Optimization of Phycocyanin Production and Purification from Spirulina platensis CCATMU through micronutrient induction: Evaluation of Antioxidant Activity and Biosafety Assessment

في عالم الملونات الطبيعية، يُعد اللون الأزرق العميق والنابض بالحياة سلعة نادرة وثمينة. وبينما يمكن للأصباغ الاصطناعية أن تكون رخيصة ومتسقة، إلا أن الكثير منها يحتوي على هياكل كيميائية تثير مخاوف صحية، مما يدفع صناعات الأغذية ومستحضرات التجميل للبحث عن بدائل أكثر أمانًا من أصل نباتي. أحد أكثر المصادر واعدة لهذا اللون الأزرق هو نوع من الطحالب المجهرية المعروف باسم Spirulina platensis. ينتج هذا الكائن بروتينًا يسمى "فيكوسيانين"، والذي لا يوفر لونًا أزرق جذابًا فحسب، بل يحمل أيضًا فوائد صحية محتملة، مثل مكافحة الإجهاد التأكسدي في الجسم. ومع ذلك، كان حصاد هذا الصبغ بكميات كبيرة أمرًا صعبًا تاريخيًا؛ إذ غالبًا ما تتطلب العملية معدات باهظة الثمن لفصل اللون النقي عن بقية الطحالب، كما أن طرق الزراعة القياسية لا تحفز الطحالب دائمًا على إنتاج كمية كافية من الصبغ لجعل الجهد يستحق العناء. وقد تساءل العلماء طويلاً عما إذا كان تعديل "نظام غذائي" الطحالب — وتحديدًا عبر إضافة كميات ضئيلة من معادن معينة — يمكن أن يعمل كمفتاح لتعزيز إنتاج الصبغ دون الحاجة إلى عمليات فصل كيميائية معقدة لاحقًا.

وضع فريق من الباحثين في جامعة تربيت مودارس في إيران حجر الأساس لحل هذه المشكلة من خلال اختبار نهج جديد لزراعة وحصاد السبيرولينا (Spirulina). فبدلاً من الاعتماد على تقنيات الزراعة القياسية، قاموا باستزراع الطحالب في خزانات خارجية ضخمة تحتوي على 3000 لتر من الماء، تضم 1000 لتر من الوسط الزراعي، وهو مقياس أكبر بكثير من التجارب المختبرية النموذجية. وقسموا الخزانات إلى تسع مجموعات مختلفة، تلقت كل منها مكملًا غذائيًا فريدًا. تلقت بعض المجموعات حديدًا إضافيًا، وأخرى زنكًا إضافيًا، وتلقت عدة مجموعات كميات مختلفة من الكروم، وهو معدن زهيد. كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت هذه الإضافات المحددة ستشجع الطحالب على بناء المزيد من الصبغ أو النمو بشكل أكبر بشكل عام. وبمجرد حصاد الطحالب، استخدم الفريق طريقة لطيفة ولكن قوية تعتمد على الموجات الصوتية لكسر الخلايا وإطلاق الصبغ، تلتها سلسلة من الخطوات القائمة على الأملاح لتنقية وتطهير السائل. وأخيرًا، اختبروا السائل الأزرق الناتج لمعرفة مدى قدرته على محاربة الجزيئات الضارة وما إذا كان آمنًا للكائنات الحية.

كشفت النتائج عن تمييز واضح بين نمو المزيد من الطحالب ونمو المزيد من الصبغ. فبينما ساعدت إضافة الحديد الإضافي بتركيز معين الطحالب على النمو لتصبح كتلة أكبر، كان إضافة الكروم هي التي غيرت النتيجة حقًا بالنسبة للصبغ نفسه. ففي الخزانات التي أضيف إليها الكروم بتركيز 0.1 ملليجرام لكل مللي لتر، أنتجت الطحالب أعلى كمية من الفيكوسيانين، لتصل إلى ما يقرب من 30 ملليجرام لكل مللي لتر. وكانت هذه قفزة كبيرة مقارنة بمجموعة الضبط، التي لم تتلقَ أي مكملات خاصة. ووجد الباحثون أن مجرد جعل الطحالب تنمو بشكل أكبر لا يعني تلقائيًا أنها ستنتج المزيد من اللون؛ بل إن التوازن الصحيح من المعادن بدا وكأنه يحفز الطحالب للتركيز طاقتها على إنشاء الصبغ. وهذا يشير إلى أن التغذية المستهدفة هي استراتيجية أكثر فعالية لإنتاج الصبغ من مجرد محاولة تعظيم الوزن الإجمالي للحصاد.

بعد استخراج الصبغ، ركز الفريق على تنقيته لضمان نقائه للاستخدامات عالية الجودة. واستخدموا عملية من خطوتين تتضمن كبريتات الأمونيوم، وهو ملح شائع، لفصل بروتين الصبغ الأزرق المطلوب عن أجزاء الخلايا الأخرى غير المرغوب فيها. تبع ذلك خطوة الديلزة (الديال)، والتي تعمل مثل المنخل الدقيق لإزالة أي شوائب صغيرة متبقية. حقق المنتج النهائي من المجموعة المدعمة بالكروم درجة نقاء استثنائية، حيث صُنّف كمادة ذات درجة بحثية. وتعد هذه الدرجة من النقاء أمرًا بالغ الأهمية لأنها تعني أن الصبغ خالٍ من الملوثات التي قد تؤثر على لونه أو سلامته في الغذاء والدواء. وقد أثبت الفريق إمكانية تحقيق هذا المستوى العالي من الجودة دون الحاجة إلى الآلات المعقدة والباهظة الثمن المطلوبة عادةً لمثل هذا الفصل، مما يجعل العملية أكثر سهولة للإنتاج واسع النطاق.

ولفهم مدى فائدة هذا الصبغ، اختبر الباحثون قدرته على العمل كمضاد للأكسدة، وهي مادة تحمي الخلايا من التلف. قاموا بإذابة الصبغ المنقى في سوائل مختلفة، بما في ذلك الماء والإيثانول والميثانول، وعرضوه لاختبار كيميائي يقيس مدى قدرته على تحييد الجذور الحرة الضارة. أظهر الصبغ المذاب في الميثانول أقوى نشاط، حيث حيد ما يقرب من نصف الجزيئات الضارة عند تركيز معين. ويشير هذا إلى أن الصبغ لديه إمكانات حقيقية كمكون معزز للصحة، رغم أن فعاليته تعتمد على كيفية تحضيره وتقديمه. وقد أكدت الاختبارات أن قوة الصبغ حقيقية، لكنها سلطت الض الضوء أيضًا على أن اختيار السائل المستخدم لإذابته يؤثر بشكل كبير على أدائه.

أخيرًا، كان على الفريق التأكد من أن هذه المادة الزرقاء القوية آمنة للاستخدام. فقد اختبروا الصبغ على براغيث الملح، وهي مخلوقات مائية صغيرة تُستخدم غالبًا كنماذج سريعة وموثوقة للتحقق من السمية. تعرضت براغيث الملح لتركيزات مختلفة من الصبغ على مدار عدة أيام. وكانت النتائج مطمئنة: حتى عند أعلى المستويات المختبرة، ظل معدل الوفيات في براغيث الملح أقل من خمسة بالمائة. وكان مقدار الصبغ المطلوب لقتل نصف مجتمع براغيث الملح أعلى بكثير من أي تركيز خطط الباحثون لاستخدامه في التطبيقات الواقعية. وهذا يشير إلى أن الصبغ غير سام وآمن للاستخدام في الأغذية أو مستحضرات التجميل أو المكملات، بشرط استخدامه ضمن حدود معقولة.

تخلص الدراسة إلى أنه من خلال ضبط النظام الغذائي المعدني للسبيرولينا بعناية واستخدام الموجات الصوتية لاستخراج الصبغ، يمكن إنتاج ملونات زرقاء عالية الجودة وآمنة وقوية على نطاق واسع. وقد أثبتت الطريقة المدعمة بالكروم أنها الأكثر فعالية، حيث قدمت منتجًا وفيرًا ونقيًا في آن واحد. وبينما تظل الآلية البيولوجية الدقيقة وراء سبب تحفيز الكروم لهذا الاستجابة لغزًا للأبحاث المستقبلية، فإن النتيجة العملية واضحة. يوفر هذا النهج مسارًا قابلاً للتطبيق للصناعات التي تتطلع لاستبدال الأصباغ الاصطناعية ببديل طبيعي وآمن وفعال للغاية يمكن إنتاجه بكفاءة وبكميات كبيرة.