كاربردهای بیوتكنولوژی در صنایع غذایی

تعریف بیوتكنولوژی غذایی در ارتباط با صنایع غذایی می توان بیوتكنولوژی را به صورت زیر تعریف كرد استفاده از سلولهای زنده یا قسمتی از آنها, به منظور تولید یا اصلاح محصولات غذایی یا مواد افزودنی به غذا

مطالعات صورت گرفته نشان داده است كه جمعیت جهان تا اواسط قرن حاضر، دو برابر خواهد شد و این در حالی است كه اكنون نیمی از كودكان جهان از غذای كافی محروم هستند. همچنین فشار از طرف مصرف‌كنندگان، خصوصاً در كشورهای صنعتی، باعث شده است كه تولید محصولات غذایی بطرف استفاده‌ از مواد افزودنی "طبیعی" و بكارگیری روش‌های فرآوری نزدیكتر به روش‌های طبیعی، جهت پیدا كند. نكات، به همراه سایر مزایایی كه وجود داشته‌اند، روش‌های بیوتكنولوژی در صنایع غذایی را گسترش داده‌اند.

با توجه به گسترش صنایع غذایی در كشور ما، آشنایی مختصر با كاربردهای بیوتكنولوژی در صنایع غذایی مفید به نظر می‌رسد:

● تعریف بیوتكنولوژی غذایی

▪ تولید محصولات نهایی غذایی با استفاده از بیوتكنولوژی

▪ تولید مواد افزودنی غذایی با استفاده از بیوتكنولوژی

▪ اصلاح مستقیم مواد غذایی یا مواد افزودنی به غذا

▪ تولید مواد كمك فراوری

▪ كاربردهای تجزیه‌ای

▪ تصفیه پسماند

تعریف بیوتكنولوژی غذایی در ارتباط با صنایع غذایی می‌توان بیوتكنولوژی را به‌صورت زیر تعریف كرد:

"استفاده از سلولهای زنده یا قسمتی از آنها، به منظور تولید یا اصلاح محصولات غذایی یا مواد افزودنی به غذا" از یك دیدگاه دیگر می‌توان كاربرد بیوتكنولوژی در صنایع غذایی را به دو بخش كاربرد بیوتكنولوژی سنتی و كاربرد بیوتكنولوژی مدرن تقسیم كرد:

۱) دركاربرد "بیوتكنولوژی سنتی" در صنایع غذایی، از فناوری تخمیری (ریزساوارزه‌ها یا میكروارگانیزم‌ها) 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 بكارگیری "بیوتكنولوژی نوین" در صنایع غذایی، از ژنتیك مولكولی و آنزیم‌شناسی كاربردی بهمراه فناوری تخمیری، جهت بهبود خواص مواد افزودنی غذایی استفاده می‌گردد. در قسمت‌های بعدی این نوشتار، برخی از كاربردهای بیوتكنولوژی در صنایع غذایی به طور اجمال و در چند زمینه بیان می‌شوند.

● تولید محصولات نهایی غذایی با استفاده از بیوتكنولوژی

بیوتكنولوژی 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 هم‌اكنون این محصولات در مقیاس صنعتی در سطح دنیا تولید می‌گردند.

بر اساس گزارشات موجود، حدود یك سوم رژیم غذایی در اروپا از غذاهایی تشكیل می‌شود كه تخمیر شده‌اند؛ در حالیكه 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 خشك و نیمه‌خشك، سبزیجات تخمیرشده مانند كلم (sauerkraut)و زیتون تخمیرشده، نان، قارچ خوراكی، مشروبات الكلی 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 خوراكی، 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 میكروبی و پروتئین تك‌یاخته به‌عنوان غذا

توده میكروبی نیز بعنوان یك ماده غذایی غنی از پروتئین، مورد استفاده قرار گرفته است. به‌عنوان مثال، آلمانی‌ها طی جنگ جهانی دوم، برای جبران كمبود پروتئین، مخمرها را در مقیاس صنعتی كشت داده و بعنوان منبع غذایی در خوراك انسان مورد استفاده قرار دادند. همچنین از دههٔ شصت میلادی تولید محصولاتی به نام پروتئین تك‌یاخته (SCP)، ابتدا از مواد هیدروكربنی و بعدها از مواد كربوهیدراتی ارزان‌قیمت در مقیاس صنعتی آغاز شد. این محصولات، بعنوان افزودنی پروتئینی در خوراك دام و مثالی از تولید پروتئین تك یاخته (scp):

به‌عنوان مثال، شركت ICI در انگلستان از كشت باكتری Methylophilus methylotrophous بر روی متانول در یك فرمانتور پیوسته به حجم ۱۵۰۰ متر مكعب، برای تولید سالانه ۵۰۰ تا ۶۰۰ هزار تن پودر خشك شده SCP در سال استفاده كرد. حجم زیاد فرمانتور و نیاز به راه‌اندازی آن بصورت پیوسته تحت شرایط استریل (aseptic) باعث شد كه نیاز به ابداع تكنیك‌های جدید مهندسی برای تولید این محصول در مقیاس صنعتی بوجود آید.

با وجودی‌كه تولید این محصول از نظر فنی با موفقیت روبرو شد، ولی بخاطر برخی مشكلات از جمله هزینه‌های تولید بالا و كاهش قیمت‌های محصولات رقیب (یعنی كنجالهٔ سویا)، این پروژه و پروژه‌های مشابه در كشورهای غربی از نظر اقتصادی موفقیت‌آمیز نبودند. به‌عنوان مثال، شركت ICI، تولید محصول SCP خود را در اواسط دهه ۸۰ میلادی متوقف كرد. قابل ذكر است كه تولید این محصول در كشورهای بلوك شرق نظیر اتحاد جماهیر شوروی با موفقیت اقتصادی خیلی زیادی روبرو شد؛ زیرا تولید این محصول باعث عدم وابستگی به كنجالهٔ سویای وارداتی از كشورهای غربی می‌شد.

▪ مثال دیگری از تولید پروتئین تك‌یاخته (scp):

پروژهٔ شركت نفتی فیلیپس از جمله پروژه‌هایی است كه در آن تولید SCP از موفقیت اقتصادی بالاتری برخوردار می‌باشد. در این پروژه از یك سیستم با دانسیته سلولی بالا و بر اساس كشت مخمر Torulaبر روی اتانول، ساكاروز و ملاس (به‌عنوان منبع كربن) و آمونیاك (به‌عنوان منبع ازت) برای تولید SCP استفاده گردید‌ه است.

در این فرآیند، مایع تخمیری خروجی از فرمانتور دارای غلظت سلولی ۱۶۰ گرم وزن خشك در لیتر بود و لذا امكان خشك‌كردن مستقیم این مایع توسط خشك‌كن‌های پاششی وجود داشت. علت موفقیت اقتصادی این پروژه، بالابودن بازده فرایند و هزینه پایین‌تر بازیابی محصول بوده ‌است.

● استفاده از پروتئین میكروبی (QUORN) در خوراك انسان:

به دلیل بالابودن درصد اسیدهای هسته‌ای در SCP، مصرف آن به عنوان خوراك انسان مضر است. شركت انگلیسی RHM با همكاری شركت ICI در اواسط دههٔ ۸۰ میلادی، پروتئین میكروبی تحت نام تجارتی Quorn تولید كرد كه ساختاری شبیه به گوشت داشته و توسط رشد كپكی به نامFusarium graminerarum بر روی مواد نشاسته‌ای تولید می‌گردد.

این محصول بخاطر استفاده از كپك (كه بطور طبیعی حاوی اسید هسته‌ای كمتری نسبت به باكتری‌ها می‌باشد) و بخاطر اضافه كردن یك عملیات برای كاهش RNA در فرآیند تولید صنعتی، دارای محتوی هسته‌ای خیلی

پایین می‌باشد و لذا استفاده از آن در خوراك 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 كنجالهٔ سویا با سویا و گوشت رقابت می‌كرد.

● تولید مواد افزودنی غذایی با استفاده از بیوتكنولوژی

مواد افزودنی غذایی مانند اسید سیتریك، اسید گلوتامیك و نوكلئوتیدهای مورد استفاده برای بهبود طعم غذا نیز به روش تخمیر تولید می‌شوند، استفاده از این روش، سابقه‌ای طولانی دارد. اما رویكرد به سمت جایگزینی اجزای طبیعی، فرصت‌هایی را جهت استفاده گسترده‌تر از محصولات تخمیری بعنوان طعم‌دهنده فراهم كرده است.

به‌عنوان مثال، حدود بیست سال پیش، یك تركیب به نام furanone در آب گوشت شناسایی شد كه این تركیب، نقش خیلی مهمی در طعم گوشت بازی می‌كند و تا مدتی پیش به‌صورت شیمیایی از گزیلوز سنتز می‌شد.

اخیراً یك مادهٔ پیش‌ساز طبیعی شناسایی شده كه می‌توان آنرا توسط تخمیر گلوكز تولید كرده و با یك تیمار حرارتی مخصوص به furanone موردنظر تبدیل كرد.

شناسایی تركیبات طعم‌دهندهٔ اصلی، امكان توسعهٔ روش‌های میكروبی جهت سنتز این تركیبات را فراهم كرده است. به‌عنوان مثال می‌توان به تولید گاما-دكالاكتون كه یك جزء اصلی در طعم هلو می‌باشد، اشاره كرد.

مثالی دیگر از تولید مواد طعم‌دهنده با استفاده از ریزسازواره‌ها، یك طعم‌دهندهٔ طبیعی كم‌نمك به نام BIOSOL است كه طی دو مرحله با استفاده از مخمر غیرفعال شده تولید می‌گردد. در مرحلهٔ اول، مخلوطی از آنزیم‌ها با خواص تجزیه‌كنندگی پروتئین، چربی و دیواره سلولی استفاده می‌شود. در مرحله دوم، از باكتری Lactobacillus delbrueki جهت انجام عملیات تخمیر استفاده می‌گردد.

پروتئین طی این دو مرحله به اسیدهای آمینه و پپتید‌ها، RNA به یك طعم­دهندهٔ طبیعی (guanosine-۵-monophosphate) و پلی‌ساكاریدها به اسید لاكتیك و ساكسینیك 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 خشك كرد.

از جمله مثال‌های دیگر در زمینه تولید مواد افزودنی به روش بیوتكنولوژی می‌توان به: تولید شیرین‌كننده‌های مغذی مثل شربت گلوكز، شربت با درصد بالای فروكتوز (HFCS) و شیرین‌كننده‌های رژیمی مثل aspartame (از تركیب متیل استر ال‌فنیل آلانین و ال‌اسید اسپارتیك)، تاوماتین(thaumatin) و گزایلیتول (از طریق تبدیل آنزیمی گزایلن پلیمرهای الیاف ذرت به گزایلوز و سپس تخمیر گزایلوز) و همچنین پلی‌ساكارید‌های میكروبی مانند صمغ گزانتان (به‌عنوان قوام‌دهنده و عامل ایجاد ژل) اشاره كرد.

برخی از ریزسازواره‌ها قادر به تجمع مقادیر زیادی تری‌گلیسیرید در داخل خود می‌باشند. از این نوع ریزسازواره‌ها جهت تولید محصولی به نام روغن تك‌سلولی(Single cell oil) استفاده شده ‌است. به‌عنوان مثال در ژاپن مخمرهایی با موفقیت كشت داده شده‌اند كه تا ۸۰ درصد وزن خشك آنها از تری‌گلیسریدهای ذخیره‌ای تشكیل شده است. برای تولید این محصولات ابتدا از خوراك‌های هیدروكربوری استفاده می‌شد، ولی اخیراً در این ارتباط خوراك‌های كربوهیدراتی 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 میكربی یا آنزیمی استفاده كرد. مواد خام غذایی اصلی دارای خاصیت كاركردی (functionality) در محصولات غذایی مثل امولسیون‌سازی، پیوند با آب، ایجاد ژل، پایداری كف در نوشابه‌ها، دسرها و محصولات گوشتی (كه عبارتند از پروتئین‌ها، چربی‌ها و كربوهیدرات‌ها) می‌باشند.

رابطهٔ دقیق بین ساختمان این مواد و خواص كاركردی كه در غذا ایجاد می‌كنند، هنوز بطور كامل شناخته نشده است؛ ولی نتایج تحقیقات گستردهٔ سال‌های اخیر می‌تواند در جهت انتخاب نوع اصلاح این مواد خام استفاده شود.

به‌عنوان مثال، یك رابطهٔ مستقیم بین ساختار پروتئین‌ها (یعنی اندازه مولكول پروتئینی و تركیب اسیدهای آمینه آن) و خواص كاركردی آنها بدست آمده است. می‌توان با تغییر مناسب در اندازه و تركیب اسیدهای آمینه در یك پروتئین، به خواص كاركردی مورد نیاز برای یك كاربرد بخصوص دست یافت.

اندازهٔ پروتئین‌ها را می‌توان توسط آبكافت اسیدی یا آنزیمی كاهش داد. اما ایجاد تغییرات در تركیب اسیدهای آمینه یك پروتئین، مشكل‌تر است. برای ایجاد تغییرات در تركیب اسیدهای آمینه یك پروتئین، از روش‌هایی تحت عنوان مهندسی پروتئین استفاده می‌شود كه از طریق تغییر در كدهای ژنتیكی با استفاده از روش‌های مهندسی ژنتیك، ترتیب اسیدهای آمینهٔ پروتئین عوض می‌شود.

از روش‌های مهندسی پروتئین، برای افزایش پایداری پروتئین‌های آنزیمی كه در مقیاس صنعتی نقش كاتالیزور را دارند نیز استفاده شده است. به‌عنوان مثال، گلوكز ایزومراز، آنزیمی است كه در فرآیند تولید HFCS از اهمیت فراوان برخوردار است. این آنزیم در بیوراكتورهای صنعتی توسط یك واكنش شیمیایی بین گلوكز (سوبسترات واكنش) و گروه‌های آمین ثانویه لیزین موجود در ساختار آنزیم، غیرفعال می‌گردد.

نویسنده: اسماعیل كفایتی

مآخذ:

۱- بنكدارپور، بابك، ۱۳۸۱، جزوهٔ آموزشی، "میكروبیولوژی صنعتی و فرایندهای تخمیری"، دانشگاه صنعتی امیركبیر.

۲- مهندس ولی ا... بابایی پور،۱۳۸۰، "بیوتكنولوژی و صنعت،" پژوهش‌یار (ویژه نامهٔ بیوتكنولوژی)، صفحات ۴۶ تا ۵۷.

۳- مهبودی، فریدون و صانعی، اشرف السادات، ۱۳۷۶، "بیوتكنولوژی از زمینه­های علمی دیروز تا كاربردهای عملی امروز،" انتشارات معاونت پژوهشی وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشكی.

---