เอนไซม์ กับการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอาหา

เอนไซม์ กับการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร

เป็นที่ยอมรับกันว่าความสำเร็จของการขยายตัวของธุรกิจที่กำลังทำอยู่นั้น ส่วนหนึ่งมาจากการวางแผนการในการขยายตลาดเป้าหมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผู้ประกอบการผู้ผลิตอาหารในปัจจุบันนี้ที่อยู่ในภาวะการณ์แข่งขันที่สูงมากแต่ในทำนองเดียวกันผู้ประกอบการจะต้องไม่ละเลยในการที่จะพัฒนาผลิตภัณฑ์ โดยใช้องค์ความรู้ต่างๆ ที่มีใช้ให้เกิดประโยชน์สูงสุดในการพัฒนากระบวนการผลิต

    การนำเอนไซม์มาใช้ในอุตสาหกรรมอาหารนั้นเริ่มมาตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษที่ 1960 ในยุโรปและอเมริกาโดยเริ่มแรกได้นำเอนไซม์อะไมเลส ( amylase ) มาใช้ในการแปรรูปแป้งโดยพบว่าเอนไซม์สามารถเปลี่ยนแป้งไปเป็น syrups ได้เหมือนกับการใช้กรดและความร้อน แต่การใช้เอนไซม์จะให้ yield มากกว่าการ และยังสามารถช่วยลด cost จากการใช้ความร้อนเป็นระยะเวลานานอีกด ้วย ต่อมาอุตสาหกรรมหลายอย่างอาทิ baking, dairy และ breweries ต่างก็หันมาใช้เอนไซม์ในกระบวนการผลิตกันอย่างกว้างขวาง และเป็นที่นิยมใช้กันเรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน วัตถุประสงค์ในการนำเอนไซม์มาใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร เนื่องจากเอนไซม์สามารถเปลี่ยนวัตถุดิบให้กลายไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้บริสุทธิ์กว่าการใช้สารเคมีหรือกรดผลิตภัณฑ์ที่ได้มีคุณลักษณะคงที่ และที่สำคัญคือ ไม่มีการปนเปื้อนสารก่อมะเร็ง ( carcinogen ) ทีได้มาจากการใช้สารเคมี หรือกรด สำหรับในประเทศไทยมีการใช้เอนไซม์ในอุตสาหกรรมอาหารมานานกว่า 10 ปี โดยเฉพาะสถิติในช่วง 3 ปี ให้หลัง (พ.ศ. 2546-2548) พบว่าประเทศไทยนำเข้าเอนไซม์จากต่างประเทศ มากเป็นประวัติกาลโดยมีมูลค่าเฉลี่ยมากกว่า 800 ล้านบาทต่อปี (เนื่องจากประเทศไทยยังไม่สามารถผลิตเอนไซม์ที่ต้องการใช้ได้เอง จึงต้องนำเข้าเอนไซม์จากต่างประเทศอยู่อย่างต่อเนื่อง)

รูปที่ 1 แสดงกลไกการทำงานของเอนไซม์ โดยโมเลกุลของเอนไซม์จะมีบริเวณสำหรับใช้ทำงานซึ่งเรียกว่า บริเวณสำหรับใช้ทำงานซึ่งเรียกว่า บริเวณเร่งปฏิกิริยา ( active site ) (ขั้นที่ 1) ซึ่งเอนไซม์จะใช้บริเวณ active site นี้ ในการยึดจับและทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้น ( substrate ) (ขั้นที่ 2) ซึ่งต่อมาเอนไซม์จะทำการเปลี่ยน substrate ให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ ( product ) โดยที่เอนไซม์ยังคงสภาพเดิมอยู่และสามารถเร่งปฏิกิริยาแบบเดิมได้อีกหลายครั้งและต่อเนื่อง (ขั้นที่ 3)

สำหรับอุตสาหกรรมอาหารในประเทศไทยที่มีการใช้เอนไซม์ได้แก่ อุตสาหกรรมการแปรรูปแป้งและผลิต syrups อุตสาหกรรมเบเกอรี่ และขนมปังกรอบ ( cracker ) อุตสาหกรรมสารปรุงแต่งรสชาติอาหาร อุตสาหกรรมการผลิตเครื่องดื่มและนม ( dairy ) และอุตสาหกรรมเครื่องดื่มและน้ำผลไม้ ซึ่งอุตสาหกรรมการแปรรูปแป้งและผลิต syrups นั้นเป็นอุตสาหกรรมแรกที่ได้นำเอนไซม์มาใช้เป็นระยะเวลานานกว่า 10 ปีแล้ว

1. อุตสาหกรรมแปรรูปแป้งและผลิตสารให้ความหวานและน้ำเชื่อม      

 ( syrups )

     การใช้เอนไซม์ในการแปรรูปแป้ง (รูปที่ 2) เอนไซม์ Alpha amylase, Glucoamylase, Pullulanase และ Glucose isomerase จะทำการเปลี่ยนแป้งไปเป็นสารให้ความหวานจำพวก syrups ซึ่ง syrups ที่ได้มีหลายชนิด เช่น maltodexrtrins, ma ltose syrups, glucose syrups, และ fructose syrups ซึ่ง syrups แต่ละชนิดมีคุณสมบัติทางกายภาพและปริมาณความหวาน ( DE: dextrose equivalent ) ที่แตกต่างกัน ซึ่งสามารถนำไปเป็นวัตถุดิบในการผลิตอาหารได้หลากหลาย ได้แก่ ขนมหวาน ไอศกรีม ซอส รวมทั้ง soft drinks เป็นต้น

2. อุตสาหกรรมขนมปังและขนมอบ ( Bakery )

     โด ( dough ) คือ แป้งนวดสำหรับทำขนมปังและขนมอบ มี ส่วนประกอบของโปรตีนที่รวมตัวกันเป็นร่างแหซึ่งเรียกว่า กลูเตน ( gluten ) โครงสร้างของกลูเตนที่รวมตัวกันอย่างเป็นระเบียบจะมีผลอย่างมากต่อลักษณะ ปรากฏและคุณภาพของขนมปัง ทำให้ขนมปังขึ้นฟูเนื้อสัมผัสดีและไม่กระด้าง ซึ่งในสมัยก่อนจะใช้สารเคมีจำพวก bromates และ azodicarbonamide ในการเพิ่มคุณภาพของกลูเตน แต่ในปัจจุบันมีการนำเอนไซม์หลายชนิดมา ใช้ทดแทนสารเคมีเหล่านี้กันอย่างกว้างขวาง เอนไซม์ Alpha-amylase, Xylanase และ Glucose oxidase จะทำหน้าที่ย่อยแป้งในโดไปเป ็นน้ำตาล dextrins ซึ่งยีสต์จะทำการเปลี่ยนน้ำตาล dextrins ให้เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และ แอลกอฮอล์โดยกลูเตนจะทำหน้าที่กักเก็บก๊าซที่ได้จากยีสต์ทำให้โดสามารถขึ้นฟูได้ดี ( proofing and baking ) ส่วนเอนไซม์ Lipoxygenase จะทำให้ได้สีของขนมปังเป็นสีน้ำตาลนวล ( light brown ) เนื่องจาก Lipoxygenase จะไปควบคุมปฏิกิริยาการเกิด browning ของน้ำตาลในขณะอบโดที่ความร้อนสูง ส่วนในกรณีของ cracker และ biscuit จะใช้เอนไซม์ protease ในการย่อยสลายร่างหาของกลูเตน ให้สั้นลงทำให้โดมีความยืดหยุ่นน้อยลง เกิดเป็นโดที่มีคุณลักษณะ plastic properties ทำให้ cracker และ biscuit มีลักษณะกรอบและร่วน

3.อุตสาหกรรมการผลิตชีสและนม ( dairy )

     ในกระบวนการผลิตชีสจะต้องใช้เอนไซม์โปรติเอส 2 ชนิด ในการผลิต (รูปที่ 3) ชนิดแรกคือ เรนเนต (เอนไซม์ผสมของ chymosin และ pepsin ) ที่ใช้ในด้านการแยกโปรตีนออกจากนมและอีกชนิด คือ เอนไซม์โปรติเอส (ที่ได้จากจุลินทรีย์) ซึ่งใช้ในการบ่มเพื่อให้ได้กลิ่นและรสชาติเฉพาะตัวของชีส ซึ่งเอนไซม์โปรติเอสเหมือนกันแต่ไม่สามารถใช้แทนกันได้เพราะความจำเพาะในการทำปฏิกิริยาที่ต่างกัน สำหรับเอนไซม์ที่ผลิตจากจุลินทรีย์ Mucor miehei หรือ Mucor pusillus สามารถย่อยพันธะเปปไทด์ของเคซีนในน้ำนมที่ตำแหน่งเฉพาะระหว่างกรดอะมิโน phenylalanine และ alanine ทำให้โปรตีนในน้ำนมเกิดการตกตะกอนและถูกแยกออกมาเป็นชีสนั่นเอง ส่วนโปรติเอสที่ใช้ในขั้นตอนการบ่มเป็นเอนไซม์ที่ได้จากแบคทีเรีย สายพันธุ์ Lactobacilli ซึ่งจะย่อยพันธะเพปไทด์แบบไม่มีความจำเพาะเหมือนเรนเนตช่วยทำให้ได้กลิ่น รส และลักษณะปรากฏที่เป็นเอกลักษณ์ของชีส

4.อุตสาหกรรมการผลิตเครื่องดื่มและน้ำผลไม้

     ในการบดหรือสกัดน้ำผลไม้เพื่อผลิตเครื่องดื่มและน้ำผลไม้นั้นจะมีเพคติน ( pectin ) ซึ่งเป็นโพลิเมอร์ของคาร์โบไฮเดรทที่อยู่ในเซลของพืชแขวนลอยอยู่ ทำให้น้ำผลไม้ขุ่นและมีลักษณะปรากฏที่ไม่ดีเอนไซม์หลายชนิดในกลุ่ม pectolytic enzyme ได้แก่ Polygalacturonase, Pectinesterase, Pectinlyase และ Hemicellulase สามารถเร่งปฏิกิริยาได้ที่อุณหภูมิที่ไม่สูงมาก (โดยประมาณต่ำกว่า 40 ° C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ใช้ในการผลิตน้ำผลไม้) และทำงานได้ดีที่ pH ในช่วง 4-6 ส่วนมาก ( pH ที่เกิดจากกรดของผลไม้) เป็นเอนไซม์ที่ใช้เพื่อกำจัด pectin ที่แขวนลอยอยู่ในน้ำผลไม้ทำให้เพคตินเปลี่ยนสภาพไปเป็นน้ำตาลและสามารถละลายน้ำได้ดี น้ำผลไม้จึงใสขึ้น ( clarification ) สำหรับน้ำผลไม้ตระกูลส้ม ( citrus ) เช่น น้ำมะนาว มักจะมีรสขมเนื่องจากปฏิกิริยาของสารนารินจิน ( naringin ) ซึ่งในปัจจุบันนิยมใช้เอนไซม์ Nariginase ร่วมกับ Beta-glucosidase ในการสลายสารนารินจินให้หมดฤทธิ์ขมได้

     ส่วนในการผลิตเบียร์นั้นหลังจากการต้มข้าวมอลต์ในขั้นตอนวอร์ต ( wort ) เบียร์จะมีลักษณะขุ่นเนื่องจากมีโปรตีนของข้าวมอลต์ที่ยังแขวนลอยอยู่ จึงได้มีการนำเอนไซม์ Protease มาใช้เพื่อทำการย่อยสลายโปรตีนให้กลายเป็นโปรตีนขนาดเล็กหรือเป็นกรดอะมิโนที่มีคุณสมบัติละลายน้ำได้ดี ทำให้เบียร์ใสขึ้น

5.อุตสาหกรรรมการผลิตเนื้อสัตว์แปรรูป

     มีการนำเอนไซม์ทรานส์กลูตามิเนส ( Transglutaminase ) ที่ผลิตได้จากจุลินทรีย์ซึ่งมีคุณสมบัติในการเชื่อมประสานโครงสร้างโปรตีนให้รวมกันเป็นโพลิเมอร์ คล้ายกับสาร emulsifier โดยสามารถนำมาใช้ในการพัฒนาผลิตภัณฑ์อาหารแปรรูปจากเนื้อสัตว์ อาหารทะเล ผลิตภัณฑ์จาก ซูริมิ ( surimi ) ไส้กรอก แฮม บะหมี่ และอื่นๆ โดยเอนไซม์ Tranglutaminase จะทำให้เนื้อสัมผัสและลักษณะปรากฎของอาหารเหล่านี้เข้ากันเป็นเนื้อเดียวมากขึ้น ( portion control ) และในปัจจุบันมีการนำ Tranglutaminase มาใช้ในการพัฒนานมเปรี้ยว และ Yoghurt ให้มีเนื้อสัมผัสนุ่มเนียน ( creamier )