مقدمة
إنزيم اللاكتيز ( β - galactosidase ) هو عامل مساعد يحلل سكر اللاكتوز (سكر اللبن) وهو سكر ثنائي إلى سكريات أحادية وهي الجلوكوز والجلاكتوز بنسبة 1:1 ولكن من الممكن أن تحدث تفاعلات جانبية تؤدي إلى تكوين سكريات الأوليجو.
المادة الأولية
المادة الأولية لإنزيم اللاكتيز هي سكر اللاكتوز. وهذا السكر يوجد في اللبن البقري بنسبة 5% تقريباً كما أنه يصل في لبن الأم إلى حوالي 7%. وهناك كميات ضخمة من الشرش المحتوي على سكر اللاكتوز تقدر بمئات الألاف من الأطنان تنتج في بعض الدول كناتج ثانوي لصناعة الأنواع المختلفة من الجبن. وباستثناء بعض الكميات الصغيرة نسبياً التي تستخدم في صناعة لبن الأطفال وفي صناعة منتجات الخبيز فإن باقي كميات الشرش المنتجة لا يستفاد منها وتصرف إلى البيئة بدون معالجة مما يتسبب في مشاكل بيئية وصحية خطيرة.
وسكر اللاكتوز له درجة ذوبان ودرجة حلاوة منخفضة وتحلله في اللبن ومنتجاته يؤدي إلى تجنب عملية التبلور (في الأيس كريم على سبيل المثال) ويؤدي إلى زيادة درجة الحلاوة مما يزيد من ميزته التجارية.
والمحاولات التي تجري الآن على مستوى العالم هي الاستفادة من الشرش كمصدر متاح للكربون في التخمرات الكحولية باستخدام الخميرة وخصوصاً سلالات الجنس Kluyveromyces . وحيث أن هذا الميكروب ليس عالي الكفاءة جداً في تحويل اللاكتوز إلى إيثانول فإن تحليل اللاكتوز أولاً بواسطة إنزيم اللاكتيز المحمل على مادة صلبة ثم تخمير السكريات الناتجة من التحلل بواسطة سلالات الخميرة Saccharomyces ذات الكفاءة العالية في التخمرات الكحولية أصبح له أهمية شديدة.
وهذا النوع من السكريات له بعض الصفات الفريدة مقارنة بالسكريات الثنائية الأخرى. فبالإضافة إلى أن المصدر الوحيد لهذا السكر هو اللبن ولا يوجد في أي مصدر غذائي أخر فإن هذا السكر له درجة ذوبان منخفضة (20 جم/100 مللي ماء على درجة حرارة 20°م) وله ميل كبير لتكوين محاليل فوق مشبعة Supersaturation وهو يتبلور مكوناً بلورات صغيرة حادة وصلبة مؤدياً عند تناوله إلى ظهور الشعور بالطعم الرملي في الأغذية المحتوية علية. وسلوك هذا السكر عند تبلوره سلوك معقد لحد كبير ويرجع ذلك إلى خصائص الدوران النوعي له والتي تؤدي إلى تكوين صورتين هما الصورة a-lactose والصورة b-lactose وهاتان الصورتان مختلفتان من ناحية درجة امتصاص الماء Hydration ودرجة الذوبان. كما أن هذا السكر له درجة حلاوة منخفضة مقارنة بالسكروز (درجة حلاوتة 16% من حلاوة السكروز عند تركيز 1%). ولسكر اللاكتوز ميل كبير لادمصاص الروائح والنكهات والصبغات.
وبعض الصفات السابق ذكرها والخاصة بسكر اللاكتوز تسبب مشاكل تكنولوجية كبيرة خاصة في مجال صناعة الألبان منها على سبيل المثال القوام الرملي في كل من الأيس كريم والشرش المركز والميل لامتصاص الرطوبة في اللبن المجفف والشرش المجفف كما أنه يؤدي إلى عدم ثبات البروتين Destablization خاصة في منتجات الألبان المجمدة. ومن ناحية أخرى فإن سكر اللاكتوز يستخدم في كثير من الصناعات الغذائية كمادة مثبتة للألوان كما أنه يعتبر مصدر لمجاميع الكربونيل في التفاعل المعروف باسم تفاعل ميلارد (تفاعل تكوين اللون البني) في كثير من منتجات الخبيز.
وسكر اللاكتوز له علاقة بظهور أعراض أمراض نقص الإنزيم Enzyme deficieny diseases وهذه الأمراض هي مرض نقص إنزيم اللاكتيز الذي يسبب اضطرابات معوية لعدد كبير من سكان العالم عند تناول اللبن أو بعض منتجاته ومرض وجود الجلاكتوز في الدم Galactosemia وهو مرض خطير ومعظم الأطفال المصابون به يكونون عرضة لظهور أعراض التخلف العقلي Mentally retarded
مصادر الإنزيم
هو إنزيم داخلي يوجد في البكتيريا والخمائر وكثير من الفطريات كما يوجد أيضاً في أنسجة الحيوانات والطيور وفي النباتات. والإنتاج التجاري من هذا الإنزيم يتم الحصول عليه من سلالات تابعة للجنس Aspergillus و Kluyveromyces . وأهم تطبيق في الصناعة بالنسبة لهذا الإنزيم يتم في مجال الصناعات اللبنية. وفي الوقت الحالي فإن التكلفة العالية لهذا الإنزيم تحول دون التوسع في التطبيقات الصناعية لاستخدامه ولكن نجاح الحصول عليه من فطر Aspergillus niger ومن الخميرة Kluyveromyces lactis (الاسم التجاري للإنزيم المنتج من هذه الخميرة هو Maxilact) ثم تحميله على مادة صلبة يجب أن تحل هذه المشكلة.
وقد عزل إنزيم اللاكتيز أيضاً من كل من الفطريات Aspergillus oryzae ومن أمثلة البكتيريا التي تعتبر مصدر هام لهذا الإنزيم البكتريا Bacillus stearothearothemophilus ، E . Cale وأيضاً البكتريا Bifidobacteuim bifiidum, Lactobacillus acidophilus .
ونظراً لأن إنزيم اللاكتيز هو إنزيم حساس للحرارة Thermolabile ويحدث له تثبيط على درجات حرارة أعلى من 40°م فقد أجريت العديد من الدراسات من أجل الحصول على إنزيم لاكتيز ثابت حرارياً Thermostable من بكتيريا محبه للحرارة Thermophilic bacteria ولقد أمكن الحصول على إنزيم درجة الحرارة المثلى له تتراوح من 55 ـ 60°م وذلك من بعض سلالات من البكتيريا Bacillus stearothermophilus.
ونظراً لأن إنزيم اللاكتيز من الإنزيمات الداخلية Intracellular فإنه يتم الحصول عليه غالباً كالآتى:
1ـ باستخدام المذيبات solvent extraction مثل البيوتانول.
2ـ بتعريض الخلايا للموجات فوق الصوتية Ultrasonic treatment.
ويتم تقدير إنزيم اللاكتيز باستخدام طريقة Miller والتى نشرها عام 1972 ويستخدم لهذه الطريقة المادة الأولية Substrate والتى تسمى O-nitrophenal-b-galactopyranoside (ONPG).
ويتم التقدير بإستخدام الطريقة الضوئية Spectrophotometric على طول موجه 600 نانومتر. ويتم حساب وحدات النشاط إنزيمى Units of activity على أساس أن كل وحدة نشاط إنزيمى تكون 1 ميكرومول (1m mole) من (ONPG) فى الدقيقة وبحسب النشاط النوعى للإنزيم بقسمة وحدات النشاط الإنزيمى (Enzyme units) على محتوى الإنزيم من البروتين مقدراً بالمللجم (mg).
وسوف نستكمل التطبيقات العملية لإنزيم اللاكتيز في مقال قادم إن شاء الله
ساحة النقاش