پروتئین تک سلولی و انتخاب آن به عنوان یک منبع پروتئین

پروتئین تک سلولی(SCP ) حجم زیادی از سلول‌های خشک شده است که می‌توان آن‌ها را بیوپروتئین، پروتئین میکروبی یا زیست توده نامید. تولیدSCP توسط میکروارگانیسم‌هایی مانند جلبک‌ها، مخمرها، قارچ ها و باکتری‌ها تولید می‌شود، تولیدکنندگان اصلی این پروتئین را می‌توان قارچ‌ها و باکتری‌ها دانست.
تولید زیاد پروتئین از این منابع عمدتا به دلیل سرعت رشد سریع آن‌ها و سطح پروتئین نسبتاً بالاتر در ساختار شیمیایی آن‌ها می‌باشد. برخی از گونه‌های جلبک نیز برای این منظور استفاده می‌شوند که به طور خاص در محیط آبزیان کشت می‌گردند. علاوه بر محتوای بالای پروتئین، SCP حاوی کربوهیدرات‌ها، اسیدهای نوکلئیک، چربی‌ها، مواد معدنی، ویتامین‌ها و سطح بالایی از اسیدهای آمینه ضروری مانند لیزین، متیونین و ترئونین نیز می‌باشد(Sharif و همکاران.2021).

شرایط تولید پروتئین میکروبی

تولید پروتئین تک سلولی به زمین یا منابع آبی بزرگ احتیاج ندارد. تولید این محصولات برخلاف نوع گیاهی آن‌ها مستقل از تغییرات فصلی و آب و هوایی بوده و می‌توانند در طول سال تولید شوند. علاوه بر این، این محصولات برخلاف منابع پروتئین گیاهی گازهای گلخانه‌ای به محیط اطراف خود منتشر نمی‌کنند(Vermeulen و همکاران . 2012).
SCP به راحتی می‌تواند جایگزین منابع پروتئینی گران قیمت و مرسوم (گیاهی و حیوانی) در جیره‌های غذایی انسان و حیوان بدون هیچ‌گونه اثر سوء باشد( Ritala و همکاران. 2017). مهم‌ترین موضوع برای کاهش هزینه تولید پروتئین‌های تک سلولی، انتخاب بسترهای ارزان و مناسب یا محصولات جانبی کشاورزی و صنعتی تجزیه‌پذیر به عنوان منبع تغذیه میکروارگانیسم‌ها برای رشد و تولید هزاران کیلو پروتئین است. بدین‌منظور، بسترهای مختلفی استفاده شده و مورد مقایسه قرار گرفته است. برخی از بسترهای متداول مورد استفاده شامل تفاله سیب، پوست سیب‌زمینی، تفاله مرکبات، ضایعات آناناس، ضایعات پاپایا و غیره می‌باشد (Nasseri و همکاران. 2011).

جلبک ها

جلبک ها گروهی ناهمگن از گیاهان با طبقه‌بندی پیچیده و اغلب بحث‌برانگیز می‌باشند. دو نوع اصلی جلبک وجود دارد: جلبک‌های ماکرو (جلبک‌های دریایی) که منطقه ساحلی را اشغال کرده و می‌توانند اندازه بسیار بزرگی داشته‌باشند؛ و ریزجلبک‌های کوچک که در زیستگاه‌های ساحلی و اعماق دریا و همچنین در سراسر اقیانوس به عنوان فیتوپلانکتون یافت می‌شوند. جلبک ها در آبزی پروری به عنوان منبع اسیدهای چرب امگا و رنگدانه‌های کاروتنوئیدی استفاده می‌شوند، اما پروتئین آن‌ها در تغذیه حیوانات نیز نقش‌دارد (Muller-Feuga. 2000). حدود 10 هزار گونه جلبک دریایی وجود دارد (Guiry,2014)، اما تنها تعداد کمی از آن‌ها برای تغذیه حیوانات مورد استفاده قرارمی‌گیرد. انواع خاصی از جلبک‌ها برای مصرف حیوانات و انسان‌ها کشت می‌شوند و معمولاً دارای محتوای پروتئین سالم هستند که می تواند تا 70 درصد برسد. بجز پروتئین‌، جلبک ها منابع عالی از چربی‌ها به ویژه اسیدهای چرب امگا 3، نمک‌های معدنی، ویتامین‌ها و کلروفیل هستند (سوسا و همکاران. 2008). همچنین حاوی مقدار نسبتاً کمی (3 تا 8 درصد) اسید نوکلئیک می‌باشند (Nasseri و همکاران. 2011).
جلبک سبز به عنوان یک آنتی اکسیدان خوب در نظر گرفته می‌شود. جلبک اسپیرولینا حاوی ویتامین های B1، B2، B3، B6، B12، C، D و E است. اسپیرولینا دارای رنگدانه‌های زیادی از جمله کلروفیل-a، گزانتوفیل‌ها، a-کاروتن، اکیننون، میکسوگزانتوفیل، فیکوسیانین، فیکوبیلین‌ها و آلوفیکوسیانین و غیره است (Usharani و همکاران. 2012). رنگدانه‌های کلروفیل و گزانتوفیل در تولید تخم‌مرغ و کیفیت آن نقش بسزایی دارند.
استفاده از پروتئین تک سلولی در تغذیه طیور
در یک بررسی، پودر جلبک Spirulina platensis به عنوان یک ماده خوراکی، در تغذیه‌ی جوجه‌های گوشتی مورد ارزیابی قرار‌گرفت. جوجه‌های گوشتی نر از 6 تا 34 روزگی با چهار جیره که در آن‌ها به ازای هرکیلوگرم به ترتیب مقادیر صفر، 50، 100 و 150 گرم جلبک وجود داشت تغذیه شدند. نتایج نشان‌داد مصرف خوراک پرندگانی که جیره غذایی آن‌ها حاوی 100 و 150 گرم جلبک بود، کاهش یافت، در حالی که افزایش وزن پرندگان تغذیه شده با این جیره‌ها به کمتر از 80 % گروه شاهد کاهش یافت. ضریب تبدیل خوراک برای جیره‌های غذایی با صفر، 50 و 100 گرم پودر جلبک در محدوده تولید تجاری خوب بود، در حالی که این شاخص برای پرندگانی که از جیره غذایی با 150 گرم پودر جلبک تغذیه کردند به طور قابل توجهی کاهش داشت. محتوای انرژی متابولیسمی( ME) برای چهار جیره غذایی مشابه بود، که نشان داد غلظت ME در تیمارهای حاوی اسپیرولینا تفاوت زیادی با مخلوط ذرت، کنجاله سویا و نشاسته گندم نداشت (Van der Poel و همکاران. 2013).

فرصت ها و چالش ها

نتایج حاصل از مطالعات نشان می‌دهد که جلبک‌ها می‌توانند به عنوان منبع پروتئین مفید در جیره‌های غذایی پرندگان در نظر گرفته شوند. تولید جلبک‌ها را می‌توان با شرایط خاصی مانند نیاز به دمای گرم و نور زیاد خورشید به علاوه دی اکسید کربن محدود کرد. یکی از معایب مربوط به استفاده از جلبک‌ها به عنوان پروتئین تک سلولی، قابلیت پایین هضم‌پذیری در سلول-های جلبکی به دلیل دیواره‌های سلولی غیرقابل هضم است. با این حال، تحقیقات بیشتری در مورد سیستم‌های تولیدی، آلودگی باکتری‌ها، ترکیب مغذی آن (قابلیت هضم دیواره سلولی سلولزی) و ارزش غذایی آن در تغذیه طیور مورد نیاز است. سموم، فلزات سنگین و ترکیب متغیر، از جمله تهدیدهای پیش‌رو در استفاده از جلبک‌ها می‌باشد. استفاده از تکنیک‌های تخریب دیواره سلولی (به عنوان مثال میدان الکتریکی پالس) و تجزیه آنزیمی کربوهیدرات‌ها و پروتئین‌های ساختاری ممکن است قابلیت هضم انرژی و پروتئین جلبک‌های دریایی را بهبود بخشد. برای بررسی این جنبه‌ها تحقیقات بیشتری لازم می‌باشد.

خزه (Duckweed)

خزه‌ها گیاهانی شناور آبزی کوچکی هستند که در سرتاسر جهان یافت می‌شوند این گیاهان اغلب در حال رشد بوده و به صورت توده‌های ضخیم که به صورت ثابت یا متحرک در آب های شور یا شیرین غنی از مواد مغذی دیده می‌شوند. آن‌ها تک لپه ای و از خانواده Lemnaceae می‌باشند. این گیاهان اغلب با جلبک‌ها اشتباه گرفته می‌شود و برگ‌های آن‌ها در مقایسه با اکثر گیاهان، فیبر کمتری دارند. خزه‌ها با بیشتر مناطق جغرافیایی و آب و هوایی سازگار بوده و در همه مناطق بجز بیابان‌های بدون آب و مناطق یخ زده دائمی یافت می‌شوند. مناطق گرمسیری و معتدل بهترین مکان برای رشد خزه‌ها است. این گیاهان به علت پتانسیل بالا برای حذف آلاینده‌های معدنی از پساب فاضلاب ناشی از تصفیه خانه‌ها، صنایع دامپروری و تولید آبزیان مورد توجه محققین قرارگرفته‌اند. برای داشتن نرخ رشد مطلوب، خزه‌ها به مواردی مانند مدیریت، محافظت از باد، نگه‌داری در یک چگالی مطلوب بوسیله‌ی برداشت منظم و منطقی و همچنین کود دهی با غلظت متعادل مواد مغذی در آب دارند. با مدیریت مناسب سالانه به ازای هر هکتار بین 10 تا 30 تن خزه بدست خواهد آمد که دارای 43 درصد پروتئین خام و 5 درصد لیپید با قابلیت هضم بالای ماده خشک است. ترکیب گیاه خزه تحت تاثیر مواد مغذی آب و شرایط آب و هوایی غالب قراردارد. خزه دارای پروتئین بالا با ترکیب اسید آمینه ارزشمند است.

استفاده از خزه در تغذیه طیور

خزه‌ها به عنوان جایگزینی برای پروتئین گیاهی در جیره‌های بر پایه غلات در تغذیه‌ی طیور بالغ استفاده می‌شوند. در حالی که استفاده از آن‌ها به عنوان منبع پروتئین در جیره غذایی جوجه‌های گوشتی در اوایل دوره پرورش، موجب اندکی کاهش وزن خواهدشد.
از خزه‌های تازه می‌توان برای تغذیه خوک‌، اسب‌ و نشخوارکنندگان استفاده نمود. در بیشتر موارد خزه‌ها به صورت خشک-شده برای تغذیه طیور استفاده می‌شود.
جوجه‌های تغذیه شده با 10 درصد خزه خشک شده نسبت به آن‌هایی که با منابع پروتئین مرسوم تغذیه شده بودند، افزایش وزن بهتری داشتند. با این حال مواد مغذی محیط رشد خزه یک عامل بسیار موثر در رابطه با میزان پروتئین بالا/ فیبر کم یا پروتئین کم/ فیبر بالا می‌باشد.
مطالعات نشان داده اند که افزایش مقدار پودر خشک شده Lemna gibba در جیره مرغ‌های گوشتی مسن و مرغ تخمگذار تاثیر مثبتی بر میزان رشد آن‌ها دارد. درحالی که استفاده از این محصول در تغذیه جوجه‌های گوشتی با سن کم موجب عقب افتادن رشد آن‌ها می‌شود (Haustein و همکاران. 1992). بنابراین استفاده از خزه می‌تواند جایگزین منابع پروتئین (نظیر کنجاله سویا و کنجاله ماهی) و انرژی در جیره جوجه‌ها تا 25 درصد از کل ماده خشک، بدون به خطر انداختن سطح بالای تولید شود.

فرصت ها و چالش ها

پتانسیل فوق العاده ای برای تولید خزه وجود دارد (10-18 تن در هکتار در سال). علی‌رغم این پتانسیل و ارزش غذایی آن، موانع متعددی برای ورود این گیاهان به سیستم‌های کشاورزی قرار دارد. تغییرات ژنتیکی مربوط به محیط پرورش مانند مواد مغذی، آب و هوا، عوامل ضد تغذیه‌ای آشکار (تانن/ترکیبات فنولی)، نگرانی درمورد تجمع فلزات سنگین و انتقال احتمالی عوامل بیماری‌زا، ابهاماتی را در رابطه با شرایط رشد طبیعی این گیاهان ایجاد می‌کند.
پیش از تولید گسترده خزه به منظور احیای مواد مغذی و به عنوان منبع خوراک دام درک روشنی از چگونگی رسیدگی و غلبه بر موارد ذکرشده نیاز است. همچنین مطالعه و بررسی روش‌های خشک‌کردن و ذخیره سازی (حساسیت در برابر پوسیدگی)، تغییرات ژنتیکی در رشد و پاسخ به مواد مغذی و شرایط آب و هوایی، امکان انتخاب بیشتر سویه‌های خزه را فراهم می‌کند.

تولید صنعتی SCP

تخمیر فرآیند اصلی درگیر در تولید SCP است (شکل 1). با توجه به شرایط، سویه خاصی از میکروارگانیسم‌ها انتخاب می‌شوند. سویه‌های منتخب در فرآیند کشت فنی (تکنیکال) روی بسترهای مناسب رشد و تکثیر شده و زیست توده افزایش می‌یابد و بعد از آن فرآیند جداسازی صورت می‌گیرد. مرحله بعد با غربالگری میکروب‌ها شروع می‌شود و در آن سویه‌های میکروبی مناسب از نمونه‌های خاک، هوا و آب یا از سواب مواد بیولوژیکی یا معدنی بدست می‌آید. سپس این میکروب‌ها با جهش، انتخاب یا سایر پروتکل های ژنتیکی بهینه می‌شوند (Nasseri و همکاران. 2011).

شکل 1. مراحل کلی در طول تولید صنعتی SCP

توضیحات تصویر

1- steps of scp production : مراحل تولید SCP
2- substrate : بستر
3- nutrient substrate: بستر مواد مغذی
4- :Carbon substrate بستر کربن
5- waste products: ضایعات
6- whey: پروتئین
7- Molasses: ملاس
8- Begasse:
9- Agricultural sources: منابع کشاورزی
10- Lignin: لیگنین
11- Cellulose: سلولز
12- hemice lluloses: همی سلولزها
13- high energy sources: منابع انرژی بالا
14- methanol:متانول
15- Ethanol: اتانول
16- gas oil: نفت گاز
17- carbon dioxide: کربن دی اکسید
18- Fungi: قارچ
19- Algac: جلبک
20- Bacteria: باکتری ها
21- Yeast: مخمر
22- fermenter (SCP producing microbes): تخمیر میکروب‌های تولیدکننده scp
23- filtration and purification: فیلتراسیون و تصفیه
24- Drying: خشک کردن
25- submerged fermentation: تخمیر غوطه‌ور
26- semisolid fermentation: تخمیر نیمه جامد

اثرات تغذیه‌ای و موارد مصرف پروتئین تک سلولی

ارزش غذایی و موارد کاربرد SCP به طورکامل به ترکیب شیمیایی آن از جمله اسیدهای آمینه، اسیدهای نوکلئیک، مواد معدنی، آنزیم‌ها و ویتامین‌ها و همچنین میزان چربی و کربوهیدرات بستگی دارد.پروتئین‌های تک سلولی کاربرد گسترده‌ای در خوراک دام برای پرواربندی گوساله‌ها، طیور و خوک دارند. نتایج استفاده از پروتئین تک سلولی در تغذیه جوجه‌های گوشتی نشان‌داد سطح آنتی‌بادی تولیدشده علیه واکسن نیوکاسل نسبت به زمانی که جوجه‌ها از پروتئین سویا تغذیه می‌کنند بیشتر است. بنابراین می‌توان باجایگزینی SCP در جیره غذایی طیور گوشتی، سطح ایمنی در برابر میکروب‌ها را در آن‌ها افزایش‌داد (Faheem ahmed Khanو همکاران. 2021).

نتایج مطالعه صورت‌گرفته در رابطه با استفاده از سطوح مختلف SCP در جیره مرغ‌های تخمگذار نشان‌می‌دهد، وجود 5 درصد پروتئین تک‌سلولی در جیره موجب افزایش میزان تولید تخم‌مرغ، افزایش وزن تخم‌مرغ و بهبود ضریب تبدیل خوراک شد. درحالی که وجود بیش از 15 درصد SCP در جیره غذایی آن‌ها ممکن است تاثیر منفی بر سلامت پرندگان ‌داشته‌باشد (Najib Hو همکاران.2018). در مطالعه‌ای بر روی پروتئین‌های تک سلولی در تغذیه ماهی قزل آلا، سالمون و میگو مشاهده شد که SCP می‌تواند تا 38 درصد از بخش پروتئین جیره را در ماهی قزل آلا و 52 درصد از پروتئین جیره را در ماهی سالمون بدون هیچ گونه تاثیر نامطلوبی بر عملکرد رشد تشکیل دهد. در میگو نیز 10 درصد استفاده از پروتئین تک سلولی در جیره غذایی، رشد را نسبت به نمونه شاهد بهبود بخشید (Hardy و همکاران. 2018). پروتئین‌های تک سلولی در غذای انسان به عنوان جایگزین گوشت، مکمل پروتئین و طعم-دهنده غذا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

علاوه بر داشتن ویژگی‌های بسیار جذاب، پروتئین‌های تک سلولی با محدودیت‌هایی در مصرف مواجه هستند. عامل اصلی ضد تغذیه این پروتئین‌ها در انسان، غلظت بالای اسیدهای نوکلئیک نسبت به سایر منابع پروتئینی است. این محتوای بالای اسیدهای نوکلئیک موجب افزایش اوریک اسید در خون شده که در نهایت منجر به تشکیل سنگ کلیه می‌شود (Ritala و همکاران. 2017 ( .پروتئین تک سلولی دارای دیواره سلولی بوده که برای پرندگان و حیوانات غیر قابل هضم است. بنابراین باید در فرآوری این محصولات دقت لازم به کارگرفته‌شود تا از بروز بیماری در حیوانات جلوگیری به عمل آید.

نتیجه گیری

اگرچه پروتئین‌های حیوانی و گیاهی پروتئین‌هایی با کیفیت بالا محسوب می‌شوند اما SCP می‌تواند جایگزین مناسبی برای آن‌ها باشد. تولید و استفاده از پروتئین تک سلولی (SCP) در سال‌های اخیر به یک فناوری محبوب تبدیل‌شده که براساس دو موضوع اصلی پایه‌ریزی شده‌است: 1- افزایش کمبود پروتئین جهان با توجه به افزایش جمعیت 2- تولید ضایعات صنعتی قابل توجه با نرخ تولید افزایشی. این روش تولید یک فعالیت تجاری سالم در کنار حفاظت از محیط زیست به حساب می‌آید.

SCP توسط میکروارگانیسم‌هایی مانند جلبک‌ها، مخمرها، قارچ ها و باکتری‌ها تولید می‌شود، و برخلاف پروتئین‌های گیاهی مستقل از تغییرات فصل و آب و هوا بوده و تولید آن در تمام طول سال امکان پذیر می‌باشد. تولید این پروتئین‌ها از نظر اقتصادی نسبت به پروتئین گیاهی و حیوانی مقرون به صرفه بوده و به دلیل عدم انتشار گازهای گلخانه‌ای، دارای اثر سوء بر محیط زیست نمی‌باشد. این پروتئین‌ها در خوراک دام، طیور، آبزیان و همچنین در غذای انسان مورد استفاده قرار می‌گیرند. بنابراین تولید و استفاده از خوراک دام و طیور متشکل از پروتئین‌های تک سلولی می‌تواند گامی مهم در حفظ محیط زیست و افزایش امنیت غذایی در جهان باشد. از طرف دیگر با توجه به محدودیت تحقیقات صورت گرفته در مورد اثرات این منایع در تغذیه طیور لازم است روش‌های استاندارد تولید و فرآوری، سطح مناسب جایگزینی و راهکارهای اقتصادی نمودن خوراک با استفاده از این منایع در دستور کار متخصصین تغذیه قرار گیرد.