การผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพโดยใช้เทคโนโลยีโอมิกส์สู่การพัฒนาชีวภัณฑ์มูลค่าสูง

สารลดแรงตึงผิวชีวภาพ เป็นสารชีวเคมีภัณฑ์ที่มีบทบาทสำคัญ ทั้งในชีวิตประจำวันและในอุตสาหกรรมต่างๆ อาทิ เช่น การผลิตน้ำมันและปิโตรเลียม อาหารและเครื่องดื่ม เครื่องสำอาง ยา กระดาษ เครื่องหนัง สิ่งทอ การซักล้างและเซรามิก เป็นต้น นอกจากนี้สารลดแรงตึงผิวยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในงานทางด้านสิ่งแวดล้อม เช่น การบำบัดน้ำเสีย การขจัดคราบน้ำมันปนเปื้อน และปัจจุบันถูกนำมาใช้เป็นส่วนผสมสำคัญในอุตสาหกรรมเครื่องสำอาง อาทิ สารเกิดฟอง, เพิ่มความสามารถในการจับกับน้ำ, การทำให้เป็นอิมัลชัน, การทำให้เปียก, การแยกตัวออกจากน้ำ, และการแพร่กระจาย ซึ่งสารเหล่านี้สามารถนำไปใช้อย่างมีประสิทธิภาพในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอางและลดความเสี่ยงเกิดการแพ้จากสารเคมี จึงทำให้ปริมาณความต้องการของสารลดแรงตึงผิวเพิ่มสูงมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากปัจจุบัน สารลดแรงตึงผิวที่ใช้นั้นเป็นสารสังเคราะห์ทางเคมี ย่อยสลายได้ยาก เป็นสาเหตุทำให้เกิดการตกค้างและก่อสารมลพิษแก่สิ่งแวดล้อม หรือมีการสะสมอยู่ในสิ่งมีชีวิตโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบนิเวศแหล่งน้ำ จากสถิติการเติบโตของตลาดสารลดแรงตึงผิวชีวภาพทั่วโลก จะมีมูลค่าสูงถึง 6.3 พันล้านเหรียญสหรัฐภายในปี 2026 ซึ่งเติบโตที่ CAGR 5.5% เมื่อเปรียบเทียบกับ ปี 2021

ไกลโคลิปิด (Glycolipids หรือ GLs) ผลิตจากยีสต์ ในกลุ่ม Starmerella มีโครงสร้างเฉพาะประกอบด้วยกรดไขมัน ω-ไฮดรอกซี ซึ่งสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นสำคัญในอุตสาหกรรมพอลิเมอร์ พลาสติกชีวภาพ ตลอดจนอาหาร ยา เวชภัณฑ์และชีวภัณฑ์ ตลอดจนสารมูลค่าสูงต่างๆ เนื่องจากไกลโคลิปิดมีความสำคัญทางเกษตรและอุตสาหกรรมเป็นอย่างสูง งานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นการใช้ประโยชน์จากสารกลุ่มไกลโคลิปิดที่ผลิตได้จากยีสต์สายพันธุ์ต่างๆ ในการใช้เป็นสารตั้งต้นในการพัฒนาชีวภัณฑ์ในทางการแพทย์  โดยไกลโคลิปิดที่ผลิตได้จากวัสดุตั้งต้น สามารถนำไปใช้เป็นสารลดแรงตึงผิวชีวภาพที่มีความสำคัญ มีคุณสมบัติทางชีวภาพที่น่าสนใจ เช่น ความสามารถในการยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์ก่อโรค  นอกจากนี้ยังมีความเป็นพิษต่อเซลล์ต่ำ  เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ 

การศึกษาก่อนหน้านี้ พบว่ายีสต์ไม่ก่อโรค Meyerozyma guilliermondii YK32 ถูกใช้ในการศึกษาในการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพ โดยยีสต์ถูกเลี้ยงในอาหารที่ประกอบด้วย น้ำมันมะกอก 8% โดยปริมาตร/ปริมาตร เป็นแหล่งคาร์บอนเพียงแหล่งเดียว ในสภาวะที่ถูกเขย่า 150 รอบต่อนาที พบว่า เกิดการแทนที่น้ำมันสูงสุดเท่ากับ 7.5 เซนติเมตร นอกจากนี้ยังพบว่า การเติมสารสกัดยีสต์ 1.5% และการเติมโซเดียมคลอไรด์ลงไปในอาหาร 3% มีผลต่อการเกิดการแทนที่น้ำมันเพิ่มขึ้นเป็น 8.1 และ 8.8 เซนติเมตร ตามลำดับ ยังพบอีกว่าอุณหภูมิยังมีผลต่อการผลิตสารลดแรงตึงผิว ผลผลิตอยู่ที่ระดับสูงสุด ที่อุณหภูมิ 30 °C โดยเปลี่ยนอุณหภูมิเป็น 35 °C หรือ 25 °C ลดการกระจัดของน้ำมันจาก 8.8 เป็น 5.2 หรือ 7.6 ซม ตามลำดับ ที่ 40 °C การผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพยังมีความไวต่อ pH ที่แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัดจากดัชนี E24 สูงถึง 67.3% ที่ pH 6.0 เมื่อเปรียบเทียบ ด้วย 60.2%, 60.1% และ 52.4% ที่ pH 5.0, 5.5 และ 7.0 ตามลำดับ ผลผลิตชีวมวลของยีสต์เทียบเท่ากับ 10.3 กรัม/ลิตร และ 8.3 กรัม/ลิตร ที่ pH 6 และ 7 ตามลำดับ ซึ่งพบว่า ระดับการแสดงออกของยีน AYR1 ที่สูงขึ้น มีผลให้ระดับการแสดงออกของโปรตีน glycerol-3-phosphate acyl transferase (G3PAT) เพิ่มสูงขึ้นด้วย ทำให้เกิดการสะสมของ high value lipid droplets (Garay et al., 2014) แต่อย่างไรก็ตาม วิถีการสังเคราะห์ไซโลลิปิดชีวภาพ ยังไม่ได้มีการศึกษาในเชิงลึกในระดับเมทาบอลิซึมและการควบคุมการแสดงออกของยีน 

เมื่อเร็วๆนี้ ทางคณะผู้วิจัยยังพบว่า M. guilliermondii สายพันธุ์ MX ที่แยกได้น้ำผึ้งไทยมีความสามารถในผลิตไซลิทอลจากการใช้ไซโลสที่ความเข้มข้นสูงๆได้ และยังสามารถทนต่อกรดเฟอร์ฟูรัลที่เกิดจากกระบวนการปรับสภาพลิกโนเซลลูโลสได้เป็นอย่างดี (Zahoor et al., 2021) ล่าสุดเราพบว่า ยีสต์สายพันธุ์นี้สามารถผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพชนิดไซโลลิปิด (crude xylolipid) ได้เท่ากับ 52 กรัม/ลิตร ที่ระยะเวลา 10 วัน จากการใช้แหล่งคาร์บอนจากน้ำตาลไซโลส และน้ำมันปาล์ม โดยมีความสามารถในการลดแรงตึงผิว (Emulsification activity >55%)(Songdech et al., unpublished) ด้วยเหตุผลหลายประการข้างต้นทำให้ยีสต์ M. guilliermondii สายพันธุ์ MX มีความน่าสนใจในการนำไปศึกษาการผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพกลุ่มไซโลลิปิด ซึ่งในการศึกษานี้เราจะใช้แหล่งคาร์บอนจากแหล่งอาหารคาร์บอนที่มีราคาถูก อาทิ จากวัสดุเหลือทิ้งจากกลุ่มอุตสาหกรรมอ้อยและน้ำตาล (กากน้ำตาล ชานอ้อย หรือใบอ้อยที่ผ่านการปรับสภาพแล้ว) หรือวัสดุเหลือทิ้งจากกลุ่มอุตสาหกรรมน้ำมันปาล์ม (น้ำมันพืชใช้แล้ว) เนื่องจากสารเหลือทิ้งชีวภาพเหล่านี้ ยังคงมีปริมาณของคาร์โบไฮเดรต ไขมันและสารอาหารอื่นๆ ที่เหมาะสมสำหรับนำมาใช้เป็นแหล่งอาหารเลี้ยงเชื้อเพื่อการผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพได้ นอกจากนี้การนำวัสดุชีวภาพที่ไม่ใช้แล้วกลับมาใช้ใหม่ เป็นอีกวิธีการหนึ่งที่นอกจากจะช่วยลดปริมาณขยะได้ และยังสามารถนำกลับมาใช้เป็นแหล่งอาหารที่ดีและราคาถูกสำหรับจุลินทรีย์ โดยแหล่งอาหารที่เหมาะสม ถือเป็นปัจจัยหลักที่มีอิทธิผลต่อประสิทธิผลของการผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพ รวมทั้งการช่วยลดต้นทุนในการผลิต เพิ่มมูลค่าให้กับวัสดุเหลือทิ้งทางชีวภาพ และลดมลพิษจากฝุ่น PM2.5 จากการเผาทำลายเศษวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร เป็นอย่างมาก นอกจากนี้จะศึกษาในเชิงลึกในระดับการแสดงออกของยีนและโปรตีนในระดับทั้งจีโนม (RNA-seq และ proteomics) เพื่อทราบยีนเป้าหมายและโปรตีนที่เกี่ยวข้อง โดยจะบูรณาการร่วมกับการใช้เทคนิคพันธุวิศวกรรม (CRISPR-Cas) เพื่อปรับปรุงสายพันธุ์ยีสต์ให้มีประสิทธิภาพในการหมักวัสดุเหลือทิ้งในการผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพ เมื่อสิ้นสุดโครงการนี้ เราคาดหวังว่า จะสามารถขยายขนาดการผลิตสารลดแรงตึงผิวในระดับโรงงานต้นแบบ เพื่อการประยุกต์ใช้ในทางการเกษตรและในอุตสาหกรรมอื่นๆได้จริง  นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มมูลค่าของวัสดุเหลือทิ้งและพัฒนาไปสู่สารมูลค่าสูงในอุตสาหกรรมชีวภัณฑ์ ซึ่งเป็นอุตสาหกรรมที่ใหญ่และทวีความสำคัญมาก อุตสาหกรรมหนึ่งของประเทศไทยและของโลก ดังนั้นเราจึงมีความมุ่งมั่นในการวิจัยและพัฒนากระบวนการผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพจากวัสดุชีวภาพราคาถูก เพื่อลดต้นทุนในการผลิต เพิ่มผลผลิตให้สูงและลดราคาต้นทุนในการผลิตจึงจะสามารถแข่งขันได้ในระดับอุตสาหกรรม