كازئينات سديم :(Sodium Caseinate)

کازئینات از خنثی کردن کازئین اسیدی توسط کلسیم هیدروکسید یا سدیم هیدروکسید به نحوی که PH آن به 7/6 برسد، بدست می آید . کازئینات منبع خوبی از پروتئین ها بوده و دارای نقش امولسیفایر ، اتصال دهنده آب و کمک به پف کنندگی می باشد.

کازئینات سدیم متداول ترین نوع کازئین محلول در آب است که طرز تهیه آن مثل کازئین اسید بوده ولی قبل از خشک شدن به قلیا اضافه می گردد، بنابراین PH باید در حدود 6/7 باشد. کازئینات سدیم به طور معمول در یک خشک کننده افشان خشک می شود. مشکل خشک کردن با این روش افزایش ویسکوزیته محصول به طور لگاریتمی بوده و هزینه این شیوه خشک کردن نیز نسبتا بالا است.

این محصول یک ماده غذائی افزودنی است که به عنوان ماده‌ای اتصال دهنده ، امولسیون کننده ، سفید کننده و ورآورنده عمل می‌کند. خیلی زود در آب حل شده و به طور روز افزونی در صنایع غذایی مورد استفاده قرار می گیرد. در بسیاری از کشورها به عنوان امولسیون کننده در تهیه سوسیس و کالباس و به عنوان جانشین شیر و خامه در فرآورده های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین در محصولاتی مانند پنیر ، ماست ، بستنی و کافی کریمر نیز استفاده می شود.

به عنوان يك منبع غذايي مناسب كازئين كليه اسيدهاي امينه ضروري بدن را تامين مي كند و دارای مقادیر بالایی از آمینو اسید گلوتامین است که در بهبود سطح ایمنی بدن نقش موثری دارد. كازيين در شير به صورت يك سوسپانسيون از ميسل هاي كازيين كه بواسطه يون هاي كلسيم و تاثيرات متقابل هيدروفوبي در كنار هم نگه داشته شده اند يافت مي شود.

کازئینات ها (سدیم و كلسيم و…)در واقع فرم بهينه شده اي از كازئین مي باشند كه در آنها قابليت انحلال و خواص رئولوژیک اين پروتئین بهبود یافته است.

با توجه به اينكه اين پروتئین داراي كليه اسيد هاي آمينه ضروري براي بدن مي باشد و بر اساس شاخص هاي تغذيه اي و كيفي يكي از بهترين پروتئين هاي طبيعت محسوب مي شود لذا به عنوان يك جزء مهم در فرمولاسيون مكمل هاي غذايي كاربرد فراواني يافته است.

 به عنوان امولسيفاير، استابيلايزر و بهبود دهنده بافت در صنايع غذايي مختلف مانند صنايع لبني ، صنايع گوشتي و انواع غذاهاي فرايند شده و غيره کاربرد دارد.

از كاربردهاي غیر غذایی این پروتئین می توان به استفاده از آن در ساخت پلاستیک‌ها، چسب‌ها، آهار زدن کاغذ و پارچه، تولید رنگ‌های داخلی قابل شستشو و پرداخت و جلای چرم اشاره نمود. رنگ ها ي بر پايه كازئين به سرعت خشك مي شوند و حلاليت نسبتا خوبی دارند. چسب هاي بر پايه كازئین بيشتر براي صنايع چوب كاربرد يافته است .

اما با این تفاوت ها در ماهیت و روش ساخت ، هرکدام از این محصولات چه کاربردهایی در تولید انواع مواد غذایی دارند :

جالب است بدانیم از انواع فراورده های کازئین در تولید محصولات غیر غذایی نیز استفاده می شود :

مزایای کازئین به عنوان نانو ذرات حامل دارو شامل قیمت ارزان، دسترسی آسان به منابع آن، پایداری زیاد و غیر سمی بودن آن است. بسیاری از خصوصیات ساختاری و فیزیکوشیمیایی کازئین ها استفاده از آنها به عنوان سیستم های دارورسانی را ممکن می کند. برخی از این خصوصیات عبارتند از توانایی اتصال به انواع یون ها و مولکول های مختلف، ویژگی های پایدارکنندگی و فعالیت سطحی استثنایی، خصوصیات خود آرایی و امولسیون سازی عالی و ظرفیت اتصال به آب و تولید ژل.
کازئین ها حساس به دما نبوده در حالیکه پروتئین های کروی آب پنیر در دمای بالاتر از 70 درجه سانتیگراد دچار دناتوراسیون و تغییرات ساختاری اساسی می شوند. استحکام کششی زیاد فیلم های کازئین باعث جذابیت این پروتئین ها در استفاده به عنوان روکش قرص ها شده است. خصوصیت مهم دیگر کازئین ها اثر حفاظتی آن هاست که جهت حفاظت از محموله های حساس ضروری است. به عنوان مثال کازئین با توانایی جذب نور قوی به ویژه در محدوده طول موج 200 تا 300 نانومترمی تواند محموله خود را در برابر تابش بویژه در محدوده نور ماورائ بنفش حفاظت کند.
ویژگی های ذکر شده کازئین را به عنوان یک کاندیدای مناسب جهت ساخت سیستم های دارورسانی مرسوم و نیز جدید تر مانند جامل های نانویی مطرح می کند. با این وجود از جمله محدودیت های کازئین ها نگران های مرتبط با ایمنی زایی و ایجاد آلرژی توسط آنهاست. باید توجه داشت که کازئین موجود در شیر پس از تجزیه در دستگاه گوارش به صورت اسید های آمینه جذب می شود، اما در مواردی مانند تزریق مستقیم وریدی این پروتئین ها پاسخ ایمنی بدن به آنها باید مورد توجه قرار گیرد.

در دندانپزشكي در محصولاتRemineralization دندان براي پايداري ACP و آزاد شدن آن بر روي سطوح دندان بكار برده مي شود. از این پروتئین در صنايع دارويي به عنوان يك كاهش دهنده Bioavailability برخي از داروها کاربرد دارد.