آنزیم کاتالاز

کاتالاز یک آنزیم آنتی اکسیدانی رایج با بالاترین میزان بازده است که در تجزیه پراکسید هیدروژن به آب و اکسیژن مولکولی نقشی کلیدی دارد. کاتالاز دارای چهار گروه هِم حاوی آهن است که آن را قادر می سازد با پراکسید هیدروژن واکنش دهد. مقدار pH کاتالاز توسط منبع آن تعیین می‌شود: معمولاً بین 6.8 تا 7.5 است، اما می‌تواند بین 4 تا 11 نیز باشد. به عنوان مثال pH کاتالاز تولید شده توسط انسان تقریباً 7 است. کاتالاز بالاترین فعالیت و کارایی را در بین همه آنزیم‌ها دارد؛ یک مولکول کاتالاز می‌تواند میلیون‌ها مولکول پراکسید هیدروژن را در هر ثانیه به آب و اکسیژن تبدیل کند. با توجه به ساختار و توالی، کاتالازها را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:

• کاتالاز تک عاملی یا کاتالاز معمولی
• کاتالاز پراکسیداز
• سودوکاتالاز یا کاتالاز منگنز

کاتالاز به دلیل کاربردهایش در حذف پراکسید هیدروژن عاملی اکسید کننده، سفید کننده یا استریل کننده است و اهمیت صنعتی زیادی دارد. از این آنزیم می‌توان به مقدار محدود در تولید پنیر استفاده کرد. در صنایع غذایی و همچنین در فرآوری تخم مرغ به همراه سایر آنزیم‌ها استفاده می‌شود.

منابع استحصال کاتالاز

کاتالاز دارای هر دو منبع درون زا و برون زا است. به عنوان مثال، هم در گلبول‌های قرمز یافت می‌شود و هم از گیاهانی مانند پنبه، آفتاب‌گردان و کدو تنبل قابل استحصال است. همچنین، آنزیم کاتالاز هم می‌تواند از منابع میکروبی مانند آسپرژیلوس نیجر و میکروکوکوس لوتئوس و هم از منبع حیوانی یعنی کبد گاو تولید شود. به طور کلی میکروارگانیسم‌ها به منبع حیوانی برای تولید آنزیم ترجیح داده می‌شوند چرا که

• رشد سریع دارند.
• حمل آن‌ها آسان است.
• قابلیت تنظیم و دستکاری ژنتیکی دارند.

از همین رو، بسیاری از دانشمندان در تلاشند ژنی را وارد میکروارگانیسم‌ها کنند تا مقدار زیادی کاتالاز تولید کنند. کاتالاز در مقیاس صنعتی از باکتری‌ها و کشت‌های غیر متحرک استخراج می‌شود. عملکرد این آنزیم بسته به نوع منبع استخراج از گونه‌ای به گونه دیگر متفاوت است. برای تولید در مقیاس تجاری از روش تخمیر حالت جامد از گونه Aspersgillusnigeris استفاده می‌شود.

کاربردهای آنزیم کاتالاز

آنزیم کاتالاز برای بهبود ماندگاری مواد غذایی و برای حفظ رنگ و عطر غذا موثر است. در صنعت نساجی، کاتالاز برای حذف پراکسید هیدروژن اضافی از پارچه استفاده می‌شود. کاتالازها در صنعت داروسازی به دلیل مشارکت واکنش‌های ردوکس مختلف شناخته می‌شوند. در ادامه به شکل موردی به کاربردهای آنزیم کاتالاز در صنعت غذایی اشاره شده است:

• پنیر

پراکسید هیدروژن(H₂O₂)  اکسنده‌ای قدرتمند است که در سلول‌ها ایجاد سمیت می‌کند و مانع رشد کلنی‌های باکتریایی که مسئول تولید پنیر در شیر هستند، می‌شود؛ بنابراین پراکسید هیدروژن باید به طور کامل حذف شود. حذف این ماده نیازمند پاستوریزه شدن ماده غذایی است؛ اما به جای پاستوریزه کردن، به منظور حفظ آنزیم‌های طبیعی شیر که برای حفظ طعم محصول نهایی مفید هستند، از آنزیم کاتالاز برای حذف پراکسید هیدروژن استفاده می‌شود.

• صنایع نساجی

در روند تولید محصولات نساجی، پر اکسید هیدروژن وجود دارد. بنابراین، برای بهبود ماندگاری و حفظ بافت محصول از کاتالاز استفاده می‌شود.

• تصفیه آب و فاضلاب

کاتالاز به دست آمده از میکروبی به نام Thermus Brochianus توانایی عمل در همه محیط‌ها را دارد؛ برای پاکسازی آب رودخانه که پساب‌های صنعتی در آن رها می‌شوند به کار می‌رود.

• بسته بندی مواد غذایی

کاتالاز در کنار اکسیداز تشکیل رادیکال های آزاد را کاهش می‌دهد و مواد غذایی را از فساد محافظت می‌کند. در روند بسته بندی مواد غذایی برای جلوگیری از اکسید شدن استفاده می‌شود.

• ماهی و میگو

ترکیب کاتالاز و اکسیداز از ماهی و میگو را در برابر حمله میکروبی محافظت می‌کند و این محصولات شیلات را تازه نگه می‌دارد.

• حسگر زیستی (بایو سنسور)

کاتالاز به عنوان حسگر زیستی برای تشخیص ترکیب احتمالی مواد شیمیایی مختلف با مواد غذایی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، الکترود نوع کلارک با استفاده از آنزیم کاتالاز ساخته شده است. این الکترود برای تشخیص وجود آزید که یک ماده شیمیایی سمی است در آبمیوه‌هایی مانند آب پرتقال و آب زردآلو استفاده می‌شود. در صنایع لبنی سیستم حسگر زیستی مدرن توسعه یافته بر پایه کاتالاز، ژلاتین و اکسیژن محلول برای تعیین میزان تجزیه پراکسید هیدروژن در محصولات شیر ​​استفاده می‌شود. از دیگر کاربردهای کاتالاز به عنوان حسگر زیستی می‌توان به تعیین سطح کلسیم در آب و شیر، تعیین میزان الکل در نوشیدنی‌ها، تشخیص و تعیین آلودگی میکروبی در شیر و همچنین تعیین و تشخیص آلودگی باکتریایی در مواد غذایی جامد اشاره کرد.

• زیست فناوری

آنزیم کاتالاز در بخش‌های مختلف بیوتکنولوژی استفاده می‌شود: زیست پالایی، تجزیه زیستی و غیره.

برندها و ارزش بازار کاتالاز

ارزش بازار جهانی کاتالاز در سال 2023 حدود 390 میلیون دلار بود و پیش بینی می‌شود تا سال 2030 به حدود 416.9 میلیون دلار برسد. در ذیل، نام تعدادی از بزرگ‌ترین و شناخته شده‌ترین شرکت‌های تولید کاتالاز در جهان آمده است:

• Megazyme Inc.
• MP Biomedicals LLC
• Biocatalysts Limited
• Kolor Jet Chemical Pvt. Ltd
• MP Biomedicals LLC
• Sigma-Aldrich Co. LLC
• BIO-CAT
• Lumis Biotech Pvt. Ltd
• Novozymes
• SAFC
• Roche Diagnostics GmbH
• DuPont
• GenoFocus
• Habio
• Sunson
• Beijing Winovazyme Biotech
• Hunan Lerkam
• Jiangyin BSDZYME
• Youtell Biochemical
• Lumis Biotech
• Sekisui Diagnostics LLC