مسیرهای کاتابولیکی) توسط سلول اشاره دارد. همانند سایر موجودات در مخمر نیز این فرآیند¬ها توسط واکنش¬های متقابل آنزیمی و تنظیمات مسیرهای فوق با جزئیات بیشتری مورد مطالعه قرار گرفته است.<br />
1-6-1 مسیرهای آنابولیک
این مسیرها شامل: فرآیندهای رداکتیو یا کاهشی که منجر به تولید مواد سلولی جدید می¬شود در حالیکه مسیرهای کاتابولیک فرآیندهای اکسیداتیو که سبب انتقال الکترون از سوبسترا یا مواد حد واسط شده و منجر به تولید انرژی می¬شود را شامل می¬گردد. این فرآیندها از NADP و NAD بعنوان کوفاکتور استفاده می¬کنند. مخمرها میکروارگانیسم¬هایی هستند که تنوعی از متابولیسم را در خصوص اینکه چگونه انرژی را از سوبستراهای آلی تولید می¬کنند را دارا هستند. اکنون بخوبی ثابت شده است که مخمرها از قند بعنوان منبع اصلی کربن و انرژی استفاده می¬کنند اما مخمرهایی نیز وجود دارند که می¬توانند از منابع کربن نامتعارف بهره گیرند. با توجه به متابولیسم نیتروژن اغلب مخمرها قادرند از منابع ساده¬ی جذب نیتروژن برای بیوسنتز اسیدهای آمینه و پروتئین¬ها استفاده کنند. جدول1-3 مواد غذایی مورد استفاده¬ی مخمر را نشان می¬دهد. جنبه¬های متابولیسم فسفر و سولفور و همچنین جنبه¬های متابولیسم سایر ترکیبات معدنی بصورت جزئی بیشتر در مخمر Saccharomyces cerevisiae مورد مطالعه قرار گرفته است (جدول 1-3).

جدول1-3 مواد مورد نیاز برای رشد مخمر.

محصولات
آنزیم ها
مواد حد واسط
سوبسترا

گلوکز+ فروکتوز اینورتاز – ساکارز
گلوکز مالتاز – مالتوز
محصولات گلیکولیز – – گلوکز
گلوکز حاصل از گلوکونئوژنز الکل دهیدروژناز استالدهید،استیل کوآ، اگزالواستات اتانول
گلوکز حاصل از گلوکونئوژنز لاکتات دهیدروژناز پیرووات لاکتات
گلوکز حاصل از گلوکونئوژنز – گلیسرول 3- فسفات، دی هیدروکسی استون فسفات گلیسرول

1- 7 بخش هفتم: تولید اتانول در مخمر
اتانول یا اتیل الکل ترکیب شیمیایی با بوی خاص و آتش گیری است که در صنایع مختلف کاربرد فراوان دارد. این کاربرد¬ها در عطر، ادکلن، وانیل، همچنین بعنوان سوخت در برخی ماشین¬های جدید، در سنتز ترکیبات آلی، استفاده در صنعت ضد¬یخ سازی بدلیل نقطه ذوب پایین آن و همچنین بعنوان محلول ضدعفونی کننده مورد استفاده قرار می¬گیرد.
توانایی سلول¬های مخمر در تبدیل قند به دی اکسید کربن و الکل به آنزیم¬هایی نیازمند است. بسیاری از آنزیم¬های دخیل در این امر در مراحل خاصی از این روند وارد عمل می¬شوند. مرحله¬ی نهایی کاهش آنزیم زیماز است که محصول نهایی عملکرد سایر آنزیم¬ها (استالدهید/ گلیسرول) را گرفته و آنها را به الکل اتیلیک تبدیل می¬نماید. متاسفانه غلظت زیاد الکل، آنزیم¬ها را از بین برده و سلول¬های مخمری را می¬کشد.
سویه¬های مختلف مخمری می¬توانند تحمل متفاوتی نسبت به الکل داشته باشند (www.yobrew.co.uk).
تولید استیل¬کوآ در هسته و سیتوپلاسم نسبت به دردسترس بودن گلوکز حساس است این امر هم در پستانداران و هم در مخمر با وجود تفاوت¬هایی صدق می¬کند. در ساکارومایسس سرویزیه تولید استیل¬کوآ در خارج از میتوکندری توسط استیل کوآ سنتتاز2 (Acs2) صورت می¬گیرد که این آنزیم استیل¬کوآ را از استات سنتز می¬نماید. استات می¬تواند در مخمر از گلوکز از طریق تخمیر اتانول تولید گردد. در این مسیر پیرووات که محصول چرخه¬ی گلیکولیتیک است برای تولید استالدهید، دکربوکسیله می¬شود. پس از آن می¬تواند توسط الکل دهیدروژناز به اتانول و یا توسط استالدهید دهیدروژناز به استات تبدیل گردد. در پستانداران استات می¬تواند توسط واکنش داستیلاسیون، توسط متابولیسم اتانول در کبد و توسط باکتری¬های ساکن در روده تولید شود. استات می¬تواند توسط پستانداران برای تولید استیل کوآنزیم بکار رود (شکل 1-13).

شکل 1- 13 تفاوت تولید استیل کوآ در مخمر و پستانداران

پستانداران می¬توانند استیل¬کوآ را از گلوکز و سایر منابع کربن مثل گلوتامین از طریق ATP سیترات لیاز (ACL) تولید کنند. این آنزیم در بسیاری از گونه¬ها حفاظت شده اما در مخمر وجود ندارد. پیرووات حاصل از گلیکولیز و یا گلوتامینولیز (از طریق آنزیم مالیک) وارد میتوکندری شده و توسط پیرووات دهیدروژناز به استیل¬کوآ تبدیل می¬گردد. استیل¬کوآ و اگزالو¬استات (که می تواند از گلوتامین مشتق شده از آلفا کتوگلوتارات ایجاد گردد) نهایتاً به سیترات تبدیل خواهند شد. گلوتامین مشتق شده از آلفا¬کتوگلوتارات می¬تواند با کربوکسیلاسیون رداکتیو (کاهشی) (معکوس چرخه ی TCA) تولید سیترات نماید. تولید سیترات توسط کربوکسیلاسیون رداکتیو آلفا¬کتوگلوتارات خصوصاً در شرایط هیپوکسی و یا اختلال در میتوکندری بسیار مهم می¬باشد.
برای تولید سیتوپلاسمی استیل¬کوآ، سیترات از میتوکندری به سیتوپلاسم صادر می¬شود. هنگامی که در خارج میتوکندری است، سیترات توسط ATP سیترات لیاز شکسته شده و اگزالو¬استات و استیل¬کوآ تولید می¬نماید.

مطلب مرتبط :   اخلاقی، نظریه‌ی، اخلاق، زگزبسکی، نظریه‌های، احکام

تخمیر اتانول پروسه¬ی بیولوژیکی پیچیده¬ای برای تولید اتانول از قند است. مخمرها تحت شرایط بی هوازی، قند را به اتانول تبدیل می¬کنند (شکل 1-14 و شکل 1-15).

C6H12O6 ———— C2H5OH + 2CO2 -265kcal /kg cal

شکل 1- 14 تولید اتانول در مخمر

شکل 1- 15 تولید اتانول

فصل دوم

پیشینه¬ی تحقیق

2-1 مخمرها در خدمت بشریت

همانگونه که اشاره شد مخمرها اهمیت و نقش بسیار زیادی در صنایع غذایی و دارویی ایفاء می¬کنند. Saccharomyces cerevisiae ارزش تغذیه¬ای بالایی دارد و در ایام جنگ جهانی دوم که سربازان در نقاط دوردست از مرکز حضور داشتند و ارسال گوشت و سبزیجات به آنجا مقدور نبود، به شکل پروتئین میکروبی در جیره غذایی به کار می¬رفت. مخمرها هر روز برای تهیه مواد غذایی در منزل میلیون¬ها خانواده در سراسر جهان مورد استفاده هستند (Hesseltine , 1974). در حال حاضر مخمرها بیشتر در تغذیه جانوران به کار می¬روند تا غذای انسان، برای مثال گونه Kluyveromyc marxianus جهت تخمیر ضایعات آب پنیر حاصل از ساخت پنیر به کار می¬رود و به تولید پروتئین تک سلولی(SCP) برای تغذیه جانوران و همچنین برخی الکل¬ها، ضمن تقلیل آلودگی که به وسیله آب پنیر تولید می¬شود می¬انجامد. از طرفی کاربرد پروتئین تک سلولی(SCP) حاصل از مخمرها به عنوان چاشنی و افزودنی¬های قابل دسترسی آرد ماهی در حال حاضر استفاده می¬شود (Harrison , 1993).
در حوزه¬ی پزشکی پیشرفت¬های قابل ملاحظه¬ای در تولید پروتئین¬های درمانی انسانی به وسیله¬ی مخمرهای مهندسی شده ژنتیکی صورت گرفته است. مثلاً در سال¬های 1980 تا 1999 اولین محصول دارویی تجاری (واکسن هپاتیت B) از مخمر نوترکیب تولید و به بازار عرضه شد.
ضمناً استفاده از مخمرها در پزشکی درمانی فقط به دانش فنی DNA¬ی نوترکیب مربوط نمی¬شود. برای مثال، از زمان¬های اولیه مخمرها برای کنترل بیولوژیکی عفونت¬های باکتریایی انسان استفاده می¬شده¬اند. پیشرفت¬های هیجان انگیز دیگر به آنالیز عملکردی ژنوم مخمر بر می¬گردد و چنین آنالیزی ممکن است بینش وسیعی در شناخت ساختمان و عملکرد ژنوم انسانی فراهم کند (واکر، 1391).
اگرچه در حال حاضر بیواتانول قابل رقابت با نفت خام نیست، ولی در آینده احتمالاً بیوتکنولوژی بر روی مخمرها باعث می¬شود که بیواتانول مشتق شده از مواد سلولزی به یک محصول قابل رقابت با نفت خام تبدیل شود. مخمر می¬تواند سوخت اتانولی را از مواد خام تخمیری کربوهیدراتی تجدید پذیر تولید کند (واکر، 1391؛ Horecker , 1978). بر اساس تحقیقات به عمل آمده Candida. shehataeجزء موفق¬ترین مخمرهایی است که در تبدیل سلولز به بیواتانول مورد مطالعه قرار گرفته است (Olsson&Hahn – Hägerad , 1996).

2-1-1 مخمر در آبزی پروری
با توجه به اسناد، استفاده از مخمرها، سالها است که در آبزی پروری مورد توجه قرار گرفته است و یکی از غذاهای پذیرفته شده برای پرورش آزمایشگاهی آرتمیا استفاده از مخمرهای تک¬سلولی می¬باشد. محصولات مخمری همچنین به عنوان یک منبع پروتئینی در رژیم غذایی برای تولید میگو آب شور استفاده می¬شوند به طورمثال استفاده از مخمرنان در آبزی پروری در چندین پروژه تحقیقاتی نتایج درخشانی را داشته است (Talloen , 1978 ; James&Makkeya, 1981). محصولات مخمری همچنین به عنوان یک منبع پروتئینی در رژیم غذایی استفاده می¬شوند به طور مثال استفاده از مخمرنان در چندین پروژه تحقیقاتی برای تولید میگو آب شور نتایج درخشانی را داشته است (Talloen , 1978; James&Makkeya, 1981) .همچنین استفاده از نوعی مخمر (شبیه کاندیدا) با نام علمی Kluyveromyces sp. در تغذیه انواع مختلفی از موجودات آبزی استفاده شده است (Lavens et al, 1987; Lavens&Sorgeloos, 1991)، ضمن اینکه مخمر بعنوان یک غذای مناسب برای پرورش آبزیان توصیه شده است (Robin et al, 1987).
آزمایشاتی که توسط Blanco در سال 1987 بر روی تغذیه از 51 گونه آبزی انجام گرفت نشان داد که مخمر Torula می¬تواند غذای مناسبی برای پرورش آرتمیا باشد. همچنین تحقیقات نشان داد که مخمر نانوایی بدون هیچ مکملی اثر تغذیه¬ای کمی بر روی رشد روتیفر داشته است و اضا¬فه کردن ویتامین B12 و روغن به محیط کشت مخمر باعث افزایش رشد در روتیفر شده است (Hirayama&Funamot, 1983). تحقیقات نشان داده¬اند که اضافه کردن مخمر به غذای ماهی باعث بالا بردن عکس¬العمل¬های تدافعی، ایمنی و رشد می¬شود (Siwicki et al, 1994).
پیگمان¬¬های استاگزانتین یک نوع پیگمان قرمز رنگ کاروتنی است که رنگ کننده¬ی اصلی غذای سخت پوستان، ماهی¬های آزاد و فلامینگوها است. تعدادی از سلول¬های مخمر تولید کننده این پیگمان؛ مانند Phaffia rhodozyma در جایی که راهی برای سنتز کردن این ترکیبات قرمز نیست، برای رنگ کردن غذای ماهی¬های آزاد پرورشی و میگوهای پرورشی استفاده می¬شود. سویه¬های Pirodozyma با توانایی تولید بالای پیگمان، بر روی مواد خام ارزان مانند ملاس تکثیر می¬شوند؛ این روش تولید جایگزین اقتصادی مناسب به جای سنتز شیمیایی استاگزانتین است (واکر، 1391).

مطلب مرتبط :  

2-2 محیط های کشت
تحقیقات متمادی انجام شده برای یافتن محیط کشت مناسب و ارزان قیمت برای افزایش رشد بهینه-ی مخمرها نشان داده که ملاس چغندر یا نیشکر می¬تواند به عنوان بهترین محیط غذایی کارخانجات تولید مخمر باشد (Hongisto&Laakso, 1978) اما به دلیل کمبود منابع نیتروژنی؛ افزودن نمک¬های آمونیوم یا اوره به همراه عناصر منیزیم و فسفات و ویتامین¬های مختلف می¬تواند موجب رشد سریع مخمرها شود (Oura, 1974; Woehrer&Roehr, 1981). بررسی¬های به عمل آمده نشان داده است که حضور سموم مختلف و فلزات سنگین در محصولات زراعی چغندر قند یا نیشکر می¬توانند روی رشد مخمر تاثیر بگذارند (Reed&Nagodawithana, 1988; Perez, 2004). این عوامل مخرب در کنار افزایش قیمت ملاس موجب کاهش استفاده از ملاس برای کشت گونه¬های مختلف مخمر شده است (Arshad et al., 2008; Kopsahelis et al. 2009; Xandé et al., 2010). محیط¬های غذایی که جدیداً مورد بررسی قرار گرفته اند عبارتند از: مخلوط ملاس با عصاره¬ی قوی ذرت (20:80)، ضایعات زراعی متفاوت (Vu and Kim, 2009) و یا مواد دیگری مانند آب خرما (Beiroti&Hosseini, 2007) یا منابع مازاد زراعی مانند ملاس چوب.
2-3 اتانول و تخمیر توسط مخمرها
با توجه به اینکه اتانول محصول عمده و نهایی مسیر گلیکولیز تحت شرایط بی هوازی در اکثر مخمرها می باشد، با این حال هنگامیکه غلظت آن در محیط کشت تخمیر به 4 درصد حجمی برسد، رشد مخمرها متوقف می¬گردد (سید صیام دوست و همکاران، 1389).
Guilliermond و Tannerدر سال 1920، همانند دیگران به تفاوت در توانایی تخمیر مخمرهای مختلف اشاره کردند، بنابراین ممکن است که این تفاوت¬های مشاهده شده، به علت تفاوت در توانایی تحمل (تولرانس) الکل متفاوت در مخمرها باشد. بهمین دلیل، تعدادی از گونه¬ها و سویه¬های مخمر را از این نقطه نظر مورد مطالعه قرار داده و توانایی تخمیر قند تحت شرایط مختلف غلظت الکل در محیط کشت، بررسی شد (Gray , 1941).
Ingram و Buttke در سال 1998 و همچنین Vun uden در سال 1989 گزارش کردند که اتانول بطور غیر رقابتی انتقال قندها، اسیدهای آمینه و دیگر فرآیندهای مرتبط با لپیدهای غشاء را مهار، نفوذپذیری غشاء را افزایش و بدین ترتیب استحکام غشاء را کاهش می¬دهد و در نهایت عملکرد سلول¬ها مختل می¬شود. از این رو اصلی ترین عامل محدودکننده¬ی بازده تولید اتانول، اثر بازدارندگی خود اتانول است که از نظر اقتصادی از اهمیت زیادی یرخوردار است (Ingram&Buttke, 1984؛ Van unden , 1984).
Rahm & Reed در سال 1995 عنوان کردند که تولید غلظت¬های بالای اتانول بدلیل مهار شدن میکروارگانیسم¬ها با غلظت¬های بالای قند محدود می¬شود و علت آن را ایجاد فشار اسمزی بالا و متعاقب آن خروج آب از درون سلول های مخمر بیان کردند (Soudi , 1999).
Vun uden با بررسی اثر مهاری سوبسترا بر توانایی تخمیر مخمرها نشان داد که این پدیده عمدتاً بین غلظت¬های 15 تا 25 درصد از قند رخ می¬دهد. از این رو می¬توان اظهار کرد که بین افزایش مقاومت به قند و اتانول در سویه¬های مخمرهای بکار گرفته شده در