تولید عطر ها و طعم دهنده ها به روش زیست_فناوری - نسخه‌ی قابل چاپ +- تالار گفتگوی کیش تک/ kishtech forum (http://forum.kishtech.ir) +-- انجمن: پردیس فناوری کیش (http://forum.kishtech.ir/forumdisplay.php?fid=1) +--- انجمن: مهندسی شیمی و طراحی فرایندی (http://forum.kishtech.ir/forumdisplay.php?fid=178) +--- موضوع: تولید عطر ها و طعم دهنده ها به روش زیست_فناوری (/showthread.php?tid=43100)

تولید عطر ها و طعم دهنده ها به روش زیست_فناوری - امیر پویا شهریاری - 26-07-2020 تاریخچه تاثیر ویژه ی حواس چشایی و بویایی در زندگی انسان موجب شده تا در طول تاریخ با استفاده از گیاهان و ادویه جات دست به تولید طعم های تازه بزند. با پیدایش تمدن ها روش های ابتدایی برای جداسازی روغن ها و صمغ های معطر ابداع شد و همزمان روش های تخمیری برای تولید پنیرها، مالت و شرابها جهت تولید طعم های جدید گسترش بیشتر یافت. مصری های باستان اولین تولید کننده های عطر بودند. آنها انواع عطر ها را در همه موارد از جمله آیین های مذهبی و مراسم تدفین و حتی بصورت شخصی و روزانه استفاده می کردند. پارس ها  از عطر را به عنوان نشانه ای از وضعیت سیاسی مورد استفاده قرار دادند، اما زمانی که یونانیان و رومی ها با آن آشنا شدند، عطر را به عنوان یک نوع هنر دریافت کردند و بطور گسترده به ساخت آن پرداختند. باستان شناسان اخیرا یک کارخانه عطر را از ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد در قبرس کشف کرده اند که ظاهرا در تولید عطر هایی مانند گشنیز، اسطوخدوس، رزماری و... مهارت داشتند. در نیمه ی اول قرن 19 میلادی این حقیقت که نوعی ماده شیمیایی خاص در فراورده های طبیعی عامل اصلی معطر بودن انهاست به اثبات رسید. پس از آن تلاش های متعدد برای شناسایی ماهیت این مواد بکار گرفته شد و به دنبال آن روش های شیمیایی برای تولید این مواد معطر ابداع گردید.  برای مثال در سال 1856  ترکیب Cinnamaldehyde ، که عامل عطر دارچین است، برای اولین بار درون ازمایشگاه سنتز شد. همچنین در سال 1874 ساختار vanillin کشف شد و در ازمایشگاه  با استفاده ازconiferin سنتز شد. در واقع از همین تاریخ به بعد صنعت طعم و عطر در اروپا و سپس امریکا و پس از آن در تمام دنیا بسیار گسترده شد.در نیمه ی قرن بیستم با پیشرفت و افزایش دقت روش های انالیز مواد، کوشش برای یافتن انواع  ترکیبات شیمیایی که تداعی گر عطر و طعم مواد طبیعی بود افزایش یافت. جایگاه امروز سهم صنعت طعم و عطر در اقتصاد جهانی حدود 2 بیلیون دلار در سال 2018 براورد شد و انتظار میرود در طی پنج سال پس از آن افزایش چشمگیر داشته باشد.  به قسمت عمده ای از نیازها به مواد معطر با تولیدات شیمیایی پاسخ داده میشود . امروزه اما با افزایش تمایل مصرف کنندگان به استفاده از کالا های طبیعی تلاش ها برای تولید انواع طعم دهنده ها و عطرهایی که بتوان آنها را در دسته مواد طبیعی بحساب اورد افزایش یافته است. خلاصه ی آئین نامه ی تصویب شده در اروپا طعم دهنده های طبیعی بدین شکل تعریف میشوند: مواد طعم دهنده ای که به روش های مناسب فیزیکی، انزیمی، میکروبی از مواد اولیه ی گیاهی، حیوانی، میکروبی بصورت فراوری نشده و یا فراوری شده برای مصرف انسان از طریق یک یا تعدادی فرایند سنتی تهیه شده باشند. طعم دهنده های طبیعی موادی هستند که در طبیعت یافت میشوند. همچنین در اروپا مواد طبیعی باید کاملا مشابه نمونه ی طبیعی خود باشند. برای مثال ترکیبات طعم دهنده ی کایرال باید دارای نسبت انانتیومری برابر نمونه طبیعی باشند. در اروپا محصولات فاقد برچسب natural موادی بحساب می آیند که یک یا چند ترکیب موجود در انها بطریق صنعتی یا شیمیایی تولید شده باشد. انواع روش های تهیه تهیه مواد معطر یا طعم دهنده به 3 روش کلی انجام میگیرد: 1-    استخراج از منابع طبیعی 2-    سنتز شیمیایی 3-    تولید از طریق زیست فناوری روش های استخراج با محدودیت هایی مواجه هستند مانند بازده ی اندک وهزینه ی زیاد و همچنین مقدار فرآورده های این روش به شرایط طبیعی بستگی دارد و تحت تاثیر تغییرات آب و هوایی یا فصلی است. با این حال در مواردی که هزینه ی تولید قابل توجیه باشد این روش بکار میرود. روش های سنتز شیمیایی عموما بازده قابل قبولی دارند اما محصولات آن را نمیتوان از دسته مواد طبیعی بحساب اورد و این امر در دهه ی گذشته که تقاضا برای محولات طبیعی افزایش بسیار زیادی داشته ضعف مهمی بحساب می اید. مشکل دیگر این روش ها سنتز مواد کایرال است بطوری که گاهی ممکن نیست انانتیومر ها را با نسبت دلخواه تولید کرد. زیست فناوری جایگزین مناسبی برای روش های استخراج و سنتز است زیرا محصولات آن را میتوان از دسته مواد طبیعی بحساب اورد و چون توسط میکروارگانیسم ها و یا انزیم ها بصورت تدریجی تولید میشوند قابلیت فضا گزینی بیشتری دارد که در بازده فرایند تولید تاثیر بسزایی دارد. زیست فناوری چند روش برای تولید ترکیبات معطر دارد تولید  عطر و طعم دهنده ها به روش زیست فناوری عموما با سه روش کلی انجام میشود که عبارتند از: روش های تخمیر، سنتز de novo، و روش تبدیل زیستی ( bioconversion) تخمیر اغلب محصولات در این روش حاصل فرایند های بیوشیمیایی با 3 نوع ماده ی اولیه هستند که عبارتند از:  کربوهیدرات ها، لیپید ها، پروتئین ها مهمترین کربوهیدرات دخیل در این روش گلوکز است. برای مثال گلوکز در مسیر گلوکولیز Emden-Meyerhof اکسید میشود و پیرووات تولید میکند. در ادامه طی فررایند های متابولیک پیرووات میتواند ترکیباتی مانند diacetyl  و acetoin که هردو طعم کره مانند دارند تولید کنند. اکسیداسیون یا هیدرولیز لیپید ها انواع بیشتری از طعم ها را تولید میکند. هیدرولیز تریگلیسرید ها منجر به تولید اسید های چرب میشود که انواع کوتاه زنجیر انها سبب تولید عطر های خاص مانند استیک اسید با بوی سرکه و (4-ethyloctanoic acid) با عطر بز هستند. اسید های چرب متوسط و بلند زنجیر نیز اکسید میشوند و انواع متیل کتون ها را با عطر کپک-میوه ای و لاکتون ها را با طعم های میوه ای ( هلو، نارگیل) و الکل ها و الدهید ها را تولید میکنند.  پروتئین ها نیز به اسید های امینه تبدیل شده و سپس اسید های امینه تبدیل به ترکیباتی مانند Methionion، diemthylsulfide، diemethyldisulfide، mthional، methionol تبدیل میشودند  که عامل عطر پیاز، سیر و یا تربچه مانند در محصولات لبنی هستند. روش de novo تعدادی از میکروارگانیسم ها (که عموما برای فرایند های تخمیری استفاده نمیشوند) میتوانند خوراک های ساده مانند قندها، امینواسیدها، نیتروژن و... را در مسیرهای متابولیکی خود به ترکیبات پیچیده ی معطر تبدیل کنند. در اکثر فرایند های de novo محصول مطلوب غلظت کمتر از 100mg/L دارد زیرا این ترکیبات عموما محصول جانبی واکنش های متابولیکی میکروارگانیسم هستند. بازده های بهتر زمانی دست میدهد که خوراک اولیه ساختار نزدیک تر به محصول مطلوب داشته باشد. روش تبدیل زیستی در زمینه ی ترکیبات معطر تا به امروز بیشتر تلاش ها در جهت گسترش این روش بکار گرفته شد زیرا این روش برتری های اقتصادی بیشتری نسبت به سنتز de novo دارد. مواد اولیه ارزان قیمت، در دسترس و تجدید پذیر به محیط تخمیر اضافه میشود تا به ترکیبات معطر مطلوب تبدیل شوند. برخلاف سنتر de novo در این روش سعی بر آن است تا ماده ی اولیه بگونه ای انتخاب شود تا طی حداقل تعداد واکنش (شکستن، اکسایش، کاهش)  به محصول معطر تبدیل شود، در واقع مطلوب است ماده ی اولیه وارد مسیر های پیچیده ی متابولیکی میکروارگانیسم نشود. این روش برخلاف سنتزde novo بازده ی بیشتری دارد همین امر باعث میشود این روش برای واحد های صنعتی تولید مواد معطر مناسب تر باشد. محدودیت های این روش عموما عبارتند از حلالیت کم خوراک در آب و یا توقف رشد میکروارگانیسم بعلت تجمع مواد اولیه و یا محصول در محیط کشت. در ادامه ترکیبات معطر با بیشترین مقدار تولید معرفی میشود. Vanillin این ترکیب معطر را میتوان با استفاده از مواد اولیه eugenol، isoeugenol، ferulic acid، lignin تهیه کرد از میان انواع متعدد روش های پیشنهادی برای تولید عطر وانیل مناسب ترین انها استفاده از eugenol است. این ترکیب جزو اصلی روغن میخک است که به اسانی و با قیمت مناسب در دسترس است. طی فرایند های انزیمی eugenol تبدیل به coniferyl alcohol و سپس فرولیک اسید و پس از آن در یک زنجیره فرایند دیگر تبدیل به vanillin میشود. ژن انزیم های دخیل در این فرایندها در باکتری های Pseudomonas کلون میشود. 2_phenylethanol این ترکیب با عطر رز بطور گستره در صنایع ارایشی و بهداشتی، عطر و غذا کاربرد دارد.  این عطر در غلظت 20 قسمت در میلیون برای انسان قابل تشخیص است و غلظت های بیشتر از 40 قسمت در میلیون از آن  برای انسان بصورت بویی نامطبوع حس میشود. هرچند میتوان این ترکیب را با غلظت بالا ( 50 درصد وزنی) از گل رز تهیه کرد اما این روش بعلت قیمت زیاد  مواد اولیه بصرفه نیست. بهترین روش تولید این ترکیب استفاده از phenylalanine چپ گرد بعنوان ماده ی اولیه است. این ماده را میتوان طی فرایند تبدیل زیستی موسوم به ehrlich که از 3 مرحله ی اصلی تبدیل آمینی، کربوکسیل زدایی و احیاست به عطر رز تبدیل کرد. در صنعت برای تولید این ترکیب، از باکتری ها کمتر استفاده میشود. بهترین ارگانیسم ها برای تولید آن، قارچ های Kluyveromyces marxianus و Saccharomyces cerevisiae هستند. باید توجه داشت که فرآیند تولید این فراورده با غلظت های بالا در محیط کشت بعلت سمی بودن و خواص پادزیستی آن انجام نمیشود. غلظت های بالای 2 گرم بر لیتر از این ماده، میتواند رشد میکروارگانیسم ها را کاهش دهد و یا متوقف کند. gamma-Decalactone لاکتون ها در صنایع غذایی نقش بسیار مهمی دارند و بیشتر در تولید نوشیدنی ها استفاده میشوند. گاما - دکا لاکتون یکی از محصولات مهم صنعت زیست فناوری است. این ترکیب عطر هلو مانند و روغنی دارد. روش های تولید این ترکیب عموما با استفاده از ماده ی اولیه ی  ricinoleic acid که از روغن کرچک بدست می آید  و با دخالت میکرو ارگانیسم هایی از گونه های Yarrowia,Sporobolomyces, Monilia, Pichia, Aspergillus انجام میشود. گاما – لاکتون هم در غلظت های بالا برای میکروارگانیسم ها سمی است. برای مقابله با این سمیت روش هایی مانند به دام انداختن آن در محیط روغنی و یا جذب سطحی توسط  اسفنج های ابگریز استفاده میشود. آینده ی تولید ترکیبات معطر امروزه تولید ترکیبات معطر عمدتا به روش تبدیل زیستی انجام میشود. محدودیت های این روش عبارتند از، حلالیت اندک فرآورده یا ماده ی اولیه در آب، سمیت محصولات، تولید محصولات جانبی نامطلوب و ناپایداری محصول نهایی. در آینده چالش های پیش رو مهندسی مسیر های متابولیکی خاص برای کاهش این محدودیت ها و برای دستیابی به حداکثر ظرفیت تولید است.  همچنین امید است تا روش سنتز de novo به قدری بهبود یابد تا بکار گیری آن محدودیت اقتصادی  نداشته باشد و بتوان بجای ترکیبات اولیه پیچیده، از ترکیبات ساده به مقدار مطلوب محصول تولید کرد.