เอนไซม์ และการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร บทบาทของอาหารในปัจจุบันไม่ใช่เพื่อบริโภคให้อิ่มท้อง และดำรงชีวิตอยู่ได้เท่านั้น แต่การเลือกบริโภคอาหารที่มีประโยชน์ มีส่วนในการส่งเสริมการมีสุขภาพที่ดี นอกจากนี้ผู้บริโภคมีแนวโน้มที่จะเลือกบริโภคอาหารที่ผลิตโดยวิธีธรรมชาติไม่ใช้สารเคมี อุตสาหกรรมอาหารจึงพัฒนาผลิตภัณฑ์อาหารอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการดังกล่าวของผู้บริโภค หนังสือเล่มนี้นำเสนอตัวอย่างการใช้เอนไซม์ในอีกแง่มุมหนึ่งที่แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์สามารถนำมาประยุกต์ใช้เพื่อบทบาทในการเพิ่มคุณค่าอาหาร และเพิ่มมูลค่าผลผลิตอุตสาหกรรมเกษตรในการผลิตอาหาร หรือสารหน้าที่เฉพาะ (functional foods หรือ functional ingredients) พร้อมทั้งเป็นเทคโนโลยีที่เลียนแบบธรรมชาติปราศจากสารเคมี และสภาวะที่รุนแรง
ในบทที่ 1 กล่าวถึงบทบาทของเอนไซม์กับการผลิตอาหาร ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเอนไซม์เป็นเทคโนโลยีที่เลียนแบบธรรมชาติปราศจากสารเคมีเกี่ยวข้องในการผลิตอาหารมนุษย์ที่ปลอดภัย เป็นที่ยอมรับมาแต่โบราณ บทที่ 2 มีวัตถุประสงค์เพื่อปูพื้นฐานผู้อ่านเกี่ยวกับหลักการทำงานของเอนไซม์ เพื่อความเข้าใจในการนำไปประยุกต์ใช้ที่เหมาะสม บทที่ 3 กล่าวถึงการใช้เอนไซม์ในการสกัดน้ำมันจากพืชน้ำมันที่สกัดด้วยวิธีธรรมชาติ บทที่ 4 กล่าวถึงบทบาทของเอนไซม์ในการเพิ่มผลผลิตและคุณค่าน้ำผลไม้ บทที่ 5 ช่วยให้เข้าใจบทบาท และปัจจัยที่เกี่ยวกับการทำงานเอนไซม์ที่ใช้พัฒนาผลิตภัณฑ์อาหารที่มี กาบาสูง และในบทที่ 6 และ 7 กล่าวถึงบทบาทเอนไซม์ในการผลิตพรีไบโอติก ซึ่งเป็นส่วนผสมอาหารฟังก์ชันจากผลพลอยได้อุตสาหกรรมเกษตร
1. เอนไซม์กับอุตสาหกรรมอาหาร
เอนไซม์มีบทบาทสำคัญในการผลิตอาหารที่ใช้บริโภคตั้งแต่ยุคโบราณจนถึงอาหารที่พัฒนาในยุคต่อมาจนถึงปัจจุบัน เอนไซม์เกี่ยวข้องกับการผลิตอาหารมานานนับศตวรรษ เทคนิคในกระบวนการผลิตอาหารและเครื่องดื่มถูกถ่ายทอดต่อกันมาก่อนที่มนุษย์จะมีความรู้ หรือมีคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ในเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาในธรรมชาติหรือเอนไซม์ บทนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ผู้อ่านมีความเข้าใจความเกี่ยวข้องระหว่างเอนไซม์กับปฏิกิริยาที่ขึ้นในกระบวนการผลิตอาหารโดยธรรมชาติ ซึ่งต่อมาเมื่อในยุคที่วิทยาศาสตร์รู้จักเอนไซม์มากขึ้น เอนไซม์จึงมีบทบาทสำคัญในกระบวนการผลิตอาหารในระดับอุตสาหกรรม เนื้อหาในบทนี้ได้จากการเรียบเรียงจากเอกสารทางวิชาการ (ปราณี อ่านเปรื่อง, 2558; Poulsen, & Buchholz, 2003; Taylor, & Leach, 1995)
2. ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับเอนไซม์
เอนไซม์ (enzyme) เป็นโปรตีนที่มีบทบาทในการเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเพื่อการสังเคราะห์องค์ประกอบภายในเซลล์ เพื่อการย่อยสารอาหารเพื่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต ในบทนี้นำเสนอความรู้พื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการเข้าใจการทำงานของเอนไซม์สำหรับผู้ที่ไม่มีประสบการณ์การใช้เอนไซม์เพื่อประโยชน์ในการประยุกต์ใช้เอนไซม์เทคโนโลยีในการผลิตอาหารและเครื่องดื่ม เนื้อหาในบทนี้เรียบเรียงจากบทความและเอกสารทางวิชาการ (ปราณี อ่านเปรื่อง, 2558; Taylor, & Leach, 1995; Smith, 2002; Whitaker et al., 2001)
เอนไซม์เป็นโปรตีนกลอบูลาร์ (globular protein) ที่มีหน้าที่ช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดเร็วขึ้นเรียกว่าทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยา (catalysis) โมเลกุลโปรตีนประกอบด้วยกรดอะมิโนมาเรียงต่อกันด้วยพันธะเพปไทด์เป็นสายยาว เอนไซม์มีขนาดกรดอะมิโนระหว่าง 60 ถึงมากกว่า 2,500 ตัว มีน้ำหนักโมเลกุล 6,000 ถึง 250,000 โดยน้ำหนักโมเลกุลได้จากผลรวมของน้ำหนักอะตอมแต่ละตัวในโมเลกุลโปรตีน การที่จะเข้าใจถึงการทำงานของเอนไซม์ต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของโปรตีนมาช่วยอธิบาย เนื่องจากโครงสร้างสามมิติของเอนไซม์เป็นตัวกำหนดแอกติวิตี จะเห็นว่าสายพอลิเพปไทด์ (polypeptide chain) ของเอ็นไซม์ไม่ได้อยู่ในรูปเส้นตรง แต่จะอยู่ในรูปที่ม้วนพับ (folding) จนเป็นก้อน มีผลทำให้หมู่แขนงข้าง R (side chain หรือ R group) ของกรดอะมิโนที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยา หรือเรียกว่าหมู่เร่ง (catalytic group) ซึ่งอาจอยู่ห่างกันมาก แต่ถ้าสายพอลิเพปไทด์เกิดการม้วนพับจนเป็นก้อน ทำให้กรดอะมิโนที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาเข้ามาอยู่ใกล้กันเกิดเป็นบริเวณแอกทีฟ (active site) บริเวณแอกทีฟของเอนไซม์เป็นบริเวณหนึ่งบนผิวเอนไซม์ที่จับกับซับสเตรต มักเป็นแอ่งหรือร่องที่ประกอบด้วยกรดอะมิโนที่สามารถจับส่วนต่าง ๆ ของซับสเตรตด้วยแรง เช่น ไฮโดรโฟบิก (hydrophobic) แรงดึงดูดระหว่างประจุหรือแรงดึงดูดระหว่างขั้ว (charge-charge interaction) เป็นบริเวณที่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้นตรงส่วนใดส่วนหนึ่งของซับสเตรต มีกรดอะมิโนที่ทำหน้าที่สลายพันธะหรือสร้างพันธะใหม่
3. เอนไซม์ช่วยสกัดน้ำมันจากพืชน้ำมัน
น้ำมันและไขมันนอกจากจะเป็นแหล่งของสารอาหารที่ให้พลังงานสูงแล้ว ยังเป็นตัวกลางสำคัญในการส่งผ่านวิตามินที่ละลายได้ในไขมัน เมล็ดพืชน้ำมันเป็นแหล่งอาหารสำคัญของมนุษย์ โดยเฉพาะในการผลิตน้ำมันบริโภค นอกจากนี้ยังใช้ผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ ประยุกต์ใช้ทางเภสัชกรรม ใช้ในการผลิตเครื่องสำอาง เป็นต้น องค์ประกอบของน้ำมันพืชยังประกอบด้วยสารตามธรรมชาติที่มีประโยชน์ต่อสุขภาพ เช่น กรดไขมัน ไฟโตสเตอรอล (phytosterols) แคโรทีนอยด์ (carotenoid) สารต้านอนุมูลอิสระ และวิตามินอี หรือ โทโคฟีรอล (tocopherol)
แผนภาพผนังเซลล์ ที่มา https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plant_cell_wall_diagram-en.svg
เอนไซม์
วิธีการทั่วไปที่ใช้ผลิตน้ำมันบริโภคจากพืชน้ำมัน คือ การใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ หรือใช้วิธีการทางกล หรือใช้ทั้งสองวิธีร่วมกัน วิธีการทางกลที่ใช้ในการสกัดน้ำมันออกจากพืชน้ำมันเป็นกระบวนการแยกเฟสของเหลวออกจากของแข็ง ซึ่งต้องอาศัยความดันจากระบบไฮดรอลิก (hydrulic press) หรือเครื่องบีบแบบเกลียว (screw press) การบีบน้ำมันออกจากเมล็ดโดยวิธีการทางกลมีข้อดีคือ มีการลงทุนด้านเครื่องจักรน้อย อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ให้ผลผลิตน้ำมันค่อนข้างต่ำ และโปรตีนในวัตถุดิบเสื่อมสภาพเนื่องจากแรงดัน
4. เอนไซม์กับการผลิตน้ำผลไม้
น้ำผลไม้คือน้ำซึ่งมาจากการคั้นหรือสกัดจากผลไม้ น้ำผลไม้คั้นสดเป็นแหล่งของวิตามินและแร่ธาตุหลายชนิดที่มีประโยชน์ต่อร่างกาย น้ำผลไม้จึงเป็นเครื่องดื่มที่เป็นที่นิยมของผู้บริโภคมาช้านาน การผลิตน้ำผลไม้มีขั้นตอนง่ายๆ ประกอบด้วยขั้นตอน 1) การเตรียมวัตถุดิบได้แก่ การล้างและหั่นเป็นชิ้น 2) การสกัดน้ำ 3) การกรองแยกกาก อย่างไรก็ตาม ในการผลิตน้ำผลไม้ในระดับอุตสาหกรรมขั้นตอนต่างๆ ย่อมมีความซับซ้อนขึ้นเนื่องจากเกี่ยวข้องกับผลไม้ปริมาณมาก นอกจากนี้ การผลิตยังต้องคำนึงถึงปริมาณผลผลิตที่ต้องสูงและอายุการเก็บรักษา ความใสของน้ำผลไม้ก็จำเป็นสำหรับน้ำผลไม้บางชนิด การผลิตน้ำผลไม้ในระดับอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพคุ้มค่าต่อการลงทุนต้องใช้เอนไซม์ ซึ่งเป็นขั้นตอนที่จำเป็นในการผลิตน้ำผลไม้ซึ่งใช้กันอย่างกว้างขวาง ดังนั้นจึงมีเอนไซม์ทางการค้ามากมายหลายชนิดที่ผลิตขึ้นเฉพาะเพื่ออุตสาหกรรมน้ำผลไม้ ผลไม้นอกจากเป็นแหล่งสำคัญของวิตามินและแร่ธาตุแล้ว ยังเป็นแหล่งของสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพซึ่งมีบทบาทสำคัญต่อการป้องกันกลุ่มโรคไม่ติดต่อเรื้อรัง เช่น โรคความดันสูง โรคหัวใจ โรคมะเร็ง การใช้เอนไซม์นอกจากจะมีความสำคัญต่อทั้งปริมาณผลผลิตและคุณภาพของน้ำผลไม้ ยังมีบทบาทในการเพิ่มสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพในน้ำผลไม้ ในบทนี้มุ่งให้ผู้อ่านเข้าใจบทบาทของเอนไซม์ในอุตสาหกรรมการผลิตน้ำผลไม้ และบทบาทของเอนไซม์ในการเพิ่มปริมาณสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพในน้ำผลไม้ เพื่อใช้พัฒนาคุณภาพน้ำผลไม้ และเพิ่มความสามารถในการแข่งขันในตลาด
5. เอนไซม์กับการผลิตอาหารที่มีกาบา
กรดแกมมาอะมิโนบิวทีริก (γ-Aminobutyric acid, GABA) หรือเรียกสั้นๆ ว่ากาบามีบทบาทสำคัญต่อการสะสมไนโตรเจน การเจริญของพืช เกี่ยวข้องกับระบบปกป้องพืชจากแมลงกินพืช ในสัตว์กาบามีหน้าที่เป็นตัวยับยั้งสารสื่อประสาท (inhibitory neurotransmitter) ตัวหลักในระบบประสาทส่วนกลาง อย่างไรก็ตามการบริโภคโดยตรงไม่มีผลต่อการเพิ่มขึ้นของกาบาในสมอง อาจเป็นไปได้ว่าสารตัวนี้ไม่สามารถผ่านตัวกลางกั้นหลอดเลือดกับสมอง (blood-brain barrier) และไม่สามารถเข้าสู่ระบบประสาทส่วนกลางได้ อย่างไรก็ตามการศึกษาทางคลินิกพบว่า การบริโภคกาบาหรือสารที่คล้ายกัน (analogues) มีผลดีหลายประการต่อสุขภาพ ได้แก่ ช่วยในการลดความดันโลหิตในสัตว์ทดลองและมนุษย์ที่มีความดันสูงปานกลาง ควบคุมอัตราการเต้นของหัวใจ มีผลในการยับยั้งการขยายตัวของเซลล์มะเร็ง กระตุ้นการตายของเซลล์มะเร็ง (apoptosis) อาหารที่มีกาบาปริมาณสูงใช้เป็นผลิตภัณฑ์อาหารเสริมและ/หรือนิวตราซู-ติคอล (dietary supplement and/or nutraceutical) ช่วยอาการนอนไม่หลับ (sleeplessness) ควบคุมความเครียดและอาการซึมเศร้า (depression and autonomic disorders) ช่วยการฟื้นตัวจากอาการติดแอลกอฮอล์เรื้อรัง (chronic alcohol-related symptoms) และช่วยกระตุ้นเซลล์ระบบภูมิคุ้มกัน (immune cells) บรรเทาอาการปวดและเหนื่อยล้า มีการศึกษาพบว่า ชาเขียวที่มีปริมาณกาบาสูงที่เตรียมที่สภาวะไม่มีอากาศ (anaerobic treatment) เช่น ชา Gabaron ของประเทศญี่ปุ่น สามารถรักษาความดันของหนูที่มีสภาวะความดันโลหิตสูงให้เป็นปกติ ดังนั้นกาบาจัดเป็นสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ ประโยชน์ของกาบาทำให้มีการพัฒนาอาหารฟังก์ชันที่มีปริมาณกาบาสูงอย่างต่อเนื่อง
6. การผลิตพรีไบโอติกจากวัตถุดิบอุตสาหกรรมเกษตรที่ไม่ใช่ใยอาหาร
บทบาทดั้งเดิมของอาหารคือให้คุณค่าทางโภชนาการ ในขณะที่อาหารฟังก์ชันให้ประโยชน์เฉพาะในด้านสุขภาพ พรีไบโอติกและโพรไบโอติก วิตามินและเกลือแร่เป็นส่วนประกอบในผลิตภัณฑ์อาหารฟังก์ชัน เช่น นมหมักและโยเกิร์ต เครื่องดื่มสำหรับนักกีฬา อาหารเด็ก ขนมและหมากฝรั่งปลอดน้ำตาล เป็นต้น พรีไบโอติกเติบโตอย่างรวดเร็วในตลาดอาหารเพื่อสุขภาพ ผลิตภัณฑ์นมหมักและโยเกิร์ตที่เสริมโพรไบโอ-ติกและพรีไบโอติกในส่วนผสมมีสัดส่วนที่สูงสุดในตลาดอาหารฟังก์ชัน (functional foods) นอกจากนี้โพรไบโอติกและพรีไบโอติกใช้หลักๆ ในเครื่องดื่มเพื่อสุขภาพ บาร์โภชนาการ อาหารเช้าธัญพืช เครื่องดื่ม ผลิตภัณฑ์เบเกอรี ผลิตภัณฑ์จากเนื้อสัตว์ ผลิตภัณฑ์ลดน้ำหนัก อาหารฉลากเขียว หรือกรีนฟูด (Green Food) อาหารสำหรับทารกและอาหารสัตว์เลี้ยง จากปัจจัยการเพิ่มขึ้นของโรคอ้วนและปัญหาสุขภาพที่เกี่ยวกับสุขภาพทางเดินอาหาร กระดูกและข้อต่อ ผลักดันให้ผู้บริโภคจำนวนมากมุ่งเน้นการบริโภคอาหารคาร์โบไฮเดรตต่ำ มีความสมดุล และดีต่อสุขภาพ จึงเป็นแรงขับเคลื่อนให้ผลิตภัณฑ์พรีไบโอติกเติบโตอย่างต่อเนื่อง
7. การผลิตพรีไบโอติกจากวัตถุดิบอุตสาหกรรมเกษตรประเภทใยอาหาร
การผลิตพรีไบโอติกจากวัตถุดิบอุตสาหกรรมเกษตรประเภทใยอาหาร อาศัยเอนไซม์กลุ่ม ไกลโคซิเดสซึ่งเร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสวัตถุดิบประเภทใยอาหารซึ่งเป็นคาร์โบไฮเดรตที่ไม่สามารถย่อยสลายได้ด้วยเอนไซม์ในร่างกายมนุษย์ พรีไบโอติกหลายชนิดผลิตโดยวิธีการนี้ เช่น ไคโตโอลิโกแซ็กคาไรด์ (chitooligosaccharides, COS) ซึ่งผลิตจากไคติน เพกทิกโอลิโกแซ็กคาไรด์ (pectic oligosaccharide) ซึ่งผลิตจากเพกทิน แมนโนโอลิโกแซ็กคาไรด์ (manno oligosaccharide, MOS) ซึ่งผลิตจากแมนแนนซึ่งได้จากวัตถุดิบเช่น กากมะพร้าว ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ (xylooligosaccharide, XOS) ซึ่งผลิตจาก ไซแลนซึ่งได้จากวัตถุดิบเช่น ซังข้าวโพด รำข้าว
คุณสมบัติที่เหมือนกันของใยอาหารและพรีไบโอติกคือไม่สามารถย่อยได้ด้วยเอนไซม์ในร่างกายมนุษย์ แต่สมบัติที่ทำให้ทั้งสองแตกต่างกันคือพรีไบโอติกถูกใช้โดยจุลินทรีย์ที่มีประโยชน์ในลำไส้ ซึ่งต่อมาส่งผลที่ดีต่อสุขภาพผู้บริโภค อย่างไรก็ตามใยอาหาร เช่น อินูลิน มีสมบัติเป็นพรีไบโอติก แต่ ใยอาหารหลายชนิด เช่น เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส เพกทิน ลิกนิน ไม่ใช่พรีไบโอติก
เอกสารอ้างอิง
ปราณี อ่านเปรื่อง. (2558). เอนไซม์ทางอาหาร (ฉบับสมบูรณ์). กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.
Pariza, M., & Foster, E. (1983). Determining the safety of enzymes used in food processing. Journal of Food Protection, 46, 453-468.
Poulsen , P. B., & Buchholz, K. (2003). History of enzymology with emphasis on food production. In J. R. Whitaker , A. G. Voragen , & D. W. Wong (Eds.), Handbook of Food Enzymology (pp. 11-20). New York : Marcel Dekker.
Smith, G. (2002). Lecture note: FST 123 An introduction to enzymology. Davis, CA: The Whiber Press.
Taylor , A., & Leach, R. (1995). Enzymes in the food industry. In G. Tucker, & L. Woods (Eds.), Enzymes in Food Processing (pp. 26-40). London: Blanckie Academic & Professional.
Whitaker , J., Bernhard , R., Ramirez, E., & Smith, G. (2001). Experiments for an introduction to enzymology. Davis, CA: The Whiber Press.
