بیوتکنولوژی را تحت عنوان کاربرد سلول زنده (میکروارگانیسم ها) ، سیستم ها با فرآیند های زیستی در صنایع تولیدی و خدماتی تعریف کرده اند.
در واقع بیوتکنولوژی بر یک پارچگی میکروب شناسی، زیست شناسی، مهندسی شیمی و کامپیوتر تاکید می ورزد.
میکروبیولوژی صنعتی یا همان تکنولوژی میکروبی زیر شاخه ای از بیو تکنولوژی است که در زمینه ی میکرو ارگانیسم ها مطالعه می شود.
تکنولوژی صنعتی با پروژه هایی چون تخمیرهای الکلی شروع شده است.
پروژه هائی نظیر تولید شراب و آبجو و ادامه ی آن باعث گسترش پروژه های تولیدی ترکیبات داروئی ، غذائی، شیمیایی و دیگر کاربردهای میکروارگانیسم به خصوص در صنعت همانند استخراج نفت، کشاورزی، غذایی، شیمیایی و دیگر کاربردهای میکرو ارگانیسم به خصوص در صنعت همانند استخراج نفت، کشاورزی ، تصفیه فاضلاب ها و ...
شده است.
در بیو تکنولوژی جدید، میکروبیولوژی صنعتی مجبور است که در کنار مهندسی ژنتیک همکاری داشته باشد تا بتوانند از میکرو ارگانیسم های مناسب استفاده کنند: 1) بیو تکنولوژی میکروبی در صنایع غذایی (لبنی و افزودنی) 2) بیولوژی در صنایع کشاورزی 3) بیو تکنولوژی میکروبی در استخراج صنایع نفتی و ...
4)بیو تکنولوژی میکروبی در محیط زیست و تولید انرژی و پاکسازی آب و هوا .
که در این فصل به کاربرد میکروارگانیسم ها در بیو تکنولوژی و در واقع میکروبیولوژی پرداخته ایم.
کاربرد میکرو ارگانیسم ها در فرآورده های غذایی و شیمیایی:
بسیاری از غذاهایی که می خوریم، به وسیله انواع خاصی از باکتریها پردازش شده اند، مثلا غذاهایی که تخمیری نامیده می شوند به کمک باکتریها تولید می شوند.
از این مواد غذایی می توان ماست و پنیر و سرکه را نام برد.
و همچنین در نگهداری غذا و پیش گیری از غفونت در غذاها و بویژه در تهیه شراب، آبجو و پروتئین های مصنوعی میکروارگانیسم ها از جمله باکتریها دخالت فراوان دارند.
در واقع مبدا کشف مخمر که نوعی میکروارگانیسم است از مواد غذایی شروع شد و به این ترتیب که لوئی پاستور توجه زیادی به فاسد شدن آبجو و شراب نشان داد و میکروارگانیسم های مولد بیماری آبجو و شراب را کشف نمود.
در سال 1845 برکلی (Berkely) اثابت کرد که آفت سیب زمینی ایرلندی ، نوعی قارچ است که آسیب زیادی به اقتصادی ایرلند می رساند.
در سال 1836 باسی (Bassi) ابراز داشت که قارچها عامل مولد بیماری در حیوانات هستند و در سال بعد، شوانلین (schonlein) ثابت کرد که قارچها عامل برخی از بیماری های پوستی در انسان هستند.
به کار گیری میکرو ارگانیسم ها در تهیه ی موادلبنی و غذایی:
شیر: شیر امولسیون پیچیده ای از پروتئین ، چربی، قند و موادمعدنی است.
(شیر گاو: 87% آب، 5/3% چربی، 5/3% پروتئین و 5% لاکتوز).
محصولات بدست آمده از تخمیر شیر، مزه های متفاوت دارند و به علت داشتن آب کمتر نسبت به شیر مقاومتشان در برابر عوامل فساد بیش تر است ، تخمیر شیر در شرایط دمائی مناسب صورت می گیرد و بسته به نوع مخمر، نوع فرآیند و محصول متفاوت است و در این شرایط میکروارگانیسم ها نقش موثری دارند .
ارگانیسم های عمده ای که شیر را به محصولات لبنی فرعی تبدیل می کنند، شامل لاکتوباسیلوس ها و اسپرپتوکوک ها هستند.
از مهم ترین استرپتوکوک ها می توان (استرپتوکوکوس لاکتیل) و (کروموریس) و (توموفیلوس) را نام برد.
لاکتیل در C o 28 به سرعت در شیر رشد و آنرا ترش می کنند .
متوقف شدن و غیر فعال شدن باکتری های + g به، به وجود آمدن یک انتی بیوتیک قوسی به نام نیسین بستگی دارد.
و اما لاکتوباسیلوس ها، لاکتوباسیل ها گونه مهم این خانواده، میله ای شکل باریک، دراز ، + g اند و بدون اسپور که در تهیه ی مواد فرعی لبنی نقش مهمی دارند.
پنیر و فرآیند رسیدن آن:
پنیر فرآورده ای است که در نتیجه ی انعقاد شیر گاو، گوسفند، بز و ...
بدست می آید .
شیر مورد استفاده با یکی از روش ها پاستوریزه شده و با استفاده ی فراوان از باکتری ها (و مایه پنیر) روند تولید پنیر آغاز می شود.
فرآیند تولید پنیر تخمیری و آنزیمی است که در این بخش به نقش میکروارگانیسم ها در رسیدن پنیر می پردازیم.
ابتدا لازم است با مفهوم بیو شیمیایی آشنا شویم، یک نوع تبدیل است که این تبدیل بیو شیمیایی بر روی ترکیبات لخته به وسیله ی آنزیم ها انجام می شود.
1)تهویه مرحله اول است که در آن اکسیژن لازم برای میکروب فراهم می شود
2)تأثیر آب یا رطوبت با میکروارگانیسم ها د ر محیط مرطوب بهتر رشد می کنند.
3) دما، عاملی است که رشد میکروارگانیسم ها را تنظیم می کند.
مثلا : در مرحله اول را کم می کند تا باکتری های لاکتیک فعالیت کنند و در مرحله دوم به منظور رشد باکتری های پروپیونیک برای ایجاد طعم مطلوب و پیدایش سوراخ های چشمی میزان دما را افزایش می دهند.
4) PH ، عامل موثر در تکثیر و فعالیت بیوشیمیایی میکروارگانیسم هاست که آن را مرتب تنظیم می کنند.
به طور کلی باکتری های لاکتیک ، میکروارگانیسم های ثانویه ، مخمرها و قارچ ها و ...
در رسیدن پنیر نقش دارند.
ماست و کره: در تهیه ماست باکتری های استرپتوکوکوس ترموفیلوس و لاکتور باسیلوس بولگاریکوس نقش دارند.
و اما کره، طعم کره توسط میکروارگانیسم ها ایجاد می شود.
پس از تهیه ی آن به آن اسید سیتریک می زنند و مخلوطی از دو باکتری لوکونوستوک سیتروروم و استرپتوکوکوس کرموریس اضافه می کنند
پنیر پیتزا : به شیر پاستوریزه میکروارگانیسم های بی نظیر استرپتوکوکوس ترموفیلوس و لاکتوباسیلوس بودگاریکوس می افزایند.
سرکه: در ادبیات انگلیسی و فرانسوی به آن شراب ترش گفته می شود.
از شیمیایی مایعی است که یا به طور مستقیم از طریق تخمیر الاکلی مواد قندی و یا به طور کلی از سیب و انگور و در ایران مو نیز استفاده می شود.
روش سنتی آن یعنی استفاده از تخمیر این میوه ها (قند) در خمره ها است و لی امروز روش سریع تهیه ی آن استفاده از ژنراتور فرینچ است و در آن از میکروارگانیسم های استوباکتری ها نظیر: استوباکتراستی و استو باکترانسنس و استوباکترگزیلینیوم استفاده می شود.
پروتئین: اگر چه امروزه بسیاری از میکروارگانیسم ها مانند بعضی از مخمرها ، کپک ها و ...
برای انسان قابل مصرف و مهم شده اند، ولی امروز، از میان آن ها غالبا مخمرها ارزش تولیدی غذائی بیش تری دارند.
در زمان جنگ جهانی دوم ، آسمانی ها بعد از آن که به کمبود پروتئین و ویتامین در رژیم غذایی جامعه خود پی بردند، نوعی کپک به ننام ژئوتریکوم کاندیدوم را برای مصرف غذائی تولید کردند.
بعد از جنگ جهانی، انگلیسی ها نیز کارخانه ای را برای تولید مخمر خوراکی در جامئیکا تاسیس کردند.
در حال حاضر نیز کارخانه هائی را برای تولید مخمرهای خوراکی که در آسمان، سوئیس و فنلاند ساخته اند.
در زمان جنگ جهانی دوم ، آسمانی ها بعد از آن که به کمبود پروتئین و ویتامین در رژیم غذایی جامعه خود پی بردند، نوعی کپک به ننام ژئوتریکوم کاندیدوم را برای مصرف غذائی تولید کردند.
در حال حاضر نیز کارخانه هائی را برای تولید مخمرهای خوراکی که در آسمان، سوئیس و فنلاند ساخته اند.
میکرو ارگانیسم مختلفی مانند مخمرها، باکتری ها، قارچها و جلبک ها در تولید پروتئین نقش دارند باکتری ها نقش بسیار مهمی در تولید پروتئین دارند.
از جمله فوائد تولید میکروبی پروتئین توسط باکتری ها: 1) باکتری ها می توان رشد روی انواع زیادی از مواد را دارند.
2)دارای مقادیر زیادی پروتئین اند.
3) مدت زمان تکثیر آن ها کوتاه است.
با این حال به دلیل های بسیاری مخمر بهتر از باکتری است و استفاده از باکتری نیز محدودیت هائی دارد.
استفاده از مخمر: 1) مقبولیت عمومی بیش تری دارد.
2) برداشت از آن ها به دلیل اندازه ی بزرگ و تمرکزساده است 3) موادی رشد می کنند که دارای PH پایین اند 4) دارای پروتئین و ویتاتمین ها ی گروه B (ریبوفلاوین و ...) است.
ارزش غذایی پروتئین (و پروتئین تک سلولی) بر حسب میکروارگایسم ها مورد استفاده است.
این مخمر خوراکی با داشتن پروتئین و ویتامین گروه B بسیار با ارزش است.
در کل مخمرهای غذایی دارای مقادیر مختلف ویتامین های ریبوفلاوین، بیوتین، نیاسین ، اسید پانتوتنیک، کولین ، پیرید و لکسین، استرپتو جنیس و ...
هستند.
اسید گلوتامیک : برای جلوگیری از تولید بیش از اندازه ی یک ماده در میکروب ها، مکانیسم کنترل متابولیک وجود دارد، و در صورت عدم وجود وجود این مکانیسم ها ، محصولی بیش از حد مورد نیاز ارگانیسم ها تولید می شود.
بر پایه ی این واقعیت بیولوژیک، برای تولید انبوه یک محصول از میکروب های تولید کننده ای استفاده می کنند که مکانیسم کنترل متابولیک خود را برای یک محصول از دست داده است.
بعنوان مثال : بعضی از اشکال جهش یافته ی کورینه ی باکتریوم ، گلوتامیکوم می تواند 200 برابر لیزین مورد نیاز خود را تولید کند.
با افزودن اسید آمینه ی حاصل از این کشت ها به غذای بسیاری از جانورانی که تغذیه آن ها با پروتئین گیاهی (که با لیزین کم است) کمبود این ماده هم برای آن ها جبران می شود.
اسید گلوتامیک نوعی اسید آمینه است که سویه های کورینه باکترویوم ، آرتروباکتر ، برروی باکتریوم ، میکروکوکوس کلوتامیکوس و ...
آن را تولید می کنند.
و هم چنین نمک گلوتامات نیز از آن بدست آمده و برای ایجاد طعم در غذا استفاده می شود.
سالانه افزون بر 300هزار تن اسید گلوتامات از طریق کشت میکروبی بدست می آید .
لیزین، اسید گلوتامیک ، اسید اسپارتیک ، تریپتوفان و ترئو نین که اسید آمینه هائی هستند که در مواد غذائی به انواع روش های استفاده ی مختلف مورد مصرف قرار می گیرند .
این مواد را میکروارگانسم های مختلف تولید می کنند.
در سراسر دنیا توجه زیادی به فرآیند تخمیر می شود.
از سال 1957 تولید لیزین با قارچ صورت پذیرفت.
کاربرد میکروارگانیسم ها در صنایع شمیایی: آنزیم های میکروبی : آنزیم دارای منشا میکروبی اثرات گوناگونی داشته و فوق العاده فعال هستند.
موارد استفاده آنزیم در صنعت وسیع بوده و به تدریج جایگزین مواد تولیدی توسط گیاهان و جانوران می شوند.
از آمیلاز کپک نان در صنعت آبجو سازی و تهیه ی الکل صنعتی و هم چنین در پختن نا ن استفاده می شود.از فیبرینولیزین که توسط استرپتوکوک تولید و ترشح می شود.
برای حل کردن ترومبین در رگ ها ی خونی انسان استفاده می شود واز پروتئیناز میکروبی برای زدودن موی پوست دباغی و لکه گیری لباس استفاده می شود.
از آنزیم های هیدرولیز کننده ی سلولز برای تصفیه ی آب میوه و صنعت آبمیوه سازی استفاده می شود.
در صنعت شیمیایی از آنزیم های میکروبی هم چنین برای تهیه آلکالوئیدهای و پلی ساکاریدها و استروئیدها استفاده می شود.
یکی از پروتئینازها (پاک کننده ی لباس) به نام عامی ستوبتالیزین از باسیلوس موتبیلس (g+ اسپوردار) کارشناسان شیمی از آنزیم ها میکروبی برای فرایند کاتالیز بخشی از ترکیبات زنجیره ای طویل استفاده کرده اند.
تغییرات شیمیایی ایجاد شده به وسیله ی آنزیم های میکروبی وسیع و اختصاصی است.
باکتری های پروپیونیک دارای فسفات واکنش ها برگشت پذیر را کاتالیزور می کنند.
PEP +AMP + PPiATP+Pi آنزیم های میکروبی همانند: هیدرولاماز، ترانسفرازها، آنزیم های اکسیدایتو، ایزومرها لاسمازها در اغلب باکتری های یافت می شوند ودر متابولیسم قندها نقش مهمی دارند.
مانند آنزیم تریپتوفاناز که توسط برخی میکروب ها تولید شده و باعث ایجاد گاز اندول می شود.
کپک ها و باکتری ها مقادیر زیادی از آمیلازها را تولید می کنند.
آنزیم های هیدرولیتیک از کپک های ریزوپوس دلارموکورزوکسی ئی و از باکتری های بوباسیلوس سوبتیلپس تولید کننده ی عمده ی آمیلازها هستند.
آمیلاز کپکی : ایزوپوس دلار و موکوروزکسی ئی خیسانده ی دانه ی نشاسته ا ی که روی کپک رشد کرده است، استفاده می شود.
این روند بیش تر مختص آماده سازی خیسانده ی مالت است که از طریق تخمیر الکلی (توسط کپک ها و مخمرها) صورت می گیرد.
آمیلاز باکتریائی : همان طور که گفته شد باکتری باسیلوس سویتیلین آمیلاز تولید می کند.
این باکتری عمده ترین باکتری برا یتولید آمیلاز است .
و از دانه های باقلا، لوبیا و بادام زمینی برای آن استفاده می شود.
آمیلاز قارچی : در جدا سازی نشاسته میوه ها استفاده می شود به طور کل: 1) افزایش حلالیت نشاسته غیر محلول در صنعت آبجو سازی 2)تهیه آب میوه 3) تبدیل اسید به نشاسته ی شیرین برای تهیه ی شراب های داروئی 4) تغییر ماست در هنگام پختن نان 5)عمل باز آمدن و اصلاح قوام مایه ی خمیر 6) مناسب کردن خیسانده ی نشاسته ای برای تخمیر الکلی به طور کلی انزیم ها در تسریع عملکرد واکنش ها و کاهش محصولات جانبیو ...
کاربرد دارند.
سلولهای میکروبی با داشتن زمان تخمیری کوتاه و محیط های رشد نسبتا ارزان عوامل مناسبی برای تولید آنزیم به شمار می رود.
در این اواخر آنزیم های میکروبی به نحو چشمگیری مورد