अध्याय 14: औद्योगिक व खाद्य जैव प्रौद्योगिकी — किण्वन, एंजाइम, जैव-प्रसंस्करण एवं स्मार्ट प्रोटीन

जैव-प्रौद्योगिकी के रंग-आधारित अंतरराष्ट्रीय वर्गीकरण में औद्योगिक जैव-प्रौद्योगिकी (Industrial Biotechnology) को 'श्वेत जैव-प्रौद्योगिकी' (White Biotechnology) कहा जाता है। यह सूक्ष्मजीवों (जीवाणु, यीस्ट, कवक, शैवाल) और उनके जैव-उत्प्रेरकों (Enzymes) का उपयोग करके कृषि अपशिष्ट, शर्करा और बायोमास को उच्च-मूल्य वाले रसायनों, कार्बनिक अम्लों, प्रतिजैविकों (Antibiotics), जैव-ईंधनों, बायोपॉलिमर और प्रसंस्कृत खाद्य उत्पादों में परिवर्तित करती है।

1. किण्वन विज्ञान (Science of Fermentation): जैव-रासायनिक से औद्योगिक परिभाषा तक

किण्वन (Fermentation — लैटिन fervere अर्थात् 'उबलना') की दो पूरक परिभाषाएँ हैं जिन्हें UPSC प्रारंभिक परीक्षा के लिए स्पष्ट रूप से समझना आवश्यक है (NCERT Class XI & XII Biology):

• जैव-रासायनिक परिभाषा (Biochemical Definition): ऑक्सीजन की अनुपस्थिति (Anaerobic condition) में ग्लूकोज (पाइरुवेट) का अपूर्ण ऑक्सीकरण जिससे इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला (ETC) के बिना केवल ग्लाइकोलिसिस द्वारा त्वरित ऊर्जा (प्रति ग्लूकोज अणु मात्र 2 ATP का शुद्ध लाभ) प्राप्त होती है। इसके दो मुख्य प्राकृतिक मार्ग हैं:
  1. अल्कोहलीय किण्वन (Alcoholic Fermentation): यीस्ट Saccharomyces cerevisiae ('ब्रेवर्स/बेकर्स यीस्ट') पाइरुविक अम्ल को पाइरुवेट डिकार्बोक्सिलेज और अल्कोहल डिहाइड्रोजिनेज एंजाइमों की सहायता से इथेनॉल ($C_2H_5OH$) और कार्बन डाइऑक्साइड ($CO_2$) में बदलता है। डबलरोटी (Bread) के फूलने का कारण यही मुक्त होने वाली $CO_2$ गैस है, जबकि गन्ने के शीरे (Molasses — UPSC Prelims 2013 PYQ) और अनाज से बायो-इथेनॉल एवं पेय पदार्थ बनाने का आधार इथेनॉल निर्माण है। (नोट: जब किण्वन माध्यम में अल्कोहल की सांद्रता स्ट्रेन-विशिष्ट सहनशीलता सीमा पार कर जाती है, तो यीस्ट की वृद्धि व किण्वन रुकने लगता है; अतः व्हिस्की/रम या ईंधन-ग्रेड 99.9% निर्जल इथेनॉल के लिए आसवन/Distillation और आणविक चलनी निर्जलीकरण आवश्यक होता है।)
  2. लैक्टिक अम्ल किण्वन (Lactic Acid Fermentation): लैक्टिक एसिड बैक्टीरिया (LAB — जैसे Lactobacillus acidophilus, L. delbrueckii) दूध की शर्करा (लैक्टोज) को पचाकर लैक्टिक अम्ल ($C_3H_6O_3$) बनाते हैं। यह अम्ल दूध के कैसीन (Casein) प्रोटीन को आंशिक रूप से स्कंदित (Coagulate) कर दूध को दही (Curd) में बदल देता है तथा दही में विटामिन $B_{12}$ (सायनोकोबालामिन) की मात्रा कुछ उपयुक्त सूक्ष्मजीवी संवर्धनों में बढ़ सकती है; सभी प्रकार के दही में यह सुनिश्चित नहीं है।
• औद्योगिक जैव-प्रौद्योगिकी परिभाषा (Industrial Bioprocess Definition): उद्योग में 'किण्वन' का अर्थ केवल अवायवीय प्रक्रिया तक सीमित नहीं है; किसी बड़े बायोरिएक्टर या फर्मेंटर (100 लीटर से 5,00,000 लीटर क्षमता) में नियंत्रित तापमान, pH, घुलित ऑक्सीजन (Dissolved $O_2$) और पोषक माध्यम में सूक्ष्मजीवों या पादप/जंतु कोशिकाओं के बड़े पैमाने पर संवर्धन (चाहे वह वायवीय/Aerobic हो या अवायवीय/Anaerobic) को औद्योगिक किण्वन कहते हैं।

2. औद्योगिक बायोरिएक्टर, संचालन की विधियाँ एवं अपस्ट्रीम बनाम डाउनस्ट्रीम प्रसंस्करण

व्यावसायिक स्तर पर जैव-विनिर्माण (Biomanufacturing) तीन चरणों और तीन संचालन विधियों पर आधारित है:

• किण्वन संचालन की 3 विधियाँ (Modes of Bioreactor Operation):
  • (a) बैच किण्वन (Batch Fermentation — बंद प्रणाली): एक बार पोषक माध्यम (Substrate) और सूक्ष्मजीव टीका (Inoculum) डालने के बाद प्रक्रिया पूरी होने तक बाहर से कोई नया पोषक नहीं डाला जाता (केवल ऑक्सीजन, अम्ल/क्षार pH नियंत्रक और एंटी-फोम एजेंट डाले जाते हैं)। इसमें सूक्ष्मजीव वृद्धि के 4 चरण दिखते हैं: लैग प्रावस्था (Lag) → लॉग/घातीय प्रावस्था (Log/Exponential — प्राथमिक उपापचयज बनते हैं) → स्थिर प्रावस्था (Stationary — प्रतिजैविक जैसे द्वितीयक उपापचयज बनते हैं) → मृत्यु प्रावस्था (Death)।
  • (b) फेड-बैच किण्वन (Fed-Batch Fermentation — अर्ध-खुली प्रणाली): किण्वन के दौरान नियंत्रित दर से सांद्र पोषक पदार्थ (जैसे ग्लूकोज) धीरे-धीरे मिलाया जाता है ताकि उच्च शर्करा से होने वाले 'कैटाबोलाइट दमन' (Catabolite repression / Crabtree effect) को रोका जा सके। रिकॉम्बिनेंट इंसुलिन, मोनोक्लोनल एंटीबॉडी, औद्योगिक एंजाइम और बेकर्स यीस्ट के उत्पादन में यह सर्वाधिक प्रयुक्त विधि है।
  • (c) सतत किण्वन (Continuous / Chemostat Fermentation — खुली प्रणाली): एक ओर से ताजा पोषक माध्यम निरंतर प्रवाहित किया जाता है और दूसरी ओर से समान दर पर उत्पाद-युक्त संवर्धन द्रव निकाला जाता है, जिससे सूक्ष्मजीव सदैव अपनी घातीय वृद्धि (Log phase) में बने रहते हैं (उदाहरण: एकल कोशिका प्रोटीन — SCP, अपशिष्ट जल उपचार और इथेनॉल किण्वन)।
• अपस्ट्रीम प्रसंस्करण (Upstream Processing — USP) बनाम डाउनस्ट्रीम प्रसंस्करण (Downstream Processing — DSP):
  • अपस्ट्रीम प्रसंस्करण (USP): बायोरिएक्टर में किण्वन पूर्ण होने तक के सभी चरण — जैसे उच्च-उत्पादक सूक्ष्मजीव स्ट्रेन का चयन/जीन संपादन, कच्चे माल (शीरा, स्टार्च, लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास) का पूर्व-उपचार, माध्यम का निर्जीवीकरण (Sterilization) और बायोरिएक्टर में कोशिका वृद्धि।
  • डाउनस्ट्रीम प्रसंस्करण (DSP): किण्वन समाप्त होने के बाद जैव-उत्पाद को संवर्धन द्रव (Fermentation broth) से पृथक करना (Separation — सेंट्रीफ्यूगेशन, फिल्ट्रेशन), शुद्ध करना (Purification — क्रोमैटोग्राफी, अल्ट्राफिल्ट्रेशन), परिरक्षकों के साथ संरूपण (Formulation) और गुणवत्ता नियंत्रण परीक्षण। बायोफार्मा में उत्पाद और शुद्धता मानक के अनुसार डाउनस्ट्रीम प्रसंस्करण (DSP) कुल उत्पादन लागत का बड़ा अंश हो सकता है; किसी एक निश्चित प्रतिशत को सभी प्रक्रियाओं पर लागू नहीं करना चाहिए।

3. एंजाइम प्रौद्योगिकी (Enzyme Technology), स्थिरीकरण एवं एक्सट्रीमोफाइल्स (UPSC Prelims 2023)

एंजाइम (Enzymes) क्या हैं? राइबोजाइम (Ribozyme — उत्प्रेरक RNA) को छोड़कर लगभग सभी एंजाइम गोलाकार तृतीयक प्रोटीन (Globular proteins) होते हैं जो स्वयं खर्च हुए बिना जैव-रासायनिक अभिक्रियाओं की सक्रियण ऊर्जा (Activation Energy — $E_a$) को घटाकर अभिक्रिया की दर को $10^6$ से $10^{12}$ गुना बढ़ा देते हैं।

• एंजाइम क्रियाविधि के दो मॉडल: (i) एमिल फिशर का 'ताला-चाबी मॉडल' (Lock-and-Key Model, 1894) — जिसमें एंजाइम का सक्रिय स्थल (Active site) कठोर होता है; और (ii) डैनियल कोशलैंड का 'प्रेरित-आसंजन मॉडल' (Induced-Fit Model, 1958) — जो अधिक प्रामाणिक है और बताता है कि सब्सट्रेट (Substrate) के जुड़ते ही एंजाइम का सक्रिय स्थल अपने आकार को थोड़ा ढाल लेता है ताकि संक्रमण अवस्था (Transition state) स्थिर हो सके।
• अंतरराष्ट्रीय एंजाइम आयोग के सात वर्ग (IUBMB EC Classes 1–7; सातवाँ वर्ग नीचे उल्लेखित):
  1. EC 1 — ऑक्सीडोरिडक्टेज (Oxidoreductases): ऑक्सीकरण-अपचयन अभिक्रियाएँ (जैसे ग्लूकोज ऑक्सीडेज, लैकेस, कैटालेज)।
  2. EC 2 — ट्रांसफेरेज (Transferases): क्रियात्मक समूहों का अंतरण (जैसे काइनेज, ट्रांसएमिनेज)।
  3. EC 3 — हाइड्रोलेज (Hydrolases — उद्योग में 75%+ प्रयुक्त!): जल की सहायता से बंध तोड़ने वाले एंजाइम — जैसे एमाइलेज (स्टार्च का जल-अपघटन), प्रोटिएज (प्रोटीन), लाइपेज (वसा), सेल्युलेज और पेक्टिनेज।
  4. EC 4 — लायेज (Lyases): बिना जल या ऑक्सीकरण के बंध तोड़कर द्वि-बंध बनाने वाले (जैसे पाइरुवेट डिकार्बोक्सिलेज)।
  5. EC 5 — आइसोमरेज (Isomerases): अणु के भीतर समावयवी पुनर्व्यवस्था (जैसे ग्लूकोज आइसोमरेज — जो मक्का के ग्लूकोज सिरप को मीठे उच्च-फ्रुक्टोज कॉर्न सिरप / HFCS में बदलता है!)।
  6. EC 6 — लाइगेज (Ligases): ATP ऊर्जा की सहायता से दो अणुओं को जोड़ने वाले (जैसे DNA लाइगेज)। (नोट: 2018 में IUBMB ने सातवाँ वर्ग EC 7 — ट्रांस्लोकेज / Translocases भी जोड़ा है जो झिल्लियों के पार आयनों/अणुओं का संचलन करते हैं।)
• एंजाइम स्थिरीकरण (Enzyme Immobilization — औद्योगिक लागत घटाने की क्रांतिकारी तकनीक): यदि महंगे एंजाइम को सीधे घोल में डाल दिया जाए, तो अभिक्रिया के बाद उसे उत्पाद से अलग करना और दोबारा उपयोग करना कठिन होता है। इसलिए उद्योग में एंजाइमों को किसी अघुलनशील अक्रिय आधार (जैसे सोडियम एल्जिनेट जेल मनकों / Calcium alginate beads, सिरेमिक, या काइटोसन) के भीतर फँसाकर (Entrapment) या सहसंयोजक बंध (Covalent bonding) द्वारा स्थिर (Immobilized) कर दिया जाता है। इससे उपयुक्त परिस्थितियों में एक ही स्थिरित एंजाइम कॉलम को अनेक चक्रों तक पुनः उपयोग किया जा सकता है!
• चरम-पसंदी सूक्ष्मजीव (Extremophiles) और उनके एंजाइम ('Extremozymes' — UPSC Prelims 2023 Q18): सामान्य एंजाइम $50^\circ\text{C}$ से ऊपर या अत्यधिक अम्लीय/क्षारीय pH पर विकृत (Denature) हो जाते हैं। इसलिए आधुनिक औद्योगिक जैव-प्रौद्योगिकी एक्सट्रीमोफाइल्स पर निर्भर करती है:
  • अति-तापरागी (Hyperthermophiles — $>80^\circ\text{C}$ से $121^\circ\text{C}$, जल के क्वथनांक से ऊपर): जैसे गहरे समुद्र के हाइड्रोथर्मल वेंट में मिलने वाले आर्किया Pyrolobus fumarii ($113^\circ\text{C}$) और गर्म झरनों का जीवाणु Thermus aquaticus (जिससे PCR का प्रसिद्ध ताप-स्थायी Taq DNA पॉलिमरेज प्राप्त होता है) तथा स्टार्च प्रसंस्करण का ताप-स्थायी $\alpha$-एमाइलेज।
  • शीतरागी (Psychrophiles / Cryophiles — $0^\circ\text{C}$ हिमांक से नीचे, $-15^\circ\text{C}$ तक): जैसे Psychrobacter और Planococcus halocryophilus। इनके शीत-सक्रिय प्रोटीएज और लाइपेज एंजाइमों का उपयोग ठंडे पानी में कपड़ों की धुलाई करने वाले बायो-डिटर्जेंट और कोल्ड-स्टोरेज डेयरी प्रसंस्करण में होता है।
  • अम्लरागी (Acidophiles — pH < 3, यहाँ तक कि pH 0 के निकट): जैसे Picrophilus oshimae और Acidithiobacillus ferrooxidans। इनका उपयोग निम्न-श्रेणी के अयस्कों से तांबा (Copper), यूरेनियम और सोना निकालने की जैव-निक्षालन / बायोमाइनिंग (Bioleaching / Biomining) प्रक्रिया में किया जाता है!

4. तकनीकी शब्दावली कोश (Bilingual Glossary of Industrial & Food Biotech)

1. औद्योगिक उत्पादों में सूक्ष्मजीव एवं एंजाइम (NCERT Class XII + UPSC Prelims मिलान सारणी)

UPSC प्रारंभिक परीक्षा में सूक्ष्मजीव के नाम, उससे प्राप्त कार्बनिक अम्ल/एंजाइम/जैव-सक्रिय अणु और उसके औद्योगिक या चिकित्सीय कार्य का सीधा मिलान पूछा जाता है (NCERT Class XII Biology, Chapter 8: Microbes in Human Welfare):

2. प्रोबायोटिक्स, प्रीबायोटिक्स, सिंबायोटिक्स एवं पोस्टबायोटिक्स (UPSC Prelims 2022 प्रश्न 38)

मानव आंत्र माइक्रोबायोम (Gut Microbiome) और कार्यात्मक खाद्य (Functional Foods) आधुनिक खाद्य जैव-प्रौद्योगिकी का सबसे तेजी से बढ़ता क्षेत्र है:

• प्रोबायोटिक्स (Probiotics — जीवित सूक्ष्मजीव): WHO/FAO और ICMR-DBT दिशानिर्देशों के अनुसार प्रोबायोटिक्स वे जीवित सूक्ष्मजीव हैं जिन्हें पर्याप्त मात्रा में ग्रहण करने पर परपोषी (मानव) को स्वास्थ्य लाभ प्राप्त होता है। UPSC Prelims 2022 के तीन मुख्य वैज्ञानिक तथ्य याद रखें:
  1. प्रोबायोटिक्स जीवाणु (Bacteria — जैसे Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus thermophilus, Bacillus coagulans) और यीस्ट (Yeast — विशेषकर Saccharomyces boulardii) दोनों से बने होते हैं।
  2. प्रोबायोटिक्स में पाए जाने वाले सूक्ष्मजीव हमारे द्वारा खाए जाने वाले किण्वित खाद्य पदार्थों (दही, छाछ, केफिर, किमची, कोम्बुचा, इडली/डोसा किण्व) में तो होते ही हैं, साथ ही वे हमारी आंत्र (Human Gut) में प्राकृतिक रूप से भी निवास करते हैं!
  3. प्रोबायोटिक्स $\beta$-गैलेक्टोसिडेज (लैक्टेज) एंजाइम स्रावित करके दूध की शर्करा (लैक्टोज / Milk sugar) के पाचन में सहायता करते हैं, जिससे लैक्टोज असहिष्णुता (Lactose intolerance) वाले व्यक्तियों को राहत मिलती है।
• प्रीबायोटिक्स (Prebiotics — सूक्ष्मजीवों का अपाच्य भोजन): ये कोई जीवित जीव नहीं हैं, बल्कि अपाच्य आहारीय कार्बोहाइड्रेट/फाइबर (जैसे इनुलिन/Inulin, फ्रुक्टो-ओलिगोसैकेराइड/FOS, गैलेक्टो-ओलिगोसैकेराइड/GOS और प्रतिरोधी स्टार्च) हैं जो लहसुन, प्याज, चिकोरी जड़, केले और साबुत अनाज में मिलते हैं। मानव की छोटी आंत के एंजाइम इन्हें नहीं पचा पाते, इसलिए ये सीधे बृहदांत्र (Colon) में पहुँचकर Bifidobacterium और Lactobacillus की चयनात्मक वृद्धि को प्रेरित करते हैं।
• सिंबायोटिक्स (Synbiotics): ऐसा कार्यात्मक खाद्य या पूरक जिसमें प्रोबायोटिक (जीवित सूक्ष्मजीव) + प्रीबायोटिक (उनका विशिष्ट पोषक फाइबर) दोनों को सहक्रियात्मक रूप से मिलाया गया हो ताकि आंत्र में जीवित सूक्ष्मजीवों का स्थायित्व बढ़ सके।
• पोस्टबायोटिक्स (Postbiotics): वैज्ञानिक सहमति (ISAPP 2021) के अनुसार स्वास्थ्य-लाभ प्रदान करने वाली निष्क्रिय सूक्ष्मजीवी कोशिकाओं अथवा उनके घटकों से युक्त तैयारी। इनमें उपापचयज भी रह सकते हैं, लेकिन केवल ब्यूटिरेट, एसीटेट या किसी शुद्ध सूक्ष्मजीवी उपापचयज को अपने-आप पोस्टबायोटिक नहीं कहा जाता। प्रत्येक तैयारी की प्रभावकारिता और सुरक्षा संबंधित उपयोग के लिए अलग प्रमाणित होनी चाहिए।

3. भविष्य के 'स्मार्ट प्रोटीन' (Smart Proteins) एवं वैकल्पिक प्रोटीन के 3 स्तंभ

वैश्विक पशुधन क्षेत्र लगभग 14.5% ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन और अत्यधिक भूमि व जल उपभोग के लिए उत्तरदायी है। भारत की BioE3 नीति (2024–2026) में 'स्मार्ट प्रोटीन और कार्यात्मक खाद्य' (Smart Proteins & Functional Foods) को 6 राष्ट्रीय प्राथमिकता वाले क्षेत्रों में शामिल किया गया है:

4. एकल कोशिका प्रोटीन (Single Cell Protein — SCP)

पारंपरिक कृषि और पशुपालन की तुलना में सूक्ष्मजीव अत्यंत कम समय और कम स्थान में उच्च गुणवत्ता का प्रोटीन बना सकते हैं। उदाहरण के लिए, 250 किलोग्राम की एक गाय प्रतिदिन लगभग 200 ग्राम प्रोटीन बनाती है, जबकि मात्र 250 ग्राम भार वाला जीवाणु Methylophilus methylotrophus अपनी तीव्र विभाजन दर के कारण एक दिन में 25 टन तक प्रोटीन उत्पादित कर सकता है (NCERT Class XII Biology)! प्रमुख SCP स्रोत हैं:

• सायनोबैक्टीरिया / सूक्ष्म-शैवाल: Spirulina maxima / S. platensis और Chlorella (60–70% प्रोटीन, बीटा-कैरोटीन, आयरन और गामा-लिनोलेनिक अम्ल से भरपूर; आलू प्रसंस्करण संयंत्रों के स्टार्च-युक्त अपशिष्ट जल या शीरे पर भी उगाया जा सकता है तथा अंतरिक्ष यात्रियों के आहार में प्रयुक्त होता है)।
• कवक (Mycoprotein): Fusarium venenatum (व्यावसायिक मांस-विकल्प 'Quorn' में प्रयुक्त) और खाद्य मशरूम (Agaricus bisporus)।
• यीस्ट: Candida utilis (टोरुला यीस्ट) और Saccharomyces cerevisiae।

5. बायोपॉलिमर (PLA, PHA) बनाम पेट्रो-प्लास्टिक एवं बिस्फेनॉल-A (UPSC Prelims 2021 प्रश्न 74)

खाद्य पैकेजिंग और औद्योगिक कंटेनरों में प्रयुक्त पारंपरिक पेट्रोकेमिकल प्लास्टिक पर्यावरणीय प्रदूषण और स्वास्थ्य जोखिम दोनों उत्पन्न करते हैं:

• बिस्फेनॉल-A (BPA) एवं पॉलीकार्बोनेट (UPSC Prelims 2021 PYQ): बिस्फेनॉल-A (BPA) एक औद्योगिक रसायन है जिसका उपयोग मुख्य रूप से कठोर, पारदर्शी पॉलीकार्बोनेट (Polycarbonate) प्लास्टिक (पानी की बोतलें, शिशु आहार बोतलें) और धातु के खाद्य डिब्बों की आंतरिक परत (Epoxy resin linings) बनाने में संरचनात्मक घटक (Monomer) के रूप में होता है। BPA एक अंतःस्रावी विघटनकारी (Endocrine Disruptor / Xenoestrogen) है जो गर्म खाद्य या पेय में रिसकर मानव के एस्ट्रोजन हार्मोन की नकल करता है और प्रजनन व चयापचय विकार उत्पन्न करता है (इसी कारण FSSAI ने भारत में शिशु फीडिंग बोतलों में BPA को प्रतिबंधित किया है)।
• सच्चे जैव-आधारित एवं जैव-निम्नीकरणीय बायोपॉलिमर (Bio-based & Biodegradable Biopolymers):
  1. पॉलीलैक्टिक अम्ल (PLA — Polylactic Acid): मक्का स्टार्च, कसावा या गन्ने की शर्करा के जीवाणु किण्वन से प्राप्त लैक्टिक अम्ल के बहुलकीकरण (Polymerization) से निर्मित। इसका उपयोग बायो-मेडिकल टांकों (Dissolvable sutures), 3D प्रिंटिंग फिलामेंट और कंपोस्टेबल फूड पैकेजिंग में होता है।
  2. पॉलीहाइड्रॉक्सीअल्कानोएट (PHA) एवं PHB (Polyhydroxybutyrate): जब कुछ जीवाणुओं (जैसे Cupriavidus necator / Alcaligenes eutrophus या Bacillus megaterium) को कार्बन की अधिकता और नाइट्रोजन/फॉस्फोरस की कमी वाले माध्यम में उगाया जाता है, तो वे अपनी कोशिकाओं के भीतर ऊर्जा भंडार के रूप में PHA/PHB के कण संचित करते हैं। यह समुद्री जल और मृदा दोनों में 100% प्राकृतिक रूप से विघटित (Marine-biodegradable) हो जाता है!

1. भारत की 'BioE3 नीति' (Biotechnology for Economy, Environment & Employment — 2024–2026)

केंद्रीय मंत्रिमंडल द्वारा अगस्त 2024 में स्वीकृत और DBT व BIRAC द्वारा क्रियान्वित BioE3 नीति का उद्देश्य भारत के रासायनिक और संसाधन-गहन विनिर्माण को उच्च-प्रदर्शन, पुनर्योजी और चक्रीय जैव-विनिर्माण (High-Performance Biomanufacturing) में परिवर्तित करना है (PIB Release PRID=2288306, 23 July 2026):

• BioE3 नीति के 6 रणनीतिक विषयगत क्षेत्र (Six Thematic Sectors):
  1. उच्च-मूल्य वाले जैव-आधारित रसायन, बायोपॉलिमर, APIs एवं औद्योगिक एंजाइम (Bio-based chemicals, biopolymers, APIs & enzymes)
  2. स्मार्ट प्रोटीन एवं कार्यात्मक खाद्य (Smart proteins and functional foods)
  3. सटीक जैव-चिकित्सा (Precision biotherapeutics — mRNA, मोनोक्लोनल एंटीबॉडी, सेल व जीन थेरेपी)
  4. जलवायु-सहिष्णु कृषि (Climate-resilient agriculture — बायो-इनपुट, माइक्रोबियल कंसोर्टिया)
  5. कार्बन प्रग्रहण एवं उपयोग (Carbon capture and utilization — सूक्ष्मजीवों व शैवाल द्वारा $CO_2$ से रसायन निर्माण)
  6. भविष्यवादी समुद्री एवं अंतरिक्ष जैव-विनिर्माण अनुसंधान (Futuristic marine and space research — DBT और ISRO के बीच अंतरिक्ष जैव-विनिर्माण समझौता ज्ञापन)।
• तीन प्रमुख 'बायो-एनेबलर्स' (BioEnablers): (i) बायो-आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस (Bio-AI) हब, (ii) बायोफाउंड्री (Biofoundries), और (iii) बायोमैन्युफैक्चरिंग हब (पायलट और प्री-कमर्शियल स्केल-अप सुविधाएँ)।

2. खाद्य एवं जैव-प्रसंस्करण के प्रमुख भारतीय संस्थान

• BRIC–राष्ट्रीय कृषि-खाद्य और जैव-विनिर्माण संस्थान (BRIC-NABI, मोहाली): DBT के अधीन 'राष्ट्रीय कृषि-खाद्य जैव-प्रौद्योगिकी संस्थान' (NABI) और 'सेंटर ऑफ इनोवेटिव एंड एप्लाइड बायोप्रोसेसिंग' (CIAB) के विलय से गठित यह शीर्ष संस्थान कृषि अपशिष्ट के मूल्य-संवर्धन, लिग्निन अपघटन, द्वितीयक बायो-प्रोसेसिंग और देश के प्रथम राष्ट्रीय जैव-विनिर्माण संस्थान (National Biomanufacturing Institute) का केंद्र है (PIB Year-Ender PRID=2204756)।
• BioE3–स्ट्रेन रिसोर्स सेंटर (SRC), BRIC-NCCS पुणे: भारतीय उद्योगों को विदेशी सूक्ष्मजीव पेटेंटों से मुक्ति दिलाने ('Freedom-to-Operate') और स्वदेशी औद्योगिक जीवाणु/यीस्ट स्ट्रेन उपलब्ध कराने के लिए DBT द्वारा राष्ट्रीय कोशिका विज्ञान केंद्र (NCCS), पुणे में स्थापित।
• CSIR–केंद्रीय खाद्य प्रौद्योगिक अनुसंधान संस्थान (CSIR-CFTRI, मैसूर): 1950 में स्थापित भारत का अग्रणी खाद्य विज्ञान संस्थान, जिसने भैंस के दूध से शिशु आहार (अमूल स्प्रे का आधार), 'श्री अन्न' (Millets) प्रसंस्करण तकनीक, स्पिरुलिना SCP, ओजोन/एंजाइम आधारित शेल्फ-लाइफ विस्तार और आपदा राहत हेतु रेडी-टू-ईट (RTE) खाद्य विकसित किए हैं।
• NIFTEM (राष्ट्रीय खाद्य प्रौद्योगिकी उद्यमशीलता एवं प्रबंधन संस्थान — कुंडली, हरियाणा एवं तंजावुर, तमिलनाडु): खाद्य प्रसंस्करण उद्योग मंत्रालय (MoFPI) के अधीन 'राष्ट्रीय महत्त्व के संस्थान' (INI) जो कोल्ड-चेन, अल्ट्रा-हाई टेम्परेचर (UHT) प्रसंस्करण, उच्च-दाब प्रसंस्करण (HPP) और सूक्ष्म खाद्य उद्यमों (PMFME) को तकनीकी सहायता प्रदान करते हैं।

3. FSSAI खाद्य सुदृढ़ीकरण मानक ('+F' लोगो) बनाम जैव-सुदृढ़ीकरण

भारतीय खाद्य सुरक्षा और मानक प्राधिकरण (FSSAI) ने Food Safety and Standards (Fortification of Foods) Regulations, 2018 के अंतर्गत सूक्ष्म-पोषक कुपोषण से लड़ने के लिए 5 मुख्य खाद्य पदार्थों (Staple Foods) के औद्योगिक सुदृढ़ीकरण हेतु नीला '+F' (Plus F) लोगो और मानक निर्धारित किए हैं:

1. फोर्टिफाइड चावल (Fortified Rice): टूटे चावल के आटे में आयरन (फेरिक पाइरोफॉस्फेट), फोलिक एसिड (विटामिन $B_9$) और विटामिन $B_{12}$ मिलाकर एक्सट्रूज़न तकनीक से फोर्टिफाइड राइस कर्नेल (FRK) बनाए जाते हैं और उन्हें मानक के अनुसार सामान्य चावल में 1:100 अथवा 1:50 के अनुपात में मिलाया जा सकता है। सरकार ने PDS, PM-POSHAN और ICDS सहित योजनाओं में फोर्टिफाइड चावल का वितरण विस्तृत करने की नीति अपनाई है।
2. फोर्टिफाइड गेहूँ का आटा (Atta / Maida): आयरन, फोलिक एसिड और विटामिन $B_{12}$।
3. फोर्टिफाइड खाद्य तेल (Edible Oil): वसा-घुलनशील विटामिन A और विटामिन D।
4. फोर्टिफाइड दूध (Milk): विटामिन A और विटामिन D।
5. डबल फोर्टिफाइड नमक (Double Fortified Salt — DFS): घेंघा (Goitre) और एनीमिया दोनों की रोकथाम हेतु आयोडीन + आयरन।

• 1. BioE3 नीति के तहत 17 सुविधाओं को सहायता और 15 बायो-AI हब की अनुशंसा (PIB 23 जुलाई 2026, `PRID=2288306`): संसद में प्रस्तुत आधिकारिक विवरण के अनुसार BioE3 नीति के अंतर्गत देश भर में 270 से अधिक जैव-विनिर्माण परियोजनाओं, 17 चयनित जैव-विनिर्माण सुविधाओं को वित्तीय सहायता (जैसे विशाखापत्तनम में लॉरस बायो की स्मार्ट प्रोटीन, एंजाइम व बायोपॉलिमर किण्वन सुविधा — PIB मार्च 2026 `PRID=2238344`) तथा 15 बायो-AI हब को सहायता के लिए अनुशंसित किया गया है। साथ ही, अंतरिक्ष में सूक्ष्मजीवी किण्वन और खाद्य/जैव-विनिर्माण के लिए DBT और ISRO के मध्य फ्रेमवर्क समझौता ज्ञापन (MoU) हस्ताक्षरित हुआ है।
• 2. समुद्री संवर्धित मांस (Lab-Grown Fish Meat) एवं सेलुलर एग्रीकल्चर में भारत की प्रगति: ICAR–केंद्रीय समुद्री मात्स्यिकी अनुसंधान संस्थान (CMFRI), कोच्चि ने निजी बायोटेक स्टार्टअप (Neat Meatt Biotech) के सहयोग से भारत में पहली बार प्रयोगशाला में संवर्धित समुद्री मछली का मांस (Lab-grown Kingfish/Seer fish meat) विकसित करने की परियोजना आगे बढ़ाई है, जो बिना समुद्री अति-मत्स्यन और बिना एंटीबायोटिक/माइक्रोप्लास्टिक संदूषण के उच्च ओमेगा-3 युक्त समुद्री प्रोटीन उपलब्ध कराएगी।
• 3. खाद्य संरक्षण में गैर-तापीय (Non-Thermal) प्रौद्योगिकियाँ एवं विकिरण (Food Irradiation — बजट 2024–26): फलों, सब्जियों और मसालों के पोषक तत्त्वों व एंजाइमों को नष्ट किए बिना उनकी शेल्फ-लाइफ बढ़ाने के लिए सरकार 50 नई बहु-उत्पाद खाद्य विकिरण इकाइयों (Multi-product Food Irradiation Units — गामा किरणों ${}^{60}\text{Co}$ या इलेक्ट्रॉन बीम द्वारा अंकुरण व कीट रोधन), उच्च-दाब प्रसंस्करण (High-Pressure Processing — HPP / Pascalization, 300–600 MPa) और स्पंदित विद्युत क्षेत्र (Pulsed Electric Field — PEF) तकनीक को बढ़ावा दे रही है।

इस अध्याय से सीधे पूछे गए 4 प्रामाणिक UPSC CSE Prelims प्रश्न (आधिकारिक UPSC उत्तर कुंजी से सत्यापित) नीचे इंटरएक्टिव कार्डों में दिए गए हैं:

UPSC CSE 2027 के नवीनतम पैटर्न पर तैयार 15 मौलिक प्रारंभिक परीक्षा प्रश्न नीचे दिए गए हैं:

मुख्य परीक्षा (GS-III) अभ्यास प्रश्न एवं मॉडल उत्तर

1. श्वेत जैव-प्रौद्योगिकी (White Biotech): औद्योगिक किण्वन, जैव-उत्प्रेरक (एंजाइम), बायोपॉलिमर और जैव-रसायनों से संबंधित जैव-प्रौद्योगिकी की शाखा।
2. प्रोबायोटिक्स (UPSC Prelims 2022): जीवाणु (Lactobacillus, Bifidobacterium) और यीस्ट (Saccharomyces boulardii) दोनों से बनते हैं; मानव आंत्र में प्राकृतिक रूप से भी पाए जाते हैं; और लैक्टेज एंजाइम से दुग्ध शर्करा (लैक्टोज) के पाचन में मदद करते हैं।
3. प्रीबायोटिक्स बनाम पोस्टबायोटिक्स: प्रीबायोटिक्स (इनुलिन, FOS, GOS) अपाच्य फाइबर हैं जो लाभकारी जीवाणुओं का भोजन हैं; पोस्टबायोटिक्स स्वास्थ्य-लाभ प्रमाणित निष्क्रिय सूक्ष्मजीवी कोशिकाओं या उनके घटकों की तैयारी हैं; अकेले ब्यूटिरेट जैसे उपापचयज नहीं।
4. एक्सट्रीमोफाइल्स (UPSC Prelims 2023): सूक्ष्मजीव जल के क्वथनांक ($>100^\circ\text{C}$ — Hyperthermophiles), जल के हिमांक ($<0^\circ\text{C}$ — Psychrophiles) और pH < 3 (Acidophiles) तीनों परिस्थितियों में पनप सकते हैं।
5. Taq पॉलिमरेज का स्रोत: अति-तापरागी जीवाणु Thermus aquaticus; जबकि बायोमाइनिंग/जैव-निक्षालन में अम्लरागी जीवाणु Acidithiobacillus ferrooxidans प्रयुक्त होता है।
6. बिस्फेनॉल-A (BPA — UPSC Prelims 2021): पॉलीकार्बोनेट (Polycarbonate) प्लास्टिक और एपॉक्सी रेजिन का मुख्य घटक है तथा एक अंतःस्रावी विघटनकारी (Endocrine disruptor) है।
7. PLA बनाम PHA बनाम Bio-PET: PLA (पॉलीलैक्टिक अम्ल) और PHA (पॉलीहाइड्रॉक्सीअल्कानोएट) जैव-आधारित व जैव-निम्नीकरणीय बायोप्लास्टिक हैं; जबकि गन्ने से बना Bio-PET जैव-आधारित तो है किंतु जैव-निम्नीकरणीय नहीं है।
8. जैव-उपचारण सीमा (UPSC Prelims 2017): सूक्ष्मजीव कैडमियम और सीसा (Lead) जैसी भारी धातुओं को रासायनिक रूप से नष्ट या पूर्णतः विघटित नहीं कर सकते।
9. NCERT सूक्ष्मजीव-अम्ल चतुष्टय: Aspergillus niger (कवक) → सिट्रिक अम्ल; Acetobacter aceti (जीवाणु) → एसिटिक अम्ल; Clostridium butylicum (जीवाणु) → ब्यूटिरिक अम्ल; Lactobacillus (जीवाणु) → लैक्टिक अम्ल।
10. NCERT जैव-सक्रिय अणु त्रयी: Streptococcus → स्ट्रेप्टोकाइनेज (क्लॉट बस्टर); Trichoderma polysporum (कवक) → साइक्लोस्पोरिन-A (प्रतिरक्षा-दमनकारी); Monascus purpureus (यीस्ट) → स्टैटिन (कोलेस्ट्रॉल-अवनमक)।
11. स्विस चीज़ बनाम रॉकफोर्ट चीज़: स्विस चीज़ में बड़े छिद्र जीवाणु Propionibacterium shermanii द्वारा मुक्त $CO_2$ के कारण बनते हैं; रॉकफोर्ट चीज़ को कवक Penicillium roqueforti से पकाया जाता है।
12. फलों के रस का स्पष्टीकरण: बोतलबंद फलों के रस को पारदर्शी बनाने के लिए पेक्टिनेज (Pectinase) और प्रोटीएज (Protease) एंजाइम प्रयुक्त होते हैं।
13. ग्लूकोज आइसोमरेज (EC 5): स्थिरित (Immobilized) रूप में ग्लूकोज सिरप को मीठे उच्च-फ्रुक्टोज कॉर्न सिरप (HFCS) में बदलता है।
14. एकल कोशिका प्रोटीन (SCP): सायनोबैक्टीरिया Spirulina, कवक Fusarium venenatum और जीवाणु Methylophilus methylotrophus।
15. स्मार्ट प्रोटीन के 3 स्तंभ: (1) पादप-आधारित एक्सट्रूज़न प्रोटीन, (2) सटीक किण्वन (Precision Fermentation), और (3) संवर्धित मांस (Cultivated Meat — जैसे ICAR-CMFRI कोच्चि की समुद्री मछली पहल)।
16. BioE3 नीति (अगस्त 2024 – 2026): 6 विषयगत क्षेत्र; जुलाई 2026 तक 270+ परियोजनाएँ, 17 सुविधाओं को वित्तीय सहायता और 15 बायो-AI हब समर्थन हेतु अनुशंसित।
17. BioE3-स्ट्रेन रिसोर्स सेंटर (SRC): स्वदेशी औद्योगिक सूक्ष्मजीव स्ट्रेन हेतु DBT द्वारा BRIC-NCCS, पुणे में स्थापित।
18. BRIC-NABI (मोहाली) एवं CSIR-CFTRI (मैसूर): मोहाली में NABI और CIAB के विलय से BRIC-NABI गठित; मैसूर में CSIR-CFTRI और कुंडली व तंजावुर में NIFTEM स्थित हैं।
19. FSSAI '+F' फोर्टिफाइड चावल: एक्सट्रूज़न से बने FRK दानों में आयरन, फोलिक एसिड ($B_9$) और विटामिन $B_{12}$ होते हैं जिन्हें सामान्य चावल में 1:100 अनुपात में मिलाया जाता है।
20. खाद्य विकिरण (Food Irradiation): कोबाल्ट-60 गामा किरणों या इलेक्ट्रॉन बीम से किया जाने वाला शीत उपचार; यह खाद्य को कभी रेडियोधर्मी नहीं बनाता।

• भारत सरकार, 23 जुलाई 2026: BioE3 के 17 सहायता-प्राप्त जैव-विनिर्माण केंद्र और 15 अनुशंसित बायो-AI हब।
• जैव प्रौद्योगिकी विभाग: Bio-AI हब की स्थापना एवं प्राथमिकता वाले क्षेत्र।
• भारतीय खाद्य सुरक्षा एवं मानक प्राधिकरण: सुदृढ़ीकृत चावल दानों के 1:50 तथा 1:100 मिश्रण का मानक।
• अंतरराष्ट्रीय प्रोबायोटिक्स-प्रीबायोटिक्स वैज्ञानिक संघ: पोस्टबायोटिक्स की परिभाषा, सितंबर 2025।
• UPSC विगत-वर्ष प्रश्न-सत्यापन: 2022 प्रोबायोटिक्स प्रश्न · 2017 जैव-उपचार प्रश्न · 2020 खाद्य प्रसंस्करण प्रश्न।
• 1. पत्र सूचना कार्यालय (PIB), विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी मंत्रालय / DBT (23 जुलाई 2026 एवं 11 मार्च 2026): Implementation of BioE3 Policy — Six Thematic Sectors, 17 Biofoundries/Biomanufacturing Hubs, 15 Bio-AI Hubs & BioE3-Strain Resource Centre at BRIC-NCCS Pune — https://www.pib.gov.in/PressReleasePage.aspx?PRID=2288306&reg=3&lang=1 एवं https://www.pib.gov.in/PressReleasePage.aspx?PRID=2238344&reg=3&lang=1 (सत्यापित: 04 नवंबर 2026)।
• 2. पत्र सूचना कार्यालय (PIB), जैव प्रौद्योगिकी विभाग वार्षिक उपलब्धि विज्ञप्ति (16 दिसंबर 2025): BRIC-NABI Bioprocessing & Food Biotechnology Achievements — https://www.pib.gov.in/PressReleaseDetail.aspx?PRID=2204756&reg=3&lang=1 (सत्यापित: 04 नवंबर 2026)।
• 3. CSIR–केंद्रीय खाद्य प्रौद्योगिक अनुसंधान संस्थान (CSIR-CFTRI, मैसूर) एवं खाद्य प्रसंस्करण उद्योग मंत्रालय (MoFPI): https://www.cftri.res.in/ एवं https://www.mofpi.gov.in/ (सत्यापित: 04 नवंबर 2026)।
• 4. संघ लोक सेवा आयोग (UPSC) आधिकारिक पूर्व प्रश्नपत्र अभिलेखागार (Prelims 2017, 2021, 2022, 2023 एवं Mains GS-III 2019, 2020, 2022): https://www.upsc.gov.in/examinations/previous-question-papers (सत्यापित: 04 नवंबर 2026)।
• 5. राष्ट्रीय शैक्षिक अनुसंधान और प्रशिक्षण परिषद (NCERT): कक्षा 12 जीवविज्ञान (अध्याय: Microbes in Human Welfare एवं Biotechnology Principles and Processes) — https://ncert.nic.in/textbook.php (सत्यापित: 04 नवंबर 2026)।