«Εάν ολόκληρος ο κόσμος αποφασίσει να καλύψει τις ανάγκες του σε ωμέγα-3 λιπαρά οξέα από ιχθυέλαιο, σύντομα θα υπάρξει σημαντική έλλειψή τους. Επομένως, χρειαζόμαστε εναλλακτικές πηγές παραγωγής τέτοιων ελαίων» μού λέει σε μια συζήτηση ο Καθηγητής στον τομέα της Βιομηχανικής Βιοτεχνολογίας (Industrial Biotechnology), στη Σχολή Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ), κ. Ευάγγελος Τόπακας, το εργαστήριο του οποίου πρωτοπορεί παγκοσμίως και, μέχρι στιγμής, είναι το μοναδικό στην Ελλάδα που δραστηριοποιείται ερευνητικά στη Βιομηχανική Βιοτεχνολογία (Industrial Biotechnology).
Το ιχθυέλαιο θεωρείται κύρια πηγή ωμέγα-3 λιπαρών οξέων EPA (εικοσαπενταενικό οξύ) και DHA (εικοσιδυαεξανοϊκό οξύ) ωστόσο η κατανάλωσή του σκοντάφτει σε αρκετούς περιορισμούς όπως είναι η μείωση του πληθυσμού των ψαριών, η δυσάρεστη οσμή, η κακή οξειδωτική σταθερότητά, καθώς και η παρουσία μολυσματικών ουσιών.
«Υπάρχουν τρεις τύποι ωμέγα-3 λιπαρών οξέων [το ALA (άλφα-λινολενικό οξύ), το DHA και το EPA] που ο οργανισμός μας χρειάζεται για να λειτουργήσει καλά. Και τους χρειάζεται όλους, αλλά καθώς το ανθρώπινο σώμα δεν συνθέτει ωμέγα-3 λιπαρά οξέα, θα πρέπει να τα λαμβάνει από άλλες πηγές, όπως ψάρια και ιχθυέλαιο. Ωστόσο, για χορτοφάγους, vegans και αλλεργικούς στα ψάρια, αυτές οι πηγές δεν είναι οι ιδανικές», εξηγεί ο Καθηγητής Τόπακας.
Σύμφωνα με τον ίδιο, τα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα (polyunsaturated fatty acids, PUFAs), όπως είναι τα ωμέγα-3 EPA και DHA αναγνωρίζονται ευρέως ως σημαντικές βιοδραστικές ενώσεις που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων και θρεπτικών ουσιών για την ανάπτυξη λειτουργικών τροφίμων. Για αυτό και κρίνεται απαραίτητη η παραγωγή τους σε ικανές ποσότητες.
Vegan ωμέγα-3 λιπαρά οξέα από… μικροφύκη
Αντίθετα με ότι οι περισσότεροι πιστεύουν, τα ψάρια δεν παράγουν μόνα τους ωμέγα-3 λιπαρά οξέα από το μεταβολισμό τους, αλλά τα συσσωρεύουν μέσω της κατανάλωσης μικροφυκών και πλαγκτόν αλλά και μέσω της τροφικής τους αλυσίδας, και τα αποθηκεύουν στον ιστό τους.
Οι ερευνητές αναζητούν διαρκώς εναλλακτικές πηγές παραγωγής τέτοιων ελαίων και τα τελευταία χρόνια έχουν στρέψει την προσοχή τους στα φύκη και ειδικότερα στο έλαιο που παράγουν ορισμένοι τύποι μικροφυκών, καθώς φαίνεται πως αυτό μπορεί να υποκαταστήσει τα ψάρια και το ιχθυέλαιο.
«Η ανάκτηση των ωμέγα-3 λιπαρών οξέων από τα μικροφύκη αποτελεί μια πολύτιμη εναλλακτική λύση στο ιχθυέλαιο και προσφέρει την ικανότητα απομόνωσης ενός μόνο τύπου ωμέγα-3, αντί ενός μείγματος», εξηγεί ο Καθηγητής, ο οποίος μαζί με την ερευνητική του ομάδα IndBioCat (Industrial Biotechnology & Biocatalysis Group), είναι οι μόνοι στην Ελλάδα και από τους πρωτοπόρους στην Ευρώπη που καλλιεργούν αμιγώς ετεροτροφικά μικροφύκη στο εργαστήριό τους (όπως για παράδειγμα δινομαστιγωτά), για να ανακτήσουν ωμέγα-3 λιπαρά οξέα.
Όπως ο ίδιος λέει, τα μικροφύκη είναι μια κατηγορία μικροοργανισμών που συσσωρεύουν υψηλές ποσότητες πολυακόρεστων λιπαρών οξέων (PUFAs) και σε κάποιες περιπτώσεις και ωμέγα-3 λιπαρών οξέων, όπως EPA και DHA, όταν αναπτύσσονται σε ετερότροφες καλλιέργειες, που υποστηρίζονται από μια πηγή άνθρακα.
«Αν για παράδειγμα καλλιεργήσουμε ετερότροφα το μικροφύκος Chlorella protothecoides, η περιεκτικότητα της καλλιέργειας σε λιπίδια μπορεί να φτάσει το 55% κατά βάρος, η οποία είναι 4 φορές μεγαλύτερη από την περιεκτικότητα στις αυτοτροφικά αναπτυσσόμενες καλλιέργειες υπό παρόμοιες συνθήκες. Το θαλάσσιο ετερότροφο δινομαστιγωτό Crypthecodinium cohnii θεωρείται επίσης σημαντικός ‘ελαιοπαραγωγός’ λόγω της ικανότητάς του να συνθέτει λιπίδια με υψηλό κλάσμα (30–50%) DHA.
Μάλιστα, λόγω της μοναδικότητας του προφίλ λιπαρών οξέων του, το έλαιο του μικροφύκους έχει κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για χρήση σε βρεφικά σκευάσματα, ενώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως συμπλήρωμα διατροφής για ενήλικες και ειδικότερα ως βίγκαν πηγή ωφέλιμων λιπαρών οξέων. Το C. cohnii μπορεί να συσσωρεύσει σχετικά υψηλές ποσότητες λιπιδίων που φτάνουν έως και το 45-50% του βάρους των ξηρών κυττάρων, ενώ είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει μια ποικιλία διαφορετικών πηγών άνθρακα, όπως λιπαρά οξέα, αιθανόλη και σάκχαρα (όπως π.χ. γλυκόζη, γαλακτόζη, λακτόζη)», περιγράφει ο Έλληνας επιστήμονας.
Ο ίδιος, προκειμένου να μειωθεί το κόστος και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα της συνολικής διεργασίας-στη λογική πάντα της βιοοικονομίας-προτείνει, ως φθηνή και ανανεώσιμη πηγή άνθρακα για ετερότροφες καλλιέργειες μικροφυκών, τη χρήση της λιγνινοκυτταρινικής βιομάζας (φυτική ξηρή ύλη, όπως π.χ. άχυρο σίτου, ξύλο κλπ). Και αυτή είναι μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική.
Αρκετοί μικροοργανισμοί θεωρούνται σημαντική πηγή ελαίων πλούσιων σε πολυακόρεστα λιπαρά οξέα (PUFAs), συμπεριλαμβανομένων νηματοειδών στελεχών μυκήτων όπως η Mortierella isabellina που είναι σε θέση να συνθέτει EPA και να συσσωρεύει έως και 34% περιεκτικότητα σε λιπίδια ανά βάρος ξηρού κυττάρου σε υδρόλυμα άχυρου σίτου και ο Mucor circinelloides που συσσωρεύει έως και 44% συνολικά λιπαρά οξέα με υψηλή συγκέντρωση γ-λινολενικού οξέος. Αλλά και θαλάσσιοι μικροοργανισμοί όπως ο Schizochytrium sp. και Ulkenia sp. προσελκύουν το ενδιαφέρον των επιστημόνων τελευταία για την παραγωγή PUFAs, λόγω της ικανότητάς τους να συσσωρεύουν υψηλές ποσότητες DHA.
«Βουτιά» στα υπολείμματα του πρωτογενούς αγροτικού τομέα
Μια φυσικά διαθέσιμη λιγνινοκυτταρινική βιομάζα (φυτική ξηρή ύλη) με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή για ετερότροφες καλλιέργειες μικροφυκών είναι τα γεωργικά υπολείμματα. Ο Καθηγητής στο εργαστήριό του χρησιμοποιεί γεωργικά υπολείμματα (από κυτταρίνη, ημικυτταρίνη και λιγνίνη) τα οποία μετασχηματίζει σε πολύτιμα προϊόντα βιολογικής βάσης και παράγει βιοενέργεια, υλικά και χημικά προϊόντα. Μαζί με την ερευνητική του ομάδα, είναι οι πρώτοι στην Ελλάδα και οι μοναδικοί, μέχρι στιγμής, που χρησιμοποιούν υπολειμματική βιομάζα για να ανακτήσουν ωμέγα-3 λιπαρά οξέα από ετερότροφες καλλιέργειες μικροφυκών.
Σε μια πρόσφατη μελέτη, η ομάδα χρησιμοποίησε το μικροφύκος C. cohnii ως μοντέλο για αποτελεσματική παραγωγή DHA από βιομάζα οξιάς (υδρολύματα δασικής λιγνινοκυτταρινικής βιομάζας): «Σε συνεργασία με το Εθνικό Κέντρο Έρευνας & Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ) και την ερευνητική ομάδα του Δρα Λάππα, εφαρμόσαμε ήπια οξειδωτική οργανολυτική προκατεργασία στη βιομάζα οξιάς και τα στερεά κλάσματα που προέκυψαν αξιολογήθηκαν ως μια πολλά υποσχόμενη πηγή άνθρακα που μπορεί να υποστηρίξει την ανάπτυξη και τη συσσώρευση λιπιδίων στα κύτταρα των μικροφυκών. Επιβεβαιώσαμε για πρώτη φορά την ικανότητα του C. cohnii να χρησιμοποιεί σάκχαρα που προέρχονται από δασική λιγνινοκυτταρινική βιομάζα για να παραγάγει αποτελεσματικά έλαιο πλούσιο σε DHA ως πολύτιμο προϊόν».
Όπως εξηγεί ο Καθηγητής Τόπακας υπάρχουν σαπροφυτικοί μικροοργανισμοί (όπως οι μύκητες και τα βακτήρια) οι οποίοι περιέχουν ένα πλούσιο ‘οπλοστάσιο’ ενζύμων, κάτι σαν μοριακά εργαλεία για να διασπούν τη λιγνινοκυττερίνη και να τροφοδοτούν το μικροφύκος C. cohnii με σάκχαρα. Η εκμετάλλευση αυτού του ενζυμικού μηχανισμού θα μπορούσε να επιτρέψει την αποτελεσματική ‘διάλυση’ (αποπολυμερισμό) της βιομάζας και την αναβάθμιση των συστατικών της σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας στο πλαίσιο των Βιοδιυλιστηρίων (Biorefineries) όπως ονομάζονται.
«Για παράδειγμα χρησιμοποιώντας άχυρο σίτου μπορέσαμε να παραγάγουμε ωμεγα-3 λιπαρά οξέα μέσω ενζυμικής αποικοδόμησης και εν συνεχεία ζύμωσης τους με το ετεροτροφικό μας σύστημα του C. cohnii», λέει ο καθηγητής, περιγράφοντας συνοπτικά το έργο ΑΜΑΛΘΥΑ «Αξιοποίηση Αγροτικών Παραπροϊόντων με Μετατροπή σε Αλληλουχία Βιο- και Θερμο-Χημικών Διεργασιών προς Πρόσθετα Τροφίμων Υψηλής Αξίας», το οποίο είναι ένα από τα σημαντικά έργα που μόλις ολοκλήρωσε με την ερευνητική του ομάδα, με χρηματοδότηση από το ΕΣΠΑ (ΕΠΑνΕΚ, δράση «Ερευνώ-Δημιουργώ-Καινοτομώ Β’ κύκλος»).
Η αξιοποίηση των υπολειμματικής βιομάζας προς την παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας προσελκύει αυξανόμενο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, όχι μόνο επειδή η λιγνινοκυτταρίνη είναι μια ανανεώσιμη πηγή σακχάρων που μπορεί να μετατραπεί σε πλατφόρμα χημικών προϊόντων για διαφορετικές εφαρμογές, αλλά και επειδή συνιστά μια άφθονη πηγή βιολογικά προερχόμενου άνθρακα που είναι διαθέσιμη σε παγκόσμια κλίμακα, αλλά συχνά υποτιμημένη.
«Με την εφαρμογή αποτελεσματικών τεχνολογιών κλασματοποίησης της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας μπορεί να παραχθεί ένας πολτός πλούσιος σε κυτταρίνη και να χρησιμεύσει ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ενός ευρέος ρεπερτορίου τελικών προϊόντων μέσω διεργασιών ενζυμικής σακχαροποίησης και ζύμωσης στα πλαίσια ενός Βιο-διυλιστηρίου. Με τον τρόπο αυτό η ανθρωπότητα θα απεξαρτηθεί από τον ορυκτό άνθρακα στη χρήση του οποίου έχουμε εθιστεί με τις γνωστές δυσμενείς επιπτώσεις στη βιόσφαιρα όπως είναι η κλιματική αλλαγή», καταλήγει ο Δρ. Τόπακας.
