Saimnieks LV / 2021.gads (Jūnijs.)

Saskaņā ar ES nostādnēm pētījumi rūpnieciskās biotehnoloģijas jomā arvien vairāk tiek pievērsti aprites ekonomikai, kas paredz, ka viena noteikta bioprocesa blakusprodukti vai atkritumvielas var tikt izmantotas kā izejvielas citu produktu iegūšanai, līdz minimumam samazinot atkritumvielu daudzumu.

Tas ir īpaši svarīgi gadījumos, kad tehnoloģiskajos procesos veidojas ievērojams daudzums blakusproduktu un/vai atkritumvielu. Piena rūpniecībā nozīmīgs blakusprodukts ir sūkalas, kas veido 80–90 % no izmantotās izejvielas apjoma un satur aptuveni 55 % piena uzturvielu. Izšķir divu veidu sūkalas (1. tabula): saldpiena un skābpiena. Saldpiena sūkalas ar pH 5.6−6.3 rodas siera ražošanas procesā, ja tiek izmantoti piena recināšanas fermenti (himozīns, pepsīns), savukārt skābpiena sūkalas ar pH 4.4–4.6 atdalās skābpiena sieru un biezpiena ražošanā, ja pienu sarecina ar pienskābi, kas veidojas, pienskābes baktērijām pārraudzējot piena cukuru (laktozi). Recināšana panākama, arī pievienojot pienam citas, pārsvarā organiskās skābes (piemēram, citronskābi). Tādējādi līdztekus katram saražotā siera kilogramam veidojas aptuveni 9 L sūkalu.

Skābpiena sūkalām salīdzinājumā ar saldpiena sūkalām ir zemāks olbaltumvielu, augstāks sāļu saturs un nedaudz mazāk laktozes. Augstāka sāļu satura dēļ augstākas ir arī to utilizācijas izmaksas.

Augot piena rūpniecības apjomiem, ievērojami palielinās pasaulē saražoto sūkalu apjoms, t.i., vismaz 180–200 milj. t gadā. Šo blakusproduktu raksturo ļoti liels bioķīmiskā skābekļa patēriņš (BSP) un ķīmiskā skābekļa patēriņš (ĶSP) – attiecīgi 27−60 kg/m³ un 50−102 kg/m³. Tas liecina par sūkalu visai augstu noturību pret oksidēšanos jeb noārdīšanos bioloģisko vai ķīmisko oksidējošo aģentu (O2 − ekvivalenti) iedarbībā. To nosaka lielā organisko vielu, īpaši laktozes (39–60 kg/m³) koncentrācija, kuras noārdīšanās ir apgrūtināta, tādējādi radot nopietnas problēmas gan piena rūpniecībai, gan ārējai videi. Tādēļ nav pieļaujama sūkalu tieša un nekontrolēta ievadīšana augsnē un/vai ūdenstilpnēs, kas radītu nopietnu kaitējumu šo ekosistēmu noturībai, dzīvotspējai un līdz ar to videi kopumā.

Kā tiek izmantotas sūkalas?
Lietderīgai sūkalu izmantošanai ir izstrādātas un piemērotas dažādas tehnoloģijas (1. attēls). Šim nolūkam izmanto divas atšķirīgas pieejas. Pirmā pieeja – sūkalas sadalīt, izmantojot dažādus tehnoloģiskos paņēmienus un iegūstot komerciāli nozīmīgus produktus, piemēram, individuālus proteīnus vai to koncentrātus, deproteinizētas sūkalas (t.s. sūkalu permeātu), laktozi, glikozes-galaktozes sīrupu u.c. (1. attēls). Otrā pieeja − sūkalu biokonversija mikrobiālās fermentācijas procesos, izmantojot laktozi kā oglekļa avotu daudzveidīgu augstas pievienotās vērtības produktu ieguvei. To vidū minami spirti (etanols, butanols), organiskās skābes (pienskābe, dzintarskābe, propionskābe), bakteriocīni, biopolimēri (fermenti, polihidroksibutirāts, ksantāns u.c.), vienšūnas organismu proteīni un eļļas.

1. attēls.  Sūkalu pārstrādes iespējas augstas pievienotās vērtības produktu ieguvei.

Lai gan sūkalas ir piemērota izejviela mikrobiālās fermentācijas nodrošināšanai, daudzas rūpnieciski nozīmīgas mikroorganismu kultūras, izņemot pienskābes baktērijas, nespēj izmantot laktozi kā vienīgo oglekļa avotu. Sūkalām ir arī salīdzinoši zema oglekļa un slāpekļa (C/N) attiecība, kas negatīvi ietekmē vairāku produktu, tostarp biopolimēru, biosintēzi.

Lai sūkalas efektīvāk izmantotu rūpnieciskajā fermentācijā, nepieciešams veikt to priekšapstrādi un/vai izmantot sūkalu atvasinājumus, piemēram sūkalu pulveri, šādi fermentācijas vidē nodrošinot noteiktu laktozes koncentrāciju, izvairoties no sūkalu sastāva sezonālām svārstībām un pagarinot to uzglabāšanas laiku.

Tomēr jāatzīst, ka sūkalu komerciālais pielietojums pa nozarēm (2. attēls) joprojām ir nevienmērīgs, daudzējādā ziņā ierobežots un nepietiekams, īpaši attiecībā uz to produktiem ar augstu pievienoto vērtību (1. attēls). To vidū īpaši atzīmējami mikroorganismu sintezētie biopolimēri, to skaitā ārpusšūnu polisaharīdi (EPS), kuru ieguvei tiek pievērsta arvien lielāka uzmanība, arī LU Bioloģijas institūta Rūpnieciskās mikrobioloģijas un biotehnoloģijas laboratorijā.

2. attēls. Sūkalu produkcijas apjoms un to patēriņa sadalījums dažādās nozarēs.

Ļoti daudz no fosilām izejvielām iegūtās plastmasas atkritumu (vienreizlietojamie trauki, iepakojumi u.tml.) nonāk vidē no dažādiem avotiem gan uz sauszemes, gan jūrā, radot būtisku kaitējumu ekonomikai un videi. Bioloģiski nesadalāmu materiālu, arī tradicionālo polimēru (plastmasu) plašā un pat pieaugošā izmantošana rada bažas par vides piesārņojumu un motivē meklēt videi draudzīgākus risinājumus.

No sūkalām līdz bioplastmasai
Bioplastmasa ir bioloģiskas izcelsmes vai/un bioloģiski noārdāms polimēra materiāls. Termins bioloģiskas izcelsmes nozīmē, ka materiāls vai produkts ir iegūts no atjaunojamiem resursiem. Šiem nosacījumiem pilnībā atbilst mikrobiālās izcelsmes polimēri, kuru biosintēzei tiek izmantotas sūkalas un/vai to atvasinājumi, jo veicina videi draudzīgāku un ekonomiski efektīvāku tehnoloģiju attīstību, tātad arī bioloģiski noārdāmu un bioloģiski saderīgu materiālu plašāku izmantošanu. Turklāt mikrobiālās izcelsmes polimēri ne tikai neatpaliek no fosilās izcelsmes polimēriem, bet daudzējādā ziņā pat pārspēj tos, īpaši tad, ja tiek izmantoti funkcionāli daudzveidīgu kompozītu veidā. Bioplastmasai ir ievērojams komerciālais potenciāls un daudzsološas pielietojuma iespējas pārtikas rūpniecībā, biomedicīnā, elektronikā u.c. jomās, kur tiek izmantotas fosilās izcelsmes plastmasas.

Šajā ziņā īpaša uzmanība jāpievērš bakteriālās celulozes (BC) ieguvei, kā izejvielu izmantojot sūkalas, un šī polimēra tehnoloģiskajām iespējām. BC ir D-glikozes polimērs, kas veido nanošķiedras ar unikālu 3D – tīklveida struktūru (3A. attēls). BC raksturo unikālu īpašību kombinācija, piemēram, augsts kristāliskums un polimerizācijas pakāpe, liels virsmas laukums, augsta elastība, stiepes izturība un ūdens noturēšanas spēja. Tā nesatur lignīnu, hemicelulozi, pektīnu, tādēļ ir augstvērtīgs un bioloģiski labi savietojams materiāls. Tas ir īpaši svarīgi BC biomedicīniskajiem pielietojumiem produktos ar augstu pievienoto vērtību (augstas stiprības biopolimēri, iepakošanas materiāli, brūču funkcionalizētie pārsēji, audus aizvietojošie materiāli, farmaceitisko preparātu pārneses aģenti, biosensoru elementi u.c.). Kā viena no unikālām BC īpašībām ir jāizceļ tās mehāniskā izturība, kas vismaz divas reizes pārsniedz augu (koksnes) izcelsmes celulozes rādītājus. Pateicoties savām unikālajām struktūras un mehāniskajām īpašībām salīdzinājumā ar augu izcelsmes celulozi, BC varētu kļūt par plašāk pieejamu un industriāli daudzpusīgi izmantojamu izejmateriālu.

Aktīvais iepakojums pārtikai
Pārtikas biotehnoloģiju nozarē aktuāla ir tādu nekaitīgu un bioloģiski noārdāmu pārklājumu un iepakojuma materiālu izveide, kas būtiski palielina produktu uzglabāšanas laiku. Īpaši svarīgi tas ir ātri bojājošos produktu (gaļas izstrādājumi, augļi, ogas, dārzeņi) drošai un ilgstošai kvalitātes saglabāšanai. Mikrobiālās izcelsmes polimēri ir potenciāli nozīmīgi šādu materiālu izveidei. BC kompozītu raksturlielumi atbilst vispārējām prasībām, kas izvirzāmas iepakošanas materiāliem, lai pārtikas produktu uzglabāšanas laikā nodrošinātu to īpašību stabilitāti, tātad arī nepieciešamo kvalitāti un drošību. Šādas prasības un nosacījumi atbilst inovatīvai aktīvā iepakojuma koncepcijai, kas paredz plašāku aktīvo materiālu un izstrādājumu izmantošanu, lai paildzināt iepakotu pārtikas produktu uzglabāšanas laiku, saglabājot to sākotnējo kvalitāti. Šeit īpaši nozīmīgas ir ne tikai izmantojamo materiālu mehāniskās (stiepes izturība, plastiskums u.c.), bet arī specifiskās īpašības, kas nodrošina to barjerfunkciju (produktu/ārvides gāzu un ūdens tvaiku apmaiņa, noturība pret mitrumu, mikrobioloģisko piesārņojumu utt.). Šādos pārklājumos un bioplēvēs ir vairākas sastāvdaļas ar atšķirīgām taču savstarpēji komplementārām īpašībām. Tādējādi tiek panākta atsevišķo sastāvdaļu īpašību sinerģiska mijiedarbība, un veidojas kompozītmateriāli. Aktīvo iepakojumu veidojošā kompozītmateriāla vēlamo īpašību iegūšanai var izmantot dažādus aktīvos aģentus (citus polimērus, baktericīdos un fungicīdos savienojumus, antioksidantus, brīvo radikāļu savācējus, dabiskās krāsvielas, minerālvielas utt.).

3A attēls. BC bioplēves ultrastruktūra skenējošā elektronu mikroskopā (SEM mikrogrāfija).

3B attēls. Fermentācijas gaitā iegūta BC bioplēves loksne.

Bioloģiskās celulozes rūpnieciska ražošana
Mikroorganismu spēja sintezēt BC rūpnieciski perspektīvā daudzumā ir samērā maz izplatīta. Nozīmīgākās un rūpnieciski izmantojamās BC ražojošās kultūras pieder pie Komagataeibacter etiķskābes baktēriju ģints, kuras atsevišķi celmi spēj izmantot plašu oglekļa avotu klāstu, tostarp sūkalas, ar katram baktēriju celmam specifisku aktivitāti. Šādus BC ražotājus pētījumu gaitā ir izdevies izolēt un patentēt arī LU Bioloģijas institūta mikrobiologiem. (3C. attēls)

Ražojošo kultūru statisko audzēšanu (3E. attēls) platēs ar pietiekamu gaisa/šķidruma saskares laukumu var izmantot augstas pievienotās vērtības BC produktu ieguvei (iepakošanas materiāli, biomedicīna, kosmētika, elektronika), īpaši tad, ja tiem nepieciešama noteikta struktūra un īpašības (polimerizācijas pakāpe, kristāliskums, elastība). Tomēr, lai gan vienkārši pielietojama, šī metode ir salīdzinoši darbietilpīga un laikietilpīga, kas ierobežo polimēra ieguves apjomu, tātad arī BC plašāku rūpniecisko/komerciālo pielietojumu.

Alternatīva un jau aprobēta metode ir producentu audzēšana dažādu konstrukciju bioreaktoros, nodrošinot fermentācijas vides gaisa un masas apmaiņu, kas palielina BC ražību, taču līdztekus var mainīt arī tās struktūru un īpašības, tā sašaurinot tālāko pielietojumu iespējas. Tomēr ir pamats uzskatīt, ka bioreaktoru turpmākie konstruktīvie uzlabojumi, barotņu sastāva un aerobās kultivācijas režīmu optimizācija u.c. efektivitātes uzlabojumi spēs nodrošināt ekonomiski rentablas tehnoloģijas augstvērtīgas BC iegūšanai rūpnieciskā mērogā.

Jāuzsver, ka neatkarīgi no tā, vai konkrētās producentu kultūras spēj izmantot sūkalas tieši vai arī ir nepieciešama to hidrolītiska priekšapstrāde, tālākajos vielmaiņas procesos, tostarp BC sintēzē, etiķskābes baktērijas izmanto vienīgi glikozi un galaktozi, līdz ar to sūkalu lielākā daļa saglabājas kultivācijas vidē. Šāds pārpalikums ir nevēlams, jo joprojām spēj veidot bioloģiski noturīgu notekūdeņu piesārņojumu. Tas ir novēršams, ja BC tehnoloģiskajam ciklam piesaista mikrobioloģiskos procesus, kuros galaktoze tiek izmantota kā oglekļa avots. Atšķirībā no baktērijām eikariotisko vienšūnas organismu (raugi un mikroskopiskās aļģes) vielmaiņas tīklos ir pārstāvētas reakcijas galaktozes enzimātiskai transformācijai glikozē, kas ir viegli izmantojams substrāts dažādu produktu tālākai mikrobioloģiskajai sintēzei. Daži mikroorganismi, tostarp raugu un cianobaktēriju celmi, spēj šādā veidā efektīvi izmantot gan laktozi, gan galaktozi, sintezējot un uzkrājot šūnās visai lielus (40–80 % no sausnas) olbaltumvielu daudzumus un citus vērtīgus produktus – kad atūdeņotas biomasas veidā izmantojami kā pārtikas un/vai lopbarības piedevas ar augstu uzturvērtību.

Tādējādi jāsecina, ka atbilstoši aprites ekonomikas pamatprincipiem vienšūnu proteīnu, kā arī citu vērtīgu metabolītu mikrobioloģiskā sintēze, izmantojot sūkalas un BC ieguves blakusproduktus, ļautu sasniegt ekonomiski efektīvus, videi draudzīgus un bezatlikumu ražošanas ciklam maksimāli tuvus risinājumus.

3D attēls. Attīrītas un homogenizētas BC mikrošķiedru frakcija biokompozītu iegūšanai.

3E attēls. BC ieguve statiskās fermentācijas gaitā optimizētajos sūkalu barotnes virsmas/tilpuma apstākļos.

Publikācija sagatavota projekta Bionoārdāmo polimēru iegūšana no atjaunojamiem resursiem augļu aizsargplēvju un iepakojuma materiālu izstrādei (LAD projekta Nr.19-00-A01612-000004) ietvaros, kas, sadarbojoties zinātniekiem, lauksaimniekiem un ražošanas uzņēmumiem, paredz biopolimēru pārklājumu un iepakošanas materiālu iegūšanu, izmantojot lauksaimnieciskās un pārtikas pārstrādes ražošanas blakusproduktus, optimizējot kultivācijas vides sastāvu un tehnoloģiskos režīmus.

Literatūras saraksts
• Circular economy: definition, importance and benefits. Pieejams tīmekļvietnē: https://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/economy/20151201STO05603/circular-economy-definition-importance-and-benefits
• Chanfrau J.M.P., Pérez J.N., Fiallos M.V.L., Rivera L, Abril V.H., et al. (2017) Milk Whey - From a Problematic Byproduct to a Source of Valuable Products for Health and Industry: An Overview from Biotechnology. Prensa Med Argent 103:4. doi: 10.4172/lpma.1000254
• Kaur, R., Panwar D., Panesar P.S. (2020). Biotechnological approach for valorization of whey for value-added products.In: Kosseva M.R., Webb C. (Eds) Food Industry Wastes. Academic Press pp. 275–302. doi:10.1016/B978-0-12-817121-9.00013-9
• Kolesovs S., Semjonovs P. (2020). Production of bacterial cellulose from whey-current state and prospects. Appl Microbiol Biotechnol. 104: 7723-7730. doi: 10.1007/s00253-020-10803-9
• Zhong C. (2020). Industrial-Scale Production and Applications of Bacterial Cellulose. Front Bioeng Biotechnol, 8 doi:10.3389/fbioe.2020.605374
• Zikmanis P., Kolesovs S., Semjonovs P. (2020). Production of biodegradable microbial polymers from whey. Bioresour Bioprocess, 7: 36. doi:10.1186/s40643-020-00326-6
• Zikmanis P., Brants K., Kolesovs S. Semjonovs P. (2020) Extracellular polysaccharides produced by bacteria of the Leuconostoc genus. World J Microbiol Biotechnol 36: 161 doi:10.1007/s11274-020-02937-9