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

आधुनिक ब्रूइंग (शराब बनाने की प्रक्रिया) की दुनिया में, बीयर का हर बैच बनाने के साथ भारी मात्रा में ठोस कचरा उत्पन्न होता है। यह अवशेष, जिसे 'ब्रूअर्स स्पेंट ग्रेन' (brewer's spent grain) कहा जाता है, जौ के बचे हुए छिलके और रेशे हैं जो तरल निकालने के बाद रह जाते हैं। दशकों से, इस सामग्री को एक समस्या के रूप में देखा गया है, जिसे अक्सर फेंक दिया जाता है या निम्न-गुणवत्ता वाले पशु आहार के रूप में उपयोग किया जाता है, जबकि यह प्रोटीन और फाइबर से समृद्ध है। इसी समय, वैश्विक खाद्य और रासायनिक उद्योग एंजाइमों पर बहुत अधिक निर्भर हैं, जो विशेष प्रकार के प्रोटीन हैं और प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए जैविक उपकरण के रूप में कार्य करते हैं। एक विशिष्ट प्रकार का एंजाइम, जिसे प्रोटीज (protease) कहा जाता है, विशेष रूप से मूल्यवान है क्योंकि यह अन्य प्रोटीनों को तोड़ता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो डिटर्जेंट बनाने से लेकर पेय पदार्थों को साफ करने तक में उपयोगी है। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती इन मूल्यवान एंजाइमों को महंगे, कृत्रिम घटकों पर निर्भर हुए बिना सस्ते में उत्पादित करने का तरीका खोजना था, और साथ ही उस समस्या का समाधान करना था कि ब्रुअरीज द्वारा प्रतिदिन उत्पन्न अनाज के पहाड़ों का क्या किया जाए।

फेडरल यूनिवर्सिटी ऑफ रियो डी जनेरियो के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट प्रकार के यीस्ट (yeast) का उपयोग करके इस कचरे को एक उच्च-मूल्य वाले उत्पाद में बदलने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक स्थानीय ब्रुअरी से बचे हुए अनाज को लिया और इसे 'यारोविया लिपोलिटिका' (Yarrowia lipolytica) नामक सूक्ष्मजीव के लिए प्राथमिक भोजन स्रोत के रूप में उपयोग किया। यह यीस्ट कठिन-से-पचाने योग्य सामग्रियों पर पनपने और शक्तिशाली एंजाइमों को स्रावित करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि क्या वे इस स्पेंट ग्रेन पर इस यीस्ट को उगाकर बड़ी मात्रा में प्रोटीज का उत्पादन कर सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से एक ऐसी प्रणाली बन सके जहाँ बीयर बनाने का कचरा एक नए, उपयोगी एंजाइम के लिए फैक्ट्री बन जाता है।

इसे सफल बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को एक आदर्श नुस्खा तैयार करना था। उन्होंने यीस्ट को खिलाने के विभिन्न तरीकों का परीक्षण करके शुरुआत की, जिसमें स्पेंट ग्रेन को विभिन्न नाइट्रोजन स्रोतों के साथ मिलाया गया, जो यीस्ट के बढ़ने और एंजाइम बनाने के लिए आवश्यक पोषक तत्व हैं। उन्होंने पाया कि हालांकि अनाज अकेले कुछ एंजाइम उत्पादन में सहायता कर सकता है, लेकिन यूरिया नामक एक विशिष्ट, सरल नाइट्रोजन स्रोत मिलाने से परिणाम काफी बढ़ गए। हालांकि, उन्होंने पाया कि इस घटक की बहुत अधिक मात्रा वास्तव में प्रक्रिया में बाधा डालती है। मात्रा को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने वह "स्वीट स्पॉट" (इष्टतम बिंदु) पहचान लिया जहाँ यीस्ट ने सबसे अधिक एंजाइम का उत्पादन किया। अपने सबसे अच्छे सेटअप में, उन्होंने एक लीटर पानी में पच्चीस ग्राम स्पेंट ग्रेन और यूरिया की बहुत कम मात्रा, केवल 0.6 ग्राम प्रति लीटर का उपयोग किया। इन स्थितियों के तहत, यीस्ट ने केवल चौबीस घंटों में प्रोटीज की भारी मात्रा का उत्पादन किया, जो कि अनुकूलित न किए गए प्रक्रिया की तुलना में पांच गुना अधिक था।

शोधकर्ताओं ने फिर छोटे प्रयोगशाला फ्लास्क से एक बड़े, चार लीटर के मशीन की ओर रुख किया जो एक औद्योगिक कारखाने के वातावरण की नकल करता है। यहाँ, उन्होंने समान अनुकूलित स्थितियों के तहत यीस्ट को उगाया और एंजाइम युक्त तरल को एकत्र किया। परिणाम छोटे फ्लास्क की तुलना में और भी प्रभावशाली था, जिससे एक अत्यधिक सक्रिय कच्चा एंजाइम अर्क प्राप्त हुआ। इसके बाद उन्होंने इस नए एंजाइम के व्यवहार को समझने में समय बिताया। उन्होंने पाया कि यह 25 डिग्री सेल्सियस के मध्यम तापमान पर सबसे अच्छा काम करता है और एक तटस्थ वातावरण में सर्वोत्तम प्रदर्शन करता है, जो न तो बहुत अम्लीय है और न ही बहुत क्षारीय। यह एक विशिष्ट विशेषता है, क्योंकि इस प्रकार के यीस्ट द्वारा उत्पादित कई समान एंजाइमों के बारे में जाना जाता है कि वे अत्यधिक क्षारीय स्थितियों में सबसे अच्छा काम करते हैं। यह एंजाइम काफी मजबूत भी साबित हुआ, जो रेफ्रिजरेटर में रखे जाने पर 120 दिनों तक स्थिर और सक्रिय रह सकता है, जो औद्योगिक उपयोग के लिए इच्छित किसी भी उत्पाद के लिए एक महत्वपूर्ण गुण है।

सबसे आश्चर्यजनक खोज शायद यह थी कि गर्मी के प्रति इस एंजाइम की क्या प्रतिक्रिया होती है। जबकि इसने उच्च तापमान पर अपनी प्रभावशीलता जल्दी खो दी, इसने खाद्य प्रसंस्करण के कई चरणों में उपयोग किए जाने वाले हल्के तापमान पर मजबूत गतिविधि बनाए रखी। शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि यह एंजाइम अपने लक्ष्य को कितनी कुशलता से पकड़ता है। उन्होंने पाया कि यह अपने भोजन के स्रोत से उच्च दक्षता के साथ जुड़ता है, जिसका अर्थ है कि एक बार मिलने के बाद यह प्रोटीनों को तेजी से तोड़ सकता है। गति, दक्षता और हल्के तापमान पर स्थिरता का यह संयोजन बताता है कि यह एंजाइम खाद्य और पेय उद्योग में बहुत उपयोगी हो सकता है, विशेष रूप से उन प्रक्रियाओं के लिए जिनमें अत्यधिक गर्मी शामिल नहीं होती है।

अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि क्या काम नहीं करता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि मिश्रण में केवल अधिक नाइट्रोजन जोड़ने से अधिक एंजाइम नहीं मिलता है; वास्तव में, नाइट्रोजन की अधिकता प्रोटीज बनाने की यीस्ट की क्षमता को दबा देती है। यह सुझाव देता है कि यीस्ट को पोषक तत्वों के एक विशिष्ट संतुलन की आवश्यकता होती है, जहाँ वह नाइट्रोजन में थोड़ा सीमित होता है ताकि वह अधिक भोजन की तलाश के रूप में एंजाइम का उत्पादन शुरू कर सके। यह निष्कर्ष इस विचार को खारिज करता है कि इस विशिष्ट प्रकार के उत्पादन के लिए नाइट्रोजन-भारी, पोषक तत्वों से भरपूर वातावरण सबसे अच्छा है।

अंततः, यह कार्य दिखाता है कि ब्रूइंग उद्योग का कचरा केवल कूड़ा नहीं है बल्कि मूल्यवान बायो-प्रोडक्ट्स बनाने के लिए एक व्यवहार्य कच्चा माल है। इस तरह के स्पेंट ग्रेन जैसे सरल, कम लागत वाले आधार का उपयोग करके, शोधकर्ता एक शक्तिशाली, स्थिर और कुशल प्रोटीज पैदा करने वाले यीस्ट को विकसित करने में सक्षम रहे। उनके द्वारा बनाया गया एंजाइम उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है जिनमें कोमल प्रसंस्करण स्थितियों की आवश्यकता होती है, जैसे कि पेय पदार्थों को साफ करना या खाद्य पदार्थों को नुकसान पहुँचाए बिना उनमें प्रोटीन को संशोधित करना। यह दृष्टिकोण एक चक्रीय अर्थव्यवस्था (circular economy) की ओर एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, जहाँ एक उद्योग का आउटपुट दूसरे का आवश्यक इनपुट बन जाता है, जिससे निपटान की समस्या को एक टिकाऊ संसाधन में बदल दिया जाता है।