بخشی از مقاله
بیوترانسفورماسیون(دگرگونی زیستی) و کاربردهاي آن در صنایع غذایی
چکیده
طی سالیان دراز، میکروارگانیسمها نقش مهمی در اقتصاد و بهداشت جوامع داشته انـد و در تولیـد مـواد غـذایی و نوشـیدنیهـاي مختلف مورد استفاده قرار گرفتهاند. با گذشت زمان مشخص شد که میکروارگانیسمها از طریق واکنشهاي شیمیایی مشخص و بـا کمک آنزیمهاي خود میتوانند تغییراتی ویژه در برخی از ترکیبات بوجود آورند که این فرایند "بیوترانسفورماسیون" یا "دگرگونی زیستی" نامیده می شود. بیوترانسفورماسیون با استفاده از بیوکاتالیستها انجام می شود که ممکن است سلول کامل میکروارگانیسم یا آنزیم استخراج شده از آن باشد. از جمله مزیتهاي استفاده از میکروارگانیسمها بعنوان بیوکاتالیست در این فرایندها، میتوان بـه خلوص بالاي محصول تولیدي، حداقل واکنشهاي جانبی و شرایط متعادل فرایند اشاره کرد که سبب برتري نسـبی آن نسـبت بـه انواع فرایندهاي سنتزي شیمیایی می شود. تولید این محصولات از طرق بیوتکنولـوژیکی مـیتوانـد پاسـخی مناسـب بـه تقاضـاي مصرف کنندگان در ارتباط با مصرف محصولات طبیعی و قدم برداشتن به سمت "فرایندهاي سبز" باشد.
واژگان کلیدي: میگروارگانیسم، بیوترانسفورماسیون، تجزیه زیستی، بیوکاتالیست ها
-1 مقدمه:
بیوترانسفورماسیون1 فرایندي است که سالهاي زیادي مورد استفاده بشـرقرار گرفته است. بیوترانسفورماسـیون اتـانول بـه اسـتیک اسـید توسـط استوباکترها و تولید اسید از قندهاي قابـل تخمیـر کـه توسـط بابلیـان ومصــریان مــورد اســتفاده قــرار گرفــت، از ابتــداییتــرین فراینــدهاي بیوترانسفورماســیون بــوده اســت. اســتفاده از گلــوکز ایزومــراز یکــی از مثالهاي بیوترانسفورماسیون در صنایع پتروشیمی اسـت کـه سـالانه 15 میلیون تن تولید می شود. ایـن واکـنش گلـوکز مـواد نشاسـته اي را بـه شربت با فروکتوز بالا2 تبدیل می کند که ویژگی شیرین کنندگی بـالا امـا کالري زایی کمتـر دارد. بیوترانسفورماسـیون نـوعی سیسـتم بیولـوژیکی است که روي ترکیبـاتی کـه در حالـت معمـول سوبسـتراي آن سیسـتم نیستند، یک سـري تغییـرات شـیمیایی را اعمـال مـی کنـد.[1] دو نـوع بیوترانسفورماسیون اصـلی وجـود دارد: بیوترانسفورماسـیون زنوبیوتیـک
ها3 و بیوسنتزي. در بیوترانسفورماسیون زنوبیوتیـکهـا، سوبسـترا بـراي سیستم بیولوژیکی بیگانه است. ایـن بیوترانسفورماسـیون معمـولا شـامل یک یا دو مرحله آنزیمی می شود که توسط آنزیمها بر طیف وسـیعی از سوبستراها انجام می گیرد. در بیوترانسفورماسیون بیوسنتزي سوبسـترا بـا حدواسط بیوسنتزي طبیعی ارتبـاط سـاختاري4 دارد و موجـب انعطـاف پذیري مسیر متابولیکی می شود. هـر دو نـوع بیوترانسفورماسـیون مـی- توانند براي اهداف سنتزي مورد استفاده قرار بگیرند.
-2 کاتالیستهاي بیولوژیکی و بیوترانسفورماسیون
در بیوترانسفورماســیون جهــت نشــان دادن تغییــرات یــک سوبســترا بـه محصــولات ویــژه از کاتالیســت هــاي بیولــوژیکی اســتفاده مــی شــود. کاتالیستها میتوانند آنزیم، سلولهاي میکروبی)5آزاد یـا تثبیـت شـده) یـا میکروارگانیســــمهاي مــــرده باشــــند .[2] آنزیمهــــاي موجــــود در میکروراگانیسمها قادرند طیف وسـیعی از واکنشـها از جملـه قـرار دادن اکسیژن در باندهاي کربن-کربن و کربن-هیدروژن، افزودن اکسـیژن بـه آلکنها، انتقال واحدهاي قندي یا استیل از یـک سوبسـترا بـه سوبسـتراي دیگر، هیدرولیز یا تشکیل آمیدها، اپوکسیدها، استرها و نیتریلها را انجـام دهنــد. هیدروژناســیون، هیــدرولیز و حــذف واحــدهاي کوچــک، اپیمریزاسیون و ایزومریزاسیون و تشکیل باندهاي کـربن-کـربن، کـربن-گــوگرد، کــربن-اکســیژن از دیگــر واکنشــهاي انجــام شــده توســط میکروارگانیسمها هستند.[3] بنابراین واکنشهایی که آنزیمها مـی تواننـد آنها را کاتالیز کنند، گسترده است و تنها مسئله اي که استفاده از آنـزیم را در این واکنشها محدود می کند، جداسازي، پایداري و بنابراین هزینـه آن است. البته تحت تاثیر پیشرفت هـاي مهندسـی ژنتیـک و تکنیـک هـاي DNA نوترکیب در این زمینه، پتانسیل تولید آنزیمهایی کـه قـبلا خیلـی گراتقیمت بودند تسهیل شده است و بنابراین بخشی از محدودیت هـاي کاربرد آنزیم بعنوان بیوکاتالیست از بین رفته است.
-3 کاربردهاي بیوترانسفورماسیون
تبدیل ترکیبات بـا ارزش بیولـوژیکی کـم بـه ترکیبـات فعـال بیولوژیکی: تبدیل ایزوفلاون گلیکوزید6 به ایزوفلاون آگلیکون7 یکـی از این موارد کاربردي اسـت. سـاختار شـیمیایی ایزوفلاونهـا یـک فـاکتور محدود کننده بـراي جـذب آنهـا در مسـیر گوارشـی و تعیـین کننـده میـزان جذب آنها خواهد بود. ایزوفلاونها در لوبیاي سویا و در اکثـر مـواد غـذایی حاوي سویا به شکل مخلوط مرکبی از کونژوگه هـاي گلیکوزیـدي وجـود دارنــد کــه در اینحالــت از نظــر زیســتی قابــل دســترس نیســتند [4] زیــرا ایزوفلاونهاي کونژوگه شده با گلوکز به میـزان زیـادي قطبـی و محلـول در آب هستند . این ترکیبات به سختی جذب سلولهاي سطحی روده می شوند. بر همین اساس تنها ایزوفلاون اگلیکونها اثرات سلامت بخش بر بدن دارنـد.
آنزیمهاي میکروبی می توانند طیف وسیعی از مولکولها را کـه از طریـق رژیم غذایی وارد می شوند به ترکیبـات مضـر ( سـرطانزا، جهـش زا یـا پیش ساز سـلولهاي سـرطانی) یـا ترکیبـات مفیـد بـراي سـلامت (مثـل فیتواستروژنها) تبدیل نمایند.[5] هیدرولیز گلوکز انتهـایی از ایزوفلاونهـا در روده هم از طریق آنزیم بتاگلوکوزیداز میکروبی یا انسانی انجـام مـی شود
تولید ترکیبات معطر: اغلب ترکیبات طعم دهنده مواد غـذایی از طریـق سنتز شیمیایی یا استخراج از منابع طبیعی بدست می آیند.[6] استخراج ایـن ترکیبــات از منــابع طبیعــی مثــل گیاهــان بــدلایل مختلفــی از جملــه مســائل اقتصادي و اجتماعی، فصلی بودن گیاه، رشد صنعت و غیره در حال تحلیـل است و از طرفی هم بخاطر خطرات احتمالی ناشی از مواد خوراکی سنتزي، تقاضاي زیـادي در ارتبـاط بـا مصـرف مـواد غـذایی طبیعـی وجـود دارد و مصرف کنندگان تمایل دارند محصولاتی را خریداري کننـد کـه برچسـب "طبیعی" داشته باشند. علاوه بر ایـن بسـیاري از ایـن ترکیبـات طعـم دهنـده خــواص دیگــري مثــل فعالیتهــاي ضــدمیکروبی، فعالیــت آنتــی اکســیدانی، خصوصـــیات کـــاهش چربـــی و تنظـــیم فشـــارخون دارنـــد .[7] فراینـــد بیوترانسفورماسیون یکی از راههایی است که از طریق آن بتوان مـواد معطـر و خوشبو تهیه نمود. بسیاري از مواد معطر و طعم دهنـده تـا کنـون از طریـق بیوترانسفورماسیون با استفاده ازمیکروارگانیسمها تهیه شده اند اگرچه هنـوز هم تقریبا نزدیک %80 از طعم دهنده ها به طرق شیمیایی تولیـد مـی شـوند. دخالت روشهاي بیوتکنولوژیکی به دلیل اختصاصـی بـودن محصـول تولیـد شده، امکان تولید در تمام طول سال و امکان استفاده از مواد خام جـایگزین مثــل باقیمانــده هــا و ضــایعات صــنایع کشــاورزي بعنــوان سوبســتراي رشــد میکروارگانیسمها نسبت به روشهاي سنتی اسـتخراج مـواد معطـر از گیاهـان ارجحیت دارند. تولید وانیل به عنوان یک طعم دهنده پرکاربرد بـا اسـتفاده از روش بیوتکنولـــــوژیکی یکـــــی از مهمتـــــرین زمینـــــه تحقیقـــــاتی بیوترانسفورماسیون بوده است.
تجزیه زیسـتی: در اثـر فعالیتهـاي طبیعـی و انسـانی طیـف گسـترده اي از ترکیبات زنوبیوتیک سمی در محـیط تجمـع مـی یابنـد و باعـث نگرانیهـاي جهانی شده اند. زنوبیوتیک ها ترکیباتی هسـتند کـه بـراي موجـودات زنـده بیگانه هستند و تمایل به تجمع در محیط دارند. زنوبیوتیک هـا شـامل آفـت کشــها، ســوختها، حلالهــا، آلکانهــا، هیــدروکربنهاي چندحلقــه اي، آنتــی بیوتیک ها، رنگ هاي سنتزي، آلوده کننده ها (دي اکسـین و بـی فنیلهـاي پلی کلرینـه)، پلـی آروماتیـک و ترکیبـات آروماتیـک کلرینـه مـی باشـند. مهمترین نگرانی مربـوط بـا ترکیبـات زنوبیوتیـک اثـرات سـمی آنهـا بـراي ســلامت عمــومی مــی باشــد فاکتورهــاي بســیاري در حــذف آلودگیهــاي شــیمیایی از محــیط هــاي خــاص دخالــت دارنــد. وقتــی فراینــدهاي تجزیــه منحصرا با تکیه بر فرایندهاي غیرزیستی باشد، اینکـار خیلـی آهسـته انجـام می گیرد. خوشبختانه تجزیه
