Optimization of lactic acid production from dairy whey using indigenous lactic acid bacteria

チーズが作られるたびに、膨大な量の液体が後ろに残されます。1キログラムのチーズが生産されるごとに、およそ10リットルの「甘いホエイ（乳清）」と呼ばれる水状の副産物が生成されます。見た目は水のようですが、実際にはチーズ製造過程で取り込まれなかった糖分、タンパク質、ビタミンが豊富に含まれています。多くの場所では、この栄養豊富な液体は廃棄物として扱われています。川に流されたり放置されたりすると、水中の酸素を消費し、深刻な環境負荷を与えます。しかし、この液体には隠れた可能性があります。中の糖分を微細な天然の微生物に食べさせることで、乳酸を作り出すことができるのです。この物質は、食品保存料から化粧品、生分解性プラスチックに至るまで、あらゆるものを作るための多才な構成要素となります。汚染物質となる廃棄物を価値ある素材へと変えることは、何も無駄にせず、すべての出力が新しい何かの入力となる「循環型経済」への転換を象徴しています。

酪農が急速に発展しているルワンダ北部の高地では、研究者たちは地元のチーズメーカーから排出される大量のホエイを管理するという課題に直面していました。INES-ルヘンゲリの研究チームは、その地域に元々存在する細菌を用いて、この廃棄物を乳酸へと変えられるかどうかを検証することに乗り出しました。海外から特殊な培養菌を輸入する代わりに、彼らは伝統的な発酵食品である地元のヨーグルトに、適切な微生物を見出す道を選びました。彼らは、探索を開始するために、3つの異なるチーズ加工業者からホエイのサンプルを、そして地元の市場からヨーグルトを収集しました。テストされたホエイは、乳に含まれる糖である乳糖に加え、少量のタンパク質やミネラルを含む豊かなスープであることが確認されており、発酵のための理想的な栄養源となっていました。

研究者たちはまず、地元のヨーグルトからいくつかの乳酸菌株を分離しました。これらは、牛乳をヨーグルトに変える役割を担う、同じ種類の「善玉」微生物です。滅菌したホエイの中でこれらをテストした後、彼らは特定の菌株を一つ選び、それを「LAB-4」と名付けました。なぜなら、その菌株がホエイの糖を酸へと変換する上で最も効率的であることが証明されたからです。この菌株は、わずか3日間でホエイのpHを大幅に低下させることができ、これは菌が活発に働いている兆候でした。この自生細菌を手に入れたチームは、次の段階、すなわち、その菌が機能するための完璧な環境を見つけるという段階へと進みました。彼らは、温度、初期の液体の酸性度、そして添加する細菌の量が結果を左右することを知っていたため、体系的な手法を用いて、最適な条件を見つけ出すために何百通りもの組み合わせをテストしました。

この入念なテストを通じて、科学者たちは、細菌が37度の温かい温度、pH 6.0の初期値、そして特定の量の細菌培養液が含まれている状態で最もよく機能することを発見しました。これらの最適化された条件下では、プロセスは極めて効果的でした。わずか48時間で、細菌はホエイ中の乳糖を乳酸へと変換し、43.2グラム毎リットルという濃度に達しました。この結果は、消費された糖1グラムに対して、細菌が約0.87グラムの乳酸を生成したことを意味しており、輸入された商業用細菌を用いた手法にも匹敵する高い効率性を示しています。また、このプロセスは廃水も浄化しました。汚染の度合いを示す指標である化学的酸素要求量（COD）は3分の2以上減少し、発酵が廃棄物の処理と製品の生成を同時に行っていることが証明されました。

発酵が完了した後、チームは液体から乳酸を分離する必要がありました。彼らは、水酸化カルシウムを用いて酸を固体の塩に変え、それをろ過して酸を遊離させるという、簡便な方法を用いました。この回収ステップは成功し、利用可能な酸の約75パーセントを、82.5パーセントの純度で回収することに成功しました。この純度は高度な工業用機械が達成できるレベルよりは低いものの、多くの食品や技術的な用途には十分なものです。研究者たちはまた、小規模なスケールでのプロセスの経済性についても検討し、1キログラムの乳酸を生産するコストは約2.10米ドルになると推定しました。この価格帯は、この手法が地元の乳製品加工業者にとって財務的に実行可能であることを示唆しており、環境的な負債を収益源へと変える手段を提供しています。

この研究は、ローカルな解決策がグローバルな問題に対処できることを示しています。地域の固有の細菌を使用し、地元の廃棄物を用いてその成長を最適化することで、研究者たちはルワンダの乳製品加工業者がより持続可能な形でホエイを管理できることを示しました。この研究は、甘いホエイが乳酸生産のための適切な基質であること、そして土着の細菌が、高価な輸入培養菌を必要とせずに効率的にその役割を果たすことができることを裏付けています。現在の実験はフラスコ内で行われ、回収方法も基礎的なものでしたが、その結果は将来の開発に向けた強力な基盤となります。このプロセスは、廃棄物を価値ある資源へと変える、環境保護と経済成長という国の目標に沿った、実用的かつ低コストな「バロリゼーション（価値化）」への道筋を提示しています。