بیوتکنولوژی
امین جعفری طهرانی (کارشناس ارشد بیوتکنولوژی)بیوتکنولوژی
امین جعفری طهرانی (کارشناس ارشد بیوتکنولوژی)کاربردهای بیوتکنولوژی در صنایع غذایی
مطالعات صورت گرفته نشان داده است که جمعیت جهان تا اواسط قرن حاضر، دو برابر خواهد شد و این در حالی است که اکنون نیمی از کودکان جهان از غذای کافی محروم هستند. همچنین فشار از طرف مصرف‌کنندگان، خصوصاً در کشورهای صنعتی، باعث شده است که تولید محصولات غذایی بطرف استفاده از مواد افزودنی "طبیعی" و بکارگیری روش‌های فرآوری نزدیکتر به روش‌های طبیعی، جهت پیدا کند. نکات، به همراه سایر مزایایی که وجود داشته‌اند، روش‌های بیوتکنولوژی در صنایع غذایی را گسترش داده‌اند.
با توجه به گسترش صنایع غذایی در کشور ما، آشنایی مختصر با کاربردهای بیوتکنولوژی در صنایع غذایی مفید به نظر می‌رسد:
● تعریف بیوتکنولوژی غذایی
▪ تولید محصولات نهایی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
▪ تولید مواد افزودنی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
▪ اصلاح مستقیم مواد غذایی یا مواد افزودنی به غذا
▪ تولید مواد کمک فراوری
▪ کاربردهای تجزیه‌ای
▪ تصفیه پسماند
تعریف بیوتکنولوژی غذایی در ارتباط با صنایع غذایی می‌توان بیوتکنولوژی را به‌صورت زیر تعریف کرد:
"استفاده از سلولهای زنده یا قسمتی از آنها، به منظور تولید یا اصلاح محصولات غذایی یا مواد افزودنی به غذا" از یک دیدگاه دیگر می‌توان کاربرد بیوتکنولوژی در صنایع غذایی را به دو بخش کاربرد بیوتکنولوژی سنتی و کاربرد بیوتکنولوژی مدرن تقسیم کرد:
۱) درکاربرد "بیوتکنولوژی سنتی" در صنایع غذایی، از فناوری تخمیری (ریزساوارزه‌ها یا میکروارگانیزم‌ها) جهت تغییر مواد خام غذایی به محصولات غذایی تخمیری شامل پنیر، ماست، خمیر نان و غیره استفاده می‌گردد. استفاده از ریزسازواره‌ها و آنزیمها در این فرآیندها باعث ایجاد تغییرات در طعم، عطر و بافت مواد خام غذایی یا افزایش قابلیت نگهداری آنها می‌گردد.
۲) در بکارگیری "بیوتکنولوژی نوین" در صنایع غذایی، از ژنتیک مولکولی و آنزیم‌شناسی کاربردی بهمراه فناوری تخمیری، جهت بهبود خواص مواد افزودنی غذایی استفاده می‌گردد. در قسمت‌های بعدی این نوشتار، برخی از کاربردهای بیوتکنولوژی در صنایع غذایی به طور اجمال و در چند زمینه بیان می‌شوند.
● تولید محصولات نهایی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
بیوتکنولوژی می‌تواند جهت تغییر مواد خام غذایی مانند شیر، گوشت، سبزیجات و غلات به محصولات با طعم و عطر مطلوب و قابلیت نگهداری بیشتر استفاده شود. تولید این نوع محصولات در جهان، سابقهٔ بسیار طولانی دارد و هم‌اکنون این محصولات در مقیاس صنعتی در سطح دنیا تولید می‌گردند.
بر اساس گزارشات موجود، حدود یک سوم رژیم غذایی در اروپا از غذاهایی تشکیل می‌شود که تخمیر شده‌اند؛ در حالیکه این رقم در سایر نقاط دنیا بین ۲۰ تا ۳۰ درصد می‌باشد. از مثال‌های این محصولات می‌توان به محصولات لبنی تخمیری مانند ماست و پنیر، سوسیس تخمیرشدهٔ خشک و نیمه‌خشک، سبزیجات تخمیرشده مانند کلم (sauerkraut)و زیتون تخمیرشده، نان، قارچ خوراکی، مشروبات الکلی و انواع غذاهای تخمیری آسیای شرقی مانند سس سویا، میسو، سوفو و تمپه اشاره نمود.
برخی از این محصولات از قبیل فرآورده‌های لبنی تخمیری، نان و قارچ خوراکی، در ایران نیز در مقیاس صنعتی تولید می‌گردند. همچنین اخیراً در رابطه با تولید محصولات دیگر مثل زیتون تخمیر شده و سس سویا، پروژه‌های تحقیقاتی در ایران انجام گرفته است.
● تودهٔ میکروبی و پروتئین تک‌یاخته به‌عنوان غذا
توده میکروبی نیز بعنوان یک ماده غذایی غنی از پروتئین، مورد استفاده قرار گرفته است. به‌عنوان مثال، آلمانی‌ها طی جنگ جهانی دوم، برای جبران کمبود پروتئین، مخمرها را در مقیاس صنعتی کشت داده و بعنوان منبع غذایی در خوراک انسان مورد استفاده قرار دادند. همچنین از دههٔ شصت میلادی تولید محصولاتی به نام پروتئین تک‌یاخته (SCP)، ابتدا از مواد هیدروکربنی و بعدها از مواد کربوهیدراتی ارزان‌قیمت در مقیاس صنعتی آغاز شد. این محصولات، بعنوان افزودنی پروتئینی در خوراک دام و مثالی از تولید پروتئین تک یاخته (scp):
به‌عنوان مثال، شرکت ICI در انگلستان از کشت باکتری Methylophilus methylotrophous بر روی متانول در یک فرمانتور پیوسته به حجم ۱۵۰۰ متر مکعب، برای تولید سالانه ۵۰۰ تا ۶۰۰ هزار تن پودر خشک شده SCP در سال استفاده کرد. حجم زیاد فرمانتور و نیاز به راه‌اندازی آن بصورت پیوسته تحت شرایط استریل (aseptic) باعث شد که نیاز به ابداع تکنیک‌های جدید مهندسی برای تولید این محصول در مقیاس صنعتی بوجود آید.
با وجودی‌که تولید این محصول از نظر فنی با موفقیت روبرو شد، ولی بخاطر برخی مشکلات از جمله هزینه‌های تولید بالا و کاهش قیمت‌های محصولات رقیب (یعنی کنجالهٔ سویا)، این پروژه و پروژه‌های مشابه در کشورهای غربی از نظر اقتصادی موفقیت‌آمیز نبودند. به‌عنوان مثال، شرکت ICI، تولید محصول SCP خود را در اواسط دهه ۸۰ میلادی متوقف کرد. قابل ذکر است که تولید این محصول در کشورهای بلوک شرق نظیر اتحاد جماهیر شوروی با موفقیت اقتصادی خیلی زیادی روبرو شد؛ زیرا تولید این محصول باعث عدم وابستگی به کنجالهٔ سویای وارداتی از کشورهای غربی می‌شد.
▪ مثال دیگری از تولید پروتئین تک‌یاخته (scp):
پروژهٔ شرکت نفتی فیلیپس از جمله پروژه‌هایی است که در آن تولید SCP از موفقیت اقتصادی بالاتری برخوردار می‌باشد. در این پروژه از یک سیستم با دانسیته سلولی بالا و بر اساس کشت مخمر Torulaبر روی اتانول، ساکاروز و ملاس (به‌عنوان منبع کربن) و آمونیاک (به‌عنوان منبع ازت) برای تولید SCP استفاده گردید‌ه است.
در این فرآیند، مایع تخمیری خروجی از فرمانتور دارای غلظت سلولی ۱۶۰ گرم وزن خشک در لیتر بود و لذا امکان خشک‌کردن مستقیم این مایع توسط خشک‌کن‌های پاششی وجود داشت. علت موفقیت اقتصادی این پروژه، بالابودن بازده فرایند و هزینه پایین‌تر بازیابی محصول بوده است.
● استفاده از پروتئین میکروبی (QUORN) در خوراک انسان:
به دلیل بالابودن درصد اسیدهای هسته‌ای در SCP، مصرف آن به عنوان خوراک انسان مضر است. شرکت انگلیسی RHM با همکاری شرکت ICI در اواسط دههٔ ۸۰ میلادی، پروتئین میکروبی تحت نام تجارتی Quorn تولید کرد که ساختاری شبیه به گوشت داشته و توسط رشد کپکی به نامFusarium graminerarum بر روی مواد نشاسته‌ای تولید می‌گردد.
این محصول بخاطر استفاده از کپک (که بطور طبیعی حاوی اسید هسته‌ای کمتری نسبت به باکتری‌ها می‌باشد) و بخاطر اضافه کردن یک عملیات برای کاهش RNA در فرآیند تولید صنعتی، دارای محتوی هسته‌ای خیلی
پایین می‌باشد و لذا استفاده از آن در خوراک انسان در انگلستان مجاز تشخیص داده شد. تولید اولیه این محصول در سال ۱۹۸۵، حدود ۱۰۰۰ تن در سال بود و از موفقیت اقتصادی برخوردار شد زیرا به جای کنجالهٔ سویا با سویا و گوشت رقابت می‌کرد.
● تولید مواد افزودنی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
مواد افزودنی غذایی مانند اسید سیتریک، اسید گلوتامیک و نوکلئوتیدهای مورد استفاده برای بهبود طعم غذا نیز به روش تخمیر تولید می‌شوند، استفاده از این روش، سابقه‌ای طولانی دارد. اما رویکرد به سمت جایگزینی اجزای طبیعی، فرصت‌هایی را جهت استفاده گسترده‌تر از محصولات تخمیری بعنوان طعم‌دهنده فراهم کرده است.
به‌عنوان مثال، حدود بیست سال پیش، یک ترکیب به نام furanone در آب گوشت شناسایی شد که این ترکیب، نقش خیلی مهمی در طعم گوشت بازی می‌کند و تا مدتی پیش به‌صورت شیمیایی از گزیلوز سنتز می‌شد.
اخیراً یک مادهٔ پیش‌ساز طبیعی شناسایی شده که می‌توان آنرا توسط تخمیر گلوکز تولید کرده و با یک تیمار حرارتی مخصوص به furanone موردنظر تبدیل کرد.
شناسایی ترکیبات طعمدهندهٔ اصلی، امکان توسعهٔ روش‌های میکروبی جهت سنتز این ترکیبات را فراهم کرده است. به‌عنوان مثال می‌توان به تولید گاما-دکالاکتون که یک جزء اصلی در طعم هلو می‌باشد، اشاره کرد.
مثالی دیگر از تولید مواد طعم‌دهنده با استفاده از ریزسازواره‌ها، یک طعمدهندهٔ طبیعی کم‌نمک به نام BIOSOL است که طی دو مرحله با استفاده از مخمر غیرفعال شده تولید می‌گردد. در مرحلهٔ اول، مخلوطی از آنزیمها با خواص تجزیه‌کنندگی پروتئین، چربی و دیواره سلولی استفاده می‌شود. در مرحله دوم، از باکتری Lactobacillus delbrueki جهت انجام عملیات تخمیر استفاده می‌گردد.
پروتئین طی این دو مرحله به اسیدهای آمینه و پپتید‌ها، RNA به یک طعمدهندهٔ طبیعی (guanosine-۵-monophosphate) و پلی‌ساکاریدها به اسید لاکتیک و ساکسینیک تبدیل می‌گردند. هضم آنزیمی و تخمیر را می‌توان بصورت همزمان انجام داده و مایع تخمیری حاصله را پس از جداسازی مواد غیر‌محلول به روش پاششی خشک کرد.
از جمله مثال‌های دیگر در زمینه تولید مواد افزودنی به روش بیوتکنولوژی می‌توان به: تولید شیرین‌کننده‌های مغذی مثل شربت گلوکز، شربت با درصد بالای فروکتوز (HFCS) و شیرین‌کننده‌های رژیمی مثل aspartame (از ترکیب متیل استر ال‌فنیل آلانین و ال‌اسید اسپارتیک)، تاوماتین(thaumatin) و گزایلیتول (از طریق تبدیل آنزیمی گزایلن پلیمرهای الیاف ذرت به گزایلوز و سپس تخمیر گزایلوز) و همچنین پلی‌ساکارید‌های میکروبی مانند صمغ گزانتان (به‌عنوان قوام‌دهنده و عامل ایجاد ژل) اشاره کرد.
برخی از ریزسازواره‌ها قادر به تجمع مقادیر زیادی تری‌گلیسیرید در داخل خود می‌باشند. از این نوع ریزسازواره‌ها جهت تولید محصولی به نام روغن تک‌سلولی(Single cell oil) استفاده شده است. به‌عنوان مثال در ژاپن مخمرهایی با موفقیت کشت داده شده‌اند که تا ۸۰ درصد وزن خشک آنها از تری‌گلیسریدهای ذخیره‌ای تشکیل شده است. برای تولید این محصولات ابتدا از خوراک‌های هیدروکربوری استفاده می‌شد، ولی اخیراً در این ارتباط خوراک‌های کربوهیدراتی مورد توجه قرار گرفته‌اند.
● اصلاح مستقیم مواد غذایی و مواد افزودنی به غذا
▪ 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.
رابطهٔ دقیق بین ساختمان این مواد و خواص کارکردی که در غذا ایجاد می‌کنند، هنوز بطور کامل شناخته نشده است؛ ولی نتایج تحقیقات گستردهٔ سال‌های اخیر می‌تواند در جهت انتخاب نوع اصلاح این مواد خام استفاده شود.
به‌عنوان مثال، یک رابطهٔ 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.
اندازهٔ 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 آمینهٔ 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 حملهٔ گلوکز واقع نشده ولی قادر هستند که ساختار آنزیم را حفظ کنند تبدیل می‌شود. با استفاده از این روش، زمان استفادهٔ 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 زنجیرهٔ 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 عمدهٔ 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 گستردهٔ 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 ۱.۳ میلیارد دلار در واردات شکر در سال ۱۹۸۰ 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 نشاستهٔ 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 یافتهٔ "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، نشاستهٔ 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 مادهٔ 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 ۲۰ 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 توسعهٔ 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 نتیجهٔ 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 کلمهٔ 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 تصفیهٔ نهایی اینگونه مواد متمرکز بوده است و تلاش خود را صرف طراحی سیستم‌های تصفیهٔ پسماند و نصب دستگاه‌های کنترل آلودگی می‌نمود، تا بتواند از آلودگی محیط زیست ممانعت کند. در روزگار اخیر، فلسفهٔ نوینی شکل گرفته است که برپایهٔ پیشگیری از تولید پسماند و کاهش آن استوار است.
این نگرش مثبت از تصفیهٔ پسماند یعنی پیشگیری از ایجاد پسماند، مزایای زیر را دارد:
۱) مقدار پسماندها کاهش می‌یابد.
۲) میزان مصرف مواد خام و در نتیجه هزینهٔ آن کاهش می‌یابد.
۳) از هزینهٔ تصفیهٔ پسماند کاسته می‌شود.
۴) احتمال بروز آلودگی کمتر می‌شود.
۵) شرایط کار بهبود می‌یابد.
۶) بازده فرایندهای تولید افزوده می‌شود.
بر این اساس، رویکرد جدید، استفاده از روش‌های بیولوژیکی جهت تبدیل پساب صنایع غذایی (بعنوان مواد اولیهٔ تجدیدپذیر) به محصولات مفید (مانند SCP) می‌باشد.
با توجه به گسترش صنایع غذایی در کشور ما، آشنایی مختصر با کاربردهای بیوتکنولوژی در صنایع غذایی مفید به نظر می‌رسد:
● تعریف بیوتکنولوژی غذایی
▪ تولید محصولات نهایی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
▪ تولید مواد افزودنی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
▪ اصلاح مستقیم مواد غذایی یا مواد افزودنی به غذا
▪ تولید مواد کمک فراوری
▪ کاربردهای تجزیه‌ای
▪ تصفیه پسماند
تعریف بیوتکنولوژی غذایی در ارتباط با صنایع غذایی می‌توان بیوتکنولوژی را به‌صورت زیر تعریف کرد:
"استفاده از سلولهای زنده یا قسمتی از آنها، به منظور تولید یا اصلاح محصولات غذایی یا مواد افزودنی به غذا" از یک دیدگاه دیگر می‌توان کاربرد بیوتکنولوژی در صنایع غذایی را به دو بخش کاربرد بیوتکنولوژی سنتی و کاربرد بیوتکنولوژی مدرن تقسیم کرد:
۱) درکاربرد "بیوتکنولوژی سنتی" در صنایع غذایی، از فناوری تخمیری (ریزساوارزه‌ها یا میکروارگانیزم‌ها) جهت تغییر مواد خام غذایی به محصولات غذایی تخمیری شامل پنیر، ماست، خمیر نان و غیره استفاده می‌گردد. استفاده از ریزسازواره‌ها و آنزیمها در این فرآیندها باعث ایجاد تغییرات در طعم، عطر و بافت مواد خام غذایی یا افزایش قابلیت نگهداری آنها می‌گردد.
۲) در بکارگیری "بیوتکنولوژی نوین" در صنایع غذایی، از ژنتیک مولکولی و آنزیم‌شناسی کاربردی بهمراه فناوری تخمیری، جهت بهبود خواص مواد افزودنی غذایی استفاده می‌گردد. در قسمت‌های بعدی این نوشتار، برخی از کاربردهای بیوتکنولوژی در صنایع غذایی به طور اجمال و در چند زمینه بیان می‌شوند.
● تولید محصولات نهایی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
بیوتکنولوژی می‌تواند جهت تغییر مواد خام غذایی مانند شیر، گوشت، سبزیجات و غلات به محصولات با طعم و عطر مطلوب و قابلیت نگهداری بیشتر استفاده شود. تولید این نوع محصولات در جهان، سابقهٔ بسیار طولانی دارد و هم‌اکنون این محصولات در مقیاس صنعتی در سطح دنیا تولید می‌گردند.
بر اساس گزارشات موجود، حدود یک سوم رژیم غذایی در اروپا از غذاهایی تشکیل می‌شود که تخمیر شده‌اند؛ در حالیکه این رقم در سایر نقاط دنیا بین ۲۰ تا ۳۰ درصد می‌باشد. از مثال‌های این محصولات می‌توان به محصولات لبنی تخمیری مانند ماست و پنیر، سوسیس تخمیرشدهٔ خشک و نیمه‌خشک، سبزیجات تخمیرشده مانند کلم (sauerkraut)و زیتون تخمیرشده، نان، قارچ خوراکی، مشروبات الکلی و انواع غذاهای تخمیری آسیای شرقی مانند سس سویا، میسو، سوفو و تمپه اشاره نمود.
برخی از این محصولات از قبیل فرآورده‌های لبنی تخمیری، نان و قارچ خوراکی، در ایران نیز در مقیاس صنعتی تولید می‌گردند. همچنین اخیراً در رابطه با تولید محصولات دیگر مثل زیتون تخمیر شده و سس سویا، پروژه‌های تحقیقاتی در ایران انجام گرفته است.
● تودهٔ میکروبی و پروتئین تک‌یاخته به‌عنوان غذا
توده میکروبی نیز بعنوان یک ماده غذایی غنی از پروتئین، مورد استفاده قرار گرفته است. به‌عنوان مثال، آلمانی‌ها طی جنگ جهانی دوم، برای جبران کمبود پروتئین، مخمرها را در مقیاس صنعتی کشت داده و بعنوان منبع غذایی در خوراک انسان مورد استفاده قرار دادند. همچنین از دههٔ شصت میلادی تولید محصولاتی به نام پروتئین تک‌یاخته (SCP)، ابتدا از مواد هیدروکربنی و بعدها از مواد کربوهیدراتی ارزان‌قیمت در مقیاس صنعتی آغاز شد. این محصولات، بعنوان افزودنی پروتئینی در خوراک دام و مثالی از تولید پروتئین تک یاخته (scp):
به‌عنوان مثال، شرکت ICI در انگلستان از کشت باکتری Methylophilus methylotrophous بر روی متانول در یک فرمانتور پیوسته به حجم ۱۵۰۰ متر مکعب، برای تولید سالانه ۵۰۰ تا ۶۰۰ هزار تن پودر خشک شده SCP در سال استفاده کرد. حجم زیاد فرمانتور و نیاز به راه‌اندازی آن بصورت پیوسته تحت شرایط استریل (aseptic) باعث شد که نیاز به ابداع تکنیک‌های جدید مهندسی برای تولید این محصول در مقیاس صنعتی بوجود آید.
با وجودی‌که تولید این محصول از نظر فنی با موفقیت روبرو شد، ولی بخاطر برخی مشکلات از جمله هزینه‌های تولید بالا و کاهش قیمت‌های محصولات رقیب (یعنی کنجالهٔ سویا)، این پروژه و پروژه‌های مشابه در کشورهای غربی از نظر اقتصادی موفقیت‌آمیز نبودند. به‌عنوان مثال، شرکت ICI، تولید محصول SCP خود را در اواسط دهه ۸۰ میلادی متوقف کرد. قابل ذکر است که تولید این محصول در کشورهای بلوک شرق نظیر اتحاد جماهیر شوروی با موفقیت اقتصادی خیلی زیادی روبرو شد؛ زیرا تولید این محصول باعث عدم وابستگی به کنجالهٔ سویای وارداتی از کشورهای غربی می‌شد.
▪ مثال دیگری از تولید پروتئین تک‌یاخته (scp):
پروژهٔ شرکت نفتی فیلیپس از جمله پروژه‌هایی است که در آن تولید SCP از موفقیت اقتصادی بالاتری برخوردار می‌باشد. در این پروژه از یک سیستم با دانسیته سلولی بالا و بر اساس کشت مخمر Torulaبر روی اتانول، ساکاروز و ملاس (به‌عنوان منبع کربن) و آمونیاک (به‌عنوان منبع ازت) برای تولید SCP استفاده گردید‌ه است.
در این فرآیند، مایع تخمیری خروجی از فرمانتور دارای غلظت سلولی ۱۶۰ گرم وزن خشک در لیتر بود و لذا امکان خشک‌کردن مستقیم این مایع توسط خشک‌کن‌های پاششی وجود داشت. علت موفقیت اقتصادی این پروژه، بالابودن بازده فرایند و هزینه پایین‌تر بازیابی محصول بوده است.
● استفاده از پروتئین میکروبی (QUORN) در خوراک انسان:
به دلیل بالابودن درصد اسیدهای هسته‌ای در SCP، مصرف آن به عنوان خوراک انسان مضر است. شرکت انگلیسی RHM با همکاری شرکت ICI در اواسط دههٔ ۸۰ میلادی، پروتئین میکروبی تحت نام تجارتی Quorn تولید کرد که ساختاری شبیه به گوشت داشته و توسط رشد کپکی به نامFusarium graminerarum بر روی مواد نشاسته‌ای تولید می‌گردد.
این محصول بخاطر استفاده از کپک (که بطور طبیعی حاوی اسید هسته‌ای کمتری نسبت به باکتری‌ها می‌باشد) و بخاطر اضافه کردن یک عملیات برای کاهش RNA در فرآیند تولید صنعتی، دارای محتوی هسته‌ای خیلی
پایین می‌باشد و لذا استفاده از آن در خوراک انسان در انگلستان مجاز تشخیص داده شد. تولید اولیه این محصول در سال ۱۹۸۵، حدود ۱۰۰۰ تن در سال بود و از موفقیت اقتصادی برخوردار شد زیرا به جای کنجالهٔ سویا با سویا و گوشت رقابت می‌کرد.
● تولید مواد افزودنی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
مواد افزودنی غذایی مانند اسید سیتریک، اسید گلوتامیک و نوکلئوتیدهای مورد استفاده برای بهبود طعم غذا نیز به روش تخمیر تولید می‌شوند، استفاده از این روش، سابقه‌ای طولانی دارد. اما رویکرد به سمت جایگزینی اجزای طبیعی، فرصت‌هایی را جهت استفاده گسترده‌تر از محصولات تخمیری بعنوان طعم‌دهنده فراهم کرده است.
به‌عنوان مثال، حدود بیست سال پیش، یک ترکیب به نام furanone در آب گوشت شناسایی شد که این ترکیب، نقش خیلی مهمی در طعم گوشت بازی می‌کند و تا مدتی پیش به‌صورت شیمیایی از گزیلوز سنتز می‌شد.
اخیراً یک مادهٔ پیش‌ساز طبیعی شناسایی شده که می‌توان آنرا توسط تخمیر گلوکز تولید کرده و با یک تیمار حرارتی مخصوص به furanone موردنظر تبدیل کرد.
شناسایی ترکیبات طعمدهندهٔ اصلی، امکان توسعهٔ روش‌های میکروبی جهت سنتز این ترکیبات را فراهم کرده است. به‌عنوان مثال می‌توان به تولید گاما-دکالاکتون که یک جزء اصلی در طعم هلو می‌باشد، اشاره کرد.
مثالی دیگر از تولید مواد طعم‌دهنده با استفاده از ریزسازواره‌ها، یک طعمدهندهٔ طبیعی کم‌نمک به نام BIOSOL است که طی دو مرحله با استفاده از مخمر غیرفعال شده تولید می‌گردد. در مرحلهٔ اول، مخلوطی از آنزیمها با خواص تجزیه‌کنندگی پروتئین، چربی و دیواره سلولی استفاده می‌شود. در مرحله دوم، از باکتری Lactobacillus delbrueki جهت انجام عملیات تخمیر استفاده می‌گردد.
پروتئین طی این دو مرحله به اسیدهای آمینه و پپتید‌ها، RNA به یک طعمدهندهٔ طبیعی (guanosine-۵-monophosphate) و پلی‌ساکاریدها به اسید لاکتیک و ساکسینیک تبدیل می‌گردند. هضم آنزیمی و تخمیر را می‌توان بصورت همزمان انجام داده و مایع تخمیری حاصله را پس از جداسازی مواد غیر‌محلول به روش پاششی خشک کرد.
از جمله مثال‌های دیگر در زمینه تولید مواد افزودنی به روش بیوتکنولوژی می‌توان به: تولید شیرین‌کننده‌های مغذی مثل شربت گلوکز، شربت با درصد بالای فروکتوز (HFCS) و شیرین‌کننده‌های رژیمی مثل aspartame (از ترکیب متیل استر ال‌فنیل آلانین و ال‌اسید اسپارتیک)، تاوماتین(thaumatin) و گزایلیتول (از طریق تبدیل آنزیمی گزایلن پلیمرهای الیاف ذرت به گزایلوز و سپس تخمیر گزایلوز) و همچنین پلی‌ساکارید‌های میکروبی مانند صمغ گزانتان (به‌عنوان قوام‌دهنده و عامل ایجاد ژل) اشاره کرد.
برخی از ریزسازواره‌ها قادر به تجمع مقادیر زیادی تری‌گلیسیرید در داخل خود می‌باشند. از این نوع ریزسازواره‌ها جهت تولید محصولی به نام روغن تک‌سلولی(Single cell oil) استفاده شده است. به‌عنوان مثال در ژاپن مخمرهایی با موفقیت کشت داده شده‌اند که تا ۸۰ درصد وزن خشک آنها از تری‌گلیسریدهای ذخیره‌ای تشکیل شده است. برای تولید این محصولات ابتدا از خوراک‌های هیدروکربوری استفاده می‌شد، ولی اخیراً در این ارتباط خوراک‌های کربوهیدراتی مورد توجه قرار گرفته‌اند.
● اصلاح مستقیم مواد غذایی و مواد افزودنی به غذا
▪ 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.
رابطهٔ دقیق بین ساختمان این مواد و خواص کارکردی که در غذا ایجاد می‌کنند، هنوز بطور کامل شناخته نشده است؛ ولی نتایج تحقیقات گستردهٔ سال‌های اخیر می‌تواند در جهت انتخاب نوع اصلاح این مواد خام استفاده شود.
به‌عنوان مثال، یک رابطهٔ 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.
اندازهٔ 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 آمینهٔ 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 حملهٔ گلوکز واقع نشده ولی قادر هستند که ساختار آنزیم را حفظ کنند تبدیل می‌شود. با استفاده از این روش، زمان استفادهٔ 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 زنجیرهٔ 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 عمدهٔ 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 گستردهٔ 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 ۱.۳ میلیارد دلار در واردات شکر در سال ۱۹۸۰ 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 نشاستهٔ 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 یافتهٔ "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، نشاستهٔ 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 مادهٔ 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 ۲۰ 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 توسعهٔ 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 نتیجهٔ 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 کلمهٔ 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 تصفیهٔ نهایی اینگونه مواد متمرکز بوده است و تلاش خود را صرف طراحی سیستم‌های تصفیهٔ پسماند و نصب دستگاه‌های کنترل آلودگی می‌نمود، تا بتواند از آلودگی محیط زیست ممانعت کند. در روزگار اخیر، فلسفهٔ نوینی شکل گرفته است که برپایهٔ پیشگیری از تولید پسماند و کاهش آن استوار است.
این نگرش مثبت از تصفیهٔ پسماند یعنی پیشگیری از ایجاد پسماند، مزایای زیر را دارد:
۱) مقدار پسماندها کاهش می‌یابد.
۲) میزان مصرف مواد خام و در نتیجه هزینهٔ آن کاهش می‌یابد.
۳) از هزینهٔ تصفیهٔ پسماند کاسته می‌شود.
۴) احتمال بروز آلودگی کمتر می‌شود.
۵) شرایط کار بهبود می‌یابد.
۶) بازده فرایندهای تولید افزوده می‌شود.
بر این اساس، رویکرد جدید، استفاده از روش‌های بیولوژیکی جهت تبدیل پساب صنایع غذایی (بعنوان مواد اولیهٔ تجدیدپذیر) به محصولات مفید (مانند SCP) می‌باشد.
نویسنده: اسماعیل کفایتی
مآخذ:
۱- بنکدارپور، بابک، ۱۳۸۱، جزوهٔ آموزشی، "میکروبیولوژی صنعتی و فرایندهای تخمیری"، دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
۲- مهندس ولی ا... بابایی پور،۱۳۸۰، "بیوتکنولوژی و صنعت،" پژوهش‌یار (ویژه نامهٔ بیوتکنولوژی)، صفحات ۴۶ تا ۵۷.
۳- مهبودی، فریدون و صانعی، اشرف السادات، ۱۳۷۶، "بیوتکنولوژی از زمینههای علمی دیروز تا کاربردهای عملی امروز،" انتشارات معاونت پژوهشی وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشکی.
مآخذ:
۱- بنکدارپور، بابک، ۱۳۸۱، جزوهٔ آموزشی، "میکروبیولوژی صنعتی و فرایندهای تخمیری"، دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
۲- مهندس ولی ا... بابایی پور،۱۳۸۰، "بیوتکنولوژی و صنعت،" پژوهش‌یار (ویژه نامهٔ بیوتکنولوژی)، صفحات ۴۶ تا ۵۷.
۳- مهبودی، فریدون و صانعی، اشرف السادات، ۱۳۷۶، "بیوتکنولوژی از زمینههای علمی دیروز تا کاربردهای عملی امروز،" انتشارات معاونت پژوهشی وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشکی.
منبع : شبکه تحلیل گران تکنولوژی ایران
