تأثير الأنزيمات المؤكسدة على الغذاء

[karremmtm]

أنزيم الليبوأكسجيناز :
§ تعريفه- تواجده – دوره الحيوي :
§ 1- تشكيل مواد النكهة وآلية حدوثها . 2- قصر اللون وآلية حدوثه
§ المضادات الطبيعية له .
§ أهميته .
أنزيم البيروكسيداز :
§ وظيفته الأساسية – الركازة – دوره الحيوي – أهم خواصه .
أنزيم PPO :
§ تعريفه– أنزيماته – بعض خواصه – دوره – الركازة –آلية الاسمرارالانزيمي ومثبطاته .
آلية عمل الأنزيمات المؤكسدة
تعد الأنزيمات المؤكسدة هي الوحيدة من بين العدد الكبير لأنزيمات الاستقلاب القادرة على ضم ذرة أو اثنتين من الأكسجين إلى الركازة المتوفرة .
بالعودة إلى التركيب الذري لجزيء الأكسجين:
نجد بأنه كي يؤكسد عنصر آخر (أي يأخذ منه زوج الكتروني )يحدث ذلك بشكل تدريجي (أخذ إلكترون-قلب المدارات-أخذ الالكترون الآخر) ←لذا يعتبر قليل الفعالية أمام المركبات التي لا تحوي جذور حرة .
العلاقة بين الأنزيمات المؤكسدة و O2 :
تحتوي الأنزيمات المؤكسدة في جزئها الفعال على المعادن الانتقالية التي تعطيها القدرة على قبول أو التبرع بالكترونات مفردة ←التغلب على مشكلة التقييد المداري للأكسجين .
المشترك مع الأنزيمات الأخرى :
تتواجد الأنزيمات المؤكسدة على شكل مجموعة من المماكبات (عائلات)للنوع الواحد.
هذا النظام الأنزيمي بإمكانه أن يتسبب بتشكيل جذور حرة تتوسط عمليات الأكسدة وتؤدي لإحداث تغييرات في الجودة الحسية للغذاء .
فمثلا:وجود أنزيم الليبوأكسجيناز والبيروكسيداز لا يعني أكسدة لليبيدات فقط وإنما الجذور الحرة الناتجة قد تؤدي لعمليات أكسدة أبعد من ذلك .
 في الأطعمة الطازجة توجد مضادات الأكسدة التي من شأنها أن تثبط هذه الجذور الحرة وبالتالي تمنع حدوث التغييرات المذكورة.
تأثير الأنزيمات المؤكسدة على مدة صلاحية الغذاء
خلال العمليات التي يتعرض لها الغذاء من: حصاد-تخزين-تجنيس-استحلاب-تبعثر- تتم ضمنه العديد من التفاعلات البيوكيميائية المنتجة للجذور الحرة تنتهي بالتدهور الحسي للغذاء (النكهة -اللون - القوام).(الآلية غير معروفة)
بعض الأنزيمات تتسبب بالبدء بعمليات الأكسدة بشكل سريع (البيروكسيداز-الليبوأكسجيناز ) ويتحمل بعضها المعاملة الحرارية فتتسبب بتدني جودة الغذاء خلال التخزين الطويل الأمد .
الأكسجين النشيط يتواجد بشكلين: فوق أكسيد الهيدروجين (H2O2), والسوبر أكسيد(O2˙ ˉ )والتي تتراكم ضمن الغذاء المعالج والمخزن بشكل تدريجي بحيث تصبح السيطرة عليها أمرا مستحيلا .
في النظام التنفسي الهوائي للخلايا الحية :معظم الأكسجين الممتص يتم تحويله لماء بواسطة السايتوكروم c أكسيداز أو أزرق كوبر أكسيداز, بينما يتحول حوالي (5%)من O2 الكلي إلى (O2˙ ˉ²).
كلما تقدمت الفاكهة بالنضج تصبح الأنزيمات أكثر انحلالية ويظهر نشاطها بشكل واضح من خلال تغيرات اللون المرتبطة بعملية النضج والهرم (البيروكسيداز).
الليبوأكسجيناز
تعريفه :
وهو أنزيم يحتوي على الحديد : oxygen oxidoreductase
يتوسط أكسدة الحموض الدسمة متعددة عدم الإشباع المتضمنة لوحدات مقرون 1,4 البنتادين, حيث تتشكل جذور حرة وذلك بعد أكسدة الحموض الهيدروبيروكسيديةغير المشبعة المتجاورة .
تواجده :
يوجد هذا الانزيم في النباتات ,الأنسجة الحيوانية (الأغذية البحرية), وأيضا بالفطر النباتي والفطور الميكروبية .
دوره الحيوي :
A. بعض مركبات النكهة تتشكل نتيجة عمليات الاستقلاب الطبيعية الحاصلة في النبات ,بينما معظمها يتشكل أثناء المعالجة المسببة لتخريب الخلايا وبالتالي التقاء الأنزيم بالركازة ومن أهم الأنزيمات المسببة لتشكل مواد النكهة هذه هو الليبوأكسجيناز .
له أهمية كبيرة لسببين :
1. دوره مع مماكباته في تشكيل مركبات النكهة والطعم في المنتجات النباتية .
2. قدرة هذه الأنزيمات على تشكيل الجذور الحرة القادرة بدورها على مهاجمة مركبات أخرى مثل الفيتامينات ,الألوان,الفينولات,البروتينات .
تعتبر مركبات النكهة الناتجة جزء منها مرغوب في العديد من الأغذية والجزء الآخر غير مرغوب (زيت بذور القطن-فول الصويا –البازلاء المسلوقة ).
كيف تتشكل مركبات النكهة ؟؟
يقوم هذا النظام الأنزيمي بتخريب حمض اللينوليك واللينولينيك إلى هكسانال ومقرون3- هكسانال بالترتيب وأيضا تتم مما كبة المركب الأخير وتحويله إلى مفروق- 2- هكسانال .
هذه المركبات هي المسؤولة عن النكهات غير المرغوبة .
B. أيضا يعتبر مسؤول عن إزالة(قصر) اللون: مثل إزالة لون الكلوروفيل في الخضراوات المخزنة وغير المسلوقة (غير مرغوب)و قصر لون الكاروتينويدات أثناء تصنيع الباستا (مرغوب).


الشرح التفصيلي لتأثير الأنزيم على اللون والنكهة
تأثيره على النكهة :
آلية تفكيك حمض اللينوليك إلى مركبات النكهة :
1) يتم ضم مجموعة الهيدروبيروكسيد (OOH) عند ذرة الكربون C9 أوC13 حسب نوع الأنزيم من مجموعة اللليبوأكسجيناز.
2) بواسطة الليازات يتم تفكيك مجموعة الهيدروبيروكسيدات OOH وإنتاج مركبات النكهة 9 C6-C منها الكيتونات والألدهيدات والكحولات .
آلية العمل بوجود الأنزيم :
I. الركازة يجب أن تحتوي على مقرون البنتادين مع مجموعة الميتلن الفعالة المتوضعة بين الروابط المضاعفة .
II. الأنزيم في حالته الأصلية يكون مرتبط مع الحديد الثنائي E-Fe II ,ويحدث التنشيط
إما بواسطة كمية صغيرة من الهيدوبيروكسيد الموجود بشكل طبيعي ضمن ركازة اللبيدات أو بواسطة كميات صغيرة من الهيدروجين بيرو كسيد وذلك لتحويل الأنزيم للشكل E-Fe-III .
III. Fe-III له دور في البدء بعملية الأكسدة بفضل التخصص الفراغي له إذ يتلقى e من مجموعة الميتلن النشطة في الركازة مشكلا معقد بين البنتادينيل ذو الحلقة الطنينية الثابتة مع الأنزيم ذو الحديد الثنائي .
IV. بوجود O2: تتحول جذور البنتاديل الناتجة إلى مماكبات تحوي زمرة الهيدروبيروكسيل .
V. عدم وجود O2: تتبلمر جذور البنتاديل مع مثيلاتها أو تتسبب بتشكيل جذور حرة لمركبات أخرى .
تأثيره على اللون :
الليبوأكسجيناز ينشط أكسدة الكاروتينويدات والكلوروفيل باستخدام تقنية الجذور الحرة بدون الاستغناء عن وجود الأحماض الدسمة غير المشبعة.
تحدث الأكسدة بسبب نزع ذرة هيدروجين من مركب الكاروتينويد ←تشكيل الجذر الطنيني الثابت ← الاتحاد مع الأكسجين لتشكيل مركبات الكربونيل .
هناك ثلاث آليات لتفسير التفاعل (تحديد العنصر المؤكسد ):
1. فصم جذر البيروكسيل من الأنزيم ليهاجم الكاروتين إذ يتوجه بشكل خاص نحو الروابط المضاعفة .
2. توليد جذور حرة من تفاعلات يتم تحفيزها بواسطة السلسلة اللاهوائية لأنزيم الليبوأكسجيناز.
مهما كانت الآلية فانه في جميع الحالات تتم تجزئة الكاروتينويدات إلى جزيئات يتضمن كل منها جذر حر مركزي قادر على التفاعل مع O2 وبالتالي تشكيل مركبي الكربونيل .
جذر حرفي الوسط +O2 ←شطر الروابط الثنائية ←تشكيل جزيئي كربونيل ←باستمرار هذه العملية ←تشكل الجزيئات المسؤولة عن النكهات والروائح غير المرغوبة وقصور اللون.
التطبيقات في هذا المجال :
§ يمكن استخدام الليبوأكسجيناز لتبييض الكاروتينويدات في طحين القمح خلال صنع الخبز .
§ يعتبر هذا الإنزيم هو المسؤول عن قصور لون الكاروتينويدات في البندورة إذ ثبتت فاعليته بشكل كبير في أكسدة βكاروتين وبشكل أقل تجاه a كاروتين واللوتين ,أما الليكوبين (الصبغة الرئيسية في البندورة)فلا تتأثر به أبدا .
المضادات الطبيعية ل الليبوأكسجيناز:
وجد بأن وجودβكاروتين بتركيز أعلى من (14)μm يمنع حدوث الأكسدة بواسطة LOX بنتيجة تشكل معقد مع الأنزيم غير عكوس يلغي عمله .
هناك أيضا الكلوروفيل,a توكوفيرول ,المركبات الفينولية إذ بإمكان هذه المركبات تخميد الجذور الحرة الناتجة عن الأنزيم أو المتحررة من الركازة .
أهمية الليبوأكسجيناز :
يعتبر جزء من عملية التخليق الحيوي الضروري لنمو النبات المنتجة لكل من abscisic acid وmethyl jasmonate الضروريان لمقاومة النبات واستجابته للعوامل الخارجية(رياح-جفاف-أمراض ...).
وعند الحيوانات يلعب دور مع أنزيمات مؤكسدة أخرى (سيكلوأكسجيناز)لإنتاج مركبات ضرورية للنشاط الفيزيولوجي .
أنزيم البيروكسيداز
وظيفته الأساسية :
هي أكسدة المركبات الفينولية بحضور H2O2 حيث تقوم هذه المجموعة من الأنزيمات بتنشيط التفاعل التالي :
2AH + H2O2→2A• + 2H2O
A• قادرة على التفاعل مع عدد كبير من المركبات مثل الفينولات –الفيتامينات –أومركبات أخرى قادرة على إعطاء e• أوH• تتفاعل لتشكل جذور حرة أخرى .
الركازة التي يعمل عليها :
§ -تعتبر الفينولات ركيزة سهلة لتفاعلات الأكسدة والتبادل إذ بإمكانها التخلي عن ذرة الهيدروجين بسرعة وإعطاء جذر الفينوكسيل ذو الثباتية الطنينية
مثل حموض الكوماريك-كافييك-والأنثوسيانين –والفلافين ومركبات البيريدينيوم .
§ الجذور الكاتيونية الناتجة تتفاعل مع عدد كبير من الركازات الأخرى ←إعطاء جذور حرة تتسبب بأكسدة عدد كبير من المركبات المختلفة .
دور البيروكسيداز :
بهذه الطريقة يكون ل البيروكسيداز دور البدء بعملية الأكسدة للمركبات الفينولية التي تفتح الطريق لأكسدة عدد كبير من المركبات الأخرى الغير معروفة أحيانا لذا يكون من الصعب تحديد عمل هذا الأنزيم بدقة في الغذاء و خصوصا وأن بعض أنواعه ثابتة حراريا.
للبيروكسيداز دور هام أثناء تشكيل الليغينين .
 تتم أكسدة فيتامين C بواسطة البيروكسيداز (بشكل عام) وأحيانا بواسطة اسكوربيك أسيد بيروكسيداز ←جذور الاسكوربات الطنينية الثابتة←اسكوربات منزوعة الماء ←منتجات الاسمرار اللاأنزيمي
للبيروكسيداز طيف واسع من الوظائف الحيوية مثل البدء بتشكيل البولميرات أو تفكيك البولميرات أوازالة H2O2 .
دور H2O2 :
يعتبر الوسيط المؤكسد اللازم لتحويل الأنزيم من الشكل الأصلي (FeIII)الى المركبين I (ذو التكافؤ الخماسي ),II(ذو التكافؤ الرباعي)اللازمين لعملية الأكسدة .
Per-FeIII + H2O2 Per-Fev
Compound I native peroxidase
Per-Fev===o + e + H+ Per-Feiv---OH
Compound II I compound
Per-Feiv---OH + e + H+ Per-FeIII- -H2O
§ يدخل الحديد بتكافؤه الرباعي والخماسي في تركيب الأنزيم بتفاعلي الأكسدة الذين يبدي فيهما الأنزيم تخصص عالي تجاه مركبات النكهة المانحة لذرات الهيدروجين .
في حال عدم وجود H2O2 هل يعمل البيروكسيداز ؟؟؟
نعم ويتوضح ذلك بشكل خاص بأكسدة مركبات غير الفينولية مثل الركازة الصنعية دي هيدروكسي فوماريك (DHF) أو ركازات موجودة بشكل طبيعي مثل حمض الاسكوربيك , التيولات, هيدروكوينون .
يتم توليد الكمية الابتدائية الضرورية من H2O2 بفضل تفاعل الأكسدة الذاتي ل DHF وفق التفاعل :
2DHF + O2 2DHF• + O2 •ˉ²
ليقوم بعدها أنزيم البيروكسيداز بالشكلين I,II بشكل سريع بإنتاج كميات كبيرة من الجذور الحرة لDHF وفق التفاعلين :
Per-Fev + DHF DHF• + Per-Feiv
Compound II
Per-Feiv + DHF DHF• + Per-FeIII
native peroxidase
وباستمرار التفاعل تتحد الجذور الحرة مشكلة ثنائي كيتو السكسينات (DKS)
2DHF• DHF + DKS
كما يمكن أن يتشكل المركب Per-FeIIO2•) ) الناتج عن الأكسدة الذاتية ل DHF والمسؤول في حالة نقص الأكسجين وDHF عن ضم جذر الهيدروكسيل إلى عدد كبير من مركبات النكهة مثل التيروزين –الفينيل الانين – وغيرها من المركبات الفينولية

من الركازات الأخرى غير المركبات الفينولية التي يمكن أن يؤكسدها أنزيم البيروكسيداز :
NADH - MN المالون ألدهيد (الناتج عن أكسدة الدهون )- والهكسانال- اندول -3 أسيتيك أسيد -البيريدوكسال وغيرها .
أمثلة عن تأثيره المؤكسد
A. Per-Fev = O + MA Per-Fe iv –OH + MA•
B. Per-Fe iv –OH + MA Per-Fe III + AM•
تتشكل الجذور الحرة ل المالون ألدهيد بفضل مركبي الأنزيم I,II هذه الجذور تتفاعل مباشرة مع الأكسجين لتشكل جذور البيروكسيل وبوجود المنغنيز تتشكل هيدروبيروكسيدات المالون ألدهيد (إحدى مركبات النكهة غير المرغوبة ).

وبشكل مماثل يؤكسد البيروكسيد مركبات أخرى للنكهة مثل الهكسانال ليعطي منتجات ذات تأثير سلبي على الجودة .
هل للبيروكسيداز دور في فساد الأغذية ؟؟
نعم إذ يعتبر مسؤول بشكل رئيسي عن إحداث تخريب في الطعم,النكهة,اللون,البنية,وفقدان بعض العناصر التغذوية في الأغذية الطازجة والمعالجة وذلك حتى ضمن شروط من الحرارة المنخفضة (-18)ºم والرطوبة المنخفضة.
تم التوصل لوجود علاقة سلبية بين نشاط البيروكسيداز ومستويات النكهة في العصير (عالي أو منخفض المردود).
← يمكن الاستفادة من تحديد نشاط البيروكسيداز كدليل للنكهة غير المرغوبة .
لوحظ ارتفاع نسبة الألدهيدات الطيارة في الخضار غير المسلوقة بشكل جيد
← يمكن الاستفادة من تحديد نشاط البيروكسيداز كدليل على كفاية عملية السلق .
أهم صفات البيروكسيداز :
1) الثباتية الحرارية :
- يعتبر البيروكسيداز مع معظم مماكباته مجموعة أنزيمية مقاومة للحرارة .
- وجد أن العلاقة بين كمية الأنزيم وزمن التسخين غير خطية بسبب مكونات الغذاء الأخرى ووجود مزيج من مماكبات الأنزيم المقاومة للحرارة .
2) عودة النشاط الأنزيمي :
- من الممكن أن يعاود هذا الأنزيم نشاطه بعد عدة ساعات من المعالجة الحرارية التي تتسبب بتغيير الطبيعة الكيميائية للمركبات (وهو أمر غير مألوف بالنسبة لمعظم الأنزيمات )وهذا يتطلب عكس للدنترة وإعادة بناء للبروتين ,(ويعتقد بأن جزيئة الهيم (الحديد) تعاود الارتباط مع أبو بروتين لتشكيل جزيئة الأنزيم النشطة) .
- تختلف هذه الخاصية بحسب أصناف النبات وأيضا بحسب مماكبات الأنزيم الموجودة معه .
البولي فينول أكسيداز PPO
تعريفه :
وهو الأنزيم المسؤول عن ظاهرة الاسمرار الأنزيمي الملحوظة عند الخضار والفواكه والناجمة عن تخرب أنسجة النبات (كدمات- انضغاط – جروح ).
تعتبر هذه الظاهرة سلبية في بعض الحالات مثل اسمرار العصير واللبابة والبودرة الجافة للتفاح , ومرغوبة في حالات أخرى كما هو الحال عند تصنيع الكولا والشاي والقهوة .
أنزيمات PPOs :
من هذه المجموعة من الأنزيمات المسؤولة عن EB يمكن أن نسمي: أورتودي فينول أكسيدوريدوكتاز – كاتيكول أكسيداز- فينولاز – تيروزيناز – كريزولاز .
المستويات العالية من الأنزيم موجودة ضمن الأنسجة الغنية بالفينولات .
بعض خواصه :
وجد بأن أنزيم PPO له أشكال كثيرة ومتنوعة ضمن الأنسجة اذ يتراوح عدد مماكباته من( 3 الى 14) ايزوأنزيم بحجوم مختلفة , ويعزى ذلك:
i. بسبب الاختلافات الوراثية الموجودة بين الأنزيمات الأم
ii. بسبب تفاعله مع مركب الكوينون أثناء التماكب مما يؤدي لتثبيطه بدرجات مختلفة .
وجد بأن المعالجة بالتانينات (مركبات فينولية عفصية قابضة مرسبة للبروتينات ) تؤثر على الأشكال المختلفة الجديدة للأنزيم بأشكال مختلفة (قد تؤثر على الوزن الجزيئي – التخصص تجاه الركازة – حركية الأنزيم – أو حساسيته للمضادات ) .
ما الشروط الواجب توفرها لحدوث الاسمرار الأنزيمي ؟؟؟
تتوضع أنزيمات الأكسدة في السيتوبلازما بينما تتوضع المركبات الفينولية داخل الفجوات في الخلية . وبالتالي أي تخريب للخلية يمكن أن يؤدي لالتقاء الأنزيم بالركازة وبالتالي حدوث الاسمرار الأنزيمي .
← لذا يمكن أن نعبر عن دوره الحيوي :
- بأنه لا يمكن أن يؤثر على جودة الخضار والفاكهة الطازجة بل على العكس فهو يلعب دورا مهما في :
النظام المناعي ضد الحشرات والأمراض عند النبات في حالته السليمة, ويساهم في تشكيل الصبغات وتخميد الجذور الحرة وأيضا تشكيل الآلية الهجومية عند الفطور .
 الركازة التي يعمل عليها :
وهي المركبات الفينولية المنتشرة بشكل كبير في الخضار والفواكه وبشكل خاص في الثمار غير الناضجة وتقسم لثلاث مجموعات :
الفينولات الأحادية والثنائية –الحموض الفينولية – الفلافونوئيدات .
1. الفينولات الأحادية والثنائية (mono and o-diphenols):
مثل البيروكاتيكول ,3-4-ثنائي هيدروكسي فينيل آلا نين (DOPA) والتيروزين .
2. الحموض الفينولية وتضم بشكل رئيسي :
- حموض هيدروكسي بينزوئيك ومشتقاتها وأكثرها انتشارا حمض الغاليك وحمض بارا هيدروكسي بينزوئيك وحمض الفانيليك .
- حموض هيدروكسي سناميك ومشتقاتها وأكثرها انتشارا حمض الفيروليك وحمض الكافيئيك وأهم مشتقاته حمض الكلوروجينيك.
3- الفلافونوئيدات : لكنها تعتبر ركائز غير جيدة (ضعيفة )لهذه الأنزيمات
آلية الاسمرار الانزيمي
وكما هو واضح يتألف من مرحلتين أنزيمية وغير أنزيمية :
I. المرحلة الأنزيمية (PPo) وتتضمن :
- تفاعل إضافة مجموعة الهيدروكسيل إلى المركبات الفينولية الأحادية وتشكل المركبات الفينولية الثنائية
- أكسدة المركبات الفينولية الثنائية وتشكل مركبات الكوينون .
II. المرحلة غير الأنزيمية :
- وهي تفاعلات ثانوية تتم بين مركبات الكوينون المتشكلة في المرحلة السابقة مع نفسها (بلمرة ) أو مع الأمينو أسيد والببتيدات لتشكل في النهاية الميلانين .
آلية عمل أنزيمات الاسمرار الأنزيمي :

يقوم النحاس ثنائي التكافؤ بأكسدة المركبات ثنائية الفينول بينما يرجع هو إلى نحاس أحادي التكافؤ يعاد تنشيطه بواسطة الأكسجين إلى نحاس ثنائي التكافؤ من جديد .
أنزيمات PPOs مجموعة الأنزيمات المسماة Blue copper oxidases(مجموعة الأنزيمات ذات اللون الأزرق المحتوية على النحاس ).
جميع أنزيمات ppos تحوي على ذرتي نحاس للمول الواحد البعد بينهما 3.5A إذ بانتقال 2e من 2CU I إلى O2 يتشكل 2CU II وهو الشكل المؤكسد للأنزيم .
الأنزيم المسؤول عن إضافة زمرة الهيدروكسيل يسمى ب كريزولاز ,أما الأنزيم المسؤول عن نزع الهيدروجين فيسمى ب كاتيكولاز .
هناك أنزيم اللاكاز المشابه ل PPO لكنه يحتوي على 2 أو 4 ذرات نحاس /المول وهو ينشط أكسدة أورتو وبارا دي فينول إلى دي كينون كما ويؤكسد مركبات الفينول الأحادية إلى نصف كينون
(كوينون يحتوي على ذرة أكسجين واحدة ).وثبت وجوده في النباتات الراقية (الدراق) والفطور وأيضا البكتريا .
مثبطات الاسمرار الإنزيمي :
حمض الاسكوربيك يعتبر من أهم المضادات الطبيعية المستخدمة لتثبيط الاسمرار الإنزيمي وذلك كونه :
1. يخفض ال PH مقدار درجتين عن الدرجة المناسبة لنشاط الإنزيم .
2. يقوم بإرجاع مركبات الكوينون وبالتالي يمنع تشكل الميلانين .
----ويمكن أيضا استخدام السولفات التي لها تأثير مرجع أيضا
----بالإضافة للتثبيط الحراري-التحميض- عزل الأكسجين – إضافة مجموعة الميتيل للفينولات –خلب معدن النحاس.

[????]

الف شكر يا باشا وتسلم ايدك يا ببشمهندس كريم