بخشی از مقاله
چکیده
بعضی از میکروارگانیسمها به ویژه قارچها منبع بسیار خوبی برای تولید روغن تک یاخته میباشند. اخیرا این روغنها به علت دارا بودن دو ویژگی عملگرا بودن و مصرف به عنوان سوختهای زیستی بسیار مورد توجه هستند. بطور کلی در محیطهای نیتروژن محدود غنی از کربن، میکروب در جهت تولید روغن پیش میرود. البته هزینه زیاد سوبسترای لازم و همچنین واکنشهای تخمیری، مانع صنعتی شدن این فرآیندها میباشد؛ بنابراین اولین قدم در توسعهی صنعت تولید روغن تک یاخته، پیدا کردن سوبستراهای ارزان قیمت میباشد. از میان سوبستراها، سوبستراهای لیگنوسلولزی که تجدید پذیر بوده و در طبیعت به وفور وجود دارند، ماده خام ایدهآلی جهت تولید این روغنها میباشند. از موارد دیگر میتوان به گلیسرول، ملاس چغندر قند، نشاسته هیدرولیز شده، عصاره سورگوم شیرین هیدرولیز شده و آب پنیر اشاره کرد که وجه مشترک این موارد ارزان بودن و غنی بودن آنها از منبع کربن میباشد.
مقدمه
روغنهای میکروبی که لیپیدهای تولید شده به وسیله میکروارگانیسمها میباشند، در دهههای اخیر به خاطر عملکرد قابل ملاحظه و ویژگیهای خاص مورد توجه بسیاری از محققین بودهاند. بطور کلی میکروارگانیسمی روغنی یا تولیدکننده روغن نامیده میشود که قادر به تجمع لیپید در اندام خود به میزان بیش از %20 توده زیستی خشک خود - بطور متوسط20 تا 70 درصد - باشد. در یک میکروارگانیسم روغنی، زمانی لیپید شروع به انباشتن میکند که نیتروژن در محیط تمام شود اما هنوز یک منبع کربن مثل گلوکز موجود باشد که این مطلب در شکل 4-2 نمایش داده شده است.
تغییرات مواد مغذی محیط، توده زیستی و محتوی روغن ذخیره میکروب روغنی
در رابطه با کاربردهای روغنهای تولیدی باید به اسیدهای چرب سازنده آنها اشاره شود، چرا که جزء متغیر ساختار تریگلیسریدها اسیدهای چرب می-باشند و همگی آنها از نظر دارا بودن گلیسرول مشترک هستند. امروزه شواهد زیادی در مورد اثرات مثبت اسیدهای چرب چند غیر اشباع مانند گاما لینولنیک اسید - - GLA، آراشیدونیک اسید - - AA، دوکوزا هگزاونوئیک اسید - - DHA و ایکوزا پنتائنوئیک اسید - - EPA بر روی سلامت افراد وجود دارد 1]و.[10 به موازات تولید میکروبی این روغنها، بعضی میکروبها نیز گزینههای خوبی جهت تولید روغن مناسب بیودیزل میباشند؛ که با توجه به بالا بودن قیمت روغنهای کنونی مورد استفاده بعنوان بیودیزل، گروههای زیادی در صدد تولید روغنهای میکروبی برای جایگزینی منابع گیاهی سنتی هستند. کاملا روشن است که روغن تک یاخته در جهان امروز نقش بسیار مهمی بویژه به خاطر داشتن پتانسیل مناسب جهت حل بحران کنونی انرژی بازی میکند .[5]
بیوشیمی ذخیره روغن
بیشترین میزان تولید روغن مربوط به قارچها و تعدادی از جلبکها بوده و از این حیث باکتریها اهمیت زیادی ندارند. باکتریها عموما تری آسیل گلیسرول - - TAG تولید نمیکنند و به جای آن پلی بتا هیدروکسی بوتیرات - - PHB و آلکانوئیتها پلیمرهای ذخیرهای آنها هستند روغن تولیدی کپکها بعنوان سویههای یوکاریوت میکروارگانیسمها مشابه روغنهای گیاهی میباشد که عمدتا از پالمیتیک اسید و اسیدهای چرب 18 کربنه که در فرم تری گلیسرید استریفاید شدهاند تشکیل میشوند .[7]
برای قابلیت تولید روغن در یک میکروارگانیسم دو دلیل میتوان بیان کرد:
-1 توانایی تولید مستمر استیل کوآنزیم آ مستقیما در سیتوسل بعنوان پیشساز لازم برای سنتز اسید چرب -2 توانایی تولید NADPH کافی بعنوان عامل احیاکننده ضروری در سنتز اسید چرب تشکیل استیل کوآنزیم آ در میکروارگانیسمهای روغنی وابسته به حضور ATP , citrate liase است. زنجیره واکنشی که در اثر محدودیت نیتروژن باعث تشکیل استیل کوآنزیم آ میشود را میتوان بدین ترتیب بیان نمود که با کاهش میزان منبع ازت و در واقع افزایش نسبت کربن به ازت میزان فعالیت آنزیم AMP دآمیناز به پنج برابر فعالیت قبل از محدودیت رسیده که کاهش میزان AMP را در میتوکندری به دنبال دارد.
کاهش میزان AMP باعث توقف آنزیم ایزوسیترات دهیدروژناز شده که آن هم باعث تجمع ایزوسیترات و به تعادل رسیدن آن با اسید سیتریک میگردد. انباشته شدن سیترات در میتوکندری نیز باعث نشت آن به سیتوپلاسم شده و در سیتوپلاسم به استیل کوآنزیم آ و اگزالواستات تجزیه میشود. نهایتا اگزالواستات به مالات تبدیل شده و بخش استیل کوآنزیم آ در مسیر سنتز اسید چرب پیش میرود. این امر در شکل 2 نشان داده شده است 1]و.[7
بیوسنتز اسیدهای چرب
تولید روغن تک یاخته از پیش مادههای ارزان قیمت
الف - ملاس
مدت زیادی تخمیر روی قندهای متفاوتی انجام شده است. بطور کلی مواد ارزان قیمت حاوی قندهای متفاوت میتوانند جهت تولید روغن تک یاخته مورد استفاده قرار گیرند. ملاس چغندر قند یا نیشکر یک محصول جانبی صنعت است، که عمدتا حاوی فروکتوز، ساکارز و گلوکز میباشد؛ بنابراین ملاس میتواند بعنوان یک ماده خام ارزان قیمت ایدهآل جهت فرمولاسیون محیط کشت مورد استفاده قرار گیرد. اخیرا از ملاس به خاطر محتوی قند مناسب آن، بعنوان پیشساز تولید روغن برای میکروبهای روغنی استفاده شده است؛ البته میزان نیتروژن موجود در ملاس زیاد بوده و طبق مطالب یادشده در بخش مقدمه این امر در مسیر تولید روغن مطلوب نبوده و باید مورد توجه قرار گیرد .[15]
ب - مواد خام صنعت غذا
در بسیاری از محصولات جانبی صنعت غذا، قندهای مختلف قابل تخمیر وجود دارند که به جهت اهمیت بالای منبع کربن موجود در محیط برای تولید روغن، پیشساز مناسبی برای میکروارگانیسمهای روغنی میباشند. بعنوان مثال راندمان تولید آراشیدونیک اسید قارچ Mortierella alpine در محیط نشاسته هیدرولیزشده 1/47 گرم در لیتر میباشد .[14] از موارد دیگری که امکان استفاده بعنوان سوبسترا را دارند میتوان به ضایعات گوجه فرنگی، موز، روغن زیتون و... اشاره نمود. بعنوان مورد دیگر، از پسماند مونو سدیم گلوتامات جهت تولید روغن استفاده شده است که این روغن بعنوان پیشساز تولید بیودیزل بود. به خاطر پایین بودن میزان توده زیستی و نیز محتوی روغن، بهینه سازی اثر گلوکز و نیتروژن بر روی میزان روغن تولیدی صورت گرفته و این فرآیند به فرمانتور با ظرفیت 300 لیتر منتقل شد .[12]
ج - گلیسرول
گلیسرول بطور سنتی به وسیله تخمیر میکروبی و یا سنتز شیمیایی تولید شده است. در طول فرآیند تولید بیودیزل، روغن با متانول و کاتالیست قلیایی مخلوط شده و استرهای اسید چرب تولید میشوند؛ و در این فرآیند، گلیسرول اولین محصول جانبی میباشد. نهایتا اینکه مقدار زیادی گلیسرول در صنعت بیودیزل تولید میشود که گزینه ارزان و ایدهآلی جهت تخمیر میباشد که نقش گلیسرول بعنوان منبع کربن در بسیاری منابع ذکر شده است. بعنوان مثال از این ماده بعنوان پیشساز تولید روغن تک یاخته برای Yarrowia lipolitica استفاده شده است و همچنین تحقیقات گستردهتری در رابطه با تولید روغن تک یاخته، 1و-3 پروپان دی ال و اسید سیتریک بوسیله Mortierella isabellina صورت گرفته است .[6]
د - آب پنیر
آب پنیر، محصول جانبی صنعت غذا و در واقع پنیرسازی میباشد و آن به دلیل در دسترس بودن زیاد و میزان مواد مغذی مناسب بویژه منبع کربن - که در تولید روغن بسیار مهم است - یک پیشماده مناسب برای تولید روغن تک یاخته میباشد. در این رابطه نیز تحقیقات زیادی صورت گرفته است که بعنوان نمونه از آب پنیر بعنوان پیشساز تولید روغن برای Mortierella isabellina و سویههایی از قارچ موکور استفاده شده استکه نهایتا از این ماده، گاما لینولنیک اسید تولید شد. لاکتوز موجود، منبع کربن بوده و منبع ازت، پروتئینهای باقیمانده و ازت غیر پروتئینی میباشد .[9]
ه - مواد لیگنوسلولزی
بیش از نیم قرن است که مواد سلولزی بعنوان ماده خام دارای پتانسیل خوب جهت تولید سوختهای زیستی شناخته شدهاند و به دلیل در دسترس بودن زیاد این مواد، قیمت کمتر و نیز داشتن نقشهای رقابتی کمتر نسبت به سوبستراهای دیگر بسیار مورد توجه میباشند. در تحقیقات زیادی از انواع مختلف این مواد مانند کاه گندم، پوسته برنج، ضایعات ذرت و ... استفاده شده است؛ نکته حائز اهمیت در این رابطه پیچیده بودن ساختار شیمیایی این مواد میباشد که جهت مصرف توسط میکروارگانیسمها باید به نحوی به ترکیبات سادهتر تجزیه شوند.
تیمار اسیدی همراه با حرارت در بسیاری از موارد استفاده شده و پلیساکاریدهای مذکور از این طریق به قندهای ساده جهت مصرف میکروارگانیسم تبدیل شدهاند. در یک پژوهش با استفاده از اسید توام با حرارت، کاه برنج را هیدرولیز کرده و پس از سم زدایی و جداکردن مواد سمی حاصل از هیدرولیز، بعنوان پیشساز تولید روغن برای میکروب روغنی Trichosporon fermentans مورد استفاده قرار گرفت [3] در جدول 1 چند پژوهش بر روی سوبستراهای لیگنوسلولزی آمده است 2]و3و4و.[13
نتیجهگیری
بدون شک فروش روغن تک یاخته میتواند به خاطر عملکردهای مهمی که دارد بسیار جالب باشد. سوبستراهای معرفی شده مثالهایی در راستای کاهش هزینههای تولیدی بوده و هرکدام ویژگیهای خاص خود را دارند که از بین آنها به نظر میرسد که سوبستراهای لیگنوسلولزی به دلایلی که گفته شد گزینه مناسبی جهت تولید روغن میباشند. البته محدودیتهایی نیز مانند لزوم عملیات پیش تیمار و پس از آن عملیات تصفیه، در رابطه با استفاده از آنها وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرند.
همانند زیست پالاییهای دیگر، تولید روغن تک یاخته هم از سوبستراهای لیگنوسلولزی فرآیندی شیمیایی و بیولوژیکی میباشد. بنابراین برای صعتی کردن این فرآیند محققین باید بر روی فرآیند تجمع روغن توسط میکروارگانیسم و همچنین روشهای شیمیایی بطور ویژه هیدرولیز و فنآوریهای پیشتیمار تمرکز کنند. بعلاوه همکاری بین زیست شناسان و شیمیدانان در این رابطه ضروری به نظر میرسد.
