دوشنبه سی ام فروردین ۱۴۰۰ | 15:19 | اسید فسفریک -
مقدمه
β کاروتنوئید ترکیب کاروتنوئید موجود در فراوانی در رژیم غذایی انسان است و پس از آن در تمام بافت های انسانی از جمله خون یافت می شود. با توجه به زیست فعالی بالا، آن را نیز به طور گسترده ای در پزشکی استفاده می شود. در میان عملکردهای متعدد β کاروتن در بدن انسان، مهم مربوط به عرضه provitamin A، بیشتر تحت تاثیر قرار توسعه جنینی، رشد صحیح، و بینایی است. به عنوان یک بازدارنده برخی از ژن ها در نظر گرفته می شود; همچنین, آن را نشان می دهد ضد سنکر و خواص آنتی اکسیدانی (Berman et al., 2014; هارایسم و اولدزکی، ۲۰۱۴; ژانگ و همکارانش، ۲۰۱۶).
نه تنها زیست فعالی β کاروتن یک افزودنی غذایی با ارزش بلکه اهمیت صنعتی نیز از خواص رنگ آمیزی آن نتیجه می دهد. در صنایع غذایی، β-کاروتن به عنوان رنگدانه نارنجی-قرمز در بسیاری از محصولات استفاده می شود، از جمله نوشیدنی های غیر الکلی که به صورت غیر حرارتی درمان می شوند با طعم میوه های گرمسیری، چربی های خوراکی، پنیر، شیرینی، و بستنی. در صنعت داروسازی، آن را به عنوان یک عامل رنگ آمیزی برای قرص عمل می کند، و در صنعت لوازم آرایشی، آن را به عنوان یک عنصر زیست فعال از کرم ها استفاده می شود، که محافظت از آسیب های پوستی در برابر اکسیداسیون و قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش است. زیست فعالی بالای β و کاربرد گسترده آن بر توسعه روش های تولید آن تأثیر می گذارد.
هدف از آن کار بررسی خواص β کاروتن، روش های تولید β کاروتن، و توسعه آنهاست.
خواص
β کاروتن یک متابولیت ثانویه است که توسط گیاهان سنتز می شود و متعلق به یک گروه ترکیبی اکسید نشده از کاروتنوئیدها است. در حال یک ترکیب پلی ن، مشتق شده از ساختار چرخه ای، C40H56 دارای زنجیره ای طولانی از پیوندهای دو برابر مزدوگیت است. درجه حرارت بالا ترویج ایزومریزاسیون پیوندهای دو، که منجر به روشن شدن رنگ حاصل (Fratianni et al., 2010; Meléndez-Martínez et al., 2010).
کاروتنوئیدها که ساختار آن ها با مولکول رتینول یکسان است، فعالیت ویتامین A را ارائه می دهند و در میان این گروه، β-کاروتن بیشترین فعالیت زیستی را به عنوان پیش ساز ویتامین A آشکار می کند. مولکول β-کاروتن شامل دو حلقه β یونی است. از نظر تئوری کلافگی آن زنجیره در –C15 = C15′– موقعیت فراهم می کند دو مولکول رتینول. تبدیل β به رتینول از طریق انتشار منفعل در مخاط روده کوچک رخ می دهد. در دوره تبدیل، کاروتنوپروتئین ها توسط آنزیم ۱۵،۱۵′-دی اکسیژناز، از طریق فرم آلدهید رتینی تشکیل می شوند. اما تبدیل β-کاروتن به ویتامین A ناقص است و این ترکیب تنها ۱/۶ فعالیت رتینول را نشان می دهد که به این معنی است که ۱ میلی گرم رتینول معادل ۶ میلی گرم β-کاروتن است. همانطور که carotenoids نمایشگاه خواص لیپوفیلی و تمایل به تجمع در غشای سلولی و لیپوپروتئن, β کاروتن آزاد شده از مواد غذایی در فاز چربی حل می شود (Eitenmiller et al., 2016).
β-کاروتن تا حدودی به ویتامین A تبدیل می شود، مقدار باقی مانده از β-کاروتن تبدیل نشده و استر های توین در چیلومیکرون ها گنجانیده می شود، به لنف ترشح می شود، و سپس به کبد منتقل می شود. کاروتنوئیدها که در آن مولکول ها حضور حلقه β نشان نمی دهند فعالیت provitamin (Eroglu and Harrison, 2013).
کاروتنوئیدها به دلیل توانایی حل شدن در چربی، بر بسیاری از فرایندهای زیستی از جمله فتوسنتز، فرایند بینایی، یا جارو کردن رادیکال های آزاد و اکسیژن تکت تأثیر می گذارد (Geens et al., 2009; Odriozola-Serrano et al., 2009; Widomska et al., 2009).
در ادبیات، نمونه هایی از خواص پراکسیداتیو β کاروتن وجود دارد که نتیجه آن کشش اکسیژن بالا است (Eldahshan and Singab, 2013). کاهش خواص آنتی اکسیدان β کاروتن بستگی به لایه های مختلف چربی بدن دارد (ژانگ و اومای، ۲۰۰۰; Chen and Djuric, 2001; Schafer et al., 2002).
مطالعات ex vivo در مورد پتانسیل آنتی اکسیدانی β-کاروتن حمل شده در کسر LDL در بدن انسان اثر حفاظتی β کاروتن را تایید کرده است. با این حال، برخی مطالعات افزایش اکسیداسیون LDL را در حضور β-کاروتنوئیدها و دیگر کاروتنوئیدها مانند لوتین یا زآگزانتین نشان داده اند. علاوه بر این، β کاروتن همیشه باعث افزایش حفاظت LDL در طول قرار گرفتن در معرض عوامل اکسیداتیو نشد. نتایج به مدت رژیم غذایی، ویژگی های مختلف جمعیت و سایر عوامل تشخیص داده نشده وابسته بود. در مطالعات زنده نشان داده است که وجود دیالدهید مالونات به عنوان محصول نهایی اکسیداسیون چربی با مصرف طولانی مدت β کاهش می یابد (کادیان و گارگ، ۲۰۱۲; خاویر و پرز-گالویز، ۲۰۱۶).
خواص ارزشمند فیزیکی و بیولوژیکی β-کاروتن این ترکیب را به یک افزودنی غذایی مطلوب تبدیل می کند و به همین دلیل در صنایع غذایی به عنوان رنگدانه نارنجی-قرمز بسیاری از محصولات غذایی مورد استفاده قرار می گیرد.
روش های β کاروتن
کاروتنوئیدها منبع ارزشمندی از رنگدانه ها و ویتامین ها هستند، بنابراین توسعه روش های موثر تولید آن ها مورد علاقه زیادی از تحقیقات است. هم گیاهان و هم میکروب ها به عنوان مواد اولیه در فرایند تکنولوژیک مورد استفاده قرار می گیرند. روش هایی برای سنتز شیمیایی کاروتنوئیدها که در دهه ۱۹۵۰ توسعه یافته بودند به عنوان منبع اصلی رنگدانه های کاروتنوئید برای مدت طولانی خدمت کردند. مطالعات بعدی در مورد عملکردهای زیستی کاروتنوئیدها منجر به علاقه بیشتر به منابع طبیعی این ترکیبات شده است. در نتیجه روش های زیادی برای ساخت کاروتنوئید توسعه یافته است که می تواند به عنوان فیزیکوشیمیایی، شیمیایی، و بیوتکنولوژیک طبقه بندی شود.
روش های فیزیکوشیمیایی
قدیمی ترین راه برای به دست آوردن کاروتنوئیدها استخراج از مواد گیاهی، بر اساس فرایندهای فیزیکوشیمیایی است. کاروتنوئیدها به صورت بخش های سبز گیاهان، گل ها، میوه ها، دانه ها، ریشه ها، و لوله ها استخراج می شوند (Dasgupta and Klein, 2014). آن ها در سبزیجات رخ می دهند، مانند در هویج، کدو تنبل، اسفناج، گوجه فرنگی، و در میوه هایی مانند هندوانه و تمشک (شکل 1). در سلول های گیاهی، کاروتنوئیدها در غشاهای تیلاکوئید قرار دارند که اندامک کلروبلاست هستند.
منبع: Kunachowicz et al., 2012.
محبوب ترین منبع برای β هویج نارنجی است. این روش شامل مراحل مختلف به صورت زیر است: عملیات تصفیه و خرد کردن مواد، پرس آب میوه، انعقاد پروتئین، تخمیر، گریز از سنتریفوژ و استخراج با حلال آلی، تصفیه، دئودوریزاسیون، تبخیر، و تبلور. در برخی موارد ماده اولیه تحت تخمیر، خشک کردن، یا تکه تکه شدن مجدد قرار می گیرد تا کارایی استخراج کاروتنوئیدها افزایش یابد. جدول 1 نمونه های فرمولاسیون کاروتن طبیعی به دست آمده از مواد گیاهی و کاربرد آنها را ارائه می دهد.
جدول 1. فرمولاسیون های کاروتن طبیعی انتخاب شده به دست آمده از مواد گیاهی و کاربرد آنها.
نام محصول مواد گیاهی روش استخراج کاروتن ها رنگ حلال برنامه
مخلوط کاروتن روغن نخل تعریف نشده
هویج
هزدا
علف ها
یورتیکا استخراج حلال: استون، متیل اتیل کتون، اتانول، اتانول، پروپان-۲-اول، هکسان، دی کلرومتان کربن دی اکسید. • β-کاروتن (۸۵٪)
• α-کاروتن (۱۵٪)
• γ-کاروتن مقادیر ردیابی
• C40H56 نارنجی روغن
چربی
هکسان رنگدانه از موارد زیر:
• غیر الکهولیک، نوشیدنی با خمیر میوه های گرمسیری طعم
چربی های خوراکی
• پنیر خامه ای
شیرینی
بستنی
Lycopersicon esculentum استخراج حلال: دی کلرومتان، دی اکسید کربن، اتیل استات، استون، پروپان-۲-اول، اتانول، هکسان Lycopene
• C40H56 نارنجی-قرمز چربی رنگدانه از:
محصولات گوجه فرنگی فرآوری شده
نقطه ضعف اصلی تولید کاروتنوئیدها از مواد گیاهی هزینه بالا، تعیین کننده های جغرافیایی، و فصلی بودن مواد اولیه است. برای به دست آوردن چند گرم کاروتنوئید، چند ده ها کیلوگرم مواد گیاهی باید فرآوری شود. از حدود ۵۰ کیلوگرم هویج تنها ۲ گرم فرمولاسیون α و β به صورت کریستالی به دست می آید. بنابراین، تلاش زیادی برای بهبود کارایی بیوسنتز کاروتنوئید توسط برخی گیاهان بر اساس تغییرات ژنتیکی انجام می شود (Beyer et al., 2002; Szterk et al., 2008).
کاروتنوئیدهای طبیعی مقاومت پایینی در برابر عوامل خارجی، ترکیب رنگ متغیر، و کمکی ها از خود نشان می دهند. همچنین, آن آسان نیست برای به دست آوردن محدوده های مختلف رنگ و استاندارد تن خود را. یک نقص خاص طعم و بوی خاصی است که یکی از معیارهای اساسی ارزیابی مصرف کننده است. این معایب را می توان با استفاده از رنگ های مصنوعی که نشان می دهد مقاومت قابل توجهی بالاتر و قدرت رنگ با توجه به وجود قندهای خالص بی رنگ، نمک های معدنی، و یا پروتئین در مقایسه با آنهایی که طبیعی اجتناب شود. علاوه بر این سنتز شیمیایی نیاز به مقدار زیادی مواد اولیه ندارد.
سنتز شیمیایی
سنتز شیمیایی از زمانی که در سال ۱۹۵۰ توسط کارر، یوگستر، اینهوفیان، و میلاس (صفحه وب دانشگاه بریستول) توسعه یافت، در تولید کاروتنوئیدها مورد استفاده قرار گرفته است. در حال حاضر 4 سال بعد، β،β کاروتن در مقیاس صنعتی تولید شد و به عنوان خوراک و رنگ مواد غذایی استفاده می شود. از نزدیک به ۷۰۰ کاروتنوئیدی که به طور طبیعی رخ می دهند، تنها تعداد کمی در مقیاس صنعتی سنتز می شوند. از جمله این افراد می توان به گلیکوپن، کانتاکسانتین، آستاکسانتین، β،β-کاروتن، β-apo-8′-carotenal، β-apo-8′-carotene، و سیتراناکسانتین نامید. واکنش های ویتگ یا ترکیبات گریگنارد برای به دست آوردن کاروتنوئیدها استفاده می شود (آلوارز و همکاران، ۲۰۱۴).
واکنش های ویتگ آلدهیدها را از آلدهیدها یا کتون ها تولید می کنند. مشتقات خاص تری فنیل فسفین نقش کلیدی در این واکنش دارند. یک استراتژی برای به دست آوردن کاروتنوئیدها در واکنش ویتیگ ترکیب دو مولکول نمک فسفونیوم است که هر کدام حاوی ۱۵ اتم کربن و یک مولکول دیالدهید حاوی ۱۰ اتم کربن هستند. سپس محصولات واکنش تحت یک واکنش ایزومریزاسیون قرار می گیرند که منجر به تشکیل ترکیبات متقارن از ۴۰ اتم کربن، از جمله β،β-کاروتن، گلیکوپن، یا آستاکسانتین می شود. طرح این واکنش به این قرار تعیین شده است:
C15 + C10 + C15
که در آن C15 نمک فسفونیوم و C10 دیالدهید است.
سنتز شیمیایی دیگر کاروتنوئیدها ترکیبات گریگنارد عضوی را پیاده سازی می کند. برای استفاده از ترکیبات گریگنارد، لازم است که یک مولکول دی کتون و دو مولکول اتانول را با هم ترکیب کنیم، پس از آن ترکیب حاوی ۴۰ اتم کربن به دست می آید (بریتون و همکارانش، ۱۹۹۶; آلوارز و همکاران، ۲۰۱۴).
از جمله روش های سنتز β،β-کاروتن، واکنش های کم آبی و حذف، واکنش چانسه انتخابی ترکیبات کربنیل و واکنش همو-دیمریزاسیون، و واکنش جفت شدن انتخابی Csp2–Csp2 (Bienayme 1994; Fontan et al., 2013).
برخی از مطالعات نشان دهنده یک فعالیت سرطان زا از β کاروتن (Black 2004). که یک دلیل اساسی برای به دنبال یک روش دیگر از تولید کاروتنوئیدهای طبیعی به عنوان این ترکیبات به طور طبیعی توسط میکروارگانیسم ها سنتز شد.
بیوسنتز میکروبیولوژیک
در میان تمام روش های شناخته شده β کاروتن، بیوسنتز میکروبی مورد علاقه خاص است. نیاز به تولید تجاری رنگدانه طبیعی از جمله β کاروتن منجر به تحقیقات فشرده ای در این زمینه شده است. جدول ۲ آثار روی بیوسنتز کاروتن را β میکروارگانیسم ها ارائه می دهد.
جدول 2. منابع میکروبیولوژیک β کاروتن.
خانواده نام میکروب ها منبع
مخمر فافیا رودوزیما استاچویاک و کزارنکی ۲۰۰۷
رودوتورولا آخنیروم نصرآبادی امد رضوی ۱۳۹۰
رودوتورولا گلوتینیس Sinisa et al., 2013
رودوتورولا گراسیلیس Somashekar and Joseph 2000
رودوتورولا گرامینز Maldonade et al., 2008
رودوتورولا مینوتا Patino-Vera et al., 2005
رودوتورولا روبره (موسیلاگینوزا) Chanchay et al., 2012
رودوسپوریدیوم دیوبواتوم نصیریان و همکارانش، ۱۳۹۷
اسپوریدیوبولوس پاراروزوس Valduga et al., 2014
اسپوروبولومیسس روبرریموس Hadi et al., 2007
اسپوروبیولومیسس شیباتانوس Marova et al., 2012a
اسپوروبیولومیسس رزوس Sinisa et al., 2013
Sporobolomyces pararoseus T. فوچمن ۱۹۸۰
کاندیدا یوتیلیس Shimada et al., 1998
ساکرومیسس سرویسیا Verwaal et al., 2007
قالب بلیکزلا تریسپورا Nanou et al., 2012
Phycomyces blakesleeanus مهتا، ۱۳۷۶
جلبک دونالیلا سالینا گارسیا-گونزالس و همکارانش، ۲۰۰۵
دونالیلا باردا ویل ربانی و همکارانش، ۱۳۷۷
دونالیلا ترتیولکتا Fazeli et al., 2006
کارنه اروتریشیا بیورنلند، ۱۹۸۴
لورنسیا اوبتوسا Hegazi, 2002
پروکلورن اسپ Takaichi et al., 2012
اسپیرولوینا پلاتنسیس دی و راتود، ۲۰۱۳
Chrysophycea— Mallomonas sp. Peterfi and Momeu, 2009
باکتری اشریشیا کلی ژائوآ و همکارانش، ۲۰۱۳
سرراتیا مارکسنس Wang et al., 2012
آگروباکتریوم تومفاینس Misawa et al., 1991
منبع: مطالعه خود نویسندگان.
باز کردن در زبانه جدید
توجه زیادی به دونالیلا spp جلب شده است. جلبک هایی که ظرفیت تولید مقادیر زیادی از β کاروتن (Fazeli et al., 2006; Mogedas et al., 2009; Marchal et al., 2013) و همچنین جلبک Eustigmatos cf. Polyphem (Zhen et al., 2012). توانایی کاروتنوژنز در برخی باکتری ها مانند رودوکوک ماریس و رودوباکتر اسفائروئیدها نیز یافت شد (Zhenxin Gu et al., 2008; Venil et al., 2013). بسیاری از آثار بر روی گونه های مختلف مخمر سنتز β کاروتن، با توجه به نرخ رشد بالا آنها متمرکز شده است (Moline et al., 2010; Marova et al., 2012; Braunwald et al., 2013; Cutzu et al., 2013).
به عنوان پردازش پایین دست پس از بیوسنتز گام مهم در β کاروتن است. روش مناسب استخراج β کاروتن با شکستن غشای سلول و منزوی کردن ترکیب از داخل سلول یک گام بسیار مهم در توسعه فرایند است (قیصر ۲۰۰۹; Thakur and Azmi, 2013). همچنین برای افزایش β تولید کاروتن، بسترها به دنبال، که یک محصول فرعی در دیگر فرایندهای فن آوری (Frengova et al., 2004; Simova et al., 2004). در حال حاضر از نظر اقتصادی مهم ترین محصول توسط گلیسرول است. همچنین سیاست حمایتی مصرف سوخت های زیستی افزایش عرضه گلیسرول را به عهده گرفت. از این رو، منبع مطلوبی از کربن در بسیاری از فرایندهای بیوتکنولوژیکی است (Papanikolaou et al., 2008; Saenge et al., 2011; Sinisa et al., 2013).
β صنعتی کاروتن
در مقیاس صنعتی، β در قالب های Blakeslea trispora و کشت سالینای جلبک Dunaliella به دست می آید. کشت ها در سه مرحله اصلی انجام می شوند: ضرب اینوکولوم، بیوسنتز زیست توده، و استخراج کاروتنوئیدها. بسته به شکل نهایی کاروتن β زیست توده تحت عملیات تکنولوژیکی مناسب قرار می گیرد. شکل 2 نشان می دهد طرح کلی ساده شده از فرایند فن آوری تولید β کاروتن با منشاء میکروبیولوژیکی (Perez et al., 2003; پاولوسکا، ۲۰۰۹; Xinde et al., 2012).
شکل 2.
Simplified scheme of microbiological carotenoids production.
باز کردن در زبانه جدیددانلود اسلاید
طرح ساده شده تولید کاروتنوئیدهای میکروبیولوژیک.

β-کاروتن توسط بلیکزلا تریسپورا از جنس مخالف "+" و "−" استفاده می کند. کشت ها در تخمیر کننده ها انجام می شود. از آنجا که منابع کربن به کار می برد ذرت و آرد گندم، شربت ذرت، گلوکز، مارک سبزیجات و میوه، و حتی هیدروکربن های مایع، به عنوان مانند نفت تصفیه شده است. به طور خاص، اضافه شدن روغن های گیاهی در فاز رشد حالت ثابت منجر به افزایش غلظت β کاروتن می شود. فرایند تبلور با الکل های حاوی یک تا شش اتم کربن پیش می رود، برای مثال n-پروپانول در ۶۰ درجه سانتی گراد β-کاروتن پس از مخلوط شدن با ژلاتین، ساکارز، نشاسته، یا روغن های گیاهی می تواند به عنوان افزودنی غذایی مورد استفاده قرار گیرد (Perez et al., 2001; Joseph and Anandane, 2011; Xinde et al., 2012).
بتاکاروتن برای تهیه انواع محصولات بکار می رود برای تهیه و خرید بتاکاروتن به بازرگانی آسمان تجارت مراجعه کنید.
جلبک دوناللا سالینا منبع اصلی تجاری طبیعی β کاروتن با منشاء میکروبیولوژیک است. کشت به شرایط خاصی مانند نور شدید خورشید و آب نسبتاً شوری نیاز دارد. محتوای مطلوب کلرید سدیم برای هر دو بیوماس و β کاروتن ۲۴٪ w/w است. کشت ها عمدتاً در مخازن باز انجام می شود، جایی که بهره وری در محدوده ۳۰ تا ۴۰ گرم جرم خشک در روز و متر است2. سرعت β کاروتن به اندازه مخزن بستگی دارد و با امتداد ظرفیت کاهش می یابد. فرایند β کاروتن با فرم تجاری محصول تعیین می شود. برای به دست آوردن یک پودر جلبک حاوی ۳ درصد β کاروتن، زیست توده از سنتریفوژ و خشک می شود. در مقابل، برای به دست آوردن یک امولسیون کاروتنوئید، رنگ جلبک ها تحت استخراج، تصفیه، و جداسازی رنگ قرار می گیرد. پس از β کاروتن در روغن های گیاهی حل می شود (Pisal and Lele, 2005; Mykolaiovych et al., 2008).
جلبک ها محبوب ترین منبع کاروتنوئیدها هستند و اعتماد مصرف کنندگان را دارند. با این حال، قابل توجه است که آنها تجمع مقدار زیادی از فلزات سنگین؛ بنابراین، آنها را نباید برای استفاده از مواد غذایی توصیه می شود. تنها جلبک های تولید پاک، بدون دسترسی به هوای آلوده، منبع امن ترکیبات ارزشمند هستند.
خلاصه
تا به امروز هیچ روش تولید مخمر مبتنی بر β تجاری وجود ندارد. شرط لازم برای توسعه چنین فناوری این است که مکانیسم های بیوسنتز آن را با مخمر مشخص شده توسط نرخ بالای بیوسنتز β-کاروتن، رشد زیست توده، و وجود ترکیبات ارزشمند دیگر افزایش کیفیت زیست توده مخمر و ایجاد فرصت برای استفاده در شاخه های مختلف صنعت بدانیم.
https://academic.oup.com/fqs/article/2/2/69/4970186