الإنزيمات في الصناعات الغذائية

الإنزيمات في الصناعات الغذائية هي مواد حيوية ذات طبيعة بروتينية تعمل كمحفزات للتفاعلات الكيميائية في الأغذية دون أن تُستهلك خلالها. تُستخدم الإنزيمات في المجال الصناعي الغذائي لتسريع عمليات التحويل الحيوي وتحسين جودة المنتجات وخفض التكاليف الإنتاجية، إضافةً إلى دورها في تقليل الاعتماد على المواد الكيميائية التقليدية.

تُستخلص هذه الإنزيمات عادةً من مصادر طبيعية مثل النباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة، إلا أنّ المصادر الميكروبية (البكتيرية والفطرية) أصبحت الأكثر استخدامًا بفضل سهولة إنتاجها واستقرارها العالي في ظروف التصنيع.

تشمل التطبيقات الصناعية الغذائية للإنزيمات مجالات واسعة مثل صناعة الألبان والخبز والعصائر والمشروبات واللحوم، حيث تُستخدم لإنجاز عمليات تحليل النشا، وتحسين القوام، وتعزيز الطعم، وإطالة فترة الصلاحية.

تتميز الإنزيمات بكونها صديقة للبيئة وذات كفاءة عالية في درجات حرارة وضغوط منخفضة، مما يجعلها خيارًا مثاليًا في الصناعات الغذائية الحديثة التي تسعى إلى تحقيق إنتاج أكثر استدامة وجودة.

 انواع الإنزيمات 

 إنزيمات السكريات 

 اولا :الأميلاز (Amylase) 
الألفا-أميلاز  هو إنزيم ينتمي إلى عائلة الهيدرولازات، ويقوم بتحليل روابط ألفا-1،4-غليكوسيدية في النشا إلى سكريات أبسط مثل المالتوز والديكسترين. يُعدّ هذا الإنزيم من أكثر الإنزيمات استخدامًا في الصناعات الغذائية لما له من قدرة على تسييل النشا وتحويله إلى سكريات قابلة للاستخدام في عدة منتجات غذائية.

 المصادر 
يُنتج الأميلاز من مصادر متعددة تشمل النباتات والحيوانات، إلا أنّ الإنتاج الصناعي يعتمد أساسًا على مصادر ميكروبية مثل أنواع من Bacillus licheniformis وBacillus amyloliquefaciens والفطريات نظرًا لسهولة زراعتها واستقرارها العالي.

 آلية العمل 
يعمل الأميلاز على تكسير روابط ألفا-1،4 داخل جزيء النشا بطريقة عشوائية (endo-acting)، وينتج عن ذلك مزيج من السكريات الأحادية والثنائية والديكسترينات. تساعد هذه العملية في تسهيل تحويل النشا إلى سكريات قابلة للتخمير أو للتحلية الصناعية.

 التطبيقات في الصناعات الغذائية 

 1. صناعة الخبز والمخبوزات 
يُستخدم إنزيم الأميلاز في صناعة الخبز لتكسير النشا في الدقيق إلى سكريات بسيطة تستفيد منها الخميرة أثناء التخمير. ينتج عن ذلك زيادة في حجم العجين وتحسين القوام والطراوة ولون القشرة، كما يطيل فترة صلاحية الخبز بتقليل ظاهرة التبريد الارتدادي للنشا (Retrogradation).

 2. صناعة المشروبات الكحولية والبيرة 
في عملية التخمير الصناعي لمشروبات الشعير والحبوب، يُستخدم الأميلاز لتكسير النشا إلى سكريات قابلة للتخمير بواسطة الخميرة، مما يزيد من كفاءة التخمير ويُحسّن الطعم النهائي.

 3. صناعة شراب الغلوكوز والمحليات 
يُستخدم الأميلاز في تحويل نشا الذرة والبطاطس إلى غلوكوز عبر عملية التسييل (Liquefaction)، ثم يُحوَّل لاحقًا بواسطة إنزيمات أخرى إلى فركتوز لإنتاج شراب الفركتوز عالي المحتوى (HFCS) المستخدم في المشروبات الغازية والحلويات.

 4. تحسين خصائص منتجات النشا 
يُستخدم الإنزيم لتعديل النشا الصناعي وتقليل لزوجته أو تحسين ذوبانه واستقراره الحراري، مما يوسع تطبيقاته في صناعة الأغذية مثل الصلصات والمستحلبات.

 5. التطبيقات الأخرى 
يُستخدم الأميلاز أيضًا في مجالات غير غذائية مثل صناعة الورق والنسيج والمنظفات، إلا أنّ استخدامه في الغذاء يظل الأوسع بفضل توافقه الحيوي وسلامته.

 المزايا 

 تحسين الكفاءة الإنتاجية في الصناعات النشوية.
 تقليل استهلاك الطاقة بفضل العمل في درجات حرارة أقل مقارنة بالطرق الكيميائية.
 منتج صديق للبيئة وآمن غذائيًا.
 إمكانية تعديل خصائصه وراثيًا لزيادة مقاومته للحرارة أو تغيّر الأس الهيدروجيني.

 التحديات 

 حساسية الإنزيم للحرارة أو لتغير درجة الحموضة.
 ضرورة ضبط الجرعة لتجنّب تحلل زائد للنشا.
 ارتفاع كلفة بعض أنواع الأميلاز المتخصصة.
 الحاجة إلى ضمان سلامة المصدر الميكروبي وفق معايير إدارة الغذاء والدواء الأمريكية.

 المستقبل 
تتجه الأبحاث نحو تطوير أنواع معدّلة حراريًا قادرة على العمل في درجات حرارة مرتفعة، وأخرى قادرة على تحليل النشا الخام دون تسخين مبدئي، مما يقلل تكاليف المعالجة ويزيد الكفاءة.

 ثانيا: غلوكوأميلاز (Glucoamylase) 
الغلوكوأميلاز  هو إنزيم ينتمي إلى فئة الهيدرولازات التي تقوم بتحليل السكريات العديدة مثل النشا والغليكوجين إلى غلوكوز حر. يعمل هذا الإنزيم عبر تكسير الروابط ألفا-1،4 وأحيانًا ألفا-1،6 في النشا من الطرف غير المختزل، منتجًا جزيئات غلوكوز أحادية.

 المصادر 
يُنتج الغلوكوأميلاز طبيعيًا في بعض النباتات والحيوانات، إلا أن الإنتاج الصناعي يعتمد أساسًا على مصادر ميكروبية، خصوصًا أنواع من Aspergillus niger وRhizopus spp. وBacillus spp.، نظرًا لقدرتها العالية على إفراز الإنزيم واستقراره في درجات حرارة مرتفعة وحموضة متوسطة.

 آلية العمل 
يعمل الغلوكوأميلاز بطريقة «خارجية» (exo-acting) عبر إزالة جزيئات الغلوكوز تدريجيًا من أطراف سلسلة النشا، على عكس الألفا-أميلاز الذي يعمل داخليًا. ونتيجة لذلك، ينتج غلوكوز نقي تقريبًا بنسبة عالية عند اكتمال التفاعل.

 التطبيقات في الصناعات الغذائية 
يُعدّ الغلوكوأميلاز من أهم الإنزيمات المستخدمة في الصناعات الغذائية المعتمدة على النشا والسكريات، وتشمل استخداماته ما يلي:

 1. صناعة شراب الغلوكوز 
يُستخدم الغلوكوأميلاز في المرحلة الثانية من تحويل النشا الصناعي إلى غلوكوز بعد عملية التسييل التي يقوم بها الألفا-أميلاز، حيث يُكمّل التحليل ليحول الديكسترينات والمالتوز إلى غلوكوز نقي.

 2. صناعة الإيثانول والوقود الحيوي 
في إنتاج الإيثانول الغذائي أو الوقود الحيوي، يعمل الغلوكوأميلاز على تحويل النشا إلى سكريات قابلة للتخمير من قبل الخميرة، مما يزيد كفاءة التخمير ويُقلّل المخلفات.

 3. صناعة المشروبات والعصائر 
يُستخدم لتقليل لزوجة العصائر وتحويل السكريات المعقدة إلى سكريات بسيطة، مما يعطي طعماً أكثر حلاوة ويساعد على الثبات أثناء التخزين.

 4. صناعة الخبز والمخبوزات 
إضافة كميات صغيرة من الغلوكوأميلاز إلى العجين تساعد في زيادة إنتاج الغلوكوز الذي يغذي الخميرة أثناء التخمير، مما يؤدي إلى تحسين حجم الخبز وطراوته.

 المزايا 

 إنتاج غلوكوز نقي بنسبة عالية.
 فعّال في درجات حرارة وحموضة متوسطة إلى مرتفعة.
 إمكانية دمجه مع إنزيمات أخرى مثل الألفا-أميلاز أو إنفرتاز لتحسين كفاءة التحليل.
 يستخدم في عمليات التحويل الحيوي ذات الكفاءة العالية والطابع البيئي الآمن.

 التحديات 

 انخفاض نشاطه في درجات الحرارة العالية جدًا (أكثر من 65 °م).
 احتمال تثبيط النشاط الإنزيمي بوجود نواتج التحلل (مثل الغلوكوز).
 كلفة الإنتاج الحيوي مقارنة ببعض البدائل الصناعية.

 المستقبل 
تتجه الأبحاث الحديثة إلى تطوير أنواع غلوكوأميلاز مقاومة للحرارة وذات نشاط عالٍ في ظروف حموضة مختلفة، إضافةً إلى تحسين تقنيات الهندسة الوراثية لإنتاج إنزيمات أكثر استقرارًا وأقل كلفة في التطبيقات الصناعية.

 إنفرتاز (Invertase) 
الإنفرتاز  هو إنزيم ينتمي إلى فئة الهيدرولازات، وتحديدًا إلى مجموعة الإنزيمات المحللة للسكريات (Glycosidases). يقوم الإنفرتاز بتحليل السكروز (سكر المائدة) إلى مكونيه الرئيسيين، وهما غلوكوز وفركتوز، عبر تكسير الرابطة غلايكوسيدية α-1,2 التي تربط بين الجزيئين.

 المصادر 
يتواجد الإنفرتاز طبيعيًا في بعض النباتات والنحل والخمائر، وخاصة في Saccharomyces cerevisiae، وهو المصدر الأكثر استخدامًا في الصناعات الغذائية، نظرًا لإنتاجه بكميات كبيرة وثباته في ظروف مختلفة من الحرارة والأس الهيدروجيني.

 آلية العمل 
يعمل الإنفرتاز عن طريق التحلل المائي للرابطة الغلايكوسيدية بين الغلوكوز والفركتوز في السكروز، منتجًا ما يُعرف باسم السكر المقلوب (Inverted sugar)، وهو مزيج من الغلوكوز والفركتوز يتميز بحلاوة أعلى من السكروز بنسبة 20٪ تقريبًا.

 الأهمية الصناعية 
يُستخدم الإنفرتاز على نطاق واسع في الصناعات الغذائية نظرًا لدوره في تحسين الطعم، الملمس، والثبات الكيميائي للمنتجات السكرية.

 التطبيقات في الصناعات الغذائية 

 1. صناعة الحلويات والمربيات 
يُستخدم الإنفرتاز لتحويل السكروز إلى سكر مقلوب في المربيات والحلويات لمنع تبلور السكر، وتحسين القوام والملمس النهائي للمنتج.

 2. صناعة الشوكولاتة والكريمة 
تضاف كميات صغيرة من الإنفرتاز إلى حشوات الشوكولاتة أو الكريمة لتحويل السكروز ببطء بعد التعبئة، مما يمنح المنتج قوامًا طريًا وسلسًا مع مرور الوقت.

 3. صناعة العسل الصناعي 
يُستخدم الإنفرتاز لإنتاج العسل الصناعي من محلول السكروز، نظرًا لأن التحلل الناتج يعطي مزيجًا مشابهًا للسكر الطبيعي الموجود في العسل الطبيعي.

 4. صناعة المشروبات والعصائر 
يساعد الإنفرتاز في زيادة حلاوة العصائر والمشروبات الغازية، ويُقلّل من تبلور السكر أثناء التخزين، مما يُحسّن الثبات الذوقي.

 المزايا 

 إنتاج سكر مقلوب ذو حلاوة أعلى واستقرار أكبر.
 منع تبلور السكريات في المنتجات الغذائية.
 يعمل في مدى واسع من pH (4–7) ودرجات حرارة معتدلة (35–55 °م).
 آمن غذائيًا ومعتمد من الهيئات الدولية.

 التحديات 

 فقدان النشاط في درجات الحرارة المرتفعة (>60 °م).
 تكلفة الإنتاج الحيوي عند الاعتماد على مصادر فطرية.
 التثبيط الناتج عن تراكم الفركتوز الحر.

 المستقبل 
تعمل الأبحاث الحديثة على تطوير إنفرتازات متحملة للحرارة وأكثر ثباتًا من خلال تقنيات الهندسة البروتينية والتخمر الميكروبي المعدّل وراثيًا، لزيادة كفاءة الإنتاج الصناعي وخفض التكاليف.

 إنزيمات البروتين 

 البروتياز (Protease) 
البروتياز  أو الإنزيم الحال للبروتين هو أحد أهم الإنزيمات التي تقوم بتحليل البروتينات إلى ببتيدات وأحماض أمينية حرة عبر كسر الرابطة الببتيدية. ويُطلق عليه أيضا اسم بيبتيز أو إنزيم محلل للبروتين.

 التصنيف 
تُصنَّف إنزيمات البروتياز إلى عدة فئات رئيسية وفقًا لآلية التحفيز الكيميائي، وتشمل:

 سيرين بروتياز (Serine proteases)
 سيستين بروتياز (Cysteine proteases)
 ميتالو بروتياز (Metallo proteases)
 أسبرتات بروتياز (Aspartic proteases)
 ثرينين بروتياز (Threonine proteases)

 المصادر 
تتواجد البروتازات في معظم الكائنات الحية، بدءًا من البكتيريا والفطريات وحتى الإنسان. أما في المجال الصناعي فيتم الحصول عليها أساسًا من مصادر ميكروبية مثل:

 Bacillus subtilis
 Aspergillus oryzae
 Streptomyces griseus

وتتميز هذه المصادر بإنتاج كميات كبيرة من الإنزيم وثباتها في ظروف مختلفة من الحرارة والحموضة.

 آلية العمل 
تعمل البروتازات على التحلل المائي للرابطة الببتيدية بين الأحماض الأمينية في البروتين، مما يؤدي إلى إنتاج ببتيدات قصيرة أو أحماض أمينية حرة. تختلف آلية التحفيز باختلاف نوع مجموعة الأحماض الأمينية النشطة في موقع التفاعل (مثل السيرين أو السيستين).

 التطبيقات في الصناعات الغذائية 
يُعدّ إنزيم البروتياز من أكثر الإنزيمات استخدامًا في الصناعات الغذائية نظرًا لدوره في تحسين القوام والطعم والقيمة الغذائية للمنتجات.

 1. صناعة الأجبان والألبان 
يُستخدم البروتياز (وخاصة الكيموسين) في صناعة الجبن لتخثير الكازين، وهو البروتين الرئيسي في الحليب. كما تُستخدم أنواع أخرى لتحسين طراوة الجبن وتسريع نضوجه.

 2. صناعة اللحوم والمجمدات 
تُستخدم بروتازات نباتية مثل بابين (من البابايا) وبروميلين (من الأناناس) في تطرية اللحوم وتحسين ليونتها قبل الطهي، عبر تكسير ألياف البروتين القاسية.

 3. صناعة المخبوزات 
إضافة البروتاز إلى العجين يساعد في تكسير الغلوتين جزئيًا، مما يحسن مرونة العجين وسهولة تشكيله، ويؤدي إلى منتج نهائي أكثر نعومة.

 4. صناعة المشروبات 
يُستخدم البروتاز في صناعة البيرة والمشروبات البروتينية لتقليل العكارة الناتجة عن البروتينات، مما يعطي مشروبًا أكثر صفاءً واستقرارًا أثناء التخزين.

 5. صناعة الأغذية المجففة ومساحيق البروتين 
يُستخدم البروتاز لتحليل البروتينات إلى ببتيدات صغيرة سهلة الهضم، ما يُستخدم في إنتاج مساحيق البروتين والمكملات الغذائية الخاصة بالرياضة والتغذية الطبية.

 المزايا 

 تحسين القابلية للهضم والطعم.
 فعالية عالية في ظروف مختلفة من الحرارة وpH.
 استخدام آمن ومعتمد في الغذاء.
 تقليل الحاجة إلى المواد الكيميائية في تصنيع الأغذية.

 التحديات 

 فقدان النشاط الإنزيمي في الظروف الشديدة.
 كلفة الإنتاج عند الاعتماد على مصادر طبيعية.
 الحاجة إلى ضبط دقيق للجرعة لتجنب الإفراط في التحلل.

 المستقبل 
تسعى الأبحاث الحديثة إلى تطوير بروتازات مستقرة حراريًا ومعدلة وراثيًا ذات كفاءة عالية، لتناسب التطبيقات الصناعية المختلفة مثل الأغذية الوظيفية والمستحضرات البروتينية.

 إنزيمات الدهون 

 الليباز (Lipase) 
الليباز  هو إنزيم ينتمي إلى فئة الهيدرولازات ويعمل على تحليل الدهون والزيوت إلى غليسرول وأحماض دهنية حرة. يُعدّ هذا الإنزيم من أكثر الإنزيمات أهمية في الصناعات الغذائية والدوائية، نظرًا لدوره في تحسين النكهة، والهضم، والتحويل الحيوي للدهون.

 المصادر 
يُنتج الليباز في جميع الكائنات الحية تقريبًا، بما في ذلك الحيوانات والنباتات والكائنات الدقيقة. وتُستخدم المصادر الميكروبية مثل:

 Aspergillus niger
 Candida rugosa
 Bacillus subtilis

لإنتاج الليباز الصناعي نظرًا لثباته العالي وسهولة استخلاصه من بيئات التخمر.

 آلية العمل 
يحفز الليباز التحلل المائي للروابط الإستيرية بين الغليسرول والأحماض الدهنية في الدهون الثلاثية. كما يمكنه العمل في الوسط العضوي لتكوين إسترات جديدة عبر عملية الأسترة أو التبادل الإستيري، مما يجعله إنزيمًا ذا استخدامات متعددة في الصناعة.

 التصنيف 
تصنف الليبازات إلى أنواع مختلفة بحسب مصدرها وآلية عملها، وتشمل:

 ليبازات معوية (مثل ليباز البنكرياس في الإنسان).
 ليبازات نباتية (موجودة في بذور بعض النباتات الزيتية).
 ليبازات ميكروبية (من البكتيريا والفطريات، وهي الأكثر استخدامًا صناعيًا).

 التطبيقات في الصناعات الغذائية 
يُستخدم الليباز على نطاق واسع في الصناعات الغذائية لإنتاج النكهات الطبيعية وتحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية للدهون والزيوت.

 1. صناعة الألبان والأجبان 
يُستخدم الليباز لتحليل الدهون الثلاثية في الحليب والجبن، مما ينتج مركبات طيّارة مسؤولة عن النكهات المميزة في الأجبان المعتقة مثل البارميزان والروكفور.

 2. صناعة الزيوت المعدّلة 
يُستخدم الليباز في عمليات الأسترة المتبادلة لتعديل تركيب الدهون النباتية وتحسين خواصها الفيزيائية دون الحاجة إلى عمليات كيميائية قاسية، مما ينتج زيوتًا أكثر صحة وثباتًا.

 3. صناعة المخبوزات والحلويات 
يساهم الليباز في تحسين مرونة العجين وطراوته عبر تعديل المكونات الدهنية فيه، كما يمنح نكهة زبدية طبيعية في الكيك والكوكيز.

 4. صناعة العصائر والمشروبات 
يُستخدم الليباز لإزالة الدهون والمواد الشمعية من العصائر، ما يزيد من صفاء اللون ويحسن الطعم ويُطيل مدة التخزين.

 5. إنتاج النكهات الطبيعية 
بسبب قدرته على تحليل الدهون إلى أحماض دهنية قصيرة السلسلة، يستخدم الليباز في إنتاج النكهات اللبنية والزبدية في الصناعات الغذائية.

 المزايا 

 إنزيم صديق للبيئة مقارنة بالعمليات الكيميائية.
 يعمل في درجات حرارة وحموضة معتدلة.
 إنتاج نكهات طبيعية ومستقرة.
 تحسين جودة الزيوت والألبان والمخبوزات.

 التحديات 

 حساسيته للحرارة العالية.
 ارتفاع كلفة الإنتاج الحيوي لبعض الأنواع.
 انخفاض النشاط في بعض الزيوت المشبعة.

 المستقبل 
تتركز الأبحاث الحديثة على تطوير ليبازات متحملة للحرارة ومعدلة وراثيًا ذات كفاءة عالية في البيئات الصناعية، خصوصًا في الصناعات الغذائية والوقود الحيوي، مما يفتح آفاقًا لتطبيقات أوسع وأكثر استدامة.

 ثالثا: إنزيمات الألياف 

 السليولاز (Cellulase) 
السليولاز (بالإنجليزية: Cellulase) هو مجموعة من الإنزيمات التي تقوم بتحليل السليلوز، وهو أحد المكونات الأساسية في جدران الخلايا النباتية. تعمل هذه الإنزيمات على تكسير السلاسل الطويلة من جزيئات السليلوز إلى سكريات بسيطة مثل الغلوكوز، عبر تحفيز تفاعلات التحلل المائي للرابطات الغليكوسيدية.

تُنتَج إنزيمات السليولاز طبيعياً من قبل أنواع متعددة من البكتيريا والفطريات والأوليات، كما يمكن إنتاجها صناعيًا باستخدام الهندسة الوراثية لزيادة كفاءتها واستقرارها في التطبيقات الصناعية.

في الصناعات الغذائية، يُستخدم السليولاز لتحسين استخلاص العصائر وزيادة وضوحها، حيث يعمل على تكسير جدران الخلايا النباتية وتحرير العصير والمركبات النكهية. كما يُستخدم في صناعة القهوة الفورية لتحسين قابلية الذوبان، وفي معالجة الأعلاف الحيوانية لتحسين هضم الألياف.

تتميز إنزيمات السليولاز بأهميتها البيئية أيضاً، إذ تُستخدم في تحويل المخلفات الزراعية إلى وقود حيوي، مما يجعلها محوراً رئيسياً في الصناعات المستدامة والاقتصاد الدائري.

 البكتيناز (Pectinase) 
البكتيناز (بالإنجليزية: Pectinase) هو إنزيم أو مجموعة من الإنزيمات التي تقوم بتحليل البكتين، وهو أحد المكوّنات الأساسية في جدران الخلايا النباتية وخاصة في الفواكه. يعمل هذا الإنزيم على تكسير الروابط الغليكوسيدية في جزيئات البكتين، مما يؤدي إلى تفكك المكونات الخلوية وزيادة سيولة العصائر وتحسين استخلاصها.

تُنتَج إنزيمات البكتيناز طبيعياً من قبل بعض الفطريات والبكتيريا والخمائر، ويمكن إنتاجها على نطاق واسع بطرق التخمير الميكروبي الصناعي. تختلف أنواع البكتينازات بحسب طبيعة التفاعل الذي تحفّزه، مثل إنزيمات بوليغالاكتوروناز (Polygalacturonase) وبيكتين ليياز (Pectin lyase).

في الصناعات الغذائية، يُعد البكتيناز من أهم الإنزيمات المستخدمة في صناعة العصائر والنبيذ والمربى، حيث يساعد على زيادة استخلاص العصير من الفواكه، وتقليل لزوجته، وتحسين شفافيته، كما يساهم في إطلاق المركبات العطرية والنكهة الطبيعية.

إضافة إلى ذلك، يُستخدم البكتيناز في معالجة الألياف النباتية وفي صناعة المنسوجات، وكذلك في معالجة مياه الصرف الصناعي لإزالة المخلفات البكتينية من النفايات العضوية.

 أنظر أيضاً 

 صناعة الغذاء
 إنزيم
 كيمياء غذائية

 المراجع 

تصنيف:كيمياء غذائية
تصنيف:إنزيمات صناعية
تصنيف:أغذية