Brewer’s spent grain valorization by Yarrowia lipolytica for protease production: Process optimization and enzyme characterization

في عالم التخمير الحديث، يتم إنتاج كمية هائلة من النفايات الصلبة في كل مرة يتم فيها صنع دفعة من الجعة. هذه البقايا، المعروفة باسم "حبوب الشعير المستهلكة"، هي القشور والأليب المتبقية من الشعير بعد استخراج السائل. ولعقود من الزمن، عُوملت هذه المادة كعبء، حيث غالبًا ما يتم التخلص منها أو استخدامها كأعلاف حيوانية منخفضة الجودة، على الرغم من غناها بالبروتينات والألياف. وفي الوقت نفسه، تعتمد الصناعات الغذائية والكيميائية العالمية بشكل كبير على الإنزيمات، وهي بروتينات متخصصة تعمل كأدوات بيولوجية لتسريع التفاعلات. أحد الأنواع المحددة، ويسمى "بروتياز" (protease)، ذو قيمة عالية بشكل خاص لأنه يفكك البروتينات الأخرى، وهي عملية مفيدة في كل شيء بدءًا من صناعة المنظفات وصولاً إلى تصفية المشروبات. وكان التحدي الذي واجه العلماء هو إيجاد طريقة لإنتاج هذه الإنزيمات القيمة بتكلفة منخفضة دون الاعتماد على مكونات اصطناعية باهظة الثمن، مع حل مشكلة ما يجب فعله مع جبال الحبوب المهدرة التي تنتجها مصانع الجعة يوميًا.

لقد وجد فريق من الباحثين في الجامعة الفيدرالية في ريو دي جانيرو طريقة لتحويل هذه النفايات إلى منتج عالي القيمة باستخدام نوع معين من الخميرة. أخذوا الحبوب المتبقية من مصنع محلي للجعة واستخدموها كمصدر غذاء أساسي لكائن حي دقيق يسمى "ياروسيا ليبوليتيكا" (Yarrowia lipolytica). تُعرف هذه الخميرة بقدرتها على الازدهار في المواد الصعبة الهضم وإفراز إنزيمات قوية. أراد العلماء معرفة ما إذا كان بإمكانهم زراعة هذه الخميرة على الحبوب المستهلكة لإنتاج كميات كبيرة من "البروتياز"، مما يخلق فعليًا نظامًا تصبح فيه نفايات صناعة الجعة هي المصنع لإنزيم جديد ومفيد.

لإنجاح هذا العمل، كان على الباحثين اكتشاف الوصفة المثالية. بدأوا باختبار طرق مختلفة لتغذية الخميرة، عبر خلط الحبوب المستهلكة مع مصادر نيتروجين متنوعة، وهي مغذيات ضرورية لنمو الخميرة وإنتاج الإنزيمات. واكتشفوا أنه بينما يمكن للحبوب وحدها دعم بعض إنتاج الإنزيم، فإن إضافة مصدر نيتروجين بسيط ومحدد يسمى "اليوريا" عزز النتائج بشكل كبير. ومع ذلك، وجدوا أن الإفراط في هذه المادة المضافة يعيق العملية في الواقع. ومن خلال ضبط الكميات بعناقة، حددوا "النقطة المثالية" حيث تنتج الخميرة أكبر قدر من الإنزيم. في أفضل إعداد لديهم، استخدموا خمسة وعشرين جرامًا من الحبوب المستهلكة لكل لتر من الماء وكمية صغيرة جدًا من اليوريا، بلغت 0.6 جرام لكل لتر فقط. وتحت هذه الظروف، أنتجت الخميرة كمية هائلة من البروتياز في غض_ن عشرين ساعة فقط، وهي زيادة بمقدار خمسة أضعاف مقارنة بما كانت عليه عندما لم تكن العملية محسنة.

انتقل الباحثون بعد ذلك من القوارير المختبرية الصغيرة إلى آلة أكبر سعة أربعة لترات تحاكي إعدادات المصنع الصناعي. هنا، قاموا بزراعة الخميرة تحت نفس الظروف المحسنة وحصدوا السائل الذي يحتوي على الإنزيم. وكانت النتيجة أكثر إثارة للإعجاب من القوارق الصغيرة، حيث نتج عن ذلك مستخلص إنزيمي خام عالي النشاط. ثم قضوا وقتًا في فهم كيفية عمل هذا الإنزيم الجديد؛ ووجدوا أنه يعمل بشكل أفضل عند درجة حرارة معتدلة تبلغ 25 درجة مئوية ويعمل بكفاءة مثالية في بيئة متعادلة، ليست حمضية جدًا ولا قلوية جدًا. وتعد هذه سمة مميزة، حيث يُعرف عن العديد من الإنزيمات المماثلة التي تنتجها هذا النوع من الخميرة أنها تعمل بشكل أفضل في الظروف شديدة القلوية. كما أثبت الإنزيم أنه قوي للغاية، حيث ظل مستقرًا ونشطًا لمدة تصل إلى 120 يومًا إذا حُفظ في الثلاجة، وهي سمة حاسمة لأي منتج مخصص للاستخدام الصناعي.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة كان كيفية تفاعل الإنزيم مع الحرارة. فبينما فقد فعاليته بسرعة عند درجات الحرارة العالية، حافظ على نشاط قوي عند درجات الحرارة المعتدلة المستخدمة في العديد من خطوات معالجة الأغذية. كما قاس الباحثون مدى كفاءة الإنزيم في الارتباط بهدفه؛ ووجدوا أنه يرتبط بمصدر غذائه بكفاءة عالية، مما يعني أنه يمكنه تفكيك البروتينات بسرعة بمجرد العثور عليها. هذا المزيج من السرعة العالية والكفاءة والاستقرار في درجات الحرارة المعتدلة يشير إلى أن هذا الإنزيم يمكن أن يكون مفيدًا جدًا في صناعة الأغذية والمشروبات، لا سيما في العمليات التي لا تتضمن حرارة شديدة.

كما أوضحت الدراسة ما لا يعمل. فقد أظهر الباحثون أن مجرد إضافة المزيد من النيتروجين إلى الخليط لا يؤدي إلى مزيد من الإنزيم؛ بل في الواقع، فإن فائض النيتروجين يثبط قدرة الخميرة على إنتاج البروتياز. ويشير هذا إلى أن الخميرة تحتاج إلى توازن محدد من المغذيات، حيث تكون محدودة قليًا في النيتروجين لتحفيز إنتاج الإنزيم كوسيلة للبحث عن المزيد من الغذاء. هذا الاكتشاف يدحض فكرة أن البيئة الغنية بالنيتروجين هي الأفضل لهذا النوع المحدد من الإنتاج.

في الختបញ្ចប់، يظهر هذا العمل أن نفايات صناعة الجعة ليست مجرد قمامة، بل هي مادة خام قابلة للتطبيق لإنتاج منتجات بيولوجية قيمة. فباستخدام مادة أساسية بسيطة ومنخفضة التكلفة مثل الحبوب المستهلكة، تمكن الباحثون من زراعة خميرة تنتج بروتياز قويًا ومستقرًا وفعالًا. والإنزيم الذي صنعوه مناسب تمامًا للتطبيقات التي تتطلب ظروف معالجة لطيفة، مثل تصفية المشروبات أو تعديل البروتينات في الأغذبة دون إتلافها. يقدم هذا النهج مسارًا عمليًا نحو اقتصاد دائري، حيث يصبح ناتج صناعة ما مدخلًا أساسيًا لصناعة أخرى، محولًا مشكلة التخلص من النفايات إلى مورد مستدام.