การพัฒนากระบวนการกลั่นทางชีวภาพเพื่อการผลิตสารชีวโมเลกุลทุติยภูมิเพื่อใช้เป็นสารเติมแต่งในอุตสาหกรรมอาหาร

บทคัดย่อ

การผลิตสารชีวเคมีที่มีมูลค่าสูงจากวัสดุเหลือใช้จากอุตสาหกรรมโดยเฉพาะอุตสาหกรรมแปรรูปทางการเกษตรด้วยกระบวนการกลั่นทางชีวภาพนับเป็นกระบวนการตามหลักการเศรษฐกิจ BCG (Bio-economy, Circular-economy และ Green-economy) ในปัจจุบันกระบวนการกลั่นทางชีวภาพมักจะมุ่งเพื่อการผลิตพลังงานชีวภาพในรูปแบบต่างๆ ซึ่งมีภาวะกดดันจากการแข่งขันทางด้านราคาของ fossil fuel ที่มีแนวโน้มลดลงมาจากอดีตอย่างต่อเนื่อง ทำให้กระบวนการการกลั่นทางชีวภาพเหล่านี้ไม่สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมได้จริงอย่างแพร่หลาย ดังนั้นโครงการวิจัยนี้มุ่งเป้าในการนำเอาวัสดุเหลือใช้จากการเก็บเกี่ยวทางการเกษตร ได้แก่ ฟางข้าวและเศษผัก มาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตสารชีวเมทาโบไลต์ทุติยภูมิที่มีมูลค่าสูงไฮโดรคาร์บอนระเหยง่ายซึ่งเป็นสารที่ใช้เติมแต่งกลิ่นในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องสำอางและเป็นผลิตภัณฑ์ที่ช่วยเพิ่มมูลค่าได้สูงกว่า 60-800 เท่าเมื่อเทียบกับราคาต่อหน่วย โดยจะอาศัยกระบวนการการกลั่นทางชีวภาพและกระบวนการหมักด้วยยีสต์ โดยกระบวนการกลั่นทางชีวภาพในงานวิจัยนี้ประกอบขั้นตอนหลักทั้งสิ้นสี่ส่วนได้แก่ 1) กระบวนการปรับสภาพมวลเบื้องต้น (pretreatment) 2) กระบวนการไฮโดรไลซิส 3) กระบวนการหมัก และ 4)กระบวนการกลั่นแยกผลิตภัณฑ์ นอกจากนี้งานวิจัยนี้ยังมีจุดมุ่งหมายในการลดขั้นตอนทั้ง 4 ขั้นตอนของกระบวนการโดยอาศัยหลักกระบวนการควบรวมขั้นตอน โดยการใช้เอนไซม์เซลลูเลสที่มีคุณสมบัติทนทานต่อสารละลายไอออนิคลิควิดที่ผลิตจากแบคทีเรียประกอบด้วย cocktail enzyme สองสูตรได้แก่ 1) 3S (MSL2+CBD2+CBD3) และ 2)CT-1 ซึ่งพบว่าเอนไซม์ทั้งสองชนิดนี้ยังคงมีประสิทธิภาพที่ดีมากกว่า 80% ในสารละลายไอออนิคลิควิดที่ความเข้มข้น 2.0 M ในขณะที่เอนไซม์เชิงการค้า Ctec2 ที่ผลิตจากเชื้อรานั้นมีประสิทธิภาพลดลงไม่เกิน 60% และเมื่อทำการทดสอบกระบวนการควบรวมขั้นตอนโดยการใช้ enzyme cocktail 3S และ CT-1 กับสารละลายไอออนิคลิควิด EMIM-Ac และ Cho-Ac สามารถเพิ่มการผลิตน้ำตาลรีดิวซ์ได้ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของกระบวนการควบรวมขั้นตอนที่นอกจากจะลดจำนวนถังทำปฏิกิริยาแล้ว ยังเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนชีวมวลเป็นน้ำตาลได้ดีขึ้นอีกด้วยมากกว่า 3.2 เท่า และ 2.75 เท่า ในฟางข้าวและเศษผักตามลำดับ จากนั้นได้นำเอาไฮโดรไลเซทที่ได้จากการไฮโดรไลซิสไปเป็นวัตถุดิบในกระบวนการหมักด้วยการใช้ไฮโดรไลเซทเป็นแหล่งคาร์บอนเพื่อเพาะเลี้ยง yeast S. cerevisiae, K. marxianus TISTR 5116 และ K. marxianus TISTR 5616 โดยทำการทดสอบปัจจัยในการเพาะเลี้ยงในระดับห้องปฏิบัติการได้แก่ อุณหภูมิ อัตราการเขย่าและปริมาณน้ำตาล โดยพบว่า ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตสาร aroma alcohol และ aroma ester ได้แก่ อัตราการเขย่าและปริมาณน้ำตาล ซึ่งแสดงว่าสภาวะที่มีอากาศปานกลางนั้นเหมาะสมต่อการผลิตสาร aroma compound จากนั้นทำการทดสอบการผลิตสาร aroma compound ในระดับ fermenter ขนาด working volume 3 ลิตรในระบบการเลี้ยงแบบ batch และเมื่อทำการปรับ %inoculum พบว่าการเพาะเลี้ยงที่ 10% inoculum ได้ผลผลิต aroma compound สูงสุดที่วันที่ 3 และเมื่อปรับอัตราการเติมอากาศที่เป็นที่ระดับ 0.5 vvm พบว่าผลผลิตของ aroma compound สูงสุดที่ได้จะอยู่ที่ 430 mg/L หรือคิดเป็น conversion yield เท่ากับ 4.3% จากนั้นทำการพัฒนาต้นแบบผลิตภัณฑ์ด้วยกระบวนการกลั่นลำดับส่วนของน้ำหมักที่ได้จากฟางข้าวและเศษผัก พบว่า fraction ที่กลั่นได้ที่ 50 oC มีองค์ประกอบของสารกลุ่ม amyl alcohol ที่สามารถนำไปผลิตเป็นสาร amyl acetate ที่เป็นสารเติมแต่งกลิ่นกล้วยในอุตสาหกรรมอาหารในปัจจุบัน จึงแสดงให้เห็นว่าต้นแบบผลิตภัณฑ์ที่ได้นี้ได้มาจากวัตถุดิบธรรมชาติและกระบวนการหมักที่มีศักยภาพในการพัฒนาเป็นสารเติมแต่งกลิ่นในออุตสาหกรรมอาหารได้

คำสำคัญ