کاربرد آنزیم ها در صنعت آب میوه سازی و فراوری میوه ها

آب میوه سازی و فراوری میوه ها

نخستین کاربرد آنزیم در صنعت آبمیوه سازی مربوط به استفاده از پکتیناز برای شفاف کردن آب سیب در دهه 1930 بود. سرعت شفاف شدن آبمیوه بر اثر پکتیناز و کاهش ویسکوزیته آبمیوه باعث کاهش فراوری و افزایش چشمگیر کیفیت آب سیب شد. پکتیناز سپس برای توت قرمز نیز استفاده شد. استفاده از پکتیناز و آمیلاز برای تجزیه پکتین سیب و نشاسته طی فرایند شفاف سازی داغ مانع از ایجاد کدورت در بطری های آبمیوه می شود. به این ترتیب تغلیظ 6 برابری آبمیوه ممکن می شود. این منجر به کاهش حجم ذخیره سازی، ارزان شدن حمل و نقل و بهبود پایداری در حالت غلیظ می شود. تیمار آب سیب با پکتیناز و همی سلولاز تجربه بعدی بود. با کاهش ویسکوزیته تفاله، پرس شدن و بازدهی آب میوه گرفتن به میزان چشمگیری افزوده شد. پکتین زدایی از آب میوه با استفاده از پکتینازهای دارای فعالیت بالای آرابانازی موجب ممانعت از تشکیل کدورت آرابان پس از تغلیظ آبمیوه و افزایش کیفیت آن شد. در توت قرمز نیز استفاده از آنزیم باعث افزایش بازدهی آبگیری و رنگ بهتر آبمیوه می شود. امروزه تولید کنندگان آنزیم فرمولاسیونی از آنزیم های مختلف را متناسب با هر میوه به آبمیوه سازان ارائه می کنند تا کوتاهترین فرایند و بیشترین بازده حاصل شود.

بیوشیمی دیواره سلول میوه ها

پالپ میوه ها و سبزی ها از سلول ها ساخته شده است که دیواره سلولی آنها را فرا گرفته است (شکل 1). پلی ساکاریدها 90 تا 100% پلیمرهای دیواره سلول در حال رشد را می سازند. ترکیب دیواره سلول به شرایط کشت و اقلیم، رسیدگی میوه، و شرایط ذخیره سازی آن بستگی دارد. در ساختار دیواره سلول شبکه زایلوگلوکان، ماتریکس پکتین و پروتئین های ساختاری وجود دارد.

شبکه سلولز-زایلوگلوکان درون ماتریکس پکتین تعبیه شده است. پکتین پلی ساکارید اصلی سازنده لاملا و دیوار سلولی میوه است. سه نوع پلی ساکارید پکتیکی در همه دیواره های سلولی میوه ها وجود دارند: هوموگالاکتورونان و رامنوگالاکتورونان های 1 و 2 (شکل 2 ). 60 تا 90% از پکتین را هوموگالاکتورونان تشکیل می دهد که صاف و بی شاخه است. 10 تا 40% را نیز رامنوگالاکتورونان های پرشاخه تشکیل می دهند. هوموگالاکتورونان ها هموپلیمری از آلفاگالاکتورنیک اسید هستند که می توانند ژل بسازند. این پلیمر می تواند در برخی نقاط متیله شود. هوموگالاکتورونان های با کمتر از 50% متیلاسیون می توانند ساختار ژل مانند بسازند و با ایجاد پیوند متقاطع توسط کلسیم فشرده شوند. مقدار متیلاسیون، وزن مولولی و محتوای پکتین در هر میوه متفاوت است (جدول 1). این فاکتور ها باید برای انتخاب بهترین پکتیناز مورد توجه قرار گیرند.

دو همی سلولز اصلی در دیوار سلولی همه گیاهان زایلوگلوکان و آرابینوزایلان هستند. همی سلولز به طور محکم به سلولز دیوار سلولی متصل شده و شبکه محکمی ایجاد می کند. شبکه سلولز-زایلوگلوکان استحکام دیوار سلولی را تعیین می کند. درون ماتریکس پکتین، همی سلولز و پروتئین ها قرار گرفته اند. در سیب، زایلوگلوکان 24% از کل قند را تشکیل می دهد. حدود 5% از دیواره های سلولی اولیه از گلیکوپروتئین های ساختاریِ غنی از هیدروکسی پرولین ساخته شده اند. در جدول 2 ترکیب ماکرمولکول های مختلف دیواری سلول میوه ها آورده شده است. نشاسته نیز در سیب های کال وجود دارد نشاسته ترکیبی از آمیلوز و آمیلوپکتین است. آمیلوپکتین بخش شاخه دار نشاسته است.

آنزیم های تجزیه کننده دیوار سلولی میوه ها

پکتیناز

پکتینازهای تجاری مورد استفاده در آبمیوه سازی گونه های Aspergillus هستند. آنزیم ها طی رشد قارچ تولید می شوند و سپس تخلیص و تغلیظ می شوند. پکتین ها بر اساس اثرشان بر پکتین تقسیم بندی می شوند. پکتین لیاز (E.C. 4.2.2.10) بر شاخه های دراز و پُرمتیله در پکتین اثر می کند. پکتین متیل استراز گروه های متیله را از پکتین بر می دارد. این آنزیم تمایل زیادی بر پکتین های با متیلاسیون زیاد از قبیل پکتین سیب دارد. پلی گالاکتورونازها نیز بر پکتین اثر می کنند. آنزیم های تجزیه کننده پکتین بسیار فراواند و چنانکه گفته شد بسته به نوع کاربرد ترکیبی از آنها فرموله می شوند. تحقیق برای یافتن آنزیم هایی از این دست با کارایی هر چه بیشتر همچنان ادامه دارد.

همی سلولازها

همی سلولازها آنزیم هایی هستند که آرابینوگالاکتان ها، گالاکتان ها، زایلوگلوکان ها و زایلان ها را هیدرولیز می کنند. آرابینانازها وقتی روی آرابینان هایی که در زنجیر جانبی پکتین ها هستند عمل کنند، در گروه پکتینازها دسته بندی می شوند. نیز وقتی بر آرابینوگالاکتان ها یا آرابینوزایلان ها عمل کنند، در گروه همی سلولازها دسته بندی می شوند. گونه های آسپرژیلوس از تولید کنندگان این آنزیم ها هستند.

آمیلازها

در صنعت آب میوه سازی، آمیلازهای اسیدی قارچی و آمیلوگلوکوزیدازها برای فراوری میوه هایی که دارای نشاسته هستند استفاده می شوند، مثل سیب های نارس. آسپرژیلوس نایجر آلفا آمیلازِ اسیدی و آمیلوگلوکوزیداز تولید می کند. این آنزیم ها پس از ژلاتینه شدنِ نشاسته اعمال می شوند (بالای 75 د.س) تا مانع از کدورت آبمیوه در بطری شوند. اسید اندوآمیلاز بر آمیلوز و آمیلوپکتین اثر می کند و دکسترین هایی را تولید می کند که سوبسترای گلوکوآمیلاز یا آمیلوگلوکوزیداز می شوند. به این ترتیب از انتهای غیر احیاکننده ی آنها گلوکز آزاد می شود.

فراوری سیب

پس از پرتقال، سیب مهمترین میوه برای تولید آبمیوه و کنسانتره است. سالانه 54 میلیون تُن سیب برداشت می شود که 10% از آنها برای تولید کنسانتره شفاف فراوری می شوند و 2% برای آبمیوه های بافت دار، نوشیدنی های دیگر سیب و چاشنی استفاده می شوند. بزرگترین تولیدکنندگان این محصولات آمریکا، لهستان، آرژانتین، ایتالیا، شیلی، آلمان و چین هستند.

از سیب های نقص دار و غیر قابل فروش برای تولید آب سیب استفاده می شود. اینها به شکل پرس شده در دمای نسبتا پایین و اتمسفر کنترل شده برای چند ماه نگهداری می شوند و سپس بر اساس نیاز بازار فراوری می شوند. طی ذخیره سازی، پکتینِ نامحلول سیب به آرامی به پکتین محلول تبدیل می شود. این اتفاق بر اثر وجود پکتینازها رخ می دهد. نشاسته نیز به آرامی توسط آمیلازهای سیب به گلوکز تبدیل شده و در فرایند متابولیسم مصرف می شود. مقدار پکتین محلول در این سیب های بیش از حد رسیده به 5/0 تا 5 گرم در هر کیلو می رسد. سیب ها قابل پرس شدن نیستند مگر اینکه توسط پکتیازها پخته شوند (شکل 4). در فرایندهای سنتی، آنزیم ها در دو مرحله مختلف استفاده می شوند. کاربرد پکتینازهای تجاری متعلق به آسپرژیلوس نایجر آهسته تر از آن است که منجر به یک اثر فوری و قابل توجه شود. چون پکتینِ سیب بسیار متیله است، فرمولاسیون تجاری مناسب برای آن باید شامل غلظت بالایی از پکتینازها یا پکتین متیل استراز مربوط به پلی گالاکتوروناز و آراباناز، همراه با آنزیم های جانبی ای همچون رامنوگالاکتوروناز و زایلوگالاکتوروناز باشد. فرمولاسیون های تجای ای همچون رپیداز پس (DSM)، پکتینکس اولترا اس پی (نووزایم)، و رواپکت MA+ (Rohm) برای این منظور تهیه شده اند. این پکتینازها باعث کاهش ویسکوزیته پالپ، افزایش حجم عصاره آزاد شده از میوه و پرس شدنِ سریع میوه می شوند. بدون آنزیم بازدهی فرایند حداکثر 75 تا 80% است، درحالیکه با آنزیم به بالای 90% می رسد.

پکتین زدایی از آب سیب

پکتین مهمترین علت کدورت آب میوه است. یک لیتر آب میوه با 13% ماده خشک می تواند 5-2 گرم پکتین پس از پرس کردن داشته باشد و این مقدار بستگی به میزان رسیدگی میوه دارد. برای تعیین دوز بهینه پکتیناز مورد نیاز از تست اتانول اسیدی استفاده می شود. در این روش 2 حجم اتانول حاوی 5/0% اسید کلریدریک و یک حجم آب سیب برای رسوب دادن پکتین هایی با وزن مولکولی بیش از 3000 دالتون استفاده می شود. حتما باید از اتانول اسیدی استفاده شود وگرنه به دلیل تغییر pH، اسیدهای آلی یا پکتات کلسیم نیز رسوب می کنند که منجر به خطای آزمایش می شود. پکتین لیاز یا پکتین متیل استراز همراه با پلی گالاکتوروناز مهمترین آنزیم ها هستند. آرابینوز 55% از قندهای طبیعی در بخش پرشاخه پکتین است. فعالیت آرابانازی مانع از کدرشدگی آبمیوه می شود. چنانکه گفته شد فعالیت پکتینازی باعث شفافیت آبمیوه می شود. ته نشینی لازم برای شفافیت آبمیوه فقط پس از تجزیۀ آنزیمی پکتین و نشاسته رخ می دهد. کدورت آبمیوه حاصل پروتئین هایی است که در PH آبمیوه (4-5/3) بار مثبت دارند، زیرا نقطۀ ایزوالتریک آنها بین 4 تا 5 است. این پروتئین ها به هِمی سلولزهایی متصل می شوند که توسط پکتین دارای بار منفی احاطه شده اند. پکتینازها ژل پکتین را هیدرولیز می کنند و بنابراین منجر به کلوخه شدن الکترواستاتیک بارهای مخالف (پروتئین های مثبت و تانین ها و پکتین منفی) می شوند. به این ترتیب کدورت رسوب کرده و آبمیوه شفاف می شود. pH بهینه این فرایند 6/3 است. تست الکل جایی را نشان می دهد که فرایند پکتین زدایی کامل می شود.

در آغاز فصل فراوری، سیب های نارس 5 تا 7 گرم نشاسته در هر لیتر آبمیوه دارند. در این حالت، آزمون یُد منجر به رنگ آبی تیره می شود و نشاسته می تواند توسط یُد رسوب شود. این نشاسته به شکل گرانول های 2 تا 13 میکرونی مرکب از 30% آمیلوز و 70% آمیلوپکتین است. سیب آمیلاز دارد ولی مقدار و فعالیتش بسیار کند است و نمی تواند چندان موجب تجزیه نشاسته شود. وقتی آب سیب 75 تا 80 د.س گرم شود، نشاسته از حالت نامحلول به محلول تغییر می کند (ژل شدن در آب). اگر آمیلاز افزوده نشود، این نشاسته ها کلوخه های بزرگی خواهند ساخت که هیدرولیز کردن شان دشوار خواهد شد. افزودن آمیلاز قارچی و آمیلوگلوکوزیداز منجر به هیدرولیز نشاسته محلول به گلوکز می شود. به این ترتیب، کدورت آبمیوه رفع می شود و امکان فیلترکردنش بیشتر می شود. فرمولاسیون هایی همچون Hazyme DCL (DSM) و AMG (نووزایم) دارای آلفا آمیلاز و آمیلوگلوکانازهایی متعلق به A. niger هستند. مرحله بعدی، شفاف سازی توسط فیلتراسیون کاغذی یا اولترافیلتراسیون است. غشاهای غیر آلی دارای منافذی از 20 هزار تا 500 هزار دالتون هستند. ذرات نامحلول یا مولکول های تجزیه نشده ای همچون پلی فنول ها در این مرحله جدا می شوند. دکسترین ها و برخی مواد دیگر موجب تخریب فیلترها می شوند. اینجاست که فرمولاسیون هایی همچون Rapidase UF (DSM) و Novoferm 43 (نووزایم( شامل رامنوگالاکتوروناز و دیگر مواد باعث حذف اثر تخریبی یادشده می شوند.

در کل استفاده از آنزیم ها باعث می شود بازدهی آب سیب با غلظت 70 درجه بریکس شود (درصد وزنی جامد محلول در شربت در دمای 68 درجه فارنهایت).

فراوری مرکبات و میوه های استوایی

میوه های استوایی پس از فراوری اولیه به شکل پوره ذخیره می شوند تا سپس با یک فراوری ثانویه به شکل کدر یا شفاف آماده شوند. پوره میوه، به شکل کدر یا شفاف از زردالو، هلو، کیوی، انبه، پاپایا و موز اغلب بدون آنزیم فراوری می شود. بزرگترین مشکل ویسکوزیته است که با استفاده از پکتینازها کم می شود.

مرکبات

گسترش آب پرتقال منجمد تغلیظ شده در دهه 1940رخ داد. آب پرتقال پر مصرف ترین آب میوه در جهان است. فراوری مرکبات شامل بهره برداری از محصولات جانبی ای از قبیل پکتین و روغن های آنها نیز می شود (شکل 6). در برخی کشورها استفاده ازآنزیم در تولید آب پرتقال های باکیفیت ممنوع است، ولی آنزیم ها می توانند کاربردهای دیگری در این زمینه داشته باشند. آنزیم ها می توانند بازدهیِ بازیافت مواد جامد را در شستشوی پالپ ها بافزایند، در تغلیظ نقش داشته باشند، در روغن گیری از پوست پرتقال نقش داشته باشند، تلخی زدایی کنند و آب لیمو را شفاف کنند. یکی از کاربردهای آنزیم ها در فراوری مرکبات، پوست کندن مکبات است. کل پرتقال یا گریپ فروت با پکتینازها تیمار می شود تا آلبدوها (بافت های سفیدرنگ درون پوست) تجزیه شوند. آلبدوها به فلاودو (بافت نارنجی پوست) وصل هستند. میوه ها در محلولی حاوی 2% پکتیناز تیمار می شوند. این کار تحت خلاء انجام می شود. پس از حذف خلاء میوه ها به مدت 15 تا 60 دقیقه در دمای 40 د.س تیمار می شوند تا تجزیه آلبدو کامل شود. سپس میوه های پوست کنده شسته و سرد می شوند.

تولید کنسانتره شفاف لیمو مثالی دیگر است. کدورت آب لیمو ناشی از پکتین ها و پروتئین های سوسپانسیون شده است. در گذشته برای شفاف کردن آب لیمو مقادیر زیادی بنتونیت یا دی اکسید گوگرد استفاده می شد. امروزه پکتیناز بسیار اسیدی ای همچون Clarex Citrus 8XL (DSM) استفاده می شود که پکتین را تجزیه می کند. آنزیم با مقادیر 10 گرم بر لیتر در دمای 10-8 د.س به آب لیمو افزوده می شود.

نتیجه

امروزه تولید کنندگان آنزیم، پکتینازهای متنوعی را برای فراوری میوه ها تهیه می کنند تا بتوان محصولاتی با کدورت و شفافیت دلخواه و غلظت مناسب تولید کرد. تولید و کیفیت حداکثری دو هدف مشترک هستند. ثبات رنگ و کدر نشدن طی زمان نیز از مزیت های استفاده از آنزیم است. صرف نظر از فراوری آبمیوه، تنوع و اختصاصی بودنِ آنزیم های تجاری منجر به فرایندهای جدید و تولید محصولات میوه ای جدید می شود.