رویکردهایی در کاربرد بیوتکنولوژیکی پلیمرهای طبیعی
پلیمرهای طبیعی مانند صمغ و موسیلاژ، به مواد زیست سازگار، ارزان قیمت و غیرسمی با منشأ طبیعی گفته می شود که دسترسی به آنها نیز آسان است. این پلیمرها به دلیل خواص بالقوه ای که دارند، در مقایسه با مواد مصنوعی کاربردهای صنعتی مختلفی دارند و همچنین بعنوان جایگزین مناسبی برای مواد خام در نظر گرفته می شوند زیرا از پایداری، زیست تخریب پذیری و ایمنی زیستی برخوردار هستند. از طرفی، صمغ ها و موسیلاژها پلی ساکاریدها یا کوبوهیدرات های پیچیدۀ متشکل از یک یا چند مونوساکارید یا مشتقات آنها هستند که در انواع پیوندها و ساختارهای پیچیده به هم مرتبط هستند. صمغ های طبیعی پلی ساکاریدهایی هستند که به طور طبیعی در انواع دانه ها و ترشحات گیاهی، ترشحات درختان یا بوته ها، عصاره جلبک دریایی، قارچ ها، باکتری ها و منابع حیوانی وجود دارند. صمغ های محلول در آب که بعنوان هیدروکلوئیدها نیز شناخته می شوند، اگزودا محسوب می شوند و در دستۀ محصولات پاتولوژیک قرار دارند. بنابراین، آنها جزء دیواره سلولی نیستند. از طرفی، موسیلاژها بخشی از محصولات سلولی و فیزیولوژیکی هستند. لازم به ذکر است که صمغ ها نشان دهندۀ بیشترین مقدار مواد پلیمری مشتق شده از گیاهان هستند. همچنین، کاربردهای بسیار وسیعی در صنایع غذایی و غیر غذایی دارند و معمولآ بعنوان غلظت دهنده، امولسیفایر، تعلیق کننده و تثبیت کننده در صنایع دارویی و آرایشی استفاده می شوند. همچنین، به دلیل خواص ژلاتینه و قابلیت قالب گیری در فیلم های خوراکی در صنایع غذایی کاربرد دارند. استفاده از صمغ ها با توجه به خواص بالقوه آنها در مقایسه با پلیمرهای مصنوعی، ارزان تر است. برای بهبود خواص آنها، به اشکال مختلف من جمله نانومتریال برای کاربردهای مختلف بیوتکنولوژیکی پردازش می شوند. به این ترتیب، پلیمرهای طبیعی شامل سلولزها، گالاکتومانان ها، کتین، آگار، کاراگینان، آلژینات، صمغ بادام هندی، پکتین و نشاسته می شوند که علاوه بر تحقیقات فعلی در اینجا نیز بررسی شده اند.
پلیمرهای طبیعی موادی با منشأ طبیعی و خواص زیست سازگاری، هزینه کم، دسترسی آسان و عدم سمیّت هستند. این پلیمرها مانند صمغ ها و موسیلاژها، به دلیل خواص بالقوه ای که دارند نسبت به مواد مصنوعی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. علاوه براین، بعنوان منابع جایگزین مواد خام در کاربردهای صنعتی هم در نظر گرفته می شوند. صمغ ها پلی ساکاریدهایی هستند که توسط چندین واحد قند به هم متصل شده اند تا مولکول های بزرگ با ترکیب ناهمگن ایجاد کنند. پس از هیدرولیز، واحدهای قندی ساده مانند آرابینوز، گالاکتوز، گلوکز، مانوز، زایلوز یا اسیدهای اورونیک را تولید می کنند. صمغ های پلی ساکارید یکی از بیومتریال صنعتی است که به وفور یافت می شود و به دلیل پایداری، زیست تخریب پذیری و ایمنی زیستی در چندین پژوهش گزارش شده است. صمغ ها به وفور در طبیعت یافت می شوند و معمولآ در گیاهان خاصی یافت می شوند. علاوه براین، آنها بعنوان یک مکانیسم حفاظتی پس از آسیب گیاه تولید می شوند. علاوه بر صمغ ها، مواد تشکیل دهنده پلی ساکاریدها همچنین شامل موسیلاژها نیز می شود. صمغ ها و موسیلاژها از لحاظ منبع پلیمری طبیعی شان دارای تفاوت های خاصی هستند: صمغ ها به راحتی در آب حل می شوند، در حالی که موسیلاژها توده های چسبناکی را تشکیل می دهند؛ صمغ ها بعنوان محصولات پاتولوژیکی شناخته می شوند، در حالی که موسیلاژها فیزیولوژیکی هستند. علاوه براین، از لحاظ خواص فیزیکوشیمیایی نیز شباهت هایی با هم دارند که کاربرد آنها را در صنایع آرایشی، کاغذ سازی، داروسازی، نساجی، چسب، جوهر، لیتوگرافی، رنگ، مواد منفجره و دخانیات افزایش می دهد. برای اجتناب از تفاسیر اشتباه، بایستی اصطلاحات ذکر شده در بالا را به درستی از هم تشخیص داد. موسیلاژ یک ترکیب پلی ساکارید است که معمولآ در اندام های مختلف از گونه های گیاهی مختلف یافت می شود. همچنین موسیلاژها به دلیل تنوع بالای ترکیبات شیمیایی، احتمالآ عملکردهای فیزیولوژیکی را در گیاهان موجب می شوند.
موسیلاژهای موجود در ریزوم ها، ریشه ها و اندوسپرم های بذر ممکن است عمدتآ بعنوان ذخایر انرژی عمل کنند، در حالی که موسیلاژهای برگی ممکن است کربوهیدرات ها را ذخیره نکنند. به طور کلی، فرض بر این است که موسیلاژهای برگی صرفآ متابولیت های گیاهی ثانویه هستند اما همچنین گزارش شده است که ممکن است در واکنش های زخم، تحمل یخبندان، انتقال آب، برهمکنش های گیاه میزبان و پاتوژن، تعادل یونی در سلول های گیاهی یا بعنوان ذخایر کربوهیدرات نقش مهمی ایفا کنند. شواهد رو به رشدی وجود دارد که به دلیل غلظت بالای گروه های هیدروکسیل در پلی ساکاریدها، موسیلاژهای خارج سلولی به خوبی آب دوست بوده و ممکن است نقش مهمی در مقاومت به خشکی برخی گونه های گیاهی خاص ایفا کنند. صمغ طبیعی اصطلاحی است که برای توصیف گروهی از پلی ساکاریدهای طبیعی استفاده می شود. آنها در فرایند ژلاتینه، ساخت محلول ویسکوز یا تثبیت سیستم های امولسیونی کاربردهای صنعتی گسترده ای دارند. صمغ های محلول در آب بعنوان هیدروکلوئید هم شناخته می شوند که کاربردهای مختلفی دارند من جمله فیبرهای غذایی، اصلاح کننده های بافت، تثبیت کننده/ امولسیفایر، عوامل ژلاتینه، غلظت دهنده و فیلم های بسته بندی. بسیاری از صمغ های طبیعی شبکه های مولکولی به هم پیوستۀ سه بعدی به نام "ژل" را تشکیل می دهند. قدرت ژل به ساختار، غلظت، دما، pH و فدرت یونی بستگی دارد. پلی ساکاریدهای خطی حجم بیشتری نسبت به پلیمرهای شاخه ای با وزن مولکولی قابل مقایسه اشغال می کنند. با این حال، پلی ساکاریدهای خطی در غلظت یکسان ویسکوزیته بیشتری از خود نشان می دهند. بنابراین، حرکت مولکولی ناهمگن صمغ بدون در هم تنیدگی با یگدیگر دشوار است. علاوه براین، صمغ های طبیعی اغلب با خاصیت متورم شدن شناخته می شوند که به دلیل جذب حجم زیادی از آب بین زنجیره ها و شاخه های آنها رخ می دهد. سلولز، کتین، آگار و نشاسته رایج ترین پلی ساکاریدهایی هستند که در صنعت استفاده می شوند. با توجه به کاربرد گسترده آنها، تمایل به استفاده از آنها در مقایسه با مواد مصنوعی میتواند به دلیل خواصی همچون عدم سمیّت، کم هزینه بودن و دسترسی آسان به آنها باشد. برای مثال، بیشتر صمغ های طبیعی برای مصرف خورکی در قالب افزودنی های خوراکی یا حامل های دارویی مناسب و ایمن هستند. علاوه براین، سنتز پلیمرهای طبیعی بعنوان نانومتریال به دلیل سطح گسترده ای که دارند، علاوه بر خواص ذاتی ذکر شده در بالا، کاربرد صنعتی آنها را افزایش می دهد. این مقاله به بررسی بسیاری از مقالات اخیر می پردازد که پلیمرهای طبیعی همچون صمغ های طبیعی و موسیلاژها را همراه با کاربردهای بیوتکنولوژیکی بالقوۀ آنها مورد مطالعه قرار داده اند. با این حال، ما در اینجا شاختار شیمیایی، خواص فیزیکو شیمیاییو عملکردی آنها را بطور خلاصه ارائه می دهیم.
هدف از این بررسی، بررسی برخی از مقالات علمی اخیر در زمینه پلیمرهای طبیعی، ساختار شیمیایی آنها، خواص عملکردی و فیزیکوشیمیایی آنها، علاوه بر عملکرد بیوتکنولوژیکی آنها است. در مقایسه با مواد مصنوعی، صمغ های طبیعی از خواصی همچون غیر سمی بودن، هزینه کم، در دسترس بودن، زیست تخریب پذیری و ایمنی زیستی برخوردار هستند. استفاده از نانو ابزارها برای پردازش این پلیمرها، مشتقات یا ترکیبات آنها به دلیل استفاده از نانومواد با منشأ طبیعی در زمینه صنعتی مطرح شده است زیرا استفاده از این مواد خطرات زیست محیطی را کاهش می دهد.
