کاربرد آنزیم ها در صنعت نان

صنعت نان

نان و فراورده های هم خانواده اش از مهترین منابع غذایی جهان هستند. سالانه بیش از 600 میلیون تُن گندم در جهان تولید می شود. اروپایی ها حدود نصف کربوهیدرات و یک سوم پروتین شان را از نان می گیرند. آنزیم ها در تاریخ نان هواره نقش داشته اند. حتی مصری ها آنزیم را به شکل خام در آرد استفاده می کردند، هرچند به اثر آن آگاه نبودند. به هر حال در قرن بیستم از آنزیم به عنوان بهبود دهنده نان استفاده شد. نخستین کاربرد آنزیم ها در صنعت نان، افزودن مالتِ حاوی آلفا-آمیلاز به آرد بود. سپس مالت با آلفا-آمیلاز میکروبی جایگزین شد که دارای پایداری دمایی بیشتر و عملکرد مناسبتری هنگام پخت نان بود. امروزه آنزیم های متنوعی برای استفاده در نان موجود است. همچنین آنزیم های آرد موادی با ارزش را از مواد آرد تولید کرده و به آن می افزایند. بدینسان کیفیت آرد افزایش می یابد. البته می توان برای بهبود کیفیت آرد، موادی همچون سدیم متابی سولفیت، سیستئین، آزودی کربن آمید (ADA)، پتاسیم برومات و غیره را به آرد افزود. ولی بازار امروز تمایل بیشتری به محصولات طبیعی تر دارد و لذا آنزیم ها به نان افزوده می شوند. در جدول 1 آنزیم های صنعت نان خلاصه شده اند.

آمیلازها

آمیلازها برای استانداردسازی

پرکاربرد ترین آنزیم از نظر قیمت و حجم مصرف در صنعت نان، آلفا آمیلاز قارچی یا تاکا-آمیلاز تهیه شده از Aspergillus oryzae (E.C 3.2.1.1) است. آمیلاز با تجزیه نشاسته در خمیر، گاز تولید می کند. این باعث تسهیل فعالیت بتا آمیلازِ درون خمیر و تولید مالتوز می شود. مالتوز نیز توسط مخمرها تخمیر می شود. در واقع اولین اثر آمیلاز، کاهش ویسکوزیته خمیر طی ژلاتینه شدن اولیه خمیر است که باعث افزایش زمان آون گذاری نان و لذا افزایش حجم و بافت همگن تر نان می شود.

α- آميلازها گرانول هاي نشاسته (حاوي آميلوز و آميلوپكتين) را می شکنند و آنها را به مولكولهاي كوچكتر داراي زنجيره كوتاه و بدون انشعاب به نام دكسترين تبديل مي نمايد. به دنبال فعاليت α- آميلاز امكان فعاليت بتا آميلاز فراهم خواهد شد تا نشاسته به واحدهاي مالتوز تبديل شود. آرد گندم معمولاً داراي مقدار كافي بتا آميلاز است، اما ميزان α- آميلاز در آن متفاوت بوده و در برخي موارد آنقدر كم است كه تبديل نشاسته به مالتوز به صورت محدود انجام خواهد شد.

مالتوز بعد از تشكيل، توسط مخمر تخمير شده تا مقداري گاز كربنيك در خمير ايجاد شود. بنابراين كاملاً مي توان به نقش اساسي و مهم α- آميلاز در توليد گاز پي برد.

با توجه به آنچه كه ذكر شد، مي توان دريافت كه هدف اساسي از افزودن α- آميلاز به خمير، افزايش امكان توليد گاز است، اما در كنار آن اين امر باعث بهبود نگهداري گاز، افزايش حجم نان و نرمي آن خواهد شد كه اكنون مهم ترين دليل افزودن آنزيم به شمار مي آيد.  

 رايج ترين منبع α- آميلاز براي افزودن به خمير نان، آرد گندم يا جو جوانه زده بوده، اما اكنون استفاده از آنزيم هايي كه از منابع قارچي (آسپرژيلوس ارايزه) یا باكتريايي به دست مي آيند نيز رايج است. مهمترين تفاوت موجود بين انواع α- آميلاز تفاوت مقاومت آنها نسبت به حرارت است. هرچه α- آميلاز مقاومت بيشتري نسبت به حرارت داشته باشد، طی پخت  مقدار بيشتري نشاسته را خواهد شكست. به صورت يك قاعده كلي، α- آميلازهاي حاصل از منابع باكتريايي مقاومت بيشتري نسبت به انواع تهيه شده از جو يا گندم جوانه زده داشته و دسته اخير مقاوم تر از انواع قارچي هستند. آنچه امروزه آميلازهاي مالتوژنيك ناميده مي شوند حاصل منابع باكتريايي تعديل يافته بوده و از نظر تركيب و ساختار، بسيار شبيه به آنزيم هاي حاصل از منابع قارچي مي باشند.

ميزان مقاومت آميلاز به حرارت از اهميت بسياري برخوردار است، زيرا آميلاز تعادل را در زمينه اثرات بد و خوب آن طی پخت برقرار می کند. آميلاز در خمير به گرانول هاي آسيب ديده نشاسته حمله نموده و مولكول هاي نشاسته را مي شكند. با افزايش حرارت خصوصاً در حين پخت، تورم و ژلاتينه شدن نشاسته، مقادير بيشتري سوبسترا جهت اثر آنزيم مهيا خواهد شد و آنزيم نيز با افزايش دما، با سرعت و شدت بيشتري اثر خواهد نمود. به اين ترتيب با تشكيل همزمان شبكه انعطاف پذير گلوتني، حفظ و نگهداري گاز بهبود يافته كه اين امر را ميتوان جنبه مثبت واكنش در نظر گرفت، اما از سويي ديگر تشكيل مقدار قابل توجهي دكسترين را كه حالت چسبنده دارد ميتوان به عنوان جنبه منفي تلقي نمود.

 به منظور دستيابي به بهترين شرايط، بهتر است كه از آميلاز تهيه شده از منابع قارچي استفاده شود. نوع مالتوژنيك را نيز به دليل اثر ضد بياتي آن كه باعث نرم شدن بافت نان مي گردد مي توان به كار برد. اما در هر حال بايد توجه داشت كه استفاده بيش از حد آنزيم، با توجه به نرم شدن بيش از حد بافت، مشكلاتي را در حين برش نان ايجاد خواهد كرد. استفاده از آميلاز تهيه شده از منابع باكتريايي نيز با توجه به اينكه مقاومت خوبي به حرارت دارد، باعث مي شود آنزيم پس از پخت نان به صورت فعال باقي مانده و در حين نگهداري نان به شكل كنترل نشده باعث نرم شدن مغز نان شود.

تاکاآمیلاز به یاد تاکامین نامگذاری شد که در 1894 پتنت آمریکایی 525823 را با عنوان استفاه از قارچ برای تولید آمیلاز ثبت کرد. استفاده از آلفا آمیلاز در پخت نان در 1928 پتنت شد، ولی نخستین بار در 1955 در آمریکا عملی شد. مزیت تاکاآمیلاز حداقل بودن اثرات جانبی پروتئاز و پایداری دمایی کافی است، به این تریب نافعال شدن آنزیم پس از ژلاتینه شدنِ اولیه ی نشاسته در دمای 70 تا 80 د.س رخ می دهد. رایجترین جایگزینِ تاکاآمیلاز، مالت آمیلاز به دست آمده از مالت جو یا گندم است. البته این منبع دارای اثر پروتئازی بیشتر و همچنین پایداری دمایی بالاتر است. این خواص استفاده از آن را در دوز بالا ارجح می کند.

درصورتي كه به خمير، آرد مالت حاوي مقادير فراوان α-آميلاز افزوده شود باعث ايجاد حفره در نان مي شود كه علاوه بر شل شدن خمير و از دست دادن شكل، موارد ديگري مانند تيره شدن بافت و فشرده شدن مغز نان در مجاورت نواحي تغيير شكل يافته نيز ممكن است ديده شود.

آرد جو يا گندم جوانه زده از نظر فعاليت آنزيمي منابع بسيار مناسبي به شمار مي آيند، به گونه اي كه از آنها جهت بهتر شدن نگهداري گاز در خمير استفاده مي شود. اين حالت به دليل فعاليت بالاي آنزيم α-آميلاز است، اما به دليل تداوم فعاليت مخمر در فر ، مركز خمير حتي پس از تشكيل پوسته، همچنان به افزايش حجم خود ادامه مي دهد و به اين ترتيب باعث مي شود كه مغز نان تحت فشار قرار گرفته هواي موجود در سلولهاي مغز نان خارج شده و بافت مغز تيره تر به نظر آيد. براي مشاهده بهتر اين حالت مي توان بافت مغز نان را بين دو انگشت فشرد كه به دنبال آن تغيير رنگ ديده خواهد شد. افزايش شديد حجم قسمت هاي مركزي نان باعث مي شود تا تراكم آن كاهش يابد. با سرد شدن نان و افزايش فشار محيطي، نان قادر به حفظ ساختار خود نبوده و از حجم و استحكامش به شدت كاسته خواهد شد. اين وضعيت را خصوصاً هنگام برش نان به خوبي مي توان مشاهده كرد.

نرم شدن بافت نان به احتمال فراوان به دليل فعاليت شديد آنزيمهاي پروتئوليتيك است كه در آرد جو یا گندم جوانه زده به وفور يافت مي شود. جوانه زدن، مقدار طبيعي آنزيم ها را به شدت افزايش مي دهد. آنزيم هاي پروتئوليتيك ساختار پروتئين را تضعيف كرده و باعث شل شدن خمير مي شوند. در كنار آنها α-آميلاز نيز با شكستن نشاسته موجود در آرد و آزاد نمودن آب آزاد در خمير مي تواند باعث شل شدن خمير شود.

نرم شدن خمير ناشي از فعاليت آنزيم ها خصوصاً در مواقعي است كه عمليات تخمير به صورت عمده و طولاني انجام مي شود. زيرا در اين وضعيت آنزيم زمان كافي براي تاثيرگذاري خواهد داشت. در روش هاي سريع تهيه خمير هر چند نرم شدن خمير چندان ديده نخواهد شد، اما احتمال ايجاد حفره در نان همچنان وجود خواهد داشت كه به دليل فعاليت شديد آنزيمي است.

آمیلازهای ضد بیات شدن

دومین هدف مهم استفاده از آمیلازها در نان مقابله با بیات شدن است، یعنی حفظ تازگی نان. بیات شدن فرایندی پیچیده است، ولی اجماع بر این است که تخریب آمیلوپکتین سهم عمده ای در آن دارد. پس از سرد شدن نان، آمیلوز ژلاتینه می شود و شبکه ای ایجاد می کند که درون آن گرانول های نشاسته ی ژلاتینه شده جای می گیرند. کریستالی شدنِ دوباره زنجیرهای جانبی آمیلوپکتین منجر به سخت شدنِ گرانول های نشاسته می شود  لذا بافت نان سفت تر می شود.

آمیلازهای مختلفی برای مقابله با بیات شدن استفاده می شوند و این آنزیم ها عملکردهای مختلفی دارند. نخست، اثر محدود آلفا آمیلاز قارچی به طور نامستقیم بر حجم نان اثر می گذارد. دوم، اندوآمیلازها شبکه آمیلوز را سست می کنند که منجر به کاهش سفتی نان بالافاصله پس از پخت و ذخیره سازی می شود. این اثر وقتی بیشتر نمود می کند که از اندوآمیلازهای دماپایدار استفاده شود. یکی از موفق ترین نمونه های این نوع آمیلاز، B. amyloquefaciens است که از 1950 در آمریکا استفاده می شود. البته مقدار بهینه استفاده از آن باید با دقت تعیین شود.

در قیاس با اندوآمیلازها، اگزوآمیلازهایی از قبیل مالتوژنیک آمیلاز (E.C 3.2.1.133) عملکرد موفقی در تعویق بیات شدگی دارند. این آنزیم ها با کاهش طول زنجیرهای جانبی آمیلوپکتین و آزاد کردنِ مالتو اولیگوساکاریدها مانع زوال آمیلوپکتین می شوند، بدون آنکه اثرات جانبی ناشی از سست شدن شبکه آمیلوز را باعث شوند.

زایلنازها

زایلنازها (E.C 3.2.1.8 بتا-1،4-D-زایلان زایلانوهیدرولاز) که به پنتوزاناز یا همی سلولاز نیز شناخته هستند، واکنشِ اندوهیدرولیزِ پیوندهای بتا-1،4-D-زایلوزیدیک در زایلان ها را کاتالیز می کنند. در خمیر نان، زایلانازها مشکلات ناشی از ناهمگنی کیفیت آرد را می کاهند، دستورزی و پایداری خمیر را بهتر می کنند، و به نان ساختار و حجم بهتری می دهند.

آرابینوزایلان مهمترین پلی ساکارید غیر نشاسته ای در غلات است که 70-60% از دیواره سلولی گندم را شامل می شود و 3-2% از حجم آرد را در بر می گیرد. این ماده هدف آنزیم های زایلاناز است.

آرابینوزایلان دارای دو بخشِ قابل استخراج و غیر قابل استخراج به وسیله آب است. این تفاوت ناشی از وزن مولکولی و ساختارهای متفاوت آنهاست. نوع غیر قابل استخراج وزن مولکولی بالاتری دارد. همچنین نوع غیرقابل استخراج به وسیله آب دارای غلظت بیشتری دیفرولات است و شاید این دلیلی بر غیر قابل استخراج بودنش باشد، زیرا باعث پیوندهای متقاطع بیشتر در مولکول می شود. آرابینوزایلان ها باعث ایجاد ویسکوزیته در خمیر نان می شوند. همچنین ظرفیت نوع غیر قابل استخراج در جذب آب قابل توجه است و تا 10 برابر وزنش آب جذب می کند. آرابینوزایلان ذاتا ویسکوز است. به همین دلایل، آنزیم آرابینوزایلاناز می تواند در کیفیت خمیر نان نقش داشته باشد. وجود این آنزیم در برخی خمیرها سودمند و در برخی زیانبار است.

بسته به نوع نان، آرابینوزایلان می تواند بر فراوری خمیر، ویژگی های خمیر و کیفیت محصول اثر داشته باشد. به همین دلیل نوع زایلاناز مورد استفاده نیز متفاوت خواهد بود. آرابینوزایلانِ غیر قابل استخراج به وسیله آب به استحکام گلوتن آسیب می زند و پایداری خمیر را کم می کند. بدون استفاده از زایلاناز، نان حجم کمتر و سوراخ های بیشتری خواهد داشت. در این موارد، استفاده از زایلاناز، 30-10% به حجم نهایی نان می افزاید.

در محصولات غله ای خشک مانند بیسکوئیت ها، اثر آرابینوزایلان مفید است، زیرا افزایش حجم مفید نیست. همچنین به دلیل ظرفیت بالای نگهداری آب، باعث می شود طی پخت آب به تدریج و به شکل یکنواخت از خمیر بخار شود و لذا بر زمان پخت افزوده می شود و به این ترتیب محصولی تیره تر به دست خواهد آمد. بنابراین، زایلنازی که در این نوع محصولات استفاده می شود باید بر آرابینوزایلان های قابل استخراج توسط آب اثر کند تا مقاومت خمیر و ویسکوزیته آن کاهش یابد.

افزودن زايلاناز B به خمير آرد گندم باعث افزايش 60 درصدي درحجم نان، گسترش پذيري خمير نان، قابليت تورم، كاهش مقاومت در برابر دفرمه شدن و به تاخير افتادن بيات شدن مي شود.

اکسیدردوکتازها

آنزیم های اکساینده بر کیفیت نان اثر مثبت دارند. کیفیت خمیر ناشی از پارامترهایی همچون حجم، بافت، و ساختارِ محصول است. طی مخلوط کردن و تخمیر خمیر، پیوندهای دی سولفید بین پروتئین های گلوتن ساخته و شکسته می شوند. وقتی این واکنش به قدر بهیه انجام شود، کیفیت خمیر نیز بهینه می شود، یعنی شبکه محکمی از گلوتن شکل می گیرد. اکساینده هایی همچون آسکوربیک اسید و برومات به فراوانی در صنعت نان استفاده می شوند تا ایجاد پیوندهای دی سولفید را تقویت کنند. امروزه به دلیل برخی مشکلات برومات، تمایل به استفاده از آن کمتر شده است و آنزیم های اکساینده به عنوان جایگزین استفاده می شوند.

گلوکز اکسیداز (E.C. 1.1.3.4) اغلب از Aspergillus niger حاصل می شود. این آنزیم با مصرف اکسیژن، گلوکز را به گلوکونولاکتون اکسید می کند و در کنارش پراکسید هیدروژن نیز تولید می کند. پراکسیدهیدرژن با تیول های آزاد در گلوتن واکنش می کند تا پیوندهای دی سولفید ساخته شود. گلوکز اکسیداز باعث تولید خمیری خشک و غیر چسبنده می شود. این رفتار به ویژه وقتی مطلوب است که گلوکز اکسیداز همراه با زایلاناز استفاده شود، زیرا استفاده از زایلاناز منجر به چسبندگی بیش از حد خمیر می شود.

هگزوز اکسیداز (E.C. 1.1.3.5) از جلبک دریایی کاراژینان یا Chondrus crispus منشا دارد. این آنزیم گلوکز، گالاکتوز و مالتوز را اکسید می کند. این آنزیم در آرد باعث اکسید شدن گلوکز و مالتوز به لاکتون های مربوطه می شود و هیدروژن پرواکسید تولید می کند که چنانکه گفته شد باعث ایجاد پیوند دی سولفید می شود.

لیپوکسی ژناز (E.C. 1.13.11.12) در آرد سویا و لوبیا استفاده می شود، آردهایی که تیمار گرمایی ندارند. اینها باعث سفید شدنِ رنگ نان می شوند. این آنزیم اکسایش اسیدهای چرب غیر اشباع حاوی گروه های cis-cis-1،4-پنتادین را کاتالیز می کند و اسید چرب هیدرو پراکسید تولید می کنند. این ماده با کاروتینوئید های خمیر واکنش می کند و پیوندهای دی سولفید می سازد.

سولفیدریل اکسیداز (E.C. 1.8.3.2) حاصل از A. niger گروه های سولفیدریل آزاد را به گروه های دی سولفید کاتالیز می کند.

پراکسیداز (E.C. 1.11.1.7) نامی عمومی برای آنزیم هایی با یک عملکرد و سوبستراهای مختلف است. همه این آنزیم ها روی پراکسید هیدروژن به عنوان گیرنده الکترون عمل کرده و سوبسرتاهای مختلف را اکسید می کنند.  طی واکنش پراکسیداز، یک رادیکال آزاد تولید می شود که با دیگر مواد درون خمیر واکنش می کند و باعث بهبود کیفیت خمیر می شود. مکانیسم چنین اثری شاید ایجاد پیوندهای دی سولفید یا پیوندهای متقاطع در آرابینوزایلان باشد. همچنین اتصال پروتئین-پروتئین از طریق گروه های سولفیدریل یا لیزیل نیز علت آن دانسته شده است.

پلی فنل اکسیداز گروه های دی سولفید را به کوئینون اکسید می کند. این گروه شامل سه آنزیم با نام های تایروزیناز، دی فنول اکسیداز و کاتکول اکسیداز است.

لیپازها

لیپازها (E.C. 31.1.3) کربوکسیل استرازهایی هستند که هیدرولیزِ اسیل گلیسرول های بلندزنجیر را به گلیسرول، اسید چرب آزاد، و مونو و دی گلیسریدها کاتالیز می کنند. 3-2% از آرد را چربی های گندم تشکیل می دهند که سوبسترای لیپازها هستند. ترکیب این چربی ها در شکل زیر نشان داده شده است.

استفاده از چربی در نان قدمتی طولانی دارد، ولی استفاده از لیپارها جدید است. لیپاز باعث پایداری و قوام و نیز دستورزی بهتر خمیر می شود. در نتیجه حجم نان افزوده شده و بافت آن نیز بهتر می شود. نتیجه ی استفاده از لیپاز بسته به محصولات ایجاد شده از فعالیت آنزیم است. برخی از این محصولات منجر به ایجاد حفره های گاز در خمیر می شوند و حجم و سایر خواص نان را تقویت می کنند. مونوگلیسریدها یکی از محصولات مفید حاصل فعالیت لیپازها هستند.

فسفولیپازها گروهی شامل 4 آنزیم هستند که پیوندهای فسفولیپدی را هیدرولیز می کنند. (شکل 3): فسفولیپاز A1 (E.C. 3.1.1.32)، فسفولیپاز A2 (E.C. 3.1.1.4)، فسفولیپاز C (E.C. 3.1.4.3) و فسفولیپاز D (E.C. 3.1.4.4). رهایش یک زنجیر اسید چرب از فسفاتیدیل کولین منجر به ساخت 1-اسیل گلیسروفسفریل کولین می شود که به نام لیزولکتین معروف است و اثر بسیار خوبی بر کیفیت نان دارد.

پروتئازها

پروتئازها (E.C. 3.4.x.x) پیوندهای پپتیدی را در پروتئین هیدرولیز می کنند. بر اساس نوع پروتئاز مورد استفاده، تجزیه جزئی یا کلی پروتئین های خمیر به ویژه گلوتن انجام می شود که مورد اخیر باعث کاهش ویسکوزیته خمیر می شود. برخی پروتئازها نیز باعث اثر بر رنگ و طعم نهایی محصول می شوند.

به دلیل تنوع توالی های پروتئین ها، پروتئازها نیز بسیار متنوعند ولی در دو گروه کلی جای دارند: پپتیدازها و  پلی پپتیدازها (هم معنای پروتئازها). آرد گندم وقتی با آب مخلوط می شود، به دلیل داشتن ماتریکسی از گلوتن حالت خمیریِ ویسکوز می گیرد. این ماتریکس می تواند گاز را درونش نگه داردکه هنگام پخت بسیار اثرگذار است. خمیری با یک شبکه گلوتن بسیار پچیده مانع از حجیم شدن نان هنگام پخت و نیز مانع از شکل پذیری و پهن شدن خمیر می شود. پروتئازها در همین مورد کاربرد دارند. آنها با تجزیه گلوتن و سست کردن شبکه آن، باعث افزایش شکل پذیری و پهن شوندگی و نیز حجیم شدن نان می شوند. البته چنین اثری به کمک موادی همچون ال-سیستئین و سدیم متابی سولفات نیز قابل حصول است، ولی استفاده از آنزیم ها ترجیح داده می شود.

در بیسکوئیت ها، ویفرها و خمیر پیتزا، ویسکوزیته ی کمتر و سست بودن خمیر ترجیح داده می شود. لذا شبکه محکم گلوتن نامطلوب است. اینجا اعمال برخی پروتئازها (مثل پروتئازهای باسیلوس) به سازنده امکان می دهد چندان به کیفیت آرد وابسته نباشد.

پپتیدازها می توانند بر طعم و رنگ محصول اثر کنند. آمینواسیدها و پپتیدها (محصول عمل پپتیدازها) بر طعم نان و سایر محصولات اثر دارند. آمینواسیدها محصولان میانجی تولید ترکیبات آروماتیک هستند. پپتیدازها نیز اکساینده، طعم دهنده، شیرین کننده، و تلخ کننده هستند. همچنین پپتیدهای ناشی از شکستن گلوتن می توانند با قند واکنش کنند و رنگ محصول را تعیین کنند.

ترانس گلوتامیناز

 این آنزیم ها پیوندهای متقاطع بین پروتئین ها ایجاد می کنند. این پیوندها بر اثر واکنش میان لیزین و گلوتامین ایجاد می شوند. بنابراین این آنزیم با اثر بر گلوتن باعث ایجاد پیوندهای بین پروتئینی و سفت تر شدن خمیر می شود.