การหมักแบบแม่นยำ: อนาคตโปรตีนอาหารเพื่อความยั่งยืน Precision Fermentation : The Next Frontier for Sustainable Food Proteins

การหมักแบบแม่นยำ: อนาคตโปรตีนอาหารเพื่อความยั่งยืน
Precision Fermentation : The Next Frontier for Sustainable Food Proteins

By:   ชญานี ฉิมพาลี
Chayanee Chimpalee
Faculty of Agro-Industry
Chiang Mai University
chayanee.c@cmu.ac.th

ผศ.ดร. ภัทรานิษฐ์ กลิ่นมาลัย
Asst. Prof. Phatthranit Klinmalai, Ph.D.                    
Faculty of Agro-Industry
Chiang Mai University
phatthranit.k@cmu.ac.th

กระบวนผลิตโปรตีนด้วยเทคโนโลยีการหมักแบบแม่นยำ
1. การคัดเลือกและดัดแปลงพันธุกรรมของจุลินทรีย์ (Microbial Host Engineering) เป็นขั้นตอนเริ่มต้นที่สำคัญในกระบวนการผลิตโปรตีนด้วยเทคโนโลยีการหมักแบบแม่นยำโดยมุ่งเน้นการใช้จุลินทรีย์ เช่น ยีสต์ แบคทีเรีย และรา ที่สามารถนำยีนที่มีการดัดแปลงให้ผลิตเป็นโปรตีนเป้าหมายจากสัตว์ ได้แก่ เวย์โปรตีน เคซีน หรือเฮโมโกลบิน การดัดแปลงพันธุกรรมของโปรตีนเป้าหมาย -lactoglobulin หรือ casein แล้วใส่เข้าไปในจุลินทรีย์ S. cerevisiae และ P. pastoris ด้วยเทคนิคพันธุวิศวกรรม จากนั้นใช้โพรโมเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อควบคุมการแสดงออกของยีน ทำให้จุลินทรีย์สามารถผลิตโปรตีนได้อย่างมีประสิทธิภาพในระบบการหมักทางอุตสาหกรรม เพื่อสร้างโปรตีนทางเลือกที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับโปรตีนจากสัตว์ ทั้งโครงสร้าง คุณค่าทางโภชนาการ และความปลอดภัยในการบริโภค

2. สูตรอาหารและการเลี้ยงเชื้อในกระบวนการหมัก (Fermentation Medium & Culture) สูตรอาหารเลี้ยงเชื้อและการควบคุมสภาวะการเจริญเติบโตของจุลชีพเป็นขั้นตอนสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการการหมักแบบแม่นยำ โดยสูตรอาหารต้องมีสารอาหารครบ เช่น แหล่งน้ำตาล แหล่งไนโตรเจน เกลือแร่ และวิตามิน เพื่อการเจริญเติบโตของจุลชีพและการผลิตโปรตีนเป้าหมาย รวมถึงต้องมีการควบคุมปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ค่า pH ปริมาณออกซิเจน และรูปแบบการหมัก (batch, fed-batch หรือ continuous) ซึ่งในขั้นตอนนี้จะช่วยเพิ่มผลผลิต และลดต้นทุนได้

3. กระบวนการหมักเพื่อผลิตโปรตีน (Precision Fermentation Process) จุลินทรีย์ที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมจะถูกเลี้ยงในถังหมัก (Bioreactor) ซึ่งมีระบบควบคุมอุณหภูมิ ค่า pH การให้ออกซิเจน และการกวนอย่างต่อเนื่อง เพื่อสร้างสภาวะที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตและการผลิตโปรตีนของจุลินทรีย์ โดยลักษณะของกระบวนการหมักเพื่อผลิตโปรตีนสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 รูปแบบหลัก คือ โปรตีนหลั่งออกนอกเซลล์ (Extracellular Protein Production): ต้องมีกระบวนการแยกและทำให้บริสุทธิ์ โปรตีนสะสมภายในเซลล์ (Intracellular Protein Production): ต้องมีขั้นตอนแยกเซลล์เพื่อดึงโปรตีนออกมาในภายหลัง และการผลิตโปรตีนในระดับสูงมักใช้ระบบควบคุมแบบ fed-batch หรือ continuous fermentation เพื่อช่วยให้สามารถควบคุมระดับสารอาหารและของเสียได้อย่างเหมาะสม ทำให้จุลินทรีย์สามารถผลิตโปรตีนได้อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ

4. การแยกและการทำให้บริสุทธิ์ของโปรตีน (Protein Purification and Downstream Processing) เป็นขั้นตอนที่เกิดขึ้นหลังจากกระบวนการหมักเสร็จสิ้น โดยใช้เทคนิคการสกัด แยก และทำให้บริสุทธิ์ ซึ่งผลิตภัณฑ์ชีวภาพ (โปรตีน เอนไซม์ หรือสารเมตาบอไลต์) ที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิต ต้องเลือกใช้เทคนิคต่างๆ เหล่านี้ และจำเป็นต้องออกแบบให้สอดคล้องกับลักษณะของผลิตภัณฑ์ เช่น ความไวต่อความร้อน ขนาดโมเลกุล ความสามารถในการละลายน้ำ และระดับความบริสุทธิ์ที่ต้องการ

5. การทำแห้งและแปรรูป (Formulation & Drying) เป็นขั้นตอนสุดท้ายในกระบวนการ Precision Fermentation โปรตีนจะอยู่ในรูปของเหลว ซึ่งไม่สะดวกต่อการเก็บรักษาในระยะยาว จึงต้องทำให้แห้ง (Drying) เพื่อให้โปรตีนคงคุณสมบัติไว้ได้นาน โดยไม่สูญเสียโครงสร้างหรือฤทธิ์ทางชีวภาพ ซึ่งการทำแห้งนิยมใช้เครื่องมือ คือ (1) Spray Drying หรือการอบแห้งแบบพ่นฝอย ซึ่งเป็นกระบวนการที่ของเหลวโปรตีนถูกทำให้เป็นละอองฝอยเล็กๆ และผ่านเข้าไปในกระแสลมร้อน ทำให้เกิดเป็นผงแห้งที่มีความละเอียดสูง จึงเหมาะสำหรับการผลิตในเชิงอุตสาหกรรมประเภทผลิตภัณฑ์อาหารหรือเครื่องดื่มได้ทันที (2) Freeze Drying เหมาะสำหรับโปรตีนที่ไวต่อความร้อน สามารถเก็บคุณสมบัติทางโครงสร้างของโปรตีนได้ดี แต่มีต้นทุนสูงและใช้เวลานาน จึงเหมาะสำหรับโปรตีนที่มีมูลค่าสูง (3) Vacuum Drying / Drum Drying ใช้ในกรณีที่โปรตีนอยู่ในรูปแบบของเหลวที่มีความหนืดสูง อาจใช้การควบคุมอุณหภูมิและความดันร่วมด้วย

Precision Fermentation for Protein Production
1. Microbial host selection and engineering: This crucial initial stage involves genetically engineering microbial hosts, such as yeast, bacteria, and fungi, to produce target proteins that mimic the properties of animal proteins, including whey protein, casein, or hemoglobin. For instance, genes encoding target proteins like β-lactoglobulin or casein are precisely modified and inserted into Saccharomyces cerevisiae and Pichia pastoris. Subsequently, highly efficient promoters are utilized to control gene expression, ensuring that these microbial hosts can effectively produce the desired proteins within industrial fermentation systems. As a result, this process yields alternative proteins possessing structural, nutritional, and safety properties akin to their animal-derived counterparts.

2. Fermentation medium and culture: The selection of the fermentation medium and the maintenance of controlled conditions for microbial culture are crucial steps in optimizing the efficiency of precision fermentation. The chosen medium must provide a comprehensive set of nutrients, including sugar sources, nitrogen sources, minerals, and vitamins, to ensure optimal microbial growth and the efficient production of desired target proteins. Other critical variables, such as temperature, pH, oxygen levels, and the chosen fermentation type (batch, fed-batch, or continuous), must be strictly regulated to further enhance productivity and reduce operational costs.

3. Precision fermentation process: Genetically engineered microbial hosts are cultured within a bioreactor where temperature, pH, and oxygen levels are meticulously controlled, and continuous stirring is maintained to ensure ideal conditions for microbial growth. In precision fermentation, protein production primarily occurs through two main types: Extracellular Protein Production, which necessitates subsequent processes like isolation and purification, and Intracellular Protein Production, which requires cell lysis or extraction. The efficient production of high quantities of proteins typically relies on fed-batch or continuous fermentation control systems. These systems effectively regulate nutrient and waste levels, thereby ensuring that microbial hosts can produce proteins in a continuous and highly efficient manner.

4. Protein purification and downstream processing: Following the fermentation process, this crucial stage involves a series of extraction, isolation, and purification techniques. Biological products—such as proteins, enzymes, and metabolites—synthesized during production must undergo these techniques, which are specifically customized to suit the nature and requirements of each product, considering factors like heat sensitivity, molecular size, water solubility, and desired purity level.

5. Formulation and drying: This constitutes the final stage of precision fermentation. Since proteins are in a liquid state, which does not facilitate long-term storage, they must undergo drying to better retain their original biological properties and structures for an extended period. Drying can be accomplished via different methods, including spray drying, freeze drying, and vacuum drying. First, in spray drying, liquid proteins are atomized into tiny droplets and sprayed into a hot air current, where they are rapidly converted into a dried, finely-grained powder. This method is well-suited for the industrial production of instant foods and beverages. Next, freeze drying is ideal for proteins with high heat sensitivity as it can effectively preserve protein structural integrity. However, due to its higher costs and longer operation times, it is typically reserved for high-value proteins. Lastly, vacuum drying, or drum drying, is employed when proteins are in a liquid state with high viscosity. It can be used in conjunction with temperature and pressure control.