Биотехнология пищевых и кормовых продуктов. Учебное пособие

2.3.Технологические особенности культивирования микроорганизмов – продуцентов белка на гидролизатах

3.1.Технологические особенности культивирования микроорганизмов – продуцентов белка на альтернативных

ПРЕДИСЛОВИЕ

Поиск перспективных и доступных источников белка является весьма актуальной проблемой в области питания населения разных стран и планеты в целом. Сегодня основной поставщик пищевого белка – сельское хозяйство, однако и его развитие сдерживает дефи- цит кормового белка. Проблема такого дефицита в ближайшее время, по-видимому, не может быть решена без изыскания новых дополни- тельных источников белка.

Реальные перспективы в этом отношении имеют биотехноло- гические производства микробной биомассы, необходимость созда- ния которых становится все более очевидной. При этом продуцента- ми белка могут быть бактерии, дрожжи, высшие и низшие грибы, од- ноклеточные водоросли. Белок микроорганизмов, как правило, хоро- шо сбалансирован по аминокислотному составу. К тому же его со- держание может доходить до 60 %.

Вместе с тем биотехнологические производства остро нужда-

ются в профессионалах, которые не только хорошо представляют себе проблему дефицита белка в мире и в России, но и видят пути ее ре- шения. Для этого необходимы знания основных принципов создания новых, более продуктивных штаммов – продуцентов белка и других биологически активных веществ; научных основ перспективных биотехнологий получения белка с использованием популяций микробных клеток и клеток растений; теоретических основ создания производственных процессов получения белковых пищевых и кормо- вых продуктов.

С целью формирования профессиональной компетентности

студентов магистратуры по направлению подготовки 19.04.01 «Био- технология» в вариативную часть профессионального цикла основной образовательной программы включена дисциплина «Биотехнологии белковых пищевых и кормовых продуктов синтеза». Дисциплина ба- зируется на знаниях, приобретенных ранее при освоении дисциплин бакалавриата: математики, физики, физической, органической и неор- ганической химии, экологии, а также в ходе параллельного изучения основ биохимии и молекулярной биологии, общей биологии и микро- биологии, общей биотехнологии.

Цель освоения дисциплины – обретение знаний в области су- ществующих биотехнологий и умений в области проектирования и анализа новых биотехнологических процессов синтеза белковых про- дуктов.

4

Задача настоящего учебного пособия – способствовать обучаю- щимся в овладении типовыми методиками и новыми методами инже- нерных расчетов технологических параметров биотехнологических производств; осуществлении эффективного химико-технического, биохимического и микробиологического контроля производства. Также в помощь магистрантам предназначен аппарат организации ус- воения знаний пособия, содержащий контрольные вопросы и задания и перечень ключевых слов (см. приложение).

5

Глава 1

ПРОБЛЕМА ДЕФИЦИТА ПИЩЕВОГО И КОРМОВОГО БЕЛКА. ПУТИ РЕШЕНИЯ

Численность населения земного шара достигла семи миллиар- дов человек и ежегодно увеличивается приблизительно на 35–40 мил- лионов человек. В то же время природные ресурсы не увеличиваются. Уже сейчас на нашей планете ощущается значительный недостаток пищевых продуктов в целом и белковых в частности. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН и Всемирной организации здравоохранения (ФАО/ВОЗ), до 15 % насе- ления планеты страдают от недостаточного питания в связи с пони- женным содержанием общего количества белков и недостаточной ка- лорийностью пищевого рациона. Еще большее количество – около 60 % населения земного шара, преимущественно в странах Юго- Восточной Азии, Африки и Латинской Америки, – несмотря на доста- точную калорийность пищевого рациона, получают качественно не- полноценное питание в результате недостаточного потребления белка животного происхождения. Даже население развитых стран, состав- ляющее в настоящее время одну треть населения земного шара, в том числе и России, не обеспечено необходимым количеством полноцен- ного белка. На сегодняшний день население многих стран мира в раз- ной степени испытывает так называемое «белковое голодание». Из- вестно, что дефицит белка в питании является одним из главных фак- торов снижения средней продолжительности жизни. В связи с этим проблема питания включена в число 10 важнейших глобальных про- блем, которые, по оценкам ООН, стоят перед человечеством.

Проблема заключается еще и в том, что в настоящее время тра- диционное сельскохозяйственное производство высококачественного белка в виде продукции животноводства и птицеводства практически достигло предела своих возможностей. Уменьшение дефицита белка должно осуществляться как за счет повышения производства и мак- симального использования в рационах людей обычных продуктов питания, так и дополнительных нетрадиционных источников белка. В этих условиях одним из перспективных путей увеличения произ- водства белка и других биологически ценных веществ может стать крупнотоннажное биотехнологическое производство.

Биотехнология производства протеина направлена на создание биологически полноценных кормовых и пищевых продуктов мик- робного синтеза – естественных концентратов белка и витаминов.

6

Широкое использование микроорганизмов как продуцентов белка обусловлено значительной скоростью роста, высоким содержанием белка, относительной простотой культивирования. Периодически от- бираются более продуктивные штаммы, усиленно разрабатываются биотехнологические процессы, по-новому решающие традиционные задачи производства. В ряде случаев они оказываются не только более экономически эффективными, но и более экологически чисты- ми. В последние годы существенно возрос интерес к мицелиальным грибам как продуцентам белка на растительных субстратах. В отли- чие от дрожжей, макро- и микромицеты синтезируют многочислен- ные ферменты и способны конвертировать в белковую биомассу крахмал, пектин, гемицеллюлозу, целлюлозу и даже лигнин без или после несложной предварительной обработки субстрата. Грибная биомасса не уступает по кормовой ценности дрожжам, сравнительно легко переваривается, имеет волокнистую структуру, что облегчает ее отделение от культуральной жидкости и позволяет применять для получения текстурированных продуктов. Использование отходов переработки растительного сырья в качестве субстратов для культи- вирования грибов может явиться выгодной формой их реализации.

Наряду с крупномасштабным биотехнологическим производст- вом целесообразно создавать и малотоннажные производства и уста- новки и использовать их для утилизации региональных ежегодно во- зобновляемых отходов переработки растительного сырья как с целью защиты от них окружающей среды, так и для получения дефицитного протеина.

1.1. История использования микроорганизмов для получения белка

Структура питания человечества в целом, в том числе и населе- ния нашей страны, далеко не идеальна, причем наиболее дефицитным компонентом пищи является белок, особенно белок высокой пита- тельной ценности. Традиционные источники белка – продукты жи- вотноводства и растениеводства – не покрывают все возрастающую потребность в белковой пище, особенно увеличившуюся в связи с ин- тенсивным приростом населения. Альтернативным источником белка могут служить различные микроорганизмы: дрожжи, высшие съедоб- ные грибы, некоторые микроводоросли и т. д.

7

Микробиологическое производство белка налажено относитель- но недавно, однако оно обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными способами получения белковой пищи (животновод- ством и растениеводством), а именно: микробиологическое производ- ство не требует посевных площадей, не зависит от климатических и погодных условий, поддается точному планированию и высокому уровню автоматизации, позволяет получать продукцию стандартного качества. Продукты микробиологического синтеза можно назвать новыми видами кормов и пищи. Разнообразие микроорганизмов и ти- пов их питания позволяет легко маневрировать в использовании раз- личных видов сырья для биосинтеза.

При всестороннем исследовании микробной биомассы была вы- явлена ее чрезвычайно высокая технологическая и экономическая эффективность для мясного и молочного животноводства, птицевод- ства и целого ряда других направлений народного хозяйства. Кормо- вые дрожжи содержат в 5 раз больше белка (в том числе лизина в 10, метиона в 5 и триптофана в 3 раза больше), чем ячмень или овес. Кроме того, в сухих дрожжах имеются практически все витамины группы В и целый ряд ростовых факторов. В результате этого 1 т кормовых дрожжей, добавленных в корма сельскохозяйственных жи- вотных, обеспечивает экономию до 7 т зерна и дополнительное про- изводство 0,8 т свинины, 5 т мяса птицы или до 15 тыс. шт. яиц. Включение 1 т дрожжей в рацион телят и поросят высвобождает для питания населения 6 т цельного или 1,5 т сухого обезжиренного мо- лока. Получение белковых веществ не является единственным на- правлением развития промышленного микробиологического синтеза, это лишь наиболее крупнотоннажная отрасль современной биотехно- логии, дающая миллионы тонн продукции ежегодно и продолжающая быстро расти.

Более века назад, экспериментируя с дрожжами, Л. Пастер от- крыл микробиологический синтез белка из аммиака и органических соединений, не содержащих азота. Заводы по выращиванию дрожжей, созданные вскоре после исследования Пастера, выпускали дрожже- вые закваски. С течением времени совершенствовалась технология производства дрожжей, и в 1876 г. в США начали применять в хлебо- печении прессованные дрожжи.

Идею использования микроорганизмов как белковых компонен- тов в питании в 1890-х гг. начал пропагандировать М. Дельбрюк, рекомендовавший применять для этой цели пивные дрожжи.

8

Первые заводы по выращиванию пищевых дрожжей на мелассе были открыть в Германии во время Первой мировой войны. После Первой мировой войны в различных странах приступили к производ- ству кормовых дрожжей. К середине 1930-х гг. началось производст- во дрожжей из гидролизатов отходов сельского хозяйства и деревооб- рабатывающей промышленности, из сульфитных щелоков, барды гидролизно-спиртовых заводов. В 1935 г. в СССР был пущен первый опытный завод по производству кормовых дрожжей на основе ис- пользования соломы, кукурузных кочерыжек и древесных опилок, предварительно гидролизованных серной кислотой. В это время горячим поборником использования дрожжей в питании выступал Г. А. Гивартовский, рассматривавший дрожжи как ценный источник витаминов группы В.

Во время Второй мировой войны во многих странах разверну- лось широкое производство пищевых дрожжей: в Германии – на ос- нове сульфитных щелоков и гидролизатов древесины, в СССР, на Ямайке (тогда колонии Великобритании).

После войны в ряде стран стали возникать производства кормо- вых дрожжей на различных отходах, в первую очередь на сульфитных щелоках, а также на гидролизатах растительного сырья. В 60-е гг. внимание исследователей привлекла возможность использования уг- леводородов нефти как сырья для получения кормовых дрожжей; французский ученый А. Шампанья с сотрудниками разработал метод выращивания дрожжей на средах, содержащих дизельное топливо. Однако получаемая масса нуждалась в очистке, что требовало боль- ших затрат. В СССР в середине шестидесятых годов XX в. дрожжи начали выращивать на очищенных жидких углеводородах, а с начала 70-х гг. развернулось строительство предприятий по производству кормовых дрожжей на основе использования очищенных н-алканов нефти.

В последующие годы встал вопрос о получении кормового бел- ка на материалах более дешевых, чем жидкие парафины. Идет экспе- риментальная работа по получению бактериального белка из метана. Бактерии, размножающиеся на метане, весьма своеобразны, так как растут только на одноуглеродных соединениях, что облегчает их культивирование в связи с отсутствием конкурентов. С экономиче- ской точки зрения выгоднее метан каталитически окислять в метанол. Метанол хорошо растворим в воде и легко усваивается многими мик- роорганизмами, как бактериями, так и некоторыми дрожжами. В Ве- ликобритании действует завод, вырабатывающий дрожжевой белок

9

на метиловом спирте. Изучается возможность производства микроб- ного белка на этиловом спирте, на котором развивается более высокая биомасса дрожжей.

Однако в настоящее время большинство крупнотоннажных за- водов нашей страны бездействуют, что связано с экономическим кри- зисом и, как следствие, падением производства в последние десятиле- тия. В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом наблюда- ется возрождение интереса к получению микробного белка как пище- вого, так и кормового назначения с использованием в качестве сырья отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, а также получение белка с помощью автотрофных микроорганизмов. Большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяют получению белка с помощью автотрофных водородных бактерий. Используя окисление водорода как энергетический процесс, в качестве источни- ков питания они довольствуются лишь минеральными соединениями. Следует отметить, что по некоторым химическим показателям дрож- жевой белок имеет некоторые преимущества по сравнению с бактери- альным. Разрабатываются методы получения кормового белка из раз- личных отходов. Одни методы пригодны для промышленного полу- чения белка, другие – в условиях небольших хозяйств.

В условиях интенсивного ведения сельского хозяйства важно не только обеспечить достаточные объемы производства кормов, но и получать корма с высоким содержанием белка и сбалансированные по аминокислотному составу. Однако в существующих кормовых ра- ционах далеко не всегда достаточно белка, необходимых аминокислот

ивитаминов, поэтому необходимо вводить эти вещества в корм в ви- де тех или иных препаратов, в частности полученных с помощью микроорганизмов. Внимание ученых привлекает вопрос получения кормового белка путем микробного синтеза.

Возможным сырьем для получения микробного белка представ- ляются различные целлюлозосодержащие отходы промышленности

исельского хозяйства. Для обогащения белком измельченных целлю- лозных отходов целесообразнее использовать культуры микроскопи- ческих грибов, которые активно разрушают целлюлозу, одновремен-

но накапливая белок. Успешно работают в этом направлении В. И. Билай (Украина), которая использует гриб Trichoderma viride, и А. Г. Лобанок (Белоруссия), применяющий гриб рода Penicillium.

Таким путем можно получать корм, содержащий до 30 % белка. Работы по получению кормового белка на отходах лесной и целлю- лозной промышленности проводят в Швеции и Финляндии, где для

10