صنایع غذایی

صنعت صنایع غذایی

فرید ملکی(روشهای مهندسی پروتئین
ساعت ۱٠:٥٩ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٩/۱٢/۳  کلمات کلیدی:

روش‌های مهندسی پروتئین :

مواد خام غذایی را می‌توان یا مستقیماً و یا بعد از اصلاح میکربی یا آنزیمی استفاده کرد. مواد خام غذایی اصلی دارای خاصیت کارکردی (
functionality) در محصولات غذایی مثل امولسیون‌سازی، پیوند با آب، ایجاد ژل، پایداری کف در نوشابه‌ها، دسرها و محصولات گوشتی (که عبارتند از پروتئین‌ها، چربی‌ها و کربوهیدرات‌ها) می‌باشند. رابطة دقیق بین ساختمان این مواد و خواص کارکردی که در غذا ایجاد می‌کنند، هنوز بطور کامل شناخته نشده است؛ ولی نتایج تحقیقات گستردة سال‌های اخیر می‌تواند در جهت انتخاب نوع اصلاح این مواد خام استفاده شود.

به‌عنوان مثال، یک رابطة مستقیم بین ساختار پروتئین‌ها (یعنی اندازه مولکول پروتئینی و ترکیب اسیدهای آمینه آن) و خواص کارکردی آنها بدست آمده است. می‌توان با تغییر مناسب در اندازه و ترکیب اسیدهای آمینه در یک پروتئین، به خواص کارکردی مورد نیاز برای یک کاربرد بخصوص دست یافت. اندازة پروتئین‌ها را می‌توان توسط آبکافت اسیدی یا آنزیمی کاهش داد. اما ایجاد تغییرات در ترکیب اسیدهای آمینه یک پروتئین، مشکل‌تر است. برای ایجاد تغییرات در ترکیب اسیدهای آمینه یک پروتئین، از روش‌هایی تحت عنوان مهندسی پروتئین استفاده می‌شود که از طریق تغییر در کدهای ژنتیکی با استفاده از روش‌های مهندسی ژنتیک، ترتیب اسیدهای آمینة پروتئین عوض می‌شود.

از روش‌های مهندسی پروتئین، برای افزایش پایداری پروتئین‌های آنزیمی که در مقیاس صنعتی نقش کاتالیزور را دارند نیز استفاده شده است. به‌عنوان مثال، گلوکز ایزومراز، آنزیمی است که در فرآیند تولید
HFCS از اهمیت فراوان برخوردار است. این آنزیم در بیوراکتورهای صنعتی توسط یک واکنش شیمیایی بین گلوکز (سوبسترات واکنش) و گروه‌های آمین ثانویه لیزین موجود در ساختار آنزیم، غیرفعال می‌گردد. محققین در شرکت Gist-Brocadeروشی را جهت اصلاح ژن گلوکز ایزومراز ایجاد کردند که در آن قسمتی از مولکول آنزیم (جزء لیزین) که گلوکز به آن حمله می‌کند، به گروه‌هایی (جزء آرژینین) که مورد حملة گلوکز واقع نشده ولی قادر هستند که ساختار آنزیم را حفظ کنند تبدیل می‌شود. با استفاده از این روش، زمان استفادة مفید از آنزیم گلوکز ایزومراز در شرایط صنعتی به‌طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافته و این موضوع باعث افزایش ظرفیت تولید و کاهش هزینه‌های عملیاتی می‌شود.


استفاده از آنزیم لیپاز در بهبود کیفیت روغن‌ها و چربی‌ها

کیفیت‌های تغذیه‌ای و خواص بافتی روغن‌ها و چربی‌ها، به ترکیب اسیدهای چرب آنها بستگی دارد. به‌عنوان مثال، اگر تنها اسید چرب سازنده یک روغن یا چربی، اسید استئاریک (اسید چرب اشباع) باشد، این چربی در دمای اطاق و دمای بدن جامد خواهد بود. ولی اگر اسیدهای چرب اشباع به این روغن و چربی اضافه گردند، دمای ذوب آن کاهش پیدا خواهد کرد.

طول زنجیرة اسیدهای چرب نیز بر روی دمای ذوب یک روغن و یا چربی تاثیر گذار است و باید ترکیب اسیدهای چرب در تری‌گلیسیریدهای آن را تغییر داد. برای اینکار می‌توان از آنزیم‌های لیپاز استفاده کرد. مزیت بکارگیری آنزیم‌های لیپاز، اختصاصی عمل‌کردن آنها می‌باشد. به‌عنوان یک مثال از بکارگیری آنزیم‌های لیپاز برای تغییر خواص روغن‌ها که در سطح تجارتی استفاده شده است، می‌توان به فرآیندی جهت تولید یک آنزیم لیپاز توسط کپک
Mucor meihiجهت تبدیل جزء میانی روغن پالم به یک روغن با ارزش مورد استفاده در قنادی اشاره کرد.


استفاده از آنزیم آمیلاز در صنایع نشاسته

مهمترین پلی‌ساکاریدی که در صنایع غذایی استفاده می‌شود، نشاسته است. تولید آنزیمی گلوکز با استفاده از آنزیم آمیلاز بدست آمده از باسیلوس سوبتیلیس و آمیلوگلوکزیداز حاصل از آسپرژیلوس، جایگزین روش‌های قدیمی هیدرولیز اسیدی شده است. سرعت عمل، عدم آلودگی و امکان تولید دکستروز در مقیاس صنعتی از مزایای عمدة روش آنزیمی، می‌باشد. البته با پیشرفت فناوری
DNA نوترکیب، امکان تولید آنزیم‌های میکروبی پایدار در دمای بالا جهت هیدرولیز آنزیمی و بالطبع تولید صنعتی و گستردة گلوکز فراهم شده است.

همچنین با استفاده از آنزیم آلفاآمیلاز می‌توان نشاسته را به شربت‌هایی با معادل دکستروز (
DE) پایین تبدیل کرد. اگر علاوه بر این آنزیم از آنزیم‌های گلوکوآمیلاز و گلوکزایزومراز نیز استفاده گردد، ‌می‌توان محصولی با شیرینی معادل ساکارز به نام HFCS تولید کرد. تولید HFCS، یکی از بهترین مثال‌های بکارگیری آنزیم در یک فرایند تجارتی می‌باشد. گزارش شده است که معرفی این محصول در ایالات متحده امریکا باعث صرفه‌جویی معادل 1.3 میلیارد دلار در واردات شکر در سال 1980 شد. تولید این محصول بدلایل سیاسی و اقتصادی در اروپا موفقیت‌آمیز نبوده ‌است.

فروکتوز نیز یک ماده شیرین‌کننده می‌باشد که در بسیاری از محصولات غذایی عمدتاً به عنوان جایگزین ساکارز (شکر معمولی) مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از دلایل افزایش محبوبیت فروکتوز در کارخانه­های ساخت مواد غذایی، در دسترس بودن مقدار زیاد نشاستة غلات است که با روش آنزیمی، در مقیاس صنعتی به فروکتوز تبدیل می‌شود. یک منبع ارزانتر و جایگزین فروکتوز ممکن است فروکتان باشد که کربوهیدرات ذخیره‌ای در بسیاری از گیاهان است. فروکتان­ها، پلیمرهای مولتی فروکتوز (پلی‌فروکتوز) هستند که می‌توانند به‌صورت آنزیمی یا شیمیایی هیدرولیز شوند تا فروکتوز بدست آید.

فروکتان‌های گیاهی، شیرین هستند؛ اما آنزیم‌هایی که بتوانند زنجیره‌های گلیکوزیدی آن‌ها را از بین ببرند در دستگاه گوارش انسان وجود ندارند. در نتیجه، فروکتان‌ها اجزای غذایی کم‌کالری هستند. از این خاصیت برای تولید شیرین‌کننده‌های کم‌کالری طبیعی در صنایع غذایی- بهداشتی به خصوص در ژاپن استفاده می‌شود که آن را به صورت آنزیمی در بیوراکتورها تولید می‌کنند. در میان باسیل‌ها، پسودوموناس و استرپتوکوک با کمک آنزیم‌های خارج سلولی، شکر را به فروکتان‌های باکتریایی که غالباً لوان (
Levan) نامیده می‌شوند، تبدیل می‌کنند.

در گیاهان تنباکویی که حاوی ژن تغییر یافتة "
Sac B" یا Bacillus subtilis levansucrase هستند، یک فروکتان پایدار، شبیه نوع میکروبی‌ تولید می‌شود.

از روش‌های اصلاح آنزیمی پلیمرهای نشاسته، جهت بهبود خواص هیدروکلوئیدی آنها جهت تولید جایگزین‌های چربی، نشاستة مقاوم، امولسیفایرها و عوامل ایجاد ژل و همچنین جهت تولید نشاسته‌های با منافذ ریز برای استفاده در سیستم‌های رهایش کنترل شده نیز استفاده شده است.


حذف آب از محیط‌های کشت آنزیمی استفاده از آنزیم‌ها

یکی از مشکلات اصلاح آنزیمی پلی‌ساکاریدها، نیاز به خارج کردن آب پس از عملیات اصلاح آنزیمی است که باعث می‌شود که این عملیات توجیه اقتصادی نداشته باشد. برای مواجهه با این مشکل، فرآیندهای انجام عملیات اصلاح آنزیمی در محیط‌های نیمه‌جامد ایجاد شده است. به‌عنوان مثال، می‌توان به فرآیند اصلاح آنزیمی صمغ
guar توسط آنزیم آلفاگالاکتوسیداز جهت تولید محصولی با خواص شبیه به صمغ locust bean در محیطی حاوی وزن مساوی آرد guarو آب اشاره کرد.

حذف آب از محیط‌های کشت آنزیمی باعث متحول‌شدن استفاده از آنزیم‌ها در صنایع غذایی شده است. این امکان، برعکس کردن عمل آنزیم‌های هیدرولیزی را فراهم می‌کند. به عبارتی در این شرایط و در عدم حضور انرژی متابولیکی می‌توان آنزیم‌های هیدرولیزی را وادار ساخت که همان بیومولکول‌هایی را سنتز کنند که در حضور آب تجزیه می‌کنند. همچنین میزان اختصاصی عمل‌کردن آنزیم‌های هیدرولیزی در عدم حضور آب کاهش می‌یابد؛ بطوریکه این آنزیم‌ها قادر به تسریع واکنش هیدرولیز بر روی سوبسترا‌های غیرمتعارف می‌گردند. به‌عنوان مثال از مادة سابتیلیزین (
Subtilisin) که نقش طبیعی آن هیدرولیز پروتئین‌ها می‌باشد، می‌توان در محیط حاوی حلالهای آلی جهت کاتالیز واکنش آسیلاسیون قندها برای تولید فعال‌کننده‌های سطحی (بعنوان امولسیفایر در مصارف غذایی) استفاده کرد.

نیاز به حذف کامل حلال‌ها از واکنش‌های سازگار با غذا منجر به یک کشف بسیار جالب شده‌است: آنزیم‌ها حتی می‌توانند تحت شرایطی که حلال وجود ندارد، فقط با استفاده از سوبسترا و محصول به‌عنوان محیط واکنش، عمل کنند. استرهای کربوهیدرات و پلی‌گلیسرول (امولسیفایرها)، استرهای کایرالی (طعم دهنده) و الیگوپیتیدها، لیپیدهای ضروری و پلیمرهای ساختاری از ترکیبات مرتبط با مواد غذایی هستند که بطور موفقیت‌آمیزی با استفاده از آنزیم‌ها در این شرایط تولید شده‌اند.

چند مثال دیگر از اصلاح آنزیمی افزودنی‌های غذایی

ـ استفاده از آنزیم انورتاز جهت تبدیل ساکارز به قند معلق در محصولاتی نظیر شیرینی‌جات، مرباجات و بستنی.

ـ استفاده از آنزیم آلفاگالاکتوزیداز در صنایع تولید شکر از چغندر قند جهت تبدیل رافینوز موجود در شیره چغندرقند به گالاکتوز و ساکارز. با توجه به اینکه رافینوز اثر بازدارندگی بر روی کریستالیزاسیون ساکارز دارد، اگر این تبدیل صورت نگیرد، در فرآیند بازیابی شکر از ملاس باید قسمتی از ملاس را همیشه دور ریخت. استفاده از فرآیند آنزیمی، امکان بازیابی شکر از کل ملاس را فراهم می‌کند.

ـ از آنزیم لاکتاز جهت اصلاح خواص آب پنیر استفاده شده است. لاکتوز در آب، شیرینی و حلالیت کمی دارد و همچنین هضم آن برای بعضی انسانها بخاطر کمبود آنزیم بتا-گالاکتوزیداز در سیستم گوارشی آنها امکانپذیر نمی‌باشد. لاکتوز با استفاده از این آنزیم به گلوکز و گالاکتوز تبدیل می‌شود که معایب فوق را ندارد. همچنین گزارش شده است که پیش‌آبکافت لاکتوز در شیر می‌تواند زمان فرآوری برای تولید ماست و پنیر را تا 20 درصد کاهش دهد.
- از آنزیمهای میکروبی مثل پکتیناز، سلولاز، همی‌سلولاز و آمیلاز برای شفاف کردن آب میوه و حذف پکتین و الیاف سلولزی استفاده می‌شود. این آنزیم‌ها بیشتر از باکتری‌ها و قارچ‌ها استخراج می‌شوند.

تولید مواد کمک فرآوری

ریزسازواره‌ها به‌عنوان کشت آغازگر در فرآوری مواد غذایی جهت بهبود و تولید طعم، افزایش قابلیت نگهداری مواد غذایی و تولید اسید و گازها تولید می‌گردند. به‌عنوان مثال از ریزسازواره‌ها در تولید محصولات لبنی، محصولات گوشتی و تولید نان استفاده می‌گردد. مثال دیگر مواد کمک فرآوری مورد استفاده در صنایع غذایی، آنزیمها می‌باشند که بطور گسترده‌ای از آنها در فرآوری انواع مواد غذایی استفاده می‌شود.

کاربردهای تشخیصی برای تایید ایمنی و سلامت محصولات غذایی

از دقت بسیار زیادی که مولکول‌های زیستی در شناسایی برخوردارند، جهت توسعه فناوری‌هایی برای شناسایی حضور ریزسازواره‌های بیماری‌زا، سموم و پروتئین‌های خارجی در مواد غذایی استفاده می‌شود. در این فناوری‌ها از مولکول‌های مخصوص حس‌گر استفاده می‌گردد. به‌عنوان مثال در
DNA کروموزمی و RNA باکتری‌ها، ترتیب‌های بازی مشخص کوتاهی وجود دارد که از آنها می‌توان جهت شناسایی و ردیابی آنها استفاده کرد. از این حس‌گرهای ژنتیکی می‌توان جهت شناسایی سریع ریزسازواره‌ها در سطح خانواده، گونه یا زیرگونه استفاده کرد. در حال حاضر، چنین حس‌گرهایی برای لیستریا، سالمونلا، کلستریدیوم، یرسینیا، کمپیلوباکتر ساخته شده‌است.

از آنتی‌بادی‌های نوترکیب چنددودمانی و تک‌دودمانی جهت توسعة روش‌های سریع و ساده برای شناسایی میکرب‌های بیماری‌زا با منشاء غذایی مثل سالمونلا، لیستریا و سم‌های قارچی (مثل آفلاتوکسین و تریتوتثین)، آفت‌کش‌ها و سم‌های طبیعی (مثل گلیکوآلکالوئید سیب‌زمینی) استفاده شده است. سم‌های تولیدی برخی قارچ‌ها در انواع مواد غذایی (بخصوص غلات و میوه‌های مغزدار که در شرایط نامناسب نگهداری می‌شوند) را می‌توان با استفاده از کیت‌هایی مبتنی بر آنزیم
ELISA شناسایی کرد و ایمنی و سلامت محصولات را تضمین نمود. به عنوان مثال، می‌توان از آزمون‌های ELISA برای شناسایی Salmonella در مواد غذایی استفاده نمود و نتیجة آزمایش در عرض یک روز مشخص می‌شود؛ در حالی که توسط روش‌های مرسوم میکروبیولوژی تا شش روز طول می‌کشد.

روش‌های بیوتکنولوژی برای تایید غیرتقلبی‌بودن یک محصول غذایی نیز بکار می‌روند. به‌عنوان مثال برای شناسایی پروتئین‌های شیر، آنتی‌بادی‌هایی وجود دارد که می‌توان از آنها در ساخت کیت‌های
ELISA استفاده کرد. این کیت‌ها قادر هستند، استفاده غیرمجاز از شیر گاو در تولید پنیرهایی که ادعا می‌گردد از شیر گوسفند تهیه شده است را تشخیص دهند.

تصفیه پسماند یا پیشگیری از ایجاد پسماند

منظور از کلمة پسماند، تمام موادی است که بجز فراورده‌های اصلی در یک فرایند تولید می‌شوند. بنابراین، مواد مختلف اعم از گاز، مایع و جامد در این تعریف می‌‌گنجد. از روش‌های بیولوژیک هوازی و بی‌هوازی به منظور کاهش آلودگی پساب‌های صنایع غذایی استفاده شده ‌است.

در گذشته، اقدامات مربوط به مدیریت پسماندها، بر تصفیة نهایی اینگونه مواد متمرکز بوده است و تلاش خود را صرف طراحی سیستم‌های تصفیة پسماند و نصب دستگاه‌های کنترل آلودگی می‌نمود، تا بتواند از آلودگی محیط زیست ممانعت کند. در روزگار اخیر، فلسفة نوینی شکل گرفته است که برپایة پیشگیری از تولید پسماند و کاهش آن استوار است.


این نگرش مثبت از تصفیة پسماند یعنی پیشگیری از ایجاد پسماند، مزایای زیر را دارد:


1- مقدار پسماندها کاهش می‌یابد.

2- میزان مصرف مواد خام و در نتیجه هزینة آن کاهش می‌یابد.

3- از هزینة تصفیة پسماند کاسته می‌شود.

4- احتمال بروز آلودگی کمتر می‌شود.

5- شرایط کار بهبود می‌یابد.

6- بازده فرایندهای تولید افزوده می‌شود.


تهیه و تنظیم

مهندس فرید ملکی