آنزیم چیست؟
خصوصیات آنزیمها عبارتند از :
-از جنس پروتئین هستند،
- به عنوان کاتالیست عمل می کنند،
- به صورت طبیعی یافت می شوند،
و بسیار اختصاصی عمل می کنند.
آنزیمها پروتئینهایی با ساختمان مولکولی سه بعدی بسیار پیچیده اند که تحت شرایط واکنشی خاصی ( از نظر درجه حرارت ،PH و رطوبت) و فقط روی سوبستراهای اختصاصی خود عمل می کنند.
این مواد کاتالیستهای طبیعی کارآمدی هستند که درتمامی سیستمهای بیولوژیک یافت می شوند. فعل و انفعالاتی که در نبود آنزیمها امکان انجام آنها نیست و یا بکندی انجام می شوند، به علت حضور آنزیمها سرعت می گیرند، به طوری که گاهی اوقات سرعت انجام واکنش به 106برابر سرعت طبیعی در موجود زنده بالغ می شود.
علاوه بر این ،توالی کنترل شده وقوع واکنشهای شیمیایی در سیستمهای بیولوژیک به وسیله آنزیمها تنظیم می شود. آنزیمها در طول فعل و انفعال به مصرف نمی رسند،بلکه واکنش را کاتالیز نموده و پس از اتمام آن به حالت اولیه خود باز می گردند. به همین علت ، میزان آنزیم مورد نیاز در مقایسه با مقدار سوبسترا بسیار پایین است.
همه موجودات زنده از حمله میکروارگانیسمها، گیاهان و دامها آنزیم تولید می کنند، به همین دلیل،این ماده در تمامی سلولها وهمچنین فضاهای خارج سلولی یافت می شود.آنزیمهای افزوده شده به جیره غذایی، همچون سایر ترکیبات پروتئینی،در دستگاه گوارش شکسته می شوند. بنابراین،باقیمانده آنها در مدفوع طیور یافت نمی شود ورعایت دوره پرهیز پیش از کشتار برای دامهایی که از جیره های غذایی حاوی آنزیم استفاده ضرورتی ندارد.
چون آنزیمها برای واکنشهای کاتالیزوری خود بسیار اختضاصی عمل می کنند، افزودن مخلوطی ازآنزیمهای مختلف به جیره غذایی برای تجزیه مواد غیرقابل استفاده موجود، که تعداد آنها نیز کم نیست، می توان مفید واقع شود. در این صورتی که این امر محرز گردد، کاربرد آنها غالبا نسبت به کاربرد انفرادی آنزیمها از ارجحیت بیشتری برخوردار است.
تاریخچه
هزاران سال بشر از آنزیمها در بخشهای مختلف تولید و نگهداری مواد غذایی استفاده می کرد، بدون آنکه از ماهیت و ویژگی آنها اطلاع کافی داشته باشد. به عنوان مثال، در سنگ نبشته های مصرباستا تولید نوشابه های الکلی ( شراب)به شیوه سنتی وتخمیر خمیرنانوایی به نمایش درآمده است.بدین منظور، میکروبهای زنده به دست آمده از بدن دامها و گیاهان به مواد خام مورد نظر افزوده می شد. این میکروارگانیسمها مانند مخمرها و باکتریهای اسید لاکتیکی(Lactobacillaceae )آنزیمها مورد نیاز برای تبدیل موارد را تولید می کنند. ازجمله سایر کاربردهای آنزیمها می توان از نگهداری کلم سفید به روش افزودن باکتریهای اسید لاکتیکی و همچنین تولید پنیر به منظور حفظ شیر و ترکیبات موجود در آن نام برد.
وجود آنزیمها که در فرآیندهای حیاتی نقش مهمی بازی می کنند، در قرن 19 به اثبات رسید. پاستور درسال 1857 نشان داد که پدیده تخمیر با فعالیت مخمرهای زنده مرتبط است.در سال 1878،واژه آنزیم به وسیله Kuhne برای بااصطلاح (مخمرهای محلول)که به سلولهای زنده وابستگی ندارند. مورد استفاده قرار گرفت. همچنین Buchner در سال 1897 مدرک مستند و قاطعی دال براثرآنزیمها ارایه نمود. او نشان داد که مایع فاقد سلول حاصل از آبگیری سلولهای مخمرنیز تخمیر الکلی را ایجاد می نماید. Ostwald نیز در سال 1893 اثر کاتالیتیکی آنزیمها را مورد شناسایی قرار داد. سپس در سال 1909 Rohm به فعالیت پروتئاز استخراج شده از لوزالمعده دامها هنگام فرآوری پوست خام برای تولید چرم پی برد.
عصرگسترش و به کارگیری آنزیمهای صنعتی با جداسازی مخلوط آنزیمها از یک نوع کپک(Asprgillus royzae) که مولکولهای قند( کربوهیدراز)و پروتئین (پروتئیناز)راتجزیه می نمو ، به وسیله یک دانشمند ژاپنی به نام Takamine در سال 1894، آغاز شد.Boidin فقط پس از گذشت یک سال توانست بابه کارگیری نوعی کپک، از مواد دانه ای الکل به دست آورد.آنزیمهای کپک مذکور نشاسته موجود را ساکارینه کرده و شکل حاصل به وسیله مخمرها به الکل تبدیل می شدند. علی رغم تحقیقات گسترده، شناسایی ساختمان شیمیایی آنزیمها تا قرن 19 امکان پذیر نگردید. سرانجام در سال 1926James Summers با استفاده از اوره آزثابت نمود که آنزیمها از جنس پروتئین هستند. پس ازجنگ جهانی دوم شاده دوره پیشرفت سریع و گسترده به کارگیری فن آوری تخمیر در تولید مواد مختلف بودیم که در ابتدا عمدتا برای تولید آنتی بیوتیکها و آمیلازهای قارچی و باکتریایی به کار گرفته می شد. امروزه، اغلب آنزیمهای ارزشمند تجارتی را میکروارگانیسمها تولید می کنند ( قارچ، مخمر و باکتری). علاوه بر این ، فرآورده های آنزیمی استخراج شده از بافتهای دامی ( براغی مثال لیپاز و پروتئاز از لوزالمعده)و گیاهی ( برای مثال پایین ، پروتئاز موجود در میوه پاپایا) نیز نقش مهمی در کاربری صنعتی آنزیمها بازی می کنند.
پروتئازها و کربوهیدرازها در حال حاضر مهمترین آنزیمهای تجارتی تولید شده به وسیله میکروارگانیسمها هستند. امروزه آنزیمهای تجارتی در طیف گسترده ای از صنایع مختلف به کار گرفته می شوند. تقریبا نیمی از فرآورده های آنزیمی صنعتی در ساخت مواد پاک کننده به کار می روند، چرا که پروتئازها و لیپازها به عنوان مواد پاک کننده لکه شناخته شده اند.در صنایع تولید پارچه و کاغذ نیز عمدتا از آمیلاز و همی سلولاز استفاده می شود،در حالی که در صنایع چرم پروتئاز مورد بهره برداری قرار می گیرد. درحال حاضر،حدود50 تا 55% از آنزیمهای صنعتی در صنایع غیرغذایی به کار گرفته می شوند. صنایع تولید مواد شوینده ، تولید نشاسته و فرآوری مواد لبنی نیزبه ترتیب عمده ترین مصرف کننده آنزیمها هستند.به کارگیری آنزیمها در تغذیه دامها تا اواسط دهه هشتاد چندان جدی گرفته نمی شد وعمدتا در مناطقی که دسترسی به مواد با قابلیت هضم بالا مانند ذرت محدود بود و استفاده ازآنها ضرورت می یافت، همچون کانادا، کشورهای اسکاندیناوی و آلمان شرقی سابق، متداول بود. ازطرف دیگر، اثرات حاصل از کاربرد آنزیمها توجه روزافزونی را به خود جلب نمودند. این نوع آنزیمها پس از سالها تحقیق ومطالعه پرهزینه و گذر از مراحل مختلف تولید شدند. با توجه به اهمیت روز افزون آنزیمها، در سال 1993 دردستورالعمل EEC/ 526/70 که ویژه مواد افزونی برای تغذیه دامهااست. این مواد به عنوان یک گروه جدید گنجانیده شدند. از آن زمان تاکنون اتحادیه اروپا استفاده از این مواد را در جیره غذایی قانونمند نمود و پس از انجام آزمایشات متعدد، معاونت کشاورزی کمیسیون اروپا تاییدیه مصرف این مواد را صادر کرد. فقط پس از انجام آزمایشات کامل توسط این دستگاه قانونی و تایید یک هئیت علمی متشکل از 15 کشور عضو، تاییدیه جامعه اروپا به روش شناسایی متقابل صادر شد. علاوه بر کیفیت وکارآیی یک ماده افزودنی،تضمین حفظ سلامت انسان، دام و نیز محیط زیست درصدر آزمایشات انجام شده قرار دارد.
موارد استفاده و اهمیت کاربرد آنزیمها
در 25 سال گذشته، تقاضای بازار جهانی برای آنزیمهایی که به شکل صنعتی تولید می شوند 10 برابر شده و امروزه ارزش آن به یک میلیارد مارک بالغ گردیده است. اگرچه در حال حاضر نیز آنزیمهای غذایی سهم اندکی از بازار رابه خود اختصاص داده اند، ولی هم اکنون به صور سریع الرشدترین بخش دراین بازار در آمده اند.
آنزیمها در بخشهای زیر مورد استفاده قرار می گیرند:
- ساخت مواد آرایشی،
- صنایع غذایی( فرآوری لبنیات ، تولید الکل، آبمیوه و محصولات نانوایی )،
- صنعت چرم ،
- صنعت کاغذ،
- صنعت تولید نشاسته ،
- تغذیه دامها،
و تولید مواد شوینده .
به کارگیری آنزیم در تغذیه دامها
آنزیمهایی که اختصاصا برای تغذیه دامها تولید می شوند. درطیف وسیع آنزیمهای صنعتی قرار دارند و با وجود آنکه اولین آزمایشات مربوطه ، بویژه در مورد طیور،به 50 سال قبل بازمی گردد ولی این علم بسیار جوان محسوب می شود.در ابتدا آنزیمها چندان جدی گرفته نمی شدند، چرا که اساسا برای مقاصد دیگری تولید شده بودند. به همین علت، زمانی که برای تغذیه دامها به کار گرفته شدند، با نیازهای فیزیولوژیک و وضعیت دستگاه گوارش دامها تطابق نداشته و از کارآیی لازم برخوردار نبودند.
علاوه براین، فن آوریهای اولیه تخمیر مقدار بسیار کمی آنزیم تولید می کردند که قیمت آنها بسیار بالاتر از قیمتهای امروزی بود و بنابراین تمایل چندانی برای استفاده از آنها در تغذیه دامها وجود نداشت.
رشد مداوم فرآیندهای تولیدی که از مهندسی ژنتیک بهره جسته اند و تمایل به تولید مواد کاربری موجب شده است که امروزه آنزیمها به عنوان جزو لاینفکی در سیستمهای تغذیه ای مطرح شوند.
فیتازهای و آنزیمهای تجزیه کننده پلی ساکاریدهای غیرنشاسته ای دو دسته از محصولات آنزیمی هستند که در تغذیه دامها به کار گرفته می شوند.
در مطالعه ای 30% از ذرت موجود در جیره غذایی طیور گوشتی در حال رشد با جو جایگزین گردید و آنزیمهای بتا- گلوکاناز و فیتاز به آن افزوده شد و هیچ نوع کاهشی در بهره وری و رشد مشاهده نگردید. نمونه فوق می تواند نشان دهنده اهمیت کاربرد آنزیمها در تغذیه طیورباشد.
آنزیمها در دستگاه گوارش دامهای تک معده ای
از آنجا که پروتئینها در دامها به مقادیر قابل توجه فقط به شکل اسیدهای آمینه آزاد و الیگوپپتیدها قابل جذب هستند. آنزیم به جیره غذایی آنها افزوده می شود. مشخص شده است که آنزیمهای افزوده شده به جیره در صورت وجود شرایط اختصاصی مورد نیاز فعالیت آنزیمها مانند درجه حرارت ،PH دستگاه گوارش ، مدت زمان تماس با سوبسترا، غلظت سوبستراهای مربوطه و عدم کارآیی آنزیمهای بدن بهتر عمل می کنند. این امر بدان معناست که آنزیمهای خارجی فقط زمانی سودمند هستند که آنزیمهای داخلی بتواند واکنش و تاثیر مشابه را اعمال نمایند. سرانجام آنکه دستگاه گوارش به صورت کم و بیش متراکم،مملو ازمیکروارگانیسمهای تولید کننده آنزیم می باشد که نقش مهمی در روند هضم بویژه در قسمت خلفی دستگاه گوارش دارند.
برخی سوبستراها نه فقط آنزیمهای مربوط به آنها در بدن دامها تولید نمی شود، بلکه اثرات ضد تغذیه ای نیز دارند( برای مثال 3و1و1- 4و1- بتا- گلوکانها، پنتوزانها و فیتاتها). همانند سلولز، 3و1-4و1- بتا گلوکانها نیز به وسیله پیوندهای بتا گلیکوزیدی به یکدیگر اتصال یافته اند. علاوه بر وجود پیوندهای 4و1 که از ویژگیهای سلولز است، پیوندهای 3و1 عامل ایجاد تعداد زیادی شاخه در بتا- گلوکانها و ایجاد اجسام آبی ( تورم) و نتیجتا یک اثر ضدتغذیه ای ( افزایش ویسکوزیته ) نیز یافت می شوند.
پنتوازنها عمدتابه شکل آرابینوگزیلانها در چاودار و گندم یافت شده شدیدا موجب افزایش ویسکوزیته می گردند و به همین علت اثر ضد تغذیه ای دارند. آرابینوگزیلانها دارای یک زنجیره اصلی گزیلوپیرانوز و زنجیره های جانبی آرابینوفورانوز می باشند.
کاربرد آنزیمها در جیره غذایی طیور
پلی ساکارید های غیر نشاسته ای به دو بخش محلول و نا محلول در آب تقسیم بندی می شوند . بخشهای محلول که شامل بتاگلوکان و آرابینوزایلان است در مورد استفاده قرار گرفتن مواد مغذی مانند نشاسته توسط طیور نقش مهم و تعیین کننده ای را ایفا می کنند.
مکانیسم اثر این مواد بدو صورت قابل تفسیر است :
1 - پس از خوردن دانه ، بتاگلوکان و آربینوزایلان حل شده و موجب افزایش ویسکوزیته مواد هضمی می شوند. از این مکانیسم بعنوان عامل عمده محدود کننده ارزش تغذیه ای جو، یولاف، چاودار و گندم یاد می شود.
2 - دیواره سلولی که بخش عمده ای ازآنرا این مواد تشکیل می دهند بعنوان سدی درراه رسیدن آنزیمهای هضمی به مواد مغذی یا عاملی که سرعت اینکار را کم می کنند عمل می نماید.
درنتیجه افزایش ویسکوزیته مواد هضمی، سرعت انتشار آنزیمها، انتشار مواد مغذی وحرکت مواددر دستگاه گوارش همگی کمتر می شود و در نتیجه هضم و جذب مواد مغذی و میزان مصرف خوراک پایین می آید. هر چه مولکول بزرگتر باشد اثر افزایش ویسکوزیته بر سرعت انتشار آن بیشتر خواهد بود در نتیجه چربیها بواسطه بزرگی ذرات بیش از سایر مواد مغذی تحت تأثیر قرار می گیرند.
کند شدن حرکت مواد هضمی در دستگاه گوارش موجب افزایش جمعیت میکروبی در روده کوچک می شود که اثر منفی بر عملکرد حیوان می گذارد . از طرف دیگر افزایش ویسکوزیته موجب کاهش سطح برخی از آنزیمهای لوزالمعده از جمله آمیلاز در مجرای روده کوچک می شود . اثر دیگر دیواره سلولی همانگونه که ذکر شده ایجاد کردن سدی در برابر دستیابی آنزیمها به نشاسته و پروتئین داخل سلول و یا کند کردن دستیابی آنزیمها به مواد مذکور می باشد که درنتیجه این کار از قابلیت هضم مواد مغذی مذکور کاسته شده و یا آزاد شدن آنها به تأخیرمی افتد یعنی در انتهای روده کوچک آزاد می شوند.
علاوه بر اثرات مذکور بتاگلوکان هضم نشده موجب چسبندگی مدفوع در حیوان می شود که وضعیت بستر را نامطلوب می سازد . در طیور تخمگذار این مورد باعث افزایش تخم مرغهای کثیف می گردد.
با توجه به مطالب فوق برخی از غلات به دلیل داشتن مواد مذکور میزان انرژی قابل متابولیسم کمتری را نسبت به غلاتی نظیرذرت در تغذیه طیور بخصوص طیور گوشتی دارند. بنابراین درزمانیکه از اینگونه غلات ( جو ، یولاف ، چاودار و گندم ) به مقدار بیش از حد توصیه شده استفاده می شود، استفاده از آنزیم جهت حداکثر بهره وری از مواد مغذی موجود در این غلات لازم بنظر می رسد.
باید توجه داشت که آنزیمهای تجارتی موجود هرکدام بر روی پلی ساکاریدهای مخصوصی عمل می کنند بطور مثال درجیره ای که ازدانه جو و گندم تشکیل شده بترتیب می توان از آنزیمهای گلوکاناز و گزیلاناز استفاده نمود که بطورکامل در جداول (شماره 2 و 3) ذکر شده است. بطور کلی در نتیجه استفاده از آنزیم، قابلیت هضم چربیها ، پروتئینها و بخصوص کربوهیدراتها بهبود یافته و باعث افزایش انرژی قابل متابولیسم ظاهری می شود . البته این مقدار بسته به نوع آنزیم تهیه شده در کارخانجات مختلف، متفاوت است و در هنگام مصرف باید به میزان توصیه شده توجه شود.
نوع آنزیم مشخصات
بتاگلوکانازدر جیره هایی که از جو به مقدار زیادی استفاده شده بکار می روند و چسبندگی مدفوع را کاهش داده و انرژی قابل متابولیسم ظاهری جو را حدود10 درصد افزایش می دهد .
گزیلاناز در جیره هایی که از گندم به مقدار زیادی استفاده شده، بکار می رود و انرژی قابل متابولیسم ظاهری گندم را حدود 5-4 درصد افزایش می دهد.
پروتئاز در جیره هایی که مقدار پروتئین گیاهی زیاد است مورد استفاده قرار می گیرد و قابلیت هضم پروتئین را افزایش می دهد.
فیتاز در جیره هایی که فسفر با منشاء گیاهی زیاد است استفاده می شود و قابلیت استفاده از فسفر، کلسیم و عناصر معدنی کم مصرف را افزایش می دهد.
مولتی آنزیم از آنزیم های مختلف تشکیل شده است.