بخشی از مقاله
چکیده
نشاسته بزرگترین منبع ذخیره ای گیاهان با ارزش اقتصادی و مهم مثل گندم، برنج، ذرت و سیب زمینی است. در قرن گذشته صنایع فرآیند نشاسته در مقیاس بزرگ پدید آمدند و در دهه گذشته شاهد تغییر جهت هیدرولیز نشاسته از اسید به سمت آنزیم در تولید مالتودکسترین، نشاسته اصلاح شده یا شربت گلوکز یا فروکتوز بوده ایم. آنزیمهای تبدیل کننده نشاسته همگی از خانواده آلفا آمیلازها یا 13 گلیکوزیل هیدرولیز هستند. این دسته از آنزیم ها ویژگی های مشخصی مثل ساختار، هیدرولیز یاتشکیل پیوندهای گلیکوزیدی در ساختار آلفا و تعداد آمینواسید باقیمانده در قسمت های فعال آنزیم به اشتراک دارند. 21 واکتش مختلف در این خانواده یافت میشود. این مطالعه واکنش ها و تنوع محصولاتی ناشی از فعالیت آلفا آمیلازها را تشریح میکند.
.1 مقدمه گیاهان محتوی نشاسته از مهمترین اجزاء تشکیل دهنده رژیم غذایی انسان میباشد وسهم بزرگی از غذای مصرفی دنیا را بخود اختصاص داده اند. بغیر از استفاده مستقیم گیاهان محتوی نشاسته بعنوان منبع غذایی، در پروسه های شیمیایی و آنزیمی برای تولید محصولاتی چون نشاستههای هیدرولیز شده، شربت گلوکز، فروکتوز، مشتقات نشاسته ای یا مالتودکسترین، یا سایکلودکسترین بکار میرود. علی رغم اینکه گیاهان زیادی برای تولید و استحصال نشاسته وجود دارند تنها تعداد کمی از آنها برای استخراج نشاسته مهم میباشند. اصلی ترین منابع صنایع برای نشاسته شامل ذرت، تاپیوکا، سیب زمینی، و گندم میباشد.
در سال 1998 در اتحادیه اروپا 3,6 میلیون تن نشاسته ذرت، 2 میلیون تن نشاسته گندم، و 1,8 میلیون تن نشاسته سیب زمینی تولید میشود. - DeBare, 1999 - نشاسته در گیاهان در اثر فرآیند فتوسنتز تولید میشود که در طول آن انرژی نور خورشید به انرژی شیمیایی تبدیل میشود و مقدار زیادی از آن در گرانولهای نامحلول در آب تجمع میابد. شکل و اندازه این گرانول ها به منشا گیاهی آن وابسته است. برای استفاده تجاری، گرانولهایی با اندازه 30-2 - نشاسته ذرت - و 100-5 میکرومتر - نشاسته سیب زمینی - مناسب میباشد . - Robyt, 1998 - نشاسته پلیمری است از گلوکز که با پیوندهایی تحت عنوان پیوندهای گلیکوزیدی که از طریق اکسیژن کربن شماره 1 بهم متصل میشوند.
پیوندهای گلیکوزیدی نسبت به pH بالا مقاوم است اما pH پایین باعث تجزیه آن میشوددر پایان زنجیره پلیمریک گروههای آلدهیدی پنهان آشکار میشود که این گروه بعنوان انتهای کاهنده شناخته میشود. دو نوع پلیمر در نشاسته حضور دارد: - i - آمیلوز و - ii - آمیلوپکتین. آمیلوز پلیمری خطی است که از بیش از 6000 واحد گلوکز با پیوندهای گلیکوزیدی 1➔4 تشکیل یافته است. تعدادی از باقیمانده های گلوکز، همچنین نشان دهنده درجه پلیمریزاسیون - DP - است که با توجه به منشا نشاسته تغییر میکند. آمیلوز حاصل از مثلا نشاسته یا تاپیوکا دارای درجه پلیمریزاسیون 6000-1000 میباشد در حالیکه آمیلوز ذرت یا آمیلوز حاصل از گندم دارای DP متغییر در بازه 200 تا 1200 میباشد.
میزان میانگین آمیلوز در نشاسته متفاوت است و میتواند از صفر تا %75 برسد، اما معمولا در حدود %25-20 نشاسته را شامل میشود. آمیلو پکتین شامل زنجیرهای خطی با پیوند 1➔4 کوتاه با 6 تا 10 واحد گلوکز و دارای زنجیره های جانبی با پیوند 1➔6 با 45-15 واحد گلوکز میباشد.میزان میانگین انشعابات - نقاط منشعب - در آمیلوپکتین %5 است. که با توجه منشا آن متغیر است. آمیلوپکتین کامل بصورت متوسط شامل حدودا 2000 000 واحد گلوکز میباشد که در نتیجه آن را یکی از بزرگترین مولکولهای طبیعت میکند رایج ترین و قابل قبول ترین ساختار آمیلوپکتین مدل خوشه ای1 است که زنجیره جانبی نسبت به زنجیره اصلی طولانیتر و حالت خوشه ای بخود گرفته است - شکل . - 1
شکل .2 نمایی از چگونگی تشکیل یابی نشاسته سیب زمینی؛A سیب زمینی؛ B تصویر میکروسکوپ الکترونی از گرانول های نشاسته است؛ C تکهای از حلقه های نیمه کریستالی و آمورف ؛D، جزئیات ناحیه نیمه کریستالی؛ E، مولکول آمیلوپکتین ؛ F، دو مولکول گلوکز با پیوندهای گلیکوزیدی 1➔4 آمیلوپکتین در آب محلول است این در حالی است که آمیلوز و گرانولهای نشاسته خود در آب سرد نامحلول است این مسئله باعث آسانتر شدن نسبی استخراج گرانولهای نشاسته از منابع گیاهی آن میشود. زمانیکه اسلوری1 نشاسته-آب گرما میبیند، گرانولها متورم میشوند تا نقطهای که دیگر این تورم غیر قابل بازگشت میباشد. این فرآیند باصطلاح ژلاتیناسیون نامیده میشود. در طول این پروسه آمیلوز به از گرانولها به بیرون نشت میکند که این امر باعث افزیش ویسکوزیته اسلوری میشود.
افزایش مجدد دما باعث تورم بیشینه گرانولها و افزایش ویسکوزیته میشود. در نهایت گرانولها پاره شده و باعث ایجاد دیسپرسیون کلوئیدی ویسکوز کامل میشود. خنک سازی بعدی این دیسپرسیون باعث تشکیل ژل الاستیک میشود. در طول رتروگراداسیون - یا پس روی - اجزاء نشاسته بسمت تغییر از حالت حل شده و از هم گسسته به حالت پیوسته حرکت میکند. رتروگرادسیون نخست بدلیل آمیلوز و سپس بدلیل آمیلوپکتین رخ میدهد چرا که آمیلوپکتین سازمان یابی بسیار منشعبی دارد که آن را کمتر مستعد رتروگرادسیون میکند. نشاسته تولید شده تحت فرایندهای شمیایی و آنزیمی می تواند قرار گیرد و تبدیل به مشتقات آن از جمله نشاسته هیدرولیز شده، شربت های گلوکز و فروکتوز، مشتقات مالتودکسترین یا سیکلودکسترین شود.
در اکثر کشورهای دنیا به طور کلی از ذرت ، آرد گندم ، تاپیوکا و سیب زمینی به عنوان منابع اولیه استخراج نشاسته استفاده می گردد . روش تولید نشاسته از هر یک ار آنها با دیگری متفاوت است. نشاسته تولید شده تحت فرایندهای شمیایی و آنزیمی می تواند قرار گیرد و تبدیل به مشتقات آن از جمله نشاسته هیدرولیز شده، شربت های گلوکز و فروکتوز، مشتقات مالتودکسترین یا سیکلودکسترین شود. .2 آنزیم های مبدل نشاسته کلا می توان گفت 4 گروه آنزیم بر روی نشاسته می توانند تاثیرگذار باشند:
الف - آندوآمیلازها؛
ب - اگزوآمیلازها؛
پ - آنزیم های شاخه زدا؛
ت - ترانسفرازها.
.1,2 اندو و اگزوآمیلازها اندوآمیلازها قادرند پیوندهای 4-1 گلیکوزیدی موجود در قسمت های داخلی - اندو - آمیلوز یا آمیلوپکتین را بشکنند و این عمل می تواند مسبب تولید انواعی از محصولات شود ولی مهم ترین محصول نهایی حاصل از این فرایند الیگوساکاریدها می باشند. اگزوآمیلازها یا فقط پیوندهای آلفا 4-1 گلیکوزیدی نشاسته را می شکنند ،مانند بتاآمیلاز و یا اینکه قادر خواهند بود هر دوی باندهای 4-1 و 6-1 گلیکوزیدی نشاسته را بشکنند که مثال های این گروه آمیلوگلیکوزیداز یا گلوکوآمیلاز و آلفا گلوکوزیداز می باشد. اگزوآمیلازها فقط بر قسمت های خارجی آمیلوز و آمیلوپکتین اثر می کنند و در نتیجه آن فقط گلوکز تولید می کنند - گلوکوآمیلاز و آلفاگلوکوزیداز - و یا اینکه مالتوز و دکسترین محدود شده تولید می کنند - بتا آمیلاز - . بتاآمیلاز و گلوکوآمیلاز همچنین می توانند ساختار آنومری مالتوز را از حالت آلفا به بتا تغییر دهند.
.2,2 آنزیم های شاخه زدا این گروه فقط می توانند باندهای آلفا 6-1 گلیکوزیدی را بشکنند و مثال های معروف این گروه ایزوآمیلاز و پلولاناز نوع 1 می باشند. پلولاناز می تواند باند مذکور را در هم آمیلوپکتین و هم پلولان بشکند در حالیکه ایزوآمیلاز فقط بر باند 6-1 گلیکوزیدی موجود در آمیلوپکتین موثر است. محصول نهایی حاصل از فعالیت این گروه عمدتا مالتوز و مالتوتریوز می باشد.
.3,2 ترانسفرازها آخرین گروه آنزیم های موثر بر نشاسته گروه ترانسفرازها می باشد. این آنزیم ها باندهای 4-1 گلیکوزیدی مولکول های دهنده در نشاسته را شکسته و آن را به به یک قسمت پذیرنده گروه گلیکوزیدی منتقل می کنند و باند دی گلیکوزیدی جدیدی را ایجاد می کنند.از محصولات نهایی مهم این گروه هم می توان به آمیلومالتوز و سیکلودکسترین اشاره کرد. یکی از آنزیم های این گروه با نام سیکلودکسترین گلیکوزیل ترانسفراز ، دارای فعالیت هیدرولیتیکی پایین می باشد و می تواند الیگوساکاریدهای با 7 ،6، یا 8 مولکول گلوکز که در یک ساختار حلقوی قرار گرفته اند ایجاد کند که این ترکیب بسیار منشعب و دارای وزن مولکولی بالا می باشد.
.3 کاربردهای آنزیم های خانواده آلفاآمیلاز .1,3 تولید صنعتی شربت های گلوکز و فروکتوز از نشاسته این عمل توسط 2 روش اسیدی یا آنزیمی یا مخلوطی از هر دو روش صورت می گیرد: روش هیدرولیز اسیدی در این روش ابتدا نشاسته با آب مخلوط می شود و سپس تا حل شدن گرانول ها و آزاد شدن آمیلوز و آمیلوپکتین در داخل آب حرارت داده می شود و سپس در شرایط کنترل شده مشخصی با اسید تیمار داده می شود و یکی از شاخص های مهم کفایت تیمار و مدیریت فاکتورهای موثر بر این فرایند شاخص DE می باشد.
