امروزه در جهان كمبود مواد غذایی به خصوص در کشورهای جهان سوم، مسئله بسیار مهمی است و اكثر جوامع به نوعی در پی یافتن راهی برای حل این مشكل هستند. با افزایش جمعیت جهان، روز به روز نیاز به مواد غذایی به ویژه مواد پروتئینی افزایش می یابد. در کشورهایی که به نوعی فقیر محسوب می شوند افزایش جمعیت، مردم را به سوی گرسنگی و سوء تغذیه شدید سوق می دهد ]۱.[ از آنجایی که پروتئین ها در کنار کربوهیدرات ها و چربی ها سه گروه اصلی مواد غذایی را تشکیل می دهند پیدا کردن منابع گوناگون وجدید آن ها بستر مناسبی را برای پژوهش در این زمینه فراهم کرده است. ناکافی بودن منابع پروتئینی سنتی نظیر گوشت و ماهی و تخم مرغ نسبت به رشد جمعیت دانشمندان را بر آن داشت که در جستجوی منابع ارزان قیمت پروتئین برای مردم باشند. از سوی دیگر افزایش نگرانی در مورد آلودگی ناشی از ضایعات کشاورزی و صنعتی و تلاش برای تبدیل مواد زائد به محصولات با ارزش تجاری بالا نیز در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است ]۲[. میکروارگانیسم ها نظیر مخمرها و باکتری ها هزاران سال است در غذاهای خانگی انسان ها استفاده می شوند. در دهه های اخیر روش های جدیدی برای استفاده محصولات تخمیری میکروبی در غذای انسان و خوراک حیوانات توسعه یافته است ]۳[. با توجه به کمبود منابع پروتئینی از یک طرف، و مقدار بالای پروتئین سلول های میکروبی از طرف دیگر، استفاده از منابع پروتئین میکروبی به عنوان غذای انسان و دام (به جای منابع پروتئینی رایج) بسیار حائز اهمیت است. این پروتئین میکروبی، پروتئین تك یاخته نام دارد. پروتئین تك یاخته در حال حاضر، درجیره غذایی دام و طیور استفاده می شود. به دلیل بالا بودن میزان اسیدهای نوکلئیک موجود در این نوع پروتئین و پایین بودن قابلیت هضم آن، برای جایگزین شدن پروتئین میکروبی به جای منابع پروتئین حیوانی شک و تردید وجود دارد. آن ها همچنین برای بدن به عنوان یک عامل خارجی محسوب شده که می توانند باعث ایجاد واکنش های آلرژیک شوند. البته اگر این پروتئین به عنوان غذای انسان مورد استفاده قرارگیرد، قبل از استفاده باید استخراج و تغلیظ شود و اسید نوكلئیك آن كاهش یابد، زیرا بالا بودن اسید نوكلئیك باعث تولید اسید اوریك و در نهایت سبب بیماری نقرس می شود.
پروتئین تک یاخته همانطور که گفته شد یک پروتئین میکروبی است که خالص نمی باشد و به سلول های کامل باکتری ها، مخمرها، قارچ های رشته ای یا جلبک ها اطلاق می شود که حاوی انواع اسیدهای آمینه، کربوهیدرات ها، چربی ها، اسیدهای نوکلئیک، نمک های معدنی و ویتامین ها نیز می باشد و دارای ارزش تغذیه ای بسیار بالایی است. در واقع این نوع پروتئین محصولی است که در اثر تخمیر توسط فعالیت میکروارگانیسم های مختلف روی سوبستراهای ارزان قیمت مانند ضایعات کشاورزی، پساب های کارخانجات و ضایعات سلولزی حاصل از کارخانه کاغذ سازی و … بدست می آید ]۴[.
استفاده از میکروارگانیسم ها برای تولید پروتئین تک یاخته به جای استفاده از منابع پروتئین حیوانی و گیاهی دارای مزایایی است که با توجه به این موارد چشم انداز روشنی برای تولید این نوع پروتئین تصور می شود. این مزایا عبارتند از ]۵[:
۱- امکان اصلاح ژنتیکی میکروارگانیسم ها
۲- سرعت رشد و محتوای پروتئینی بالای میکروارگانیسم ها
۳- استفاده از طیف وسیعی از روش ها، سوبستراها و میکروارگانیسم ها برای این منظور
۴- عدم وابستگی تولید به تغییرات آب و هوایی
۵- عدم نیاز به فضای زیاد برای تولید
۶- سرعت و راندمان تولید بالا.
با این حال تولید پروتئین تک یاخته با کیفیت و بازدهی بالا نیازمند انتخاب میکروارگانیسم و سوبسترای مناسب و انتخاب روش مناسب برای تخمیر می باشد.
 
۱-۲- تاریخچه
اصطلاح پروتئین تك یاخته اولین بار توسط پروفسور كارل ویلسون در سال ١٩٤٤ در انستیتو تكنولوژی ماساچوست آمریكا ابداع گردید ]۶[. این اصطلاح برای ماده ای با محتوای پروتئینی كمتر از ۶۵ درصد مناسب نیست و اصطلاح “تودة سلولی تك‌یاخته” را برای چنین مواردی توصیه می‌كنند. همچنین مناسب‌تر است، برای تودة سلولی محتوی پروتئین به دست آمده از قارچ، اصطلاح “پروتئین قارچی” كه اخیراً در بسیاری از منابع به كارگرفته شده است، استفاده شود.
تولید پروتئین تک یاخته از مخمر برای اولین بار در جنگ جهانی اول توسط آلمان‌ها انجام شد. پروتین اولین پروتئین تک یاخته تجاری بود که به عنوان افزودنی خوراک حیوانات مورد استفاده قرار گرفت. در اواسط سال ۱۹۳۰ و جنگ جهانی دوم، این امر مورد توجه بیشتری قرار گرفت و تولید آن به ۱۵ هزار تن در سال رسید.
اولین كنفرانس بین المللی در مورد پروتئین تک یاخته در سال ١٩٦۸ در ماساچوست آمریكا برگزار شد و در آن كنفرانس، كمپانی بریتیش پترولیوم تنها ارائه كننده تولید صنعتی آن بود. در دومین كنفرانس كه در سال ١٩٧٣ در همان محل برگزارگردید؛ بسیاری از كمپانی ها تولیدات صنعتی خود را ارائه نمودند. كارخانه هایی كه تا سال ١٩٩٠ بصورت صنعتی پروتئین تک یاخته تولید می كردند؛ به طور عمده از دو منبع سوبسترایی هیدروكربنی و یا قندی استفاده می نمودند. منابع سوبسترای قندی عمدتاً شامل ملاس، ضایعات كشاورزی، فاضلاب

 های كارخانجات صنایع غذایی و صنایع چوب و كاغذ بودند، درحالیكه سوبستراهای هیدروكربنی عمدتاً شامل مشتقات نفتی، اتانول و متانول بود. شركت BP و یك شركت ایتالیایی یك واحد 000/100 تنی تولید پروتئین تک یاخته از مشتقات نفتی را در ایتالیا تأسیس نمودند که در سال ١٩٧٧ به علت بحران های جهانی باعث ورشكستگی این شركت ها و از جمله شركت BP گشت. در اوایل دهه ١٩٨٠ اولین واحد صنعتی تولید پروتئین تک یاخته از متانول توسط شرکت ICIدر انگلستان به ظرفیت 000/60 (تن/سال( مورد بهره برداری قرار گرفت ولی در سال ١٩٨٧ تولیدات این كارخانه به علت عدم توان رقابت با سایر منابع پروتئینی مانند پودر ماهی و سویا، متوقف گردید ]۸,۷,۴[. همچنین شركت RHM در انگلستان با همكاری شركت  ICIدر اواسط دهه ۸۰ میلادی پروتئین میكروبی تحت نام تجارتی کورن تولیدكرد كه ساختاری شبیه به گوشت داشته و توسط رشد کپک فوزاریوم گرامینراروم بر روی مواد نشاسته‌ای تولید می‌شد. این محصول به خاطر استفاده از كپك كه به طور طبیعی دارای محتوای اسید هسته‌ای كمتری از باكتری‌ها می‌باشد و بخاطر اضافه كردن یك عملیات برای كاهشRNA  در فرآیند تولید صنعتی، دارای محتوای هسته‌ای خیلی پایین می‌باشد و لذا استفاده از آن در خوراك انسان در انگلستان مجاز تشخیص داده شد. تولید اولیه این محصول در سال ۱۹۸۵، ۱۰۰۰ تن در سال بود و از موفقیت اقتصادی برخوردار شد، زیرا به جای كنجاله سویا با سویا و گوشت رقابت می‌كرد. شركت نفتی شل در سال ١٩٧٤ طرح تأسیس یك واحد 000/100 تنی تولید پروتئین تک یاخته در آمستردام را آغاز نمود ولی به دلیل وجود منابع پروتئین گیاهی ارزان قیمت و سایر مشكلات، عملیات احداث كارخانه در سال ١٩٧٦ متوقف گردید.

بررسی ها نشان می دهد بیشترفعالیت ها در توسعه فرآیند تولید پروتئین تک یاخته توسط شركت های نفتی صورت گرفته است و این به دلیل کاهش قیمت نفت در سال های ۱۹۶۵-۱۹۵۷ بوده است. از سال ۱۹۷۴ روند افزایش قیمت نفت سال به سال شدیدتر شد، به طوریکه در سال۱۹۸۱ به ۳۵ دلار به ازای هر بشکه رسید. همان طورکه بررسی شد تحولات تولید پروتئین تک یاخته با تحولات قیمت نفت هم زمانی داشته و این امر از آن جا ناشی می شود که۶۰ تا ۸۰ درصد هزینه های مربوط به یک واحد تولید پروتئین تک یاخته به هزینه های ماده اولیه مربوط می شود] ۹,۴[.
 
۱-۳- ارزش تغذیه ای پروتئین تک یاخته
ارزش تغذیه ای و یا مضرات پروتئین تک یاخته حاصل از منابع مختلف بستگی به ترکیبات آن دارد. مواد مغذی، ویتامین ها، نیتروژن، کربوهیدرات ها، چربی ها، ترکیبات دیواره سلولی، اسیدهای نوکلئیک، غلظت پروتئین و پروفایل اسیدهای آمینه باید بعد از تولید برای استفاده در غذای انسان و خوراک حیوانات آنالیز شود.
جلبک ها غنی از پروتئین، چربی ها و ویتامین های A، B، C، D و E می باشند. جلبک های تک سلولی منبع اصلی ویتامین های A و D هستند. علاوه بر ویتامین ها، جلبک ها حاوی۶۰-۴۰% پروتئین، ۷% نمک های معدنی، کلروفیل و فیبر بوده و میزان اسید نوکلئیک در آن ها بسیار پایین است (6-4%). قارچ ها شامل ویتامین های گروه B هستند. همچنین میزان اسید نوکلئیک در آن ها پایین است (9-7%). این پروتئین های تک یاخته همچنین از نظر اسید های آمینه سولفوردار غنی می باشند و پروتئین آن ها حدود۳۰ تا ۷۰% است. مخمرها حاوی تیامین، ریبوفلاوین، بیوتین، نیاسین، پنتوتنیک اسید، پیریدوکسین، کولین، گلوتاتیونو فولیک اسیدمی باشند .باکتری ها حاوی میزان بالای پروتئین بوده و اسیدهای آمینه ضروری معینی دارند. میزان پروتئین در آن ها ۸۰% است. آن ها هم چنین دارای میزان بالای ۱۶-۱۵% اسیدهای نوکلئیک به ویژه RNA هستند. پروتئین حاصل از باکتری غنی از متیونین می باشد (۳-۲/۲%) که در مقایسه با جلبک ها (۶/۲-۴/۱%) و قارچ ها (۵/۲-۸/۱%) بالاتر است] ۱[.
 
1-4- ترکیبات سمی پروتئین تک یاخته و اثرات آن ها
پروتئین تک یاخته پس از استخراج و خالص سازی، برای استفاده به عنوان غذای انسان، حتما باید با استاندارد های جهانی قابل مقایسه باشد. محصول نهایی تنها نباید مغذی بوده بلکه باید از تمامی آزمایشات مربوط به سمیت عبور کرده تا بصورت تجاری برای غذای انسان قابل استفاده باشد. علاوه بر اسیدهای نوکلئیک، چندین ماده سمی و ترکیبات ناخواسته باید حذف شود که در بخش بعدی شرح داده خواهد شد.
 
۱-۴-۱- اسیدهای نوکلئیک
میزان بالای اسیدهای نوکلئیک در بدن باعث تولید اسید اوریک می شود. در اثر شکسته شدن نوکلئیک اسیدها، غلظت اسید اوریک در پلاسما و کلیه افزایش می یابد که این ماده می تواند در مفاصل کریستالیزه شود و منجر به تشکیل سنگ کلیه و نقرس در انسان گردد. اسیدهای نوکلئیک پروتئین های تک یاخته مختلف اگر برای غذای انسان استفاده شود باید تا حد قابل قبولی کاهش یابد.
میزان مجاز مصرف اسید نوکلئیک برای انسان، روزانه ۲ گرم است. پروتئین حاصل از باکتری حاوی میزان بالای اسید نوکلئیک می باشد. RNA موجود در سلول های مخمر وابسته به ترکیبات محیط کشت و نسبت کربن به نیتروژن است. میزان اسیدهای نوکلئیک می تواند به روش های گوناگون کاهش یابد. فعال کردن آنزیم RNAase بوسیله فرآیند حرارتی بالا (۶۰ تا۷۰ درجه سلسیوس برای۲۰دقیقه)، هیدرولیز قلیایی اسیدهای نوکلئیک، اصلاح شرایط محیط کشت بوسیله عناصر نیتروژن، کربن، فسفر و روی، استخراج شیمیایی وحذف نوکلئیک اسیدها از جمله این روش هاست.
 
۱-۴-۲- توکسین ها
سموم در واقع متابولیتهای ثانویه تولید شده توسط قارچ خاص و باکتری ها در طول رشدهستند. جلبکها عموما سموم مضر تولید نمی کنند. پروتئین تک یاخته زمانی کهبرای خوراک حیوانات استفاده می شود سطح مسمومیت آن بیشتر اززمانی است که بوسیله انسان مصرف می شود. از انواع توکسین ها می توان به مایکوتوکسین ها و توکسین های باکتریایی اشاره کرد. حضور مایکوتوکسین ها در بعضی از گونه های قارچی یک مانع بزرگ در استفاده از آنها تلقی می شود. این توکسین هاسبب تولید واکنش های آلرژیک، بیماریها و سرطان کبد در انسان و حیوان می شوند. از مهم ترین مایکوتوکسین ها می توان به آفلاتوکسین ها اشاره کرد. توکسین های باکتریایی شامل اندوتوکسین و اگزوتوکسین می باشند. اگزوتوکسین ها از باکتری های گرم مثبت حاصل می شوند. آن ها در واقع پروتئین هایی با وزن مولکولی بسیار بالا هستند. اندوتوکسین ها بخشی از دیواره سلولی داخلی باکتری های گرم منفی می باشند. آن ها در واقع لیپو پلی ساکاریدهایی هستند که بخش چربی آن ها می تواند سمیت ایجاد کند. اگزوتوکسین ها را به راحتی می توان از محصول پروتئینی خارج ساخت زیرا آن ها به حرارت بسیار حساس هستند اما خارج کردن اندوتوکسین ها به این علت که بخشی از دیواره سلولی هستند، بسیار مشکل می باشد ]۱[.
 
۱-۵- ضرورت انجام پروژه
همان طور که گفته شد در حال حاضر جهان با چالش افزایش جمعیت مواجه است و با رشد جمعیت نیاز به مواد غذایی روز به روز بیشتر احساس می شود. از آنجایی که در آینده ی نزدیک تقاضا برای مواد غذایی به یک معضل تبدیل خواهد شد بنابراین یکی از نگرانی های کشورهای فقیر، تأمین منابع غذایی است. این در حالی است که می توان از ضایعات و مواد بی ارزش و دور ریختنی همچون ضایعات کشاورزی با استفاده از میکروارگانیسم ها مواد با ارزش غذایی نظیر منابع پروتئینی تولید کرد. استفاده از مواد لیگنوسلولزی به عنوان منبع کربن برای تولید پروتئین تک یاخته توجه زیادی را در سال های اخیر به خود جلب کرده است. تفاله نیشکر که اصطلاحاً به آن باگاس نیشکر گفته می شود از جمله مواد لیگنوسلولزی است که به عنوان یک دور ریز کشاورزی به هدر می رود. سالانه مقادیر بسیار زیادی از آن بدون استفاده مانده و یا سوزانده می شودکه این خود از معضلات آلودگی محیط زیست به شمار می آید. بیش ترین میزان کشت نیشکر در دنیا و به تبع آن تولید باگاس نیشکر،در کشورهای برزیل، هند، چین، تایلند و پاکستان است و ایران نیز در شمار بیست کشور اول تولید کننده نیشکر قرار دارد. تولید نیشکر در ایران ابتدا از مازندران آغاز و در حال حاضر بخش عمده آن در خوزستان است. بنابراین ما نیز با مشکل محیط زیستی حاصل از استفاده نادرست از باگاس نیشکر مواجه هستیم. در مازندران کارگاه های کوچک زیادی از نیشکر به ویژه در منطقه بهنمیر وجود دارد که بقایای نیشکر آن ها به هدر رفته و در اطراف کارگاه ها بدون استفاده باقی می ماند و یا اینکه با هزینه های زیادی از بین برده می شود. با توجه به این که بخش عظیم هزینه های تولید پروتئین تک یاخته را نوع منبع کربنی به خود اختصاص می دهد امید است این پروژه بتواند گامی به جلو در جهت صنعتی شدن فرآیند تولید پروتئین تک یاخته باشد.
 
 
۱-۶- اهداف پروژه
در راستای حل مشکلات مذکور، اهدافی برای انجام این پروژه در نظر گرفته شده است که این اهداف به شرح زیر است:
– تولید پروتئین تک یاخته از باگاس نیشکر با استفاده از مخمر ساکرومایسیس سرویسیه در تخمیر حالت جامد در بیورآکتور سینی دار
– بررسی پارامترهای تأثیرگذار بر سوبسترا نظیر پیش تیمار قلیایی، رطوبت اولیه سوبسترا، غنی سازی سوبسترا با منابع نیتروژنی مختلف
– بررسی پارامترهای عملیاتی تأثیرگذار بر تولید نظیر زمان تخمیر، دما و رطوبت داخلی بیورآکتور
– افزایش بازدهی تولید پروتئین تک یاخته به کمک بهینه کردن پارامترهای تأثیرگذار بر تولید
– انجام آزمایش آمینواسید به منظور شناسایی اسیدهای آمینه موجود در نمونه و ارزیابی تغذیه ای آن.
 
1-7- تقسیم بندی فصول پایان نامه
در راستای تحقق اهداف ذکر شده، این پایان نامه در پنج فصل تهیه شد که تقسیم بندی فصول آن به شرح زیر است:
– فصل اول: در فصل اول به معرفی پروتئین تک یاخته پرداخته و تاریخچه ای کوتاه از تولید آن بیان گردید. هم چنین مطالبی در مورد ارزش تغذیه ای و سمیت های احتمالی آن ارائه شد.
– فصل دوم: معرفی سوبستراهای مورد استفاده در تولید پروتئین تک یاخته و سپس معرفی باگاس نیشکر به عنوان ماده اولیه استفاده شده در این تحقیق در ابتدای فصل دو بیان گردید. سپس به معرفی میکروارگانیسم های تولید کننده این محصول و فرآیند تولید پروتئین تک یاخته بر اساس مطالعات پیشین پرداخته شد. در ادامه تخمیر حالت جامد و غوطه ورمورد بررسی قرار گرفت. در انتها بیورآکتورهای مورد استفاده در تخمیر حالت جامد به طور مختصر شرح داده شد.
– فصل سوم: در فصل سوم مواد و دستگاه های مورد استفاده در این پروژه بیان گردید. آزمایش ها، روش های آزمایشگاهی و اندازه گیری نیز به تفصیل شرح داده شد.
– فصل چهارم: در این فصل نتایج حاصل از بررسی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی سوبسترا بیان گردید. منحنی های استاندارد برای روش های مورد استفاده گزارش شد و نتایج حاصل از بهینه سازی پارامترهای ثأثیرگذار بر تولید در قالب نمودارها و جداول ارائه گردید و سپس به بحث و بررسی نتایج پرداخته شد.
– فصل پنجم: در فصل پنجم نتیجه گیری کلی از مجموع کارهای انجام شده در پروژه به عمل آمد و پیشنهاداتی در زمینه بهبود کار برای پروژه های آینده ارائه شد.