Виробництво мікробіологічного білка

Продуценти білка. Виробництво мікробної біомаси – найбільше мікробіологічне виробництво. Мікробна біомаса може бути гарною білковою добавкою для свійських тварин, птахів і риб. Виробництво мікробної біомаси особливо важливо для країн, які не культивують у великих масштабах сою (соєве борошно використовують як традиційну білкову добавку до кормів).

При виборі мікроорганізму враховують питому швидкість росту й вихід біомаси на даному субстраті, стабільність при потоковому культивуванні, величину клітин. Клітини дріжджів більші, ніж бактерій, і легше відокремлюються від рідини при центрифугуванні. Можна вирощувати поліплоїдні мутанти дріжджів з великими клітинами. У наш час відомі тільки дві групи мікроорганізмів, яким властиві властивості, необхідні для великомасштабного промислового виробництва: це дріжджі роду Candida на n-алканах (нормальних вуглеводнях) і бактерії Methylophillus methylotrophus на метанолі.

Мікроорганізми можна вирощувати й на інших поживних середовищах: на газі, нафті, відходах вугільної, хімічної, харчової, вино-горілчаної, деревообробної промисловості. Економічні переваги їхнього використання очевидні. Так, кілограм переробленої мікроорганізмами нафти дає кілограм білка, а, скажемо, кілограм цукру – усього 500 грамів білка. Амінокислотний склад білка дріжджів практично не відрізняється від отриманого з мікроорганізмів, вирощених на звичайних вуглеводних середовищах. Біологічні випробування препаратів із дріжджів, вирощених на вуглеводнях, які проведені й у нас у країні й за рубежем, виявили повну відсутність у них якого-небудь шкідливого впливу на організм піддослідних тварин. Досвіди були проведені на багатьох поколіннях десятків тисяч лабораторних і сільськогосподарських тварин. У не переробленому вигляді дріжджі містять неспецифічні ліпіди й амінокислоти, біогенні аміни, полісахариди й нуклеїнові кислоти, однак їх вплив на організм поки ще погано вивчено. Тому й пропонується виділяти із дріжджів білок у хімічно чистому виді. Відокремлення його від нуклеїнових кислот також уже стало нескладним.

У сучасних біотехнологічних процесах, заснованих на використанні мікроорганізмів, продуцентами білка служать дріжджі, інші гриби, бактерії й мікроскопічні водорості.

З технологічної точки зору найкращими з них є дріжджі. Їхня перевага полягає насамперед в "технологічності": дріжджі легко вирощувати в умовах виробництва. Вони характеризуються високою швидкістю росту, стійкістю до сторонньої мікрофлори, здатні засвоювати будь-які джерела харчування, легко відокремлюються, не забруднюють повітря спорами. Клітини дріжджів містять до 25% сухої речовини. Найцінніший компонент дріжджової біомаси – білок, якийза складом амінокислот перевершує білок зерна злакових культур і лише небагато уступає білкам молока й рибного борошна. Біологічна цінність дріжджового білка визначається наявністю значної кількості незамінних амінокислот. За вмістом вітамінів дріжджі перевершують всі білкові корми, у тому числі й рибне борошно. Крім того, дріжджові клітини містять мікроелементи й значну кількість жиру, у якому переважають ненасичені жирні кислоти. При згодовуванні кормових дріжджів коровам підвищуються удої й вміст жиру в молоці, а в хутрових звірів поліпшується якість хутра. Інтерес представляють і дріжджі, які володіють гідролітичними ферментами й здатні рости на полісахаридах без їхнього попереднього гідролізу. Використання таких дріжджів дозволить уникнути дорогої стадії гідролізу полісахаридвмісних відходів. Відомо більше 100 видів дріжджів, які добре ростуть на крохмалі як на єдиному джерелі вуглецю. Серед них особливо виділяються два види, які утворюють як глюкоамілази, так й β-амілази, ростуть на крохмалі з високим економічним коефіцієнтом і можуть не тільки асимілювати, але й зброджувати крохмаль: Schwanniomyces occidentalis й Saccharomycopsis fibuliger. Обидва види – перспективні продуценти білка й амілолітичних ферментів на крохмальвмісних відходах. Ведуться пошуки й таких дріжджів, які могли б розщеплювати нативну целюлозу. Целюлази виявлені в декількох видів, наприклад в Trichosporon pullulans, однак активність цих ферментів низька й про промислове використання таких дріжджів говорити поки не доводиться. Дріжджі з роду Kluyveromyces добре ростуть на інуліні – основній запасній речовині в бульбах топінамбура – важливої кормової культури, що також може бути використана для одержання дріжджового білка.

Останнім часом як продуцентів білка стали використовувати бактерії, які відрізняються високою швидкістю росту й містять у біомасі до 80% білка. Бактерії добре піддаються селекції, що дозволяє одержувати високопродуктивні штами. Їхніми недоліками є важка здатність до осадження, обумовлена малими розмірами клітин, значна чутливість до фагових інфекцій і високим вмістом у біомасі нуклеїнових кислот. Остання обставина несприятлива тільки в тому випадку, якщо передбачається харчове використання продукту. Знижувати вміст нуклеїнових кислот у біомасі, уживаної на корм твариною, немає необхідності, тому що сечова кислота і її солі, які утворюються при руйнуванні азотистих основ, перетворюються в організмі тварин на алантоїн, який легко виділяється із сечею. У людини надлишок солей сечової кислоти може сприяти розвитку ряду захворювань.

Наступну групу продуцентів білка становлять гриби. Вони привертають увагу дослідників завдяки здатності утилізувати найрізноманітнішу за складом органічну сировину: мелясу, молочну сироватку, сік рослин і коренеплодів, лігнін- і целюлозовмісні тверді відходи харчової, деревообробної, гідролізної промисловості. Грибний міцелій багатий білковими речовинами, які за вмістом незамінних амінокислот найближчі до білка сої. Разом з тим білок грибів багатий лізином, основною амінокислотою, якої бракує в білку зернових культур. Це дозволяє на основі зерна й грибної біомаси створювати збалансовані харчові й кормові суміші. Грибні білки мають досить високу біологічну цінність і добре засвоюються організмом.

Позитивним фактором є й волокниста будова вирощеної культури. Це дозволяє імітувати текстуру м'яса, а за допомогою різних добавок – його колір і запах. Зберігають грибний міцелій, як правило, в замороженому вигляді.

Як субстрат грибами використовуються глюкоза й інші поживні речовини, а загальним джерелом азоту служать амоніак й амонійні солі. Після завершення стадії ферментації культуру піддають термообробці для зменшення вмісту РНК, а потім відокремлюють міцелій методом вакуумного фільтрування.

Джерелами білкових речовин можуть служити й водорості. При фототрофному способі харчування й утворенні біомаси вони використовують вуглекислий газ атмосфери. Вирощують водорості, як правило, у поверхневому шарі ставків, де із площі 0,1 га можна одержати стільки ж білка, скільки з 14 га посівів квасолі. Білок водоростей придатний не тільки для кормових, але й харчових цілей.

Нарешті, гарними продуцентами білка є ряскові, які накопичують протеїну до 45% від сухої маси, а також до 45% вуглеводів. Однак, незважаючи на свої малі розміри, вони не належать до перерахованих вище виробників білка (мікроорганізмам), тому що не тільки є багатоклітинними організмами, але й відносяться до вищих рослин.

Субстрати для культивування мікроорганізмів з метою одержання білка. Як джерела речовини й енергії мікроорганізми використовують найрізноманітніші субстрати – нормальні алкани й дистиляти нафти, природний газ, спирти, рослинні гідролізати й відходи промислових підприємств.

Для вирощування мікроорганізмів з метою одержання білка добре б мати багатий на вуглець, але дешевий субстрат. Цій вимозі цілком відповідають нормальні (нерозгалужені) алкани нафти. Вихід біомаси може досягати при їхньому використанні до 100% від маси субстрату. Якість продукту залежить від ступеня їх чистоти. При використанні алканів достатнього ступеня очищення, отримана дріжджова маса може успішно застосовуватися як додаткове джерело білка в раціонах тварин. Перший у світі великий завод кормових дріжджів потужністю 70 000 т. на рік був пущений в 1973 р. у СРСР. Як сировина на ньому використали виділені з нафти n-алкани й кілька видів дріжджів, здатних до швидкого росту на вуглеводнях: Candida maltosa, Candida guilliermondii, Candida lipolytica. Надалі саме відходи від переробки нафти служили головною сировиною для виробництва дріжджового білка, що швидко росло й до середини 80-х рр. перевищило 1 млн. т. у рік, причому в СРСР кормового білка одержували вдвічі більше, ніж у всіх інших країнах світу, разом узятих. Однак надалі масштаби виробництва дріжджового білка на вуглеводнях нафти різко скоротилися. Це відбулося як у результаті економічної кризи 90-х рр., так і через цілий ряд специфічних проблем, з якими пов'язане це виробництво. Одна з них – необхідність очищення готового кормового продукту від залишків нафти, які володіють канцерогенними властивостями.

Одним з перспективних джерел вуглецю для культивування продуцентів білка високої якості вважається метиловий спирт. Його можна одержувати методом мікробного синтезу на таких субстратах, як деревина, солома, міські відходи. Використання метанолу як субстрату ускладнено через його хімічну структуру: молекула метанолу містить один атом карбону, тоді як синтез більшості органічних сполук здійснюється через двовуглецеві молекули. На метанолі як на єдиному джерелі вуглецю й енергії здатні рости близько 25 видів дріжджів, у тому числі Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica. Найкращими продуцентами на цьому субстраті вважаються бактерії, тому що вони можуть рости на метанолі з додаванням мінеральних солей. Процеси одержання білка на метанолі досить економічні. За даними концерну Ай-Сі-Ай (Великобританія), собівартість продукту, виробленого на метанолі, на 10 – 15% нижча, ніж при аналогічному виробництві, яке базується на основі високоочищених n-алканах. Високобілкові продукти з метанолу одержують фірми ряду розвинених країн світу: Великобританії, Швеції, Германії, США, Італії. Продуцентами білка служать бактерії роду Methylomonas. Вирощування на метанолі метилотрофних бактерій, таких як Methylophilus methylotrophus, вигідно, тому що вони використовують одновуглецеві сполуки більш ефективно. При вирощуванні на метанолі бактерії дають більше біомаси, ніж дріжджі. Перша реакція окислення метанолу у дріжджів каталізується оксидазою, а в метилотрофних прокаріот – дегідрогеназою. Ведуться генно-інженерні роботи з переносу гена метанолдегідрогенази з бактерій у дріжджі. Це дозволить об'єднати технологічні переваги дріжджів з ефективністю росту бактерій.

Використання етанолу як субстрату знімає проблему очищення біомаси від аномальних продуктів обміну з непарним числом вуглецевих атомів. Вартість такого виробництва трохи вища. Біомасу на основі етанолу вирощують у Чехії, Словаччині, Іспанії, Германії, Японії, США.

У США, Японії, Канаді, Великобританії розроблені технологічні процеси одержання білка на природному газі. Вихід біомаси в цьому випадку може становити 66% від маси субстрату. У розробленому у Великобританії процесі використовується змішана культура: бактерії Methylomonas, що засвоюють метан, Hypomicrobium й Pseudomonas, що засвоюють метанол, і два види неметилотрофних бактерій. Культура характеризується високою швидкістю росту й продуктивністю. Головні достоїнства метану (до речі сказати, основного компонента природного газу) – доступність, висока ефективність перетворення в біомасу метаноокислюючими мікроорганізмами, значний вміст у біомасі білка, збалансованого за амінокислотним складом. Бактерії, що ростуть на метані добре переносять кисле середовище й високі температури, у зв'язку із чим стійкі до інфекцій.

Субстратом для мікробного синтезу може бути й мінеральний вуглець – вуглекислий газ. Окислений вуглець у цьому випадку з успіхом відновлюється мікроводоростями за допомогою сонячної енергії й воденьокислюючими бактеріями за допомогою водню. На корм худобі використовують суспензію водоростей. Для роботи установок по вирощуванню водоростей необхідні стабільні кліматичні умови – постійні температури повітря й інтенсивність сонячного світла.

Найбільш перспективне одержання білка за допомогою воденьокислюючих бактерій, які розвиваються за рахунок окислення водню киснем повітря. Енергія, що вивільняється в цьому процесі, іде на засвоєння вуглекислого газу. Для одержання біомаси використовуються, як правило, бактерії роду Hydrogenomonas. Спочатку інтерес до них виник при розробці замкнутих систем життєзабезпечення, а потім їх почали вивчати з погляду використання як продуцентів високоякісного білка. В інституті мікробіології Геттингенського університету (Германія) розроблений спосіб культивування воденьокислюючих бактерій, при якому можна одержувати 20 грам сухої речовини на 1 літр суспензії клітин. Можливо, у майбутньому ці бактерії стануть основним джерелом харчових мікробних білків.

Винятково доступним і досить дешевим джерелом вуглеводів для виробництва мікробного білка є рослинна біомаса. Будь-яка рослина містить різноманітні вуглеводи. Целюлоза – полісахарид, що складається з молекул глюкози. Геміцелюлоза складається із залишків арабінози, галактози, манози, фруктози. Проблема в тому, що полісахариди деревини зв'язані міцними оксифенілпропановими ланками лігніну – полімеру, що майже не піддається руйнуванню. Тому гідроліз деревини відбувається тільки в присутності каталізатора – мінеральної кислоти й при високих температурах. При цьому утворюються моносахариди – гексози й пентози. На рідких фракціях гідролізату вуглеводів вирощують дріжджі. При кислотному гідролізі деревини утворюється ряд побічних продуктів (фурфурол, меланін), а через високі температури може відбутися карамелізація вуглеводів. Ці речовини перешкоджають нормальному росту дріжджів, їх відокремлюють від гідролізату й по можливості використовують. Як продуцентів використовують штами Candida scotti й C.tropicalis.

Найбільш великим виробником сировини для гідролізної промисловості є деревообробні підприємства, відходи яких досягають щорічно десятки мільйонів тонн. На жаль, нераціонально або не використовуються взагалі відходи виробництва луб'яних волокон (льон, конопля), крохмального виробництва, пивоварної, плодоовочевої, консервної промисловості, бурячного гніту.

Особливої уваги заслуговують способи прямої біоконверсії продуктів фотосинтезу і їхніх похідних у білок за допомогою грибів. Ці організми завдяки наявності потужних ферментативних систем здатні утилізувати складні рослинні субстрати без попередньої обробки. Дослідження умов біоконверсії рослинних субстратів у мікробний білок активно ведуться в США, Канаді, Індії, Фінляндії, Швеції, Великобританії, у нашій країні й інших країнах світу. Однак у літературі відомості про широкомасштабне виробництво білків мікробного походження нечисленні. Найбільш відомим і доведеним до стадії промислової реалізації є процес "Ватерлоо", розроблений в університеті Ватерлоо в Канаді. Це процес, заснований на вирощуванні грибів Chaetomium cellulolyticum які розщеплюють целюлозу, причому його можна здійснювати як у глибинній культурі, так і поверхневим методом. Вміст білка в кінцевому продукті (висушеному грибному міцелії) становить 45%. Фінська фірма "Тампелла" розробила технологію й організувала виробництво білкового кормового продукту "Пекіло" на відходах целюлозно-паперового виробництва. Продукт містить до 60% протеїну з гарним амінокислотним профілем і значною кількістю вітамінів групи В.

У більшості країн – виробників молока традиційним способом утилізації сироватки є згодовування її тваринам. Ступінь конверсії білка сироватки в білок тварини досить невисокий (для вироблення 1 кг тваринного білка необхідно 1700 кг сироватки). В останні 10 – 15 років із сироватки методом ультрафільтрації виділяють білки високої якості, на основі яких роблять замінники сухого знежиреного молока й інші продукти. Концентрати можна використати як харчові добавки й компоненти дитячого харчування. Із сироватки виробляється й молочний цукор – лактоза, яка використовується в харчовій і медичній промисловості. При всьому цьому обсяг промислової переробки сироватки становить 50 – 60% від її загального виробництва. Отже, у наявності великі втрати найціннішого молочного білка й лактози. Більш того, виникає проблема утилізації відходів, тому що процес природного розкладання сироватки відбувається вкрай повільно. Лактоза молочної сироватки може служити джерелом енергії для багатьох видів мікроорганізмів, сировиною для виробництва продуктів мікробного синтезу (органічних кислот, ферментів, спиртів, вітамінів) і білкової біомаси. Із всіх відомих мікроорганізмів найвищим коефіцієнтом конверсії білка сироватки в мікробний білок володіють дріжджі. Здатність до асиміляції лактози є приблизно в 20% всіх відомих видів дріжджів. Набагато рідше зустрічаються дріжджі, які здатні зброджувати лактозу. Активний катаболізм лактози особливо характерний для дріжджів з роду Kluyveromyces. Ці дріжджі можна використати для одержання на молочній сироватці кормового білка, етанолу, препаратів β-глюкозидази.

Уперше дріжджі на молочній сироватці стали вирощувати в Німеччині. Як продуценти застосовували різні штами сахароміцетів. Розроблено способи одержання мікробних продуктів, основаних на використанні лактози як монокультурою, так і сумішшю дріжджів і бактерій. У наш час як продуцентів використовують дріжджі родів Candida, Trichosporon, Torulopsis. Молочна сироватка з дріжджами, які в ній виросли за біологічною цінністю значно перевершує вихідну сировину і її можна використовувати як замінник молока. Наведений перелік мікроорганізмів і процесів одержання білка одноклітинних не є вичерпним. Однак потенціал цієї нової галузі виробництва використовується далеко не повністю. Крім того, ми ще не знаємо всіх можливостей діяльності мікроорганізмів як продуцентів білка, але в міру поглиблення наших знань, вони будуть розширені.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: