Kappa-kazeina niedoceniane białko mleka

Do niedawna o przydatności technologicznej mleka decydowała zawartość w nim tłuszczu. Obecnie odnotowuje się rozwój produkcji wyrobów mleczarskich, których głównym składnikiem jest białko. Tendencja ta spowodowała, że zawartość białka w mleku jest cechą najwyżej premiowaną przez podmioty skupujące. Ze względu na procesy technologiczne, jakim poddawane jest mleko, pożądany jest surowiec o określonym składzie chemicznym i najwyższych parametrach przydatności technologicznej, warunkujących wysoką jakość produktu końcowego.

tekst: Katarzyna Gaca, Marta Gozdek, Dariusz Kamola

Białka mleka dzielimy na kazeinowe i serwatkowe, stanowiące odpowiednio 80% i 20% ogółu białek. Kazeina jest białkiem mleka wskazywanym coraz częściej jako składnik o szczególnym znaczeniu z punktu widzenia technologii przetwórstwa. Białka kazeinowe stanowią podstawową masę twarogów i serów twardych. W grupie tej wyróżnia się cztery główne frakcje: αs1-kazeinę, β-kazeinę, αs2-kazeinę i κ-kazeinę. Kluczowa dla przetwórstwa jest kappa-kazeina – jej zawartość w mleku krowim wynosi tylko 0,24–0,26%, mimo to jest zasadniczym czynnikiem stabilizującym strukturę białek w surowcu.

Białka kazeinowe w mleku występują w postaci kulistych miceli przypominających kształtem malinę o średnicy od 25 do 500 nm, równomiernie rozprowadzonych w całej objętości mleka. Wnętrze miceli tworzą kazeiny α i β, które mają właściwości hydrofobowe (nie lubią wody; z greckiego hydro – woda, phobos – strach), natomiast zewnętrzną część budują głównie frakcje κ-kazeiny posiadające, wystający ponad micelę, C-koniec łańcucha polipeptydowego o właściwościach hydrofilowych (czyli lubiących wodę; z gr. philein – lubić). Taka budowa nadaje całej miceli hydrofilowy charakter, dzięki czemu jest ona otoczona cząsteczkami wody (warstwą hydratacyjną), co powoduje, że micele odpychają się od siebie, tworząc strukturę mleka. Białko κ-kazeina, budując zewnętrzną warstwę ochronną miceli, zapobiega ich „zlepianiu się”. Zmiana tego stanu, niezbędna do zainicjowania procesu krzepnięcia mleka, następuje, gdy κ-kazeina zostaje pozbawiona swoich właściwości „wodolubnych”. Może to nastąpić poprzez dodanie enzymu zmieniającego strukturę κ-kazeiny, np. podpuszczki. Podpuszczkowe krzepnięcie mleka polega na odszczepieniu przez enzym od κ-kazeiny „wodolubnego” fragmentu wystającego ponad micelę. Pozostała w miceli κ-kazeina nie posiada już właściwości do przyciągania wody, dlatego micele tracą wodną otoczkę i zaczynają się do siebie przyciągać i łączyć się, tworząc skrzep.

Kappa-kazeina podczas produkcji surowca zapoczątkowuje krzepnięcie mleka, dlatego zarówno przebieg procesu, jak i jakość skrzepu bezpośrednio zależą od jej budowy. Budowa syntetyzowanego w organizmie zwierzęcia białka κ-kazeiny zależna jest od posiadanego wariantu genu CSN3. Gen ten w populacji bydła holsztyńsko-fryzyjskiego występuje w trzech najczęstszych wariantach: A, B i E – wariant A uznawany jest za podstawowy.

W przypadku wariantu B na skutek mutacji nastąpiła zamiana dwóch aminokwasów: w pozycji 157 zamiast treoniny jest izoleucyna, natomiast w pozycji 169 zamiast kwasu asparaginowego jest alanina. W przypadku wariantu E nastąpiła zamiana 176 aminokwasu z seryny na glicynę. Okazuje się, że te niewielkie zmiany w budowie κ-kazeiny, ograniczone do 1–2 aminokwasów, mają istotny wpływ na przebieg procesów technologicznych przy produkcji serów.

Wyniki prac wielu naukowców wskazują, że spośród trzech wariantów genetycznych (A, B i E) to allel B wpływa najkorzystniej na tzw. przydatność technologiczną mleka. Mleko pozyskiwane od zwierząt o genotypie BB istotnie poprawia wydajność produkcji sera. Badania przeprowadzone przez Zambrano-Burbano i wsp. wykazały, że zużycie mleka na produkcję jednego kilograma sera może być niższe nawet o 18% u krów o genotypie BB w porównaniu z krowami o genotypie AA (rys. 1). Badania naukowe pokazały także, że genotyp BB κ-kazeiny jest związany z krótszym czasem krzepnięcia mleka i lepszą jędrnością uzyskiwanego skrzepu. W 2012 r. został opublikowany artykuł autorstwa Bittante i wsp., w którym podsumowano wyniki badań dotyczących kappa-kazeiny przeprowadzonych do 2012 r. W publikacji zestawiono wyniki 24 analiz przeprowadzonych w zbliżonych warunkach i wykazano, że obecność genotypu BB była związana ze skróceniem zarówno czasu koagulacji mleka pod wpływem podpuszczki (RCT), jak i czasu formowania się skrzepu o grubości 20 mm (k20), w porównaniu z krowami o genotypie AA (rys 2). We wszystkich porównywanych badaniach u krów o genotypie BB stwierdzono wzrost parametru a30, który określa jędrność skrzepu po upływie 30 min od dodania podpuszczki (rys 2). Dodatkowo przedstawione zestawienie wyraźnie wskazuje, że również wariant AB κ-kazeiny korzystnie wpływa na parametry technologiczne mleka, a uzyskiwane efekty są na poziomie pośrednim między genotypami AA i BB. Przytoczone przykłady pokazują, że niewielkie różnice w budowie wariantu B κ-kazeiny mają znaczący wpływ na przydatność technologiczną mleka: skracają proces krzepnięcia, poprawiają zwięzłość powstałego skrzepu oraz zwiększają wydajność produkcji sera.

W populacji krów rasy holsztyńsko‑fryzyjskiej częstość występowania genotypu BB κ-kazeiny jest bardzo niska (1–2%) i systematycznie spada. Dlatego należy się zastanowić, czy genotyp kappa-kazeiny nie powinien zostać uznany za ekonomicznie istotne kryterium doskonalenia stada. Najszybszą drogą do rozpowszechnienia pożądanego typu κ-kazeiny w stadzie jest wykorzystanie do inseminacji nasienia buhajów z typem BB κ-kazeiny, co daje pewność, że już w pierwszym pokoleniu zwierzęta potomne, niezależnie od genotypu matki, będą posiadały chociaż jedną kopię pożądanego wariantu B. Niestety buhajów przekazujących jednocześnie genotyp κ-kazeiny w wersji BB oraz wysoką wartość pozostałych parametrów mleka jest niewiele, a stosowanie tylko ich nasienia może doprowadzić do szybkiego wzrostu współczynnika inbredu w stadzie. Dlatego hodowca, wybierając zwierzęta do kojarzeń, przede wszystkim powinien poznać genotypy samic w swoim stadzie, aby w przypadku krów posiadających wariant BB κ-kazeiny, mógł wykorzystać nasienie innych buhajów. Prowadzona w ten sposób praca hodowlana pozwoli osiągnąć kompromis pomiędzy zwiększeniem częstości allelu B κ-kazeiny a poprawą najsłabszych wskaźników w stadzie.

Zwiększenie frekwencji allelu B κ-kazeiny może być również istotne z punktu widzenia ochrony środowiska. Ogłoszony w grudniu 2019 r. europejski program ochrony klimatu „Zielony Ład” zawiera strategię dla rolnictwa, która zakłada dla produkcji zwierzęcej między innymi ograniczenie emisji gazów cieplarnianych oraz degradacji gleby. Hodowca, dzięki efektywnemu zarządzaniu stadem, może zwiększyć wydajność krów oraz polepszyć parametry technologiczne uzyskiwanego mleka, co pozwoli zwiększyć produkcję i zysk przy stałej wielkości stada.

Ilość i skład otrzymywanego mleka jest wynikiem współdziałania wielu czynników. Cechy genetyczne zwierzęcia warunkują maksymalne możliwości produkcji, a od czynników środowiskowych zależy jedynie jak najlepsze ich wykorzystanie. Prowadzenie selekcji z wykorzystaniem informacji o wartości genomowej zwierzęcia, zawierającej informację o wariancie κ-kazeiny, może być odpowiedzią na potrzeby przemysłu serowarskiego preferującego mleko o wysokich właściwościach technologicznych. PFHBiPM dysponuje Laboratorium Genetyki Bydła, które prowadzi badania mające na celu identyfikację genu kappa-kazeiny oraz innych cech genetycznych. Hodowca wykonujący genotypowanie w laboratorium PFHBiPM w jednym badaniu może uzyskać informację zarówno o szczególnych cechach genetycznych, jak i defektach (chorobach genetycznych) badanego zwierzęcia. Dodatkowo, mając wyniki genotypowania, może potwierdzić jego pochodzenie, a za niewielką dopłatą uzyskać oszacowanie genomowej wartości hodowlanej. 