Белок одноклеточных. Синтез белка одноклеточных в биотехнологии.

Относительно новым источником питательных веществ является «белок одноклеточных». Его производство началось в конце 1960-х годов. Термин относится к белку, который получают при крупномасштабном выращивании микроорганизмов, таких как бактерии, водоросли, а также дрожжи и другие грибы.

Белок пригоден для употребления людьми и может быть использован в качестве корма для животных. Он служит полезным источником минеральных веществ, витаминов, жиров и углеводов.

Теоретически это позволяет высвободить для нужд человека целый ряд белковых продуктов, таких как соевая мука и зерно, которые в настоящее время используются на корм животных. Однако на Западе сельскохозяйственная продукция производится в избытке и скорее всего это вряд ли случится.

Хорошо известно, что в мировом масштабе наблюдается нехватка белка, но это относится лишь к развивающимся странам, которые не имеют средств на развитие подобных биотехнологий.

Ниже перечислены преимущества использования микроорганизмов в качестве источника пищевых продуктов.

1. Микроорганизмы занимают меньше пространства, чем традиционные растения и животные.

2. Микроорганизмы растут быстрее.

3. Микроорганизмы могут использовать для роста широкий спектр дешевых продуктов, а также сельскохозяйственных и промышленных отходов, например нефтяные продукты, метан, метиловый и этиловый спирт, сахар, патоку, сыр, сыворотку, и бумажные отходы. Это дает дополнительные преимущества, поскольку позволяет реутилизировать различные материалы и избавляться от мусора.

4. С эксплуатацией микроорганизмов связано меньше этических проблем, и нет проблем, затрагивающих права животных.

5. К микроорганизмам гораздо легче применять методы генной инженерии.

6. Микроорганизмы содержат довольно много белка.

7. Микроорганизмы не зависят от климатических условий и не занимают больших земельных площадей.

Одним из первых главных продуктов был получен белок одноклеточных прутин, производство которого — прекрасный пример хорошего инженерного проекта, разработанного для непрерывного процесса ферментации.

Прутин предлагался на рынке в качестве кормовой добавки для животных.

Первоначальные надежды на белок одноклеточных не оправдались, так как изменились экономические и политические аспекты его производства, в связи с чем возникли следующие проблемы.

1. Рост цен на нефть в конце 1970-х годов обусловил существенное повышение стоимости продукции, поскольку процесс, включающий производство метанола, является высоко энергозависимым.

2. В развитых странах, таких как США и Европа, где должен был производиться белок одноклеточных, обычным явлением стало перепроизводство сельскохозяйственной продукции. В особенности это касалось конкурирующих с белком одноклеточных и богатых протеином продуктов: зерна, соевых бобов и молочных продуктов.

3. Развивающиеся страны, где ощущается нехватка белка, не располагали инвестиционными средствами, необходимыми для организации собственного производства кормового белка, и не имели необходимых разработок.

4. Увеличилось производство и снизилась стоимость конкурирующих кормовых добавок для животных, таких как соевые бобы, рыбная мука и клейковина из кукурузы. Последняя является побочным продуктом при биотехнологическом производстве топлива.

Прутин производился компанией ICI.

После неудачи с его использованием в качестве коммерческого продукта завод был демонтирован, однако ICI использовала разработки, сделанные в сотрудничестве с Рэнком (Rank), Ховисом (Hovis) и Макдоугаллом (McDougall), для производства белка из гриба Fusarium. Этот микопротеин (мико- означает, что он имеет отношение к грибам) необычен в плане использования человеком. Он продается под торговой маркой «Кворн» («Quorn»), а его производство описано ниже в данном разделе.

Прутин

В 1980 г. компания ICI пустила в строй огромный ферментер (емкость 1500 м3, высота 60 м) в Билленгеме на северо-востоке Англии. Строительство обошлось фирме в 40 млн. фунтов стерлингов. Производственный потенциал составлял 70 000 т белка одноклеточных ежегодно.

Для культивирования использовали бактерию Methylophilus methylotrophus, для которой источником углерода и энергии служил дешевый и легко доступный метанол. Процесс происходил в аэробных условиях.

В суммарное уравнение процесса входят необходимые сырые материалы и образующиеся продукты:

Белок одноклеточных. Синтез белка одноклеточных в биотехнологии.

Двуокись углерода, которая являлась отходом производства, закачивали в баллоны и продавали.

При поиске подходящей бактерии руководствовались тем, что она должна иметь высокую скорость роста и использовать относительно дешевый источник углерода и энергии, быть термоустойчивой, поскольку в процессе ферментации выделяется тепло, непатогенной для любых других организмов и иметь высокое содержание белка на единицу сухой массы.

Выбранная бактерия М. methylotrophus имела время генерации (время удвоения) 2—5 ч. Азот вносили в виде солей аммония; кроме того, требовались дополнительные минеральные добавки: фосфор, кальций и калий.

Метанол получали из природного газа в той же самой промышленной зоне Биллингема, причем он не содержал вредных побочных продуктов. За температурой внимательно следили и поддерживали ее в пределах 30—40 °С; pH составлял 6,7.

Ферментер мог работать непрерывно в течение нескольких месяцев.

Производство прутина является классическим примером непрерывного культивирования. Основные принципы его производства те же, что описаны в разд. 12.10.5. Ферментер был высоким и узким, что облегчало аэрацию и охлаждение. Он имел уникальную систему подачи воздуха для аэрации среды.

Сжатый воздух поступал со дна ферментера, и поднимающиеся пузырьки перемешивали содержимое (лучше, чем при использовании распылителей). Ежемесячно производилось 6 000 т белка. Из 2 т метанола получалась 1 т высушенного прутина, который содержал 72% белка и 8% влаги.

Он был обогащен незаменимыми аминокислотами и витаминами и был в два раза питательнее, чем мука соевых бобов. Прутин использовали в качестве корма для животных.

Поскольку культивирование было непрерывным, бактерии собирали постоянно, как только они достигали максимальной скорости роста (экспоненциальный рост).

Часть содержимого удаляли из ферментера, обрабатывали реагентом, который способствует слипанию бактерий, и затем центрифугировали. Выделенные клетки высушивали путем распыления, а полезные компоненты надосадочной жидкости возвращали в ферментер.

После высушивания бактериальные клетки измельчали, чтобы они лучше усваивались и перед упаковкой корректировали pH и минеральный состав.

Микопротеин

Другой потенциальный источник белка одноклеточных — грибы. Дрожжи, так же как и бактерии, могут использоваться и людьми, и животными (см. ниже разд. «Дрожжевой экстракт»). Находят применение и плесневые грибы. Для них характерно типичное грибное тело (описание см. в разд. 2.5.

2), состоящее из совокупности тонких нитевидных гиф, называемой мицелием. Хороший пример использования плесневых грибов — производство микопротеина. В 1985 г. Рэнк, Ховис и Макдоугал организовали совместно с ICI компанию под названием Marlow Foods для производства микопротеина под торговой маркой «Quorn».

Для этой цели был использован гриб Fusatium graminearum. Он был впервые выделен в начале 1960-х годов из образца почвы вблизи Марлоу в Бакингемшире, отсюда происходит и название компании. Исследование белкового продукта началось в 1964 г.

, а одобрение как безопасный для употребления человеком и разрешение на запуск в производство он получил в 1986 г. Сначала кворн использовали для выпечки ароматных пирожков, которые продавал Дж. Сэйнсбери. И хотя исходно он применялся как ингредиент при изготовлении таких пищевых продуктов, как пирожки и карри, в 1990 г.

в продаже появился кворн в кусочках для домашнего применения, а в 1992 г. его стали продавать в измельченном виде. Кворн обладал нежным вкусом и приятным ароматом и имел успех у покупателей.

Время удвоения гриба в культуре составляет 5,5 ч, т. е. он растет медленнее, чем бактерии. В качестве источника углерода и энергии гриб использует глюкозу, которую получают из любого достаточно дешевого сырья, содержащего крахмал, например кукурузы, пшеницы, риса, картофеля или мелассы. Гриб образует 0,5 кг сухой биомассы на килограмм использованного сахара.

Преимуществом грибов является способность расти при довольно кислых pH, при которых подавляется рост бактерий, что снижает риск загрязнения культуры. Fusarium растет при 30 °С в условиях непрерывного культивирования. Как и при культивировании бактерий, источником азота являются соли аммония, и для поддержания роста в среду добавляют минеральные соли.

Как во всех описанных выше процессах, необходима аэрация и охлаждение среды, а все используемые материалы должны быть простерилизованы. Перемешивание среды достигается с помощью особого механизма аэрации. В данном случае исключено применение механических мешалок, поскольку гифы опутывают их, из-за чего нарушается равномерное распределение гиф внутри ферментера.

Механизм называется «воздушным лифтом», потому что культура непрерывно циркулирует, совершая один оборот каждые 2 мин под действием воздуха, который продувается через вертикально расположенную удлиненную петлю высотой 40 м. Объем ферментера составляет около 40 000 дм3.

Так как это непрерывный процесс, из ферментера постоянно отбирают продукт и добавляют свежую среду.

Эукариотические клетки характеризуются более высоким содержанием нуклеиновых кислот по сравнению с прокариотическими, поэтому микопротеин содержит значительное количество нуклеиновых кислот (5—15% сухой массы).

Читайте также:  Посев бактерий. Посев бактерий на плотные питательные среды. Получение изолированных колоний бактерий. Температура культивирования бактерий.

Это главным образом РНК, причем ее содержание желательно снизить, поскольку употребление человеком более 2 г в день может привести к образованию камней в почках или к подагре.

Для удаления РНК культуру прогревают при 64 °С в течение 20—30 мин в особом сосуде, через который пропускают горячий пар. Прогревание инактивирует протеиназы грибов (таким образом, белок не разрушается), однако не действует на РНКазы, что способствует разрушению РНК.

Содержание РНК снижается до 1%, что значительно ниже рекомендованного Всемирной Организацией Здравоохранения нижнего предела, составляющего 2%.

Мицелий грибов легче отделить от культуральной среды, чем клетки бактерий. Центрифугирования не требуется, достаточно отфильтровать мицелий. После фильтрации и высушивания остается тонкая эластичная пленка корна. На этом этапе по виду и по вкусу он напоминает сырое тесто.

К нему добавляют овощные приправы и немного яичного белка. Затем его нарезают ломтиками, кубиками или измельчают и в таком виде он поступает в продажу. Гриб от природы является волокнистым (одна из причин, по которой он был выбран), поэтому ему легко придать консистенцию мяса.

Когда речь идет об употреблении человеком, важны не только экономические факторы, но и целый ряд других. Необходимо соблюдать очень строгие правила безопасности, а питательная ценность продукта должна быть достаточно высокой. Продолжительные исследования, которые проводились в течение более 10 лет, не выявили долговременных вредных эффектов.

В исследованиях использовались не менее четырех поколений одиннадцати видов животных, включая крыс, свиней и коров. Прежде чем продукт поступил в продажу, проводили испытания и на людях, добровольно согласившихся попробовать микопротеин. Полученный в результате продукт по некоторым свойствам оказался более полезным для здоровья, чем мясо. В табл. 12.

5 приведен его состав в сравнении с некоторыми типичными белками животного происхождения. Он не содержит холестерола и в отличие от мяса содержит много волокон. В нем мало жира и «калорий» (энергии); для него характерно хорошее соотношение между полиненасыщенными и насыщенными жирными кислотами (см. разд. 8.7).

Он является хорошим источником витамина В12 и цинка, которые часто отсутствуют в рационе вегетарианцев.

При переходе на новую пищу нужно преодолеть и психологический барьер. Очень важно, как представить новый продукт, включая упаковку и рекламу (рис. 12.21).

Запах, цвет, вкус и консистенция должны быть тщательно спланированы. Первоначально было решено рекламировать кворн в качестве заменителя мяса.

Его легко можно было соединить в волокна, прекрасно имитирующие структуру мяса, и ароматизировать, придав вкус курицы или даже говядины.

Таблица 12.5. Типичный состав микопротеина «кворн» в сравнении с традиционными белками животного происхождения

Содержание компонента в 100 г Микопротеин (готовый) Сырое постное мясо Тушеное мясо Жареная курица (только мясо) Сыр чеддер Свежая треска Жареная говяжья колбаса
Белок 12,3 20,3 30,9 24.8 26,0 17,4 13,0
Жир 3,2 4,6 11,0 5,4 34,4 0,7 17,3
Пищевые волокна 4,8
Холестерол 59 82 76 70 50 40
Энергия (кДж) 355 514 932 621 1708 318 1104
Отношение ПЖК/НЖК* 2,5 0,1 0,1 0,5 0,2 2,2 0,1
* ПЖК — поляне насыщенные жирные кислоты, они предпочтительнее для здоровья (см. разд. 8.7.7) НЖК — насыщенные жирные кислоты

Белок одноклеточных. Синтез белка одноклеточных в биотехнологии.

Рис. 12.21. Пищевые продукты, содержащие кворн.

12.11. В рекламе продуцент кворна обычно называют«натуральным крошечным растением» или«крошечным родичем грибов». Поясните, почему.

Дрожжевой экстракт

Дрожжи, остающиеся от производства пива, можно использовать по-разному.

Одним из примеров является производство виски, которое, как и производство пива, основано на сбраживании сахаров, образующихся в прорастающих зернах ячменя. Однако виски очищают от сброженного солода.

Для этого требуется кипячение, которое убивает дрожжи. Для их замещения можно использовать дрожжи, остающиеся после приготовления пива.

Дрожжевые клетки богаты витаминами группы В, в особенности ниацином (В6), рибофлавином (В2), тиамином (B1), фолиевой кислотой и В|2.

Дрожжи можно высушить и приготовить из них богатые витаминами таблетки, либо продукты, такие как мармит (Marmite), Для этого дрожжи нагревают до 50 °С в больших чанах и добавляют соль, чтобы поддержать процесс автолиза (разд. 5.10.6).

Автолиз — это самопереваривание, которое происходит под действием ферментов в погибающих клетках. Продукты фильтруют и центрифугируют для удаления клеточных стенок, а затем концентрируют до консистенции густой пасты. В мармит добавляют овощной экстракт.

Альтернативой автолизу является гидролиз под действием соляной кислоты. Гидролизат затем нейтрализуют гидроксидом натрия. Продукт добавляют в пищу, например в чипсы, гамбургеры, супы, соусы и подливки, в качестве солоноватой приправы, по вкусу напоминающей мясо.

Белок одноклеточных из фотосинтезирующих организмов

Для производства белка одноклеточных используются как фотосинтезирующие бактерии, например цианобактерии, так и водоросли. Примером цианобактерий может служить спирулина. Ацтеки делали из нее лепешки, а для фламинго, живущих на побережьях озер в восточной Африке, — это основная пища.

Спирулину выращивают в небольших масштабах в Мексике и на Гавайских островах для продажи в магазинах диетического питания. Она содержит очень много белка и растет очень быстро. Ее можно собирать с поверхности пруда или озера. Примером одноклеточной водоросли является хлорелла.

В Японии и на Тайване высушенную хлореллу продают в качестве здоровой пищи.

Пищевые потребности и условия для роста фотосинтезирующих организмов обсуждались в разд. 12.1.1 и 12.1.2.

Тот факт, что для их роста нужен свет и для большинства из них источником углерода является углекислый газ, существенно отличает эти организмы от грибов и нефотосинтезирующих бактерий.

Обычно их выращивают в нестерильных условиях, в теплых открытых водоемах, и, как правило, в виде смешанной культуры (которая содержит несколько разных видов).

При выращивании водорослей в сточных водах достигается двойной результат: очистка сточных вод и получение белка одноклеточных на корм животным. Это осуществлено в Израиле.

ПредыдущаяСодержаниеСледующая

Лекция 13. Одноклеточный белок

Главной проблемой, стоящей перед человечеством (и, в частности, перед развивающимися странами), является взрывоподобный рост населения. В 1988 г. требовалось накормить 4 млрд «ртов», а в 2000 г. – 6 млрд.

Естественно, что традиционное сельское хозяйство не сможет удовлетворить пищевые потребности растущей численности населения, особенно белковым питанием.

Уже в настоящее время Международная Организация питания и сельского хозяйства (FAO) предсказывает резкое увеличение пропасти в обеспечении белком между развитыми и развивающимися странами.

По меньшей мере 25% мирового населения в настоящее время страдает от голода или недостатка питания и несоразмерно большая часть этого населения живет в развивающихся странах, где засушливый климат и мало плодородные почвы затрудняют ведение продуктивного сельского хозяйства.

И тем не менее продуктивность сельского хозяйства во всех его отраслях постоянно повышается практически по всему миру. В этом процессе, конечно, определенную помощь окажут и различные биотехнологические новшества, призванные усовершенствовать традиционные сельскохозяйственные приемы.

Даже сейчас во многих регионах Земли постоянно появляются пищевые излишки, особенно велико их количество в Северной Америке и Европе, где практически постоянна популяция людей.

Кроме того, ряд стран, ранее являвшихся чистыми импортерами большинства пищевых продуктов (такие, как Индия и Индонезия), в настоящее время сумели наладить самообеспечение.

И все же в мире имеет место несбалансированность в снабжении населения хлебом и этот недостаток постоянно усугубляется в связи с изменениями в неблагоприятную сторону глобальной погоды (в частности, сильные ливни, засухи), а также национальными и межнациональными войнами, сопровождаются разрушением сельского хозяйства и колоссальными перебоями в распределении питания.

По данным ряда специалистов, мировой дефицит белка оценивается в 30–35 млн т. Причем степень дефицита варьирует в зависимости от страны и должна рассматриваться в рамках каждой национальной экономики.

Сдвиг от злаковой к мясной диете в различных странах приобретает разительные масштабы и ведет к увеличению расхода зерна в пересчете на человека, поскольку требуется от 3 до 10 кг зерна, чтобы произвести 1 кг мяса путем повышения эффективности животноводства и совершенствования кормовых программ.

Поиски дополнительных источников белка предпринимаются постоянно и повсеместно.

Широко внедряются новые сельскохозяйственные приемы; получаются новые сорта злаков, характеризующиеся повышенным содержанием белка; там, где это позволяют климатические и другие природные условия, интенсивно внедряется выращивание сои и земляного ореха; белки начинают экстрагироваться путем ультрафильтрации из определенных жидких отходов; и наконец, разрабатываются новые нетрадиционные способы производства белковых соединений.

Определенные успехи достигнуты в получении белка с помощью микробного синтеза. Это направление получило название производства одоклеточного белка (SСP), поскольку большинство микроорганизмов, используемых для этих целей, растут в виде одноклеточных или мицелиальных (нитевидных) особей, а не как сложные многоклеточные организмы (растения или животные).

Понятие «съедобные микробы» звучит несколько странно, однако люди давно распознали питательную и вкусовую ценность некоторых микроорганизмов, а именно грибов.

Читайте также:  Лечение ботулизма. противоботулиническая антитоксическая сыворотка. антисыворотка при ботулизме. профилактика ботулизма. предупреждение ботулизма.

Но даже и в этом случае скептицизм и предвзятость оказывают существенное влияние на отношение людей к этому великолепному пищевому продукту.

И в то время как во многих странах грибы достаточно широко употребляются в пищу, население других стран их игнорирует и избегает использовать.

Хотя грибы в настоящее время во многих странах выращиваются в довольно больших количествах и широко употребляются в пищу и рассматриваются как весьма перспективный и удобный способ производства пищевых продуктов, использование других микробов пока что менее приемлемо, так как существуют многие проблемы, не являющиеся по своей природе технологическими.

И все же на протяжении последних двух-трех десятилетий отмечается явный растущий интерес к использованию различных микроорганизмов для производства пищевых продуктов, в частности дня скармливания домашним животным.

Полагают, что применение одноклеточного белка, получаемого на дешевых субстратах, для корма животных окажет большое влияние на улучшение питания людей в результате снижения их конкуренции с животными за растительную пищу, богатую белком.

Белок одноклеточных. Синтез белка одноклеточных в биотехнологии.

Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоят в следующем: микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500–5000 раз выше, чем у растений и животных; микробные клетки способны накапливать очень большие количества белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе); в микробиологическом производстве вследствие высокой специфичности микроорганизмов отсутствует многостадийность процесса; а сам процесс биосинтеза осуществляется в мягких условиях при температурах 30–45° С, рН 3–6 и давлении около 0,1 МПа. Помимо всего прочего, микробиологический путь получения богатой белком биомассы менее трудоемкий по сравнению с получением сельскохозяйственной продукции и органическим синтезом белка.

Все эти преимущества и определили быстрое развитие технологии производства микробного белка, которое в настоящее время является самой крупнотоннажной отраслью биотехнологии и открывает возможность промышленной продукции различных кормовых добавок для животноводства и птицеводства с помощью микроорганизмов. Причем получаемые продукты характеризуются высокой кормовой ценностью и в достаточных количествах. Большое число компаний во всем мире участвует в этих процессах и уже производится значительное количество достаточно ценных продуктов такого рода.

Основной целью продукции одноклеточного белка является его содержание в препарате.

Однако следует иметь в виду, что помимо белка микроорганизмы содержат также и другие вещества: углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты и различные минеральные соединения, часть из которых может оказывать и неблагоприятное действие на организм, при использовании в пищу человека или животных.

Так, вследствие ограниченной способности человека деградировать нуклеиновые кислоты, прежде чем использовать одноклеточный протеин в качестве пищевого продукта, он должен подвергаться специальной обработке.

Тем не менее высокое содержание белка, слабый запах и мягкий вкус одноклеточного протеина в сочетании с легкостью хранения придают существенную ценность этому продукту питания. Кроме того, он с успехом может применяться в так называемых водных культурах: например на фермах для разведения креветок, форели, семги и т. п.

Преимущества микробного белка перед животным (в отношении быстроты получения) демонстрируются следующими цифрами: продукционная способность коровы весом в 250 кг и 250 г дрожжей практически одинакова. В то время как корова будет прибавлять в день по 200 г веса, микробы за этот же период времени способны произвести (теоретически, в идеальных условиях культивирования) до 25 т биомассы.

Однако корова обладает уникальной особенностью превращать (конвертировать) траву в богатое белком и другими ценными веществами молоко! Несмотря на многолетние попытки разработки конкурентоспособного способа подобного типа конверсии, все они остались пока безрезультатными.

Поэтому коровы в настоящее время рассматриваются как «живые, самовоспроизводящиеся и съедобные «ферменторы»! Поэтому вопрос о замене коров микроорганизмами в пределах обозримого будущего остается открытым.

Помимо чисто технологических и экономических сложностей, существенное влияние на развитие производства одноклеточного белка оказывают географические, политические, социологические и психологические факторы, которые порой оказываются в значительной степени определяющими.

В частности, большое внимание уделяется проблемам безопасности, питательной ценности и применимости данного продукта.

Природа сырьевого материала, используемого в производстве одноклеточного белка, представляет известную опасность: например, потенциальная канцерогенность углеводородов нефти и н-парафинов, наличие тяжелых металлов или других загрязняющих примесей в минеральных солях, присутствие остатков растворителей после экстракции продукта, а также токсинов (в частности, микотоксинов), образуемых некоторыми микроорганизмами (например, определенными грибами), и т. д. Поскольку организм-продуцент должен быть непатогенным и нетоксигенным, а его продукты метаболизма безвредными, строгий санитарный режим и различные процедуры контроля качества должны постоянно осуществляться в течение всего биотехнологического процесса в целях предотвращения порчи продукта, а также загрязнения его патогенными или токсигенными микроорганизмами.

Применимость одноклеточного белка как пищевого продукта для человека зависит не только от его безвредности и питательной ценности, но также и от ряда других факторов. Помимо обычного нежелания людей потреблять вещества, получаемые из микробов, процесс питания характеризуется многими неуловимыми психологическими, социальными и религиозными аспектами.

У различных культур существует достаточное число специфических ассоциаций с едой, общественным положением, а также символической значимостью различных видов пищи. Должны также учитываться более явные особенности, связанные с применимостью продукта: запах, цвет, вкус, консистенция и внешний вид.

Так, например, одноклеточный белок может использоваться в качестве пищи для человека, по-видимому, лишь при относительно малом его количественном содержании в обычных традиционных продуктах. Поэтому в настоящее время он может служить преимущественно как источник питания для различных видов домашних животных, птиц или рыб.

И все же уже теперь некоторые промышленные процессы направлены на изготовление микробных продуктов для человека: например, грибной белок фирмы Ranks Hovis McDougall/ICI.

Какие же факторы, помимо технологических, оказывают влияние а расширение производства одноклеточного белка? Главным образом это политические и социальные аспекты использования для его получения нефтепродуктов как субстратов для культивирования продуцентов, поскольку последние могут быть существенно загрязнены канцерогенными веществами. В силу этого обширные программы, связанные с производством одноклеточного белка, в Японии, Италии и Британии в свое время были приостановлены и усилия биотехнологов были направлены на его производство из этанола или метанола либо на основе различных органических отходов, являющихся потенциально менее опасными.

5.3.1. Производство белка одноклеточных организмов

По многим важным показателям биомасса микроорганизмов мо­жет обладать весьма высокой питательной ценностью.

В немалой степе­ни эта ценность определяется белками: у большинства видов они со­ставляют значительную долю сухой массы клеток.

На протяжении деся­тилетий активно обсуждаются и исследуются перспективы увеличения доли белка микроорганизмов в общем балансе производимого во всем мире белка.

Производство такого белка связано с крупномасштабным выращи­ванием определенных микроорганизмов, которые собирают и перераба­тывают в пищевые продукты. Чтобы осуществить возможно более пол­ное превращение субстрата в биомассу микробов, требуется многосто­ронний подход.

Выращивание микробов в пищевых целях представляет интерес по двум причинам. Во-первых, они растут гораздо быстрее, чем растения и животные: время удвоения их численности измеряется часа­ми. Это сокращает сроки, нужные для производства определенного ко­личества пищи.

Во-вторых, в зависимости от выращиваемых микроор­ганизмов в качестве субстратов могут использоваться разнообразные виды сырья.

Что касается субстратов, то здесь можно идти по двум главным направлениям: перерабатывать низкокачественные бросовые продукты или ориентироваться на легкодоступные углеводы и получать за их счет микробную биомассу, содержащую высококачественный бе­лок.

Получение микробного белка на метаноле

Основное преимущество этого субстрата — высокая чистота и от­сутствие канцерогенных примесей, хорошая растворимость в воде, вы­сокая летучесть, позволяющая легко удалять его остатки из готового продукта. Биомасса, полученная на метаноле, не содержит нежелатель­ных примесей, что дает возможность исключить из технологической схемы стадии очистки.

Однако необходимо учитывать при проведении процесса и такие особенности метанола, как горючесть и возможность образования взры­воопасных смесей с воздухом.

В качестве продуцентов, использующих метанол в конструктив­ном обмене, были изучены как дрожжевые, так и бактериальные штам­мы.

Из дрожжей были рекомендованы в производство Candida boidinii, Hansenula polymorpha и Piehia pastoris, оптимальные условия для кото­рых (температура 34-37 °C, рН 4,2-4,6) позволяют проводить процесс с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,40 при скоро­сти протока в интервале 0,12-0,16 ч-1.

Среди бактериальных культур применяется Methylomonas clara, Pseudomonas rosea и др., способные развиваться при температуре 32-34 °C, рН 6,0-6,4 с экономическим ко­эффициентом усвоения субстрата до 0,55 при скорости протока до 0,5 ч- 1.

Особенности процесса культивирования во многом обусловлены применяемым штаммом-продуцентом (дрожжи или бактерии) и услови­ями асептики.

Читайте также:  Престариум - инструкция по применению, аналоги, отзывы и формы выпуска (таблетки 2,5 мг, 5 мг, 10 мг а с аргинином) лекарства для лечения артериальной гипертензии и сердечной недостаточности у взрослых, детей и при беременности

Ряд зарубежных фирм предлагает использовать дрожже­вые штаммы и проводить выращивание в отсутствии строгой асептики.

В этом случае технологический процесс протекает в ферментаторе эжекционного типа производительностью 75 т белка в сутки, а удель­ный расход метанола составляет 2,5 т/т белка.

При культивировании дрожжей в асептических условиях реко­мендованы аппараты колонного или эрлифитного типа производитель­ностью 75-100 т белка/сут при расходе метанола до 2,63 т/т белка. В том и другом случае процесс культивирования проводится одностадий­но, без стадии «дозревания», с невысокой концентрацией субстрата (8­10 г/л).

В ряде стран в качестве продуцентов применяются бактериальные штаммы, процесс проводится в асептических условиях в ферментаторах эрлифитного или струйного типов производительностью 100-300 т/сут и расходом метанола до 2,3 т/т белка. Ферментация осуществляется одно­стадийно при невысоких концентрациях спирта (до 12 г/л), с высокой степенью утилизации метанола.

Наиболее перспективным по своей конструкции является струй­ный ферментатор Института технической химии (Германия). Фермента­тор объемом 1000 м состоит из секций, расположенных одна над дру­гой и соединенных между собой шахтными переливами.

Ферментаци­онная среда из нижней секции ферментатора по напорному трубопрово­ду подается центробежными циркуляционными насосами в верхние шахтные переливы, через которые проходит в низлежащую секцию, подсасывая при этом воздух из газовода.

Таким образом, среда протека­ет из секции в секцию, постоянно подсасывая новые порции воздуха.

Падающие струи в шахтных переливах обеспечивают интенсивное аэ­рирование среды.

Питательная среда непрерывно подается в зону верхних шахтных переливов, а микробная суспензия отводится из выносных контуров. На стадии выделения для всех видов продуцентов предусмотрено отделе­ние грануляции с целью получения готового продукта в гранулах.

Кормовые дрожжи, полученные на метаноле, имеют следующий состав (в %): сырой протеин 56-62; липиды 5-6; зола 7-11; влага 8-10; нуклеиновые кислоты 5-6. Бактериальная биомасса характеризуется следующим составом (в %): сырой протеин 70-74; липиды 7-9; зола 8­10; нуклеиновые кислоты 10-13; влажность 8-10.

Кроме метанола, в качестве высококачественного сырья исполь­зуют этанол, который имеет малую токсичность, хорошую раствори­мость в воде, небольшое количество примесей.

В качестве микроорганизмов — продуцентов белка на этиловом спирте как единственном источнике углерода могут использоваться дрожжи (Candida utilis, Sacharomyces lambica, Hansenula anomala, Aci- netobacter calcoaceticus). Процесс культивирования проводят односта­дийно в ферментаторах с высокими массообменными характеристиками при концентрации этанола не более 15 г/л.

Дрожжи, выращенные на этаноле, содержат (в %): сырого протеи­на — 60-62; липидов — 2-4; золы — 8-10; влаги — до 10.

Получение белковых веществ на углеводном сырье

Исторически одними из первых субстратов, используемых для получения кормовой биомассы, были гидролизаты растительных отхо­дов, предгидрализаты и сульфитный щелок — отходы целлюлозно- бумажной промышленности.

Интерес к углеводному сырью как основ­ному возобновляемому источнику углерода значительно возрос еще и с экологической точки зрения, так как оно может служить основой для создания безотходной технологии переработки растительных продук­тов.

В связи с тем, что гидролизаты представляют собой сложный суб­страт, состоящий из смеси гексоз и пентоз, среди промышленных штаммов-продуцентов получили распространение виды дрожжей C. utilis, C. scottii и C. tropicalis, способные наряду с гексозами усваи­вать пентозы, а также переносить наличие фурфурола в среде.

Состав питательной среды, в случае культивирования на углево­дородном сырье, значительно отличается от применяемого при выра­щивании микроорганизмов на углеводородном субстрате.

В гидролиза- тах и сульфитных щелоках имеются в небольшом количестве практиче­ски все необходимые для роста дрожжей микроэлементы.

Недостающие количества азота, фосфора и калия вводятся в виде общего раствора со­лей аммофоса, хлорида калия и сульфата аммония.

Ферментация осуществляется в эрлифтных аппаратах конструк­ции Лефрансуа-Марийе объемом 320 и 600 м . Процесс культивирова­ния дрожжей осуществляется в непрерывном режиме при рН 4,2-4,6. Оптимальная температура — от 30 до 40 °С.

Кормовые дрожжи, полученные при культивировании на гидроли- затах растительного сырья и сульфитных щелоках, имеют следующий состав (в %): белок — 43-58; липиды — 2,3-3,0; углеводы — 11-23; зола — до 11; влажность — не более 10.

Одним из перспективных субстратов в производстве кормовой биомассы являются гидролизаты торфа, имеющие в своем составе большое количество легкоусвояемых моносахаров и органических кис­лот.

Дополнительно в состав питательной среды вводятся лишь не­большие количества суперфосфата и хлорида калия. Источником азота служит аммиачная вода.

По качеству кормовая биомасса, полученная на гидролизатах торфа, превосходит дрожжи, выращенные на отходах рас­тительного сырья.

Белки одноклеточных организмов, проблемы и перспективы получения

— это содержащие белок материалы, представляющие собой высушенные клетки микроорганизмов. В качестве добавок к пищевым продуктам или кормам для домашних животных применяется сухая биомасса водорослей, актиномицетов, бактерий, дрожжей, плесеней и высших грибов.

Человек употребляет в пищу белки микроорганизмов с незапамятных времен, в том числе дрожжи в дрожжевом хлебе, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах (молоке, сыре, некоторых сортах колбас), а также водоросли (Spirulina), растущие в прудах и озерах.

Развитие биохимической технологии позволило выращивать культуры микроорганизмов в аэрируемых ферментерах на таких субстратах, как газойль, парафины, природный газ, меласса и целлюлозные материалы. Наиболее важные эксплуатационные характеристики некоторых процессов получения БОО представлены в табл. 12.25.

В этих процессах используются асептические и неасептические режимы, открытые и закрытые ферментеры, полная и частичная утилизация субстрата, различ ные оптимальные значения рН (от кислого до основного), разные способы выделения продукта (фильтрование, центрифугирование).

Не удивительно, что производство БОО лимитируется в первую очередь доступностью соответствующих субстратов, которыми могут быть углеводороды, а также сточные воды бумажных, сельскохозяйственных, молочных и промышленных предприятий (табл. 12.26). Практически все заводы по производству БОО продают свою продукцию в виде добавки к кормам для домашних животных.

Для нужд пищевой промышленности БОО производится в значительно меньших масштабах, причем здесь основную долю и сегодня составляют пекарские дрожжи.

Процесс характеризуется быстрым ростом клеток (μ = 0,5 ч-1), густотой конечного бульона (вследствие агломерации в биореакторе), который можно сразу подавать на центрифугирование, образованием в качестве побочного продукта CO2 и экономическим коэффициентом более 0,5 г клеток/(г субстрата).

Совершенствование процесса производства БОО заключалось в получении штаммов с улучшенными характеристиками (в частности, в увеличении размеров клеток S.

cerevisiae, что облегчает последующие операции выделения), генетической модификации организмов, утилизирующих метанол (в результате чего повышается содержание белка в клетках), модификацииMethylophilus methylotrophus (обеспечивающей повышение эффективности утилизации NH3), разработке штамма Bacillus brevis,секретирующего белки в среду, а также в улучшении операций выделения биомассы путем флокуляции и электрокоагуляции и, наконец, автоматизации процесса.

С экономической точки зрения БОО должен успешно конкурировать с другими источниками белка. Особенно богатым источником дешевого белка являются соевые бобы.. Перспективы расширения производства БОО зависят от рынков сбыта. Так.

БОО, используемый в качестве корма для домашних животных, успешно конкурирует с традиционными кормами и в ряде случаев обеспечивает такой же привес животных (например, цыплят, индеек, свиней).

Если БОО предназначен в качестве пищевого продукта, то он должен обладать определенными качествами, в первую очередь вкусовыми, а кроме того текстурой и питательной ценностью; для этих целей обычно применяют дрожжи Torula.

Производство БОО для пищевой промышленности связано с гораздо большими капитальными затратами; согласно некоторым оценкам, в 1975—1976 годах производство пищевого белка было экономически целесообразным при среднегодовой продажной цене 660—1000 долл. за тонну.

При проведении крупномасштабных аэробных процессов основные затраты связаны с закупкой сырья (субстрата), расходом электроэнергии (на перемешивание, аэрацию и процессы массопереноса) и охлаждением (теплообменом).

При использовании целлюлозных материалов в качестве сырья для производства БОО необходимо учитывать расход электроэнергии, воды, пара и топлива на глубокую предварительную обработку целлюлозы, чтобы превратить ее в поддающиеся микробиологическому воздействию соединения.

Сравнительная оценка различных способов производства белка одноклеточных организмов показывает (табл. 12.28), что основные расходы здесь связаны со стоимостью сырья, составляющей 44—77% всех затрат.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector