تولید توده سلولی
در این فرآیندهای تخمیری خود میکروارگانیسم را نیاز داریم.
در تولید توده سلولی به جای متابولیت‌های تولیدی از میکروارگانیسم‌های مختلف خود میکروارگانیسم و افزایش میزان میکروارگانیسم را برای مصارف مختلف نیاز خواهیم داشت.
تولید مخمر نانوایی و تولید SCP از جمله کاربردهای تولید توده سلولی است.
تولید پروتئین تک یاخته Single cell protein
یکی از کاربردهای تولید زیست توده در صنایع تخمیری تولید پروتئین تک یاخته می‌باشد که کاربردغدایی در انسان، دام و طیور دارد.
تاریخچه کشت
تاریخچه کشت میکروارگانیسم‌های تک سلولی به عنوان منبع مستقیم غذا به اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادی برمی‌گردد.
اما طراحی و تولید پروتئین تک یاخته به عنوان منبع غذایی در سال ۱۹۶۶ توسط انستیتو تکنولوژی ماساچوست MIT انجام شد.
اساس تولید SCP
جهت رفع نیازهای غذایی نسل های آینده، توجه به منابع غذایی جدیدضروری به نظرمی رسد، یک منبع غذایی که ازنظرتغذیه ای کامل باشد و به حداقل فضا، زمان و هزینه برای تولیدنیازداشته باشد، بسیارمطلوب خواهدبود. SCPعلاوه برداشتن این معیارها،برروی انواع فاضلاب هاتولید می شود.
مزایاي SCP بر منابع پروتئینی گیاهی وحیوانی عبارت است از:
1. از آنجا که زمان تقسیم میکروارگانیسم ها بسیار کوتاه است ، قادرند افزایش توده وزنی سریعی رابه همراه داشته باشند.
2. میکروارگانیسم هابه سادگی قابلیت اصلاح ژنتیکی دارند،که ازاین امر می توان درتولید سلول هایی که نتایج مطلوب تری راحاصل می کنند، استفاده نمود.
3. مقدار پروتئین بالا است.
4. تولید SCP رامی توان به صورت کشت مداوم انجام داد و ازاین رو مستقل ازتغییرات محیطی (آب وهوا)می باشد.
ارگانیسم های مورد استفاده برای تولید SCP
تعدادزیادی ازجلبک ها، مخمرها، کپک ها و باکتری هابرای تولید SCP کاربرد دارند.
جلبک ها: گونه هایی از کلرلا و گونه هایی از سندسموس
مخمرها: انواع گونه هاي کاندیدا و دباریوماسیس
قارچهاي رشته اي: گونه هایی از آسپرژیلوس، آکاریکوس، فوزاریوم، پنی سیلیوم و ..
باکتری ها: گونه هایی از باسیلوس، گونه هایی از سلولوموناس، گونه هایی از نوکاردیا، گونه هایی از آئروموناس، و...
دربین این گروه ها، تاکنون مخمرها، بیشترموردتوجه قرارگرفته اند.
سوبسترا های تخمیر مورد استفاده برای تولید SCP
باکتریها، مخمرها، کپکها بر روي طیف وسیعی از مواد قادر به رشد می باشند، به عنوان مثال: فاضلاب کارخانه هاي مواد غذایی (کارخانه هاي پنیر، آبجوسازي، فرآوري سیب زمینی، کنسروسازي، فاضلابهاي قهوه)، فاضلابهاي صنعتی (پساب سولفیتی کارخانجات کاغذسازي و گازهاي سوختی) و ضایعات سلولزي (مثل باگاس، کاه حاصل از جو و ضایعات کاغذي)
منابع مختلف مناسب جهت بیوسنتز پروتئین تک یاخته
فرآیند های تولید پروتئین تک یاخته SCP
فرآیند بل Bel فرآیند سیمبا Symba فرآیند پکیلو pekilo
فرآیند بل Bel
اساس این فرآیند براساس مصرف لاکتوز آب پنیر می باشد، موفق ترین این فرآیندها توسط کارخانجات بل درفرانسه صورت گرفته است. فرآیند بل باهدف کاهش بارمیکروبی ضایعات صنایع لبنی و هم زمان تولید فرآورده های پروتئینی قابل فروش آغاز شد، تعدادی از کارخانه ها از Kluyveromyces lactis یاKluyveromyces marxianus جهت تولید نوعی پروتئین به نام پروتیبل(1) براي مصارف انسانی و دامی استفاده می کنند.
فرآیند سیمبا Symba
این فرآیند جهت تولید SCP براي غذاي دام از ضایعات سیب زمینی به کار می رود.
اما این فرآیند به تنهایی صرفه اقتصادی ندارد. دراین روش بخش مهم بستره موجود نشاسته می باشد و بسیاری ازمیکروب ها قادر به مصرف مستقیم آن نمی باشند. برای غلبه بر این مشکل ازدو میکروارگانیسم که به صورت همزیستی رشد می نمایند، استفاده می شود، این مخمرها saccharomycopsis fibuligeraکه تولید کننده آنزیم هاي هیدرولیتیک ضروري براي تجزیه نشاسته است به همراه candida utilis می باشند.
فرآیند پکیلو pekilo
این فرآیند در سال 1975 میلادی شروع به کار کرد.
اولین فرآیند پیوسته اي بود که براي قارچ هاي رشته اي به صورت تجاري به کار برده شد.
دراین فرآیندباید برمشکلات خاصی که به علت رفتارهای رئولوژیکی شبه پلاستیکی pseudoplastic کشت غوطه وری میسلیوم قارچ ها ایجاد می گردد و بخصوص برسرعت انتقال اکسیژن اثرمی گذارد، غلبه نمود.
این فرآیند در فنلاند براي بهره برداري از لیکورسولفیت مصرف شده که از فرآوري چوب به دست می آید و حاوي مونوساکاریدها و اسید استیک است، به کار می رود.
مراحل مختلف بیوسنتز پروتئین تک یاخته
بیوسنتز پروتئین های میکروبی شامل 3 مرحله اصلی است
آماده سازی محیط کشت
تخمیر
فرآیند بازیافت توده سلولی
بدون توجه به بستره كربني يا ميكروارگانيسم به كار رفته فرايند توليد SCP شامل مراحل يكسان زير مي باشد:
آماده سازي محيط كشت:
منبع اصلي كربن ممكن است قبل از مصرف نياز به تيمار اوليه فيزيكي يا شيميايي داشته باشد. بستره هاى پليمرى اغلب قبل از مخلوط شدن با منابع نيتروژن ، فسفر و مواد غذايي ضرورى ، هيدروليز مي شوند.
تخمير:
عمل تخمير ممكن است بصورت اسپتيك باشد يا بر اساس اهداف خاص به صورت به اصطلاح پاك انجام گيرد. عموما از تخمير هاى پيوسته استفاده شده و به منظور حداكثر بهره ورى از سيستم پيوسته ، معمولا اين نوع تخمير در حداكثر سرعت رشد ميكروارگانيسم انجام مي شود
جداسازي و فرايند های down stream:
سلول ها توسط فيلتراسيون يا سانتريفيوژ از محيط كشت مصرف شده جدا مي شوند وممكن است جهت كاهش مقدار اسيد هاى نوكلئيك ، به روى آن ها فراورى انجام شود.برر اساس نوع محيط كشت به كار رفته ،ممكن است مراحل ديگير مثل شستشو ، شكستن سلول ، استخراج پروتئين ، خالص سازى قبل از پاستوريزاسيون، آبگيرى و بسته بندى مورد نياز باشد.
كيفيت و ايمنی محصول
پروتئين تك ياخته بدليل دارا بودن مقدار زيادى پروتئين ، ويتامين ، چربي و تمام اسيد هاى آمينه ضرورى از ارزش غذايي بالايي برخوردار است. با اين حال در بسيارى از كشورها موانع فيزيولوژيك زيادى بر سر راه استفاده از ميكروارگانيسم به عنوان يك منبع غذايي وجود دارد
مقدار زياد نوكلئيك اسيد ميكروارگانيسم ها كه ميتواند براى سلامتي مضرباشد. چون هضم اسيد هاى نوكلئيك توسط انسان باعث تشكيل تركيبات پورين دار مي شود ، بالا بودن ميزان RNA مسئله ساز خواهد شد.
متابولسم بيشتر اين تركيبات منجر به بالا رفتن مقدار اسيد اوريك پلاسما مي گردد و از آنجا كه انسان آنزيم uricase ندارد اين ماده مي تواند در مفاصل كريستاليزه شده و باعث بروز مشكلاتي مانند نقرص يا تشكيل سنگ كليه شود.
بنابراين ميزان RNA ى نمونه بايد تا حد استاندارد كمتر از ٢ درصد كاهش يابد. براى كاهش مقدار اين تركيبات بايستي بوسيله يكي از روش هاى زير محتواى RNA محصول را كاهش داد:
1. فعال سازى آنزيم RNAase به كمك اعمال يك شوك حرارتي در دماى ٦٠ تا ٧٠ درجه سلسيوس براى ٢٠ دقيقه
2. هيدروليز قليايي اسيد هاى نوكلئيك
3. بهينه سازى محيط كشت
4. استخراج شيميايي اسيدهاى نوكلئيك
در خصوص حصول اطمينان و ايمني مصرف پروتئين تك ياخته بايد در نظر گرفت كه ممكن است تركيبات سمي مثل آفلاتوكسين توسط برخي سويه هاى قارچي و مايكوتوكسين توسط باكترى هاى گرم منفي توليد گردند.
همچنين توجه به هضم آهسته سلول هاى ميكروبي در دستگاه گوارش كه ممكن است موجب سوءهاضمه و واكنشهاى آلرژى زا شود، حائز اهميت است
پروتئينهاى تك ياخته در تغذيه انسان به طور غير مستقيم نقشي عمده را ايفا ميكند بدين صورت كه به عنوان منبع تغذيه ايي حيواناتي محسوب ميشود كه بعد توسط انسان مصرف خواهند شد.
SCP حاصل از جلبك
SCP هـاي توليـد شــــده از طريق ميكروارگـانيســـم جلبـكهـا حـاوي ٤٠ تـا ٦٠ درصــــد پروتئين، چربي، ويتامينهايB،C،D،A،E و در حدود ٧ درصـــد نمكهاي معدني، كلروفيل و فيبر هســـتند. همچنين اين نوع SCP ها داراي كمترين مقدار اسيدهاي نوكلئيك ميباشند.
تركيبات موجود در SCP حاصل از ميكروارگانيسمهاي مختلف
توليد SCP از احشاء تون ماهيان
تون ماهيان نيز از ديگر سوبستراهاي توليد پروتئين هاي تك سلولي ميباشد. ضايعات مربوط به اين خانواده حدود ٢٠ تا 25 درصد در نظر گرفته شده است. اگر ضايعات توليد شده بطور صحيح مديريت شده و پس از آماده سازي اوليه و هضم شيميايي و يا آنزيمي به يك بيو راكتور بيولوژيك هدايت گردد ميتوان محصولات متنوع با پايه ميكروبي توليد و با اهداف گوناگون نيز مورد استفاده قرار داد. اين پروتئين به عنوان ماده افزودني كاربرد فراواني در جيره غذايي دام، طيور و آبزيان دارد.
نتيجه گيری
سال هاى اخير پروتئين هاى ميكروبي بعنوان منبعي ارزان جهت تكميل نيازهاى ضرورى ، در مناطق خاصي از جهان كه توليد پروتئين از طريق محصولات كشاورزى امكانپذير نيست به حساب مي آيند. توليد SCP از پساب حاوى كربن دو هدف عمده را برآورده مي سازد : يكي اينكه باعث حذف آلودگي زيست محيطي مي شود و ديگر اينكه محصولي پروتئيني با قيمت ارزان، كيفيت مناسب و ارزش تغذيه اى بسيار بالا توليد مي شود. يكي از فاكتور هاى مهم در تعيين جايگاه اصلي پروتئين تك ياخته در رژيم غذايي انسان و حيوان هزينه توليد آن مي باشد . امروزه استفاده از ضايعات در توليد پروتئين تك ياخته رو به گسترش است. بيوسنتز پروتئين هاى ميكروبي شامل سه مرحله اصلي آماده سازى محيط كشت ، تخمير و فرايند هاى بازيافت و جداسازى توده سلولي مي باشد.
SCP محصولي است كه در اثر تخمير توسط فعاليت ميكروارگانيسم ها ى مختلف روى سوبستراهاى ارزان قيمت مثل پاليش برنج ، پساب هاى سولفيتي و ضايعات سلولزى حاصل از كارخانه كاغذ سازى ، ملاس ، باگاس نيشكر ، ضايعات صنايع لبني و غيره بدست مي آيد.
