دکتر حسام مرادیان‌نژاد – واحد تحقیق و توسعه شرکت فرآورده‌های گوشتی «تانیس اصفهان»
پروتئین‌ها نقشی اساسی در بهبود بافت، ویژگیهای عملکردی و کیفیت فرآورده‌های گوشتی ایفا می‌کنند. از میان روش‌های گوناگون اصلاح پروتئین، استفاده از آنزیم‌ها به‌دلیل مزایایی همچون کاهش نیاز به شرایط فیزیکی شدید و حذف استفاده از مواد شیمیایی، مورد توجه ویژه‌ای قرار گرفته است. در این میان، آنزیم ترانس‌گلوتامیناز (TG)، به‌ویژه نوع میکروبی آن، به‌عنوان یکی از مؤثرترین ابزارها برای اصلاح پروتئین‌ها در صنایع غذایی شناخته می‌شود. این آنزیم با ایجاد پیوندهای عرضی کووالانسی بین گروه‌های آمینی گلوتامین و لایزین، ساختار ژل را بهبود داده و موجب افزایش سفتی و خاصیت الاستیسیته محصولات گوشتی می‌شود. این تغییرات به رفع مشکلاتی نظیر ویسکوزیته بالا و چسبندگی سطحی کمک می‌کند و کیفیت محصول نهایی را ارتقا می‌بخشد. آنزیم ترانس‌گلوتامیناز میکروبی به دلیل مزایایی نظیر سهولت تولید، هزینه‌های پایین و عدم وابستگی به یون کلسیم، کاربرد گسترده‌ای در فرآوری مواد غذایی پیدا کرده است. این آنزیم نقش مهمی در بازسازی محصولات گوشتی نظیر ژامبون و بیکن، پایداری پروتئین‌ها و بهبود قابلیت هضم آنها ایفا می‌کند. بررسی‌های حاضر، به مطالعه ساختار، مکانیسم عملکرد و کاربردهای ترانس‌گلوتامیناز در بهبود کیفیت فرآورده‌های گوشتی و ارزش تغذیه‌ای این محصولات متمرکز است.
پروتئین‌ها نقش اساسی در ایجاد و بهبود ساختار، بافت و ویژگیهای عملکردی فرآورده‌های گوشتی دارند. بهبود این ویژگی‌ها، به‌ویژه در راستای پاسخ به نیازهای مصرف‌کنندگان برای محصولات سالم‌تر و بهره‌وری بهینه از منابع پروتئینی، به یکی از اولویت‌های صنعت غذا تبدیل شده است. اصلاح ساختار پروتئین با استفاده از آنزیم‌ها، به‌دلیل عدم نیاز به شرایط فیزیکی شدید و حذف مواد شیمیایی، راهکاری نوین و ایمن محسوب می‌شود(۲). در گذشته، از آنزیم‌های پروتئولیتیک مانند پاپائین، بروملین و فیسیین برای افزایش تردی، و از لیپازها و فسفولیپازها برای بهبود طعم و پایداری امولسیون استفاده می‌شد. اما امروزه، ترانس‌گلوتامیناز (TG) به‌ویژه نوع میکروبی آن (MTG)، به‌عنوان ابزاری کارآمد در اصلاح پروتئین شناخته می‌شود. این آنزیم با کاتالیز پیوندهای عرضی بین گلوتامین و لایزین، موجب تشکیل پلیمرهای پروتئینی پایدار، تقویت ساختار ژل، افزایش سفتی و خاصیت الاستیسیته، و کاهش ویسکوزیته و چسبندگی می‌شود. TG می‌تواند قطعات کوچک گوشت را به محصولات بازساخت‌شده مانند ژامبون و بیکن تبدیل کند(۴). مقاله حاضر به بررسی ساختار، مکانیسم عملکرد، منابع و کاربرد TG در بهبود کیفیت و ویژگیهای عملکردی فرآورده‌های گوشتی می‌پردازد.
ساختار شیمیایی TG و مکانیسم عملکرد آن
ترانس‌گلوتامیناز یک آنزیم هترودیمریک است که از چندین زنجیره پلی‌پپتیدی تشکیل شده و به واسطه ساختار فضایی پیچیده خود، توانایی تعامل اختصاصی با سوبستراهای مختلف را داراست. جایگاه فعال این آنزیم شامل بقایای اسیدهای آمینه‌ای مانند سیستئین، هیستیدین و آسپارتیک اسید است که در انجام واکنش‌های آنزیمی نقش کلیدی ایفا می‌کنند. عملکرد اصلی ترانس‌گلوتامیناز، تسهیل ایجاد پیوندهای کووالانسی میان گروه آمیدی گلوتامین و گروه آمینی اسید لیزین یا سایر آمین‌ها است. این پیوندهای ایزوپپتیدی موجب استحکام و پایداری بیشتر شبکه‌های پروتئینی می‌شوند(۱و۵) یکی از نتایج مهم ایجاد پیوندهای ایزوپپتیدی توسط ترانس‌گلوتامیناز، افزایش قابل توجه مقاومت پروتئین‌ها در برابر تجزیه آنزیمی توسط پروتئازها است. این ویژگی نقش بسزایی در ارتقای کیفیت ساختاری فرآورده‌های گوشتی دارد، زیرا با افزایش پایداری پروتئین‌ها، بافت محصول مستحکم‌تر و یکنواخت‌تر شده و دوام فیزیکی آن نیز بهبود می‌یابد. این امر به‌ویژه در فرآورده‌هایی که نیازمند بافت منسجم و ماندگاری بالا هستند، از اهمیت کاربردی بالایی برخوردار است. علاوه بر این، در شرایط خاص، مولکول آب می‌تواند به جای گروه آمینی در واکنش شرکت کرده و منجر به دآمیناسیون گلوتامین و تبدیل آن به اسید گلوتامیک شود(۶). این فرایندها در مجموع منجر به بهبود ویژگیهای عملکردی، بافتی و فیزیکی محصولات پروتئینی شده و کاربرد ترانس‌گلوتامیناز را به‌عنوان یک ابزار مؤثر در بهینه‌سازی خواص محصولات غذایی تثبیت می‌کنند.
خصوصیات آنزیم ترانس گلوتامیناز
ترانس‌گلوتامیناز آنزیمی است با ویژگیهای منحصر به‌فرد که نقش مهمی در بهبود کیفیت و ساختار فرآورده‌های گوشتی ایفا می‌کند. این آنزیم قادر به ایجاد پیوندهای کووالانسی قوی بین پروتئین‌ها است که این ویژگی در فرآیندهایی مانند پخت و برش گوشت اهمیت ویژه‌ای دارد. پیوندهای ایزوپپتیدی که توسط ترانس‌گلوتامیناز ایجاد می‌شوند، موجب حفظ یکپارچگی ساختاری قطعات گوشت و جلوگیری از پراکندگی آنها در طی فرآیندهای حرارتی می‌شود، که این امر به طور چشمگیری بر کیفیت نهایی محصول تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، ترانس‌گلوتامیناز قادر به تشکیل ژل است که یکی دیگر از ویژگیهای منحصر به‌فرد آن است. این آنزیم می‌تواند پروتئین‌هایی که به‌طور معمول در دماهای بالا ژل نمی‌شوند را به ژل تبدیل کند. ژل‌های حاصل از این آنزیم پایداری بالایی در دماهای بالا دارند و حتی در حضور مواد مزاحم مانند شکر و سدیم کلرید نیز ساختار خود را حفظ می‌کنند. این ویژگی‌ها موجب بهبود بافت و کیفیت فرآورده‌های گوشتی می‌شود و در فرآیندهای مختلف غذایی کاربرد دارد(۳و ۱۰) ترانس‌گلوتامیناز در محدوده pH بین ۶ تا ۸ و دمای ۴۵ تا ۵۵ درجه سانتی‌گراد فعال است و در این شرایط می‌تواند واکنش‌های اتصال عرضی را به‌طور مؤثر انجام دهد. علاوه بر این، این آنزیم می‌تواند بدون نیاز به یون‌های خاصی مانند کلسیم فعالیت خود را ادامه دهد، که آن را برای استفاده در شرایط مختلف فرآیندهای غذایی و صنعتی مناسب می‌سازد. یکی دیگر از ویژگیهای مهم ترانس‌گلوتامیناز، مقاومت آن در برابر حرارت است. در دماهای بالاتر از محدوده بهینه فعالیت آن، این آنزیم همچنان قادر به انجام واکنش‌های اتصال عرضی است. این خاصیت موجب می‌شود که آنزیم در شرایط مختلف فرآیندهای غذایی و صنعتی پایدار باقی بماند.(۷) از جنبه‌های تغذیه‌ای، ترانس‌گلوتامیناز به‌عنوان یک آنزیم با اثرات مثبت بر سلامت مصرف‌کنندگان شناخته شده است. پیوندهای ایزوپپتیدی ایجاد شده توسط این آنزیم موجب افزایش مقاومت پروتئین‌ها در برابر تخریب و بهبود ساختار آنها می‌شود. این ویژگی نه‌تنها به افزایش ماندگاری محصولات گوشتی کمک می‌کند، بلکه فرآیند جذب و هضم پروتئین‌ها را نیز در دستگاه گوارش بهبود می‌بخشد(۸و۱۱)
منابع آنزیم ترانس گلوتامیناز
ترانس‌گلوتامیناز آنزیمی است که به‌طور طبیعی در بافت‌های حیوانی، مانند کبد، مغز و غدد پستانی پستانداران یافت می‌شود و نقش مهمی در فرآیندهای زیستی از جمله انعقاد خون، ترمیم زخم و تنظیم ماتریکس خارج‌سلولی ایفا می‌کند(۱۵). استخراج این آنزیم از منابع حیوانی به دلیل غلظت بالای آن رایج است، اما مشکلاتی همچون هزینه بالا، محدودیت‌های اخلاقی و خطر انتقال بیماری‌ها، کاربرد آن را محدود کرده است. برخی گیاهان نظیر گندم، سویا، ذرت و تنباکو نیز ترانس‌گلوتامیناز تولید می‌کنند که در زیست‌شناسی گیاهی نقش تثبیت پروتئین‌ها را دارد، اما استخراج آن به‌دلیل حساسیت به نور و تأثیر فرآیندهای فتوسنتز دشوار است(۱۶و ۵).
ترانس‌گلوتامیناز میکروبی برای نخستین بار از محیط کشت استرپتوورتیسیلیوم موبارائنز در سال ۱۹۸۹ جداسازی شد(۱۲). این آنزیم مستقل از یون کلسیم است و در دامنه وسیعی از pH و دما پایدار میباشد. فعالیت آن در دماهای بالا افزایش می‌یابد و برای واکنش‌های اتصال عرضی پروتئین‌ها در شرایط مختلف دما و pH مؤثر است. ترانس‌گلوتامیناز میکروبی ابتدا به‌صورت زیموژن تولید می‌شود که پس از فرآوری پروتئولیتیکی به شکل فعال تبدیل می‌شود. این آنزیم در دمای ۰ تا ۶۵ درجه سانتی‌گراد فعالیت می‌کند و دمای بهینه آن بین ۴۵ تا ۵۵ درجه سانتی‌گراد است(۱۵و ۱۳) پیشرفت‌های فناوری‌های مهندسی ژنتیک مانند CRISPR-Cas9 به بهبود ویژگیهای ترانس‌گلوتامیناز میکروبی کمک کرده است، از جمله افزایش پایداری آن در دماهای بالا و شرایط اسیدی. استفاده از این آنزیم در صنعت فرآورده‌های گوشتی به‌دلیل تولید اقتصادی و بهبود ویژگیهای فیزیکی و حسی محصولات گوشتی افزایش یافته است. ترانس‌گلوتامیناز به عنوان یک ابزار مؤثر و پرکاربرد در این صنعت شناخته می‌شود که به بهبود کیفیت و ویژگیهای محصولات گوشتی کمک می‌کند.(۴و ۱۷)
کاربرد آنزیم ترانس گلوتامیناز در فرآورده‌های گوشتی
آنزیم ترانس‌گلوتامیناز نقش حیاتی در فرآیند تولید محصولات گوشتی مانند بیکن و ژامبون دارد. این آنزیم با ایجاد پیوندهای عرضی میان زنجیره‌های پپتیدی پروتئین‌ها، موجب تقویت بافت و استحکام ساختاری محصولات گوشتی می‌شود. این پیوندها موجب بهبود ویژگیهای بافتی، ظاهری و مقاومت در برابر تجزیه و فساد محصول نهایی می‌گردند. در فرآیند تولید بیکن و ژامبون، گوشت به قطعات کوچک یا تکه‌هایی از عضلات مختلف تقسیم می‌شود و ترانس‌گلوتامیناز با ایجاد پیوندهای عرضی این قطعات را به هم متصل می‌کند، به‌ویژه زمانی که بافت گوشت از هم گسیخته و از حالت طبیعی خود خارج می‌شود (۲۱و ۱۸). در یک مطالعه که توسط احمد و همکاران (۲۰۰۷) انجام شد، تأثیر آنزیم ترانس‌گلوتامیناز میکروبی بر ویژگیهای ساختاری و بافتی ژامبون‌های تهیه‌شده از گوشت مرغ و گاو بررسی گردید. نتایج نشان داد که افزودن ترانس‌گلوتامیناز میکروبی به فرمولاسیون سوسیس‌ها باعث افزایش چشمگیر استحکام بافت و مقاومت در برابر شکستگی در هر دو نوع سوسیس (گوشت مرغ و گاو) شد. این آنزیم با ایجاد پیوندهای ایزوپپتیدی گلوتامین-لیزین در پروتئین‌های میوفیبریلار (مانند اکتین و میوزین) باعث بهبود بافت و استحکام سوسیس‌ها می‌شود. این ویژگی‌ها به‌ویژه به بهبود خاصیت جویدن، نرمی و افزایش مقاومت در برابر فرآیندهای پخت کمک می‌کنند(۲و ۱۹). در ادامه، پژوهش‌های فلندروف و همکاران (۲۰۱۸) نشان داد که آنزیم ترانس‌گلوتامیناز باعث تغییرات قابل توجهی در ساختار ثانویه زنجیره‌های سنگین میوزین می‌شود که به کاهش محتوای مارپیچ آلفا و افزایش محتوای ساختار ورقه‌ای بتا منجر می‌گردد. این تغییرات ساختاری باعث تشکیل پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا و ایجاد ژل‌های قوی و فشرده می‌شود که ساختاری منظم دارند. تأثیر آنزیم ترانس‌گلوتامیناز در ژل شدن سوبستراهای گوشتی تحت شرایط مختلف به فاکتورهایی چون ساختار فیزیولوژیکی و مورفولوژیکی عضلات، میزان باقی‌مانده لیزین و گلوتامین و وجود مهارکننده‌های آنزیمی بستگی دارد(۶). مطالعات رامرز و همکاران (۲۰۰۳) نشان داد که استفاده از این آنزیم باعث افزایش استحکام ژل در گوشت گاو و مرغ می‌شود. همچنین خاصیت ارتجاعی در گوشت مرغ به دلیل حضور کمتر آمینوپپتیداز H در پروتئین‌های میوفیبریلار مرغ نسبت به گوشت گاو پایین‌تر بود (۲۳) . پاریتونا و همکاران (۲۰۲۴) نیز نشان دادند که افزودن ۳/۰ درصد ترانس‌گلوتامیناز میکروبی به ژل‌های بیکن گوشت گاو باعث بهبود خواص مکانیکی آنها می‌شود. این نتایج نشان می‌دهد که انکوباسیون در دمای ۵۰ درجه سلسیوس و سپس پخت در دمای ۹۰ درجه سلسیوس موجب تقویت بافت و انسجام ژل‌های گوشت گاو می‌شود(۲۲). به‌طور کلی، این تحقیقات نشان می‌دهند که ترانس‌گلوتامیناز با ایجاد شبکه‌های پروتئینی پایدارتر باعث بهبود بافت و انسجام محصول نهایی می‌گردد. ترانس‌گلوتامیناز همچنین تأثیر قابل‌توجهی در کاهش افت رطوبت و چربی در طی فرآیند پخت دارد(۲۴). پیوندهای عرضی ایجادشده توسط این آنزیم موجب تقویت انسجام بافت و مقاومت محصول در برابر حرارت و فرآیندهای پخت می‌شود. علاوه بر این، استفاده از این آنزیم می‌تواند نیاز به نمک و فسفات در تولید محصولات گوشتی را کاهش دهد، که در نتیجه منجر به تولید محصولات سالم‌تر و کم‌نمک‌تر می‌شود. استفاده از ترانس‌گلوتامیناز در شرایطی که تقاضا برای کاهش نمک و فسفات وجود دارد، به‌ویژه در محصولات گوشتی، اهمیت فراوانی دارد (۲۵). این آنزیم همچنین در تولید محصولات گوشتی کم‌چرب کاربردهای قابل‌توجهی دارد. کاهش چربی از طریق افزودن نشاسته‌ها، پلی‌ساکاریدها، صمغ‌ها، پروتئین‌ها یا استفاده از گوشت کم‌چرب معمولاً موجب کاهش آبداری و ایجاد ساختار سفت و لاستیکی در محصول می‌شود. با این‌حال، ترانس‌گلوتامیناز می‌تواند به‌عنوان جایگزینی برای چربی در فرآیند تولید بیکن گوشت گاو عمل کند. تحقیق اوران و همکاران (۲۰۱۷) نشان داد که استفاده از ۳/۰ درصد ترانس‌گلوتامیناز به‌عنوان جایگزین چربی، باعث ایجاد ویژگیهای پلاستیکی، الاستیکی و مکانیکی مشابه با چربی گاو می‌شود. این ویژگی‌ها به تولید جایگزین‌های چربی سالم و مغذی در محصولات گوشتی کمک کرده و به بهبود کیفیت کلی محصول منجر می‌شوند. در نهایت، استفاده از ترانس‌گلوتامیناز در فرآوری گوشت نه‌تنها ویژگیهای بافتی و ساختاری محصولات گوشتی را بهبود می‌بخشد، بلکه با کاهش استفاده از افزودنی‌های شیمیایی و کاهش مصرف نمک و فسفات، موجب تولید محصولات سالم‌تر و با کیفیت بالاتر می‌شود.(۲۶)
اثر سینرژیستی آنزیم ترانس‌گلوتامیناز
در ترکیب با سایر ترکیبات افزودنی
کارایی آنزیم ترانس‌گلوتامیناز در حضور پروتئین‌های حامل یا بایندر به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌یابد. کازئین به‌عنوان یک سوبسترای برجسته برای این آنزیم شناخته می‌شود و فعالیت آن در ترکیب با کازئین باعث بهبود ویژگیهای ژل شدن فرآورده‌های گوشتی می‌گردد. این بهبود عمدتاً ناشی از ساختار دناتوره‌شده کازئین و افزایش دسترس‌پذیری این پروتئین برای آنزیم است. تحقیقات نشان داده‌اند که کازئینات سدیم، در ترکیب با ترانس‌گلوتامیناز، عملکرد بهتری دارد، زیرا پیوندهای کووالانسی قوی‌تری با مولکول‌های پروتئین گوشتی ایجاد می‌کند(۲۷و ۱۰). این امر منجر به کاهش افت پخت و بهبود خواص نگهداری آب و چربی در فرآورده‌های گوشتی می‌شود. علاوه بر این، پروتئین‌های میوزین و کلاژن به‌عنوان سوبستراهای مناسب برای ترانس‌گلوتامیناز شناخته شده‌اند، در حالی که اکتین به‌عنوان سوبسترای ضعیف‌تری مطرح است. ژلاتین که شامل آمینواسیدهایی نظیر گلوتامین و لیزین است، در اثر فعالیت ترانس‌گلوتامیناز به‌هم متصل می‌شود، که منجر به افزایش ظرفیت نگهداری آب و بهبود ویژگیهای حسی در محصولات گوشتی می‌گردد. در مقابل، پروتئین‌های کروی نظیر اووآلبومین و آلبومین سرم گاو سوبستراهای ضعیف‌تری برای آنزیم ترانس‌گلوتامیناز هستند، که می‌توان با استفاده از پیش‌تیمارهایی نظیر تنظیم pH یا کاهش پیوندهای دی‌سولفیدی واکنش‌پذیری آنها را افزایش داد. همچنین، گلوبلین و گلایسینین حبوبات به‌عنوان سوبستراهای مطلوب برای ترانس‌گلوتامیناز عمل کرده و پژوهش‌ها نشان داده‌اند که این آنزیم می‌تواند پروتئین‌های سویا و ماهیچه را به‌هم متصل کرده و ساختار ژلی پروتئینی سفتی ایجاد کند (۲۸و۸).
چسب گوشت به‌عنوان کاربرد تجاری آنزیم ترانس گلوتامیناز
چسب گوشت، به‌ویژه آنزیم ترانس‌گلوتامیناز، در صنعت فرآورده‌های گوشتی به بهبود کیفیت و انسجام ساختاری محصولات کمک می‌کند. این چسب‌ها معمولاً از ترکیبات طبیعی مانند ترانس‌گلوتامیناز و پلی‌فسفات‌ها تشکیل می‌شوند که اتصال قطعات گوشت را تقویت می‌کنند. آنزیم ترانس‌گلوتامیناز، که به‌صورت صنعتی از منابع میکروبی تولید می‌شود، در محصولات Activa® تولید شرکت Ajinomoto، نظیر Activa® TG-TIU و Activa® TG-TI، به افزایش ظرفیت نگهداری آب و بهبود عملکرد در دماهای مختلف کمک می‌کند و کیفیت نهایی فرآورده‌های گوشتی را ارتقا می‌دهد(۴۵و۴).
نتیجه‌گیری و پیش‌بینی آینده
آنزیم ترانس‌گلوتامیناز (TG) به‌دلیل ویژگیهای منحصر به‌فرد خود در بهبود خصوصیات ساختاری و عملکردی پروتئین‌ها، به‌عنوان ابزاری کلیدی در صنعت فرآورده‌های گوشتی شناخته شده است. کاربرد این آنزیم باعث تقویت استحکام و پایداری بافتی، بهبود ویژگیهای ژل‌سازی، و کاهش مشکلاتی نظیر چسبندگی سطحی و ویسکوزیته محصولات می‌شود. این مزایا نه‌تنها کیفیت حسی و ساختاری محصولات را ارتقا می‌بخشد، بلکه ایمنی و سلامت آنها را نیز تضمین می‌کند. منابع میکروبی آنزیم ترانس‌گلوتامیناز به‌دلیل سهولت تولید، پایداری در شرایط فرآوری مختلف و هزینه‌های تولید پایین‌تر، کاربرد وسیعی در صنایع غذایی دارند. پیش‌بینی می‌شود که با پیشرفت فناوری‌های زیستی و مهندسی ژنتیک، کارایی این آنزیم از طریق بهینه‌سازی منابع میکروبی و اصلاح ژنتیکی افزایش یابد. این دستاوردها به تولید آنزیم‌های با ویژگیهای عملکردی بهینه‌تر و هزینه‌های اقتصادی کمتر منجر خواهد شد. در عین حال، با توجه به افزایش تقاضا برای محصولات غذایی پایدار و دوست‌دار محیط‌زیست، توسعه منابع گیاهی و میکروبی با حداقل اثرات زیست‌محیطی به‌عنوان اولویت‌های تحقیقاتی و صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، استفاده گسترده از این آنزیم نیازمند تدوین مقررات دقیق‌تر و ارزیابی اثرات بلندمدت آن بر سلامت انسان است.
منابع در نشریه موجود است.
