آلفا آمیلاز
آلفا آمیلاز یکی از آنزیم‌های پر استفاده در صنعت غذایی است. متعلق به خانواده‌ای از اندو آمیلازها است که فرایند هیدرولیز نشاسته را از طریق برش پیوندهای گلیکوزیدی به الیگوساکاریدهای کوتاه‌تر کاتالیز می‌کند. در واقع، مولکول‌های نشاسته را به پلیمرهای متشکل از واحدهای گلوکز هیدرولیز می‌کند. آمیلازها (E.C.3.2.1.1 ) کاربردهای بالقوه‌ای در تعداد زیادی از فرآیندهای صنعتی مانند صنایع غذایی، تخمیر و داروسازی دارند. این آنزیم‌ها در دو گرید پودری و مایع در بازار موجود هستند. تعداد زیادی از آلفا آمیلازهای میکروبی در بخش‌های مختلف صنعتی مانند صنایع غذایی، نساجی، کاغذسازی و مواد شوینده کاربرد دارند. آمیلاز دارای ساختار سه بعدی با قابلیت اتصال به سوبسترا است و به وسیله گروه‌های کاتالیزوری بسیار خاص، باعث شکستن پیوندهای گلیکوزیدی می‌شود.
منابع استحصال آلفا آمیلاز
آمیلازها را می‌توان از گیاهان، حیوانات و میکروارگانیسم‌ها به دست آورد. با این حال، آنزیم‌های حاصل از منابع قارچی و باکتریایی بیشترین کاربرد را در بخش‌های صنعتی دارند. امروزه تعداد زیادی از آمیلازهای میکروبی به صورت تجاری در دسترس هستند و تقریباً به طور کامل جایگزین هیدرولیز شیمیایی نشاسته در صنعت فرآوری نشاسته شده‌اند. آمیلازهای تهیه شده از میکروارگانیسم‌ها طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی دارند، زیرا پایدارتر از آلفا آمیلازهای گیاهی و حیوانی هستند. مزیت عمده استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای تولید آمیلازها، ظرفیت تولید عمده و قابلیت میکروب‌ها برای تولید آنزیم‌هایی با ویژگی‌های دلخواه است. عوامل مختلف از جمله pH، دما، یون‌های فلزی، منبع کربن و نیتروژن، عوامل اثرگذار سطحی، فسفات و بس‌هم‌زنی در فرایند تواید آلفا آمیلاز نقش دارند.
روش‌های صنعتی تولید آلفا آمیلاز
دو روش تولید آلفا آمیلاز تخمیر غوطه ور (SmF) و تخمیر حالت جامد (SSF) هستند:
- SmF: به طور سنتی برای تولید آنزیم‌های مهم صنعتی انتخاب می‌شود. چرا که در این روش کنترل پارامترهای مختلف مانند pH، دما، هوادهی و انتقال اکسیژن و رطوبت آسان‌تر است.
- SSF: برای تولید آلفا آمیلاز به این روش از قارچ‌ها و مخمرها به عنوان میکروارگانیسم استفاده می‌شود. با توجه به مفهوم نظری فعالیت آب، باکتری‌ها چندان برای تولید به شیوه SSF مناسب نیستند. با این حال، تجربه نشان داده است که کشت‌های باکتریایی را می‌توان به خوبی برای فرآیندهای SSF مدیریت و دستکاری کرد.
مزایای تولید آلفا آمیلاز به شیوه SSF نسبت به SmF عبارتند از:
- تکنولوژی ساده‌تر تولید،
- هزینه کمتر تولید، نیاز به انرژی و مصرف آب کمتر
- راندمان بالاتر محصول
- عدم ایجاد کف
آنزیم‌های آلفا آمیلاز باکتریایی
برای کاربردهای تجاری، آلفا آمیلاز عمدتاً از Bacillus تولید می‌شود. آلفا آمیلازهای تولید شده ازBacillus licheniformis، Bacillus stearothermophilus و Bacillus amyloliquefaciens در صنایع غذایی، تخمیر، نساجی و کاغذ کاربرد بالقوه دارند. پایداری حرارتی، ویژگی مطلوب و مورد انتظار اکثر آنزیم‌های صنعتی است. آنزیم‌های مقاوم در برابر حرارت معمولا از ارگانیسم‌های گرمادوست به دست می‌آیند و به دلیل پایداری، کاربردهای تجاری متعددی پیدا کرده‌اند. از آنجایی که مایع سازی آنزیمی و شیرین سازی نشاسته در دماهای بالا (100 تا 110 درجه سانتی گراد) انجام می‌شود، آنزیم های آمیلولیتیک مقاوم در برابر حرارت در حال حاضر برای بهبود فرآیندهای صنعتی تجزیه نشاسته مورد بررسی قرار گرفته‌اند و برای تولید محصولات با ارزش مانند گلوکز، دکستروز کریستالی، شربت دکستروز، مالتوز و مالتودکسترین به کار می‌روند. در حال حاضر آمیلازهای مقاوم در برابر حرارت استحصال شده از Bacillus stearothermophilus یا Bacillus licheniformis در صنایع فرآوری نشاسته استفاده می‌شوند.
آنزیم‌های آلفا آمیلاز قارچی
بیشتر گزارش‌ها در مورد قارچ‌هایی که آلفا آمیلاز تولید می‌کنند به چند گونه از قارچ‌های مزوفیل محدود شده‌اند. منابع قارچی برای تولید آلفا آمیلاز، عمدتاً Aspergillus و Penicillium هستند. قارچ‌های رشته‌ای مانند Aspergillus oryzae و Aspergillus niger مقادیر قابل توجهی آنزیم تولید می‌کنند که به طور گسترده در صنعت استفاده می‌شوند. آسپرژیلوس نایجر دارای ظرفیت‌های هیدرولیتیک مهمی در تولید آلفا آمیلاز است و به دلیل تحمل اسیدیته (pH <3)، امکان جلوگیری از آلودگی باکتریایی را فراهم می‌کند.
آلفا آمیلاز در صنعت
آمیلازهای قارچی و باکتریایی می‌توانند به طور بالقوه برای صنایع داروسازی و صنایع شیمیایی مفید باشند. خواص هر آلفا آمیلاز مانند پایداری حرارتی، غلظت فسفات، دما، هوادهی، منبع کربن، منبع نیتروژن، پروفایل pH، پایداری pH باید مطابق با کاربرد صنعتی باشند. به عنوان مثال، آلفا آمیلازهای مورد استفاده در صنعت نشاسته باید در pH پایین فعال و پایدار باشند، اما در صنایع شوینده در مقادیر pH بالا.
- هیدرولیز نشاسته
گسترده‌ترین کاربردهای آلفا آمیلازها در صنعت نشاسته است. برای هیدرولیز نشاسته در فرآیند مایع سازی نشاسته از آلفا آمیلاز استفاده می‌شود. در این صنعت در حال حاضر، آلفا آمیلاز Bacillus stearothermophilus یا Bacillus licheniformis بیشترین مصرف را دارند. آنزیم‌های گونه‌های باسیلوس به دلیل پایداری حرارتی قابل‌توجه و سیستم‌های بیان کارآمد، برای فرآیندهای بیوتکنولوژیکی در مقیاس بزرگ مورد توجه ویژه هستند.
- صنعت شوینده
آمیلازها دومین نوع آنزیم‌های مورد استفاده در فرمولاسیون شوینده‌های آنزیمی هستند و 90 درصد تمام شوینده‌های مایع حاوی این آنزیم‌ها هستند. این آنزیم‌ها در شوینده‌های لباس‌ها و ظرف‌ها استفاده می‌شوند تا باقیمانده‌های غذاهای نشاسته‌ای مانند سیب‌زمینی، گروی، کاستارد، شکلات و غیره را به دکسترین و دیگر الیگوساکاریدهای کوچک‌تر تجزیه کنند. آمیلازها در دماهای پایین و PH قلیایی فعالیت دارند و در شرایط شست و شو پایداری لازم را حفظ می‌کنند و پایداری اکسیداتیو آمیلازها یکی از مهم‌ترین معیارهای استفاده از آنها در صنعت شوینده است. آمیلازهای مورد استفاده در صنایع شوینده از باسیلوس یا آسپرژیلوس استحصال می‌شوند.
- صنایع غذایی
آمیلازها به طور گسترده در صنایع غذایی برای فرآوری محصولاتی مانند نان، کیک، آبمیوه و شربت نشاسته استفاده می‌شوند. در خمیر نان، نشاسته موجود در آرد را به دکسترین‌های کوچک‌تری تجزیه می‌کند. افزودن آلفا آمیلاز به خمیر باعث افزایش سرعت تخمیر و کاهش ویسکوزیته خمیر و در نتیجه بهبود حجم و بافت محصول می‌شود. علاوه بر این، شکر اضافی در خمیر تولید می‌کند که طعم، رنگ پوسته و کیفیت برشته شدن نان را بهبود می‌بخشد. آلفا آمیلازها علاوه بر تولید ترکیبات قابل تخمیر، اثر ضد بیاتی در پخت نان نیز دارند؛ بنابراین نرمی بافت محصولات پخت و نان را بهبود می بخشند و ماندگاری این محصولات را افزایش می‌دهند. در حال حاضر، آمیلاز مالتوژنیک مقاوم در برابر حرارت Bacillus stearothermophilus است که به صورت تجاری در صنعت استفاده می‌شود. آمیلازها همچنین برای شفاف سازی ماءالشعیر، آبمیوه و برای پیش تصفیه خوراک دام برای بهبود قابلیت هضم فیبر استفاده می‌شوند.
ارزش بازار جهانی و تولید کنندگان آلفا آمیلاز
آمیلازها تقریباً 25 درصد از بازار آنزیم جهانی را در اختیار دارند. ارزش بازار آلفا آمیلازها در جهان در سال 2023 بالغ بر 325 میلیون دلار بود که پیش بینی می‌شود تا پایان سال 2033 به 465.5 میلیون دلار برسد. در ادامه، نام برخی از معتبرترین و بزرگ‌ترین تولید کنندگان آلفا آمیلاز در جهان امده است:
- NuCLEANase
- Novozymes
- Dupont Danisco
- DSM
- Amano Enzyme
- Leveking
- AB Enzymes
- Chemzyme Biotechnology
- Specialty Enzymes & Biotechnologies
- Verenium
