Виробництво білків одноклітинних і багатоклітинних організмів

Відео: Научфільм. Біологія. Фільм 15. Білок (1987)

Великомасштабне культивування мікроорганізмів як пряме джерело білка для харчування людини і тварин розглядалося як спосіб вирішення проблеми нестачі їжі в Німеччині вже під час Першої світової війни. Були розроблені технологічні процеси культивування пивних дріжджів, які після обробки і висушування додавали в супи і ковбаси. Під час Другої світової війни ці процеси вже були добре відпрацьовані.

Вираз «білки одноклітинних організмів» виникло в 60-і рр. стосовно бактеріальної біомасі (переважно дріжджів), яка використовується в якості харчового компонента тварин і людини. Особливо привабливим є той факт, що живильним середовищем при культивуванні бактерій найчастіше є відходи сільського господарства: макуха цукрових буряків у виробництві цукру, соняшникова макуха при отриманні олії, молочна сироватка в виробництві сиру, деревна стружка і тирса і т. П.

Інтерес до цієї проблеми спалахнув після публікації результатів досліджень, що показують можливість виробництва таких білкових концентратів на основі вуглеводнів. Нафтові компанії фінансували розвиток цих досліджень не тільки через використання вуглеводнів, а й у зв`язку зі сприятливими результатами харчових тестів і перспективами збуту.

Перша великомасштабна фабрика білкового концентрату була розроблена спільної фірмою «British Petroleum» (Великобританія) і «Італпротеін» (Італія) в 1975 р, її продуктивність складала 100000 т / рік-сировиною були нормальні парафіни. Цією проблемою зайнялася і Японія, були побудовані 8 заводів продуктивністю 1500 т білка / рік. Однак інтерес до виробництва білка одноклітинних організмів в 70-і рр. кілька снізілся- частково через сприятливу сільськогосподарської ситуації тих років, але головним чином через недосконалість технологій, що не видаляють деякі токсичні речовини з кінцевого продукту.

У 80-і рр. німецька фірма «Хехст», що відрізняється на ринку своїми високими технологіями, розробила процеси отримання високоякісних білкових концентратів. У 80-і рр. одним з провідних в світі виробником білків був СРСР з його невичерпної сировинною базою. У Фінляндії споруджена фабрика, яка використовує гриб Paecilomyces в сульфітних стоках паперових комбінатов- потужність фабрики - 10000 т білка / рік.

У країнах ЄЕС проводиться білкових концентратів близько 25 млн т на рік. Ці цифри говорять про рентабельність підприємств. Корм для худоби стає дорогим через обмеження земельних угідь і по ряду інших причин. Білки одноклітинних організмів мають величезні переваги: високу швидкість відтворення, доступність сировинних джерел, рішення проблем утилізації відходів багатьох підприємств і т. Д.

Крім того, білки мають постійний і відтворений склад, їх легко витаминизировать, додавати необхідні мікроелементи- їх також легко виготовляти у вигляді гранул або таблеток, їх зберігання здійснюється набагато легше, ніж зберігання рослин або інших кормів.

Проте, виробники білка не розглядають свою продукцію як замінник білка в раціоні тварин: білкові концентрати служать добавками до кормів, здешевлюючи їх і підвищуючи їх якість. Слід зазначити, однак, що виробництво білкових добавок розвивається не так швидко, як прогнозувалося в 60-70 рр. Справа в тому, що в значній мірі посилилися вимоги до безпеки технологій, які повинні враховувати результати всіх необхідних токсикологічних та харчових випробувань.

Особливо обережними слід бути в питаннях застосування білкових концентратів в харчуванні людини. Однак їх використання для вирішення проблеми харчування людства не має альтернативи, оскільки прогнози свідчать про те, що приріст населення не відповідає приросту продуктів харчування. Можна з упевненістю сказати, що освоєння мікроорганізмів в харчуванні людини тільки починається.

Мікроорганізми почали використовувати у виробництві білкових продуктів задовго до виникнення мікробіології. Досить згадати всілякі різновиди сиру, а також продукти, що отримуються шляхом ферментації соєвих бобів. І в першому, і в другому випадку живильної основою є білок. При виробленні цих продуктів, за участю мікробів, відбувається глибока зміна властивостей белоксодержащіх сировини.

В результаті отримують харчові продукти, які можна довше зберігати (сир) або зручніше споживати (соєвий сир). Мікроби грають роль у виробництві деяких м`ясних продуктів, призначених для зберігання. Так, при виготовленні деяких сортів ковбаси використовується кислотне бродіння, зазвичай за участю комплексу молочнокислих бактерій. Новоутворена кислота сприяє схоронності продукту і робить внесок у формування його особливого смаку.

Цим, мабуть, і обмежується використання мікроорганізмів у переробці білків. Можливості сучасної біотехнології в цих виробництвах невеликі, за винятком сироваріння. Інша справа - вирощування і збір мікробної маси, переробляється в харчові продукти: тут біотехнологія може проявити себе у всій повноті.

Виробництво білка одноклітинних організмів

За багатьма важливими показниками біомаса мікроорганізмів може мати вельми високу поживну цінність. У чималому ступені ця цінність визначається білками: у більшості видів вони становлять значну частку сухої маси клітин. Протягом десятиліть активно обговорюються і досліджуються перспективи збільшення частки білка мікроорганізмів в загальному балансі виробленого в усьому світі білка.

Виробництво такого білка пов`язане з великомасштабним вирощуванням певних мікроорганізмів, які збирають і переробляють в харчові продукти. Щоб здійснити можливо більш повне перетворення субстрату в біомасу мікробів, потрібно багатосторонній підхід. Вирощування мікробів у харчових цілях становить інтерес з двох причин. По-перше, вони ростуть набагато швидше, ніж рослини і тварини: час подвоєння їх чисельності вимірюється годинами. Це скорочує терміни, потрібні для виробництва певної кількості їжі.

По-друге, в залежності від вирощуваних мікроорганізмів в якості субстратів можуть використовуватися різноманітні види сировини. Що стосується субстратів, то тут можна йти по двох головних напрямках: переробляти низькоякісні непридатні продукти або орієнтуватися на легкодоступні вуглеводи і одержувати за їх рахунок мікробну біомасу, яка містить високоякісний білок.

Отримання мікробного білка на метанолі

Основна перевага цього субстрату - висока чистота і відсутність канцерогенних домішок, хороша розчинність в воді, висока летючість, що дозволяє легко видаляти його залишки з готового продукту. Біомаса, отримана на метанолі, не містить небажаних домішок, що дає можливість виключити з технологічної схеми стадії очищення.

Однак необхідно враховувати при проведенні процесу і такі особливості метанолу, як горючість і можливість утворення вибухонебезпечних сумішей з повітрям.

Як продуцентів, що використовують метанол в конструктивному обміні, були вивчені як дріжджові, так і бактеріальні штами. З дріжджів були рекомендовані у виробництво Candida boidinii, Hansenula polymorpha і Piehia pastoris, оптимальні умови для яких (температура 34-37 ° C, рН 4,2-4,6) дозволяють проводити процес з економічним коефіцієнтом засвоєння субстрату до 0,40 при швидкості протоки в інтервалі 0,12-0,16 ч-1.

Серед бактеріальних культур застосовується Methylomonas clara, Pseudomonas rosea і ін., Здатні розвиватися при температурі 32-34 ° C, рН 6,0-6,4 з економічним коефіцієнтом засвоєння субстрату до 0,55 при швидкості протоку до 0,5 год-1.

Особливості процесу культивування багато в чому обумовлені застосовуваним штамом-продуцентом (дріжджі або бактерії) і умовами асептики. Ряд зарубіжних фірм пропонує використовувати дріжджові штами і проводити вирощування у відсутності суворої асептики. У цьому випадку технологічний процес протікає в ферментаторі ежекційні типу продуктивністю 75 т білка в добу, а питома витрата метанолу складає 2,5 т / т білка.

При культивуванні дріжджів в асептичних умовах рекомендовані апарати колонного або ерліфітного типу продуктивністю 75-100 т білка / добу при витраті метанолу до 2,6з т / т білка. В тому і іншому випадку процес культивування проводиться одностадійно, без стадії «дозрівання», з невисокою концентрацією субстрату (8-10 г / л).

У ряді країн в якості продуцентів застосовуються бактеріальні штами, процес проводиться в асептичних умовах в ферментаторах ерліфітного або струминного типів продуктивністю 100-З00 т / добу і витратою метанолу до 2, з т / т білка. Ферментація здійснюється одностадійно при невисоких концентраціях спирту (до 12 г / л), з високим ступенем утилізації метанолу.

Найбільш перспективним за своєю конструкцією є струменевий ферментатор Інституту технічної хімії (Німеччина). Ферментатор об`ємом 1000 м складається з секцій, розташованих одна над іншою і з`єднаних між собою шахтними переливами.

Ферментаційних середу з нижньої секції ферментатора по напірному трубопроводу подається відцентровими циркуляційними насосами у верхні шахтні переливи, через які проходить в низлежащего секцію, подсасивая при цьому повітря з газовода. Таким чином, середа протікає з секції в секцію, постійно подсасивая нові порції повітря. Падаючі струменя в шахтних переливах забезпечують інтенсивне аерування середовища.

Живильне середовище безперервно подається в зону верхніх шахтних переливів, а мікробна суспензія відводиться з виносних контурів. На стадії виділення для всіх видів продуцентів передбачено відділення грануляції з метою отримання готового продукту в гранулах.

Кормові дріжджі, отримані на метанолі, мають наступний склад (у%): сирий протеїн 56-62- ліпіди 5-6-зола 7-11- волога 8-10- нуклеїнові кислоти 5-6. Бактеріальна біомаса характеризується наступним складом (у%): сирий протеїн 70-74- ліпіди 7-9- зола 810- нуклеїнові кислоти 10-1з- вологість 8-10.

Крім метанолу, як високоякісної сировини використовують етанол, який має малу токсичність, гарну розчинність в воді, невелика кількість домішок.

Як мікроорганізмів - продуцентів білка на етиловому спирті як єдиному джерелі вуглецю можуть використовуватися дріжджі (Candida utilis, Sacharomyces lambica, Hansenula anomala, Acinetobacter calcoaceticus). Процес культивування проводять одностадійно в ферментаторах з високими масообмінних характеристиками при концентрації етанолу не більше 15 г / л.

Дріжджі, вирощені на етанолі, містять (у%): сирого протеїну - 60-62- ліпідів - 2-4- золи - 8-10- вологи - до 10.

Отримання білкових речовин на вуглеводневій сировині

Історично одними з перших субстратів, що використовуються для одержання кормової біомаси, були гідролізати рослинних відходів, предгідралізати і сульфітно луг - відходи целюлозно-паперової промисловості.

Інтерес до вуглеводного сировині як основному поновлюваному джерелу вуглецю значно зріс ще і з екологічної точки зору, так як воно може служити основою для створення безвідходної технології переробки рослинних продуктів.

У зв`язку з тим, що гідролізати являють собою складний субстрат, що складається з суміші гексоз і пентоз, серед промислових штамів-продуцентів набули поширення види дріжджів C. utilis, C. scottii і C. tropicalis, здатні поряд з гексози засвоювати пентози, а також переносити наявність фурфуролу в середовищі.

Склад живильного середовища, в разі культивування на вуглеводневому сировину, значно відрізняється від застосовуваного при вирощуванні мікроорганізмів на вуглеводневому субстраті. У гидролизатах і сульфітних щелоках є в невеликій кількості практично всі необхідні для росту дріжджів мікроелементи. Відсутні кількості азоту, фосфору і калію вводяться у вигляді загального розчину солей амофосу, хлориду калію і сульфату амонію.

Ферментація здійснюється в ерліфтних апаратах конструкції Лефрансуа-Марій об`ємом 320 і 600 м. Процес культивування дріжджів здійснюється в безперервному режимі при рН 4,2-4,6. Оптимальна температура - від 30 до 40 ° С.

Кормові дріжджі, отримані при культивуванні на гідролізату рослинної сировини і сульфітних щелоках, мають наступний склад (у%): білок - 43-58- ліпіди - 2,3-3,0- вуглеводи - 11-23- зола -до 11- вологість - не більше 10.

Одним з перспективних субстратів у виробництві кормової біомаси є гідролізати торфу, що мають в своєму складі велику кількість легкозасвоюваних моносахаров і органічних кислот. Додатково до складу живильного середовища вводяться лише невеликі кількості суперфосфату і хлориду калію. Джерелом азоту служить аміачна вода.

За якістю кормова біомаса, отримана на гідролізату торфу, перевершує дріжджі, вирощені на відходах рослинної сировини.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик