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 صنایع غذایی بطرف استفاده از مواد افزودنی “طبیعی” و بکارگیری روش‌های فرآوری نزدیکتر به روش‌های طبیعی، جهت پیدا کند.
با توجه به گسترش صنایع غذایی در کشور ما، آشنایی مختصر با کاربردهای بیوتکنولوژی در صنایع غذایی مفید به نظر می‌رسد که ما در این سری از مقالات جهان شیمی به این موضوع پرداخته ایم.
تعریف بیوتکنولوژی غذایی در ارتباط با صنایع غذایی
می‌توان بیوتکنولوژی را به این صورت تعریف کرد: “استفاده از سلولهای زنده یا قسمتی از آنها، به منظور تولید یا اصلاح محصولات صنایع 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:
- 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.
- 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 غذایی 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 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.
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.
● اصلاح مستقیم مواد غذایی و مواد افزودنی به غذا
روش‌های مهندسی پروتئین
مواد خام غذایی را می‌توان یا مستقیماً و یا بعد از اصلاح میکروبی 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.
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 شیرین کننده های محبوب در جهان است که در بسیاری از محصولات غذایی عمدتاً به عنوان جایگزین ساکارز (شکر معمولی) مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از دلایل افزایش محبوبیت فروکتوز در کارخانه های ساخت مواد غذایی، در دسترس بودن مقدار زیاد نشاستهٔ غلات است که با روش آنزیمی، در مقیاس صنعتی به فروکتوز تبدیل می‌شود.
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.
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.
مقالات مشابه
همه چیز درباره دستگاه های خامه گیر
همه چیز درباره خامه قنادی
کاربردهای جوش شیرین یا بی کربنات سدیم چیست؟
