การพัฒนาการสกัดและวิธีวัดประสิทธิภาพการแยกโปรตีนไฟโคไซยานิน

การสกัดโปรตีนไฟโคไซยานิน เป็นการต่อยอดองค์ความรู้และเทคโนโลยีการเพาะเลี้ยงสาหร่ายสไปรูลิน่าให้ครบวงจร สามารถสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับผลผลิตชีวมวลสาหร่ายด้วยการดึงสารสำคัญที่มีในชีวมวลสาหร่ายมาผลิตสินค้าที่มีราคาสูงขึ้นเป็นการผลิตน้อยแต่สามารถสร้างรายได้มาก (Less for more) โดยสารสกัดไฟโคไซยานินมีราคาจำหน่ายกิโลกรัมละ 578 US$ หรือประมาณ 18,496 บาท (ข้อมูลจาก Pharm Chemical/Shanghai Lansheng Corporation, China) ขณะที่ราคาอาหารเสริมสาหร่ายสไปรูลิน่ากิโลกรัมละ 2,500 บาท (ข้อมูลจากสยามเอลจี เทรดดิ้ง จำกัด) การผลิตสารสกัดไฟโคไซยานินจึงเป็นการเพิ่มมูลค่าประมาณ 7 เท่า ทั้งนี้มูลค่าจะเพิ่มขึ้นมากกว่า 35 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับสาหร่ายสไปรูลิน่าเกรดปานกลางที่ใช้เป็นวัตถุดิบในการสกัดไฟโคไซยานินที่ราคากิโลกรัมละ 300-500 บาท (ข้อมูลจากบริษัทนิวโวเทค จำกัด) โดยประเทศไทยมีผู้ประกอบการเพาะเลี้ยงสาหร่ายสไปรูลิน่า เช่น บริษัทกรีนไดมอนด์ จำกัด หรือบุญสมฟาร์ม บริษัทนาทองสไปรูลิน่า กรุ๊ป จำกัด บริษัทจีฟูดเอเชีย จำกัด และบริษัทเอ็นเนอร์ไกอา จำกัด เป็นต้น

ในงานวิจัยการผลิตสารสกัดไฟโคไซยานิน กลุ่มวิจัยสาหร่ายฯ มจธ. ได้พัฒนานำเทคโนโลยีเมมเบรนมาใช้แยกและเพิ่มความบริสุทธิ์สารสกัด [5] แทนวิธีการเดิมที่ตกตะกอนโปรตีนด้วยแอมโมเนียมซัลเฟตและทำ Dialysis เพื่อแก้ข้อจำกัดด้านการขยายขนาดการผลิต อีกทั้งได้ศึกษาและทราบข้อมูลปัจจัยที่มีผลต่อคุณสมบัติความคงตัวหรือความความเสถียรของสารนี้ [6] อย่างไรก็ตาม การจะต่อยอดนำกรรมวิธีที่ได้ไปใช้ประโยชน์ผลิตอาหารฟังก์ชั่นได้จริงจำเป็นต้องมีกระบวนการผลิตที่มีประสิทธิภาพให้ผลผลิต (Yield) สูง ต้นทุนการผลิตไม่แพง และได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพเป็นมาตรฐานเดียวกัน ซึ่งค่าวัตถุดิบ/สารเคมี เวลา และพลังงานที่ใช้ในกระบวนการผลิตล้วนเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อต้นทุนการผลิต การดำเนินงานที่ผ่านมาพบข้อด้อยของการสกัดโปรตีนไฟโคไซยานินด้วยสารละลายฟอสเฟตบัฟเฟอร์ในด้านมีปริมาณฟอสเฟตเหลือค้างในผลิตภัณฑ์สารสกัดไฟโคไซยานินประมาณ 20% ของค่าเริ่มต้น ซึ่งอาจไม่เป็นที่ยอมรับของผู้บริโภค ประกอบกับต้นทุนการผลิตไฟโคไซยานินพบมีค่าใช้จ่ายหลักเป็นค่าสารเคมี 33% และค่าวัตถุดิบสาหร่าย 46.4% โดยปริมาณไฟโคไซยานินในวัตถุดิบสาหร่ายมีผลต่อต้นทุนการผลิตและระยะเวลาคืนทุนอย่างมีนัยสำคัญ [4]  นอกจากนี้ การศึกษาเบื้องต้นยังพบว่า วัตถุดิบสาหร่ายที่มาจากแหล่งผลิตต่างกัน นอกจากมีปริมาณไฟโคไซนินแตกต่างกันยังอาจมีผลต่อประสิทธิภาพการสกัด เช่น วัตถุดิบบางตัวอย่างไม่สามารถ Centrifuge ที่ความเร็วรอบหรือแรงเหวี่ยง g-force ปกติ เนื่องจากเซลล์ไม่อัดแน่น (Pack) เป็นตะกอนกากสาหร่าย แต่มีสภาพเป็นสารแขวนลอยจำนวนมากส่งผลกระทบต่อสีของผลิตภัณฑ์ ทำให้สีผลิตภัณฑ์มีสีออกเขียวแทนสีฟ้าอมน้ำเงิน รวมทั้งส่งผลต่อกระบวนการผลิตในลำดับถัดไปคือ ระบบกรอง Microfiltration ที่เกิดการอุดตันของเมมเบรน ทั้งนี้เครื่อง Centrifuge แบบ Batch ในห้องปฏิบัติการสามารถเพิ่มความเร็วรอบหรือแรงเหวี่ยง g-force ให้สูงขึ้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแยกตะกอนสาหร่าย อย่างไรก็ตาม เมื่อปริมาตรการสกัด (Working volume) มากขึ้น เครื่อง Centrifuge แบบ Batch อาจไม่เหมาะสม จำเป็นต้องใช้เครื่อง Centrifuge แบบ Continuous ซึ่งเครื่อง Centrifuge ขนาดใหญ่นอกจากมีราคาสูง ยังอาจไม่สามารถให้ค่าแรงเหวี่ยง g-force ได้สูงเท่ากับเครื่องขนาดเล็ก

ดังนั้นโครงการนี้จึงต้องการศึกษาพัฒนาการผลิตสารสกัดไฟโคไซยานินใน 2 ขั้นตอนแรกของกระบวนการผลิตดังกรอบสีน้ำเงินในแผนภาพกระบวนการผลิตสารสกัดไฟโคไซยานิน

แผนภาพ กระบวนการผลิตสารสกัดไฟโคไซยานิน

จากแผนภาพ สรุปประเด็นที่ศึกษาโดยสังเขปดังนี้

1 การพัฒนาการสกัด โดยทดสอบประสิทธิภาพการสกัดด้วยน้ำ และฟอสเฟตบัฟเฟอร์ความเข้มข้นต่างๆ เพื่อทราบความเข้มข้นฟอสเฟตต่ำสุดที่ยังคงให้ประสิทธิภาพการสกัดเท่าเดิม และทดสอบประสิทธิภาพการสกัดจากการใช้วัตถุดิบสาหร่ายสไปรูลิน่าที่มีปริมาณไฟโคไซยานินแตกต่างกันและมาจากคนละแหล่งผลิต เช่น เชียงใหม่ ฉะเชิงเทรา กรุงเทพฯ และภูเก็ต เป็นต้น เพื่อสร้างมาตรฐานการผลิตในด้านคุณภาพวัตถุดิบ โดยประสิทธิภาพการสกัดวิเคราะห์จากปริมาณความเข้มข้นสารสกัดไฟโคไซยานินที่สกัดได้ ปริมาณผลผลิตสารสกัด เปอร์เซ็นต์การ Recovery ปริมาณความบริสุทธิ์ และปริมาณฟอสเฟตที่เหลือค้างในผลิตภัณฑ์ เป็นต้น

2 การพัฒนาขั้นตอนการแยกสารสกัดไฟโคไซยานินจากวัตถุดิบสาหร่ายด้วยเครื่อง Centrifuge โดยทดสอบประสิทธิภาพการแยกดังกล่าวด้วยเครื่อง Centrifuge แบบ Batch ที่แรงเหวี่ยง g-force ต่างๆ และทดสอบแยกสารสกัดด้วยเครื่อง Continuous Centrifuge โดยศึกษาอัตราการป้อน (Flow rate) แรงเหวี่ยง g-force อุณหภูมิ และเวลา เพื่อทราบค่าความเร็วรอบหรือแรงเหวี่ยง g-force และเวลาที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพในการแยกสารสกัด

การวิเคราะห์ประสิทธิภาพการแยกสารสกัดไฟโคไซยานินจากวัตถุดิบสาหร่าย โดยสร้างวิธีวัดปริมาณสารแขวนลอยในสารละลายไฟโคไซยานิน (Phycocyanin solution) ที่ผ่านการแยกด้วยเครื่อง Centrifuge ที่ conditions ต่างๆ มาวิเคราะห์โดยใช้วิธี Scan Wavelength ด้วยเครื่อง UV-visible spectrophotometer เพื่อหาความยาวคลื่นที่จะใช้เป็น Indicator ในการวิเคราะห์ และวัดอัตราการไหลผ่านอุปกรณ์ Silt density index (SDI) ที่สร้างขึ้น ซึ่งได้แนวคิดและประยุกต์มาจากอุปกรณ์วัดสารแขวนลอยในน้ำก่อนเข้าระบบ Reverse Osmosis (RO) เพื่อหาความสัมพันธ์ และสร้างเป็นค่ามาตรฐานดัชนีสารแขวนลอยใน Phycocyanin solution โดยค่าดัชนีสารแขวนลอยที่สร้างขึ้นจะมีความสัมพันธ์และสามารถทำนายการทำงานนของระบบกรอง Microfiltration ว่าเมมเบรนจะเกิดการอุดตันมากน้อยเพียงใดได้