نشرت دورية "فرونتيرز إن بايوإنجينيرينغ آند بايوتكنولوجي" مراجعة شاملة تفحص استراتيجيات تخمر الزيوت الميكروبية وتقييم عمليات الإنتاج الصناعي، أجراها باحثون من معهد سنغافورة للابتكار في الأغذية والتقنية الحيوية ومؤسسات شريكة. تشير المراجعة إلى أن الزيوت الميكروبية تُنتج تجاريًا منذ الثمانينيات، إلا أن اعتمادها الصناعي الواسع لا يزال محدودًا بسبب تجاوز تكاليف الإنتاج تكاليف الزيوت والدهون التقليدية.
تنوع الكائنات الدقيقة الزيتية وقدراتها
تعرف المراجعة الكائنات الدقيقة الزيتية بأنها القادرة على تراكم أكثر من 20% من كتلتها الجافة دهونًا، مع وصول بعض السلالات لمستويات أعلى بكثير في ظروف محسنة. من بين الخمائر، حظيت أنواع يارويا ليبوليتيكا، رودوسبوريديوم تورولويدس، وليبوميسيس ستاركيي بأكبر اهتمام. أما الفطريات الخيطية مثل مورتييريلا ألبينا وموكور سيرسينيليدس، فتتميز بإنتاج الأحماض الدهنية متعددة غير المشبعة. وقد أظهرت أجناس بكتيرية مثل رودوكوكوس وستربتومايسيس محتوى دهنيًا يتجاوز 70% من الوزن الجاف في بعض الأنواع. وتكمل الطحالب الدقيقة، بما فيها كلوريلا، نانوكوروبسيس، وشيزوكيتريوم، القائمة بقدرتها على تثبيت ثاني أكسيد الكربون ضوئيًا.
إنجازات مخبرية في تراكم الدهون
سجلت يارويا ليبوليتيكا المعدلة وراثيًا إنتاجًا مكافئًا للدهون بلغ 120.4% من وزن الخلية الجاف في ظل تخمر استخلاصي، مع استخلاص مستمر للأحماض الدهنية باستخدام الدوديكان. بلغت كوتانيوترايخوسبورون أوليجينوسوس 60% دهونًا عبر نطاق واسع من الركائز، من حمض الأسيتيك إلى ورق النفايات. وصلت تريكوسبورون كوتانيوم إلى 76.8% بعد تطور تكيفي، بينما حققت رودوسبوريديوم تورولويدس 78.3% في وسط غليسرول مضاف إليه مادة سطحية. أما بين الفطريات الخيطية، فخزنت مورتييريلا إيزابيلينا وكانينغاميلا إيكينولاتا ما يصل إلى 86% و57% على التوالي من الدهون في الكتلة الجافة أثناء نموها على الغليسرول الخام.
مزايا تتجاوز المحتوى الدهني
تتميز هذه الكائنات بإمكانية زراعتها دون حاجة لأراضٍ صالحة للزراعة، وعلى ركائز منخفضة التكلفة أو مشتقة من النفايات، كما أن أوقات تضاعفها تقاس بساعات وليس بدورات نمو موسمية ممتدة. يمكن للدهون الميكروبية أن تكمل أو تحل محل المصادر الدهنية التقليدية، وتحول عبر أسترة الميثانول إلى بيوديزل، أو مع كحوليات قصيرة السلسلة لإنتاج استرات أحماض دهنية ذات تطبيقات نكهة محتملة. كما يمكن للثلاثي غليسريدات الغنية بحمض الستياريك والأوليك والبالمتيك أن تكون بدائل لزبدة الكاكاو، وهو منتج مطلوب بشدة في صناعات الأغذية ومستحضرات التجميل.
تاريخ تجاري وتطبيقات حالية
بدأت المسيرة التجارية في الثمانينيات مع موكور سيرسينيليدس لإنتاج زيت غني بحمض غاما-لينولينيك، تلتها مورتييريلا ألبينا لحمض الأراكيدونيك. في 2006، بدأ الإنتاج التجاري باستخدام الخمائر تحت شركتي دوبونت وسي بي كيلكو، مستخدمين سلالة معدلة من يارويا ليبوليتيكا لإنتاج أحماض دهنية متعددة غير مشبعة غنية بحمض إيكوسابنتانويك. مؤخرًا، استكشفت سلالات معدلة من رودوسبوريديوم تورولويدس وليبوميسيس ستاركيي لتحويل الكتلة الليغنوسليلوزية إلى دهون بواسطة "أجايل بايوفاوندري" في وزارة الطاقة الأمريكية. رغم هذه الإنجازات، لم يُثبت الإنتاج التجريبي إلا لعدد قليل من الكائنات، ولم تتحقق تكافؤ الأسعار مع الزيوت النباتية، خاصة في صناعة الأغذية.
نسبة الكربون إلى النيتروجين واستراتيجيات التخمر
تعد نسبة الكربون إلى النيتروجين عاملًا محوريًا في تراكم الدهون عبر الكائنات الدقيقة، حيث يعزز الحد من النيتروجين توجيه الكربون الزائد نحو التخليق الدهني بدلاً من النمو. لكن تحقيق نسب عالية يتطلب تحميل كربون أولي مرتفع قد يسبب تثبيط الركيزة وإجهادًا أسموزيًا وانخفاض الإنتاجية. تشير المراجعة إلى أن نسبة تتجاوز 40 تعتبر مواتية عمومًا، مع استجابات خاصة بالأنواع؛ فـ رودوسبوريديوم تورولويدس تتحمل 150 جرامًا/لتر جلوكوز، بينما حققت يارويا ليبوليتيكا تركيزات كتلة حيوية منخفضة نسبيًا عند مستويات ركيزة أقل.
التخمر التغذي والمرحلتان: آفاق واعدة
للتغلب على القيود، تفحص المراجعة استراتيجيات التخمر التغذي والمرحلتين. تتيح العمليات التغذية التحكم في إضافة الركيزة والمغذيات، مانعةً التركيزات المفرطة ومطيلةً فترة الإنتاج. في تخمر تغذي استمر 200 ساعة لـ ليبوميسيس ستاركيي، بلغ تركيز الخلايا 109.80 جرام/لتر وعيار الدهون 64.60 جرام/لتر. سجل ماكنيل وستيوارت ثقافات تغذية وصلت فيها كثافة الخلايا إلى 153 جرام/لتر مع محتوى دهني 60-70% عبر مواد أولية متنوعة. كما أدى استخدام الغليسرول كمصدر كربون في التخمر التغذي إلى مضاعفة إنتاجية الدهون مقارنة بالوضع الدفعي.
تبرز استراتيجية المرحلتين كأكثر الأساليب الواعدة لزيادة إنتاجية الدهون. تتكون من مرحلة أولى غنية بالنيتروجين لزيادة الكتلة الحيوية، تليها مرحلة محدودة النيتروجين لتحفيز تراكم الدهون. في إحدى الحالات، زُرعت ليبوميسيس ستاركيي أولًا في وسط غني، ثم أعيد تعليقها في محلول جلوكوز بدون مغذيات مساعدة، محققة إنتاجية دهون 1.6-2 جرام/لتر/ساعة وعائد 64.9% وزنًا في المرحلة الثانية. في حالة أخرى، نما رودوسبوريديوم تورولويدس مع جلوكوز بنسبة كربون/نيتروجين 5 لأربعة أيام، ثم أعيد تعليقه في وسط قائم على حمض الأسيتيك بنسبة 200، محققًا كتلة حيوية نهائية 6.75 جرام/لتر مع 50.1% دهون. كما أبرزت المراجعة كيف أن التحكم التدريجي في درجة الحرارة والأكسجين المذاب عبر المراحل يمكن أن يعزز الإنتاج، مع أمثلة على تحسن كبير عند خفض الحرارة خلال مرحلة التخليق الدهني في الفطريات والخمائر.
فجوات حرجة وتحديات اقتصادية
رغم الواعدة، تحدد المراجعة فجوة حرجة: التوقيت والظروف المثلى للانتقال بين مراحل النمو وتراكم الدهون لا تزال سيئة التوصيف عبر السلالات والركائز، وتتعقد أكثر عند استخدام ركائز نفايات ذات تركيب متغير، ما يستدعي نقاط تحويل ديناميكية لا ثابتة. تتطلب عمليات الدفعات ثنائية المراحل وعاءين منفصلين على الأقل، مما يضيف تحديات النقل المعقم وزيادة وقت التوقف. يقترح المؤلفون وسطًا ثنائي المراحل مصممًا عمدًا، يستنفد فيه النيتروجين بنهاية مرحلة النمو وتستمر تغذية الكربون لدفع التخليق الدهني، لتحسين بساطة العملية.
لا تزال الفجوة الاقتصادية كبيرة: تقدر عمليات زيت الخلايا الميكروبية حاليًا بـ 2.4-5.8 دولار/كجم، مقابل 0.7-1.2 دولار/كجم للزيوت النباتية التقليدية. ومع ذلك، تتوسع التطبيقات التجارية؛ حيث شكلت زيوت الطحالب الدقيقة 3.3% من سوق أحماض أوميغا-3 الدهنية حجمًا في 2022. شركات مثل دي إس إم-فيرمينيش، كوربيون، وآرشر-دانييلز-ميدلاند أطلقت زيوت تخمر غنية بـ DHA وEPA وARA لتغذية الرضع، المكملات، أعلاف الاستزراع المائي، والأغذية الوظيفية. شركات ناشئة مثل نو بالم إنغريدينتس وسي 16 بايوساينسز تطور منصات دهون ميكروبية كبدائل للزيوت النباتية التقليدية، خاصة زيت النخيل. تختتم المراجعة بأن سد الفجوة الاقتصادية يتطلب تقدمًا متزامنًا على جبهات متعددة، تشمل زيادة العيارات والإنتاجية، ومعالجة لاحقة أكثر كفاءة، وتحسين عمليات متكامل يقترن فيه اختيار السلالة بخصائص المادة الأولية ونمط العملية.
