فناوری‌های تولید شیر بدون لاکتوز شامل فیلتریزاسیون (غشایی، کروماتوگرافی، و کریستالیزاسیون) و هیدرولیز لاکتوز (بچ و آسپتیک) می‌باشد.
- تکنیک‌های فیلتریزاسیون
1) فیلتریزاسیون غشایی
اولترافیلتراسیون (UF) و نانوفیلتراسیون (NF) عمدتاً برای جداسازی لاکتوز از شیر اعمال می‌شود. فناوری فیلتراسیون غشایی یک فناوری غیرحرارتی است که به طور موثر ترکیباتی که بر کیفیت، بافت، و طول عمر محصول تاثیر گذارند، مانند لاکتوز و باقی‌مانده‌های دارو، را از شیر حذف می‌کند. این فرآیند منجر به کاهش 40% لاکتوز می‌شود. فرآیند فیلتراسیون به راحتی قابل اجرا است و نیازی به تخصص ندارد.
2) کروماتوگرافی
کروماتوگرافی برای جداسازی اجزائی مانند لاکتوز براساس تفاوت در سرعت جریان اجزای مختلف یک مایع استفاده شود. این روش توسعه داده شده است که به طور خاص لاکتوز را از شیر و آب پنیر با رزین‌های تبادل کاتیونی قوی جدا کند. استفاده از این فناوری برای کارخانه‌های لبنی سخت‌تر دشوارتر از روش پیشین است.
3) کریستالیزاسیون
در این روش، لاکتوز به مقدار کل مواد جامد بالا تغلیظ می‌شود تا لاکتوز اشباع شده و متبلور شود، کریستال‌های لاکتوز متعاقبا با استفاده از سانتریفیوژ جدا می‌شوند. تولید شیر بدون لاکتوز با استفاده از این روش به دلیل ویسکوزیته بالای شیر غلیظ امکان‌پذیر نیست. بنابراین این روش عمدتاً در تولید تجاری لاکتوز استفاده می‌شود.
- هیدرولیز
به طور کلی، از دو روش بچ و اسپتیک برای هیدرولیز لاکتوز در مقیاس صنعتی استفاده می‌شود. بچ و اسپتیک به ترتیب مربوط به استرلیزاسیون شیر قبل از هیدرولیز و پس از هیدرولیز می‌باشد. در هر دو روش از آنزیم لاکتاز محلول استفاده می‌شود. یکی از اثرات جانبی استفاده از لاکتاز برای حذف لاکتوز در محصولات لبنی، افزایش شیرینی در نتیجه تولید گلوکز و گالاکتوز است.
لاکتازهای مورد استفاده برای تولید شیر بدون لاکتوز از منشا میکروبی یا قارچی هستند. سایر لاکتازهای تجاری با منشا باکتریایی یا قارچی که کمتر از سایرین برای هیدرولیز لاکتوز مناسب هستند، به عنوان آنزیم‌های تغذیه‌ای استفاده می‌شوند.
β-گالاکتوزیداز
اولین گزارش در مورد استفاده از لاکتازهای باکتریایی برای هیدرولیز لاکتوز در محصولات لبنی در سال 1950 ارائه شد. امروزه دو نوع لاکتاز در مقیاس تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرد، لاکتازهای خنثی که از مخمر لبنی Kluyveromyces lactis و گونه‌های نزدیک آن مانند K. marxianu و K. fragilis مشتق شده‌اند و در pH خنثی و دمای پایین بهترین عملکرد را دارند، و سایر لاکتازهای تجاری یا لاکتازهای اسیدی که از قارچ‌ها (Aspergillus oryzae) یا باکتری‌ها (Bacillus circulans) منشا می‌گیرند، و به دلیل عملکرد بهینه در pH و دمای متفاوت، برای هیدرولیز لاکتوز کمتر مناسب هستند و اغلب برای تولید گالاکتو-الیگوساکارید (GOS) یا به عنوان آنزیم غذایی به فروش می‌رسند.
اخیراً، نوع جدیدی از لاکتاز از Bifidobacterium bifidum به صورت نوترکیب در Bacillus licheniformis تولید می‌شود که قادر به تحمل گسترده وسیع‌تری از pH است. در سال‌های اخیر گالاکتوزیدازهای تولید شده بوسیله تغییر ژنتیکی نیز وارد بازار شده است، مانند نسخه کوتاه شده بیفیدوباکتریوم لاکتاز که با سویه میزبان باسیلوس و یا نسخه خود شبیه‌سازی شده،که ازk.lactis تولید شده اما فعالیت بیشتری دارد.
علاوه بر ارگانیسم‌های ذکر شده، LAB به دلیل ایمن بودن (GRAS)، منابع امیدوار کننده لاکتاز هستند. جالب اینجاست که میکروفلور طبیعی ماست متشکل از لاکتوباسیلوس دلبروکی زیرگونه بولگاریکوس و استرپتوکوکوس ترموفیلوس می‌باشد که منبع فعالیت لاکتاز هستند. در نتیجه، هضم لاکتوز حاصل از ماست توسط افراد حساس به لاکتوز راحت‌تر از لاکتوز موجود در منابع دیگر مانند شیر است. لاکتاز LAB، مانند لاکتاز S. thermophilus، دارای خواص بهینه‌تری در مقایسه با لاکتاز مخمر است، زیرا این لاکتاز کاملاً مقاوم به گرما، بسیار فعال و پایدار در طول ذخیره‌سازی طولانی مدت است. با این حال، بیان و فعالیت آن به شدت به شرایط کشت و محیط بستگی دارد. برای مثال، لاکتاز S. thermophilus در شیر به دلیل محیط یونی نامطلوب، 33٪ فعالیت کمتری نسبت به شرایط بهینه دارد. علاوه براین، در مقایسه با سایر لاکتازها، لاکتاز S. thermophilus نسبتاً به pH پایین حساس است. بنابراین، بهینه‌سازی خواص آنزیم با استفاده از جهش‌زایی و غربالگری تصادفی (RMS)، می‌تواند منجر به ایجاد سویه‌های مفید برای تولید ماست بدون لاکتوز شود. استارترکالچری که لاکتاز مقاوم به اسید را بیان می‌کند، می‌تواند باعث تسهیل تولید ماست بدون لاکتوز بدون نیاز به لاکتاز شود. مطالعه بر روی بیش از 60 لاکتاز نشان داد که لاکتوکوکوس لاکتیس، لاکتوباسیلوس دلبروکی زیرگونه بولگاریکوس، و لوکونوستوک سیترووروم نیز منابع خوبی از آنزیم‌های لاکتاز هستند.
علاوه براین، لاکتازهای سازگار با سرما (اکسترموفیل‌ها) بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند زیرا هیدرولیز لاکتوز با استفاده از فرآیند بچ معمولاً در دمای 8-4 درجه سانتیگراد انجام می‌شود. آنزیم‌های فعال در سرما در مقایسه با آنزیم‌های مخمری می‌توانند زمان واکنش را به طرز چشمگیری کاهش دهند.
علاوه بر مزایای آنزیم‌های مقاوم در برابر حرارت مانند خلوص، هیدرولیز لاکتوز در دماهای بالا خطر آلودگی میکروبی را کاهش می‌دهد. بنابراین، در فرآیند بچ، لاکتازهای مقاوم در برابر حرارت را می‌توان قبل از پاستوریزاسیون به شیر خام اضافه کرد و از ذخیره‌سازی طولانی در دمای 8-4 درجه سانتیگراد جلوگیری کرد.
به طور خلاصه، هر دو لاکتازهای فعال در سرما و مقاوم در برابر حرارت، خواص جذابی برای راه یافتن در صنایع لبنی دارند. یک راه‌حل بالقوه برای تجاری‌سازی آنزیم‌های اکستروموفیل، بیان نوترکیب آن‌ها در موجودات GRAS است. در دسترس بودن لاکتازهای اکسترموفیل می‌تواند به طور قابل توجهی برای تولید محصولات بدون لاکتوز و کاهش هزینه‌ها و اثرات زیست محیطی با صرفه‌جویی در زمان و منابع تولید مفید باشد. با این وجود، محصولاتی که ادعا می‌کنند کاملاً عاری از تغییرات ژنتیکی (بدون GM) هستند در بین مردم محبوبیت فزاینده‌ای پیدا کرده‌اند.
- روش بچ یا پیش هیدرولیز
در این روش ابتدا لاکتاز خنثی (فعال در دماهای نسبتاً پایین و pH خنثی) قبل از پاستوریزه شدن به شیر اضافه و سپس به مدت 24 ساعت در دمای 8-4 درجه سانتیگراد برای جلوگیری از فساد میکروبی و خامه‌ای شدن، انکوبه و به طور آرام همزده می‌شود. سپس شیر پاستوریزه، هموژن و بسته‌بندی می‌گردد. مراحلی مانند هموژن کردن و استانداردسازی معمولا پیش از حرارت‌دهی انجام می‌شود. مزیت این روش این است در مدت پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون، آنزیم غیرفعال شده و درنتیجه در محصول نهایی، فعالیت آنزیمی مشاهده نمی‌شود.
هنگام استفاده از فرآیند بچ برای تولید شیر بدون لاکتوز، باید جنبه‌های زیر را در نظر گرفت:
- در این روش دوز آنزیم و فعالیت آن باید به اندازه‌ای باشد که در دمای پایین و مدت محدود انکوباسیون موثر باشد. بنابراین، دوز آنزیم نسبتاً بالا است. آنزیم‌های موجود برای این فرآیند به دلیل فعالیت نسبتاً بالا در pH خنثی و دمای پایین انتخاب می‌شوند. کنترل فرآیند بالا است زیرا ممکن است دوز آنزیم یا زمان انکوباسیون در طول فرآیند تطبیق داده شود. نسبت بین سوبسترا و آنزیم، pH شیر، حداکثر دما، زمان تماس مجاز، فعالیت آنزیم، و هزینه آنزیم، مواردی هستند که در این روش باید درنظر گرفته شوند.
- با توجه به اینکه این فرآیند به صورت ناپیوسته است و یکی از مخازن کارخانه به مدت 24 ساعت اشغال می‌شود، ممکن است برای برخی از کارخانه‌ها مشکل ایجاد کند، بنابراین با بکار بردن آنزیم با قدرت بالاتر، می‌توان زمان انکوباسیون زمان را کاهش و توان عملیاتی کارخانه را افزایش داد. از آنجایی که پاستوریزه شدن شیر به مدت یک روز به تعویق می افتد، شیر دریافتی باید از کیفیت بالایی برخوردار باشد تا از فساد میکروبی جلوگیری شود.
- شیر تولید شده با این روش نسبت به فعالیت جانبی آنزیم لاکتاز (مانند فعالیت جانبی پروتئولیتیک)، حساس نیست. این به دلیل زمان محدود نگهداری شیر در یخچال و پاستوریزاسیون/استرلیزاسیون پس از انکوباسیون آنزیم است.
- از آنجایی که هیدرولیز لاکتوز منجر به افزایش شیرینی شیر می‌شود، فرآیندهایی برای حذف بخشی از لاکتوز با استفاده از روش‌های کروماتوگرافی یا فیلتراسیون (اولترا و نانو) همراه با هیدرولیز لاکتوز باقی‌مانده ایجاد شده تا شیرینی مشابه شیر معمولی بازگردانی شود.
روش اسپتیک یا پس هیدرولیز
در این روش ابتدا شیر با روش UHT استریل و سپس آنزیم لاکتاز استریل، قبل از مرحله بسته‌بندی به شیر افزوده می‌شود و هیدرولیز لاکتوز در بسته‌بندی رخ می‌دهد. بنابراین، شیر UHT در دمای محیط به مدت 3 روز در قرنطینه نگه داشته می‌شود، تا قبل از فروش محصول، آنزیم زمان کافی برای هیدرولیز کامل لاکتوز داشته باشد. براین اساس، چون در مورد شیر پاستوریزه بازه زمانی قرنطینه وجود ندارد، روش آسپتیک برای این نوع شیر کاربردی ندارد. لاکتاز استریل به دو روش استفاده می‌شود، یا توسط شرکت تولیدکننده آنزیم استریل شده و با دستگاه‌های استریل به شیر اضافه می‌شود، و یا آنزیم توسط کارخانه‌های لبنی قبل از اضافه شدن به شیر، به وسیله فیلتر استریل می‌گردد.
هنگام استفاده از فرآیند آسپتیک برای تولید شیر بدون لاکتوز، باید جنبه‌های زیر را در نظر گرفت:
- به دلیل این که زمان انکوباسیون و دمای نگهداری در فرآیند اسپتیک بالاتر است، دوز مصرفی آنزیم به طور قابل ملاحظه‌ای در مقایسه با فرآیند بچ کمتر است. کنترل فرآیند نیز به دلیل اینکه آنزیم تنها در بسته‌بندی فعال است، وجود ندارد.
- این روش نیاز به تجهیزات خاص دارد، به ویژه برای فیلتراسیون در کارخانه، اپراتورهای ماهر نیاز است تا از آلودگی‌های میکروبی هنگام افزودن لاکتاز جلوگیری شود. هرچند این موارد هزینه‌هایی را در بر دارد اما به دلیل این که فرآیند به طور کاملا پیوسته انجام می‌شود، بازدهی تولید بیشتر خواهد بود.
- فرآیند آسپتیک برای تولید شیر بدون لاکتوز UHT تنها با افزایش کیفیت آنزیم‌های لاکتاز به طور کامل توسعه می‌یابد. علاوه بر حذف فعالیت جانبی پروتئولیتیک، مشخص شده است که فعالیت جانبی آریل‌سولفاتاز در آماده‌سازی لاکتوز ممکن است به دلیل تشکیل پاراکرسول، منجر به ایجاد طعم‌های بد دارویی در طول نگهداری شود و بر بافت و ویژگی‌های حسی اثرگذار باشد. بنابراین، در تولید شیر بدون لاکتوز UHT تنها باید از بالاترین کیفیت لاکتاز استفاده کرد تا از فعالیت پروتئولیتیک و ایجاد طعم دارویی در طول نگهداری جلوگیری شود.
- در اثر تجزیه لاکتوز، مونوساکاریدها در شیر افزایش یافته و منجر به واکنش مایلارد می‌شود. این واکنش منجر به ایجاد طعم بد و کاهش عمر نگهداری و کاهش ارزش غذایی محصول در مقایسه با شیر معمولی، به خصوص در هنگام نگهداری در دمای بالا، می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد دمای نگهداری و انتخاب لاکتاز با کیفیت، نسبت به فرآیند تولید (بچ یا اسپتیک) تاثیر بیشتری بر ماندگاری محصول دارد. بنابراین، قهوه‌ای شدن شیر در طول ذخیره‌سازی تا حد زیادی مستقل از فرآیند تولید است.
منابع:
Peter T. Dekker, Damiet Koenders, and Maaike J. Bruins. “Lactose-Free Dairy Products: Market Developments, Production, Nutrition and Health Benefits.” Nutrients, 2019 Mar; 11(3): 551; doi:10.3390/nu11030551.
