นักวิจัยจากจุฬาฯ สร้างนวัตกรรม ‘เซลลูโลส’ จากแบคทีเรีย ทดแทนการนำเข้านับหมื่นล้านบาท ช่วย เศรษฐกิจหมุนเวียน และเป็น zero waste ภายใต้สิทธิบัตร ‘เซลโลกัม’

ในอุตสาหกรรมอาหาร เซลลูโลสมักถูกใช้ในกระบวนการผลิต เพื่อเป็นสารเพิ่มความข้นและสารทำให้คงตัว สารเติมแต่งนี้สามารถพบได้ในผลิตภัณฑ์หลายชนิดที่ซื้อในชีวิตประจำวัน เช่น ในอาหารสำเร็จรูป แป้งสาลี แยม ครีม ซอส ฯลฯ นอกจากนี้ เซลลูโลสยังใช้ในอาหารควบคุมน้ำหนักและผลิตภัณฑ์เสริมอาหารเฉพาะทาง เช่น ในเชคลดน้ำหนัก โยเกิร์ต สมูทตี้ และซุป ปลอกเซลลูโลสใช้ในการผลิตไส้กรอกและเนื้อเย็นปรุงสุกหรือรมควัน

เส้นใยเซลลูโลสที่มีความเสถียรและยืดหยุ่น เป็นวัตถุดิบที่สำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมกระดาษ ผลิตภัณฑ์เซลลูโลสที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด ได้แก่ กระดาษ กระดาษแข็ง บรรจุภัณฑ์ และผลิตภัณฑ์เพื่อสุขอนามัย (กระดาษชำระ ผ้าเช็ดทำความสะอาด ผ้าเช็ดครัว) ศักยภาพของเซลลูโลสยังเป็นที่รู้จักกันดีในหมู่ ผู้ผลิตยา ปัจจุบันสามารถพบวัตถุดิบนี้ได้ในการเคลือบ/เปลือกของยาเม็ด แคปซูล ผง ฯลฯ เส้นใยโพลิเมอร์ชีวภาพชนิดนี้ยังใช้ในการผลิตวัสดุปิดแผลทางการแพทย์อีกด้วย

เซลลูโลสจัดเป็นเคมีภัณฑ์อินทรีย์ที่นำเข้ามาเพื่ออุตสาหกรรมอาหาร ยา เครื่องสำอาง และอื่น ๆ โดยมีมูลค่านับหมื่นล้านบาท

จาก pain point ดังกล่าว ประกอบกับประเทศไทยมีวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรเป็นจำนวนมาก จึงเป็นที่มาให้ ศ.ดร.หทัยกานต์ มนัสปิยะผู้อำนวยการศูนย์ความเป็นเลิศด้านเทคโนโลยีปิโตรเคมีและวัสดุ (PETROMAT) และอาจารย์ประจำวิทยาลัยปิโตรเลียมและปิโตรเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย สร้างนวัตกรรมจากเศษวุ้นมะพร้าวเหลือทิ้ง สู่วัตถุดิบเซลลูโลสอาหารพันล้าน

ความร่วมมือกับภาคส่วนต่าง ๆ เพื่องานวิจัย

โครงงานการวิจัยดังกล่าวได้รับทุนสนับสนุนการวิจัยจากหลายทุน โดยมีนิสิตปริญญาเอกเข้าร่วมทีมวิจัยหลายคน จนผลงานดังกล่าวได้รับการเผยแพร่ในเอกสารทางวิชาการมากมาย

ที่ผ่านมา ทีมวิจัยมักใช้แบคทีเรียเซลลูโลสมาขึ้นรูปเป็นเมมเบรน เป็นฟิล์มถนอมอาหาร หรือฉลากต่าง ๆ แต่เมื่อได้รู้จักกับกลุ่มอุตสาหกรรมอาหาร อย่าง บริษัท อำพลฟู้ดส์ โพรเซสซิ่ง จำกัด ซึ่งเป็นผู้ส่งออกวุ้นมะพร้าวในระดับโลก ก็เกิดแนวคิดและความร่วมมือที่จะใช้องค์ความรู้แบคทีเรียเซลลูโลส ในการทำสารเติมแต่งเพื่อสร้างมูลค่าเพิ่มให้เศษวุ้นมะพร้าว

ศ.ดร.หทัยกานต์ กล่าวว่า “เมื่อทางบริษัทได้อ่านงานวิจัยที่ได้รับการตีพิมพ์ออกไป ซึ่งสามารถนำเศษวุ้นมะพร้าว ไปสู่วัสดุอื่น ๆ ที่มีมูลค่าสูงได้ ก็เกิดความสนใจ เพราะเศษวุ้นมะพร้าวที่เหลือจากการผลิตของบริษัทมีเป็นตัน ๆ ทุกวัน โดยปกติแล้ว ก็จะกำจัดโดยการเผาทิ้ง ซึ่งหากนำมาทำเป็นสารเติมแต่งได้ ก็จะช่วยลดการนำเข้าสารเติมแต่งต่าง ๆ ที่ประเทศไทยต้องนำเข้าปีละกว่าหมื่นล้านบาท”

ศ.ดร.หทัยกานต์ กล่าวถึงที่มาของความร่วมมือในการวิจัยร่วมกันระหว่างจุฬาฯ และบริษัท โครงการวิจัยนี้เป็น 1 ใน 12 โครงการที่ได้ผ่านการคัดเลือกให้เข้ารอบสุดท้ายโครงการปั้นดาวของสำนักงานปลัดกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สป. อว.) เมื่อปี พ.ศ. 2563 ซึ่งทำให้ได้รับทุนสนับสนุนการสร้างโรงงานนำร่อง (pilot plant) เพื่อนำเอาเศษวุ้นมะพร้าวมาผลิตเป็นสารเติมแต่งในอาหาร ยา และเครื่องสำอาง

ความช่วยเหลือของอำพลฟู้ดส์ต่องานวิจัยในครั้งนี้คือให้พื้นที่ให้กับทีมวิจัยไปติดตั้งโรงงานทดลอง และใช้เศษวุ้นมะพร้าวเหลือทิ้งมาเป็นอาหารหัวเชื้อในการผลิต “เซลโลกัม”

จุดเด่นของงานวิจัยนำแบคทีเรียมาทำเซลลูโลส

ศ.ดร.หทัยกานต์กล่าวว่า งานวิจัยนวัตกรรมนี้คือนำแบคทีเรียมาทำเซลลูโลสกับวัตถุดิบทางการเกษตร หรือเศษอาหารเหลือทิ้ง ทดแทนการนำเข้า และเปลี่ยนทางเลือกจากการที่ต้องใช้ไม้เป็นวัตถุดิบในการผลิตมาใช้ผลผลิตเหลือทิ้งจากการเกษตร ช่วยในเรื่องของลดการตัดไม้ทำลายป่า

เดิมทีศ.ดร.หทัยกานต์ มนัสปิยะไม่ได้จบทางด้านไบโอเทคโนโลยี แต่อาจารย์เชี่ยวชาญด้านวัสดุที่เกี่ยวข้องกับการกักเก็บพลังงาน แต่เมื่อกลับมาเมืองไทย ทิศทางของทุนงานวิจัย และยุทธศาสตร์ชาติต่าง ๆ ให้ความสำคัญกับการวิจัยนวัตกรรมด้านการเกษตร ทำให้อาจารย์หันมามองว่าประเทศไทยมีวัตถุดิบทางการเกษตรจำนวนมาก และถ้าหากเรานำทรัพยากรธรรมชาติในประเทศมาพัฒนา ใช้เทคโนโลยีและองค์ความรู้ใหม่ ๆ มาพัฒนาเป็นกระบวนการผลิตวัสดุขั้นสูง ได้เป็นผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ ที่ช่วยให้ประเทศก่อเกิดรายได้ ทำให้อาจารย์สนใจในการพัฒนาวัสดุที่มาจากธรรมชาติ

ในระยะแรกอาจารย์ให้ความสนใจกลุ่มไบโอพลาสติก ซึ่งยังเกาะฐานความรู้เดิมที่เกี่ยวกับปิโตรเลียมและปิโตรเคมี แต่ในระยะต่อมาอาจารย์ให้ความสนใจในเรื่องของ “เซลลูโลส” เพราะมองเห็นว่าประเทศไทยมีวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรอยู่มาก ไม่ว่าจะเป็น ซังข้าว ชานอ้อย เปลือกมันสำปะหลัง พืชเหล่านี้จะมีเซลลูโลสประมาณ 20-30% จึงนำมาสกัดโดยตรง พอได้เซลลูโลสมาก็นำมาเป็นวัตถุดิบตั้งต้นในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เช่น ทำเป็นบรรจุภัณฑ์ฉลาด อาทิ ฟิล์ม สลากยืดอายุสินค้าให้กับผลไม้ ทำเป็นเมมเบรมใส่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น

แต่การทำวิจัยในระยะแรกมีข้อจำกัดคือต้องสกัดจากเศษวัสดุทางการเกษตร ต่อมาอาจารย์ได้มีโอกาสทำงานวิจัยอีกมิติร่วมกับมหาวิทยาลัยโตรอนโตที่แคนาดา ซึ่งเขาไม่ได้ผลิตเซลลูโลสมาจากต้นไม้ แต่ทำมาจากแบคทีเรีย

หลักการทำงานของแบคทีเรียในการสร้างเซลลูโลส

ตัวตั้งต้นคือแบคทีเรีย ซึ่งหาซื้อได้ในประเทศไทย ส่วนทางอาจารย์ได้หาซื้อหัวเชื้อจากทางมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ หลักการทำงานก็เหมือนกับเราให้อาหารกับเชื้อแบคทีเรีย นำน้ำผลไม้ต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นน้ำอ้อย น้ำสับปะรด ในพวกนี้มีน้ำตาลเป็นองค์ประกอบ อยู่ข้างในซึ่งก็คือกลูโคสจะเป็นอาหารให้กับแบคทีเรียพอแบคทีเรียรับประทานพวกนี้เข้าไป ก็ถ่ายออกมาเป็นเส้นใย ซึ่งเป็นไฟเบอร์จำนวนมาก

เมื่อนำแบคทีเรียเซลลูโลส มาเข้าสู่กระบวนการทางเคมี โดยใช้โบโอเทคโนโลยีมาดัดแปลงแล้วเปลี่ยนหมู่ฟังก์ชัน เป็นสารให้ความคงตัวในอาหาร (food stabilizer) จากนั้นก็มีกระบวนการล้างแบคทีเรียและน้ำตาลออกไป ก็จะเหลือเป็นตัวเนื้อวุ้นที่เราเห็นซึ่งเป็นเซลลูโลสขนาดเล็กมากในระดับนาโน ซึ่งอาจารย์ตั้งชื่อนวัตกรรมชีวภาพนี้ว่า “Cello-gum” เซลโลกัม ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จากเซลลูโลสขนาดเล็กที่มีความบริสุทธิ์เกือบ 100% และนำไปจดสิทธิบัตรกระบวนการผลิต

ทำไมวุ้นมะพร้าวจึงเหมาะทำเป็นสารเติมแต่ง

วุ้นมะพร้าว หรือ Nata de Coco เป็นวัสดุธรรมชาติที่มีลักษณะโครงสร้างทางวิทยาศาสตร์เป็นแบคทีเรียเซลลูโลส (bacterial cellulose, BC) ซึ่งมีคุณสมบัติเด่นหลายประการ เช่น มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี รูพรุนมาก ดูดซับน้ำได้มาก ขึ้นรูปได้ง่าย ย่อยสลายตามธรรมชาติได้ และไม่มีความเป็นพิษ

“เมื่อนำวุ้นมะพร้าวมาใช้เป็นวัสดุผสมหรือสารเติมแต่ง จึงช่วยให้สามารถเพิ่มคุณสมบัติอื่น ๆ เช่น ทำให้อะตอมหรือโมเลกุลของสารอื่น ๆ สามารถยึดเกาะได้ดี และสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างหลากหลาย”

แบคทีเรียที่ใช้ในการผลิตวุ้นมะพร้าวมีชื่อวิทยาศาสตร์ว่า อะซิโตแบคเตอร์ ไซลินัม (Acetobacter xylinum) ซึ่งสามารถเลี้ยงในห้องแล็บได้ โดยเลี้ยงด้วยน้ำตาล และ carbon source

“ที่เรียกว่า “วุ้นมะพร้าว” เพราะใช้ “น้ำมะพร้าว” เป็นอาหารสำหรับแบคทีเรีย เมื่อแบคทีเรียได้รับอาหาร ก็จะขับถ่ายออกมาเป็นไฟเบอร์ ซึ่งไฟเบอร์ตัวนี้แหละที่เป็นเซลลูโลสอย่างดี”

“และเมื่อเทียบกับสารเติมแต่งที่เราต้องนำเข้าจากต่างประเทศแล้ว เซลโลกัมมีความบริสุทธิ์กว่า มีประสิทธิภาพดีกว่า ประหยัดกว่าเพราะใช้ในปริมาณที่น้อยกว่า และมาจากธรรมชาติ (bio resource)” ศ.ดร.หทัยกานต์ กล่าวถึงคุณสมบัติของเซลโลกัม ที่โดดเด่นเหนือคู่แข่งในตลาด

นอกจากวุ้นมะพร้าวแล้ว ศ.ดร.หทัยกานต์ กล่าวว่า”เศษวัสดุทางการเกษตรอื่น ๆ ก็นำมาใช้ทำเซลโลกัมได้เช่นกัน แม้จะให้เซลลูโลสในปริมาณที่น้อยกว่า “วุ้นมะพร้าวให้เซลลูโลสมากกว่าเมื่อเทียบกับเซลลูโลสที่สกัดจากไม้หรือพืชอื่น ๆ เช่น ชานอ้อย หรือมันสำปะหลัง ซึ่งจะได้เซลลูโลสแค่ประมาณ 30% เท่านั้น แต่เราก็สามารถเอาชานอ้อย ข้าวโพด สับปะรด มาเข้ากระบวนการผลิตเป็นเซลโลกัมได้เหมือนกัน เพียงแต่อาจจะต้องมีการพลิกแพลงหรือเพิ่มเติมอีกนิดหน่อย”