Casein

Dickmilch unter dem Mikroskop mit Fettkügelchen und geronnenen Kaseinmassen (dunkel) ⓘ

Aus Milch durch Denaturierung ausgefälltes Casein. ⓘ

Casein oder Kasein (lat. caseus ‚Käse‘, Aussprache [kazeˈiːn]  (Kase-in)) ist der Name für den Proteinanteil der Milch, der zu Käse weiterverarbeitet wird und nicht in die Molke gelangt. Es ist eine Mischung aus mehreren Proteinen (αS1-, αS2-, β-, κ-Casein) und dient der Speicherung und dem Transport von Protein, Calcium und Phosphat zum Neugeborenen. Casein bildet in der Milch zusammen mit Calciumphosphat und anderen Bestandteilen Micellen, die das Calciumphosphat gelöst halten und die Milch im Magen zu einem Klumpen aggregieren, was die Verdauung erleichtert. ⓘ

Casein macht den Großteil der Proteine in Quark (Topfen) und Käse aus, die durch Gerinnung des Caseins ihre feste Konsistenz erhalten. Casein wird nicht nur als Lebensmittel, sondern auch als Bindemittel und pharmazeutischer Hilfsstoff verwendet. Casein gehört zu den häufigsten Auslösern von Kuhmilchallergie. Die Caseine sind die häufigsten Milchproteine, die etwa 80 % der Gesamtproteinmenge in der Milch ausmachen. Die übrigen Proteine werden auch als Molkenproteine zusammengefasst. ⓘ

Kasein (/ˈkeɪsiːn/ KAY-see-n, von lateinisch caseus "Käse") ist eine Familie verwandter Phosphoproteine (αS1, aS2, β, κ), die häufig in Säugetiermilch vorkommen und etwa 80 % der Proteine in Kuhmilch und zwischen 20 % und 60 % der Proteine in Humanmilch ausmachen. Schafs- und Büffelmilch haben einen höheren Kaseingehalt als andere Milchsorten, während die menschliche Milch einen besonders niedrigen Kaseingehalt aufweist. ⓘ

Kasein hat eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten, von der Verwendung als Hauptbestandteil von Käse bis hin zur Verwendung als Lebensmittelzusatzstoff. Die häufigste Form von Kasein ist Natriumkaseinat. In der Milch unterliegt das Kasein einer Phasentrennung und bildet kolloidale Kaseinmizellen, eine Art abgesondertes biomolekulares Kondensat. ⓘ

Mizellenkasein ⓘ

Als Nahrungsquelle liefert Kasein Aminosäuren, Kohlenhydrate und zwei essentielle Elemente, Kalzium und Phosphor. ⓘ

Zusammensetzung

Kasein enthält eine große Anzahl von Prolin-Aminosäuren, die die Bildung der üblichen sekundären Strukturmotive von Proteinen verhindern. Außerdem gibt es keine Disulfidbrücken. Infolgedessen hat es relativ wenig Tertiärstruktur. Es ist relativ hydrophob und daher schlecht in Wasser löslich. In der Milch liegt es in Form einer Suspension von Partikeln vor, den so genannten Kaseinmizellen, die nur insofern eine geringe Ähnlichkeit mit Mizellen vom Typ der Tenside aufweisen, als sich die hydrophilen Teile an der Oberfläche befinden und sie kugelförmig sind. Im Gegensatz zu den Tensidmizellen ist das Innere einer Kaseinmizelle jedoch stark hydratisiert. Die Caseine in den Mizellen werden durch Calciumionen und hydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten. Für die besondere Konformation des Kaseins in den Mizellen gibt es verschiedene molekulare Modelle. Eines davon besagt, dass der Mizellenkern aus mehreren Submizellen besteht, wobei die Peripherie aus Mikrovorkommen von κ-Casein besteht. Ein anderes Modell geht davon aus, dass der Kern aus mit Kasein vernetzten Fibrillen besteht. Das jüngste Modell schließlich sieht eine doppelte Verbindung zwischen den Kaseinen vor, damit die Gelierung stattfinden kann. Alle drei Modelle betrachten Mizellen als kolloidale Partikel, die aus Caseinaggregaten gebildet werden, die von löslichen κ-Caseinmolekülen umhüllt sind. ⓘ

Der isoelektrische Punkt von Kasein liegt bei 4,6. Da der pH-Wert der Milch 6,6 beträgt, ist Kasein in der Milch negativ geladen. Das gereinigte Protein ist wasserunlöslich. Es ist zwar auch in neutralen Salzlösungen unlöslich, aber in verdünnten Laugen und in Salzlösungen wie wässrigem Natriumoxalat und Natriumacetat leicht dispergierbar. ⓘ

Das Enzym Trypsin kann ein phosphathaltiges Pepton hydrolysieren. Es wird zur Herstellung einer Art von organischem Klebstoff verwendet. ⓘ

Als Beispiel die folgende Tabelle, die die Bestandteile des Kuh-Casein auflistet. ⓘ

Protein	Menge im Liter Kuhmilch	Anzahl Aminosäuren	UniProt-Eintrag ⓘ
αS1-Casein (Kuh)	10,7 g	199	P02662
αS2-Casein (Kuh)	2,8 g	207	P02663
β-Casein (Kuh)	8,6 g	209	P02666
κ-Casein (Kuh)	3,1 g	169	P02668
	26 g insgesamt

Im Gegensatz zur Kuhmilch sind in der Muttermilch das β- und das κ-Casein die Hauptproteine. Die folgende Tabelle enthält Einzelheiten und Links über Casein in menschlicher Milch. ⓘ

Protein	Gen	Chromosom	Anzahl Aminosäuren	OMIM-Eintrag	UniProt-Eintrag ⓘ
αS1-Casein (Mensch)	CSN1S1	4q21.1	170	115450	P47710
Casein S2α-like A (Mensch)	CSN1S2A	4q13.3	27	–	Q8IUJ1
β-Casein (Mensch)	CSN2	4q21.1	211	115460	P05814
κ-Casein (Mensch)	CSN3	4q21.1	162	601695	P07498

Verwendungen

Farbe

Kaseinpräparat in einem alten Ätzbetrieb in Müllheim ⓘ

Kaseinfarbe ist ein schnell trocknendes, wasserlösliches Medium, das von Künstlern verwendet wird. Kaseinfarbe wird seit der ägyptischen Antike als eine Art Temperafarbe verwendet und war bis in die späten 1960er Jahre, als Kasein mit dem Aufkommen der Acrylfarbe an Beliebtheit verlor, bei kommerziellen Illustratoren das Material der Wahl. Es wird immer noch häufig von Landschaftsmalern verwendet, obwohl Acrylfarbe auch in diesem Bereich Fuß gefasst hat. ⓘ

Klebstoff

Leime auf Kaseinbasis, die aus Kasein, Wasser, Kalkhydrat und Natriumhydroxid hergestellt werden, waren in der Holzverarbeitung, auch im Flugzeugbau, sehr beliebt, bis hin zum Flugzeug de Havilland Albatross im Jahr 1939. Kaseinleim wird aufgrund seiner Öldurchlässigkeit auch bei der Herstellung von Transformatoren (insbesondere Transformatorenkarton) verwendet. Obwohl sie weitgehend durch synthetische Harze ersetzt wurden, werden Kaseinleime immer noch in bestimmten Nischenanwendungen verwendet, z. B. beim Laminieren von feuerfesten Türen und bei der Etikettierung von Flaschen. Elmer's Glue-All, Elmer's School Glue und viele andere Borden-Klebstoffe wurden ursprünglich aus Kasein hergestellt. Ein Grund dafür war, dass es ungiftig ist, aber vor allem, dass es wirtschaftlich zu verwenden ist. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts ersetzte Borden Kasein in allen seinen beliebten Klebstoffen durch synthetische Stoffe wie PVA. ⓘ

Lebensmittel

Verschiedene Lebensmittel, Kaffeeweißer und Toppings enthalten eine Vielzahl von Kaseinaten. Natriumkaseinat ist ein wichtiger Lebensmittelzusatzstoff zur Stabilisierung von verarbeiteten Lebensmitteln. Unternehmen können jedoch auch Kalziumkaseinat verwenden, um den Kalziumgehalt zu erhöhen und den Natriumgehalt in ihren Produkten zu senken. ⓘ

Vorkommen und Funktion von +Caseinat in verschiedenen Produkten	Produkt	Kaseinat in %	Funktion ⓘ
Fleisch	2–20	Textur und Ernährung
Käse	3–28	Matrixbildung, Fett- und Wasserbindung
Speiseeis	1–7	Textur und Stabilisator
Aufgeschlagene Toppings	2–11	Stabilisierung von Fett
Teigwaren	2–18	Textur, Nährwert und Geschmack
Backwaren	1–15	Wasserbindung

In Lebensmitteln wird Kasein hauptsächlich für Pulver verwendet, die schnell in Wasser dispergiert werden müssen, von Kaffeeweißern bis zu Instant-Sahne-Suppen. Mead Johnson führte Anfang der 1920er Jahre ein Produkt namens Casec ein, um Magen-Darm-Störungen und Verdauungsprobleme bei Säuglingen zu lindern, die damals eine häufige Todesursache bei Kindern waren. Es wird angenommen, dass es Capsaicin, den aktiven (scharfen) Bestandteil von Paprika, Jalapeños, Habaneros und anderen Chilischoten, neutralisiert. ⓘ

Käseherstellung

Käseherstellung ⓘ

Käse besteht aus Proteinen und Fett aus Milch, in der Regel aus der Milch von Kühen, Büffeln, Ziegen oder Schafen. Er wird durch Gerinnung hergestellt, die durch die Destabilisierung der Kaseinmizellen verursacht wird, wodurch die Prozesse der Fraktionierung und der selektiven Konzentration beginnen. In der Regel wird die Milch angesäuert und dann durch Zugabe von Lab, einem proteolytischen Enzym, das traditionell aus Kälbermägen gewonnen wird, heute aber häufiger aus gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt wird, gerinnt. Die festen Bestandteile werden dann abgetrennt und in die endgültige Form gepresst. ⓘ

Im Gegensatz zu vielen anderen Proteinen gerinnt Kasein nicht durch Hitze. Während des Gerinnungsprozesses wirken milchgerinnende Proteasen auf den löslichen Teil der Kaseine, das κ-Kasein, ein und erzeugen so einen instabilen mizellaren Zustand, der zur Gerinnungsbildung führt. Wenn Kasein mit Chymosin koaguliert, wird es manchmal als Parakasein bezeichnet. Chymosin (EC 3.4.23.4) ist eine aspartische Protease, die spezifisch die Peptidbindung in Phe105-Met106 von κ-Kasein hydrolysiert und als die effizienteste Protease für die Käseherstellung gilt (Rao et al., 1998). In der britischen Terminologie hingegen wird der Begriff Kaseinogen für das nicht koagulierte Protein und Kasein für das koagulierte Protein verwendet. Da es in der Milch vorkommt, ist es ein Kalziumsalz. ⓘ

Protein-Ergänzungen

Eine attraktive Eigenschaft des Kaseinmoleküls ist seine Fähigkeit, im Magen ein Gel oder ein Gerinnsel zu bilden, was es für die Nährstoffzufuhr sehr effizient macht. Das Gerinnsel ist in der Lage, eine anhaltende, langsame Freisetzung von Aminosäuren in den Blutkreislauf zu bewirken, die manchmal mehrere Stunden andauert. Häufig ist Casein als hydrolysiertes Casein erhältlich, wobei es durch eine Protease wie Trypsin hydrolysiert wird. Hydrolysierte Formen haben einen bitteren Geschmack und werden daher von Säuglingen und Labortieren oft zugunsten von intaktem Kasein abgelehnt. ⓘ

Kunststoffe und Fasern

Knöpfe aus weißem Galalith der RAAF vor 1953 ⓘ

Einige der frühesten Kunststoffe basierten auf Kasein. Vor allem Galalith war für die Verwendung in Knöpfen bekannt. Fasern können aus extrudiertem Kasein hergestellt werden. Lanital, ein Gewebe aus Kaseinfasern (in den Vereinigten Staaten als Aralac bekannt), war in den 1930er Jahren in Italien besonders beliebt. Neuere Innovationen wie QMILK bieten eine raffiniertere Verwendung der Faser für moderne Gewebe. ⓘ

Medizinische und zahnmedizinische Anwendungen

Aus Kasein gewonnene Verbindungen werden in Produkten zur Remineralisierung von Zähnen verwendet, um amorphes Kalziumphosphat (ACP) zu stabilisieren und das ACP an die Zahnoberfläche abzugeben, wo es die Remineralisierung erleichtern kann. ⓘ

Casein- und Gluten-freie Diäten werden manchmal in der Alternativmedizin bei Kindern mit Autismus eingesetzt. Im Jahr 2015 war der Nachweis, dass solche Diäten Auswirkungen auf das Verhalten oder die kognitiven und sozialen Funktionen autistischer Kinder haben, begrenzt und schwach. ⓘ

Nanotechnologische Anwendungen

Kaseinproteine haben aufgrund ihrer leicht verfügbaren Quelle (Milch) und ihrer Neigung, sich selbst zu Amyloidfibrillen zusammenzusetzen, ein Potenzial für die Verwendung als Nanomaterialien. ⓘ

Potenzielle Gesundheitsprobleme und unerwünschte Wirkungen

A1/A2-Beta-Kaseine in der Milch

A1- und A2-Beta-Kasein sind genetische Varianten des Beta-Kasein-Milchproteins, die sich durch eine Aminosäure unterscheiden; in der Aminosäurekette, aus der das A2-Beta-Kasein besteht, kommt an Position 67 ein Prolin vor, während in A1-Beta-Kasein an dieser Stelle ein Histidin vorkommt. Aufgrund der Art und Weise, wie das Beta-Kasein mit den Enzymen im Verdauungssystem interagiert, werden A1 und A2 von den Verdauungsenzymen unterschiedlich verarbeitet, und bei der Verdauung von A1-Beta-Kasein kann ein Sieben-Amino-Peptid, Beta-Casomorphin-7 (BCM-7), freigesetzt werden. ⓘ

Der A1-Beta-Kasein-Typ ist in Europa (mit Ausnahme von Italien und Frankreich, wo es mehr A2-Kühe gibt), den Vereinigten Staaten, Australien und Neuseeland der am häufigsten in Kuhmilch vorkommende Typ. ⓘ

Das Interesse an der Unterscheidung zwischen A1- und A2-Beta-Kasein-Proteinen begann Anfang der 1990er Jahre durch epidemiologische Untersuchungen und Tierversuche, die zunächst von Wissenschaftlern in Neuseeland durchgeführt wurden und bei denen Zusammenhänge zwischen der Prävalenz von Milch mit A1-Beta-Kasein-Proteinen und verschiedenen chronischen Krankheiten festgestellt wurden. Die Forschungsergebnisse weckten das Interesse der Medien, einiger wissenschaftlicher Kreise und von Unternehmern. Anfang der 2000er Jahre wurde in Neuseeland ein Unternehmen, die A2 Corporation, gegründet, um den Test zu vermarkten und "A2-Milch" als Premium-Milch zu vermarkten, die aufgrund des Fehlens von Peptiden aus A1 gesünder ist. A2 Milk beantragte sogar bei der neuseeländischen Regulierungsbehörde Food Standards Australia, einen Gesundheitshinweis auf gewöhnlicher Milch anzubringen. ⓘ

Sie reagierte damit auf das öffentliche Interesse, die Vermarktung von A2-Milch und die veröffentlichten wissenschaftlichen Erkenntnisse. Eine 2005 veröffentlichte unabhängige Untersuchung ergab ebenfalls keinen erkennbaren Unterschied zwischen dem Verzehr von A1- und A2-Milch in Bezug auf das Risiko, an chronischen Krankheiten zu erkranken. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) überprüfte die wissenschaftliche Literatur und veröffentlichte 2009 einen Bericht, der keinen erkennbaren Zusammenhang zwischen chronischen Krankheiten und dem Verzehr von Milch mit dem Protein A1 feststellte. ⓘ

Kasein-Allergie

Ein kleiner Teil der Bevölkerung ist allergisch gegen Kasein. Eine Kaseinintoleranz, auch bekannt als "Milcheiweißintoleranz", liegt vor, wenn der Körper die Kaseinproteine nicht abbauen kann. Die Prävalenz der Kaseinallergie oder -intoleranz liegt zwischen 0,25 und 4,9 % bei Kleinkindern. Die Zahlen für ältere Kinder und Erwachsene sind nicht bekannt. Ein beträchtlicher Teil der Menschen auf dem Autismus-Spektrum hat bis ins Erwachsenenalter eine Unverträglichkeit oder Allergie gegen Kaseinprotein. Dies kann von Klinikern und Diätassistenten genutzt werden, um Autismus bei Menschen zu erkennen, die nicht die üblichen autistischen Merkmale aufweisen. Eine Diät, die als kasein- und glutenfrei (CFGF) bekannt ist, wird von diesen Personen häufig praktiziert, nachdem ihre Intoleranz oder Allergie entdeckt wurde. ⓘ

Es hat sich gezeigt, dass wärmebehandeltes Kasein bei der Fütterung von Säuglingen allergener ist und schwerer verdaut werden kann. Muttermilch löst in der Regel keine allergischen Reaktionen aus, sollte einem Säugling aber jedes Mal mit Vorsicht verabreicht werden, wenn es zu einer unerwünschten Reaktion auf etwas kommt, das der stillende Elternteil zu sich genommen hat und das Kasein enthält. Die Einhaltung einer kaseinfreien Diät verbessert nachweislich die Ergebnisse von Säuglingen, die gestillt werden, aber allergisch oder intolerant auf Milcheiweiß reagieren. Menschliche Muttermilch ist nachweislich die beste Nahrung für einen Säugling und sollte, sofern verfügbar, zuerst probiert werden. ⓘ

Es hat sich gezeigt, dass die Zufuhr von Protease-Enzymen die Verdauung des Proteins bei Personen mit einer Kaseinintoleranz mit minimalen Nebenwirkungen unterstützt. ⓘ

Bedeutung

Casein ist für das junge Säugetier die wichtigste Protein-, Calcium- und Phosphatquelle. Kuhmilch enthält 2,6 % Casein (d. h. etwa 26 g/L; bei einmägigen Säugetieren bedeutend weniger) und macht etwa 80 % des Gesamtmilchproteins aus. ⓘ

Eigenschaften

Im Gegensatz zu den meisten anderen Eiweißen ist micellares Casein bis 120 °C hitzebeständig. Wenn Casein durch Zugabe von Säure aus der Milch gefällt wurde, ist es nur gering wasserlöslich, so dass es zum erneuten Anmischen mit Wasser durch eine Lauge neutralisiert („aufgeschlossen“) werden muss. Die ursprüngliche micellare Struktur geht beim Ausfällen mit Säuren verloren. ⓘ

Verdauung

Durch die Erhitzung, Säurezugabe oder verstärkt durch Zugabe des Enzyms Pepsin findet ein Teilabbau des Caseins statt, was Käse und Quark leichter verdaulich macht als Rohmilch. ⓘ

Casein kann bei Menschen als Allergen wirken und sehr heftige, sogar lebensbedrohliche Reaktionen auslösen. Diese ist nicht mit einer Laktoseintoleranz zu verwechseln, bei der es sich um eine enzymbedingte Unverträglichkeit gegenüber Milchzucker handelt. ⓘ

Die Verdauung von Casein geht sehr langsam vonstatten. Sie kann bis zu acht Stunden betragen. Diesen Vorteil machen sich Sportler (insbesondere Bodybuilder) zunutze, um (beispielsweise über Nacht) eine Aminosäureversorgung über mehrere Stunden zu erreichen. ⓘ

Beim Verdau von Casein entsteht ein Opioid namens Casomorphin, welches Studien zufolge aber weder in intakter Form über den Darm aufgenommen wird, noch in der Lage wäre, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden. ⓘ

Gewinnung

Natives Casein wird hauptsächlich durch Mikrofiltration gewonnen. Als Trennkriterium dient dabei die Partikelgröße. Im Retentat verbleiben hauptsächlich Caseine und kleinere Anteile an Molkenprotein sowie Lactose, im Permeat befinden sich hauptsächlich Mineralsalze, Lactose, Molkenproteine und kleine Anteile an Caseinsubmicellen. ⓘ

Denaturiertes bzw. funktionell verändertes Casein bzw. Caseinat lässt sich mit Hilfe einer Säurefällung und anschließender Neutralisierung mittels Calciumhydroxid, Kaliumhydroxid oder Natronlauge herstellen. Durch Filtration oder Zentrifugation wird anschließend das denaturierte Casein abgetrennt. In den meisten Fällen wird das zu fällende Protein mittels verschiedener Verfahren zuvor aufkonzentriert. ⓘ

Verschiedene Startups arbeiten außerdem derzeit an der direkten Züchtung von Casein aus pflanzlichen Rohstoffen, um damit Pflanzenmilch herzustellen. Auf Basis der richtigen Mikroorganismen soll Casein dann auch ohne Kuh produziert werden können. ⓘ

Verwendung

Aufbereitungsanlage für Casein ⓘ

Casein wird technisch neben der Nutzung als Lebensmittel auch als Rohstoff für verschiedene Verarbeitungszwecke verwendet. Dabei spielt insbesondere seine Nutzung als Bindemittel in Kaseinfarben, als Kaseinleim (z. B. als Etikettierleim bei der Etikettierung) oder auch als Fotolack in der Ätztechnik eine Rolle. Caseinleim soll schon von den chinesischen und ägyptischen Schreinern des Altertums zum Verleimen von Möbeln genutzt worden sein. Färber benutzten Casein als Bindemittel beim Färben von Leder und Stoffen. ⓘ

Vom Ende des 19. Jahrhunderts bis in die 1930er Jahre war es Ausgangsmaterial für den Kunststoff Galalith, der u. a. für Knöpfe und Schmuck, aber auch zu Isolationszwecken für elektrische Anlagen verwendet wurde. Friedrich Ernst Todtenhaupt (1873–1919) unternahm mit der Galalith-Gesellschaft Anfang des 20. Jahrhunderts auch Versuche, Kunstseide daraus herzustellen, sie waren aber nicht erfolgreich. Caseinhydrolysate oder Peptone aus Casein werden in der Mikrobiologie zum Teil als Bestandteil von Nährböden oder Nährlösungen zur Kultivierung von Mikroorganismen verwendet, beispielsweise im Casein-Soja-Pepton-Agar. ⓘ

Im frühen Holzflugzeugbau diente bis in die 1950er Kaseinleim als Verbindungsmittel. ⓘ

Historisch diente Casein zudem dazu, die Zusammensetzung der Proteine zu studieren. So wurden erstmals die Aminosäuren L-Tyrosin (1846 durch Justus von Liebig), L-Lysin (1889 durch Edmund Drechsel), L-Tryptophan (1902 durch Frederick Hopkins) und L-Methionin (1922 durch John Howard Mueller) aus Casein isoliert. ⓘ