بخشی از مقاله
بررسی پارامترهای موثر بر تولید آنزیم های پروتئولیک میکروبی و کاربرد آن ها در تولید پنیر
چکیده
آنزیمها ترکیباتی پروتئینی هستند که به منزله کاتالیزورهای حیـاتی ممکـن اسـت سـبب تغییـرات مطلـوب یـا نامطلوب فیزیکی و شیمیایی در مواد غذایی شوند. در فرایند تولید این نوع آنزیمها پس از اعمال شـرایط بهینـه تخمیر ( هوادهی، pH، مواد مغذی، دما و...)، محیط کشت حاصل از تخمیر بـا اسـتفاده از فیلتراسـیون و لختـه سازی از سلول باقی مانده جدا و سپس خالص سازی و به صورت گرانول یا قـرص تهیـه مـی گـردد. آنـزیمهـای میکروبی پروتئاز و لیپاز در صنعت لبنیات در فرآیندهای رسیدن، لخته سازی، بهبود و تشدید طعم نقـش دارنـد. تجزیه پروتئین ها توسط این آنزیمها منجر به تولید پیتیدهای کوچکی میشود که با ایجاد تغییـرات سـاختاری و طعمی به عمل رسیدن پنیر کمک میکنند. هدف از این مطالعه بررسی روند تولید این آنزیمها از طریـق فراینـد تخمیر و سپس کاربرد آنها در محصول لبنی پنیر میباشد.
کلمات کلیدی آنزیمهای میکروبی، کاتالیزورهای حیاتی، فیلتراسیون، پروتئاز، لیپاز، پپتید.
مقدمه
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، آنزیم های میکروبی تجاری به صورت فزایندهای جایگزین کاتالیستهای شیمیایی رایـج شدهاند. آنزیمها برخلاف کاتالیستهای شیمیایی دارای مزایایی چون امکان به کارگیری تحت شرایط نسبتاً معتدل حرارتی، PH و فشار می باشند. این مسأله باعث مصرف انرژی کمتر میشود و معمولاً نیاز به تجهیزاتی که به سایش و خورنـدگی مقـاوم هسـتند، نیست. آنزیم ها به صورت اختصاصی عمل نموده و اغلب درجه انتخابی ویژه ای دارند و کاتالیستهایی هستند که محصولات جانبی نامطلوب تولید نمی نمایند. در نتیجه، نیاز کمتری به تصفیه و خالص سازی فرآورده متناسب با محیط زیست هستند زیرا آنزیم هـا، قابلیت تجزیه بیولوژیکی داشته و مشکلات کمتری از نظر دفع ضایعات دارند. برخی آنزیم ها نه تنها در محیطهـای مـایع بلکـه در سیستمهای دو فازی آب- حلال آلی و در محیط غیرآبی آلی بخصوص حلالهای آب گریز (هیدروفوب) نیز عمـل مـینماینـد. کـار کردن تحت چنین شرایطی اغلب می تواند عمل آنزیم بخصوص در مواردی که بستره ها دارای حلالیـت محـدود در آب هسـتند را بهبود بخشد.[9] آنزیمهای میکروبی معمولاً پایداری بیشتری از انواع حیوانی یا گیاهی دارند و نیـز ایـن توانـایی را دارنـد کـه در شرایط نامساعدتر برای مدت زمان بیشتری نگهداری شوند.
کاربرد آنزیم های میکروبی بخش عمده تمام آنزیمهای تجاری یعنی حدود 34 درصد آنها به عنوان آنزیمهای شوینده به کار میروند، 14 درصد برای
مصارف مربوط به فرآوردههای لبنی، 12 درصد برای فرآوری نشاسته و 11 درصد برای مصارف نساجی مصرف میشوند. 29 درصد باقیمانده برای مصارف متنوع دیگر به کار برده می شوند. در کنـار نقـش آنـزیم هـا در فرآینـدهای سـنتی، از آنهـا در بسـیاری از فرآیندهای جدیدتر از جمله بیوتکنولوژی استفاده گستردهای به عمل میآید.[9] همچنین آنـزیمهـای پرهزینـه مثـل بسـیاری از آنزیم های میکروبی درون سلولی و آنزیم هایی که در بیوسنسورها و سیستمهای آزمایشی تجزیهای به کار میروند، اغلب بـه شـکل تثبیت شده استفاده میشوند (شکل شماره .(1
شکل:1 میزان مصرف آنزیم های میکروبی در صنایع مختلف
منابع آنزیم آنزیمهای فعال بیولوژیکی میتوانند از هر سلول زندهای تولید شوند امامعمولاً میکروارگانیسم هـا نسـبت بـه حیوانـات و
گیاهان برای تولید آنزیم ترجیح داده میشوند (شکل شماره.(2 به دلایل زیر:
▪ برای تولید قیمت پائینتری دارند.
▪ تولید آنزیم توسط آنها قابل کنترلتر و پیشبینیتر میباشد.
▪ بافتهای حیوانی و گیاهی حاوی ترکیبات مضر بیشتر می باشند نسبت به میکروبها کـه ایـن ترکیبـات شـامل ترکیبـات فنولیک و ... میباشند.[4]
شکل:2 منابع مختلف تولید آنزیم
تولید تجاری آنزیم های میکروبی اکثر آنزیمهای صنعتی از طریق فرآیند ناپیوسته تولید میشوند و اخیراً تعـداد انـدکی از آنهـا از طریـق تخمیـر بـه روش
پیوسته نیز تولید می گردند. دستگاههای تخمیر برای تولید انبوه آنزیم ها دارای ظرفیتی تا 100m3 هستند ولی آنزیم هـای بسـیار کارآمد در مقیاسهای کوچکتر و در حد چند صد لیتر یا کمتر تولید میشوند. اکثر دستگاههای تخمیر، راکتورهای بشکهای مجهـز
به همزن هستند که تحت شرایط اسپتیک عمل کرده و در آنها از محیط های کشـت پیچیـده نامشـخص بـا هزینـه کـم اسـتفاده میشود.
به طور کلی فرایند تولید این آنزیم ها در چهار مرحله طبقه بندی می شود :
1. انتخاب گونه
همانند هر فرآیند تخمیری دیگر، فرآیند تولید آنزیم نیز به صورت سنتی با جستجو برای یافتن ارگانیسم تولید کننده آنها آغاز میشود. برای آنزیمهایی که کاربردهای دارویی یا غذایی دارند،استفاده از ارگانیشم هایی که به عنوان GRAS ثبت شـده انـد اهمیت زیادی دارد. برای تشخیص خصوصیات آنزیم مثل PH بهینه و مقاومت حرارتی آن، و آزمایش توانایی ترشـح آنـزیم مـورد نظر، انتخاب و به گزینی میکروارگانیسم ها امری ضروری می باشد. آنـزیم هـای حاصـل از ارگانیسـم هـای ترموفیـل دارای مزایـای متعددی می باشند. این آنزیم ها مقاوم به حرارت بوده و قادر به کار در درجه حرارتهای بالاتر از آنزیمهای حاصـل از ارگانیسـمهای مزوفیل میباشند، در نتیجه باعث افزایش سرعت انتشار و قابلیت حل، و کاهش ویسکوزیته و مخاطره آلودگی میکروبی مـیشـوند (جدول شماره.(1
میزان آنزیم تولید شده برای هر کدام از آنها وابسته به نوع جنس و گونه میکروارگانیسم دارد و حتی در بین جـنسهـای مختلف میزان تولید آنزیم متفاوت خواهد بود و این میزان تولید متغیر میباشد بنابراین از لحاظ تجاری مقرون به صرفه میباشد تا گونههایی انتخاب شوند که بسته به نوع آنزیم مورد نظر برای تولید توانایی تولید بالاترین میزان آنزیم را داشته باشند.
جدول:1 برخی گونه های مناسب میکروبی برای تولید آنزیم
2. اصلاح نژاد
اکثر گونههایی که برای تولید آنزیم به کار می روند با استفاده از اشعه UV و یا برخی از ترکیبات شیمیایی در آنها جهـش ایجاد می شود و بدین وسیله واریته مفید ایجاد می گردد. در اکثر موارد موفقیت اصلاح یک گونه میکروبی وابسته به روشـی اسـت که برای اصلاح به کار برده می شود که به عنوان مثال بتوانیم با کدام روش یک سـلول از بـین 10000-100000 سـلول انتخـاب کنیم همچنین توانایی بهبود یک گونه با استفاده از دستکاری ژنوم میزبان یا افزودن یک کروموزوم خـارجی یـا اضـافه بـه DNA باعث افزایش سرعت بهبود گونه شده است.
اهداف مهندسی آنزیم (پروتئین)، افزایش فعالیت آنزیم، بهبود ثبات آن، تغییر pH بهینه یا مقاومـت بـه درجـه حـرارت، اصلاح ویژگیها و جهت تولید صنعتی آنها می باشد. البته، این چنین تغییراتی مستلزم دستکاری اسیدهای آمینـه تشـکیل دهنـده آنها می باشد و به میزان اطلاعات قبلی از توالی اسید آمینه پروتئین بستگی دارد.امروزه به جای پرداختن به تحقیقـات گسـترده و
برنامههای توسعه، به منظور تسهیل تولید آنزیم توسط ارگانیسم طبیعی تولید کننده آنها و با استفاده از روشهای مناسب کنتـرل، می توان ژنهای ساختاری آنزیم را به یک میکروارگانیسم میزبان انتخابی که به سادگی قابل کشت باشد انتقال داد. امروزه مهندسی ژنتیک، بیان ژنها برای تقریباً هر آنزیم را بدون توجه به منشاء آن امکانپذیر ساخته است. این امـر باعـث شـده اسـت کـه تولیـد کنندگان آنزیم بتوانند نوع فرآیندهای تولید آنزیم را به سادگی توسعه دهند.[9]
3. شرایط تخمیر
برخی شرایط محیطی مثلpH و هوادهی می توانند بر روی روند تولید آنزیم اثر گذارند بنـابراین کنتـرل و حفـظ شـرایط اپتیمم می توانند به افزایش بازدهی تولید آنزیم کمک کنند. همچنین محیط کشت مورد استفاده در تخمیر باید حاوی مواد مغذی مورد نیاز میکروارگانیسم باشد که این محیطها معمولاً شامل دکستروز- لیکورذرت- نشاسته- تفاله سویا- عصاره مخمر- آمونیوم-اوره و مواد معدنی شامل فسفات- کلرید و کربنات می باشند سایر ترکیبات میتواند شامل عوامل ضد کـف و اسـید یـا قلیـا بـرای تنظیم pH می باشند (شکل شماره.(3 برای یک تولید اپتیمم ترکیبات موجود محیط تخمیر باید مواد مغـذی مـورد نیـاز گونـه را تأمین کنند.[5]
شکل:3 فرمانتور مورد استفاده برای کنترل شرایط تخمیر و تولید آنزیم
4. جداسازی
بعد از پایان یافتن عملیات تخمیر محیط کشت تخمیر با استفاده از فیلتراسیون و لخته سازی از سـلول بـاقیمانـده جـدا می شود سپس آنزیم موجود در محیط با استفاده از UF و یا ترکیب اولترا فیلتراسیون و تبخیر، تغلیظ میگردد و آنزیمهای تجمـع یافته درون سلول از توده سلولی جدا شده و محلول و تغلیط می گردند (شکل شماره.(4 در مرحلـه بعـد آنـزیم تغلـیظ شـده ، بـا استفاده از فیلتر استریل میگردد و بعد با ترکیباتی مثل سوکروز- مالتوز- مالتودکسترین ... پتاسیم سوربات- بنزوات سدیم فرموله میگردد.
برای برخی کاربردهای غذایی می توان آنزیم را به صورت گرانول پودری یا قرص و یا تثبیت بـر روی بسـتر جامـد تبـدیل
کرد.[4]
