مقاله کاربرد آنزیم های میکروبی در صنعت

بخشی از مقاله

چکیده:

هدف: هدف این مقاله توصیف بخشی از کاربردهای آنزیم ها در صنعت به عنوان یک کاتالیزور زیستی می باشد.

نتایج و بحث: مزایایی چون امکان بکارگیری تحت شرایط نسبتا معتدل حرارتی، pH و فشار مختلف باعث شده در بسیاری از فرآیندهای صنعتی آنزیمهای میکروبی تجاری، به صورت فزایندهای جایگزین کاتالیستهای شیمیایی رایج شوند. همچنین تولید این منبع گرانبها با سوبستراهای ارزان باعث شده از لحاظ اقتصادی مورد توجه قرار گیرند. البته باید با ترفندهایی تولید آنزیمها را اقتصادی تر کرد به عنوان مثال اصلاح نژاد باکتریها باعث بالا رفتن تولید آنزیم میشود.

در گذشته این عمل اغلب از طریق جهش زایی تصادفی و انتخاب سویه مناسب صورت میگرفت . که امروزه روشهای دیگری مانند مهندسی پروتئین و ارگانیسم استفاده میشود. اکثر آنزیمهای صنعتی از طریق فرآیند ناپیوسته تولید می شوند و اخیرا تعداد اندکی از آنها از طریق تخمیر و به روش پیوسته تولید می شوند. آنزیمها بطور گستردهای در صنعت مورد استفاده قرار میگیرند به عنوان مثال میتوان به کاربرد آنها در مواد شوینده ها و فرآوری نشاسته و کربوهیدرات های وابسته, تولید پنیر, تولید آبمیوه و .... اشاره کرد. به عنوان مثال امروزه ژن تولید کننده کیموزین گوساله را به میکروارگانیسمهایی مثل E.coli و A.niger منتقل می کنند.

نتیجه گیری کلی: با توجه به نقش پر رنگ آنزیمها در صنعت و همچنین امکان تولید اقتصادی آنها ضرورت استفاده و توجه بیشتر به آنها بیشتر حس می شود علاوه بر این کمک شایانی به حفظ محیط زیست با جایگزینی آنها با کاتالیستهای شیمیایی صورت می گیرد.

مقدمه

دربسیاری از فرآیندهای صنعتی آنزیم های میکروبی تجاری به صورت فزاینده ای جایگزین کاتالیست های شیمیایی رایج شده اند. آنزیم ها برخلاف کاتالیست های شیمیایی دارای مزایایی چون امکان بکارگیری تحت شرایط نسبتا معتدل حرارتی، pH و فشار می باشند. این مساله باعث مصرف انرژی کمتر میشود و معمولا نیاز به تجهیزاتی که به سایش و خوردگی مقاوم هستند نیست.

آنزیم ها بصورت اختصاصی عمل نموده و اغلب درجه انتخابی ویژه ای دارند . هر آنزیم دارای کد 4رقمی برای مشخص کردن دسته زیر دسته و ... می باشد . به عنوان مثال اینورتاز که یک هیدرولاز است به شکل EC 3.2.1.26 طبقه بندی می شود. طبقه بندی آنزیم ها بر پایه سیستمی است که نخستین بار توسط اتحادیه بین المللی بیوشیمی ارائه شد. شش گروه عمده وجود دارند که بر اساس نوع واکنشی که کاتالیز می کنند طبقه بندی می شوند: -اکسیدوردوکتازها -2ترانسفرازها -3هیدرولازها -4لیازها -5ایزومرازها -6لیگازها یا سینتتازها

تولید تجاری آنزیم های میکروبی:

اگر چه برای تولید تجاری آنزیم های میکروبی از برخی روشهای تخمیر بر روی بستره جامد استفاده می شود ولی بویژه آنزیم های قارچی خارج سلولی عمدتا ازطریق روش های تخمیر غوطه وری تولید می شوند. در حقیقت اولین آنزیم میکروبی تجاری از طریق تخمیر بر روی بستره جامد تولید شد. آنزیم تاکادیاستاز که یک آمیلاز قارچی است که از طریق کشت oryzae Aspergillus بر روی محیط کشت سبوس گندم یا برنج مرطوب تولید شد.

اکثر آنزیم های صنعتی از طریق فرآیند ناپیوسته تولید می شوند و اخیرا تعداد اندکی از آن ها از طریق تخمیر و به روش پیوسته تولید می شوند. تولید تجاری آنزیم ها تنها بعد از گسترش تکنولوژی تخمیر به صورت غوطه وری میسر شد که متعاقب تولید پنیسیلین در دهی 1940 بود. اکثر آنزیم های صنعتی از طریق فرایند ناپیوسته تولید می شوند.

کاربرد آنزیم ها در مواد شوینده ها

استفاده از آنزیم ها در مواد شوینده باعث صرفه جویی در مصرف انرژی به علت استفاده از درجه حرارت پایین تر شست و شو کاهش مقدار مواد شوینده ی شیمیایی می شود. برخلاف دیگر ترکیبات شوینده، آنزیم ها اثرات منفی بر فرآیندهای تصفیه ی فاضلاب ندارند. این مواد کاملا و به سرعت تجزیه شده و بقایای مضر از خود برجا نمی گذارند در نتیجه، این مواد از نظر محیط زیست ایمن بوده و هیچ گونه خطری برای آبزیان ندارند.

اولین بار که از آنزیم های میکروبی به صورت تجاری در مواد شوینده استفاده شد، در سال 1959 شیمیدان سوئیسی به نام جاگ یک پروتئاز باکتریایی را تولید کرد که جایگزین تریپسین حیوانی که قبلا در فراورده های شوینده بکار می رفت، شد. در دهی 1960، پیشرفت هایی در زمینه پروتئازهایی که در pH قلیایی فعال هستند صورت گرفت. این پروتئاز ها تحت تاثیر دیگر ترکیبات مواد شوینده قرار نمی گرفت و در درجه حرارت شستشوی فعال بودند.

نمونه مشخص این آنزیم سوبتیلیزین است که یک پروتئاز باکتریایی سرین دار قلیایی است که از Bacillus licheniformis و Bacillus subtilis بدست می آید.از اواخر دهی 1980آمیلازها و لیپازها نیز در شوینده ها به کار گرفته شد که نمونه آن لیپولاز شرکت Novo Nordisk است که از طریق تکنولوژی DNA نوترکیب تولید شد. ژن تولید لیپاز از یکی از سویه های قارچ رشته ای به نام هومیکولا جدا شد و به آسپرژیلوس اوریزا که منتقل گردید.امروزه نیز آنزیم های برتر هضم کننده ی اسید های چرب مثل کوتیناز که از Fusarium solani حاصل می شود کشف شده اند که مخلوط اسید چرب حاصل از کوتیکول گیاهی را می شکنند.

آنزیم های فرآوری نشاسته و کربوهیدرات های وابسته

نشاسته از واحد های آمیلوز - واحد های خطی1 4 گلوکز - و آمیلوپکتین - پلیمر شاخه ای دارای هر دو نوع اتصال - خطی1 4 و 1 6 گلوکز - - تشکیل شده است. آمیلاز به صورت درونی و تصادفی روی اتصالات 1 4 عمل می کند و واحد های گلوکز، مالتوز و مالتوتریوز را تولید میکند و همچنین می تواند شکستن اتصالت درونی 1 4 گلیکوژن و الیگوساکاریدها را کاتالیز کند. در دهی 1950، آمیلاز های قارچی برای ساخت شربت های قندی که حاوی مخلوطی از قندهایی است که نمی توان آن ها را با استفاده از روش هیدرولیز اسیدی نشاسته نمی توان آن ها را تولید کرد، به کار می رفت.

آمیلازها در صنایع تخمیری بخصوص در نانوایی به کار برده می شوند. همچنین آمیلاز مقاوم به حرارت از گونه های باسیلوس مثل Bacillus licheniformis نیز به دست می آید.در دهه ی 1960 آنزیم آمیلوگلوکوزیداز - گلوکو آمیلاز - از Aspergillus niger و گونه های رایزوپوس بدست آمد. این آنزیم می تواند نشاسته و دکسترین ها را کاملا شکسته و به گلوکز تبدیل کند.

استفاده از این آنزیم به دلیل عملکرد بالا، درجه خلوص بالا و سهولت کریستالیزاسیون، جایگزین روش های رایج تولید گلوکز از طریق هیدرولیز اسیدی شد. آنزیم گلوکز ایزومراز را می توان از بسیاری از باکتری ها مثل گونه های باسیلوس ها و استرپتومایسس ها بدست و معمولا به صورت تثبیت شده برای تبدیل گلوکز به فروکتوز به کار می رود.

فرآورده ای که از تبدیل از تبدیل کامل گلوکز به فروکتوز به دست می آید، دارای ارزش انرژی زایی مشابه گلوکز بوده ولی اثر شیرین کنندگی آن تقریبا دو برابر گلوکز است. گلوکز موجود در بستره معمولا از هیدرولیز نشاسته ذرت به دست می آید و سپس توسط گلوکز ایزومراز به مخلوطی از گلوکز و فروکتوز تبدیل می گردد. درصد تبدیل 50-40 درصد بوده و فرآورده نهایی را شربت ذرت با فروکتوز بالا - HFCS - یا ایزوسیروپ می نامند. از طرف دیگر فروکتوز را می توان از مخلوط گلوکز-فروکتوز جدا کرده و گلوکز باقیمانده را برای تبدیل به فرآورده نهایی که حاوی 80 درصد فروکتوز است، ایزومره کرد .

اینورتاز اولین آنزیمی بود که برای اسفاده در مقیاس صنعتی، تثبیت شد. این آنزیم اولین بار از S.cerevisiae اتولیز شده در pH=4/7 به دست می آید و سپس توسط سولفات کلسیم تصفیه و فیلتر می شود و بر روی ذغال استخوان جذب سطحی می شود. امروزه آنزیم اینورتاز از A.niger یا A.oryzae نیز بدست می آید. به غیر از تولید شربت این آنزیم در صنایع شیرینی سازی نیز بکارگرفته می شود . به عنوان مثال شکلات هایی که دارای مغذ نرم هستند، با استفاده از یک ماده پرکننده با پایه ساکارز جامد که حاوی مقداری اینورتاز است و یک لایه شکلات تهیه می شوند، که در طی دو هفته، مغز شکلات به شربت گلوکز - فروکتوز تبدیل می شود.

آنزیم لاکتاز در تعدادی از فرآیند های صنعتی که نیاز به هیدرولیز لاکتوز شیر است به کارگرفته می شود مثلا در آفریقا و جنوب شرقی آسیا، بخش زیادی از جمعیت را بزرگسالانی تشکیل می دهند که قادر به هضم لاکتوز نمی باشند. همچنین برای جلوگیری از پدیده نامطلوب شنی شدن در بستنی که به دلیل حلالیت کم لاکتوز ایجاد می شود بکار می رود و همچنین باعث شیرینی 4 برابر می شود. لاکتاز تجاری از Kluyveromyces marxianus، A.niger یا A.oryzae بدست می آید.

آنزیم های مورد استفاده در تولید پنیر

مایه های پنیر حاصل از معده گوساله و خوک و گوسفند حاوی آنزیم رنین هستند که باعث پروتئولیز پروتئین کازئین شیر شده و باعث تولید دلمه در پنیرسازی می شود. استفاده از پروتئاز های دیگر سبب پروتئولیز بیش از حد شده و درنتیجه پنیر تلخ می شود.رنین های حیوانی بخصوص رنین گوساله تا دهی 1960 به صورت گسترده ای در تولید پنیر بکار می رفتند ولی با افزایش تولید پنیر در آن زمان با کاهش رنین حیوانی مقارن گردید.

پس از آن پروتئازهای قارچی به کار گرفته شدند. امروزه نیز ژن تولید کننده کیموزین گوساله را به میکروارگانیسم هایی مثل E.coli و A.niger منتقل کرده اند . کیموزین های حیوانی و میکروبی بیش از 75 میلیون دلار از فروش بازارهای جهانی زا در اختیار دارند.لیپازهای میکروبی نیز در فرآورده های لبنی، بخصوص پنیر، به منظور هیدرولیز استرهای اسید چرب جهت تسریع ایجاد طعم بکار می روند.

آنزیم های مورد استفاده در تولید آبمیوه:

آنزیمهای میکروبی متعددی در فرآیند تولید آبمیوه بکار می روند ولی احتمالا مهمترین آنها پکتیناز می باشد . این مواد که بعنوان عامل کمکی در فرآوری بکار می روند از تخمیر بر روی بستره جامد توسط A.niger یا گونه های پنی سیلیوم بدست می آیند . میوه ها و پوسته آن ها حاوی مقادیر متفاوتی از پکتین می باشند که به عنوان لایه اتصال دهنده بین سلولهای گیاهی عمل می کند و بدین وسیله دیواره های سلول های مجاور را به هم مرتبط نگه می دارند.

در تولید آبمیوه برخی از این پکتین ها در طی عمل پرس کردن استخراج می شوند. این عمل باعث افزایش ویسکوزیته آبمیوه شده که منجر به ایجاد اشکال در بهره وری بهینه آبمیوه، شفاف سازی و فیلتراسیون آن می شود. با اضافه کردن آنزیم پکتیناز به پالپ میوه قبل از پرس کردن می توان این مشکل را حل کرد. این نوع استفاده از آنزیم ها جهت افزایش راندمان استحصال روغن از پالپ زیتون میوه پالم و میوه نارگیل رایج است.پکتیناز تجاری فقط یک آنزیم نیست بلکه معمولا مخلوط پیچیده ای از آنزیم ها می باشد و به باندهای ملکولهای پکتین حمله میکند.

در فرآیند تولید آنزیم های پکتیناز ترکیب حاصله از نظر نسبت آنزیم های مختلف به طور قابل ملاحظه ای متفاوت است . آنزیم پکتیناز قارچی در آبمیوه های کاملا اسیدی مثل آبمیوه های مرکبات که pH آن ها می تواند حتی به 2,8-2,2 نیز برسد فعال باقی می ماند. از این آنزیم ها می توان در پوست گیری مرکبات جهت بسته بندی در قوطی استفاده نمود.

آنزیم های صنایع نساجی:

آنزیم های سلولاز در جلادادن زیستی به پنبه و فیبرهای سلولزی جهت تولید پارچه های نرمتر و شفافتر به کار می روند.امروزه از سلولاز جهت تسریع سایش و کمک به ازدست دادن رنگ نیلی استفاده می شود . این نوع شستشو از طریق زیستی، آسیب کمتری به لباس ها رسانده، فرسودگی ماشین ها را کاهش داده و غبار ناشی از سایش با سنگ پا را کمتر می نماید.

آنزیم ها در صنایع چرم سازی:

امروزه از آنزیم های پروتئاز و لیپاز به طور وسیعی در فرآوری چرم و پوست استفاده می شود. مصرف این آنزیم ها ساده تر مطلوب و ایمن تر از مواد شیمیایی است که قبلا بکار گرفته می شد. کاربرد عمده این آنزیم ها در خیساندن، موگیری، حذف روغن و استراحت دادن به چرم می باشد. پروتئاز با حل کردن پروتئینهای درون فیبریلی جذب آب را بهبود می بخشند.

از لیپاز ها برای پخش کردن چربی ها و به عنوان روش جایگزین چربی زدایی با استفاده از حلال ها استفاده می شود. این آنزیم ها چربی های سطحی و قسمت هایی که داخل ساختار چرم و پوست قرار دارند را بدون وارد کردن خسارت فیزیکی هیدرولیز می نمایند. آنزیم هایی که در پوست گیری بکار می روند شامل پروتئازها و اغلب پروتئاز های حاصل از Aspergillus flavus می باشند. استفاده از این آنزیم ها نیاز به فرآیند شیمیایی را کاهش داده و یا کاملا جایگزین آن می شود و باعث کاهش هزینه های ناشی از تصفیه فاضلاب آن می شود.

آنزیمهایی که به عنوان کاتالیست در سنتز مواد الی به کار می روند:

بازار تجاری برای آنزیمهای میکروبی که در سنتز ترکیبات الی با ارزش بالا و برای صنایع شیمیایی غذایی و دارویی به کار میروند رو به افزایش است. یکی از بخشهای مهم تجاری بکار بردن سیکلودکسترین گلیکوزیل ترانسفراز جهت تولید سیکلو دکسترین ها از مولکول های ساده نشاسته است و این آنزیم اغلب از ارگانیسم های کاملا ترموفیل بدست می آید. این سیکلودکسترین ها ناقل های مفیدی برای ترکیبات حساس و آسیب پذیر مثل و یتامین ها و مواد طعم دهنده می باشد. هیچ راه شیمیایی برای تولید این نوع مواد وجود ندارد بنابراین انزیم در بوجود آوردن این مواد منحصر بفرد می باشد.

زمینه مهمی که رو به گسترش است سنتز ترکیبات کایرال می باشد. ترکیبات کایرال به دو شکل که به آنها انانتیومر گفته می شود وجود دارند و به هیچ عنوان با تصویر آینه ای خود همخوانی ندارند و نامتقارن می باشند. این دو انانتیومتر از کلیه جنبه های فیزیکی وشیمیایی مشابه هستند. البته محلول یک نوع انانتیومر جهت نور پلاریزه را در جهت حرکت عقربه های ساعت چرخانده در حالی که محلول انانتیومرهای دیگر جهت نور را برخلاف حرکت عقربه های ساعت ولی دقیقا با همان مقدار می چرخاند. این پدیده را فعالیت نوری و انانتیومرها را ایزومرهای نوری می نامند.