ترانس گلوتامیناز (TG)

ترانس گلوتامیناز یا همان TG برای ایجاد پیوند بین پروتئین‌های غذایی و تغییر ویژگی‌های عملکردی و رئولوژیکی آنها استفاده می‌شود. TG تشکیل پیوندهای عرضی را در یک مولکول پروتئینی و یا بین مولکول‌های پروتئین‌های دیگر کاتالیز می‌کند. این ویژگی بر کارکردهای پروتئین مانند حلالیت، کف کردن، ظرفیت امولسیون و ژل شدن تأثیر می‌گذارد. ترانس گلوتامیناز خواص عملکردی پروتئین‌ها را تغییر می‌دهد و در نتیجه باعث بهبود خواص رئولوژیکی و دیگر خواص کیفی در محصولات غذایی می‌شود. آنزیم ترانس گلوتامیناز واکنش اتصال عرضی (درون مولکولی و بین مولکولی) در پروتئین‌ها را سنتز می‌کند. واکنش اتصال عرضی پروتئین که پلیمریزاسیون نامیده می‌شود، می‌تواند منجر به تشکیل دایمر، تریمر و پلیمر شود. خاصیت اتصال متقابل آن به طور گسترده در فرآیندهای مختلف مانند تولید پنیر و سایر محصولات لبنی، در فرآوری گوشت، تولید فیلم‌های خوراکی و تولید محصولات نانوایی استفاده می‌شود. ترانس گلوتامیناز پتانسیل قابل توجهی برای بهبود سفتی، ویسکوزیته، کشسانی و ظرفیت اتصال به آب محصولات غذایی دارد.

منابع استحصال آنزیم ترانس گلوتامیناز

ترانس گلوتامیناز را می‌توان در گیاهانی مانند سویا، کنگر و چغندر و در حیواناتی مانند ماهی و همچنین در میکروارگانیسم‌ها یافت. TGهای به دست آمده از منابع پستانداران وابسته به یون کلسیم هستند، در حالی که ترانس گلوتامینازهای میکروبی مستقل از یون کلسیم هستند و وزن مولکولی پایین‌تری دارند. با توجه به عدم وابستگی به یون کلسیم، ترانس گلوتامینازهای میکروبی مقرون به صرفه‌تر و سازگار با محیط زیست در نظر گرفته می‌شوند. TGهای یوکاریوتی در گروه‌های فیلوژنتیکی مانند گیاهان، حیوانات و قارچ‌ها یافت می‌شوند. TGهای پروکاریوتی در میکروارگانیسم‌ها یافت می‌شوند. TG اولین بار در سال 1989 از S. mobaraensis استحصال شد و بعداً در بسیاری از سویه‌های دیگر یافت شد.

ترانس گلوتامیناز میکروبی

مزیت اصلی تولید TG از میکروارگانیسم‌ها در مقایسه با تولید از منابع حیوانی و گیاهی، خلوص و بهره‌ وری بالای آن است، به طوری که نیازی به فرآیندهای جداسازی و فیلتراسیون دشوار و هزینه بر ندارد. فناوری انتقال ژن نیز تولید TG را تسهیل کرده است، جایی که بیان ژن‌ها در E. coli تولید TG و کارایی آنها را به شدت افزایش داده است. ترانس گلوتامیناز میکروبی برای صنعت مطلوب است و زیست تخریب پذیری آن‌ها به آنزیم‌های شیمیایی برتری دارد. رگه‌هایی از آنزیم ترانس گلوتامیناز میکروبی را می‌توان در یوکاریوت‌های آغازین و برخی گونه‌های مخمر و باکتری یافت.

 خواص فیزیکوشیمیایی ترانس گلوتامیناز میکروبی

ترانس گلوتامیناز میکروبی از 331 اسید آمینه تنها در یک زنجیره پلی پپتیدی تشکیل شده است. ساختار ثانویه ترانس گلوتامیناز از هشت رشته بتا تشکیل شده است که توسط یازده مارپیچ آلفا احاطه شده‌اند. TG میکروبی دارای فعالیت کاتالیزوری پایدار در محدوده وسیع‌تری از مقادیر pH در مقایسه با TG حیوانی است. فعالیت pH بهینه TG میکروبی در محدوده 5 تا 7 و دارای نقطه ایزوالکتریک 8 است. فعالیت کاتالیزوری بهینه TG در محدوده دمایی 40 تا 50 درجه سانتیگراد و در 6 pH  قرار دارد. هنگامی که دما بیش از حد افزایش می‌یابد مثلا در دمای 70 درجه سانتیگراد، فعالیت کاتالیزوری این آنزیم به شدت کاهش می‌یابد. ترانس گلوتامیناز متعلق به خانواده ترانسفراز است که به طور گسترده در طبیعت توزیع شده است. ترانس گلوتامینازمسئول انتقال آسیل، بین پپتید گلوتامین (دهنده آسیل) و پپتید لیزین (پذیرنده آسیل) است. این آنزیم باعث تشکیل ایزوپپتیدها و پلیمرهای گلوتامیل لیزین با وزن مولکولی بالا می‌شود.

محیط کشت آنزیم ترانس گلوتامیناز میکروبی

محیط مورد استفاده برای تولید TG میکروبی حاوی عصاره مخمر، پپتون، پتاسیم و فسفات سدیم، سولفات منیزیم و منبع کربن است. منبع کربن می‌تواند مواد زائد کشاورزی و یا زایلوز باشد که یک قند همی سلولزی است و برای تکثیر باکتری‌ها استفاده می‌شود. همچنین ساکارز، گلوکز، نشاسته یا دکسترین به عنوان منبع کربن استفاده می‌شوند. امروزه TG معمولا توسط Streptovitricillium mobaraense در سیستم‌های تخمیر تولید می‌شود که حاوی ذرت، آمونیاک و عصاره مخمر به عنوان منبع نیتروژن است. پپتون، عصاره مخمر، اوره و کازئین نیز معمولاً به عنوان منابع نیتروژن در بیوسنتز TG استفاده می‌شوند. ترانس گلوتامیناز می‌تواند توسط بسیاری از میکروارگانیسم‌ها مانند Streptoverticillium ، Streptoverticillium cinnamoneum، Streptomyces netropsis Streptoverticillium ladakanum، Streptomyces lydicus، Bacillus subtilis بیوسنتز شود.

کارکرد ترانس گلوتامیناز

واکنش‌های کاتالیزشده با TG منجر به تغییرات ویژگی‌های عملکردی از قبیل حلالیت کف، ویسکوزیته، الاستیسیته، ظرفیت نگهداری آب، ظرفیت امولسیون، ژل شدن، پایداری حرارتی پروتئین‌های غذایی می‌شود. ترانس گلوتامیناز در بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی، مانند واکنش‌های ایمنی ضد باکتریایی انعقادی و فتوسنتز نقش دارد. ترانس گلوتامینازها آنزیم‌هایی هستند که هم در داخل و هم در خارج سلول یافت می‌شوند که همین نشان‌دهنده تطبیق پذیری عملکرد آنها است.

کاربردهای آنزیم ترانس گلوتامیناز

این آنزیم در صنایع غذایی، نقش اصلاح کننده پروتئین را ایفا می‌کند، در حالی که در کاربردهای بیوتکنولوژی و داروسازی، به دلیل قابلیت اتصال عرضی فوق العاده از آن در بیوکانژوگاسیون واسطه‌ای استفاده می‌شود. از آنجایی که TG سوبسترای وسیعی دارد در صنایع مختلف مانند گوشت، لبنایت و نان کاربرد دارد. همچنین می‌توان از آن برای تولید فیلم‌های خوراکی کامپوزیتی، بهبود استحکام بافت پنیر و قوام دهی به نان استفاده کرد. با کاهش ویسکوزیته و افزایش حلالیت در فرمولاسیون نوشیدنی‌ها موثر عمل می‌کند و همچنین باعث کاهش آب‌اندازی ماست می‌شود.

کاربردهای آنزیم ترانس گلوتامیناز در صنایع غذایی

• صنایع لبنی: TG از پروتئین‌هایی مانند کازئین یا پروتئین‌های آب پنیر به عنوان سوبسترا برای بهبود خواص کف، امولسیون کننده و ژل شدن مواد غذایی مختلف استفاده می‌کند.
  
• صنعت نانوایی: استفاده از TG در صنعت نانوایی باعث بهبود کیفیت آرد و به تبع آن بافت و حجم نان می‌شود. زیرا پروتئین‌های غلات بسترهای خوبی برای اتصال دهنده‌های عرضی توسط TG هستند.
  
• صنعت گوشت: یکی از گسترده ترین کاربردهای TG در بازسازی گوشت است. علیرغم بهبود ساختار و بافت محصول گوشتی، استفاده از TG انسجام محصول را بدون پردازش حرارتی یا هر گونه افزودنی مانند فسفات ها فراهم می‌کند.

تثبیت آنزیم ترانس گلوتامیناز

تثبیت TG روی تکیه‌گاه‌های جامد یک روش پرکاربرد برای افزایش پایداری و بهبود طیف مصرف آن است. در واقع تثبیت آنزیم بر روی یک ماتریس مشخص چنین مزیت‌هایی دارد:

• در برابر تغییرات دما و pH مقاومت نشان می‌دهد.
• پایداری ساختار و فعالیت‌های کاتالیزوری را حفظ می‌کند.

آنزیم‌های تثبیت‌شده در مقایسه با فرم آزاد آنزیم پایدارتر هستند و بهینه‌تر عمل می‌کنند. به این ترتیب، ترانس گلوتامیناز افزایش فعالیت، ثبات و گزینش‌پذیری را نشان می‌دهد. بنابراین در مقیاس‌های بزرگ‌ و صنعتی، آنزیم‌های تثبیت‌شده ایده‌آل هستند. TG تثبیت شده بر روی چند تکیه‌گاه، مانند پلی کربوکسیله مقاوم به حرارت (N-isopolylacrylamide)، آگارز، غشاهای ریز متخلخل پلی پروپیلن و نانوذرات مغناطیسی (MNPs) یا نانولوله‌های کربنی (CNTs) تا به حال مورد آزمایش قرار گرفته‌اند.