Optimization of lactic acid production from dairy whey using indigenous lactic acid bacteria
تُظهر هذه الدراسة النجاح في تثمين مصل اللبن الحلو من معالجي الألبان الروانديين إلى حمض لاكتيك عالي النقاء باستخدام سلالة "لاكتوباسيلوس" محلية مُحسّنة، محققةً إنتاجية عالية وتأثيراً بيئياً كبيراً من خلال خفض الطلب على الأكسجين الكيميائي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في كل مرة يتم فيها صنع الجبن، تتبقى كمية هائلة من السائل. فمقابل كل كيلوغرام من الجبن المنتج، يتم توليد ما يقرب من عشرة لترات من هذا الناتج المائي المعروف باسم "مصل اللبن الحلو" (sweet whey). ورغم أنه يبدو كالماء، إلا أنه غني بالسكريات والبروتينات والفيتامينات التي لم تلتقطها عملية صناعة الجبن. وفي أماكن كثبح، يُعامل هذا السائل الغني بالمغذيات كنفايات؛ فعندما يُلقى في الأنهار أو يُترك ليتعفن، فإنه يستهلك الأكسجين في الماء ويخلق عبئاً بيئياً ثقيلاً. ومع ذلك، فإن هذا السائل نفسه يحمل إمكانات خفية: فالسكريات الموجودة فيه يمكن تغذية كائنات دقيقة طبيعية صغيرة بها لإنتاج حمض اللاكتيك. وهذه المادة هي لبنة بناء متعددة الاستخدامات تُستخدم في صنع كل شيء، بدءاً من المواد الحافظة للأغذية ومستحضرات التجميل وصولاً إلى البلاستيك القابل للتحلل الحيوي. إن تحويل منتج نفايات ملوث إلى مادة قيمة يمثل تحولاً نحو اقتصاد دائري، حيث لا يضيع أي شيء ويصبح كل مخرج مدخلاً لشيء جديد.
في المرتفعات الشمالية لرواندا، حيث نمت صناعة الألبان بسرعة، واجه الباحثون تحدي إدارة الأحجام الكبيرة من مصل اللبن الناتج عن صانعي الجبن المحليين. وضع فريق في جامعة "إينيس-روهنغيري" (INES-Ruhengeri) هدفاً متمثلاً في معرفة ما إذا كان بإمكانهم تحويل هذه النفايات إلى حمض لاكتيك باستخدام بكتيريا تعيش بالفعل في المنطقة. وبدلاً من استيراد مستنبتات متخصصة من الخارج، بحثوا في الزبادي المحلي، وهو طعام مخمر تقليدي، للعثور على الكائنات الدقيقة المناسبة. قاموا بجمع عينات من مصل اللبن من ثلاثة معالجي ألبان مختلفين ومن الزبادي من سوق محلي لبدء بحثهم. وقد تأكد للباحثين أن مصل اللبن الذي اختبروه كان عبارة عن "حساء" غني باللاكتوز، وهو السكر الموجود في الحليب، إلى جانب كميات صغيرة من البروتين والمعادن، مما يجعله مصدراً غذائياً مثالياً للتخمر.
قام الباحثون أولاً بعزل عدة سلالات من بكتيريا حمض اللاكتيك من الزبادي المحلي. وهذه هي نفس أنواع الميكروبات الصديقة المسؤولة عن تحويل الحليب إلى زبادي. وبعد اختبارها في مصل لبن معقم، اختاروا سلالة محددة أطلقوا عليها اسم "LAB-4"، لأنها أثبتت أنها الأكثر كفاءة في تحويل سكر مصل اللبن إلى حمض. كانت هذه السلالة قادرة على خفض درجة الحموضة (pH) في مصل اللبن بشكل كبير خلال ثلاثة أيام، وهي علامة على أنها تعمل بنشاط. ومع وجود هذه البكتيريا الأصلية بين أيديهم، انتقل الفريق إلى المرحلة التالية: إيجاد البيئة المثالية لعملها. كانوا يعلمون أن درجة الحرارة، والحموضة الأولية للسائل، وكمية البكتيريا المضافة ستغير النتيجة جميعها، لذا استخدموا طريقة منهجية لاختبار مئات التوليفات للعثور على "النقطة المثالية".
ومن خلال هذا الاختبار الدقيق، اكتشف العلماء أن البكتيريا تعمل بشكل أفضل عند حفظها في درجة حرارة دافئة تبلغ 37 درجة مئوية، مع درجة حموضة أولية تبلغ 6.0، وعندما يحتوي الخليط على كمية محددة من المستنبت البكتيري. وتحت هذه الظروف المثالية، كانت العملية فعالة بشكل ملحوظ؛ ففي غضون 48 ساعة، حولت البكتيريا اللاكتوز الموجود في مصل اللبن إلى حمض لاكتيك، لتصل تركيزه إلى 43.2 جرام لكل لتر. تعني هذه النتيجة أنه مقابل كل جرام من السكر المستهلك، أنتجت البكتيريا ما يقرب من 0.87 جرام من حمض اللاكتيك، وهي كفاءة عالية تضاهي الطرق المستخدمة مع البكتيريا التجارية المستوردة. كما قامت العملية بتنقية مياه الصرف؛ إذ انخفض الطلب الكيميائي على الأكسجين، وهو مقياس لمدى التلوث في السائل، بأكثر من الثلثين، مما أثبت أن عملية التخمير كانت تعالج النفايات وتنتج منتجاً في آن واحد.
وبمجرد اكتمال عملية التخمر، احتاج الفريق إلى فصل حمض اللاكتيك عن السائل. استخدموا طريقة مباشرة تتضمن هيدروكسيد الكالسيوم لتحويل الحمض إلى ملح صلب، والذي تم ترشيحه بعد ذلك ومعالجته بالحمض لتحرير حمض اللاكتيك النقي. نجحت خطوة الاستعادة هذه، حيث نتج حوالي 75 بالمائة من الحمض المتاح بنقاء قدره 82.5 بالمائة. ورغم أن درجة النقاء هذه أقل مما يمكن أن تحققه الآلات الصناعية المتقدمة، إلا أنها كافية للعديد من الاستخدامات الغذائية والتقنية. كما نظر الباحثون في الجوانب الاقتصادية للعملية على نطاق صغير، حيث قدروا أن إنتاج كيلوغرام واحد من حمض اللاكتيك هذا سيكلف حوالي 2.10 دولار أمريكي. ويشير هذا السعر إلى أن الطريقة مجدية مالياً لمعالجي الألبان المحليين، مما يوفر وسيلة لتحويل الالتزام البيئي إلى مصدر للدخل.
تُظهر هذه الدراسة أن الحلول المحلية يمكن أن تعالج المشكلات العالمية. فمن خلال استخدام بكتيريا موطنها المنطقة وتحسين نموها على النفايات المحلية، أظهر الباحثون أن بإمكان معالجي الألبان في رواندا إدارة مصل اللبن الخاص بهم بشكل أكثر استدامة. ويؤكد العمل أن مصل اللبن الحلو يعد ركيزة مناسبة لإنتاج حمض اللاكتيك، وأن البكتيريا الأصلية قادرة على القيام بالمهمة بكفاءة دون الحاجة إلى مستنبتات مستوردة باهظة الثمن. وبينما أجريت التجارب الحالية في دوارق مخبرية وكانت طريقة الاستعادة بدائية، فإن النتائج توفر أساساً قوياً للتطوير المستقبلي. تقدم العملية مساراً عملياً ومنخفض التكلفة لتثمين النفايات بما يتماشى مع أهداف البلاد في حماية البيئة والنمو الاقتصادي، محولةً ملوثاً محتملاً إلى مورد قيم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.