در تولید زیست توده سلولی یا همان Cellular biomass production، به جای تمرکز بر تولید متابولیتها از میکروارگانیسمهای مختلف، خود میکروارگانیسمها و افزایش تعداد آنها برای کاربردهای گوناگون مورد نیاز است. از جمله کاربردهای تولید زیست توده سلولی میتوان به تولید مخمر نانوایی «Baker’s yeast» و تولید پروتئین تکیاخته «Single Cell Protein» اشاره کرد. در این مقاله قصد داریم شما را با دنیای جذاب زیست توده سلولی آشنا کنیم، پس در ادامه با ما همراه باشید.
مقدمه
در فرآیندهای تخمیری مرتبط با زیست توده سلولی، به جای تولید متابولیتها، تمرکز بر روی خود میکروارگانیسمها و افزایش میزان آنها برای کاربردهای مختلف است. یکی از اصلی ترین شناخته کاربردهای زیست توده سلولی، تولید مخمر نانوایی و پروتئین تکیاخته «SCP» است که نقش مهمی در صنایع غذایی دارد.
در این مقاله از مجموعه مقالات مجله پی استور در رابطه با تولید زیست توده در صنعت میکروبویولوژی به صورت کامل پرداخته شده که شما با مطالعه آن میتوانید به جواب سوالات خود در این زمینه برسید.
پروتئین تکیاخته
تولید پروتئین تکیاخته یکی از کاربردهای اصلی زیست توده سلولی در صنایع تخمیری محسوب میشود. این پروتئین به عنوان منبع غذایی برای انسان، دام و طیور مورد استفاده قرار میگیرد.
مخمر نانوایی
تولید مخمر نانوایی یکی از کاربردهای مهم زیستفناوری صنعتی در میکروبیولوژی است. مخمر نانوایی معمولاً از گونه Saccharomyces cerevisiae تولید میشود و نقش اصلی آن در فرآیند تخمیر برای تولید گاز دیاکسید کربن است که باعث پف کردن و حجم دادن به خمیر نان میشود.
مراحل تولید مخمر نانوایی:
۱- کشت اولیه «Starter Culture»: در این مرحله، یک محیط کشت غنی از مواد مغذی تهیه میشود تا مخمر به سرعت تکثیر یابد. معمولاً مواد قندی مانند ملاس (محصول جانبی فرآوری شکر) بهعنوان منبع انرژی استفاده میشود.
۲- تخمیر در مقیاس بزرگ «Large scale fermentation»: مخمر در بیوراکتورهای صنعتی در شرایط بهینه رشد داده میشود. پارامترهای مهمی مانند دما، pH، غلظت اکسیژن و مواد مغذی بهدقت کنترل میشوند. در این مرحله، سلولهای مخمر رشد کرده و زیستتوده سلولی افزایش مییابد.
۳- جمعآوری و غلیظسازی «Collection and concentration»: پس از رسیدن به تراکم مناسب، مخمرها از محیط تخمیر جدا شده و تحت فرآیندهایی مانند سانتریفیوژ غلیظ میشوند.
۴- فرمولهسازی و بستهبندی «Formulation and packaging»: مخمر تولید شده به اشکال مختلف (مانند مخمر تازه، خشک یا فوری) فرآوری شده و برای استفاده در صنایع غذایی بستهبندی میشود.
تاریخچه کشت زیست توده سلولی
کشت زیست توده سلولی به عنوان یکی از فناوریهای زیستی برای تولید پروتئین و مواد مغذی از میکروارگانیسمها، سابقهای طولانی دارد که ریشههای آن به اوایل قرن بیستم میلادی بازمیگردد.
آغاز کاربرد میکروارگانیسمها
اولین تلاشها برای استفاده از میکروارگانیسمهای تکسلولی در تغذیه به اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادی برمیگردد. در آن زمان، پژوهشگران متوجه شدند که برخی میکروارگانیسمها توانایی بالایی در تولید توده زیستی با ارزش غذایی بالا دارند.
دوره جنگ جهانی دوم
در طول جنگ جهانی دوم، کمبود منابع غذایی، نیاز به جایگزینهای غذایی را افزایش داد. در این دوره، تحقیقات گستردهای برای استفاده از مخمرها و جلبکها به عنوان منبع غذایی انجام شد.
دهه ۱۹۶۰ و تولید پروتئین تکسلولی «SCP»
نقطه عطف در تاریخچه کشت زیست توده سلولی در سال ۱۹۶۶ رخ داد، زمانی که مؤسسه فناوری ماساچوست «MIT» فرآیند تولید پروتئین تکسلولی «SCP» را به عنوان یک منبع غذایی جدید طراحی و اجرا کرد. در این دوره، توجه ویژهای به استفاده از ضایعات صنعتی و کشاورزی برای رشد میکروارگانیسمها شد.
تحولات صنعتی و توسعه فناوری
از دهه ۱۹۷۰ به بعد، استفاده از زیست توده سلولی در صنایع مختلف گسترش یافت. در این دوره، فرآیندهای صنعتی مانند تولید SCP از فاضلابهای صنعتی و کشاورزی، کاربردهای زیستمحیطی گستردهای یافتند. همچنین، تولید زیستتوده از قارچها و مخمرها برای صنایع دامپروری، آبزیپروری و تغذیه انسانی به صورت تجاری توسعه یافت.
تحقیقات مدرن
در دهههای اخیر، با پیشرفتهای زیستفناوری و مهندسی ژنتیک، میکروارگانیسمهای مهندسیشده با بهرهوری بالاتر برای تولید زیست توده سلولی معرفی شدند. این فناوریها امکان استفاده از سوبستراهای جدید و کاهش هزینههای تولید را فراهم کردند.
امروزه زیست توده سلولی یکی از بخشهای کلیدی در تولید پایدار منابع غذایی، انرژی و دارو محسوب میشود. این فناوری در رفع چالشهای مرتبط با امنیت غذایی و محیطزیست نقش بسیار مهمی ایفا میکند.
اساس تولید پروتئین تکیاخته «SCP»
با توجه به نیازهای غذایی نسلهای آینده، توسعه منابع جدید غذایی ضروری است. SCP به دلیل دارا بودن ارزش تغذیهای بالا، نیاز به فضای کم، هزینه پایین تولید، و امکان رشد بر روی انواع فاضلابها، گزینهای بسیار مناسب به شمار میرود.
مزایای زیست توده سلولی و SCP در مقایسه با منابع پروتئینی گیاهی و حیوانی
- زمان تقسیم سریع میکروارگانیسمها باعث افزایش سریع توده زیستی میشود.
- قابلیت اصلاح ژنتیکی میکروارگانیسمها امکان تولید سلولهای با ویژگیهای مطلوبتر را فراهم میکند.
- پروتئین تولیدی در این فرآیندها از مقدار بسیار بالایی برخوردار است.
- امکان تولید مداوم SCP وجود دارد که مستقل از شرایط محیطی مانند آبوهوا است.
میکروارگانیسمهای مورد استفاده در تولید زیست توده سلولی و SCP
- جلبکها: گونههایی از کلرلا «Chlorella» و سندسموس «Cenedesmus».
- مخمرها: گونههای کاندیدا «Candida» و دباریومایسس «Debaryomyces».
- قارچهای رشتهای: گونههایی از آسپرژیلوس «Aspergillus»، آگاریکوس «Agaricus»، فوزاریوم «Fusarium» و پنیسیلیوم «Penicillium».
- باکتریها: گونههایی از باسیلوس «Bacillus»، سلولوموناس «Solomonas»، نوکاردیا «Nocardia» و آئروموناس «Aeromonas».
در میان این گروهها، مخمرها بیشترین توجه را به خود جلب کردهاند.
سوبستراهای مورد استفاده در تولید زیست توده سلولی و SCP
باکتریها، مخمرها و کپکها قادرند بر روی طیف وسیعی از مواد رشد کنند. این مواد شامل فاضلاب کارخانههای مواد غذایی (مانند کارخانههای پنیرسازی، فرآوری سیبزمینی، و کنسروسازی)، فاضلابهای صنعتی (مانند پساب سولفیتی کاغذسازی و گازهای سوختی)، و ضایعات سلولزی (مانند باگاس و کاه جو) است.
منابع مناسب برای بیوسنتز پروتئین تکیاخته
استفاده از منابع ارزان و فراوان مانند فاضلابها و ضایعات سلولزی برای تولید زیست توده سلولی و پروتئین تکیاخته، گزینهای اقتصادی و پایدار برای تأمین نیازهای غذایی آینده محسوب میشود.
فرآیندهای تولید پروتئین تکیاخته «SCP»
تولید پروتئین تکیاخته از فرآیندهای مختلفی بهره میبرد که هر یک با استفاده از سوبستراهای خاص، هدف اصلی خود را در تولید زیست توده سلولی دنبال میکنند. سه نمونه از فرآیندهای شناختهشده شامل فرآیند بل «Bel)، فرآیند سیمبا «Symba» و فرآیند پکیلو «Pekilo» هستند.
فرآیند بل «Bel»
فرآیند بل «BL» در زیستتوده سلولی، اشاره به روشی دارد که طی آن اجزای مختلف زیستتوده مانند کربوهیدراتها، پروتئینها و چربیها تجزیه یا پردازش میشوند تا ترکیباتی قابل استفاده برای تولید انرژی، مواد شیمیایی، یا محصولات زیستی تولید شود. این فرآیند میتواند شامل مراحل مکانیکی، شیمیایی، زیستی یا ترکیبی از اینها باشد. این فرآیند بر پایه مصرف لاکتوز موجود در آب پنیر طراحی شده است و یکی از موفقترین نمونههای آن توسط کارخانههای بل در فرانسه اجرا شده است. هدف اصلی فرآیند بل، کاهش بار میکروبی ضایعات صنایع لبنی همراه با تولید محصولات پروتئینی قابل فروش بود.
در این روش، از مخمرهایی مانند Kluyveromyces lactis یا Kluyveromyces marxianus برای تولید پروتئینی به نام پروتیبل یا Protibel استفاده میشود که در صنایع غذایی برای مصارف انسانی و دامی کاربرد دارد.
به طور کلی، این فرآیندها به دستههای زیر تقسیم میشوند:
۱- تجزیه زیستی (بیولوژیکی)
- از آنزیمها یا میکروارگانیسمها (مانند باکتریها، قارچها) برای شکستن ترکیبات زیستتوده استفاده میشود.
- نمونه: تخمیر زیستی که از زیستتوده قندی برای تولید اتانول یا اسیدهای آلی استفاده میکند.
۲- تجزیه شیمیایی
- استفاده از مواد شیمیایی یا شرایط خاص مانند اسیدها، بازها یا حلالها برای جداسازی اجزای زیستتوده.
- نمونه: هیدرولیز اسیدی که ساختارهای سلولزی یا همیسلولزی را به قندهای سادهتر تجزیه میکند.
۳- فرآیندهای مکانیکی و فیزیکی
- زیستتوده به روشهای مکانیکی مانند آسیاب کردن یا اکسترود کردن برای دسترسی بهتر به اجزای درونی آن آمادهسازی میشود.
- نمونه: خرد کردن و آسیاب زیستتوده برای افزایش سطح تماس با آنزیمها.
۴- حرارتی (پیرولیز و گازسازی)
- در دماهای بالا زیستتوده به ترکیبات کوچکتر تجزیه میشود که میتوان از آنها به عنوان سوخت یا مواد شیمیایی استفاده کرد.
- نمونه: پیرولیز برای تولید گاز سنتزی یا بیوچار.
۵- تجزیه سلولزی
- سلولز موجود در دیواره سلولی زیستتوده به قندهای قابل تخمیر تبدیل میشود.
- این مرحله معمولاً توسط آنزیمهایی مانند سلولاز انجام میشود.
کاربردهای فرآیند بل در زیستتوده:
- تولید سوختهای زیستی مانند بیواتانول، بیودیزل، یا بیوگاز.
- تولید مواد شیمیایی زیستی مانند اسیدهای آلی (اسید لاکتیک، اسید استیک).
- تولید محصولات با ارزش مانند پلیمرهای زیستی، خوراک دام، یا کودهای زیستی.
در مجموع، فرآیند بل یکی از اجزای کلیدی فناوریهای زیستی برای بهرهبرداری از زیستتوده در صنایع پایدار و سبز است.
فرآیند سیمبا «Symba»
فرآیند سیمبا به منظور تولید SCP از ضایعات سیبزمینی طراحی شده است و بیشتر در تغذیه دام به کار میرود. با این حال، این فرآیند به تنهایی صرفه اقتصادی چندانی ندارد.
مشکل اصلی در این روش، وجود نشاسته به عنوان جزء اصلی بستر است که بسیاری از میکروارگانیسمها قادر به مصرف مستقیم آن نیستند. برای حل این مشکل، از دو نوع میکروارگانیسم که به صورت همزیستی رشد میکنند، استفاده میشود:
- Saccharomycopsis fibuligera: تولیدکننده آنزیمهای هیدرولیتیکی ضروری برای تجزیه نشاسته.
- Candida utilis: استفادهکننده نهایی از مواد تجزیهشده و تولیدکننده زیست توده سلولی.
هر یک از این فرآیندها با استفاده از میکروارگانیسمهای خاص و سوبستراهای ضایعاتی، به تولید پروتئین تکیاخته کمک میکنند که در نهایت در صنایع غذایی، دامپروری و کاهش ضایعات صنعتی نقش مهمی ایفا میکند.
فرآیند پکیلو «Pekilo»
فرآیند پکیلو در سال ۱۹۷۵ میلادی آغاز به کار کرد و به عنوان اولین فرآیند پیوسته که به صورت تجاری برای قارچهای رشتهای به کار گرفته شد، شناخته میشود.
در این فرآیند، یکی از چالشهای اصلی، غلبه بر مشکلات رئولوژیکی شبهپلاستیکی «Pseudoplastic» است که در کشت غوطهوری میسلیوم قارچها ایجاد میشود. این ویژگیها به طور خاص بر سرعت انتقال اکسیژن اثر میگذارند و نیاز به مدیریت دقیق دارند.
این فرآیند عمدتاً در فنلاند توسعه یافت و برای استفاده از لیکور سولفیت حاصل از فرآوری چوب به کار گرفته شد. لیکور سولفیت حاوی مونوساکاریدها و اسید استیک است که به عنوان بستر تغذیهای مناسب برای تولید پروتئین تکیاخته مورد استفاده قرار میگیرد.
فرآیند پکیلو یکی از نمونههای موفق تولید پروتئین تکیاخته با استفاده از منابع تجدیدپذیر است که در مدیریت ضایعات صنعتی و تأمین نیازهای غذایی نقش مهمی ایفا میکند. مراحل اصلی بیوسنتز SCP، چارچوبی برای دستیابی به تولید پایدار و مقرونبهصرفه فراهم میآورد.
کیفیت و ایمنی محصول
پروتئین تکیاخته دارای مقادیر بالای پروتئین، ویتامینها، چربی و تمام اسیدهای آمینه ضروری است که آن را به منبعی ارزشمند تبدیل میکند. اما استفاده از SCP به عنوان منبع غذایی با چالشهای زیر مواجه است:
۱- محتوای بالای اسیدهای نوکلئیک
- هضم اسیدهای نوکلئیک توسط انسان منجر به تشکیل پورینها و افزایش اسید اوریک در پلاسما میشود.
- تجمع اسید اوریک در بدن ممکن است باعث بروز مشکلاتی مانند نقرس و تشکیل سنگ کلیه شود.
- بنابراین، محتوای RNA باید به کمتر از ۲ درصد کاهش یابد.
روشهای کاهش RNA در محصول
-
- اعمال شوک حرارتی در دمای ۶۰ تا ۷۰ درجه سلسیوس به مدت ۲۰ دقیقه برای فعالسازی آنزیم RNAase.
- هیدرولیز قلیایی اسیدهای نوکلئیک.
- بهینهسازی محیط کشت.
- استخراج شیمیایی اسیدهای نوکلئیک.
۲- سمیت و مشکلات گوارشی
-
-
- برخی سویههای قارچی ممکن است آفلاتوکسین تولید کنند، یا باکتریهای گرممنفی ممکن است مایکوتوکسین ایجاد نمایند.
- هضم آهسته سلولهای میکروبی میتواند موجب سوءهاضمه و واکنشهای آلرژیک شود.
-
Single Cell Protein یا پروتئین تکسلولی حاصل از جلبکها
پروتئین تکسلولی (SCP) یک منبع پروتئین است که از موجودات میکروسکوپی مانند باکتریها، قارچها، مخمرها، و جلبکها تولید میشود. SCP حاصل از جلبکها یکی از روشهای نوین و پایدار برای تولید پروتئین است که میتواند در تأمین غذای انسان، دام و آبزیان نقش مهمی داشته باشد.
پروتئینهای تکیاخته تولیدشده از جلبکها معمولاً حاوی ۴۰ تا ۶۰ درصد پروتئین، چربی، ویتامینهای A، B، C، D و E، حدود ۷ درصد نمکهای معدنی، کلروفیل و فیبر هستند. همچنین این نوع SCP دارای مقادیر بسیار کمتری از اسیدهای نوکلئیک است که آن را به منبعی سالمتر تبدیل میکند.
مزایای تولید SCP از جلبکها
۱- منبع پروتئین پایدار و تجدیدپذیر
جلبکها به سرعت رشد میکنند و میتوانند مقدار قابلتوجهی پروتئین تولید کنند. این ویژگی بهویژه در مقایسه با منابع سنتی پروتئین مانند گوشت و سویا بسیار کارآمد است.
۲- استفاده از منابع طبیعی در دسترس
جلبکها میتوانند در محیطهای متنوعی مانند آبهای شور، فاضلاب یا زمینهای نامناسب برای کشاورزی رشد کنند. این موضوع فشار بر منابع خاک و آب شیرین را کاهش میدهد.
۳- بازدهی بالا
تولید SCP از جلبکها به دلیل نرخ رشد بالای جلبکها (بهویژه میکروجلبکها) بهینهتر است. در مقایسه با محصولات کشاورزی، جلبکها به سطح کمتری از زمین نیاز دارند.
۴- حفظ محیطزیست
جلبکها دیاکسیدکربن را جذب میکنند و در کاهش گازهای گلخانهای نقش دارند. همچنین، میتوان از فاضلابها و پسابها بهعنوان منبع مواد مغذی برای رشد جلبکها استفاده کرد.
فرآیند تولید SCP از جلبکها
۱- انتخاب گونه جلبک مناسب
گونههایی مانند اسپیرولینا «Spirulina» و کلرلا «Chlorella» از متداولترین جلبکها برای تولید SCP هستند، زیرا میزان پروتئین بالایی دارند و رشد آنها سریع است.
۲- کشت جلبکها
جلبکها در محیطهای کشت خاصی پرورش داده میشوند که شامل منابع نیتروژن، فسفر، کربن و سایر مواد مغذی هستند. این محیطها میتوانند در استخرهای باز یا سیستمهای بیوراکتور انجام شوند.
منبع اصلی کربن ممکن است قبل از مصرف نیاز به تیمار اولیه فیزیکی یا شیمیایی داشته باشد.
بسترهای پلیمری اغلب قبل از مخلوط شدن با منابع نیتروژن، فسفر و مواد غذایی ضروری، هیدرولیز میشوند.
۳- تخمیر
عمل تخمیر میتواند به صورت استریل (آسپتیک) یا در برخی موارد به صورت فرآیندهای پاک یا Clean Processes اجرا شود.
معمولاً از تخمیرهای پیوسته استفاده میشود و برای حداکثر بهرهوری، فرآیند در بالاترین سرعت رشد میکروارگانیسمها انجام میشود.
۴- جداسازی و فرآیندهای Downstream
سلولها از محیط کشت جدا میشوند (از طریق فیلتراسیون یا سانتریفیوژ).
برای کاهش میزان اسیدهای نوکلئیک، فرآوریهای ویژهای روی توده سلولی انجام میشود.
بسته به نوع محیط کشت، ممکن است مراحلی نظیر شستشو، شکستن سلول، استخراج پروتئین، خالصسازی، پاستوریزاسیون، آبگیری و بستهبندی نیز انجام شود.
کاربردهای SCP جلبکها
۱- غذای انسان
بهعنوان مکمل غذایی یا جایگزین پروتئین در رژیمهای گیاهخواری و محصولات غذایی نوین مانند همبرگرهای گیاهی استفاده میشود.
۲- خوراک دام و طیور
SCP بهعنوان منبع پروتئینی غنی برای دام، طیور و آبزیان استفاده میشود.
۳- صنایع دارویی و مکملها
جلبکها حاوی مواد مغذی دیگری مانند ویتامینها، مواد معدنی و اسیدهای چرب ضروری هستند که میتوانند در تولید مکملهای غذایی و دارویی استفاده شوند.
چالشهای تولید SCP از جلبکها
۱- هزینه تولید بالا
فرآیند کشت، برداشت و فرآوری جلبکها به تجهیزات پیشرفته نیاز دارد که هزینهبر است.
۲- طعم و پذیرش مصرفکننده
برخی از محصولات جلبکی ممکن است طعم و بوی خاصی داشته باشند که برای برخی مصرفکنندگان جذاب نیست.
۳- مسائل فنی و زیستی
رشد جلبکها ممکن است تحت تأثیر عوامل محیطی مانند نور، دما و کیفیت آب قرار بگیرد.
با وجود این چالشها، پیشرفتهای فناوری و افزایش تقاضا برای منابع پروتئینی پایدار، تولید SCP از جلبکها را به گزینهای جذاب و اقتصادی تبدیل کرده است
تولید SCP از احشاء تون ماهیان
احشاء و ضایعات تون ماهیان که حدود ۲۰ تا ۲۵ درصد از وزن این ماهیان را تشکیل میدهند، میتوانند به عنوان بستر تولید SCP مورد استفاده قرار گیرند. با مدیریت صحیح ضایعات و استفاده از فرآیندهایی نظیر هضم شیمیایی یا آنزیمی در بیورآکتورها، محصولات پروتئینی متنوعی تولید میشود که بهعنوان ماده افزودنی در جیره غذایی دام، طیور و آبزیان کاربرد دارند.
نتیجهگیری
پروتئینهای میکروبی «SCP» در سالهای اخیر بهعنوان منبعی ارزانقیمت و مغذی، بهویژه در مناطقی که امکان تولید پروتئین کشاورزی محدود است، مورد توجه قرار گرفتهاند.
تولید SCP از پسابهای حاوی کربن دو مزیت اصلی دارد:
- کاهش آلودگی زیستمحیطی.
- تولید پروتئین ارزان و باکیفیت برای تغذیه انسان و حیوان.
پروتئینهای تکیاخته از تخمیر میکروارگانیسمها روی بسترهایی نظیر ملاس، باگاس نیشکر، ضایعات صنایع لبنی، پسماند کارخانههای کاغذسازی و سایر منابع ارزان تولید میشوند. به همین دلیل، استفاده از این فناوری بهطور مداوم در حال گسترش است و نقش مهمی در رفع نیازهای غذایی آینده ایفا میکند. اگر علاقهمند به یادگیری بیشتر در این زمینه هستید، توصیه میکنیم به ویدیو آموزشی ما با نام دوره آموزشی میکروبیولوژی مواد غذایی که در سایت ما قرار دارد مراجعه نمایید.