Cheese whey wastewater-derived Chlorella biomass promotes growth and β-galactosidase activity of Pediococcus sp. isolated from Gundurk
本研究は、チーズホエイ廃水中で培養されたクロレラ・バイオマスが、ネパールの伝統的なグンドゥルクから分離されたペディオコッカス属菌の増殖およびβ-ガラクトシダーゼ活性を効果的に高めることを実証しており、乳製品廃棄物の価値向上と機能性食品開発のための持続可能な戦略を提示している。
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食品生産の世界において、廃棄物はしばしば避けられない副産物ですが、科学者にとってそれは隠れた資源となり得ます。そのような廃棄物の一つが、牛乳からチーズを作る際に残る液体であるチーズホエイ（乳清）です。この液体は糖やタンパク質などの栄養分が豊富ですが、未処理のまま放出されると水中の酸素を枯渇させてしまうため、処分が困難です。これを解決するために、研究者たちは自然界の小さなリサイクル業者である微細藻類に注目しています。これらは太陽光を利用して成長する微小な植物のような生物ですが、廃棄物に含まれる有機栄養素を食べて成長することもできます。これらの藻類が成長すると、廃棄物を固形かつ栄養密度の高いバイオマスへと変えてくれます。このバイオマスは単なる廃棄物処理の結果ではなく、タンパク質や脂質を豊富に含む潜在的な食品原料となります。この方程式の反対側には、ヨーグルトやザワークラウトのような発酵食品の立役者である乳酸菌が存在します。これらの細菌は人間の健康や食品保存に不可欠ですが、有益な酵素を生成するためには特定の条件を必要とします。この研究を突き動かした問いは、廃棄物で育てられた藻類が、実際にこれらの細菌の働きを助け、廃棄物がより健康的な食品を作るためのツールとなるような循環を作り出せるか、というものでした。
ネパールの生物科学・バイオテクノロジー研究所の研究チームは、現地の2種類の微生物を用いてこのアイデアを検証することに乗り出しました。まず、バネパにある淡水池から水を採取し、一般的な緑色微細藻類の一種である野生株のクロレラ（Chlorella）を収集しました。また、伝統的な野菜の発酵料理である「グンドゥルク（Gundurk）」（マスタードリーフを用いたもの）のサンプルを集め、ペディオコッカス（Pediococcus）と呼ばれる特定の乳酸菌株を分離しました。研究者たちは、藻類を育てるための2つの異なる環境を作成しました。一つは標準的な実験室用栄養溶液であり、もう一つはチーズホエイの廃水と水の混合物でした。彼らは両方の環境で8日間、藻類を成長させました。その結果、藻類は標準的なラボ用溶液と同様に、チーズホエイの中でもよく成長することが示されました。実際、実験の終了時、チーズホエイ中の藻類は標準溶液の1,590万細胞/mlに対し、1,730万細胞/mlの密度に達し、わずかに多くの細胞を生成しました。さらに重要なことに、廃棄物中で育った藻類は、標準溶液が0.30gであったのに対し、1リットルあたり1.40gの乾燥バイオマスを生み出し、有意に多くの固形物質を生成しました。
研究者たちは、藻類の細胞の中に何が含まれているのかを調べるために、その組成が変化したかどうかを調査しました。分子に光が跳ね返る様子を測定する技術を用いたところ、チーズホエいで育てられた藻類は、ラボで育てられたものとは化学的構成が異なることが分かりました。具体的には、廃棄物で育った藻類は脂質（脂肪や油）をより多く含んでおり、一方でラボで育った藻類はタンパク質のシグナルがより強い傾向にありました。これは、チーズホエイに含まれる乳糖やその他の有機化合物が、藻類にエネルギーを脂肪の形で蓄えさせるよう促したことを示唆しています。チームはこの乾燥した藻類バイオマスを取り、ペディオコッカス細菌の培地に添加しました。彼らは、この藻類を細菌に与えることで、細菌の成長を早めたり、働きを強化したりできるかどうかを確認したかったのです。結果は明白でした。藻類バイオマスの添加は、細菌が活発な成長期にある間に、その増殖を促進しました。細菌は、藻類がない場合と比較して、特に成長開始から18〜24時間後に、有意に良好に増殖しました。
単に細菌の成長を助けるだけでなく、藻類は人間の健康にとって非常に価値の高い特定の機能、すなわち乳糖を分解する能力をも向上させました。ペディオコッカス細菌は、牛乳に含まれる糖の消化を助けるベータガラクトシダーゼという酵素を自然に生成します。これは、成人の多くが乳糖を適切に消化できないため、極めて重要です。研究者がこの酵素活性を測定したところ、藻類を与えられた細菌は、標準的な食事を与えられたものよりもはるかに多くの酵素を生成していることが分かりました。ラボの標準溶液で育てられた藻類を与えられた細菌は49.33ユニットの酵素活性を示しましたが、チーズホエイで育てられた藻類を与えられた細菌は38.82ユニットでした。どちらの数値も、藻類を与えていない対照群の18.34ユニットよりも大幅に高くなっていました。これは、藻類が育てられた環境によって酵素生成量に若干の違いはあるものの、藻類バイオマスが細菌の酵素パフォーマンスを高める強力なブースターとして機能していることを示しています。
本研究は、このアプローチが環境と食品科学の両方に二重の利益をもたらすと結論付けています。チーズホエイを用いて藻類を育てることで、研究者たちは問題のある廃棄物ストリームを浄化すると同時に、高価値なバイオマスを創出する方法を実証しました。このバイオマスは、次に、有益な細菌の性能を高める機能性食品添加物として機能します。今回の知見は、淡水池や伝統的な発酵食品といった現地の環境から得られる野生の微生物を、一つの統合されたシステムへと組み合わせることができることを示唆しています。このシステムは、乳製品の廃棄物から栄養分を回収するだけでなく、発酵食品の品質を向上させ、潜在的に乳糖不耐症の人々の乳製品の消化を助ける製品を生み出すことができます。プロセスにおいて、廃棄物で育てられた藻類がラボで育てられた藻類とは異なる影響を酵素生成に与えたことは示されましたが、全体的な結果としては、廃棄物由来のバイオマスが、有益な細菌の成長と機能をサポートするための実行可能かつ効果的なツールであることを裏付けています。
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