نقش باکتری های استوباکتر در تخمیر الکل به اسید استیک

مقدمه

باکتری های استوباکتر به دلیل نقش مهمش در تبدیل الکل به اسید استیک از طریق یک فرآیند تخمیر منحصر به فرد شناخته می شوند. این همان فرآیندی است که شراب را به سرکه تبدیل می کند و به کامبوچا طعم ترش آن را می بخشد. استوباکتر به عنوان گروهی از باکتری های اسید استیک می تواند اتانول (الکل) را در حضور اکسیژن به اسید استیک (سرکه) تبدیل کند. در صنایع و سنت های غذایی در سراسر جهان ، این باکتری ها سنگ بنای تولید سرکه و دیگر تخمیرهای مولد اسید استیک محسوب می شوند.

باکتری های استوباکتر چه هستند؟

باکتری های استوباکتر یک سرده از باکتری های گرم منفی هستند که به عنوان باکتری های اسید استیک شناخته می شوند. این میکروب های میله ای شکل به قابلیت اکسید کردن اتانول به اسید استیک شهرت دارند. استوباکترها به وفور در طبیعت یافت می شوند به خصوص در محیط هایی که قندها و الکل ها حضور دارند (مانند میوه ها ، گل ها و مایعات تخمیر شده) و به طور فعال در فرآیندهای تخمیر مختلف شرکت می کنند. باکتری های استوباکتر دارای متابولیسم کاملاً هوازی هستند، یعنی برای رشد و انجام واکنش های اکسیداسیون نیاز به اکسیژن دارند. همچنین آن‌ ها در برابر اسید مقاومند و می توانند در شرایط اسیدی که خود ایجاد می کنند زنده بمانند. این ترکیب منحصر به فرد از ویژگی ها اکسیداسیون اتانول ، نیاز به اکسیژن و مقاومت در برابر اسید باعث می شود استوباکتر برای تولید سرکه و محصولات مشابه ، یک عامل حیاتی و غیر قابل جایگزین باشد.

کشف و تاریخچه استوباکتر در تخمیر

ارتباط بین استوباکتر و تولید سرکه قرن ‌هاست که شناخته شده است. اما این لوئی پاستور دانشمند مشهور فرانسوی بود که در سال ۱۸۶۴ برای اولین بار ثابت کرد یک میکروارگانیسم (Acetobacter aceti) مسئول تبدیل الکل به اسید استیک است. تهیه سرکه تاریخچه ‌ای طولانی دارد ؛ تمدن ‌های باستانی از سرکه برای نگهداری غذا ، طعم‌ دهی و مصارف دارویی استفاده می کردند. به مرور زمان آبجوسازان و دانشمندان مشاهده کردند که وقتی شراب یا آبجو در معرض هوا قرار می گیرد بر اثر فعالیت این باکتری‌ ها ترش شده و به سرکه تبدیل می شود. کشف پاستور باعث شد که با درک علت میکروبی ، تولید سرکه بهتر کنترل شود. از آن زمان گونه های مختلفی از استوباکتر از تخمیر های سرکه در سراسر جهان جداسازی شده اند. اصطلاحات سنتی مانند مادر سرکه پدید آمد که اشاره به لایه ژلاتینی (مخلوطی از سلول های استوباکتر و سلولز) دارد که بر سطح الکل در حال تخمیر تشکیل می شود و هنگام تبدیل آن به سرکه دیده می شود. تاریخچه حضور استوباکتر در تخمیر نشان می دهد که چگونه بهره گیری از این باکتری ، سرکه را از یک پدیده تصادفی به یک فرآیند کنترل شده تبدیل کرد.

تخمیر الکل به اسید استیک : این فرآیند چگونه انجام می ‌شود؟

تبدیل الکل به اسید استیک که به عنوان تخمیر اکسایشی شناخته می ‌شود ، یک فرایند دو مرحله ‌ای است که ابتدا در شرایط بی ‌هوازی ، قندها توسط مخمرها به اتانول (الکل) تبدیل می‌ شوند و سپس در حضور اکسیژن ، باکتری ‌های استوباکتر این اتانول را اکسید کرده و به اسید استیک (سرکه) تبدیل می ‌کنند. اهمیت این فرایند در آن است که برخلاف بسیاری از تخمیرهای کاملاً بی‌ هوازی صنایع غذایی ، مرحله دوم نیازمند اکسیژن بوده و محصولی با اسیدیته بالا و کاربردهای متنوع به دست می ‌آید. اسید استیک تولیدی از این مسیر به دلیل ماهیت طبیعی و زیستی آن در صنایع غذایی ، دارویی و حتی تولید مواد شیمیایی اهمیت ویژه ‌ای دارد و همین امر باعث می ‌شود که تخمیر دوتایی قند → الکل → اسید ، هم از دیدگاه علمی و هم از نظر اقتصادی یک فرایند ارزشمند و سودمند محسوب شود.

مسیر بیوشیمیایی : اکسایش اتانول به اسید استیک

در سطح بیوشیمیایی استوباکتر اتانول را از طریق یک فرآیند اکسایش دو مرحله ای به اسید استیک تبدیل می کند. ابتدا اتانول توسط آنزیمی به نام الکل دهیدروژناز به استالدهید اکسید می شود. سپس استالدهید توسط آنزیم دیگری به نام آلدئید دهیدروژناز بیشتر اکسید شده و به اسید استیک تبدیل می گردد. هر دوی این آنزیم ها در استوباکتر معمولاً در غشا مستقر هستند و برای عملکرد به کوفاکتورهایی مانند پیروولوکوینولین کینون (PQQ) وابسته اند. طی این واکنش ها استوباکتر از اکسیژن هوا به عنوان پذیرنده نهایی الکترون استفاده می کند ؛ به همین دلیل حضور اکسیژن برای تخمیر سرکه ضروری است. واکنش کلی شیمیایی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

اتانول + O₂ → استالدهید + H₂O

استالدهید + O₂ → اسید استیک + H₂O

این اکسایش ناکامل است به این معنا که اتانول به طور کامل به دی اکسید کربن (CO₂) تبدیل نمی شود ؛ بلکه در اسید استیک متوقف شده و این اسید در مایع تجمع می یابد. اسید استیک ایجاد شده طعم ترش و خواص نگهدارنده سرکه را به وجود می آورد. باکتری های استوباکتر توان متابولیکی دارند که نه تنها اسید استیک تولید کنند ، بلکه برخی گونه ها می توانند در صورت تمام شدن اتانول ، اسید استیک را نیز به CO₂ و آب بیشتر متابولیزه کنند که این توانایی به دلیل داشتن چرخه اسید سیتریک فعال است. با این حال در شرایط تخمیر سرکه ، فرآیند طوری مدیریت می شود که تجمع اسید استیک به عنوان محصول نهایی تشویق گردد.

نقش اکسیژن در تخمیر اسید استیک

اکسیژن نقش حیاتی در تخمیر الکل به اسید استیک توسط استوباکتر ایفا می کند. برخلاف بسیاری از ارگانیسم های تخمیری که به صورت بی هوازی عمل می کنند ، استوباکتر هوازی اجباری است یعنی حتماً باید اکسیژن داشته باشد. اکسیژن به عنوان پذیرنده نهایی الکترون در زنجیره تنفسی آن‌ ها عمل می کند و به باکتری اجازه می دهد اتانول را به شکل کارآمد اکسید کند. به زبان ساده برای پیشرفت تخمیر اسید استیک ، مایع در حال تخمیر نیاز به تماس با هوا دارد. تولیدکنندگان سنتی سرکه این کار را با استفاده از خمره های کم عمق یا بشکه هایی با در باز یا دریچه انجام می دهند تا اطمینان حاصل شود که باکتری دائماً به اکسیژن دسترسی دارد. در تولید صنعتی مدرن سرکه نیز هوا را به داخل مایه تخمیر پمپ می کنند. بدون اکسیژن کافی فعالیت استوباکتر کند یا متوقف می شود و اتانول به شکل موثر به اسید استیک تبدیل نخواهد شد. از سوی دیگر هوادهی بیش از حد می تواند باعث تبخیر اتانول یا اکسید شدن بیش از اندازه اسید استیک به CO₂ شود که مطلوب نیست. بنابراین کنترل سطح اکسیژن بسیار مهم است. نیاز به اکسیژن یک جنبه تعیین کننده در نقش استوباکتر است که این فرآیند را از مرحله اولیه تخمیر الکلی و از سایر تخمیرهای بی هوازی در فرآوری مواد غذایی متمایز می کند.

شرایط بهینه برای فعالیت استوباکتر

بازدهی استوباکتر در تولید اسید استیک به چندین شرایط محیطی بستگی دارد. دما یکی از عوامل کلیدی است : بیشتر گونه های استوباکتر در دماهای معتدل معمولاً حدود ۲۵ تا ۳۰ درجه سلسیوس ، بهترین رشد را دارند. این باکتری ها مزوفیل هستند و معمولاً مخازن تخمیر را برای فعالیت بهینه در همین محدوده دما نگه می دارند. تنظیم دما ، pH و زمان تخمیر برای حداکثر بازده تولید اسید استیک ضروری است. در دماهای بالاتر از حدود ۳۵ درجه بسیاری از سویه های استوباکتر کم ‌فعال یا حتی از بین می روند هرچند برخی سویه های مقاوم در برابر گرما می توانند دماهای بالاتری را تحمل کنند.pH عامل مهم دیگری است. استوباکتر در شرایط کمی اسیدی حدود pH 5 تا 6 خوب عمل می کند ، که این موضوع خوشایند است زیرا با تولید اسید استیک محیط به سمت اسیدی شدن می رود. آن‌ ها تا حدی اسیددوست محسوب می شوند و قادرند در pH های آستانه مرگ بسیاری از باکتری های دیگر زنده بمانند. در واقع برخی استوباکترها حتی زمانی که غلظت اسید استیک به حدود ۵ درصد یا بیشتر می رسد به رشد ادامه می دهند ، اگرچه اسیدیته بسیار بالا در نهایت رشدشان را متوقف خواهد کرد. در دسترس بودن مواد مغذی نیز اهمیت دارد : استوباکتر از اتانول به عنوان منبع کربن تغذیه می کند اما به سایر مواد مغذی مانند نیتروژن ، ویتامین ها و مواد معدنی نیاز دارد که اغلب در مایع در حال تخمیر (مثلاً آب میوه ، شراب سیب یا سایر محیط ها) موجودند. در سرکه سازی سنتی ، مواد مغذی طبیعی کفایت می کنند ، اما در فرآیندهای صنعتی ممکن است به مایع تخمیر مکمل هایی اضافه شود تا اطمینان حاصل گردد باکتری برای رشد سریع به تمام نیازهایش دسترسی دارد. در مجموع حفظ دما ، اسیدیته و تعادل مواد مغذی در محدوده مناسب تضمین می کند که استوباکتر بتواند اکسیداسیون الکل به اسید استیک را به شکل کارآمد انجام دهد.

گونه ‌های اصلی استوباکتر در تولید سرکه

چندین گونه از استوباکتر و باکتری های اسید استیک نزدیک به آن در تخمیر سرکه مشارکت دارند. کلاسیک ترین گونه Acetobacter aceti است همان که پاستور شناسایی کرد و به طور معمول در بسیاری از فرآیندهای تولید سرکه یافت می شود. گونه مهم دیگر Acetobacter pasteurianus است که غالباً با سرکه هایی که از مواد الکلی مانند شراب یا آبجو ساخته می شوند همراه است. این گونه به تحمل سطوح نسبتاً بالای اسید استیک معروف است و اغلب در تخمیر صنعتی سرکه به کار گرفته می شود. Acetobacter orleanensis نام خود را از اورلئان فرانسه گرفته است ، جایی که روش سنتی تولید سرکه اورلئان رواج داشت. این گونه از آن بشکه های قدیمی سرکه جداسازی شده است.Acetobacter xylinum که اکنون در سرده دیگری طبقه بندی شده و اغلب Komagataeibacter xylinus نامیده می شود) قابل توجه است زیرا علاوه بر اسید استیک ، یک لایه سلولزی نیز تولید می کند (همان مادر سرکه و نیز SCOBY در کامبوچا. در حالی که این گونه به تخمیر سرکه کمک می کند ، توانایی تولید سلولز ویژگی متمایز آن است.

نقش استوباکتر در تولید سرکه

تولید سرکه برجسته ترین مثال از فعالیت استوباکتر است. در کارخانه های سنتی سرکه و حتی در خانه ها در سراسر جهان ، مردم از استوباکتر برای تبدیل شراب ، شراب سیب ، آبجو یا سایر مایعات الکلی به سرکه بهره می گیرند. این باکتری ها بر سطح مایع یک لایه نازک تشکیل می دهند (در صورت استفاده از ظرف باز) که اغلب همان مادر سرکه قابل مشاهده است و حاوی باکتری و سلولز جانبی می باشد. از طریق فعالیت متابولیکی خود ، استوباکترها به تدریج اسیدیته مایع را افزایش می دهد تا زمانی که معمولاً به سرکه ای با حدود ۴–۸٪ اسید استیک تبدیل شود. خرید اسید استیک سرکه گالن 20 لیتری این روزها در صنایع غذایی و تولید سرکه صنعتی نیز رایج است و می‌ تواند به‌ عنوان ماده‌ ای کمکی در فرآیند یا اصلاح غلظت نهایی به کار رود. این فرآیند طبیعی در گذشته بسیار کند بود ، ممکن بود تبدیل کامل یک بشکه شراب به سرکه چندین هفته یا چند ماه طول بکشد. استوباکتر نه تنها این تبدیل را پیش می برد بلکه بر پروفایل طعم سرکه نیز تأثیر می گذارد ، زیرا ممکن است ترکیبات جزئی تولید کند که به پیچیدگی مزه می افزایند. برای مثال سرکه شراب علاوه بر ترش اسید استیک ، ترکیبات معطر شراب را نیز حفظ می کند که بخشی از آن به لطف تخمیر ملایم توسط این باکتری است. در سراسر دنیا ، سبک های مختلف سرکه (مانند سرکه سیب ، سرکه بالزامیک ، سرکه برنج و غیره) همگی برای دستیابی به آن ترش مزه شاخص به استوباکتر یا باکتری های نزدیک به آن متکی هستند. بدون استوباکتر سرکه به شکلی که می شناسیم عملاً وجود نمی داشت.

انواع سرکه و تخمیر با استوباکتر

انواع مختلف سرکه از مواد الکلی اولیه گوناگون تولید می شوند اما استوباکتر (و باکتری های نزدیک به آن) در همه آن ‌ها نقش اصلی را بر عهده دارند. هر نوع سرکه ویژگی های ماده اولیه و روش تخمیر خاص خود را دارد. در زیر برخی از انواع رایج سرکه و نحوه تخمیر آن‌ها توسط استوباکتر آورده شده است:

هر یک از این سرکه‌ ها برای تبدیل یک مایع حاوی الکل به سرکه به باکتری های اسید استیک متکی هستند. تفاوت آن‌ ها در این است که الکل آغازین چیست و فرآیند تخمیر چگونه انجام می شود (آهسته و سنتی در مقابل سریع و صنعتی). حضور سویه های مختلف استوباکتر در هر کدام می تواند طعم را به صورت ظریفی تحت تأثیر قرار دهد. برای مثال برخی سرکه های میوه ‌ای در صورت تخمیر ملایم‌ تر عطر بیشتری از میوه اصلی را حفظ می کنند. جدول بالا نشان می دهد که سرکه چقدر می تواند متنوع باشد و همه این ‌ها به لطف نقش انعطاف پذیر استوباکتر در تخمیر است.

کاربردهای زیست فناوری و صنعتی استوباکتر

ویژگی های متابولیکی منحصر به فرد استوباکتر منجر به کاربردهایی فراتر از سرکه خوراکی شده است. یکی از محصولات قابل توجه سلولز باکتریایی است. برخی استوباکترها مانند آن‌ هایی که در سرده Komagataeibacter قرار دارند و پیش ‌تر Acetobacter xylinum نامیده می شدند در حین تخمیر نوعی سلولز ترشح می کنند. این سلولز ، بیوفیلم ها یا پلیکول هایی را تشکیل می دهد و از خلوص و استحکام بسیار بالایی برخوردار است. از آن در تولید ناتا د کوکو (یک دسر تهیه شده از آب نارگیل که با تخمیر توسط استوباکتر به ژل سلولزی شبیه ژله تبدیل می شود) استفاده می گردد و همچنین در حال بررسی برای به کارگیری در پانسمان های پزشکی ، مهندسی بافت و حتی مواد سازگار با محیط زیست است. کاربرد دیگر در تولید ترکیبات بیوشیمیایی است : برای مثال برخی باکتری های اسید استیک جهت تولید اسید گلوکونیک یا پیش ماده های ویتامین C از الکل یا قند از طریق واکنش های اکسیداسیون به خدمت گرفته می شوند. در حالی که خود استوباکتر بر تبدیل اتانول به اسید استیک تمرکز دارد ، خویشاوندانش مانند Gluconobacter برای اکسید کردن بسترهای متفاوت به منظور محصولات ارزشمند به کار گرفته می شوند. در کشاورزی برخی گونه های مرتبط با استوباکتر به طور طبیعی با گیاهان همزیستی دارند (یک گونه به نیشکر در تثبیت نیتروژن کمک می کند و در متون قدیمی ‌تر هنوز گاهی استوباکتر نامیده می شود). تحقیقات جاری در حال بررسی استفاده از استوباکتر به عنوان پروبیوتیک برای حشرات یا گیاهان و حتی در پیل های سوختی زیستی است. علاوه بر این خود سرکه تولید شده توسط استوباکتر نیز به عنوان یک عامل پاک کننده طبیعی و ضدعفونی کننده مورد استفاده قرار گرفته است که از خواص ضد میکروبی اسید استیک بهره می برد. تنوع عملکرد استوباکتر در زمینه های صنعتی و زیست فناوری نشان می دهد که توانایی های تخمیری این میکروب کوچک بسیار فراتر از خمره سرکه کاربرد دارد.