بتاکاروتن

در سال‌های اخیر آگاهی مصرف کنندگان در مورد استفاده از رنگ‌های مصنوعی غذایی افزایش یافته است. با توجه وجود نگرانی‌های سلامتی راجع به استفاده از رنگ‌های مصنوعی و به منظور توسعه صنایع غذایی ارگانیک، تقاضا برای رنگدانه طبیعی افزایش یافته است. کاروتنوئیدها رنگدانه‌های طبیعی هستند و رنگ‌های زرد تا صورتی تا قرمز را در گونه‌های مختلف (گیاهان، قارچ، جلبک و میکروارگانیسم‌ها) ایجاد می‌کنند. این رنگدانه‌ها همچنین کارکردهای زیستی گوناگونی ارائه می‌دهند. بتا کاروتن یک ترکیب کاروتنوئیدی است که به عنوان پرو ویتامین A یا پیش ساز ویتامین A نیز شناخته می‌شود. بتاکاروتن به شکل کریستال‌های قرمز تا قهوه‌ای مایل به قرمز تا بنفش وجود دارد. بتا کاروتن دارای الفین‌های متعدد است و یک مولکول بتاکاروتن می‌تواند دو مولکول ویتامین A تولید کند.

منابع استحصال و روش‌های تولید بتاکاروتن

در حال حاضر بیش از 90 درصد بتاکاروتن تجاری از طریق سنتز شیمیایی تولید می‌شود. با این حال، استفاده از بتاکاروتن سنتز شده شیمیایی به عنوان افزودنی‌های غذایی یا مواد اولیه آرایشی بهداشتی در سال‌های اخیر به شدت کنترل می‌شود. همین موضوع باعث شده است تولید بتاکاروتن طبیعی به روش تخمیری از میکروارگانیسم‌ها در مقیاس بزرگ توسط صنایع جدی گرفته شود. همچنین بتاکاروتن شیمیایی دارای زیست فعالی پایینی است. با توسعه بیوتکنولوژی، قارچ Blakeslea trispora، ریزجلبک Dunaliella salina و میکروارگانیسم Rhodotorula glutinis برای تولید بتاکاروتن طبیعی در مقیاس بزرگ اختصاصی شده‌اند. هچنین می‌توان از از اشریشیا کلی، زایموموناس موبیلیس، کاندیدا یوتیلیس، و ساکاروتن‌زا برای تولید بتاکاروتن استفاده کرد. به ویژه، E. coli که به دلیل ابزارهای ژنتیکی قدرتمندی که برای مهندسی متابولیک و سرعت رشد سریع دارد، می‌تواند به عنوان میزبان عالی برای تولید بتاکاروتن عمل کند؛ همانطور که با موفقیت در تولید کاروتنوئیدهای مختلف مانند لیکوپن، آستاگزانتین و زآگزانتین استفاده شده است. تولید بتاکاروتن از طریق سنتز شیمیایی یا استخراج از گیاهان، بازدهی کم با هزینه زیاد دارد که باعث شده است صنایع به تولید میکروبی بتاکاروتن روی آورند. با افزایش تقاضای مصرف کنندگان برای بتا کاروتن طبیعی، تولید بتا کاروتن با تخمیر میکروبی دارای چشم اندازهای کاربردی گسترده است و بیوسنتز بر اساس تخمیر میکروبی طبیعی‌تر و سالم‌تر از سنتز شیمیایی است.

ساختار شیمایی و خصوصیات فیزیکوشیمایی بتا کاروتن

بتا کاروتن در آب تقریبا نامحلول، در اتانول و اتر کمی محلول و در کلروفرم بنزن و روغن کاملا محلول است. دمای ذوب آن 176 تا 180 درجه سانتیگراد است. رنگ تحت تأثیر تغییرات pH قرار نمی‌گیرد. بتاکاروتن در فرایندهایی که در دمای کمتر از 100 درجه سانتیگراد انجام می‌شوند، پایداری خوبی نشان می‌دهد. کاروتن دارای سه ایزومر α-، β- و γ- است که در این میان بتاکاروتن پایدارترین و مؤثرترین آن‌هاست. بتا کاروتن یک ترکیب ایزوپرنوئید و یکی از تقریباً 600 کاروتن محلول در چربی است. فرمول شیمیایی آن C₄₀H₅₆ و وزن مولکولی آن 536.88 گرم بر مول است. کاروتنوئیدها با ساختار شیمیایی ویژه که دارای 40 زنجیره کربنی هستند تعریف و به صورت زیر طبقه بندی می‌شوند:

• کاروتن‌ها که کاملاً از کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند، به عنوان مثال: α-کاروتن، بتا-کاروتن و لیکوپن؛
• مشتقات اکسیژن‌دار این هیدروکربن‌ها که به نام زانتوفیل شناخته می‌شوند، به عنوان مثال: لوتئین و زآگزانتین.

کاربردهای بتا کاروتن در صنایع

بتاکاروتن به عنوان رنگدانه محلول در چربی و روغن، در غلظت‌های مختلف، قابلیت ایجاد تمام رنگ‌ها از قرمز تا زرد را دارا است. بتاکاروتن به دلیل خواص رنگ‌آمیزی طبیعی استثنایی‌اش، کاربرد عمده‌ای در صنایع غذایی دارد. کاروتنوئیدها را می‌توان به طور مستقیم در مواد غذایی مانند نوشیدنی ها یا ماکارونی، یا به طور غیرمستقیم، در تغذیه حیوانات برای بهبود رنگدانه محصولات نهایی مانند تخم مرغ یا گوشت ماهی استفاده کرد. به ‌عنوان رنگدانه قرمز نارنجی در انواع مواد غذایی شامل شیرینی‌ها (بستنی، کیک، آب نبات) نوشیدنی‌ها و پنیر به کار می‌رود. علاوه بر این، به عنوان یک عامل رنگ‌آمیزی برای قرص‌ها در صنعت داروسازی عمل می‌کند. به دلیل خاصیت زیست ‌فعالی بتا کاروتن برای محافظت از پوست در برابر اکسیداسیون و اشعه ماوراء بنفش در صنعت آرایشی بهداشتی نیز کاربرد دارد. در صنعت آرایشی بهداشتی بتا کاروتن به عنوان یک آنتی اکسیدان با قابلیت جلوگیری از آسیب سلولی شناخته شده است.

چالش‌های پایداری و نگهداری بتاکاروتن

همه کاروتنوئیدها به اکسیداسیون و تا حدودی به نور حساس هستند. همچنین ترکیب کاروتنوئیدها با سایر مواد حاضر در فرمولاسیون (حتی برخی آنتی اکسیدان‌ها)، پایداری آن‌ها را به چالش می‌کشد. به عنوان مثال، استفاده از آنتی اکسیدان‌هایی مانند توکوفرول در کنار کاروتنوئید در فرمولاسیون ماده غذایی ممکن است باعث از دست رفتن رنگ یا کاهش ماندگاری آن شود. بتاکاروتن نیز در برخی از فرایندهای موجود در صنعت غذایی ممکن است توسط گرما، نور و اکسیژن تجزیه شود و یا عدم حلالیت آن در آب چالش برانگیز باشد. تلاش‌هایی برای افزایش پایداری بتا کاروتن در برابر شرایط مختلف فرآوری ماده غذایی انجام شده است. کپسولاسیون یکی از ابزارهای برجسته است و پایداری بتاکاروتن را برای استفاده در صنایع غذایی و دیگر صنایع بهبود بخشیده است. استفاده از فیلم‌های نگهدارنده فعال استراتژی دیگری است که ضمن حفظ ارزش غذایی کاروتنوئیدها، ماندگاری محصول را افزایش می‌دهد.