חלבון חד-תאי

ספגטי בולונז תוצרת חברת Quorn<ref></ref> מיוצר עם חלבון צמחי כתחליף לבשר המכונה , שהופק מן העובש ]]חלבון חד-תאי או SCP הוא חלבון מיקרוביאלי המופק מחיידקים, שמרים, עובשים ואצות שגודלו בתנאים המתאימים להפקה מרבית של חלבונים אלה. החלבונים מופקים להזנה של בני אדם ובעלי חיים.<ref></ref>

הביומסה או תמצית החלבון מתרביות טהורות או מעורבות של מיקרואורגניזמים אלה עשויה לשמש כמרכיב או תחליף למזונות עשירים בחלבון. חקלאות תעשייתית מתאפיינת בשימוש כמויות מים גבוהות,<ref name="Mekonnen_2014"></ref> שימוש מרובה של קרקעות,<ref name="Tilman_1999"></ref> הרס מגוון ביולוגי,<ref name="Tilman_1999" /> הידרדרות אקולוגית כללית<ref name="Tilman_1999" /> ותורמת לשינויי האקלים על ידי פליטת שליש מכל גזי החממה.<ref></ref> ייצור SCP אינו גורם לאף אחת מארבעת הגורמים האלה.

הפקת SCP ממיקרואורגניזמים ייחודיים נעשית על ידי גידולם על מוצרי פסולת חקלאית, אם כי היא אפשרית גם ללא תלות במוצרי פסולת אלה, באמצעות גידול אוטוטרופי.<ref name="Bogdahn_2015"></ref> הודות למגוון הגבוה של חילוף החומרים המיקרוביאלי, SCP אוטוטרופי מספק מספר אופני צמיחה, אפשרויות מגוונות של מחזור חומרים מזינים ויעילות גבוהה באופן משמעותי בהשוואה לגידולים חקלאיים.<ref name="Bogdahn_2015" /> פרסום משנת 2021 הראה שייצור חלבון מיקרוביאלי המונע על ידי תאים פוטו-וולטאים<ref></ref> יכול לנצל פי עשרה פחות אדמה עבור כמות שווה של חלבון בהשוואה לגידול פולי סויה בשיטה החקלאית המסורתית.<ref name="Leger_2021"></ref>

כאשר אוכלוסיית העולם תגיע לפי המשוער לתשעה מיליארד בני אדם עד שנת 2050, קיימות ראיות חזקות לכך שהחקלאות לא תוכל לעמוד בביקוש מזון<ref></ref> ויהיה קיים סיכון רציני למחסור במזון.<ref></ref><ref></ref> SCP אוטוטרופי מייצג אפשרויות של ייצור מזון המוני בטוח ואיכותי גם בתנאי אקלים קשים.

== היסטוריה ==
בשנת 1781 כוננו תהליכים ראשונים להכנת תוצרים מרוכזים מאוד של שמרים. המחקר על טכנולוגיית חלבון תא-יחיד החל בתחילת המאה ה-20, כאשר הביופיזיקאי מקס דלבריק, זוכה פרס נובל ועמיתיו, גילו את הערך הגבוה של עודפי שמרי בירה כתוסף האכלה לבעלי חיים.<ref name="Ugalde_2002"></ref>

במהלך מלחמת העולם הראשונה והשנייה, השתמשו בעודפים אלה בגרמניה בקנה מידה גדול על מנת להתגבר על מחסור במזון. התחלת ייצור SCP משמרים היוותה לעיתים קרובות אבן דרך לביוטכנולוגיה המודרנית. בשנת 1919, סאק בדנמרק והיידוק בגרמניה המציאו שיטה בשם "Zulaufverfahren"<ref></ref> שבה תמיסת סוכר הוזנה באופן רציף לתרחיף מאוורר של שמרים, במקום להוסיף שמרים לתמיסת סוכר מדוללת.<ref name="Ugalde_2002" /> בתקופה שלאחר מלחמת העולם הראשונה הדגיש ארגון המזון והחקלאות של האו"ם (FAO) את בעיות הרעב והתת-תזונה בעולם והציג את הרעיון של מחסור בחלבון, תוך שהראה של-25% מאוכלוסיית העולם יש מחסור בצריכת חלבון בתזונה שלהם.<ref name="Ugalde_2002" /> כמו כן, התהווה החשש שהייצור החקלאי לא יעמוד בדרישות ההולכות וגדלות של מזון על ידי האנושות.

עד לאמצע שנות ה-60 הופקו כמעט רבע מיליון טון של שמרי מזון בחלקים שונים של העולם. רק בברית המועצות יוצרו כ-900,000 טון שמרי מזון ומספוא עד לשנת 1970.<ref name="Ugalde_2002" /> בשנות ה-60 פיתחו חוקרים בחברה British Petroleum, תהליך המכונה "תהליך ייצור חלבונים משמן" המבוסס על טכנולוגיה לייצור חלבון חד-תאי על ידי שמרים המוזנים על ידי פרפינים משעווה, תוצר לוואי של בתי זיקוק לנפט. עבודת מחקר ראשונית נעשתה על ידי אלפרד שמפניט בבית הזיקוק לנפט Labret בצרפת. מפעל פיילוט קטן החל לפעול במרץ 1963, ואושרה אותה בנייה של מפעל הפיילוט השני, בבית הזיקוק לנפט גריינג'מאוס בבריטניה .<ref></ref>

רעיון הפקת "מזון מנפט" הפך לפופולרי בשנות השבעים של המאה ה-20, כאשר לשמפניאט הוענק פרס אונסק"ו למדע בשנת 1976,<ref name="unesco-laureates-2001"></ref> ומתקני שמרים המוזנים בפרפין נבנו במספר מדינות. השימוש העיקרי במוצר היה כמזון לעופות ובקר.<ref></ref> תעשייה בשם "BVK - belkovo-vitaminny kontsentrat"<ref></ref> התפתחה בייחוד בברית המועצות ליד בתי זיקוק של נפט, בערים Kstovo (1973)<ref></ref><ref></ref><ref>[http://kstovo.ru/index-name-Content-op-view-id-41.html Первенец микробиологической промышленности] (Microbiological industry's first plant), in: Станислав Марков (Stanislav Markov) «Кстово – молодой город России» (Kstovo, Russia's Young City)</ref> ו־Kirishi (1974)<ref name="johnson">[http://www.cdi.org/russia/Johnson/6607-9.cfm KIRISHI: A GREEN SUCCESS STORY?] (Johnson's Russia List, Dec. 19, 2002)</ref> עד שנת 1989.

== תהליך הייצור ==
חלבונים חד-תאיים נוצרים על ידי מיקרואורגניזמים שונים בתהליכי תסיסה של חומרי פסולת ממקורות שונים כגון, עץ, קש, שימורים ופסולת עיבוד מזון, שאריות מייצור אלכוהול, פחמימנים או הפרשות של בני אדם ובעלי חיים.<ref name="Rhod"></ref> בתהליכים המיועד להפקת חשמל התשומות הן חשמל, חד-תחמוצת-הפחמן ומתכות קורט וכן כימיקלים שונים כגון דשן.<ref></ref> אפשר להפיק SCP גם מגז טבעי לשימוש כמזון.<ref></ref> באופן דומה ניתן להפיק SCP מפסולת פלסטיק באמצעות תהליכי מחזור.<ref></ref> הפקת חלבונים חד-תאיים מהפסולת כרוכה בעלויות גבוהות בגלל השימוש בתהליכים יקרים של ריכוז עקב תפוקה נמוכים מאוד, לרוב פחות מ-5%. מהנדסים פיתחו דרכים להעלות את הריכוזים בתהליכים של צנטריפוגה, ציפה, השקעה , קואגולציה, וסינון, או שימוש בממברנה חדירה למחצה. החלבון החד-תאי צריך לעבור תהליך של ייבוש עם תכולת לחות של כ-10% המאפשר חיי מדף ארוכים. השיטות להעלאת הריכוזים של החלבון במוצר הסופי ותהליך הפחתת ריכוז הלחות במוצר הסופי מחייבים שימוש בציוד יקר שאינו מתאים לפעולות בקנה מידה קטן.

== יתרונות וחסרונות ==
=== יתרונות בשימוש ב-SCP ===
לייצור בקנה מידה גדול של ביומסה מיקרוביאלית יתרונות רבים על פני השיטות המסורתיות לייצור חלבונים למזון או מזון.

הביומסה המיקרוביאלית נבנית מהר בגלל כושר החלוקה של החד-תאיים שמרכיבים אותה: אצות בין 2–6 שעות, שמרים בין 1–3 שעות, חיידקים בין 20–120 דקות. בעוד שחלקים גדולים של צמחים אינם נאכלים ואינם נעכלים, הרי שהביומסה המיקרוביאלית ניתנת לאכילה ולעיכול. הביומסה המיקרוביאלית מכילה רמות גבוהות יחסית של חלבון, 30-70% לחומר יבש בהשוואה ל ירקות וגרעיני חיטה.<ref></ref> חלק מהמיקרואורגניזמים מסוגלים גם לסנתז ויטמינים, כולל ויטמין B<small>12</small> בריכוזים משמעותיים. מיקרואורגניזמים מסוגלים להשתמש בקשת רחבה של מקורות חנקן הכוללים אלקנים, מתנול, מתאן, אתנול וסוכרים, חומרים שנחשבו פעם לשאריות מזון שלא ניתן למחזר. כיום ניתן למחזר אותם באמצעות שימוש בהם לחומרים בעלי ערך תזונתי רב למיקרואורגניזמים שונים. מיקרואורגניזמים אאוטוטרופיים מסוגלים להתשמש בדו תחמוצת הפחמן כמקור לפחמן בבניית חומרים אורגניים, ביעילות של פי עשרה בהשוואה לצמחים עילאיים בהשתמשם בתהליך על שם Wood–Ljungdahl .

חלק מהחיידקים מסוגלים לבצע תסיסה הקרויה שבה תערובת של חד-תחמוצת-הפחמן, דו-תחמוצת-הפחמן ומימן משמשת לייצור חומרים אורגניים כגון ביומסה של ליגנוצלולוזה שהיא תערובת של צלולוזה, המיצלולוזה וליגנין.

בטבע קיימים חיידקים המסוגלים לקבע את גז החנקן מן האוויר.<ref></ref> חיידקים רבים מסוגלים להשתמש במימן כמקור לאנרגיה, על ידי שימוש באנזימים מקבוצת ההידרוגנזות . יצירת ביומסה מיקרוביאלית אינה תלויה בתנודות אקלימיות קיצוניות, בניגוד לגידולי שדה המושפעים באופן מובהק על ידי תנודות אקלימיות.

מיקרואורגניזמים שאינם תלויים בתאורה יכולה לצמוח בתנאי לילה בדומה לתנאי יום. כמו כן, צריכת המים לגידול מיקרואורגניזמים נמוכה בהרבה לעומת גידולי שדה המצריכה שימוש בהשקיה, במי תהום, במים עיליים ובמי גשמים. גידולים אלה נזקקים בממוצע ל-1,800 ליטר מים לקילוגרם יבול, לאיוד, להזעה, ולזליגה של מים עיליים, תופעה שאינה קיימת בביוראקטורים לייצור SCP. גידול ביומסה של מיקרואורגניזמים אינו דורש אדמה פורייה ולכן אינו מהווה תחרות לחקלאות. הגידול יכול להתבצע גם באזורים בעלי אקלים יבש, בסביבה של אדמה לא פוריה וללא קשר עם תנאי אקלים, ומאפשר אספקת חלבונים לאזורים שבהם קיים קושי חקלאי.

=== חסרונות בשימוש ב-SCP ===
לצריכת חלבון SCP עלולות להתלוות גם תופעות של נזקים בריאותיים שונים:<ref></ref> רגישות אלרגית, רגישות לריכוזים גבוהים של חומר עשיר בחומצות גרעין וכן נוכחות של אפלטוקסינים, רעלנים מיקרוביאליים, כגון אנדוטוקסינים ואקסוטוקסינים, חומרי הדברה ומתכות כבדות שמקורם בחומרי הגלם.<ref></ref> חומרי הגלם המשמשים להפקת החלבון המיקרוביאלי החד-תאי חייבים לעמוד בתקנים בין לאומיים שמטרתם להבטיח כי המוצרים הסופיים יעמדו בדרישה של אי חשיפה לריכוזים של חומרים רעילים מעל המותר. בעבר, בעיית האפשרות לרעילות מזונות אלה בעקבות ריכוזי תרכובות אורגניות רעילות - האלקנים,<ref></ref> גרמה לסגירת מפעלים על ידי הרשויות, או להסבת מפעלים אלה לצורכי מחקרים בשטח המיקרוביאלי.<ref name="johnson" />

==== ריכוזים גבוהים של חומצות גרעין ====
החלבון החד-תאי עלול להיות עשיר בחומצות גרעין (עד 5%). תזונה המבוססת על צריכת כמויות גדולות של SCP עלולה לגרום לעומס יתר על הכליות ולתסמונת של hyperuricemia.<ref></ref> כצעד מניעתי לתופעה, נמצא כי שימוש במיקרואורגנימים דלים בחומצות גרעין כמו אצות עדיף על שמרים, ועשוי להוריד את ריכוזם הסופי בחלבון החד תאי.<ref></ref>

==== רגישות אלרגית SCP ====
שימוש בחלבוני SCP עלולה לחשוף אוכלוסיות לחלבונים חדשים שטרם נחשפו אליהם. טיפולים תרמיים שחלבונים אלה עוברים כדגי להופכם לאכילים (כגון, בישול, התשה אנזימטית, אפיה, טיגון וצלייה), עלולים להפוך חלבונים אלה לבעלי תכונות אלרגניות העולות על תכונות החלבונים הבלתי מעובדים. משנת 2021 מתקיים תהליך חקיקה על ידי ה-GFI <ref></ref> והקודקס אלימנטריוס בהתייחסם לגורמי סיכון בצריכת תחליפי חלבון.<ref></ref>

==== ריכוזים גבוהים של חומרים טוקסיים מהצומח ====
SCP המופק מעובשים עלול להכיל ריכוזים גבוהים של אפלטוקסינים, אוכרטוקסינים ופיקוטוקסינים.<ref></ref><ref></ref> הפקת חלבונים מאצות עדיפה על הפקת חלבונים מעובשים בגלל האפשרות של נוכחות גורמי סיכון אלה. שימוש במיקרואורגניזמים שונים מחייב בקרה קפדנית ומחמירה בתהליך קבלת חומרי הגלם, כדי למנוע ייצור של מוצר סופי שאינו עומד בדרישות התקנים ועלול לסכן את הצרכן.<ref></ref>

== דוגמאות למוצרים על בסיס SCP ==
מיקרואורגניזמים שונים משמשים כמקור לחלבון חד-תאי. Quorn היא חברה המייצרת מגוון של תחליפי בשר צמחוניים וטבעוניים המיוצרים מחלבון שמקורו מן העובש הנמכרים באירופה ובצפון אמריקה. סוג נוסף לתחליף בשר קרוי Calysta<ref></ref> והוא מבוסס על חלבון יחיד המופק מחיידקים.<ref>EOS, april 2019, page 52</ref> חברות נוספות המפיקות חלבון כזה הן Unibio (דנמרק),<ref></ref> Circe Biotechnologie (אוסטריה)<ref></ref> ו-String Bio (הודו). SCP נחשב למקור למזון חלופי או עמיד.<ref></ref><ref></ref>

== מיקרואורגניזמים בתעשיית ה־SCP ==
=== שמרים ===
צילום מיקרוסקופי של השמר Saccharomyces cerevisiae
* Saccharomyces cerevisiae
* Pichia pastoris
* Candida utilis
* Candida tropicalis
* 
* Torulopsis corallina
* Geotrichum candidum

=== עובשים, יצרנים של Mycoprotein ===
צילום מיקרוסקופי של העובש טריכודרמה, Trichoderma harzian
* Aspergillus fumigatus
* Aspergillus oryzae
* Aspergillus niger
* Fusarium venenatum
* Sclerotium rolfsii
* Rhizopus
* Trichoderma
* Scytalidium acidophilum<ref name="Sacid"></ref>

=== חיידקים ===
צילום מיקרוסקופי של החיידקBacillus megaterium
* Bacillus megaterium
* Rhodobacter capsulatus<ref name="Rhod2"></ref>
* Methylophilus methylotrophus
* Metylococcus capsulatus
* Pseudomonas fluorescens

=== אצות ===
צילום מיקרוסקופי של האצה כלורלה Chlorella
* ספירולינה
* Chlorella pyrenoidosa<ref name="Revol"></ref>
* <ref></ref>

== חברות לייצור SCP ==
* סולאר פודס: חלבון יחיד מתוצרת חברת Solar Foods Ltd שבסיסה בפינלנד.<ref name="allfed"></ref>
* Kiverdi inc<ref></ref><ref name="thespoon.tech"></ref> וחברת הבת Air Protein<ref name="Kiverdi: about"></ref><ref></ref><ref name="allfed" /> מאת , קליפורניה.
* Avecom - בלגיה<ref name="allfed" />
* Unibio - דנמרק<ref></ref>
* Calysta - קליפורניה<ref></ref>
* Circe Biotechnologie - אוסטריה<ref></ref>
* Superbrewed Food (לשעבר White Dog Labs). Dellaware<ref></ref>
* Deep Branch - בריטניה<ref name="allfed" />
* LanzaTech - סין, מחזור גזים עשירים בפחמן<ref name="allfed" />
* חיידקים סגולים: סוג של חלבון חד תאי <ref></ref>
* Cyano<ref></ref>
* Novonutrients<ref></ref><ref></ref><ref name="thespoon.tech" /><ref></ref>
* Deep Branch Biotechnology, Netherlands at the Leiden Bio Science Park<ref name="thespoon.tech" /><ref></ref><ref></ref>

== ראו גם ==
* מיקרוביולוגיה
* ביוטכנולוגיה

== הערות שוליים ==

קטגוריה:ביוטכנולוגיה
קטגוריה:ביוכימיה
קטגוריה:חלבונים
קטגוריה:מיקרוביולוגיה
קטגוריה:תזונה
קטגוריה:תחליפי בשר