กรดคาร์มินิกใช้ในการแต่งสีอาหารและเครื่องสำอางตามธรรมเนียมแล้ว ‘ฟาร์ม’ จากแมลง แต่นักวิจัยกำลังย้ายไปทำวิศวกรรมในจุลินทรีย์
การเดินทางไปร้านขายของชำโดยเฉลี่ยสามารถให้อาหารที่มีสีสันมากมาย สีสันสดใสท่ามกลางสายรุ้งคือสีแดง ซึ่งให้สีสันแก่ผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น แยมราสเบอร์รี่ เชอร์รี่กระป๋อง ชะเอมสตรอว์เบอร์รี่ และเค้กเรดเวลเวท บ่อยครั้งแหล่งที่มาของพวกมันคือแมลงขนาดเล็กบางชนิด
แมลงคอชินีลหรือแมลงขนาดวงรียาวประมาณ 0.2 นิ้ว ถูกเก็บเกี่ยวและเปลี่ยนเป็นสารสกัดจากโคชินีลสีย้อมธรรมชาติ สีแดงเลือดนก และกรดคาร์มินิกเม็ดสีบริสุทธิ์ มีการใช้สีอาหาร สิ่งทอ และเครื่องสำอางมานานหลายศตวรรษ
แม้ว่าในปัจจุบัน วิธีการเก็บเกี่ยวแบบใช้แรงงานเข้มข้นแบบดั้งเดิมนั้นอยู่ภายใต้ความตึงเครียดเนื่องจากความต้องการที่เพิ่มขึ้น และราคาสำหรับเม็ดสีธรรมชาติก็เพิ่มขึ้น ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์บางคนจึงกำลังสำรวจพันธุวิศวกรรมเพื่อผลิตกรดคาร์มินิกในสิ่งที่พวกเขาหวังว่าจะเป็นวิธีที่ถูกกว่า เร็วกว่า และยั่งยืนกว่า นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้กล่าวว่าความพยายามแม้ว่าจะเป็นการทดลองในตอนนี้ แต่ก็สามารถเอาใจผู้ที่ต้องการแหล่งสีที่ไม่ใช่สัตว์ในอาหารของพวกเขา
นักชีววิทยาสังเคราะห์ Rasmus JN Frandsenจากมหาวิทยาลัยเทคนิคเดนมาร์กกล่าวว่า “มีศักยภาพในการเปลี่ยนกระบวนทัศน์สำหรับการผลิตสารประกอบดังกล่าว
เรื่องราวของกรดคาร์มินิกย้อนเวลากลับไปหลายพันปีจนถึงเสื้อผ้าของชาวฟินีเซียนสีแดงสดที่แต่งแต้มด้วยแมลงขนาดป่นในสกุลKermes สีสันที่เก็บเกี่ยวจากลูกพี่ลูกน้องของแมลงจากทวีปอเมริกาDactylopius coccusประดับประดาสินค้าสีแดงเข้มในช่วงรัชสมัยของอาณาจักรมายาและแอซเท็ก ในช่วงทศวรรษที่ 1500 ชาวสเปนได้บันทึกการเก็บเกี่ยวโคชินีลอย่างกว้างขวางในโลกใหม่ ควบคู่ไปกับการเตรียมการและการค้าสีย้อม ด้วยสีสันที่จัดจ้าน พวกเขาจึงส่งแมลงแห้งเป็นตันๆ กลับไปยุโรปเพื่อทดแทนสีย้อม Drabber ที่เคยใช้ที่นั่น
สีแดงแผ่กระจายไปทั่วโลกราวกับไฟป่า มันให้ทุนแก่จักรวรรดิ แต่งชุดทางศาสนา และจัดแสดงในภาพวาดชิ้นเอก กลายเป็นสินค้าล้ำค่าที่คู่ควรกับเงินและทอง
การใช้กรดคาร์มินิกในรูปแบบต่างๆ ในสิ่งทอและศิลปะลดลงด้วยอุตสาหกรรมและการพัฒนาสีย้อมสังเคราะห์ในช่วงกลางปี ค.ศ. 1800 นักเคมีสีย้อมชีวการแพทย์ Dick Dapson จาก Biological Stain Commission ซึ่งทำการทดสอบและรับรองสีย้อม แต่เม็ดสียังคงใช้แต่งสีอาหาร ยา และเครื่องสำอางเพื่อเพิ่มความสวยงาม ระหว่างปี พ.ศ. 2510 ถึง พ.ศ. 2552 สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกาได้ค่อย ๆอนุมัติสารสกัดจากโคชินีลและสีแดงสำหรับวัตถุประสงค์ดังกล่าว และอนุพันธ์ของแมลงคอชินีลเหล่านี้ยังคงเพิ่มสีสันให้กับโยเกิร์ต เค้ก ลูกอม เครื่องดื่มและเนื้อสัตว์ต่างๆ
การใช้สารสกัดจากแมลงในอาหารไม่ควรตื่นตระหนกนัก นักเทคโนโลยีชีวภาพแห่งมหาวิทยาลัยกวาดาลาฮาราLiberato Portillo Martinezผู้ศึกษาแมลงโคชินีลมานานหลายทศวรรษกล่าว ปริมาณแมลงที่เหลืออยู่ในเม็ดสีมีน้อยมาก นอกจากนี้เขายังเสริมด้วยว่าผลิตภัณฑ์อาหารหลายชนิดถือว่าปลอดภัยและได้รับการอนุมัติให้จำหน่ายแม้ว่าจะมีแมลงทั้งหมดหรือเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยก็ตาม
ปัจจุบัน เปรูเป็นผู้ผลิต แมลงคอชินี ล D. coccus เชิงพาณิชย์รายใหญ่ที่สุด ตามมาด้วยประเทศต่างๆ เช่น เม็กซิโก ชิลี อาร์เจนตินา และหมู่เกาะคานารีของสเปน หลายแง่มุมของการผลิตยังคงเหมือนเดิมเมื่อหลายพันปีก่อน คนงานเริ่มต้นด้วยการเลี้ยง บั๊ก บน พืชที่มันเลือก นั่นคือลูกแพร์เต็มไปด้วยหนาม แมลงจะถูกทำให้แห้งและขายให้กับผู้แปรรูปซึ่งสกัดกรดคาร์มินิก ซึ่งคิดเป็นประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้งของร่างกายแมลงคอชินีล
ขนาดเท่าตู้โทรศัพท์บดแมลงให้เป็นผง จากนั้นจึงนำผงไปจับคู่กับเกลือเพื่อแยกสีแดงออก ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ขายทั่วไปของแมลงคอชินีลที่มีกรดคาร์มินิก 50 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์
ด้วยวิธีการเก็บเกี่ยวในปัจจุบัน ต้องใช้แมลงประมาณ 70,000 ตัวเพื่อผลิตแมลงแห้งหนึ่งปอนด์และกรดคาร์มินิกหนึ่งในห้า “มันเป็นแรงงานที่ใช้เวลานาน แต่มีบางอย่างที่ตลกเกี่ยวกับมัน: ถ้าคุณเริ่มทำงานกับ cochineal คุณจะตกหลุมรักมัน” Portillo Martinez กล่าว
การใช้กรดคาร์มินิกจากแมลงโคชินีลผันผวนตามกาลเวลา การเพิ่มขึ้นของสีย้อมสังเคราะห์ซึ่งมีราคาถูกกว่าในการผลิตส่งผลให้การใช้แมลงโคชินีลลดลงในช่วงกลางปี ค.ศ. 1800 แต่ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1970 ความกังวลเกี่ยวกับสุขภาพเกี่ยวกับสารสังเคราะห์เหล่านี้เริ่มเพิ่มมากขึ้น อันเนื่องมาจากรายงานเกี่ยวกับความเชื่อมโยงระหว่างสีและการ อยู่ ไม่นิ่งในเด็ก ตลอดจนการศึกษาเกี่ยวกับเซลล์และสัตว์บางชิ้นที่ชี้ให้เห็นว่าสีย้อมบางชนิดอาจเพิ่มความเสี่ยงต่อการเป็นมะเร็ง สิ่งนี้กระตุ้นให้มีการห้ามบางคนในท้ายที่สุดเช่น Red 2 และ Red 4 สีย้อมที่มีต้นกำเนิดจากธรรมชาติเช่นกรดคาร์มินิกเริ่มได้รับความนิยมมากขึ้น Dapson กล่าว
สีย้อมสังเคราะห์ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในอาหารอเมริกัน และมีมังสวิรัติ มังสวิรัติ และนักเคลื่อนไหวเพื่อสิทธิสัตว์จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งไม่ต้องการกินผลิตภัณฑ์จากแมลงเช่น สีแดงเลือดนก การศึกษาบางชิ้นได้รายงานปฏิกิริยาการแพ้ต่อสีย้อมโคชินีลในคนส่วนน้อยเนื่องจากโมเลกุลของแมลงที่หลงเหลืออยู่ แต่ในระดับไม่สูงกว่าสารก่อภูมิแพ้ทั่วไปอื่นๆ Frandsen กล่าว
อย่างไรก็ตาม ความต้องการกรดคาร์มินิกทั่วโลกโดยรวมคาดว่าจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากอุตสาหกรรมต่างๆ เป็นแหล่งผลิตสีสำหรับทำขนม เครื่องดื่ม แยม และเนื้อสัตว์ สิ่งนี้ควบคู่ไปกับค่าแรงที่เพิ่มขึ้นทำให้อุตสาหกรรมโคชินีลตึงเครียด ในเปรู ราคาต่อตันของสีย้อมสีแดงเข้มเพิ่มขึ้น 40 เปอร์เซ็นต์ระหว่างปี2556ถึง2562
Dapson กล่าวว่า “ที่อยู่อาศัยของกระบองเพชรมีจำกัด การเจริญเติบโตของทั้งโฮสต์และปรสิตนั้นช้า และขั้นตอนการสกัดก็ไม่มีประสิทธิภาพ “มีการปรับปรุงในการสกัดและการทำให้บริสุทธิ์ แต่ไม่ได้แก้ไขปัญหาหลัก ซึ่งก็คือการผลิตแมลง”
ความท้าทายทางชีวเคมี
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้หันมาใช้วิศวกรรมการเผาผลาญ (metabolic engineering) ซึ่งเป็นการจัดการปฏิกิริยาของเซลล์ตามธรรมชาติเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ เพื่อดูว่าพวกเขาสามารถคิดค้นวิธีแก้ปัญหาคอขวดในการผลิตที่ยั่งยืนได้หรือไม่ รวมถึงเพื่อจัดการกับข้อกังวลเรื่องสารเติมแต่งจากสัตว์และการแพ้ แนวคิดคือการจัดการวิถีเมแทบอลิซึมภายในจุลินทรีย์เพื่อสร้างกรดคาร์มินิก
และมีความเป็นไปได้อื่นๆ: “นอกเหนือจากการผลิตกรดคาร์มินิก เราจะสามารถเปลี่ยนแปลงกรดคาร์มินิกได้เล็กน้อยเช่นกัน เราสามารถให้สีดีขึ้นและอาจทำกิจกรรมทางชีวภาพได้ดีขึ้น” วิศวกรจุลินทรีย์Yong-Su Jinจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign ผู้เขียนเกี่ยวกับเทคโนโลยีทางพันธุกรรมที่เกิดขึ้นใหม่ในการผลิตสีและรสชาติอาหาร ในการ ทบทวนวิทยาศาสตร์การอาหารประจำปี 2022 และ เทคโนโลยี .
แต่มีความท้าทาย ประการหนึ่ง กรดคาร์มินิกมีโครงสร้างที่ซับซ้อน: โครงสร้างสามวงแหวนตรงกลางที่เรียกว่าแอนทราควิโนนซึ่งมีโมเลกุลกลูโคสและกลุ่มเคมีอื่นๆ อีกสองสามกลุ่มติดอยู่ นักเคมีอุตสาหกรรม David Bottแห่ง Society for Chemical Industry กล่าวว่าทำให้ยากต่อการสังเคราะห์ในปริมาณมาก
นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบถึงวิถีทางชีวเคมีที่แมลงโคชินีลใช้ในการสร้างสารประกอบนี้ Frandsen กล่าว ดังนั้น เกือบหนึ่งทศวรรษที่แล้ว ทีมของเขาจึงตัดสินใจที่จะเริ่มต้นด้วยโครงสร้างของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย นั่นคือกรดคาร์มินิก และหาวิธีวิศวกรรมย้อนกลับด้วยเอ็นไซม์จากวิถีทางชีวเคมีที่เป็นที่รู้จัก
“ยกตัวอย่างจรวด” เขากล่าว “คุณไม่รู้ว่ามันทำงานอย่างไร แต่คุณเห็นว่ามันบินได้ใช่ไหม? เราจะหาชิ้นส่วนต่างๆ ได้อย่างไร? สิ่งที่ควรรวมกันเพื่อให้ได้สิ่งนี้”
Frandsen และเพื่อนร่วมงานเริ่มต้นด้วยการทำนายส่วนผสมเริ่มต้นที่จำเป็นและขั้นตอนทางชีวเคมี ตลอดจนเอนไซม์เพื่อกระตุ้นขั้นตอนเหล่านั้น พวกเขาคิดค้นวิถีทางชีวเคมีที่เป็นไปได้ 8 ทางที่อาจสร้างกรดคาร์มินิกและทดสอบโฮสต์หลายแห่งเพื่อทำพันธุวิศวกรรม ในที่สุดก็ตกตะกอนบนเชื้อราที่ได้รับการศึกษาอย่างดีที่เรียกว่าAspergillus nidulans วิเคราะห์ได้ง่ายแต่ซับซ้อนพอที่จะจัดหาส่วนผสมทางเคมีที่สำคัญสำหรับปฏิกิริยา
จากการลองผิดลองถูก ทีมงานได้สร้างแกนสามวงของกรดคาร์มินิกหลังจากลบยีนบางตัวออกจากเชื้อรา (เพื่อปิดการใช้งานวิถีทางชีวเคมีที่แข่งขันกัน) และเพิ่มอีกหลายอย่าง (อันหนึ่งมาจากพืชและอีกสองอันจากแบคทีเรีย) ที่ให้เอ็นไซม์ที่เหมาะสม แกนนี้ถูกประมวลผลโดยเอ็นไซม์ที่ไม่รู้จักใน แอสเพอร์จิล ลัสเพื่อผลิตโครงสร้างขั้นกลางที่เรียกว่ากรดเคอร์เมซิก
สุดท้าย การเพิ่มยีนจากแมลงโคชินีลเองทำให้เกิดเอ็นไซม์ที่เปลี่ยนกรดเคอร์เมซิกเป็นกรดคาร์มินิก เมื่อเชื้อราถูกสร้างขึ้นด้วยยีนเหล่านี้ น้ำซุปที่มันเติบโตกลายเป็นสีแดง และการทดสอบยืนยันว่ามีสีย้อมอยู่ในน้ำซุปและในเชื้อรา
