بیوسورفکتانت ها
بیوسورفکتانت‌ها محصولات طبیعی با منشأ بیولوژیکی هستند که به‌عنوان محصولات متابولیکی در طی تخمیر باکتریایی یا قارچی تولید می‌شوند و از آن جایی که دارای قابلیت تجزیه‌پذیری زیستی می‌باشند، برای محیط‌زیست بی‌خطر محسوب می‌شوند. علاوه بر این، در مقایسه با سورفکتانت‌های مصنوعی، بیوسورفکتانت‌ها سمیت بسیار پایینی دارند. بیوسورفکتانت‌ها به دلیل مقاومت بیشتر در برابر شرایط نامطلوب موجود در فراوری مواد غذایی و همچنین فعالیت آنتی‌اکسیدانی و سمیت کم، ترکیبات امیدوارکننده‌ای هستند. این ترکیبات طبیعی قادر به کاهش انرژی سطحی بین فازها و ایجاد موانع الکترواستاتیکی هستند و در نتیجه از ادغام ذرات جلوگیری می‌کنند.
در حال حاضر، بیوسورفکتانت‌ها حدود 10 درصد از کل تولید جهانی سورفکتانت‌ها (تقریباً ده میلیون تن در سال) را به خود اختصاص داده‌اند. بااین‌حال، استفاده صنعتی از بیوسورفکتانت‌های میکروبی به دلیل هزینه‌های بالای تولید مرتبط با روش‌های بازیابی ناکارآمد و استفاده از بسترهای گران‌قیمت با مشکل مواجه شده است. بااین‌وجود، هزینه‌ها را می‌توان به طور قابل‌توجهی با استفاده از منابع جایگزین مواد مغذی و کم‌هزینه و همچنین با به‌دست‌آوردن بازده محصول بالا و به‌کارگیری روش‌های استخراج اقتصادی‌تر به میزان قابل‌توجهی کاهش داد. باتوجه‌به خواص سودمند بیوسورفکتانت‌ها، جهت بهبود خواص و پارامترهای حسی مواد غذایی به فرمولاسیون مواد غذایی اضافه می‌شوند. قبل از استفاده در محصولات غذایی، سورفکتانت‌های زیستی باید به دلیل خواص ضدمیکروبی و عدم وجود سمیت در شرایط آزمایشگاهی از منظر کاهش هزینه تولید ارزیابی شوند.
بیوسورفکتانت‌ها توسط جنس‌های مختلف از باکتری، مخمر و قارچ تولید می‌شوند و با توجه وضعیت عموماً ایمن (GRAS) قارچ‌ها و مخمرها که خطر سمیت و بیماری‌زایی ندارند، امروزه استفاده از بیوسورفکتانت‌های مشتق شده از Candida bombicola و Candida utilis در صنعت کوکی‌ها و تولید سس‌های مایونز موردتوجه قرار گرفته است. به‌ویژه این دو گونه قادر به تولید بیوسورفکتانت‌ها با عملکرد رضایت‌بخش و پایداری حرارتی بالا جهت استفاده در سیستم‌هایی با دمای نسبتاً بالا می‌باشند.
طبقه‌بندی بیوسورفکتانت‌ها
میانگین جرم مولکولی یک بیوسورفکتانت از 500 Da تا 1500 Da است، بنابراین آنها به طور گسترده به بیوسورفکتانت با وزن مولکولی کم و وزن مولکولی بالا دسته‌بندی می‌شوند. تنوع ساختاری و ویژگی‌های عملکردی بیوسورفکتانت‌ها موجب شده است که برای طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی، زیست‌محیطی و بیوتکنولوژیکی مورداستفاده قرار گیرند. سورفکتانت‌های زیستی با وزن مولکولی پایین در کاهش کشش سطحی در سطح مشترک آب - هوا و کشش سطحی در سطح مشترک نفت - آب مؤثرتر هستند، درحالی‌که سورفکتانت‌های با وزن مولکولی بالاتر به طور مؤثر در تثبیت امولسیون‌های روغن در آب استفاده می‌شوند.
شکل 1. طبقه‌بندی بیوسورفکتانت‌ها بر اساس وزن مولکولی
ویژگی‌ها و خواص
سورفکتانت‌های مصنوعی و بیوسورفکتانت‌ها دارای ویژگی‌های مشترکی مانند کاهش کشش سطحی، ظرفیت کف کردن، امولسیون‌سازی، قابلیت تثبیت و حلالیت هستند. اما بااین‌حال، بیوسورفکتانت‌ها دارای خواص اضافی ای نیز هستند که سبب برتری آنها نسبت به سورفکتانت‌های مصنوعی گردیده است.
1. بیوسورفکتانت‌ها به طور قابل‌توجهی برای گیاهان و جانوران سمیت کمتری دارند و به‌راحتی توسط میکروارگانیسم‌های موجود در محیط‌های آبی و خاکی تجزیه می‌شوند.
2. بیوسورفکتانت‌ها به‌صورت قوی‌تر و مؤثرتر نسبت به همنوعان مصنوعی خود به کاهش کشش سطحی و فشار سطحی کمک می‌کنند.
3. بیوسورفکتانت‌ها می‌توانند فعالیت فیزیکی و شیمیایی خود را در دماهای بالا، در محدوده pH =3-12و در غلظت‌های 10% (وزنی/حجمی) NaCl حفظ کنند. درصورتی‌که سورفکتانت‌های مصنوعی در چنین شرایطی ممکن است غیرفعال شوند.
4. بیوسورفکتانت‌ها توانایی خودآرایی و تشکیل میسل را دارند، این پدیده به آنها اجازه می‌دهد تا ساختارهای مورفولوژیکی متفاوتی با یکدیگر داشته باشند. این ویژگی جهت کاربرد بیوسورفکتانت‌ها در صنایع غذایی، آرایشی، بهداشتی، دارویی و همچنین در سم‌زدایی آلاینده‌های مختلف و امولسیون‌سازی امولسیون‌های صنعتی از اهمیت قابل‌توجهی برخوردار است .
شکل 2. خواص عملکردی و بیولوژیکی بیوسورفکتانت‌ها
مسیر تولید بیوسورفکتانت ها
بسیاری از انواع مختلف میکروارگانیسم‌ها، به‌ویژه باکتری‌ها، قارچ‌ها و مخمرها، بیوسورفکتانت تولید می‌کنند. مراحل تولید بیوسورفکتانت ها به شرح زیر می باشد:
1. میکروارگانیسم و محیط کشت
سویه های میکروبی مورد نظر در دمای 5 درجه سانتی‌گراد در محیط کشت مورد نظر(باتوجه به نوع میکروارگانیسم مورد استفاده) نگهداری می‌شوند. جهت زنده‌ماندن کلنی‌ها، نمونه‌ها ماهیانه به محیط کشت جدید منتقل می‌شوند.
2. رشد میکروارگانیسم ها
جهت تلقیح، یک حلقه از کشت برای به‌دست‌آوردن یک کلنی جوان و استاندارد به یک لوله حاوی محیط کشت منتقل می‌شود. سپس این نمونه‌ها به فلاسک حاوی 50 میلی‌لیتر منتقل و در 200 دور در دقیقه، در دمای 28 درجه سانتی‌گراد به مدت 24 ساعت انکوبه می‌شوند. پس از انکوباسیون، نمونه‌ها تا غلظت 106 سلول ml-1 رقیق می‌شوند.
3. تولید بیوسورفکتانت
تولید در محیطی مبنی بر آب مقطر با فرمولاسیون ملاس نیشکر (5%)، ضایعات روغن سرخ‌کردنی سویا (5%)، شیره ذرت (5%) و pH= 6 انجام می‌شود.
4. تولید بیوسورفکتانت در مقیاس بالا
جهت تولید در مقیاس بالا علاوه بر تولید در فلاسک، از بیورآکتورهای 1/2، 3 و 50 لیتری تحت تکان‌دادن و لرزش مداری در 180 دور در دقیقه به مدت 120 ساعت در دمای 28 درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود. پس از تخمیر، ارزیابی خواصی مانند امولسیون‌سازی و کشش سطحی نمونه‌ها انجام می‌شود و سپس استخراج و خالص‌سازی بیوسورفکتانت‌ها صورت می‌گیرد.
استخراج و خالص‌سازی
تکنیک‌های فراوانی جهت بازیابی بیوسورفکتانت‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد. یکی از مهم‌ترین روش‌ها استخراج با حلال فاز مایع با استفاده از ترکیبات آلی مانند کلروفرم - متانول، اتیل استات، بوتانول، اتر و اسید استیک می‌باشد. در این روش بیوسورفکتانت دو بار با اتیل استات در نسبت 1:4 (V/V ) با محیط غیر سانتریفیوژ شده استخراج می‌شود. سپس فاز آلی، سانتریفیوژ (2600 دور در 20 دقیقه) و فیلتر می‌شود. جهت جداسازی فاز آبی باقی‌مانده توسط Nacl اشباع، به قیف جداکننده منتقل می‌شود. در نهایت فاز آلی به یک ارلن منتقل شده و با افزودن Mgso4 بی آب گرانول تشکیل شده و نمونه صاف و در دمای 50 درجه سانتی‌گراد خشک می‌شود. استفاده از چنین تکنیک‌هایی علاوه بر هزینه بالا، برای محیط‌زیست مضراتی به همراه دارد؛ بنابراین امروزه سعی بر آن است از روش‌های جایگزین مانند جذب به کربن فعال شده با رزین‌های پلی‌استایرن، سانتریفیوژ، کروماتوگرافی تبادل یونی و اولترافیلتراسیون که از نظر محیطی خوش‌خیم هستند، استفاده نمود. مزیت مهم این روش‌ها به‌دست‌آوردن بیوسورفکتانت‌ها با خلوص بسیار بالا، هزینه پایین و صرفه‌جویی در زمان می‌باشد. همچنین مواد استخراج را می‌توان مجدد استفاده کرد.
عوامل مؤثر بر تولید
جهت تولید بهینه و باکیفیت بیوسورفکتانت از یک‌سویه انتخاب شده از میکروارگانیسم، تعیین شرایط کشت مهم است. عواملی که باید در نظر گرفته شوند عبارت‌اند از منابع کربن، نیتروژن، دردسترس‌بودن مواد مغذی، دما، زمان انکوباسیون، pH، هوادهی و سرعت هم‌زدن.
1. منبع کربن: میکروب‌هایی که برای تولید بیوسورفکتانت‌ها استفاده می‌شوند، از طیف وسیعی از منابع کربن و انرژی برای رشد استفاده می‌کنند. کربن مستقیماً بر رشد میکروارگانیسم، ساختار و بازده مولکول بیوسورفکتانت هدف تأثیر می‌گذارد. منابع کربن مختلفی برای تولید سورفکتانت‌های زیستی استفاده شده است، این منابع شامل مالت، ملاس، چربی حیوانی، روغن‌های گیاهی، باقیمانده‌های روغن، فرآورده‌های نفتی، محصولات لبنی می‌باشد.
2. منبع نیتروژن: منبع نیتروژن تأثیر قابل‌توجهی بر رشد میکروارگانیسم‌ها و سنتز بیوسورفکتانت‌ها دارد. انتخاب منبع نیتروژن به ترکیب محیط و میکروارگانیسم تولیدکننده بستگی دارد. منبع نیتروژن می‌تواند منشأ غیرآلی مانند نیترات و سولفات آمونیوم یا منشأ آلی مانند اوره، اسیدهای آمینه، عصاره مخمر و عصاره گوشت داشته باشد.
3. مواد مغذی: دردسترس‌بودن مواد مغذی مانند کربن، نیتروژن، فسفر، گوگرد، آهن و منگنز و نسبت آنها بر فرایند تخمیر اثر می‌گذارد. به‌عنوان‌مثال نسبت کربن به نیتروژن جهت بهره‌وری فرایند تولید بیوسورفکتانت بسیار اهمیت دارد؛ زیرا بالابودن این نسبت سبب کاهش رشد میکروبی گردیده و در نهایت متابولیسم سلولی را به سمت افزایش تولید هدایت می‌کند. در نتیجه بهینه‌سازی این پارامترها سبب افزایش تولید بیوسورفکتانت‌ها می‌شود.
4. دما: باتوجه به نوع میکروارگانیسم مورد استفاده و سویه های متفاوت محدوده دمایی متفاوت خواهد بود به عنوان مثال محدوده دمایی مطلوب برای تولید بیوسورفکتانت‌های گلیکولیپیدی از گونه‌های کاندیدا 30-27 درجه سانتی‌گراد است .
5. زمان انکوباسیون: بسته به فاز ایده‌آل رشد میکروبی برای تولید بیوسورفکتانت‌ها (نمایی یا ثابت)، زمان انکوباسیون می‌تواند از چند ساعت تا چند روز برای به‌دست‌آوردن حداکثر بهره‌وری متغیر باشد. در اکثر موارد تولید بیوسورفکتانت بهینه از سویه باکتریایی بین 18 تا 48 ساعت رشد متفاوت است، اما زمان‌های طولانی بین 88 تا 120 ساعت و تا 11 روز توصیف شده است.
6. pH : محدوده pH بهینه برای تولید ترکیبات بیوسورفکتانت بین 5/7 تا 7/8 است .
7. هوادهی و هم‌زدن: هوادهی بیشتر به نفع تولید بیوسورفکتانت‌هایی با بازده بالاتر است. همچنین مطالعات در مورد اثرات هم زدن نشان داد که افزایش نرخ هم‌زدن از 50 به 200 پی‌پی‌ام، نرخ رشد را از 0/2 به 0/72 در ساعت افزایش می‌دهد و در این حالت، حداکثر بازده بیوسورفکتانت می‌تواند به دست آید. زیرا سطح اکسیژن محلول سیستم به طور قابل‌توجهی با افزایش نرخ هم زدن از 0/1 به 0/55 میلی‌گرم در لیتر تغییر کرده است؛ بنابراین، رشد سلولی به طور قابل‌توجهی تحت‌تأثیر سطوح بالاتر اکسیژن محلول قرار می‌گیرد که منجر به سنتز بیوسورفکتانت بالاتری می‌شود .
کاربرد بیوسورفکتانت ها در صنعت غذا
در سال‌های اخیر استفاده از بیوسورفکتانت‌ها در فرمولاسیون مواد غذایی موردتوجه بوده است. باتوجه‌به این که این ترکیبات طبیعی با سمیت پایین، هیچ‌گونه اثر نامطلوبی بر سلامت انسان ندارند، می‌توان از آنها جهت بهبود فرمولاسیون مواد غذایی با تغییر ویسکوزیته یا تغییر جنبه‌های بافتی و هم چنین مهار رشد برخی از میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا استفاده کرد. همچنین به دلیل عملکرد آنتی‌اکسیدانی بیوسورفکتانت‌ها و پایداری در برابر تغییرات اسیدیته، قلیاییت، مقاومت در برابر فساد ناشی از اکسیداسیون را افزایش می‌دهند. در واقع این بیوسورفکتانت‌ها سبب افزایش ماندگاری، کیفیت و ایمنی مواد غذایی می‌شوند. در نتیجه بیوسورفکتانت‌ها می‌توانند جایگزین بسیار مناسب افزودنی‌هایی شوند که در صورت مصرف بیش از حد می‌توانند برای سلامتی مضر واقع شوند .
باتوجه‌به مطالعات و بررسی‌های انجام شده از بیوسورفکتانت‌ها در فرمولاسیون محصولاتی مانند مافین، کیک، کوکی، سس‌های سالاد و بستنی استفاده شده است و نتایج آن به شرح زیر است:
1. کوکی: با افزودن بیوسورفکتانت‌ها به کوکی‌ها در محصول نهایی از نظر وزن، قطر و ضخامت تفاوت معنی‌داری یافت نشد و باتوجه‌به این که بیوسورفکتانت‌های جایگزین شده با زرده تخم‌مرغ پروتئین ندارند و یا پروتئین کمتری نسبت به زرده تخم‌مرغ دارند، پروتئین محصول به مقدار کمتری رسید. اما باتوجه‌به بالابودن اسیدهای چرب محصول نهایی از ارزش غذایی بالا، بافت نرم‌تر و اسفنجی‌تری برخوردار است.
2. مافین و کیک: استفاده از بیوسورفکتانت‌ها سبب بهبود بافت، خاصیت حسی، رنگ و طعم در محصول می‌شود.
3. سس مایونز: بیوسورفکتانت در چنین محصولاتی نقش امولسیون‌کنندگی و تغلیظ‌کنندگی بر عهده دارند و سبب بهبود بافت، قوام ویسکوزیته محصول نهایی می‌شوند.
4. بستنی: افزودن بیوسورفکتانت‌ها به فرمولاسیون بستنی سبب کنترل قوام، بهبود بافت و تشدید عطروطعم می‌شود .
شکل 3. کاربرد بیوسورفکتانت‌ها در فرمولاسیون مواد غذایی
نتیجه‌گیری:
بیوسورفکتانت‌ها به‌عنوان محصولات متابولیکی در طی تخمیر باکتریایی یا قارچی شناخته شده‌اند. این بیومولکول‌ها باتوجه‌به خواص منحصربه‌فرد خود کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف به‌ویژه در صنعت غذا دارند. این بیوسورفکتانت‌ها به‌عنوان افزودنی در فرمولاسیون مواد غذایی کاربرد دارند (جهت آشنایی با افزودنی های غذایی به این مقاله مراجعه فرمایید). از موانع اصلی جهت تولید بیوسورفکتانت‌ها در مقیاس بالا، هزینه بالای تولید آن می‌باشد که امروزه روند تحقیقات به سمتی پیش رفته است تا با استفاده از بسترهای ارزان‌قیمت، طراحی‌های آماری، مهندسی ژنتیک و سویه‌های جهش‌یافته موجب کاهش هزینه تولید و افزایش کارایی بیوسورفکتانت‌ها شوند.
