חלבון חד-תאי

הביומסה או תמצית החלבון מתרביות טהורות או מעורבות של מיקרואורגניזמים אלה עשויה לשמש כמרכיב תזונתי או כתחליף למזונות עשירים בחלבון. חקלאות תעשייתית מתאפיינת בשימוש כמויות מים גבוהות, שימוש מרובה של קרקעות, הרס מגוון ביולוגי, הידרדרות אקולוגית כללית ותורמת לשינויי האקלים על ידי פליטת שליש מכל גזי החממה. ייצור SCP אינו גורם לאף אחד 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. 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. פרסום משנת 2021 הראה שייצור חלבון מיקרוביאלי המונע על ידי תאים פוטו-וולטאים יכול לנצל פי-עשרה פחות אדמה עבור כמות שווה של חלבון בהשוואה לגידול פולי סויה בשיטה החקלאית המסורתית.

כאשר אוכלוסיית העולם תגיע לפי המשוער לתשעה מיליארד בני אדם עד שנת 2050, קיימות ראיות חזקות לכך שהחקלאות לא תוכל לעמוד בביקוש מזון ויהיה קיים סיכון רציני למחסור במזון. 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.

במהלך מלחמת העולם הראשונה והשנייה, השתמשו בעודפים אלה בגרמניה בקנה מידה גדול, על מנת להתגבר על מחסור במזון. התחלת ייצור ה- SCP משמרים היוותה לעיתים קרובות אבן דרך לביוטכנולוגיה המודרנית. בשנת 1919, סאק בדנמרק והיידוק בגרמניה המציאו שיטה בשם "Zulaufverfahren"   שבה תמיסת סוכר הוזנה באופן רציף לתרחיף מאוורר של שמרים, במקום להוסיף שמרים לתמיסת סוכר מדוללת. 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. 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. 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 המופקים 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 בנייה זהה של מפעל הפיילוט השני, בבית הזיקוק לנפט גריינג'מאוס בבריטניה .

רעיון הפקת "מזון מנפט" הפך לפופולרי בשנות השבעים של המאה ה-20, כאשר לשמפניאט הוענק פרס אונסק"ו  למדע בשנת 1976, ומתקני שמרים המוזנים בפרפין נבנו במספר מדינות. השימוש העיקרי במוצר הסופי היה כמזון לעופות ובקר. תעשייה בשם "BVK - belkovo-vitaminny kontsentrat"  התפתחה בייחוד בברית המועצות ליד בתי זיקוק של נפט, בערים Kstovo (1973)  Первенец микробиологической промышленности  (Microbiological industry's first plant), in: Станислав Марков (Stanislav Markov) «Кстово – молодой город России» (Kstovo, Russia's Young City) ו־Kirishi (1974) KIRISHI: A GREEN SUCCESS STORY?  (Johnson's Russia List, Dec. 19, 2002) 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. בתהליכים המיועד להפקת חשמל התשומות הן חשמל, חד-תחמוצת-הפחמן ומתכות קורט וכן כימיקלים שונים כגון דשן. אפשר להפיק SCP גם מגז טבעי לשימוש כמזון. באופן דומה, ניתן להפיק SCP מפסולת פלסטיק באמצעות תהליכי מיחזור. הפקת חלבונים חד-תאיים מהפסולת כרוכה בעלויות גבוהות בגלל השימוש בתהליכים יקרים של ריכוז עקב תפוקה נמוכה מאוד, לרוב פחות מ-5%. מהנדסים פיתחו דרכים להעלות את הריכוזים בתהליכים שונים: צנטריפוגה, ציפה, שיקוע, וסינון על ידי 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 לבעלי חיים. הביומסה המיקרוביאלית נבנית מהר בגלל כושר החלוקה של החד-תאיים שמרכיבים אותה.  קצב החלוקה של אצות נע 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 כולה לאכילה ולעיכול. הביומסה המיקרוביאלית מכילה רמות גבוהות יחסית של חלבון, 

30-70% לחומר יבש בהשוואה לירקות וגרעיני חיטה. חלק מהמיקרואורגניזמים מסוגלים גם ליצור ויטמינים, כולל ויטמין B12 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 למחזרם באמצעות הפיכתם לחומרים בעלי ערך תזונתי רב למיקרואורגניזמים שונים. מיקרואורגניזמים אאוטוטרופיים מסוגלים להשתמש 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 המתאימה להזנת בעלי-חיים.

בטבע קיימים חיידקים המסוגלים לקבע את גז החנקן מן האוויר המהווה 72% ממנו. 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 רבות.

מיקרואורגניזמים שאינם תלויים בתאורה יכולים להתתרבות בתנאי לילה בדומה לתנאי יום. כמו כן, צריכת המים לגידול מיקרואורגניזמים נמוכה בהרבה בהשוואה גידולי שדה המצריכה שימוש בהשקיה, במי-תהום, במים-עיליים ובמי גשמים. גידולים אלה נזקקים בממוצע ל-1,800 ליטר מים לקילוגרם יבול, לצורכי איוד, להזעה, ולזליגה של מים עיליים על פני הקרקע, תופעה שאינה קיימת בביוראקטורים לייצור SCP. גידול ביומסה של מיקרואורגניזמים אינו דורש אדמה פורייה, ולכן אינו מהווה גורם תחרותי לחקלאות. הגידול יכול להתבצע גם בתנאים קיצוניים של אזורים בעלי אקלים יבש, בסביבה של אדמה לא פורייה וללא קשר עם תנאי אקלים, ומאפשר אספקת חלבונים לאזורים שבהם קיים קושי חקלאי וכתוצאה מכך מחסור תזונתי של חלבונים..

 חסרונות בשימוש ב-SCP 
לצריכת חלבון SCP עלולות להתלוות גם תופעות של נזקים בריאותיים שונים: 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. 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, גרמה לסגירת מפעלים על ידי הרשויות, או להסבת מפעלים אלה לצורכי מחקרים בשטח המיקרוביאלי.

 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. כצעד מניעתי לתופעה, נמצא כי שימוש במיקרואורגנימים דלים בחומצות גרעין כמו אצות עדיף על שמרים, ועשוי להוריד את ריכוזם הסופי בחלבון החד תאי.

 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  והקודקס אלימנטריוס  בהתייחסם לגורמי סיכון בצריכת תחליפי חלבון.

 ריכוזים גבוהים של חומרים טוקסיים מהצומח 
SCP המופק מעובשים עלול להכיל ריכוזים גבוהים של אפלטוקסינים, אוכרטוקסינים ופיקוטוקסינים. 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.

 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 והוא מבוסס על חלבון יחיד המופק מחיידקים.EOS, april 2019, page 52 חברות נוספות המפיקות חלבון כזה הן Unibio (דנמרק), Circe Biotechnologie (אוסטריה) ו-String Bio  (הודו). SCP נחשב למקור למזון חלופי או עמיד.

 מיקרואורגניזמים בתעשיית ה־SCP 
 שמרים 
ממוזער|צילום מיקרוסקופי של השמר 
 Saccharomyces cerevisiae







 עובשים 
ממוזער|
צילום מיקרוסקופי של העובש טריכודרמה, 
 Aspergillus fumigatus
 Aspergillus oryzae
 Aspergillus niger
 Fusarium venenatum
 Sclerotium rolfsii
 Rhizopus
 Trichoderma
 Scytalidium acidophilum

 חיידקים 
ממוזער|צילום מיקרוסקופי של החיידק בצילוס מגטריום 
 Bacillus megaterium
 Rhodobacter capsulatus
 Methylophilus methylotrophus
 Metylococcus capsulatus
 Pseudomonas fluorescens

 אצות 
ממוזער|צילום מיקרוסקופי של האצה כלורלה 
 ספירולינה
 Chlorella pyrenoidosa


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

 ראו גם 
 מיקרוביולוגיה
 ביוטכנולוגיה

 הערות שוליים 

קטגוריה:ביוטכנולוגיה
קטגוריה:ביוכימיה
קטגוריה:חלבונים
קטגוריה:מיקרוביולוגיה
קטגוריה:תזונה
קטגוריה:תחליפי בשר
קטגוריה:מיחזור
קטגוריה:מזון בעת העתיקה