کاربرد آنزیم ها در فراوری دانه ها و غلات

مقدمه

جدایش پوسته غلات و دانه ها یکی از پرحجم ترین تبدیلات محصولات کشاورزی برای تولید مواد غذایی است. ذرت یکی از مهمترین این محصولات است. ذرت عمدتا پس از این فراوری برای تولید اتانول سوختی، شربت ذرتِ پرفروکتوز (HFCS) و شربت گلوکز استفاده می شود.

آسیاب کردن ذرات چندین مرحله دارد که شامل سه مرحله آنزیمی مهم می شود: هیدرولیز نشاسته به قطعات کوچکتر دکسترین توسط آلفا آمیلاز، هیدرولیز دکسترین به گلوکز توسط گلوکوآمیلاز (اغلب همراه با مقداری پلولاناز) و ایزومراسیون گلوکز به مخلوطی از گلوکز و فرکتوز توسط گلوکز ایزومراز است. به دلیل حجم بالای فرایند، آنزیم های پروتئاز و آمیلاز استفاده شده در آن مانند آنزیم های شوینده ها در مقیاس تُن و بیش از دیگر آنزیم های صنعتی تولید می شوند.

مراحل تبدیل ذرت به شربت ذرات پرفروکتوز (HFCS)

6 مرحله آسیاب تر و 5 مرحله نهایی برای تولید HFCS باید طی شود:

1- خیساندن دانه های ذرت در محلول دی اکسید گوگرد برای نرم کردن دانه ها

2- آسیاب خشنِ دانه های ذرت برای آزاد کردن گیاهک (germ) حاوی روغن از نشاسته و فیبر و پروتئین.

3- جدایش سیکلونی گیاهک

4- آسیاب ریز برای جدایش نشاسته از فیبر و پروتئین

5- غربال برای جدایش فیبر از پروتئین و نشاسته

6- سانتریفوژ برای جدایش نشاسته و پروتئین

7- هیدرولیز نشاسته توسط آلفا آمیلاز به دکسترین

8- هیدرولیز دکسترین توسط گلوکوآمیلاز و اغلب پلولاناز به گلوکز

9- ایزومریزاسیون گلوکز توسط گلوکز ایزومراز به گلوکز و فروکتوز

10- جدایش فروکتوز از گلوکز و دیگر محصولات توسط کروماتوگرافی مایع

11- مخلوط کردن فروکتوز با مقداری گلوکز و محصولات جانبی برای تولید HFCS (55% فروکتوز).

هیدرولیز با آلفا آمیلاز

پس از اعمال فشار و بخار و خرد کردن گرانول های نشاسته، آنزیم آلفا آمیلاز نشاسته را به قطعات کوتاه هیدرولیز می کند و انتهاهای آزاد فراوانی را برای اثر آنزیم بعدی فراهم می کند. گرانول های نشاسته با آلفا آمیلاز متعلق به B. licheniformis یا G. stearothermophilus مخلوط می شوند. به مخلوط بخار دمیده می شود. مخلوط چند دقیقه در 105 د.س و pH6-6.5 می ماند. این باعث حل شدن گرانول ها و قرار گرفتن نشاسته در معرض آلفا آمیلاز می شود.

هیدرولیز با گلوکوآمیلاز

گلوکوآمیلاز یا آمیل گلوکوزیداز همراه با پلولاناز تا 96% دکسترین ها را به گلوکز هیدرولیز می کنند. سپس محلول گلوکز توسط فیلتراسیون از بخش های جامد جدا می شود و سپس ناخالصی های محلول و نمک های افزوده شده طی مرحله آمیلاز توسط کربن و تبادل یون حذف می شوند. در این مرحله می توان گلوکز را برای تخمیر و تولید اتانول استفاده کرد یا راهی مرحله بعد کرد. برای تولید اتانول، پس از تخمیر سه مرحله تقطیر انجام می شود و در هر مرحله غلظت اتانول افزوده می شود تا در نهایت به غلظت بسیار بالا و مناسب برای کاربرد  به عنوان سوخت زیستی برسد. تولیدکنندگانی که تجهیزات هر دو روش را داشته باشند، سیستم انعطاف پذیرتری متناسب با وضع بازار خواهند داشت.

گلوکوآمیلاز

این آنزیم در باکتری ها، آرکیاها و قارچ ها وجود دارد. این آنزیم به انتهای غیراحیاکننده مالتواولیگوساکاریدها حمله می کند تا گلوکز جدا کند. سرعت هیدرولیز آنزیمی با طولانی تر بودن زنجیر سوبسترا زیادتر می شود، ولی با داشتن زمان کافی و نیز غلظت نسبتا کم سوبسترا، آنزیم می تواند همه آن را به گلوکز هیدرولیز کند. گلوکوآمیلازها آنزیم های بسیار کندی هستند، ولی این را می توان با حجم زیاد آنزیم تولید شده توسط قارچ و افزایش غلظت آنزیم مورد استفاده جبران کرد. اگر غلظت دکسترین های محلول زیاد باشد، گلوکوآمیلازها علاوه بر تولید گلوکز، آنها را از انتهاهای غیراحیاکننده به هم می چسبانند و مقدار زیادی دی، تری و تترا ساکارید می سازند.

آنزیم گلوکوآمیلاز بیشترین پایداری را در pHهای 4 تا 5/4 دارد و چون گلوکز در این pH بسیار پایدار است مشکلی پیش نمی آید. گلوکوآمیلاز بسیار از آلفاآمیلاز کم پایدارتر است و در بالای 60 د.س واسرشته می شود، پس در صنعت در دمای 60-55 د.س استفاده می شود. همچنین به دلیل ارزان بودنش به شکل محلول استفاده می شود. دمای یاد شده آنقدر بالاست که مانع از آلودگی میکروبی مخلوط واکنش شود. این واکنش طی 48 ساعت و با غلظت 30-27% ماده جامد انجام می شود و وقتی غلظت گلوکز به 96% برسد، متوقف می شود. ادامه واکنش، محصول را کمتر می کند، زیرا چنانکه گفته شد واکنش عکس رخ می دهد.

پلوولاناز

پلولاناز پیوند گلیکوزیدی آلفا 1و6 را در پلولان و نیز دکسترین های کوتاه زنجیر غنی از پیوندهای 1و6 هیدرولیز می کند. چنین دکسترین هایی از هیدرولیز نشاسته و آمیلوپکتین توسط بتاآمیلازها به جا می مانند. این آنزیم همچنین دکسترین های به جا مانده از فعالیت گلوکوآمیلاز را تجزیه می کند. پلولانازها در بسیاری از باکتری ها مخصوصا گروه های باسیلوس و کلستریدیوم، در برخی آرکیاها و مخمرها، و نیز برخی گیاهان وجود دارند.

این آنزیم با هیدرولیز دکسترین ها و اولیگوساکاریدهایی که توسط گلوکوآمیلاز قابل هیدرولیز نیستند، بازده تولید گلوکز را می افزاید. افزودن این آنزیم نیاز به تغییر دما یا pH ندارد. با اینکه حضور این آنزیم فقط 5/0-3/0% به غلظت گلوکز می افزاید، به فراوانی توسط تولید کنندگان استفاده می شود و این به دلیل رقابت بالای تولیدکنندگان است.

ایزومریزاسیون گلوکز، گلوکز ایزومراز

چون آنزیم ایزومراز بسیار گران تر از آمیلاز است، باید تثبیت شود تا به مدت طولانی قابل استفاده باشد. محصول این مرحله شامل 53-50% گلوکز، 45-42% فروکتوز و 5% دیگر مواد است.

همه ایزومرازهای مورد بحث در اینجا در واقع زایلوز ایزومراز هستند که می توانند گلوکز را نیز ایزومریزه کنند و از همین توانایی آنها در اینجا استفاده می شود. تقریبا همه آنها برای فعالیت به یون هایی همچون کبالت، منگنز، منیزیم، یا کروم نیاز دارند. در مقابل یون های کلسیم، مس، روی، نیکل، نقره و نیز الکل های قند و برخی مواد حاصل از تجزیه قند ها مهارکننده های آنها هستند. به همین دلیل است که قبل از افزودن این آنزیم، غلظت چنین موادی را به روش هایی همچون جذب یا تبادل یون می کاهند.

در دهه 1970، 6 ایزومراز از Stroptomyces، Bacillus، Actinoplanes و Arthrobacter مشتق و در آمریکا تجاری شدند. تکنیک های تثبیت شامل جذب الکتروستاتیک، سلول های کراس لینک شده، دام اندازی کل سلول در گلوتارآلدئید کراس لینک شده و… می باشند. تا سال 2002 تنها چهار گلوکز ایزومراز مشتق از استروپتومایسس تجاری و تثیت شدند و گزینه های قدیمی تر حذف شدند. دو از این آنزیم ها روی یک بستر الکتروستاتیک باردار (DEAE گرانوله-سلولز و بسترهای پایه سیلیکایی) تثبیت شدند. دو دیگر نیز با پیوندهای متقاطع کولان و به همراه کل سلول استروپتومایسس در گلوتارآلدئید تثبیت می شوند. این بزرگترین مقیاس تثبیت آنزیم در فرایند های صنعتی در دنیاست.

گلوکوایزومراز تجاری نسبتا دماپایدار است و دمای ترجیحی اش 58 د.س است. در این دما هم پایداری آنزیم حفظ می شود و هم محیط از رشد میکروب ها در امان می ماند. راکتور حاوی دانه های تثبیت شده با آنزیم تحت جریان محلول گلوکز (93%) قرار می گیرد. pH فرایند 5/7 تا 8/7 است و فرایند در حضور 5/1 میلی مولار از یون منیزیم و 2 میلی مولار HSO3- انجام می شود. سرعت شار محلول طوری تنظیم می شود که در انتها 45-42% فروکتوز حاصل شود. چنین راکتوری 12 ماه عمر دارد. استفاده از چنین راکتورهایی شگردهای تجربی و فنی فراوانی دارد و بسیاری از مشکلات شان طی سال های گذشته رفع شده اند.