Производство белков одноклеточных и многоклеточных организмов

Видео: Научфильм. Биология. Фильм 15. Белок (1987)

Крупномасштабное культивирование микроорганизмов как прямой источник белка для питания человека и животных рассматривалось в качестве способа решения проблемы нехватки пищи в Германии уже во время Первой мировой войны. Были разработаны технологические процессы культивирования пивных дрожжей, которые после обработки и высушивания добавляли в супы и колбасы. Во время Второй мировой войны эти процессы уже были хорошо отработаны.

Выражение «белки одноклеточных организмов» возникло в 60-е гг. применительно к бактериальной биомассе (преимущественно дрожжей), которая используется в качестве пищевого компонента животных и человека. Особенно привлекательным является тот факт, что питательной средой при культивировании бактерий зачастую являются отходы сельского хозяйства: жмых сахарной свеклы в производстве сахара, подсолнечный жмых при получении растительного масла, молочная сыворотка в производстве сыра, древесная стружка и опилки и т. п.

Интерес к этой проблеме вспыхнул после публикации результатов исследований, показывающих возможность производства таких белковых концентратов на основе углеводородов. Нефтяные компании финансировали развитие этих исследований не только по причине использования углеводородов, но и в связи с благоприятными результатами пищевых тестов и перспективами сбыта.

Первая крупномасштабная фабрика белкового концентрата была разработана совместной фирмой «British Petroleum» (Великобритания) и «Италпротеин» (Италия) в 1975 г, ее производительность составляла 100000 т/год- сырьем были нормальные парафины. Этой проблемой занялась и Япония, были построены 8 заводов производительностью 1500 т белка/год. Однако интерес к производству белка одноклеточных организмов в 70-е гг. несколько снизился- отчасти из-за благоприятной сельскохозяйственной ситуации тех лет, но главным образом из-за несовершенства технологий, не удаляющих некоторые токсические вещества из конечного продукта.

В 80-е гг. германская фирма «Хехст», отличающаяся на рынке своими высокими технологиями, разработала процессы получения высококачественных белковых концентратов. В 80-е гг. одним из ведущих в мире производителем белков был СССР с его неисчерпаемой сырьевой базой. В Финляндии сооружена фабрика, использующая гриб Paecilomyces в сульфитных стоках бумажных комбинатов- мощность фабрики - 10000 т белка/год.

В странах ЕЭС производится белковых концентратов около 25 млн т в год. Эти цифры говорят о рентабельности предприятий. Корм для скота становится дорогим из-за ограничения земельных угодий и по ряду других причин. Белки одноклеточных организмов имеют огромные преимущества: высокую скорость воспроизводства, доступность сырьевых источников, решение проблем утилизации отходов многих предприятий и т. д.

Кроме того, белки имеют постоянный и воспроизводимый состав, их легко витаминизировать, добавлять необходимые микроэлементы- их также легко изготовлять в виде гранул или таблеток, их хранение осуществляется намного легче, чем хранение растений или других кормов.

Тем не менее, производители белка не рассматривают свою продукцию как заменитель белка в рационе животных: белковые концентраты служат добавками к кормам, удешевляя их и повышая их качество. Следует отметить, однако, что производство белковых добавок развивается не столь быстро, как прогнозировалось в 60-70 гг. Дело в том, что в значительной степени ужесточились требования к безопасности технологий, которые должны учитывать результаты всех необходимых токсикологических и пищевых испытаний.

Особенно осторожными следует быть в вопросах применения белковых концентратов в питании человека. Однако их использование для решения проблемы питания населения земли не имеет альтернативы, поскольку прогнозы свидетельствуют о том, что прирост населения не соответствует приросту продуктов питания. Можно с уверенностью сказать, что освоение микроорганизмов в питании человека только начинается.

Микроорганизмы начали использовать в производстве белковых продуктов задолго до возникновения микробиологии. Достаточно упомянуть всевозможные разновидности сыра, а также продукты, получаемые путем ферментации соевых бобов. И в первом, и во втором случае питательной основой является белок. При выработке этих продуктов, при участии микробов, происходит глубокое изменение свойств белоксодержащего сырья.

В результате получают пищевые продукты, которые можно дольше хранить (сыр) или удобнее потреблять (соевый творог). Микробы играют роль в производстве некоторых мясных продуктов, предназначенных для хранения. Так, при изготовлении некоторых сортов колбасы используется кислотное брожение, обычно при участии комплекса молочнокислых бактерий. Образовавшаяся кислота способствует сохранности продукта и вносит вклад в формирование его особого вкуса.

Этим, пожалуй, и ограничивается использование микроорганизмов в переработке белков. Возможности современной биотехнологии в этих производствах невелики, за исключением сыроделия. Другое дело - выращивание и сбор микробной массы, перерабатываемой в пищевые продукты: здесь биотехнология может проявить себя во всей полноте.

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 0,5ч-1.

Особенности процесса культивирования во многом обусловлены применяемым штаммом-продуцентом (дрожжи или бактерии) и условиями асептики. 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 2,6з т/т белка. В том и другом случае процесс культивирования проводится одностадийно, без стадии «дозревания», с невысокой концентрацией субстрата (8-10 г/л).

В ряде стран в качестве продуцентов применяются бактериальные штаммы, процесс проводится в асептических условиях в ферментаторах эрлифитного или струйного типов производительностью 100-з00 т/сут и расходом метанола до 2,з 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 10-1з- 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, Acinetobacter 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 гидролизатах 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 гидролизатах 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.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик