เอนไซม์จากรากอ้อยช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการปล่อยน้ำตาลจากชานอ้อยได้สูงสุด 6 เท่า
นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัย São Paulo (USP) ค้นพบว่า กุญแจสำคัญในการย่อยสลายชานอ้อยที่มีโครงสร้างแข็งแรงนั้นอยู่ภายในต้นอ้อยเอง โดยจากการศึกษาพัฒนาการของการเกิดช่องว่างอากาศ ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นช่องว่างภายในรากอ้อย นักวิจัยสามารถระบุกลุ่มเอนไซม์ที่พืชใช้ในการปรับเปลี่ยนโครงสร้างเส้นใยของผนังเซลล์ได้ เมื่อนำโมเลกุลเอนไซม์ชนิดหนึ่งจากกลุ่มดังกล่าวไปผสมกับเอนไซม์เชิงพาณิชย์ พบว่าสามารถเพิ่มการปลดปล่อยน้ำตาลจากวัสดุเหลือทิ้งจากอ้อยได้สูงสุด 6 เท่า ซึ่งถือเป็นขั้นตอนสำคัญในการเร่งกระบวนการผลิตเอทานอลรุ่นที่สอง
โดยทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการสรีรวิทยาพืชเชิงนิเวศ (Laboratory of Ecological Plant Physiology: LAFIECO) ภาควิชาพฤกษศาสตร์ สถาบันชีววิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัย São Paulo (Institute of Biosciences, University of São Paulo: IB-USP) ใช้เวลาศึกษาวิจัยนานถึง 17 ปี จนได้ผลการค้นพบล่าสุด
Marcos Silveira Buckeridge ผู้ประสานงานห้องปฏิบัติการ LAFIECO และผู้ร่วมเขียนบทความวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Experimental Botany อธิบายว่า ปัจจุบันเอนไซม์ผสมที่ใช้ในกระบวนการย่อยสลายส่วนใหญ่ได้มาจากจุลินทรีย์ โดยเฉพาะเชื้อรา การค้นพบครั้งนี้นับเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ระบุโมเลกุลจากพืชที่มีคุณสมบัติในการย่อยสลายโครงสร้างดังกล่าวได้
การเกิดช่องว่างอากาศและโครงสร้างผนังเซลล์
เมื่อช่องว่างอากาศพัฒนาขึ้น พืชจะปรับเปลี่ยนและย่อยสลายผนังเซลล์บริเวณราก ทำให้เกิดเป็นช่องทางอากาศภายในเนื้อเยื่อ กระบวนการนี้ประกอบด้วยการแยกตัวของเซลล์และการย่อยสลายน้ำตาลเชิงซ้อน ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญสองประการในการนำชานอ้อยมาใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตเอทานอล
จากการวิเคราะห์ภายในเซลล์ของตัวอย่างรากอ้อยแต่ละส่วน นักวิทยาศาสตร์พบยีนที่มีการทำงานมากกว่า 32,000 ยีน โดยประมาณ 5,000 ยีนเกี่ยวข้องกับผนังเซลล์ Bruno Viana Navarro อธิบายว่า ทีมวิจัยวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นตลอดกระบวนการพัฒนาของช่องว่างอากาศ โดยเปรียบเทียบตัวอย่างจากแต่ละส่วนของรากอ้อยที่มีระดับการเกิดช่องว่างแตกต่างกัน
ทีมวิจัยมุ่งศึกษาเอนไซม์ที่ทำหน้าที่เสมือน “กรรไกรทางเคมี” ซึ่งสามารถตัดเส้นใยของผนังเซลล์และช่วยปลดปล่อยน้ำตาลออกมา Eveline Tavares นักศึกษาระดับปริญญาเอกของ Marcos Silveira Buckeridge เป็นผู้ค้นพบโมเลกุลสำคัญในกระบวนการนี้ ได้แก่ เอนไซม์ ASD (α-L-arabinofuranosidase) ต่อมา Adriana Grandis นักศึกษาระดับปริญญาเอก ได้ศึกษาต่อยอดถึงความสำคัญของเอนไซม์ดังกล่าวต่อการเกิดช่องว่างอากาศในรากอ้อย โดย Bruno Viana Navarro อธิบายว่า เอนไซม์ ASD ทำหน้าที่ปรับโครงสร้างผนังเซลล์อย่างจำเพาะ ด้วยการตัดพันธะขององค์ประกอบโครงสร้างชนิดหนึ่งที่พบมากในอ้อย
พัฒนาเอนไซม์จากพืช 100%
เมื่อเห็นถึงศักยภาพของเอนไซม์ ASD ทีมวิจัยซึ่งนำโดย Débora Pagliuso นักวิจัยหลังปริญญาเอก ได้ผลิตเอนไซม์ชนิดนี้ในห้องปฏิบัติการโดยใช้ยีสต์เป็นตัวช่วย เพื่อทดสอบประสิทธิภาพในการใช้งานจริง Bruno Viana Navarro ระบุว่า ทีมวิจัยได้นำเอนไซม์ ASD ไปผสมกับเอนไซม์เชิงพาณิชย์และทดลองกับชานอ้อย ผลการทดลองพบว่า เพียงเติมเอนไซม์ ASD เข้าไปก็สามารถเพิ่มการปลดปล่อยน้ำตาล ซึ่งจะนำไปเปลี่ยนเป็นเอทานอลในขั้นตอนต่อไป ได้สูงสุดถึง 6 เท่า
นักวิจัยระบุว่า ผลการศึกษาครั้งนี้ยังเผยให้เห็นถึงความหลากหลายขององค์ประกอบทางชีวโมเลกุลในอ้อย โดยทีมวิจัยสามารถระบุลำดับพันธุกรรมและกลุ่มเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องได้แล้วประมาณ 530 รายการ ซึ่งหมายความว่ายังมีองค์ประกอบทางชีวภาพอีกหลายสิบชนิดที่รอการศึกษาและทดสอบประสิทธิภาพเพิ่มเติม
สำหรับ Marcos Silveira Buckeridge ความสำเร็จของงานวิจัยครั้งนี้ช่วยสนับสนุนแนวคิดที่ว่า เอนไซม์ที่พืชสร้างขึ้นเองอาจมีประสิทธิภาพในการทำความเข้าใจและย่อยสลายโครงสร้างของอ้อยได้ดีกว่าเอนไซม์จากจุลินทรีย์ โดยเขากล่าวว่า เอนไซม์จากพืชที่นำเสนอในงานวิจัยนี้อาจมีคุณสมบัติบางประการที่เอนไซม์จากจุลินทรีย์ไม่มี และคุณสมบัติเหล่านี้อาจเป็นกุญแจสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนวัสดุเหลือทิ้งให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงขึ้น พร้อมเปรียบเทียบว่า การค้นพบครั้งนี้อาจเปรียบเสมือนการค้นพบเหมืองทองคำ แต่จนถึงขณะนี้ทีมวิจัยเพิ่งนำศักยภาพดังกล่าวมาใช้เพียงส่วนเล็กน้อยเท่านั้น
หนึ่งในเป้าหมายสำคัญของทีมวิจัยในอนาคต คือการพัฒนาเอนไซม์ผสมสูตรเฉพาะที่ผลิตจากพืช 100% โดย Bruno Viana Navarro กล่าวว่า การวิเคราะห์องค์ประกอบทางชีวเคมีของชีวมวลอ้อยจะช่วยให้สามารถออกแบบสูตรเอนไซม์ที่เหมาะสมกับกระบวนการไฮโดรไลซิส (Hydrolysis) หรือการย่อยสลายด้วยน้ำได้มากที่สุด ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและผลผลิตเอทานอล โดยทีมวิจัยหวังว่าจะสามารถพัฒนาเทคโนโลยีดังกล่าวให้เกิดขึ้นได้ในอนาคต
