واژه های کلیدی: پروتئین تک یاخته، باگاس نیشکر، تخمیر حالت جامد، بیورآکتور سینی دار، اسیدهای آمینه فصل اول مقدمه ۱-۱- مقدمهامروزه در جهان كمبود مواد غذايي به خصوص در کشورهای جهان سوم، مسئله بسيار مهمي است و اكثر جوامع به نوعي در پي يافتن راهي براي حل اين مشكل هستند. با افزايش جمعيت جهان، روز به روز نياز به مواد غذايي به ويژه مواد پروتئيني افزايش مي يابد. در کشورهایی که به نوعی فقیر محسوب می شوند افزایش جمعیت، مردم را به سوی گرسنگی و سوء تغذیه شدید سوق می دهد ]۱.[از آنجایی که پروتئين ها در کنار کربوهیدرات ها و چربی ها سه گروه اصلی مواد غذایی را تشکیل می دهند پیدا کردن منابع گوناگون وجدید آن ها بستر مناسبی را برای پژوهش در این زمینه فراهم کرده است. ناکافی بودن منابع پروتئینی سنتی نظیر گوشت و ماهی و تخم مرغ نسبت به رشد جمعیت دانشمندان را بر آن داشت که در جستجوي منابع ارزان قيمت پروتئين براي مردم باشند. از سوی دیگر افزایش نگرانی در مورد آلودگی ناشی از ضایعات کشاورزی و صنعتی و تلاش برای تبدیل مواد زائد به محصولات با ارزش تجاری بالا نیز در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است ]۲[. میکروارگانیسم ها نظیر مخمرها و باکتری ها هزاران سال است در غذاهای خانگی انسان ها استفاده می شوند. در دهه های اخیر روش های جدیدی برای استفاده محصولات تخمیری میکروبی در غذای انسان و خوراک حیوانات توسعه یافته است ]۳[. با توجه به کمبود منابع پروتئینی از یک طرف، و مقدار بالای پروتئین سلول های میکروبی از طرف دیگر، استفاده از منابع پروتئین میکروبی به عنوان غذای انسان و دام (به جای منابع پروتئینی رایج) بسیار حائز اهمیت است. این پروتئین میکروبی، پروتئين تك ياخته[1] نام دارد. پروتئين تك ياخته در حال حاضر، درجيره غذايي دام و طيور استفاده مي شود. به دلیل بالا بودن میزان اسیدهای نوکلئیک موجود در این نوع پروتئین و پایین بودن قابلیت هضم آن، برای جایگزین شدن پروتئین میکروبی به جای منابع پروتئین حیوانی شک و تردید وجود دارد. آن ها همچنین برای بدن به عنوان یک عامل خارجی محسوب شده که می توانند باعث ایجاد واکنش های آلرژیک شوند. البته اگر اين پروتئين به عنوان غذاي انسان مورد استفاده قرارگيرد، قبل از استفاده بايد استخراج و تغليظ شود و اسيد نوكلئيك آن كاهش يابد، زيرا بالا بودن اسيد نوكلئيك باعث توليد اسيد اوريك و در نهايت سبب بيماري نقرس مي شود.پروتئین تک یاخته همانطور که گفته شد یک پروتئین میکروبی است که خالص نمی باشد و به سلول های کامل باکتری ها، مخمرها، قارچ های رشته ای یا جلبک ها اطلاق می شود که حاوی انواع اسیدهای آمینه، کربوهیدرات ها، چربی ها، اسیدهای نوکلئیک، نمک های معدنی و ویتامین ها نیز می باشد و دارای ارزش تغذیه ای بسیار بالایی است. در واقع این نوع پروتئین محصولی است که در اثر تخمیر توسط فعالیت میکروارگانیسم های مختلف روی سوبستراهای ارزان قیمت مانند ضایعات کشاورزی، پساب های کارخانجات و ضایعات سلولزی حاصل از کارخانه کاغذ سازی و ... بدست می آید ]۴[.استفاده از میکروارگانیسم ها برای تولید پروتئین تک یاخته به جای استفاده از منابع پروتئین حیوانی و گیاهی دارای مزایایی است که با توجه به این موارد چشم انداز روشنی برای تولید این نوع پروتئین تصور می شود. این مزایا عبارتند از ]۵[:۱- امکان اصلاح ژنتیکی میکروارگانیسم ها۲- سرعت رشد و محتوای پروتئینی بالای میکروارگانیسم ها۳- استفاده از طیف وسیعی از روش ها، سوبستراها و میکروارگانیسم ها برای این منظور۴- عدم وابستگی تولید به تغییرات آب و هوایی۵- عدم نیاز به فضای زیاد برای تولید۶- سرعت و راندمان تولید بالا.با این حال تولید پروتئین تک یاخته با کیفیت و بازدهی بالا نیازمند انتخاب میکروارگانیسم و سوبسترای مناسب و انتخاب روش مناسب برای تخمیر می باشد. ۱-۲- تاریخچه اصطلاح پروتئين تك یاخته اولين بار توسط پروفسور كارل ويلسون[2] در سال ١٩٤٤ در انستيتو تكنولوژي ماساچوست آمريكا[3] ابداع گرديد ]۶[. اين اصطلاح براي ماده ای با محتواي پروتئيني كمتر از ۶۵ درصد مناسب نيست و اصطلاح "تودة سلولي تك‌ياخته" را براي چنين مواردي توصيه مي‌كنند. همچنين مناسب‌تر است، براي تودة سلولي محتوي پروتئين به دست آمده از قارچ، اصطلاح "پروتئين قارچي" كه اخيراً در بسياري از منابع به كارگرفته شده است، استفاده شود.توليد پروتئین تک یاخته از مخمر براي اولين بار در جنگ جهاني اول توسط آلمان‌ها انجام شد. پروتین[4] اولین پروتئین تک یاخته تجاری بود که به عنوان افزودنی خوراک حیوانات مورد استفاده قرار گرفت. در اواسط سال ۱۹۳۰ و جنگ جهاني دوم، اين امر مورد توجه بيشتري قرار گرفت و توليد آن به ۱۵ هزار تن در سال رسيد.اولين كنفرانس بين المللي در مورد پروتئین تک یاخته در سال ١٩٦۸ در ماساچوست آمريكا برگزار شد و در آن كنفرانس، كمپاني بريتيش پتروليوم[5] تنها ارائه كننده توليد صنعتي آن بود. در دومين كنفرانس كه در سال ١٩٧٣ در همان محل برگزارگرديد؛ بسياري از كمپاني ها توليداتصنعتي خود را ارائه نمودند. كارخانه هايي كه تا سال ١٩٩٠ بصورت صنعتي پروتئین تک یاخته توليد مي كردند؛ به طور عمده از دو منبع سوبسترايي هيدروكربني و يا قندي استفاده مي نمودند. منابع سوبستراي قندي عمدتاً شامل ملاس، ضايعات كشاورزي، فاضلاب هاي كارخانجات صنايع غذايي و صنايع چوب و كاغذ بودند، درحاليكه سوبستراهاي هيدروكربني عمدتاً شامل مشتقات نفتي، اتانول و متانول بود. شركت BP و يك شركت ايتاليايي يك واحد 000/100 تني توليد پروتئین تک یاخته از مشتقات نفتی را در ايتاليا تأسيس نمودند که در سال١٩٧٧ به علت بحران هاي جهاني باعث ورشكستگي اين شركت ها و از جمله شركت BP گشت. در اوايل دهه١٩٨٠ اولين واحد صنعتي توليد پروتئین تک یاخته ازمتانولتوسطشرکت[6]ICIدرانگلستانبه ظرفيت 000/60 (تن/سال( موردبهرهبرداريقرارگرفتولیدرسال ١٩٨٧ توليدات این كارخانه به علتعدمتوانرقابت باسايرمنابعپروتئينیمانندپودرماهیوسويا،متوقفگرديد]۸,۷,۴[. همچنین شركت RHM [7]در انگلستان با همكاري شركتICIدر اواسط دهه ۸۰ ميلادي پروتئين ميكروبي تحت نام تجارتي کورن[8]توليدكرد كه ساختاري شبيه به گوشت داشته و توسط رشد کپک فوزاریوم گرامینراروم[9] بر روي مواد نشاسته‌اي توليد مي‌شد. اين محصول به خاطر استفاده از كپك كه به طور طبيعي داراي محتواي اسيد هسته‌اي كمتري از باكتري‌ها مي‌باشد و بخاطر اضافه كردن يك عمليات براي كاهشRNAدر فرآيند توليد صنعتي، داراي محتواي هسته‌اي خيلي پايين مي‌باشد و لذا استفاده از آن در خوراك انسان در انگلستان مجاز تشخيص داده شد. توليد اوليه اين محصول در سال ۱۹۸۵، ۱۰۰۰ تن در سال بود و از موفقيت اقتصادي برخوردار شد، زيرا به جاي كنجاله سويا با سويا و گوشت رقابت مي‌كرد.شركتنفتيشل[10]درسال١٩٧٤ طرحتأسيسيكواحد000/100 تني توليد پروتئین تک یاخته درآمستردامراآغازنمودولیبه دلیل وجودمنابعپروتئينگياهيارزانقيمت وسايرمشكلات،عملياتاحداثكارخانهدر سال١٩٧٦متوقفگردید.بررسي ها نشان می دهد بيشترفعاليت ها در توسعه فرآیند تولید پروتئین تک یاخته توسط شركت هاي نفتي صورت گرفتهاست و این به دلیل کاهش قیمت نفت در سال های ۱۹۶۵-۱۹۵۷ بوده است.از سال ۱۹۷۴روند افزایش قیمت نفت سال به سال شدیدتر شد، به طوریکه در سال۱۹۸۱ به ۳۵ دلار به ازایهر بشکه رسید.همان طورکه بررسی شد تحولات تولید پروتئین تک یاخته با تحولات قیمت نفت هم زمانی داشته و این امراز آن جا ناشی می شود که۶۰ تا ۸۰ درصد هزینه های مربوط به یک واحد تولید پروتئین تک یاخته به هزینه های ماده اولیه مربوط می شود] ۹,۴[. ۱-۳- ارزشتغذیهایپروتئین تک یاختهارزش تغذیه ای و یا مضرات پروتئين تک یاخته حاصل از منابع مختلف بستگی به ترکیبات آن دارد. مواد مغذی، ویتامین ها، نیتروژن، کربوهیدرات ها، چربی ها، ترکیبات دیواره سلولی، اسیدهای نوکلئیک، غلظت پروتئین و پروفایل اسیدهای آمینه بایدبعد از تولید برای استفاده در غذای انسان و خوراک حیوانات آنالیز شود.جلبک ها غنی از پروتئین، چربی ها و ویتامین هایA، B، C، Dو Eمی باشند. جلبک های تک سلولی منبع اصلی ویتامین های A و D هستند. علاوه بر ویتامین ها، جلبک ها حاوی۶۰-۴۰% پروتئین، ۷% نمک های معدنی، کلروفیل و فیبر بوده و میزان اسید نوکلئیک در آن ها بسیار پایین است (6-4%). قارچ ها شامل ویتامین های گروه B هستند. همچنین میزان اسید نوکلئیک در آن ها پایین است (9-7%). این پروتئين های تک یاخته همچنین از نظر اسید های آمینه سولفوردار غنی می باشند و پروتئین آن ها حدود۳۰ تا۷۰% است.مخمرهاحاویتیامین[11]،ریبوفلاوین[12]،بیوتین[13]،نیاسین[14]،پنتوتنیکاسید[15]،پیریدوکسین[16]،کولین[17]،گلوتاتیون[18]وفولیکاسید[19]میباشند.باکتری ها حاوی میزان بالای پروتئین بوده و اسیدهای آمینه ضروری معینی دارند. میزان پروتئین در آن ها ۸۰% است. آن ها هم چنین دارای میزان بالای ۱۶-۱۵% اسیدهای نوکلئیک به ویژه RNA هستند. پروتئين حاصل از باکتری غنی از متیونین می باشد (۳-۲/۲%) که در مقایسه با جلبک ها (۶/۲-۴/۱%) و قارچ ها (۵/۲-۸/۱%) بالاتر است] ۱[. 1-4- ترکیبات سمیپروتئين تک یاختهو اثرات آن هاپروتئين تک یاخته پس از استخراج و خالص سازی، برای استفاده به عنوان غذای انسان، حتما باید با استاندارد های جهانی قابل مقایسه باشد. محصول نهایی تنها نباید مغذی بوده بلکه باید از تمامی آزمایشات مربوط به سمیت عبور کرده تا بصورت تجاری برای غذای انسان قابل استفاده باشد. علاوه بر اسیدهای نوکلئیک، چندین ماده سمی و ترکیبات ناخواسته باید حذف شود که در بخش بعدی شرح داده خواهد شد. ۱-۴-۱- اسیدهای نوکلئیکمیزان بالای اسیدهای نوکلئیک در بدن باعث تولید اسید اوریک می شود. در اثر شکسته شدن نوکلئیک اسیدها، غلظت اسید اوریک در پلاسما و کلیه افزایش می یابد که این ماده می تواند در مفاصل کریستالیزه شود و منجر به تشکیل سنگ کلیه و نقرس در انسان گردد. اسیدهای نوکلئیک پروتئين های تک یاخته مختلف اگر برای غذای انسان استفاده شود باید تا حد قابل قبولی کاهش یابد.