فیدیبو نماینده قانونی انتشارات آوای قلم و بیش از ۶۰۰ ناشر دیگر برای عرضه کتاب الکترونیک و صوتی است .
کتاب کارخانه‌های قارچی

کتاب کارخانه‌های قارچی

نسخه الکترونیک کتاب کارخانه‌های قارچی به همراه هزاران کتاب دیگر از طریق فیدیبو به صورت کاملا قانونی در دسترس است.


فقط قابل استفاده در اپلیکیشن‌های iOS | Android | Windows فیدیبو

درباره کتاب کارخانه‌های قارچی

به‌عنوان یک برآورد محافظه کارانه، ۱۲۰۰۰۰ گونه قارچی جداسازی شده‌اند. بسیاری از این گونه‌های قارچی به دلیل توانایی در تولید محصولات کاملا صنعتی غربالگری شده‌اند. قارچ‌ها هم در فعالیت‌های بیوتکنولوژی سنتی و هم جدید دارای اهمیت بوده‌اند. آن‌ها در زمینه تغذیه، فرآیندها و محصولاتی که از قارچ‌ها استفاده می‌کنند شامل تولید قندها، آنتی‌بیوتیک‌ها، آنزیم‌ها، اسیدهای آلی، پخت نان، تخمیر آب جو، الکل‌ها و داروهای متعدد ارزش بالایی دارند. آلفا- آمیلازها و گلوکوآمیلازها در تبدیل نشاسته به شربت‌های قندی مختلف استفاده می‌شوند. کاربرد‌های صنعتی عموما نیازمند آمیلازهایی با مشخصات هیدرولیزی بسیار ویژه هستند. آمیلازهای قارچی که به‌صورت تجاری استفاده می‌شوند دارای محدودیت‌های خاصی مانند مقاومت حرارتی متوسط، نیاز به pH اسیدی و فعالیت کاتالیزوری آهسته هستند که این امر هزینه فرآیند را افزایش می‌دهد. اهمیت فساد بخش نشاسته‌ای در طی بیات شدن نان مورد تاکید قرار گرفته است. تنها در آمریکا به دلیل بیات شدن نان در فصل زمستان، سالانه بیش از یک میلیارد دلار خسارت وارد می‌شود. برای پیشگیری از بیات شدن و بهبود بافت و عمر مفید محصولات پخته شده افزودنی‌ها و آنزیم‌های مناسب لازم است. پکتینازها یکی از آنزیم‌های در حال ظهور در صنایع نساجی و میوه هستند. این آنزیم‌ها برای شکستن پلی‌ساکاریدهای پیچیده بافت‌های گیاهی به مولکول‌های ساده‌تر مانند گالاکتورونیک اسیدها مورد نیاز هستند. نقش پکتینازهای اسیدی در پایین آوردن کدورت و تلخی آب میوه به‌خوبی به اثبات رسیده است. تولید آنزیم‌های پکتینولاتیک در قارچ‌های رشته‌ای به‌خوبی شناخته شده است. با این حال گزارش‌های بسیار اندکی پیرامون تولید پکتینازها به‌وسیله کپک‌های گرمادوست برای کاربرد در موادغذایی وجود دارد. حدود دو سوم از فسفر موجود در ترکیبات گیاهی برای گوسفندان و طیور به فرم فیتیک اسید (فیتات‌ها ، میواینوزیتول هگزاکیس فسفات‌ها) است که چندان محلول نیست و قابلیت هضم بسیار محدودی دارد. این حوزه از تحقیقات به‌منظور گسترش آن دسته از آنزیم‌هایی که به‌طور معمول برای افزایش ارزش غذایی حبوبات و غلات در رژیم غذایی طیور مورد نیاز هستند، پیشرفت کرده است. توجه این فصل بر روی وضعیت کنونی دانش در زمینه تولید، مشخصات و پتانسیل‌های کاربردی کاتالیزورهای زیستی قارچی (آلفا آمیلازها، گلوکو آمیلازها، پکتینازها و فیتازها) در زمینه صنایع غذایی متمرکز شده است.

ادامه...
  • ناشر انتشارات آوای قلم
  • تاریخ نشر
  • زبان فارسی
  • حجم فایل 3.61 مگابایت
  • تعداد صفحات ۲۱۲ صفحه
  • شابک

بخشی از کتاب کارخانه‌های قارچی

شما به آخر نمونه کتاب رسیده‌اید، برای خواندن نسخه کامل، کتاب الکترونیک را خریداری نمایید و سپس با نصب اپلیکیشن فیدیبو آن را مطالعه کنید:

فصل اول: آنزیم های قارچی؛ سناریوی کنونی و چشم انداز آینده

چکیده

به عنوان یک برآورد محافظه کارانه، ۱۲۰۰۰۰ گونه قارچی جداسازی شده اند. بسیاری از این گونه های قارچی به دلیل توانایی در تولید محصولات کاملا صنعتی غربالگری شده اند. قارچ ها هم در فعالیت های بیوتکنولوژی سنتی و هم جدید دارای اهمیت بوده اند. آن ها در زمینه تغذیه، فرآیندها و محصولاتی که از قارچ ها استفاده می کنند شامل تولید قندها، آنتی بیوتیک ها، آنزیم ها، اسیدهای آلی، پخت نان، تخمیر آب جو، الکل ها و داروهای متعدد ارزش بالایی دارند. آلفا- آمیلازها و گلوکوآمیلازها در تبدیل نشاسته به شربت های قندی مختلف استفاده می شوند. کاربرد های صنعتی عموما نیازمند آمیلازهایی با مشخصات هیدرولیزی بسیار ویژه هستند. آمیلازهای قارچی که به صورت تجاری استفاده می شوند دارای محدودیت های خاصی مانند مقاومت حرارتی متوسط، نیاز به pH اسیدی و فعالیت کاتالیزوری آهسته هستند که این امر هزینه فرآیند را افزایش می دهد. اهمیت فساد بخش نشاسته ای در طی بیات شدن نان مورد تاکید قرار گرفته است. تنها در آمریکا به دلیل بیات شدن نان در فصل زمستان، سالانه بیش از یک میلیارد دلار خسارت وارد می شود. برای پیشگیری از بیات شدن و بهبود بافت و عمر مفید محصولات پخته شده افزودنی ها و آنزیم های مناسب لازم است. پکتینازها یکی از آنزیم های در حال ظهور در صنایع نساجی و میوه هستند. این آنزیم ها برای شکستن پلی ساکاریدهای پیچیده بافت های گیاهی به مولکول های ساده تر مانند گالاکتورونیک اسیدها مورد نیاز هستند. نقش پکتینازهای اسیدی در پایین آوردن کدورت و تلخی آب میوه به خوبی به اثبات رسیده است. تولید آنزیم های پکتینولاتیک در قارچ های رشته ای به خوبی شناخته شده است. با این حال گزارش های بسیار اندکی پیرامون تولید پکتینازها به وسیله کپک های گرمادوست برای کاربرد در موادغذایی وجود دارد. حدود دو سوم از فسفر موجود در ترکیبات گیاهی برای گوسفندان و طیور به فرم فیتیک اسید (فیتات ها(۱) ، میواینوزیتول هگزاکیس فسفات ها(۲)) است که چندان محلول نیست و قابلیت هضم بسیار محدودی دارد. این حوزه از تحقیقات به منظور گسترش آن دسته از آنزیم هایی که به طور معمول برای افزایش ارزش غذایی حبوبات و غلات در رژیم غذایی طیور مورد نیاز هستند، پیشرفت کرده است. توجه این فصل بر روی وضعیت کنونی دانش در زمینه تولید، مشخصات و پتانسیل های کاربردی کاتالیزورهای زیستی قارچی (آلفا آمیلازها، گلوکو آمیلازها، پکتینازها و فیتازها) در زمینه صنایع غذایی متمرکز شده است.

مقدمه

پلیمرهای زیستی مانند سلولز، نشاسته، پکتین، زایلان و لیگنین در طبیعت فراوان هستند و بخش عمده ماده حیات را تشکیل می دهند. بعد از سلولز، نشاسته فراوان ترین پلی ساکارید تولید شده توسط گیاهان است. توانایی استفاده از این مواد به عنوان منبع کربن و انرژی به طور گسترده ای در بین حیوانات، گیاهان و ریزسازواره ها توزیع شده است. طیف گسترده ای از باکتری ها، قارچ ها و مخمرها مقادیر زیادی از آنزیم های خارج سلولی را برای تخریب این مواد در سوله های مختلف محیط زیست تولید می کنند [ ۱ ]. انواع زیادی از آنزیم های هیدرولیزکننده پلی ساکاریدها در طی چند دهه گذشته نیاز آنزیمی صنعت را برآورده کرده اند و همچنین منجر به علاقه مندی برای برنامه های غربالگری بیشتر به منظور جستجوکردن آنزیم هایی با ویژگی های جدید شده اند.
گیاهان، نشاسته را به عنوان نتیجه ای از فتوسنتز یعنی فرآیندی که طی آن انرژی از نور خورشید به انرژی شیمیایی تبدیل می شود تولید می کنند. نشاسته به عنوان یک ترکیب ذخیره ای در پلاستیدهای(۳) موجود در برگ ها سنتز می شود. نشاسته همچنین در آمیلوپلاست های موجود در غده ها، دانه ها و ریشه ها به عنوان یک ترکیب ذخیره ای طولانی مدت سنتز می شود. مورد آخر اینکه مقدار زیادی نشاسته به صورت گرانول های نامحلول در آب تجمع می یابد. شکل و قطر این دانه ها به خاستگاه گیاهی آن ها بستگی دارد. برای منابع نشاسته که از نظر تجاری مهم هستند، اندازه گرانول ها از محدوده ۱میکرومتر (نشاسته ذرت) تا ۵ میکرومتر (نشاسته سیب زمینی) می باشد. نشاسته پلیمری از گلوکز است که از طریق اکسیژن C۱ به یکدیگر متصل شده اند که به عنوان پیوند گلیکوزید شناخته می شود. پیوند گلیکوزیدی در pH بالا پایدار است اما در pH پایین هیدرولیز می شود. در انتهای زنجیره پلیمری، یک گروه آلدهید نهفته وجود دارد. این گروه تحت عنوان انتهای احیا شناخته می شود. نشاسته طبیعی در آب نامحلول است و در سلول های گیاهی به شکل گرانول های میکروسکوپی وجود دارد. اندازه و شکل گرانول ها مشخصه گیاه است. حرارت دادن در آب پیوندهای هیدوژنی مسئول به هم پیوستن گرانول ها را تضعیف می کند و باعث تورم و ژلاتینه شدن می شود. این درشت مولکول از دو جز آمیلوز (۲۰-۱۵%) و آمیلوپکتین (۸۵-۷۵%) با وزن مولکولی بالا تشکیل شده است. آمیلوز شامل یک زنجیره خطی از ریشه های گلوکز است که به وسیله پیوند گلیکوزیدی آلفا-۱ و ۴ به یکدیگر متصل شده اند. این زنجیره به صورت یک مارپیچ فنری پیچیده می شود به طوری که در هر دور شش گلوکز اضافی دارد. این ساختار مجموعه ای را تشکیل می دهد و ایجاد یک کمپلکس با رنگ آبی پر رنگ می کند. از سوی دیگر، آمیلوپکتینیک پلیمر شاخه دار است که حاوی گلوکان اتصال یافته از طریق پیوند آلفا-۱ و ۴ به همراه نقاط اتصال شاخه با پیوند آلفا-۱ و ۶ در هر ۲۶-۱۷ ریشه گلوکز می باشد. برخلاف آمیلوز، آمیلوپکتین در محلول های آبی نسبتا پایدار است و دانه های فشرده را تشکیل نمی دهد. با توجه به ساختار شاخه دار، قدرت اتصالی ید کمتر است و یک رنگ قرمز- بنفش ایجاد می شود. آمیلوز و آمیلوپکتین به دلیل تفاوت های ساختاری شان خواص فیزیکی متفاوتی را نشان می دهند. نسبت آن ها در نشاسته های طبیعی متفاوت است. نشاسته های مومی شکل حاوی هیچ آمیلوزی نیستند درحالی که نشاسته ذرت حاوی حداکثر ۸۰ درصد آمیلوز است. عموما، نسبت های آمیلوز و آمیلوپکتین در محدوده بین ۳:۱ و ۴:۱ است. این تنوع در ساختار و ترکیب نشاسته های طبیعی موجب تفاوت در تجزیه پذیری به وسیله آنزیم های آمیلولیتیک مختلف می شود.
نشاسته پلی ساکارید ذخیره ای است درحالی که سلولز از اجزای ساختاری گیاهان است. هر دو پلی ساکارید منحصرا از واحدهای گلوکز ساخته می شوند و توسط اتصالات گلیکوزیدی به هم متصل می شوند. نشاسته ذخیره غذایی اصلی در سلسله گیاهان است و به عنوان منبع غذایی و منبع انرژی اصلی در رژیم غذایی انسان ها و حیوانات عمل می کند. ریشه های گلوکز در نشاسته در جهت آلفا به هم متصل می شوند که به عنوان مثال می توان آلفا- گلوکان را نام برد. با توجه به کنفورماسیون آنومریک متفاوت این پلیمرها، برای تخریب آن ها سیستم های آنزیمی متفاوتی لازم است. گلیکوژن همانند نشاسته در حیوانات است. نشاسته را می توان به صورت تجاری از بسیاری از مواد خام از جمله، ذرت، گندم، جو، سیب زمینی، برنج، جو دو سر،کاساوا(۴)، سورگوم و... استخراج کرد [۳،۱]. نشاسته، از اجزای مهم محصولات کشاورزی و سوبسترای مناسبی برای تولید آنزیم و مواد شیمیایی است که چگالی بالای آن ذخیره سازی طولانی را تسهیل می کند و هزینه های انتقال و پیش تیمار را کاهش می دهد [ ۴ ].
صنعت فرایند نشاسته در مقیاس بالا در قرن اخیر پدید آمده است. در دهه های گذشته، شاهد تغییری از هیدرولیز اسیدی نشاسته به استفاده از آنزیم های تجزیه کننده نشاسته در تولید مالتودکسترین در نشاسته های تغییریافته و شربت های مالتوز، گلوکز و فروکتوز بوده ایم. آمیلازها در حدود ۱۵ % از بازار فروش آنزیم ها در جهان را به خود اختصاص می دهند [ ۵ ]. آنزیم های هیدرولیز کننده نشاسته علاوه بر استفاده در هیدرولیز نشاسته، در تعداد دیگری از کاربردهای صنعتی مثل مواد شوینده لباس و ظروف و همچنین به عنوان یک عامل ضدبیات شدن در صنعت پخت نان استفاده می شوند [ ۶ ].

نشاسته به عنوان سوبسترا

نشاسته به عنوان پلیمر گلوکز از پلی ساکاریدهای گیاهی است که به طور گسترده در دسترس می باشد. به عنوان یک ماده شیمیایی، نشاسته (آمیلوم(۵)) به هیچ عنوان ترکیب یکنواختی نیست، اما در مخلوطی از پلی ساکاریدها که به طور قابل توجهی در ترکیب یکنواخت هستند، پلی ساکاریدی از α-D- گلوکوپیرانوز در کنفورماسیون C۱۴ به صورت گلوکوزیدیکالی به هم متصل شده اند.
اگرچه نشاسته شامل واحدهای آلفا- دی- گلوکوزیل(۶) است که به وسیله اتصالات آلفا-۱ و ۴ یا آلفا-۱ و ۶ به هم متصل شده اند، ساختار مولکولی هر جز اصلی (آمیلوز و آمیلوپکتین) با تعریف کلی در ترکیب، مورفولوژی و خواص متفاوت است و در نتیجه نشاسته یک نهاد نیست. طول زنجیره های جز خطی اصلی (آمیلوز) متفاوت هستند، زنجیره های جانبی نیز وجود دارند که ناشی از عمل شاخه سازی آنزیم ها هستند. با توجه به اهمیت تکنیکی نشاسته و نیاز اساسی به ارتباط بین ژلاتینه شدن و فرآیندهای محلول با خواص فیزیکی، به خصوص رفتار رئولوژیکی، هنوز هم آرایش نسبی آمیلوز و آمیلوپکتین درون ساختار دانه ای مرتب و منظم نشاسته موضوع بسیاری از تحقیقات است [ ۷ ].
مولکول های متشکل از واحدهای بزرگ گلوکوپیرانوز که به وسیله اتصالات آلفا-۱و۴ به یکدیگر متصل شده اند، تشکیل مارپیچ های تو خالی را می دهند. بسته به کشش نسبی مارپیچ ها، این مارپیچ ها ممکن است به صورت مارپیچ های دوتایی دور یکدیگر بچرخند یا اینکه بدون در هم پیچیدن به صورت فشرده در کنار یکدیگر قرار گیرند. مولکول های آمیلوز و آمیلوپکتین برای تشکیل رسوبات ذخیره ای متمرکز در گرانول ها بسته بندی می شوند. از آن جایی که نشاسته یک پلی ساکارید است، باید به سرعت قابل تجزیه باشد. هیدرولیز نشاسته به دلیل طبیعت بسیار منشعب آمیلوپکتین با داشتن شاخه های نسبتا کوتاه و ماهیت مارپیچی مولکول های طویل آمیلوز (که به شدت مولکول های سلولز و کیتین فشرده نشده اند)، تسهیل می شود [ ۸ ].

آمیلوز و آمیلوپکتین

تصور می شود که بخش آمیلوز در گرانول ها به صورت یک نهاد حضور دارد که تا حد زیادی از بخش آمیلوپکتین جدا شده است. بنابراین آمیلوز قادر به جداشدن از گرانول ها، ذوب شدن و انحلال است. آمیلوز در محلول با دمای بالاتر از ۷۰-۶۰ درجه سانتی گراد پایدار است، اما در فرایند سرد شدن توسط تجمع یا کریستالیزاسیون به هم می چسبد و تقریبا بلافاصله ژل ها یا رسوبات را تشکیل می دهد. هنگامی که چنین ژل یا رسوبی تشکیل می شود، برای حل کردن آمیلوز دمای بالاتر از ۱۲۰ درجه سانتی گراد لازم است. آمیلوپکتین های حاوی شاخه های بزرگ تر، محلول ویسکوزی را تشکیل می دهد که در دمای اتاق برای چند روز در آب پایدار است. پس از ذخیره سازی طولانی مدت در دماهای پایین، آمیلوپکتین نیز می تواند با تشکیل ژل های ضعیف همراه باشد [۶].

ژلاتینه شدن

حرارت دادن سوسپانسیون نشاسته بالای یک دمای بحرانی به فرآیندی چند مرحله ای به نام ژلاتینه شدن منجر می شود. این فرآیند شامل تورم مماسی نواحی نامنظم، اختلال در ساختارهایی که به آسانی نظم یافته اند و در نهایت بازشدن ساختارهای کریستالی است به طوری که زنجیره پلیمری به شدت هیدراته می شود. ژلاتینه شدن، انتقال فاز گرانول های نشاسته از حالتی منظم و طی حرارت در آب زیاد رخ می دهد. تا زمانی که آب فراوانی وجود دارد ژلاتینه شدن به طور معمول در محدوده ثابت۶۰ -۷۰ درجه سانتی گراد رخ خواهد داد.گرانول های متورم از آمیلوپکتین غنی می شوند. آمیلوز خطی در طی ژلاتینه شدن و پس از آن به خارج از گرانول های متورم پخش می شود و در خارج از گرانول ها فاز ژل پیوسته را ایجاد می کند. تورم گرانول های درون ذرات ژل، موجب افزایش ویسکوزیته می شود. ژلاتینه شدن تا حد زیادی سبب افزایش فعالیت شیمیایی گرانول های غیرفعال نشاسته نسبت به آنزیم های آمیلولیتیک می شود؛ این روش به روش انتخابی افزایش هیدرولیز نشاسته تبدیل شده است و به صورت گسترده ای در ساخت شربت نشاسته به کار می رود [۹.۶].
صنایعی که از آنزیم ها در مقیاس بالا استفاده می کنند شامل مشروبات، نانوایی، مواد شوینده، لبنی، پردازش نشاسته، چرم و منسوجات است. درحدود ۸۰% از آنزیم هایی که به وسیله تخمیر تولید شده و در مقیاس صنعتی فروخته می شوند هیدرولیتیک هستند و تقریبا همگی خارج سلول می باشند [ ۱۰ ].

آنزیم های هیدرولیز کننده نشاسته

آنزیم های آمیلولیتیک (آلفا- گلوکانازها) اتصالات گلیکوزیدی بین آلفا- گلوکان های مختلف را هیدرولیز می کنند. عملکرد این آنزیم ها می تواند به دو دسته اندوآمیلازها و اگزوآمیلازها تقسیم شود. اندوآمیلازها، آمیلازهای دکسترینوژنیک یا مایع کننده که به صورت تصادفی فقط بر روی اتصالات آلفا- ۱ و ۴ و عمل می کنند. عملکرد آن ها منجر به شکل گیری الیگوساکاریدهای خطی و شاخه دار از زنجیره هایی با طول های متفاوت می شود (دکسترین ها). آلفا- آمیلازها نوعی از اندوآمیلازها هستند. اگزوآمیلازها، آمیلازهای saccharifying یا saccharogenicکه پلی ساکاریدها را به صورت متوالی از انتهای غیراحیا هیدرولیز می کنند که منجر به شکل گیری محصولاتی با انتهای کوتاه می شود. یکی از این دو نوع آنزیم هر پیوندی را فقط برای تولید بتا- گلوکز (گلوکوآمیلازها) می شکند و نوع دیگر هر پیوند متناوبی را برای تولید مالتوز (بتا-آمیلازها) می شکند (شکل۱-۱).



شکل ۱-۱ نقاط عملکرد هیدرولازهای مختلف بر روی نشاسته و محصولات آن ها. پیکان های کوچک نشان دهنده نقاط شاخه دار شدن هستند[۱].

آلفا-آمیلازها (۱,۴-α-D-Glucan Glucanohydrolase, E.C.۳.۲.۱.۱.)

آلفا- آمیلازها، آنزیم های خارج سلولی هستند که اتصالات گلیکوزیدی آلفا-۱ و ۴ نشاسته را به صورت تصادفی هیدرولیز می کنند و قادر به عبور از نقاط شاخه دار شدن هستند. آن ها به صورت گسترده در بین میکروب ها توزیع شده اند، به طوری که الیگوساکاریدهای خطی و شاخه دار را با طول های مختلف و همچنین گلوکز را از نشاسته آزاد می کنند. چنین الیگوساکاریدهای شاخه داری آلفا- دکسترین های محدود نیز نامیده می شوند. محصولات انتهایی دارای یک کانفیگوراسیون ۱C هستند [۱]. عملکرد آلفا-آمیلازها با از دست دادن سریع ویسکوزیته و نیز کاهش سریع در قدرت رنگ پذیری ید به دلیل شکل گیری الیگوساکاریدها همراه است. آلفا-آمیلازها بر اساس درجه هیدرولیز سوبسترا به دو دسته آلفا- آمیلازهای قندساز(۷) که قندهای آزاد تولید می کنند و آلفا- آمیلازهای روان ساز(۸) که پلیمر نشاسته را می شکنند اما قند آزاد تولید نمی کنند، تقسیم می شوند. آلفا- آمیلازهای روان ساز سبب کاهش سریع ویسکوزیته خمیرهای نشاسته می شوند، درحالی که آلفا- آمیلازهای قندساز نسبت به میزان قندهای احیایی آزاد شده، ویسکوزیته را با سرعت کمتری کاهش می دهند.
کاربردهای تجاری آلفا- آمیلازها بسیار زیاد است. احتمالا بیشترین حجم برای رقیق و آبکی کردن نشاسته در فرآیند روان سازی در صنایع قند، الکل و آب جو استفاده می شود. همچنین آلفا-آمیلازها در آهارزدایی پارچه ها، صنعت پخت، تولید چسب، داروها، مواد پاک کننده، تیمار فاضلاب و خوراک حیوانات استفاده می شوند.

بتا-آمیلازها (۱, ۴-α–D-Glucan Maltohydrolase, E.C.۳.۲.۱.)

بتا- آمیلازها اغلب دارای منشا گیاهی هستند، اما برخی از تولیدکنندگان میکروبی نیز شناخته شده اند. این اگزوآنزیم پیوند متناوب آلفا-۱ و ۴ را از انتهای غیراحیا هیدرولیز می کند که به وارونگی کنفورماسیون آنومری مالتوز آزاد شده به فرم بتا منجر می شود، بنابراین بتا- آمیلاز نامیده می شود. این آنزیم قادر به عبور از پیوندهای آلفا-۱ و ۶ سوبستراهای شاخه دار مانند آمیلوپکتین نیست. بنابراین تخریب یک چنین سوبستراهایی، به صورت ناکامل است. در نتیجه محصولات نهایی مالتوز و بتا- دکسترین های محدود با وزن مولکولی بالا هستند. در برخی از موارد، ریز سازواره ها آنزیم های خارج سلولی مشابهی را تشکیل می دهند، اما به جای مالتوز، سایر الیگوساکاریدها با اندازه تعریف شده (مالتوتتروز، مالتوهگزوز وغیره) تشکیل می شود که انتهاهای احیا دارای کنفورماسیون آلفا هستند. صنایع غذایی و نوشیدنی بتا- آمیلاز را برای تبدیل نشاسته به مالتوز استفاده می کنند [۱۱].

گلوکوآمیلاز (۱,۴-α-D-Glucan Glucanohydrolase, E.C.۳.۲.۱.)

این آنزیم به ارتباطات آلفا-۱ و ۴ از آلفا- گلوکان ها از انتهاهای غیراحیایی و همچنین ارتباطات آلفا-۱ و ۶، البته با یک سرعت بسیار آهسته حمله می کند.گلوکوآمیلاز عمدتا پلی ساکاریدهای با وزن مولکولی بالا را تخریب می کند. این آنزیم ها نشاسته را به گلوکز با بازده نظری ۱۰۰% هیدرولیز می کنند [۱۲]. گلوکوآمیلاز کاربردهای فراوانی در صنایع مواد غذایی و تخمیری شامل فرآیندهای تبدیل نشاسته به قند، آب جو و عصاره گیری کسب کرده است [۱۳]. در بین آنزیم های صنعتی در سراسر جهان، این آنزیم ۱۴% سهم توزیع و فروش (جایگاه دوم) را کسب کرده است [۱۲]. گلوکوآمیلاز که به عنوان آمیلوگلوکوزیداز و گاما- آمیلاز نیز شناخته می شود، یک آنزیم از نوع قارچی است. با کاهش یافتن طول زنجیره سوبسترای دکسترین سرعت واکنش کاهش می یابد و مالتوز به آرامی بیشتری مورد حمله قرار می گیرد [۱۴]. زمان گرمخانه گذاری طولانی و غلظت بالای نشاسته، اغلب منجر به معکوس شدن واکنش کاتالیز شده با گلوکوآمیلاز می شود. این امر منجر به شکل گیری مالتوز، ایزومالتوز و برخی الیگوساکاریدها می شود [۲]. گلوکوآمیلازها از نظر تجاری به منظور استفاده در قنادی و تولید اتانول درهیدرولیز نشاسته برای تولید شربت گلوکز و شربت فروکتوز مهم هستند [۱۵،۱۱].

سیکلودکسترین گلیکوزیل ترانسفراز(CGTase)

{۱,۴-α-D-Glucan ۴-α- D -(۱,۴ α-D-Glucano)- Transferase(Cyclizing), E.C.۲.۴.۱.۱۹}

آنزیم CGTase تنها در باکتری ها دیده شده است و تعدادی از آلفا، بتا، گاما سیکلو دکسترین ها را (حلقه هایی که به ترتیب از ۷،۶و۸ واحد گلوکز ساخته شده اند و به وسیله پیوندهای آلفا-۱ و ۴ متصل شده اند) از نشاسته، آمیلوز و سایر پلی ساکاریدها تولید می کند. علاوه بر این، CGTase همچنین واکنش اتصال را که در آن حلقه ها باز می شوند و به سوبستراهای همراه مانند گلوکز، مالتوز یا ساکاروز انتقال می یابند را کاتالیز می کنند. آنزیم همچنین واکنش نامتجانسی را کاتالیز می کند که در آن یک یا بیشتر واحدهای گلایکوزیل بین الیگوساکاریدهای خطی انتقال داده می شوند. در نهایت، یک واکنش هیدرولیز به وسیله آنزیم هایی که در حال تولیدکردن دکسترین ها هستند کاتالیز می شوند.

آلفا-گلوکوزیداز (α-D-Glucoside Glucohydrolase, E.C.۳.۲.۱.۲۰)

آلفا- گلوکوزیداز اتصالات آلفا-۱ و ۴ یا آلفا- ۱ و ۶ از ساکاریدها را که به وسیله عملکرد سایر آنزیم های آمیلولیتیک شکل گرفته اند هیدولیز می کند و واحدهای آلفا- دی گلوکز را از انتهای غیر احیا آزاد می کند. به نظر می رسد که این آنزیم، آنزیم نهایی درگیر در شکستن نشاسته است. اکثر آنزیم ها تمایل بالایی را به سمت مالتوز نشان می دهند به طوری که آن ها تحت عنوان مالتازها شناخته می شوند.

ایزوآمیلاز (Glycogen ۶-Glucanohydrolase, E.C.۳.۲.۱.۶۸)

ایزوآمیلاز اتصالات آلفا- ۱ و ۶ را در پلی ساکاریدهایی مثل آمیلوپکتین، گلیکوژن و دکسترین های شاخه دار در یک روش خارج سلولی هیدرولیز می کند. با این وجود، این آنزیم نمی تواند پیوندهای آلفا- ۱ و ۶ از پولولان را تخریب کند. ایزوآمیلازها در تولید شربت گلوکز و مالتوزبرای بریدن شاخه استفاده می شوند [۱۱].

پولولاناز

پولولانازها آنزیم های جداکننده شاخه هستند که پیوندهای آلفا- ۱ و ۶ آمیلوپکتین و پولولان را هیدرولیز می کنند ولی فعالیت آن ها روی گلیکوژن بسیار ضعیف است.

* پولولاناز نوع ۱
  (α-dextrin ۶ – glucanohydrolase, E.C.۳.۲.۱.۴)
این آنزیم یک آنزیم باکتریایی متداول است که برای پیوندهای آلفا-۱و۶ در آمیلوپکتین یا محصولات حاصل از تخریب آن اختصاصی است، اما قادر به حمله کردن به پیوندهای آلفا-۱و۴ در آلفا-گلوکان ها نیست. این آنزیم به صورت انحصاری به پیوندهای آلفا-۱و۶ در پولولان به صورت تصادفی حمله می کند و سبب تبدیل کامل آن به مالتوتریوز می شود.

* پولولاناز نوع ۲
(amylase–pullulanase/amylopullulanase):
این آنزیم به طور عمده در بین باکتری های بی هوازی توزیع شده است و علاوه بر اتصالات آلفا ۴-۱ قادر است نقاط شاخه ها (اتصالات آلفا ۶-۱) را نیز هیدرولیز کند که سبب می شود نشاسته بدون نیاز به سایر آنزیم ها به طور کامل به قندهای کوچک تبدیل شود.

فرآیند متداول هیدرولیز نشاسته

آلفا- آمیلاز، بتا- آمیلاز، گلوکوآمیلاز و پولولاناز عمده آنزیم های آمیلولیتیکی (هیدرولیزکننده نشاسته) هستند که در صنعت برای تولید گلوکز، مالتوز و مالتوالیگوساکاریدها استفاده می شوند [۴]. شرایطی که تحت آن پردازش نشاسته باید صورت بگیرد توسط خصوصیات آنزیم هایی که در فرآیند مورد استفاده قرار می گیرند تعیین می شود. شربت های گلوکز و مالتوز اغلب تحت یک فرآیند دو مرحله ای قندسازی(۹) و روان سازی(۱۰) و از نشاسته تولید می شوند. اول یک دوغاب آبی از نشاسته (DS۳۰-۴۰%) ژلاتینه می شود (۱۰۵ درجه سانتی گراد، ۵ دقیقه) و به وسیله آلفا- آمیلاز بسیار مقاوم به حرارت تا حدود DE۱۰-۵ به صورت جزئی هیدرولیز (۹۵ درجه سانتی گراد، ۲ ساعت) می گردد.
برای واکنش، pH بهینه بین ۵/ ۶-۶ است و کلسیم (عموماًppm ۵۰) نیز مورد نیاز می باشد. سپس در طی قندسازی، برای بازده گلوکز بیشتر از ۹۶-۹۵%، گلوکوآمیلاز (۶۰ درجه سانتی گراد، pH ۵/ ۴-۴، ۴۸ ساعت)، یا برای بازده مالتوز حدود ۸۵-۸۰%، بتا-آمیلاز (۵۵ درجه سانتی گراد، ۵ /۵-۵، ۷۲ ساعت) اضافه می شود. فلمینگ [۱۶] گلوکوآمیلاز را در دو گروه دسته بندی کرد که یکی از آن ها نشاسته و بتا- دکسترین های محدود را به طور کامل به گلوکز و دیگری نشاسته و بتا- دکسترین محدود را به ترتیب به ۸۰ % و ۴۰% گلوکز تبدیل می کند. به تازگی رایلی [۱۷] تاکید کرد که استفاده از گلوکوآمیلاز در صنایع نشاسته ممکن است از مقاومت حرارتی و افزایش فعالیت در گستره pH طبیعی بهره مند شود.
گلوکوآمیلاز به تنهایی برای بهبود کارآمدی تبدیل نشاسته به گلوکز یا با بتا- آمیلاز برای افزایش سطح مالتوز در شربت مالتوز بالا استفاده می شود [۱۸]. با توجه به تغییرpH، مقدار زیادی از نمک ها باید به وسیله مبدل های یونی حذف شوند. به غیر از نخستین گام، سایر مراحل زمان بر هستند که در بیشتر موارد منجر به واکنش های معکوس و بازده پایین تر می شود. بنابراین، محصولات نامطلوب مثل الیگوساکاریدهای شاخه دار، پانوز، ایزوپانوز و ایزومالتوز تشکیل می شوند. بهبود در فرآیند تبدیل نشاسته به وسیله یافتن آنزیم هایی با کارایی جدید و مناسب که دارای پایداری حرارتی بالا، توانایی کارکردن در محدوده pH اسیدی تا خنثی هستند و مستقل از نیاز به یون های فلزی برای فعالیت هستند تسهیل می شود. همه این خصوصیات با یکدیگر می توانند به طور قابل توجهی هزینه تولید شربت قند را کاهش دهند [۱۹،۱].

فرآیند ایده آل

ارگانیسم های گرمادوست منابع مهمی برای تولید کارآمد آنزیم های مقاوم به حرارت هستند. تولید آنزیم هایی که به صورت همزمان به پیوندهای آلفا-۱و۴ وآلفا-۱و۶ حمله می کنند ممکن است فرآیند تبدیل نشاسته به قند را افزایش دهد. برای جایگزینی آنزیم هایی که به طور سنتی استفاده می شوند، پیدا کردن آنزیم های با مقاومت حرارتی بالا با خواص منحصر به فرد از اهمیت بیشتری برخوردار است [۲۰]. تولید فراوان چنین آنزیم هایی می تواند به وسیله به کارگیری تکنیک های ژنتیکی و بهینه سازی فرآیندهای تخمیر به دست آید [۱۲،۱۱]. آنزیم های دارای توانایی هیدرولیز همزمان پیوندهای آلفا-۱و۴ و آلفا-۱و۶ نوع جدیدی از پولولانازها هستند و نام های مختلفی مانند آمیلاز- پولاناز [۲۲] و آمیلوپولاناز به آن ها داده شده است [۱۹].

آنزیم های ترموفیل و مقاوم به حرارت

مزایای آنزیم های مقاوم به حرارت
کاتالیزورهای زیستی گرمادوست نه تنها به دلیل پایداری دمایی شان بلکه همچنین به دلیل مقاومت بیشتر به عوامل دناتوره کننده و تحمل غلظت های بالاتر املاح (واکنش دهنده ها)، دارای اهمیت می باشند. درجه بالاتر گرمادوستی یک ارگانیسم لزوما بیانگر آن نیست که آنزیم های خالص مشتق شده از یک چنین ارگانیسم هایی همیشه نسبت به دما بسیار مقاوم خواهند بود. با این حال، این واقعیت باقی می ماند که برای پیدا کردن آنزیم های مقاوم تر به حرارت و مقاوم تر به مواد شیمیایی شانس بهتری در ترموفیل ها نسبت به مزوفیل ها وجود دارد. همچنین از ترموفیل ها بازده تولیدی بالایی انتظار می رود. براساس قانون آرنیوس، افزایش در دما، واکنش های شیمیایی و آنزیمی و در نتیجه رشد میکروبی و شکل گیری محصول را سرعت می بخشد. متاسفانه، بهره وری تنها در قالب ضریب بازده معین می شود و نه نرخ تولید محصول خاص که پارامتری است که اجازه مقایسه مستقیم و آسان را بین ارگانیسم ها می دهد [۲۳].
مزایای استفاده از آنزیم ها به عنوان کاتالیزورها در فرآیندهای صنعتی در اختصاصیت و کارآمدی آن ها قرار دارد که منجر به تولید محصولات جانبی، ضایعات با سمیت کمتر، و کاهش مشکلات حمل می شود (شکل۲). معایب اصلی استفاده از آنزیم ها در مشکلات پایداری و هزینه بالاست. دومی تا حدی بستگی به اولی دارد، چرا که دفعات تعویض آنزیم در یک بیوراکتور (بنابراین کل هزینه های تولید) وابسته به پایداری است. به طورکلی به دلیل بازده کم آنزیم در واحد توده زیستی، هزینه استخراج و تغلیظ یا خالص سازی، از دست دادن فعالیت طی خالص سازی و ذخیره سازی، هزینه تولید به خودی خود بالا است و پایداری حین حمل یک آنزیم نیز یک فاکتور است [۲۵،۲۴].
استفاده از آنزیم های مقاوم به حرارت سبب کاهش مشکلات پایداری می شود و با این کار برخی هزینه های تولید و تعویض در بیوراکتور را کاهش می دهد. پایداری آنزیم های ترموفیل ها باید نسبت به آنچه که برای مزوفیل ها امکان پذیر است، به بازیابی بهتری در دمای محیط منجر شود. فعالیت اندک آنزیم های بسیار گرمادوست در دمای محیط مشکلات حمل و ذخیره سازی را آسان می کند و پیشنهاد شده است که انعطاف ناپذیری مولکولی نسبی که منجر می شود به این غیر فعال شدن در دمای پایین تر، سبب کاهش پاسخ ایمنی به این چنین پروتئین هایی می شود، بنابراین خطرات احتمالی بهداشتی را کاهش می دهد [۲۵]. علاوه بر مقاومت حرارتی بالاتر، دیگر مزایای احتمالی استفاده از آنزیم های گرمادوست افزایش مقاومت شیمیایی، عمر مفید طولانی تر و مشکلات مربوط به آلودگی کمتر است (جدول ۱-۱) [۲۳].



شکل ۱-۲ هیدرولیز اسیدی نشاسته

بسیاری از آنزیم هایی که در حال حاضر در فرآیندهای صنعتی استفاده می شوند اگرچه نشات گرفته از باکتری ها یا قارچ های مزوفیل هستند نسبت به حرارت کاملا مقاوم می باشند. با این حال مقاومت حرارتی در آنزیم های مربوط به مزوفیل ها استثنا است نه یک قانون. از آنجا که آنزیم های مفید صنعتی معمولا باید به حرارت مقاوم باشند، این ویژگی در برنامه های غربالگری آنزیم ها دارای اهمیت اصلی است. همچنین این مساله مهم است زیرا اساس درونی نهفته در پایداری حرارتی آنزیم های گرمادوست هنوز مشخص نشده است و بنابراین مهندسی این ویژگی به درون آنزیم هایی که کمتر گرمادوست هستند در حال حاضر امکان پذیر نیست. کلونینگ و بیان موفق ژن های کدکننده آنزیم های فوق ترموفیل در میزبان های مزوفیل دسترسی به کاتالیزورهای زیستی دمای – بالا را بهبود بخشیده است [۲۶].

جدول۱-۱- مزایای آنزیم های مقاوم به حرارت در فرآیندهای صنعتی
شماره



آلفا-آمیلازها

آلفا- آمیلازهای با عملکرد داخلی پیوندهایی را در داخل پلیمر نشاسته به روش تصادفی هیدرولیز می کنند که منجر به شکل گیری الیگوساکاریدهای خطی و شاخه دار می شود. یک سری از آلفا- آمیلازها در جدول ۱-۲ ذکر شده است. گروه های احیاشده قندی با کنفورماسیون آنومریک آلفا آزاد می شوند. بیشتر آنزیم های هیدرولیزکننده نشاسته به خانواده آلفا آمیلاز متعلق هستند [۲۷]، که حاوی یک دمین کاتالیتیکی مشخص بشکه ۸(α/β) هستند. خانواده آلفا- آمیلازها همچنین به عنوان خانواده ۱۳ گلیسرول هیدرولازها شناخته می شوند [۲۸]. این گروه شامل آنزیم هایی با ویژگی های زیر هستند:
i) آن ها بر روی پیوندهای آلفا- گلیکوزیدی عمل می کنند و این پیوندها را برای تولید منوالیگوساکاریدهای آنومریک هیدرولیز می کنند، پیوندهای گلایکوزیدی آلفا-۱و۴ یا آلفا-۱و۶ را تشکیل می دهند (ترانس گلایکوزیلیشن)، یا یک ترکیبی از هر دو این فعالیت ها را انجام می دهند.
ii) آن ها دارای یک ساختار بشکه ۸(α/β) یاTIM (شکل ۱-۳) هستند که حاوی جایگاه کاتالیتیک می باشد.
ii) آن ها در توالی اولیه خود دارای چهار ناحیه بسیار حفاظت شده هستند که اسید آمینه های تشکیل دهنده جایگاه کاتالیتیک و همچنین تعدادی از اسید آمینه های ضروری برای پایداری توپولوژی بشکه حفاظت شده TIM را در بر دارند [۲۴].



شکل۱-۳ نمایی شماتیک از بشکه ۸(α/β) (A) و ساختار سه بعدی از آلفا-آمیلاز آسپرژیلوس اریزا یا B)Taka) آمیلاز به دست آمده از بانک اطلاعاتی پروتئین

تبدیل نشاسته به قند همکاری مجموعه ای از چندین آمیلاز است که در بین آن ها آلفا- آمیلاز ریزوموکور پوسیلوس(۱۱) و گلوکوآمیلاز (Thermomucor indicae-seudaticae (E.C. ۳.۲.۱.۳ کاتالیزورهای زیستی قالب در تبدیل نشاسته به قند هستند [۴۵]. آلفا- آمیلاز نشاسته، گلوکاگون و پلی ساکاریدهای مرتبط را به وسیله برش تصادفی پیوندهای گلیکوزیدی درونی آلفا-۱و۴ هیدرولیز می کند و الیگوساکاریدهایی با طول های مختلف آزاد می کند [۱]. آن ها به صورت تجاری به طور عمده از ریزسازواره هایی مثل گونه های آسپرژیلوس تولید می شوند و حدود ۳۳-۲۵% از بازار جهانی آنزیم، یعنی جایگاه دوم پس از پروتئازها را به خود اختصاص می دهند.
کاربردهای آمیلازها در تولید شربت ذرت فروکتوز بالا (HFCS)، مواد شوینده، پخت و پز و اتانول است [۴۶،۱۵،۱۱،۱]. بازار جهانی برای آنزیم های پردازش کننده نشاسته در حدود ۱۵۶ میلیون دلار آمریکا است و هزینه آنزیم هایی که در فرآیند روان سازی استفاده می شوند ۲۴% از کل هزینه فرآیند را به خود اختصاص می دهند [۴۷]. بنابراین، هرگونه بهبود در تولید، پایداری دمایی یا فعالیت آنزیمی تاثیر مستقیم بر روی عملکرد و همچنین اقتصادی و امکان پذیر بودن فرآیند خواهد داشت [۴۸]. قارچ ها به طور گسترده ای برای تولید تجاری آلفا- آمیلازهای مقاوم به حرارت استفاده می شوند [۱]، یک مثال آمیلازهای خارج سلولی ترمواسیدوفیل از ریزوموکور پوسیلوس است. مهم ترین ویژگی ارگانیسم های ترموفیل توانایی آن ها در تولید آنزیم های مقاوم به حرارت با یک ثبات عملیاتی بالاتر و ماندگاری طولانی تر است [۵۰]. آلفا-آمیلازهایی که در حال حاضر در تبدیل نشاسته به قند استفاده می شوند برای فعالیت یا پایداری نیازمند ۲+Ca هستند. نیاز فوری به یک آلفا- آمیلاز جدید که به ۲+Ca نیاز نداشته باشد مورد تاکید قرار گرفته است [۱].

آلفا-آمیلازهای قارچی

آلفا-آمیلازها 
(alpha-۱, ۴-glucan-۴-glucanohydrolases, EC. ۳.۲.۱.۱)
گروهی از آنزیم ها را تشکیل می دهند که هیدرولیز نشاسته و سایرالیگو و پلی ساکاریدهای گلیکوزیدی خطی و
شاخه دار ۱و۴ را کاتالیز می کنند. بخش زیادی از جمعیت جهان غذا و انرژی شان یا از طریق استفاده مستقیم از نشاسته و یا از هیدرولایزهای آن مشتق می شود [۵۷].
به دلیل درک بسیار اندک از مزایای بالقوه کاتالیزورهای بیولوژی، تولید قند به وسیله هیدرولیز اسیدی نشاسته تا قرن ۱۹ قابل قبول بود. هنگامی که تکنولوژی آنزیم شناسی پیشرفت کرد، تعدادی از آمیلازهای بسیار ویژه متناسب با پردازش تجاری نشاسته در دسترس قرار گرفت که محدودیت های قبلی ها شامل نیاز به دمای بالا (۴۰-۱۵۰ درجه سانتی گراد) و pH پایین در ۲، بازده گلوکز پایین، شکل گیری رنگ های ناخواسته، شکل گیری ترکیبات تلخ مزه و نیاز برای ظروف مقاوم در برابر خوردگی [۱۵] که به تدریج با کاتالیزورهای زیستی جایگزین شد را نداشتند. امروزه در حدود ۹۹/۹۹% پردازش نشاسته بر مبنای آنزیم ها است.

جدول۱-۲- ویژگی های آلفا- آمیلازهای قارچی





آلفا- آمیلازها در برابر دما بسیار مقاوم هستند، در نتیجه برای فرآیندهایی مثل روان سازی نشاسته در فرآیند تولید دکستروز که در دماهای بالا انجام می شوند، بسیار مناسبند. گروه دیگری از آلفا- آمیلازها که تحت عنوان فانگامیل شبه آلفا آمیلاز(۱۲)به آن ها اشاره می شود، آلفا- آمیلازهایی هستند که مرتبط یا هومولوگ با آلفا- آمیلازهای مشتق شده از آسپرژیلوس اریزا(۱۳)می باشند فانگامیل شبه آلفا آمیلازمقاومت دمایی نسبتا کمی دارند و محصول تجاری آن تحت نام تجاری فانگامیل(۱۴) به وسیله نووآنزیم(۱۵) دانمارک فروخته می شود. این آنزیم دارای دمای بهینه ۵۵ درجه سانتی گراد است و برای فرآیندهایی که در دمای بالا انجام می شوند مناسب نیست. امروزه فانگامیل شبه آلفا آمیلازها برای ساخت شربت ها، به عنوان مثال در صنعت شربت فروکتوز بالا استفاده می شوند. واضح است که فراهم کردن یک آلفا- آمیلاز با مقاومت حرارتی افزایش یافته ترجیحا در یک pH اسیدی سودمند خواهد بود.
مدت ها پیش در سال۱۹۸۰، سامکوتی(۱۶) و اشتاینبرگ(۱۷) [۴۹] توضیح دادند که یک آلفا- آمیلاز ترمواسیدوفیلیک و خارج سلولی از ریزوموکور پوسیلوس (موکورپوسیلوس(۱۸)) از خاک جداسازی و مشخص شده است. آن ها تصریح می کنند که "از آنجا که دمای بالا و pH اسیدی شرایط بهینه برای هیدرولیز اقتصادی نشاسته هستند، استفاده از آمیلازهای مقاوم به حرارت و مقاوم به اسید از منابع میکروبی برای اهداف صنعتی توصیه شده است". در ادامه این محققین در رابطه با آمیلاز ریزوموکور نتیجه گرفتند که "ظاهرا این اولین نمونه از آلفا- آمیلاز قارچی است که اسیدوفیلی و ترموفیلی را به طور همزمان نشان می دهد". به تبع آن، آلفا- آمیلاز ریزوموکور پوسیلوس باید از اهمیت اقتصادی برخوردار باشد [۴۹].

کاربردهای آلفا-آمیلاز

روان سازی و تبدیل کردن نشاسته به قند
نشاسته به کمک کاتالیزورهای زیستی به شربت ذرت فروکتوز بالا (HFCS) تبدیل می شود. با توجه به ویژگی شیرین کنندگی بالای این ها، در صنایع نوشیدنی به عنوان شیرین کننده برای نوشیدنی های غیر الکلی در مقادیر بالا استفاده می شوند [۵۲،۴۷] (شکل ۱-۴ و ۱-۵). این فرآیند برای روان سازی نشاسته و تبدیل کردن آن به قند نیازمند استفاده از آلفا- آمیلازهای بسیار مقاوم به حرارت است [۵۳]. در طی روان سازی، گرانول های نشاسته در یک اجاق گاز جت در ۱۰۵ تا ۱۱۰ درجه سانتی گراد به مدت ۵ دقیقه در محلول آبی ژلاتینه می شوند (pH بین ۸/ ۵ تا ۵/ ۶) و سپس با استقاده از آلفا- آمیلاز مقاوم به حرارت در ۹۵ درجه سانتی گراد به مدت ۲ تا ۳ ساعت تا حدودی هیدرولیز می شوند. ژلاتینه شدن ناقص نشاسته سبب مشکلات تصفیه در فرآیندهای پایین دستی می شود [۵۴]. بعد از روان سازی، برای مرحله تبدیل کردن نشاسته به قند pH برای ۲/ ۴ تا ۵ تنظیم می شود و دما به ۵۵ تا ۶۰ درجه سانتی گراد کاهش داده می شود. این تنظیمات pH هزینه های مواد شیمیایی را افزایش می دهد. همچنین به منظور حذف نمک های اضافه شده، نیاز به تصفیه تبادل یونی محصول نهایی ایجاد می شود.



شکل ۱-۴ کاربردهای گوناگون آلفا-آمیلازها در صنایع مختلف



شکل ۱-۵ برخی شیرین کننده های تجاری توسط آلفا-آمیلازهای قارچی تهیه شده اند.

همچنین هیدرولیز کردن در دماهای بالا پلیمریزاسیون دی- گلوکز به ایزو- مالتوز را به حداقل می رساند [۵۵]. آنزیم های آمیلولیتیک که مالتو- الیگوساکاریدهای ویژه را با بازده بالا از نشاسته تولید می کنند به طور قابل ملاحظه ای مورد توجه قرار گرفته اند. چنین آنزیم هایی دارای طیف وسیعی از پتانسیل های کاربردی در صنایع غذایی (شکل ۱-۵)، شیمیایی و دارویی هستند [۵۶].
آلفا- آمیلاز ساکاروژنیک نسبتا مقاوم به حرارت از آسپرژیلوس اریزا به طور صنعتی در تولید شربت های مالتوز استفاده می شود و تقاضای رو به رشدی برای شربت های مالتوز بالا وجود دارد (جدول ۱-۳) [۵۷]. اگرچه آلفا آمیلازهای مالتوژنیک از آکتینومایست ها که منجر به بازده ۸۰-۵۳ % مالتوز می شوند گزارش شده اند [۵۸]، پتانسیل صنعتی آن ها به وسیله مقاومت حرارتی متوسط و نیاز به ۲+Ca محدود شده است. استفاده از آنزیم های غیروابسته به ۲+Ca در هیدرولیز نشاسته اضافه کردن ۲+Ca در روان سازی را حذف می کند و متعاقب آن حذف از جریان محصولات به وسیله مبدل های یونی را از بین می برد [۵۵،۵۱].

جدول ۱-۳ آنالیز مقایسه ای هیدرولیز نشاسته به وسیله اسید و آنزیم ها
ترکیب شکر به دست امده از هیدرولیز اسیدی آب میوه



صنعت مواد شوینده

آنزیم ها در حال حاضر یکی از ترکیبات مواد شوینده کم حجم مدرن را تشکیل می دهند. مزیت اصلی کاربرد آنزیم در شوینده ها، ناشی از شرایط ملایم تر نسبت به شوینده های فاقد آنزیم است. در اوایل مواد شوینده ماشین ظرف شویی بسیار سخت بودند و با ظروف چینی و چوبی سازگار نبودند. این مساله صنایع مواد شوینده را به جستجو برای محلول های کارآمدتر و ملایم تر واداشت [۵۹].
آنزیم ها همچنین امکان پایین آوردن دمای شست وشو را فراهم می آورند. آلفا- آمیلازها در مواد شوینده پودر لباس شویی از سال ۱۹۷۵ مورد استفاده قرار گرفته اند. در حال حاضر ۹۰% از شوینده های مایع حاوی آلفا- آمیلازها هستند [۶۰]. یکی از محدودیت های آلفا- آمیلازها در مواد شوینده پایداری آنزیم در pH قلیایی و محیط دارای مقدار کم ۲+Ca است. بیشتر آمیلازها با مواد شوینده و عوامل اکسیداتیو ناپایدار هستند. اخیرا دانشمندانی از دو عرضه کننده عمده مواد شوینده آنزیمی، نووزیم و Genencor International برای بهبود شوینده ها و ثبات آمیلازها نسبت به سفید کننده از مهندسی پروتئین استفاده کرده اند [۶۲،۶۱]. این دو شرکت محصولات جدید را تحت نام های تجاری ® Purafect OxAm و ® Duramyl به بازار معرفی کرده اند.

صنعت کاغذ

استفاده از آلفا- آمیلاز برای تولید نشاسته با ویسکوزیته پایین، وزن مولکولی بالا برای پوشاندن کاغذ گزارش شده است [۶۳]. همانند منسوجات، برای محافظت از کاغذ در مقابل آسیب های مکانیکی در طی فرآیند، آهار زدن کاغذ انجام می شود. این کار همچنین کیفیت کاغذ نهایی را بهبود می بخشد. آهار زدن سختی و استحکام را در کاغذ افزایش می دهد. این عمل همچنین توانایی پوشش دهی را بهبود می بخشد و پوشش خوبی را برای کاغذ فراهم می کند. نشاسته همچنین یک عامل آهار کننده خوب برای پایان دادن کاغذ است. نشاسته در منگنه آهار به کاغذ اضافه می شود و کاغذ از طریق عبور از دو غلتک که دوغاب نشاسته را منتقل می کنند به نشاسته آغشته می شود. دمای این فرآیند در محدوده ۵۰ تا ۶۰ درجه سانتی گراد قرار دارد. ویسکوزیته نشاسته طبیعی برای آهار زدن کاغذ بسیار بالاست و به وسیله تجزیه بخشی از پلیمر با آلفا- آمیلازهای مقاوم به حرارت کنترل می شود. تعدادی از آمیلازها برای استفاده در صنعت کاغذ وجود دارند که شامل آمیزیم(۱۹)، ترمامیل(۲۰)، فانگامیل، بان(۲۱) (نووزیم، دانمارک) و آلفا – آمیلاز(۲۲) ® G ۹۹۹۵ می باشند.

صنعت پخت و پز

برای دهه ها آنزیم هایی مانند آلفا- آمیلازهای میکروبی و مربوط به جو به صورت گسترده ای در صنعت پخت استفاده می شدند [۶۵، ۶۴]. این آنزیم ها در نان و محصولات مشابه برای ارائه محصولات دارای کیفیت بالایی که رنگ بهتر و خرده نان نرم تر دارند، استفاده می شدند. بسیاری از آنزیم ها مانند پروتئازها، لیپازها، زایلانازها، پولانازها، پنتونازها، سلولازها، گلوکز اکسیداز، لیپواکسیژناز در صنعت نان برای اهداف مختلف استفاده می گردند، اما هیچ یک قادر نیستند جایگزین آلفا- آمیلازها شوند.
تا به امروز، آلفا- آمیلازهای استفاده شده در پخت نان، آنزیم های غلات که به ندرت از جو و آنزیم های میکروبی از قارچ ها بوده اند [۶۷، ۶۶]. مکمل سازی آمیلاز در آرد نه تنها سرعت تخمیر را افزایش و ویسکوزیته خمیر را کاهش می دهد (که منجر به بهبود در حجم و بافت محصول می گردد)، بلکه همچنین در خمیر قند اضافی تولید می کند که طعم، رنگ پوست نان و کیفیت برشته شدن نان را بهبود می بخشد [۶۸].
به محض ذخیره سازی، خرده نان خشک و سفت می شود، قسمت خشک نان خشکی اش را از دست می دهد، و متعاقب آن عطر و طعم نان خراب می شود. همه این تغییرات ناخوشایند در نان با یکدیگر به عنوان بیات شدن شناخته می شود. بهبود انحطاط بخش نشاسته ای در بیات شدن نان تاکید شده است [۶۹]. تنها در آمریکا به علت بیات شدن نان سالانه بیش از یک میلیارد دلار ضرر وارد می شود.
افزودنی های مختلف مرسوم برای جلوگیری از بیات شدن و بهبود بافت و عطر و طعم محصولات پخته شده استفاده می شوند. افزودنی هایی شامل مواد شیمیایی، قندهای کوچک، آنزیم ها با/ بدون سایر ترکیبات، پودر شیر، امولسیفایرها، مونوگلیسریدها یا دی گلیسریدها، استرهای قندی و لکتین [۷۰]. اخیرا بر روی استفاده از آنزیم هایی مانند آلفا- آمیلاز در بهبود خمیر به عنوان عوامل ضد بیات شدن تاکید شده است [۷۲،۷۱]. ترکیب پولانازها و آلفا آمیلاز برای ضد بیاتی کارآمد استفاده می شود [۷۳].

تولید بیواتانول

برای هزاران سال، اتانول برای مصرف انسان تولید شده است و حداقل هزار سال است که تولید نوشیدنی های الکلی غلیظ با استفاده از تقطیرامکان پذیر شده است. در روزهای اولیه صنعت میکروبیولوژی اتانول برای استفاده به عنوان ماده خام شیمیایی از طریق تخمیر تولید می شد، در بسیاری از جاها، عمدتا از طریق هیدریتاسیون کاتالیتیکی اتیلن. در سال های اخیر، توجهات مجددا بر روی تولید اتانول برای اهداف شیمیایی و سوخت به وسیله فرآیندهای تخمیری معطوف شده است.
در برزیل، در اوایل سال۱۹۸۲ حدود ۳۰ درصد از واردات نفت به وسیله تولید اتانول از نیشکر، شامل ۶۰-۸۰ نیروگاه تخمیری جداگانه، جایگزین شد. در ۱۹۸۶، در ایالات متحده آمریکا ۶۵ نیروگاه تخمیری جداگانه مورد استفاده قرار گرفت. بیواتانول که به وسیله تخمیر از منابع زیست توده تولید می شود، نوید بخش ترین سوخت زیستی و ماده شروع کننده چندین فرآیند شیمیایی است. در ایالات متحده، اتانول تولید شده از نشاسته ذرت هم اکنون به عنوان سوخت زیستی استفاده می شود و حجم تولیدی به سرعت افزایش یافته است. با این وجود فرآیندهایی برای کاهش هزینه های بالای تولید لازم است. تولید سوخت اتانول به وسیله تخمیر نیازمند توانایی برای تولید سریع غلظت های بالای اتانول با حفظ بازده مناسب است. برای به حداقل رساندن هزینه های سرمایه و انرژی مورد نیاز برای تقطیر، تخمیر سریع و سطوح الکلی بالا مطلوب هستند، درحالی که بازده خوب برای بقای اقتصادی لازم است.
به طور سنتی، تخمیر اتانول مبتنی بر سوبستراهای غنی از قند، عمدتا نیشکر است، چون که کربوهیدرات های آن ها به فرم قابل تخمیر است. با این وجود نیشکر یک ماده گران است و چون یک محصول فصلی است به طور مداوم در دسترس نمی باشد [۷۴]. بنابراین در گسترش دامنه سوبسترای میکروارگانیسم های تخمیرکننده اتانول مزایای بزرگ اقتصادی وجود دارد به طوری که اتانول ممکن است از سوبستراهای ارزانی مانند محصولات نشاسته ای [۷۵] و مواد سلولزی تولید شود [۷۷-۷۱].
ریزسازواره های تخمیرکننده اتانول، مانند ساکارومایسس سرویزیا(۲۳)و زایموموناس موبیلیس(۲۴) آنزیم های آمیلولیتیک ندارند و قادر به تبدیل مستقیم نشاسته به اتانول هستند. به طور سنتی نشاسته به روش آنزیمی به وسیله فرآیندهای روان سازی و قندسازی پیش از تخمیر اتانول، به قندهای قابل تخمیر هیدرولیز می شود [۴۵]. در فرآیندهایی که هم اکنون برای تولید اتانول در مقیاس صنعتی از مواد نشاسته ای به کار می رود، نشاسته اول با اضافه کردن یک آنزیم روان ساز به نام آلفا- آمیلاز هیدرولیز می شود و سپس در دمای بالا پخته می شود. نشاسته مایع شده سپس به وسیله یک آنزیم گلوکوآمیلاز قندی کننده به گلوکز هیدرولیز می شود و گلوکز به وسیله سلول های مخمر به اتانول تخمیر می شود.

کاربردهای متفرقه

امروزه آلفا-آمیلاز، پولاناز، سیکلودکسترین ترانسفراز ومالتوژنیک آمیلاز به طور گسترده ای در کاربردهای گوناگون استفاده می شوند. در این میان، آلفا- آمیلاز گسترده ترین استفاده را داراست. علاوه بر استفاده از آن ها در قندسازی یا روان سازی، این آنزیم ها برای فراهم کردن محلول های نشاسته ای ویسکوز و پایدار نیز به کار می روند. از این آنزیم ها می توان برای آهار زدن الیاف نساجی، روشن سازی کدورت تشکیل شده در آب جو یا آب میوه و پیش تیمار خوراک حیوانات به منظور بهبود قابلیت هضم نیز استفاده نمود. یک روند مدرن از کاربرد آلفا- آمیلازها در شاخه های لباس شویی، آهارزدایی منسوجات و مواد شوینده ظروف است. گرایش جدید در بین مصرف کنندگان استفاده از دماهای پایین تر برای شستن ظرف یا لباس است. حذف نشاسته از ظروف چینی مشکل ساز است. مواد شوینده همراه با آلفا- آمیلازهایی که به صورت بهینه درpH بازی عمل می کنند می توانند به حل این مشکل کمک کنند [۵۱].

گلوکوآمیلازهای قارچی

کاربرد گلوکوآمیلازها (E.C. ۳.۲.۱.۳, glucan ۱,۴ -α-glucosidase) در تبدیل نشاسته به قند در صنایع قند به دلیل توانایی آن ها برای آزادسازی گلوکز به عنوان محصول نهایی اصلی است که در مواد غذایی، نوشیدنی، اتانول، اسیدهای آمینه و اسیدهای آلی استفاده می شود [۷۸]. گلوکوآمیلازها یکی از آنزیم های مورد توجه جهانی در تبدیل نشاسته به قند به منظور به دست آوردن گلوکز برای استفاده در صنایع تخمیری و غذایی هستند.گلوکوآمیلاز یکی از پرتقاضاترین کاتالیزورهای زیستی تجاری در صنایع غذایی است که تقریبا نسبت به هر آنزیم دیگری با تناژ بالایی لازم می شود [۷۹، ۱۷].
گلوکوآمیلازها به طور صنعتی از طریق تخمیر غوطه وری قارچ های رشته ای مانندگونه های آسپرژیلوس و ریزوپوس با استفاده از محیط کشت با غلظت ۲۰ درصد ذرت و ۵/ ۲% شربت ذرت خیسانده(۲۵)در ۳۰ تا ۳۵ درجه سانتی گراد تولید می شوند [۵۶]. بهینه فعالیت گلوکوآمیلازهای قارچی در pH حدود ۴ تا ۵/ ۴ می باشد و قندی شدن تحت شرایط اسیدی در دمای ۶۰ درجه سانتی گراد و در مدت زمان ۳ الی ۴ روز تا رسیدن به بازده ۹۸% گلوکز انجام می شود [۸۰]. برخی از محیط های کشت تولید گلوکوآمیلاز شامل محیط های مایع، جامد و سیستم های دوفازی آبی برای انواعی از میکروب ها در مقیاس آزمایشگاهی بهینه سازی شده است [۸۳،۸۲،۴۵،۱۲]. ظروف مختلف تخمیری از ارلن تا بیوراکتورها و استراتژی هایی شامل تخمیرهای ناپیوسته، نیمه پیوسته و پیوسته به کار رفته است [۸۶،۸۵،۸۴،۴۵]. تولید گلوکوآمیلاز به وسیله ترمومایسیس لانوجینوس(۲۶)در فلاسک های لرزان ۵ /۲ برابر بیشتر از کشت استاتیک است [۸۷]. برخی از ویژگی های گلوکوآمیلازهای قارچی در جدول ۱-۴ نشان داده شده است.

کاربردهای گلوکوآمیلازها

کاربرد تجاری عمده گلوکوآمیلاز در کاتالیز نشاسته، برای به دست آوردن گلوکز به منظور استفاده در صنایع تخمیری و غذایی است. تولید گلوکز از نشاسته، در کنار گلوکوآمیلاز نیازمند عملکرد همکاری یک سری از آمیلازها است. برخی از گلوکوآمیلازهای قارچی مهم تجاری در جدول۱-۵ نشان داده شده است. در مرحله اول تقریبا ۳۰ تا ۳۵ درصد دوغاب نشاسته جامد خشک ژلاتینه می شود)۹۰-۶۰ درجه سانتی گراد(و متعاقب آن در دمای ۹۵ تا ۱۰۵درجه سانتی گراد و pH معادل ۵ /۶ به وسیله آلفا- آمیلاز به دکسترین های با زنجیره کوتاه تبدیل و مایع می شود. این دکسترین ها در مرحله بعد به وسیله گلوکوآمیلازها برای آزاد شدن گلوکز، به قند تبدیل می شوند.

جدول ۱-۴ خصوصیات گلوکوآمیلازهای قارچی



علاوه براین، آنزیم های شکننده شاخه (پولاناز یا ایزوآمیلاز) برای تسریع پردازش نشاسته به وسیله برش پیوندهای گلایکوزیدی آلفا-۱و۶ استفاده می شوند، که با شکل گیری کمتر محصولات جانبی امکان رسیدن به یک قله زود هنگام در بازده گلوکز را می دهد [۸۰]. گلوکز تقریبا ۷۵ درصد از شیرینی ساکاروز را دارا است، در حالی که ایزومر آن یعنی فروکتوز دو برابر شیرین تر از ساکاروز است. در نتیجه فروکتوز به طور ویژه ای در غذاهای به اصطلاح با کالری کم سالم/رژیمی ترجیح داده می شود، که در آن دو برابر شیرینی ساکاروز را در نیمی از وزن آن فراهم می کند و می تواند بدون انسولین متابولیزه شود [۱۰۱]. فروکتوز تجاری به وسیله ایزومریزاسیون گلوکز با استفاده از گلوکز/ زایلوز ایزومراز قارچی (E.C. ۵.۳.۱.۵,D-xylose-ketolisomerase) در ۶۰-۵۰ درجه سانتی گراد و pH بین ۸- ۷ تولید می شود. گلوکز ایزومراز گران ترین آنزیم درگیر در پردازش نشاسته است و بنابراین تا جایی که بیشتر فعالیتش را از دست بدهد مورد استفاده مجدد قرار می گیرد. شربت گلوکز غلیظ شده از میان ستونی که روی آن گلوکز- ایزومراز تثبیت شده است یا گاهی اوقات از میان سلول های تولیدکننده گلوکز ایزومراز عبور داده می شود [۴۷]. بازده فرآیند در حدود ۴۲-۴۰ درصد فروکتوز است و غلظت فروکتوز در محصول نهایی به وسیله غنی سازی کروماتوگرافی مخلوط گلوکز و فروکتوز تا ۵۵ درصد افزایش می یابد [۱۰۲، ۱۷].

قارچ ها در تولید اتانول

در حال حاضر ژاپنی ها به طور ویژه ای در حال استفاده از برنج به عنوان ماده خام برای تخمیر اتانول از طریق بیوتکنولوژی هستند. آن ها آسپرژیلوس اریزا را برای رشد بر روی سطح بالایی برنج تلقیح می کنند. قارچ ها نشاسته را به الیگوساکاریدهای ساده تر تبدیل می کنند، که می تواند به وسیله مخمر برای تولید اتانول استفاده شوند [۱۰۳].
مورایی و همکاران(۲۷) [۱۰۳] گزارش دادند که رشد سریع ساکارومایسس سرویزیا که همراه با ریزوپوس اریزا(۲۸) از لحاظ گلوکوآمیلاز و باسیلوس استئاروترموفیلوس(۲۹) از نظر آلفا-آمیلاز روی سطح نشاسته کشت داده شده بود، منجر به بازده خوبی از تولید قند شده است. در گزارش دیگری نشان داده شد که ساکارومایسس سرویزیا YPB-G نوترکیب در حال بیان کردن آلفا- آمیلاز باسیلوس سوبتیلیس(۳۰)و گلوکوآمیلاز آسپرژیلوس آواموری(۳۱) ، در محیط تولیدی حاوی g/L۴۰ از نشاسته، مقدار بالاتری اتانول را تولید می کند [۱۰۴].

جدول۱-۵- گلوکوآمیلازهای مهم تجاری





نظرات کاربران درباره کتاب کارخانه‌های قارچی