سعيده اسمعيلي: کارشناس ارشد علوم و صنايع غذایي
فاطمه يزديان: استاديار گروه گروه مهندسي علوم زيستي
کيانوش خسروي داراني: دانشيار گروه تحقيقات علوم و صنايع غذايي
چکيده
تخريب زيستي مهمترين فرآيند در چرخش مواد در طبيعت مي‌باشد. پليمرهاي زيستي داراي خواصي شبيه به پليمرهاي پتروشيميايي هستند، که كاربردهاي وسيعي در صنعت دارند. اما مزيت بسيار مهم اين پليمر در مقايسه با پليمرهاي پتروشيميايي، قدرت زيست‌تخريب‌پذيري آنها مي باشد.
استفاده از اين پليمرهاي زيستي که به صورت گرانولهاي درون سلولي در ميکروارگانيسم‌هاي مختلف تشکيل مي‌شوند، راه حل مناسبي جهت رفع مشکلات زيست محيطي ناشي از توليد روزافزون پليمرهاي مقاوم به تخريب زيستي و تجمع ضايعات پليمري در طبيعت مي باشد. يک خانواده بزرگ پليمرهاي زيست‌تخريب‌پذير که در صنعت بسته‌بندي بسيارمورد توجه قرار گرفته پليهيدروكسيآلكانوآتها (PHAs) هستند. در اين مقاله ضمن معرفي، شرايط توليد ميکربي و ويژگي‌ها آنها ارائه شده و با اشاره به باکتري‌هاي مولد، پلي هيدروکسي بوتيرات (PHB) به عنوان يکي ازمهمترين اعضاي اين خانواده معرفي مي شود و خصوصيات منحصر به فرد آن و دلايل قابليت کاربرد در صنعت بسته‌بندي به ويژه در مواد غذايي بازشمرده مي شود.
واژگان کليدي: پليمر زيستي، پلي‌هيدروكسي آلكانوآتها (PHAs)، پلي هيدروکسي بوتيرات (PHB)
1-مقدمه
تخريب کامل يک کيسه بسته‌بندي مواد غذايي از جنس پلي پروپيلن حدود 90 سال (حتي تا 200 سال) به طول مي‌انجامد، كه دليل آن نزديك نبودن ساختمان آنها به آنزيم‌هاي سلولي است. از اين رو لازم است پس از گذشت چندين سال فرايندهاي تخريب شيميايي و تخريب نوري تجزيه نسبي ساختار پلاستيك و در نتيجه كوتاه شدن زنجيره‌هاي طولاني آن را انجام دهند تا بقيه فرايند و تبديل كامل به دي‌اكسيد‌كربن و آب توسط ريزسازواره‌ها انجام پذيرد. لذا توجه دانشمندان به معرفي و جايگزيني پليمرهاي زيست‌تخريب‌پذير معطوف شده است. يک خانواده بزرگ پليمرهاي زيست‌تخريب‌پذير که در صنعت بسته‌بندي بسيارمورد توجه قرار گرفته پليهيدروكسيآلكانوآتها (PHAs) هستند و پلي‌هيدروکسي‌بوتيرات (PHB) به عنوان يکي از مهمترين اعضاي اين خانواده جلب نظر نموده است. PHB در شرايط کمپوست طي مدت 6 هفته به خاک تبديل مي‌شود. البته سرعت تخريب زیستی در پليمرهاي زيست‌تخريب‌پذير به تعداد واحدهاي منومري، ريخت‌شناسي (کريستالي، اندازه اسفروليت)، درجه آبدوستي، سطح جانبي و افزودني‌ها بستگي دارد[1]. سرعت زياد تخريب اين پليمرها در چرخه مواد باعث شده است که امروزه در کشورهاي اروپايي (که محدوديت سطح زمين جهت دفن زباله بيش از ساير نقاط خودنمايي مي‌کند) جهت توليد ظروف شامپو و بسته‌بندي مواد بهداشتي بطري‌هايي از جنس اين مواد ساخته مي‌شوند. همچنین برای بسته‌بندی مایعات و برخی مواد غذایی نیز کاربرد دارد. البته ساختار شيميايي پليمر زيستي اثر قابل توجهي در قابليت زيست‌تخريب‌پذيري آن دارد. روش‌هاي متعددي براي اندازه‌گيري تخريب‌زيستي ارائه شده كه شامل ميزان افزايش تعداد يا تودة سلولي، اندازه‌گيري تغييرات حاصل در PHB، آناليز توليد محصول، اندازه‌گيري اكسيژن مصرف شده و توليد 2CO، كاهش وزن وجود دارد[2].
2-پلي‌هيدروكسي آلكانوآتها (PHAs)
PHAs توسط باكتريهاي متعددي به عنوان ذخاير كربن و انرژي تحت شرايط محدوديت مواد مغذي درحضور مقدار اضافي از منبع كربن، در داخل سلولهاي خود توليد و ذخيره مي‌شوند. بيشترين گزارش‌ها در مورد توليد PHAs مربوط به باكتري رالستونيا اوتروفا مي‌باشد. اين باكتري قادر به توليد و تجمع PHAs در درون سلول تا %80 وزن خشك سلولي مي‌باشد. شركت ICI پلاستيكهاي زيست‌تخريب‌پذير از نوع PHAs را توسط باكتري رالستونيا اوتروفا به صورت تجاري با نام بيوپل توليد مي‌كند. PHAs به خاطر خواص ترموپلاستيكي ويژه، بسيار مورد توجه هستند. خاصيت انعطاف‌پذيري و مقاومت كششي PHAs مانند پليمرهاي پلي‌پروپلين و پلي‌استايرن مي‌باشد. برخلاف بسياري از پلاستيكهاي زيست‌تخريب‌پذير سنتزي كه فقط تحت شرايط خاص زيست‌تخريب‌پذير هستند، پلاستيكهاي توليد شده از PHAs هم در شرايط هوازي و هم در شرايط بي‌هوازي زيست‌تخريب‌پذيرهستند[3]. بيش از 80 نوع پليمر اعضای خانواده PHAs هستند كه قادر به تجمع در باكتري‌ها ميباشند. اما مشهورترین اعضا شامل PHB و پلي‌بتاهيدروكسي و الريك‌اسيد (PHV) ميباشند. فقط هموپليمر PHB و كوپليمر 3HB-3HV به صورت تجاري توسط شركت زنکا توليد مي‌شود. تقريباً 300 نوع باكتري مختلف، شامل انواع گرم مثبت و گرم منفي، قادر به ذخيره‌سازي انواع PHAs ميباشند. در اكثر باكتري‌ها مانند (رالستونيا اوتروفا، آلکالي‌ژنز لاتوس، ازتوباکتر وينلاندي، جنس سودوموناس و اشرشيا کلي نوتركيب) تحت شرايط نامطلوب رشد مانند محدوديت در منبع نيتروژن (و البته فسفات، منيزيم، اكسيژن، آهن، منگنز، منيزيم، پتاسيم و سديم) در حضور مقادير اضافه كربن، PHAs در داخل سلول توليد و ذخيره مي‌گردد. وقتي كه شرايط رشد ناموزون مي‌شود، استيل‌کوآنزيم‌آ نمي‌تواند وارد چرخه تري‌كربوكسيك اسيد (TCA) شود تا انرژي لازم تولید کند و اين امر به دليل غلظت بالايNADH است که خود ناشی از توقف سنتز پروتئين است. فرآيندي كه كاملاً وابسته به توليد ATP توسط مسيرانتقال الكترون مي‌باشد. غلظت بالاي NADH باعث مهار آنزيم سيترات سنتاز (آنزيم كليدي چرخه TCA) و منجر به افزايش سطح استيل‌کوآنزيم‌آ مي‌شود.استيل کوآنزيم‌آ به عنوان سوبسترا براي سنتز PHA توسط سه واكنش آنزيمي متوالي بكار مي‌رود. غلظت بالاي کوآنزيم باعث مهار آنزيم 3- كتوتيولاز (يكي از سه آنزيم لازم بيوسنتز PHAs) مي‌شود. PHAs در درون باکتری‌ها در طول دوره حيات به عنوان منبع كربن و انرژي ميباشند. توليد PHAs در سامانه‌هاي ناپيوسته، ناپيوسته خوراک دهي شده و پيوسته امكا‌ن‌پذير است. با كنترل شرايط رشد حتي مي‌توان تا %80 وزن خشك سلول، پليمر به دست آورد.
3-پلي هيدروکسي بوتيرات (PHB)
PHB پليمر زيست‌تخريب‌پذيري است که به صورت گرانولهاي درون سلولي در ميکروارگانيسم‌هاي مختلف تشکيل مي‌شود. وزن مولکولي اين پليمرها در محدوده دويست هزار تا سه ميليون دالتون بوده و بر حسب نوع ميکروارگانيسم و شرايط رشد تغيير مي‌کند. PHB علاوه بر خواص مشابه با پلي‌پروپلين، داراي سه شاخصه منحصر به فرد يعني ترموپلاستيسيته، مقاومت در برابر آب و زيست تخريب‌پذيري است[4].
PHB يك هموپليمر آليفاتيك با نقطه ذوب حدود oC 179 و به شدت كريستالي است (%80). اين پليمر در دماهاي بالاتر از نقطه ذوب تخريب مي‌شود. جرم مولكولي PHB وقتي كه به مدت يك ساعت در دماي oC 190 قرار مي‌گيرد. به نصف كاهش مي‌يابد. پليهيدروكسيآلكانوآتها بر اساس تركيب آنها و نسبت PHB/PHV مي‌توانند از حالت بسيار شكننده و از لحاظ حرارتي ناپايدار به حالت بسيار نرم و محكم تغيير كنند. خصوصيات PHB مانند حالت كريستالي، مقاومت كششي به جرم مولكولي وابسته است كه آن نيز به نوع باکتری، شرايط رشد و ميزان خلوص نمونه بستگي دارد. جرم مولكولي PHB مي‌تواند در طول فرآيند پليمريزاسيون و یا استخراج كاهش يابد و در محدوده بين 105*2 تا 106*3 گزارش شده است.
مهمترين خاصيت PHB، زيست‌تخريب‌پذيري كامل آن است. در عمليات زيستي درصورت وجود هوا، پليمر درنهايت به CO2 و H2O تبديل مي‌گردد. درحالي كه پلاستيكهاي مصنوعي پتروشيميايي نسبت به تخريب زيستي بسيارمقاوم هستند. – زيست سازگار است وبنابراين براي كاربردهاي پزشكي مناسب است. – نامحلول در آب و مقاوم به تجزيه هيدروليكي است (تفاوت اصلي آن با ساير پلاستيكهاي زيست‌تخريب‌پذير). – در برابر اكسيژن نفوذ پذيري بالايي دارد. – در برابر اشعه UV مقاومت خوبي نشان مي‌دهد، اما در برابر اسيد يا باز مقاوم نيست. – در آب فرو مي‌رود، در حاليكه پلي پروپيلن شناور است. اين موضوع يعني فرو رفتن PHB در آّب زيست‌تخريب‌پذيري بي هوازي PHB را در حالت ته نشيني ، تسهيل مي‌كند. – پيزو الكتريك است.- اتم كربن نامتقارن باشكل فضايي D(-) دارد. لذا قابليت بلورينه شدن بالايي دارد. درصد بلورينه شدن آن بين %50 تا %80 است. بنابراين نسبتا سفت و سخت مي‌باشد. – درجه پليمريزاسيون بالايي دارد. – غير سمي است و قابليت توليد ازمنابع تجديدپذير دارد[5].
4-نتيجه گيري
توليد روزافزون پليمرهاي مقاوم به تخريب زيستي منجر به تجمع ضايعات پليمري در طبيعت شده و مشكلات زيست‌محيطي فراواني ايجاد مي‌كند. مطالعات بسياري در زمينه تخريب زيستي پليمرها با هدف غلبه بر مشكلات زيست‌محيطي ناشي از تجمع پلاستيك‌ها در طبيعت در حال انجام است . بهترين راه‌حل براي رفع اين معضل، توليد پليمرهاي زيست‌تخريب‌پذير مي‌باشد. سرعت زياد تخريب اين پليمرها در چرخه مواد باعث شده است که امروزه در کشورهاي اروپايي (که محدوديت سطح زمين جهت دفن زباله بيش از ساير نقاط خودنمايي مي‌کند) جهت توليد ظروف شامپو و بسته‌بندي مواد بهداشتي بطري‌هايي از جنس اين مواد ساخته مي‌شوند. درنتيجه استفاده از پليمرهاي زيستي که به صورت گرانولهاي درون سلولي در ميکروارگانيسم‌هاي مختلف تشکيل مي‌شوند و داراي کاربرد وسيع در صنعت بسته‌بندي مي باشند مانند PHB راه حل مناسبي جهت جبران مشکلات زيست محيطي پليمرهاي پتروشيميايي مي باشد.
References
J. Choi, S.Y. Lee, Process analysis and economic evaluation for poly(3-hydroxybutyrates) production by fermentation, Bioproc. Eng. 17 (1997) 335-342
J. Choi, S.Y. Lee, Factors affecting the economics of polyhydroxyalkanoates production by bacterial fermentation, Appl. Microbiol. Biotechnol. 51(1999) 13-21
Kianoush Khosravi-Darani, ., Vasheghani-Farahani, E., Microorganisms and Systems for Production of Poly(hydroxybutyrate) as an Biodegradable Polymer, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering, 2005: 24(1), 1-19
Kianoush Khosravi-Darani, Vasheghani-Farahani, E., Shojaosadati, S.A., Yamini, Y. The Effect of Process Variables on Poly(β-hydroxybutyrate) Recovery by Supercritical Fluid Cell Disruption, Biotechnology Progress, 2004, 20: 1757-1765.[5]
S.Y. Lee, Bacterial polyhydroxyalkanoates, Biotechnol. Bioeng. 49 (1996) 1-14