Биотехнологические способы повышения пищевой ценности микробного белка. Производства белковых препаратов и микробных добавок. Получение белков из дрожжей.

Высокой скоростью микробиологического синтеза и высоким качеством его продуктов объясняется то, что за последние годы производство кормовых дрожжей, кормовых и ветеринарных антибиотиков увеличилось более чем в 12 раз, ферментных препаратов в 58 раз, освоено производство лизина и ряда других продуктов.

Широкое производство кормовых дрожжей позволит уменьшить дефицит белка в рационе кормления животных. Биомасса дрожжей является одним из наиболее полноценных в биологическом отношении кормов (около 50% ее сухого вещества составляет белок). В ней содержатся все незаменимые аминокислоты, усваивающиеся лучше, чем белок концентрированных кормов растительного происхождения. Например, в кормовых дрожжах в 9 ... 11 раз больше лизина, в 5 … 7- метионина, в 2 … 4 - триптофана, чем в фуражном зерне (ячмень, овес). Дрожжи служат также источником основных витаминов и микроэлементов, разнообразных ферментов и гормонов, улучшающих обмен веществ и усвоение белков и углеводов.

Практика убедительно доказала высокую эффективность кормовых дрожжей. Применение их в ряде хозяйств в жидком виде из расчета 10 ... 15 л на голову крупного рогатого скота значительно увеличивает жирность молока (на 0,15 ... 0,2%). Сухие дрожжи в комбикорме поднимают яйценоскость кур-несушек (на 20 ... 25 яиц в расчете на курицу-несушку). Применение сухих дрожжей в комбикормах как основного источника витаминов группы В влияет не только на увеличение продуктивности всех видов скота и птицы, но и обеспечивает высокую сохранность молодняка. Дрожжи содержат эргостерин, который при облучении дрожжевой суспензии ультрафиолетовым светом превращается в витамин Д (эргокальциферол), необходимый для нормального кальциевого и фосфорного обмена. Облученные дрожжи - полноценный источник витамина Д для крупного рогатого скота, овец, свиней.

Расчеты показали, что добавление 1 т дрожжей в зерновой рацион позволяет получить дополнительно 1,0 ... 1,6 т мяса (живая масса) и сберечь при этом 7 ... 8 т зерна. В перспективе при выпуске 8 млн т дрожжей экономия зерна достигнет 60 ... 70 млн т в год.

Многочисленные исследования научно-исследовательских институтов, проблемных лабораторий показали, что кормовые дрожжи (одни или с добавкой лизина, витаминов) полноценно заменяют в рационах свиней всю, а в рационах птицы - 30 … 40% рыбной муки (рыбная мука - своеобразный эталон, считается лучшим видом кормов животного происхождения). Достаточно к обычной зерновой смеси добавить 4 ... 8 % дрожжей, чтобы получить полноценный комбикорм.

Впервые дрожжи стали выращивать в нашей стране на древесине. Технология заключается в следующем: измельченную древесину подвергают гидролизу, в результате целлюлоза превращается в сахар. Сироп очищают, добавляют минеральные соли и перекачивают в ферментер, где клетки микроорганизмов, питаясь сахаром, интенсивно размножаются. Когда "урожай" созревает, микробная масса направляется на очистку и сушку. Получается порошок, содержащий свыше 50 % белка с примесью витаминов.

Но сахар тоже ценный продукт и отдавать его микробам нерационально. Чтобы развить микробиологическую промышленность, начался поиск сырья - дешевого и имеющегося в изобилии. Еще в 20-х годах советский ученый В. О. Таусон показал, что микробы могут расти на углеводородах нефти. В начале 60-х годов был проведен цикл работ во Франции, который подтвердил эти данные. Нужно было открыть микроорганизмы, способные расти на углеводородах нефти так же хорошо, как на сахарах; подобрать легко используемые этими организмами и в то же время самые дешевые и доступные фракции нефти; разработать методы селекции и вывести культуры микроорганизмов, обеспечивающие достаточно высокий выход белка из сырья; изучить биохимические и физиологические особенности обмена веществ микроорганизмов и на этой основе разработать технологию их выращивания.

В нашей стране решением этих проблем занимались в институтах АН СССР, Главном управлении микробиологической промышленности, АМН, ВАСХНИЛ. Исследования показали, что способностью к росту на углеводородах обладают не отдельные уникальные формы, а многие представители самых различных групп микроорганизмов и их можно легко найти в почвах (особенно в нефтеносных районах), илах, воде и т. д. В результате широких селекционно-генетических экспериментов удалось получить микроорганизмы, хорошо растущие на углеводородах нефти и пригодные для производства кормового белка - главным образом культуры дрожжей.

В качестве питательной среды для производства белковых препаратов в промышленных масштабах используют молочную сыворотку. Более подробно химический состав и свойства молочной сыворотки описаны в разделе 2.3. На молочной сыворотке хорошо растут и накапливают значительное количество белка дрожжи Kluyveromyces и Candida. Большое значение имеет и то обстоятельство, что применение молочной сыворотки не требует специальной сложной подготовки, а культуральная жидкость после выращивания микроорганизмов может быть использована в пищевых и кормовых целях без обработки.

При всестороннем исследовании микробной массы, полученной на молочной сыворотке, была выявлена ее высокая технологическая и экономическая эффективность для мясного и молочного животноводства, птицеводства и целого ряда других направлений.

Для получения белка на гидролизатах растительного сырья наиболее часто используют дрожжи рода Candida, реже - дрожжи рода Trichosporon. Также дрожжи рода Candida способны к синтезу белка на сульфитных щелоках и жидких углеводородах. Газообразные углеводороды хорошо потребляются бактериями родов Mycobacterium и Pseudomonas.

Применение биомассы микроорганизмов в качестве белковой добавки в корма требует всестороннего изучения ее состава и свойств, в частности перевариваемости и усвояемости. Испытанию на токсичность должны подвергаться не только живые клетки, но и продукты их метаболизма, а также готовые белковые продукты. Обязательным условием должно быть отсутствие в них живых клеток штамма-продуцента, чтобы не происходил вторичный рост.

Наиболее эффективным путем использования микробного белка для ликвидации белкового дефицита в питании человека является его применение непосредственно для пищевых целей. Микробный белок используется в пищевой промышленности для изготовления различных продуктов и полуфабрикатов, начиная с 1985 г.

В производстве пищевых продуктов рассматриваются 3 основные формы использования микробного белка:

1. Цельная биомасса (без специального разрушения клеточных стенок).

2. Частично очищенная биомасса (разрушение клеточных стенок и удаление нежелательных компонентов).

3. Выделенные из биомассы белки.

Выделенные белки (изоляты) являются наиболее приемлемыми формами использования белковых препаратов. Однако недостаток их применения связан с тем, что при их выделении используются кислоты и щелочи, высокая температура, давление, что приводит к частичному разрушению аминокислот.

При микробном синтезе белка следует подбирать культуры, у которых состав белка по незаменимым аминокислотам был бы близок к эталону, установленному Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) - яичный белок, белок женского молока.

Получение белков из фототрофных микроорганизмов. Культуры микроводорослей и цианобактерий Направления совершенствования способов культивирования гетеротрофных и фототрофных микроорганизмов с целью получения белка.

Микроводоросли – уникальная группа фототрофных организмов, представленная многочисленными видами и широким ареалом распространения в природе (моря, реки, озера, почва). Это одноклеточные представители флоры c огромным потенциалом применения в разных отраслях науки и техники.

В 2010 г. мировое производство биомассы микроводорослей составляло более 7000 т., основная масса которого приходилась на США, Китай, Индию, Японию, Германию, Австралию, Израиль и Тайвань. Такие виды микроводорослей, как Chlorellavulgaris, Dunaliellasalina, Haematococcuspluvialis, Crypthecodiniumcohnii и Botrrycoccusbraunii, используются в пищевой и фармацевтической промышленности, производстве косметики, биотоплива и кормов для животных.

Специфика метаболизма микроводорослей, связанная с продуцированием метаболитовс ценными для человека свойствами, сделала их важным объектом биотехнологии. Крупнейшими коммерческими производителями биомассы микроводорослей являются компании Royal, DutchShell (Гавайские острова), AlgaeBioFuels (США), Aquaflow Bionomic Corporation (Новая Зеландия), Mitsubishi (Япония) и др. В Европе лидирующие позиции производства биомассы микроводорослей занимает компания Ingrepro B.V. (Голландия), имеющая большой опыт реализации технологических схем выращивания клеток микроводорослей для получения обогащенной липидами биомассы.

Клетки водорослей содержат значительное количество минеральных компонентов. Так, в биомассе спирулины содержится железо, фосфор, калий, магний, марганец, цинк, селен, а кальция в ней больше, чем в молоке. Морская одноклеточная красная водоросль порфиридиум - источник каррагинина, применяемого в пищевой промышленности, фармацевтике и как клеящее вещество в кожевенном и текстильном производстве.

Одна из актуальных задач биотехнологии - управляемый биосинтез пигментов микроводорослей, таких как хлорофиллы, каротины, ксантофиллы и др. Важно, что пигменты, получаемые из растительных компонентов, не токсичны. Наиболее перспективным источником каротина для биотехнологической промышленности признана зеленая водоросль Dunaliellasalina. В определенных условиях она способна к гиперсинтезу каротина, содержание которого в ее клетках может достигать 10%. Исследование биологии D. salina и экологических факторов, вызывающих ее переход к активному накоплению В-каротина в естественных условиях, показало, что биосинтез этого соединения - приспособительная реакция организмов на экстремальные условия роста, к которым относятся изменение солености и минерального состава среды, температуры и освещенности, а также сочетание комплекса этих параметров. В промышленных условиях, используя принцип разобщения клеточных функций деления и фотосинтеза, при управляемом биосинтезе В-каротина в клетках дуналиеллы можно получить большие объемы предшественника витамина А за небольшие интервалы времени. Однако технологический процесс выращивания D. salina пока далек от идеального вследствие физиолого-биохимической сложности метаболизма водорослей и его слабой изученности с точки зрения регуляции синтеза каротина в условиях промышленного процесса. Источником пигментов могут быть и сине-зеленые водоросли, из которых единственной в настоящее время микроводорослью, культивируемой для промышленного получения этих соединений, является спирулина. Ее хлорофиллы используют для окраски мыла, масел, жиров, алкогольных и безалкогольных напитков, духов, дезодорантов. В Японии хлорофиллами окрашивают рыбные пасты и другие кулинарные изделия, в Европе – масла, жиры, ароматические эссенции.

В качестве кормовых добавок в животноводстве и птицеводстве используются водоросли родов Chlorococcum, Spirogyra, Scenedesmus, Nostoc, Navicula, Nitzschia и др. Эти добавки повышают у животных иммунитет, возрастают их вес, плодовитость и выживаемость молоди, у птиц увеличиваются размеры яиц, усиливается яйценоскость. Поэтому в США фермерские хозяйства для выращивания крупного рогатого скота и птицы обеспечены водорослевыми водоемами, где отходы животноводства утилизируются водорослями. В результате 40% азота из сточных вод снова поступает в биомассу водорослей и поедается животными. А применение суспензии хлореллы и сценедесмуса в шелководстве способствует ускорению развития гусениц тутового шелкопряда, увеличивает его жизнеспособность и урожайность коконов.

Использование водорослей для решения продовольственной проблемы, связанной с поиском эффективных путей охраны окружающей среды, позволяет уменьшить антропогенную нагрузку на водные экосистемы, являющиеся сегодня основным источником пищи для человека и животных.

Практические подходы к использованию почвенных водорослей для повышения плодородия почв развиваются в двух направлениях. Во-первых, возможно активирование автохтонного комплекса почвенных микроводорослей, поскольку данные организмы как накопители органического вещества в водных и наземных экосистемах активнее увеличивают свою биомассу при внесении в почвы минеральных удобрений, более эффективных в присутствии органического вещества, в свою очередь стимулирующего развитие самих водорослей. Например, при весенней подкормке сельскохозяйственных культур, когда удобрения вносятся на влажную поверхность почвы, происходит бурное развитие водорослей, почва покрывается зеленым налетом – "цветет". Органическое вещество водорослей разлагается быстрее растительных остатков, что делает его более доступным для других обитателей биоценоза. Второе направление в интенсификации процесса повышения плодородия почв при помощи микроводорослей – внесение живых культур этих микроорганизмов в почву (альгализация), особенно в условиях поливного земледелия. Ее проводят до посева растений или при посеве вместе с семенами (например, хлопчатника), либо водоросли вносят после посева, что особенно эффективно на рисовых полях.

С научной и практической точки зрения актуальна разработка и исследованиеновых биотехнологических процессов, связанных с использованием микроводорослей в процессах очистки сточных вод с последующей трансформацией полученной таким образом возобновляемой биомассы в коммерчески значимые продукты.

Микроводоросли являются и основным источником получения полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), так называемых омега жирных кислот, играющих чрезвычайно важную роль в развитии человеческого организма и используемых в качестве добавок к детским молочным смесям, они снижают и риски кардиоваскулярных заболеваний.

Рыба и рыбий жир – основные источники ПНЖК, но их использование в качестве пищевой добавки ограничено рядом факторов. Это возможное накопление токсинов, неприятные запах и вкус рыбы, плохая устойчивость к окислению, наличие смешанных жирных кислот и невозможность употребления в вегетарианской диете. Уже сейчас единственным коммерческим источником получения докозагексаеновой кислоты являются микроводоросли, а другие кислоты, такие как эйкозапентаеновая, g-линоленовая и арахидоновая, находятся на стадии оптимизации получения с участием микроводорослей.

Микроводорослям отводят важную роль в решении ряда глобальных проблем, волнующих все человечество: продовольственной, медицинской, энергетической, охраны окружающей среды, освоения космического пространства и пр. Возможности широкомасштабного промышленного производства биомассы микроводорослей и расширение спектра их использования выдвигают ряд задач перед экологами, микробиологами и биотехнологами в области поиска высокопродуктивных штаммов и оптимизации условий их культивирования.