БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

12. МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

12.12. Пищевые продукты и напитки

12.12.3. Белок одноклеточных

Относительно новым источником питательных веществ является «белок одноклеточных». Его производство началось в конце 1960-х годов. Термин относится к белку, который получают при крупномасштабном выращивании микроорганизмов, таких как бактерии, водоросли, а также дрожжи и другие грибы. Белок пригоден для употребления людьми и может быть использован в качестве корма для животных. Он служит полезным источником минеральных веществ, витаминов, жиров и углеводов. Теоретически это позволяет высвободить для нужд человека целый ряд белковых продуктов, таких как соевая мука и зерно, которые в настоящее время используются на корм животных. Однако на Западе сельскохозяйственная продукция производится в избытке и скорее всего это вряд ли случится. Хорошо известно, что в мировом масштабе наблюдается нехватка белка, но это относится лишь к развивающимся странам, которые не имеют средств на развитие подобных биотехнологий.

Ниже перечислены преимущества использования микроорганизмов в качестве источника пищевых продуктов.

1. Микроорганизмы занимают меньше пространства, чем традиционные растения и животные.

2. Микроорганизмы растут быстрее.

3. Микроорганизмы могут использовать для роста широкий спектр дешевых продуктов, а также сельскохозяйственных и промышленных отходов, например нефтяные продукты, метан, метиловый и этиловый спирт, сахар, патоку, сыр, сыворотку, и бумажные отходы. Это дает дополнительные преимущества, поскольку позволяет реутилизировать различные материалы и избавляться от мусора.

4. С эксплуатацией микроорганизмов связано меньше этических проблем, и нет проблем, затрагивающих права животных.

5. К микроорганизмам гораздо легче применять методы генной инженерии.

6. Микроорганизмы содержат довольно много белка.

7. Микроорганизмы не зависят от климатических условий и не занимают больших земельных площадей.

Одним из первых главных продуктов был получен белок одноклеточных прутин, производство которого — прекрасный пример хорошего инженерного проекта, разработанного для непрерывного процесса ферментации. Прутин предлагался на рынке в качестве кормовой добавки для животных. Первоначальные надежды на белок одноклеточных не оправдались, так как изменились экономические и политические аспекты его производства, в связи с чем возникли следующие проблемы.

1. Рост цен на нефть в конце 1970-х годов обусловил существенное повышение стоимости продукции, поскольку процесс, включающий производство метанола, является высоко энергозависимым.

2. В развитых странах, таких как США и Европа, где должен был производиться белок одноклеточных, обычным явлением стало перепроизводство сельскохозяйственной продукции. В особенности это касалось конкурирующих с белком одноклеточных и богатых протеином продуктов: зерна, соевых бобов и молочных продуктов.

3. Развивающиеся страны, где ощущается нехватка белка, не располагали инвестиционными средствами, необходимыми для организации собственного производства кормового белка, и не имели необходимых разработок.

4. Увеличилось производство и снизилась стоимость конкурирующих кормовых добавок для животных, таких как соевые бобы, рыбная мука и клейковина из кукурузы. Последняя является побочным продуктом при биотехнологическом производстве топлива.

Прутин производился компанией ICI. После неудачи с его использованием в качестве коммерческого продукта завод был демонтирован, однако ICI использовала разработки, сделанные в сотрудничестве с Рэнком (Rank), Ховисом (Hovis) и Макдоугаллом (McDougall), для производства белка из гриба Fusarium. Этот микопротеин (мико- означает, что он имеет отношение к грибам) необычен в плане использования человеком. Он продается под торговой маркой «Кворн» («Quorn»), а его производство описано ниже в данном разделе.

Прутин

В 1980 г. компания ICI пустила в строй огромный ферментер (емкость 1500 м³, высота 60 м) в Билленгеме на северо-востоке Англии. Строительство обошлось фирме в 40 млн. фунтов стерлингов. Производственный потенциал составлял 70 000 т белка одноклеточных ежегодно. Для культивирования использовали бактерию Methylophilus methylotrophus, для которой источником углерода и энергии служил дешевый и легко доступный метанол. Процесс происходил в аэробных условиях. В суммарное уравнение процесса входят необходимые сырые материалы и образующиеся продукты:

Двуокись углерода, которая являлась отходом производства, закачивали в баллоны и продавали.

При поиске подходящей бактерии руководствовались тем, что она должна иметь высокую скорость роста и использовать относительно дешевый источник углерода и энергии, быть термоустойчивой, поскольку в процессе ферментации выделяется тепло, непатогенной для любых других организмов и иметь высокое содержание белка на единицу сухой массы.

Выбранная бактерия М. methylotrophus имела время генерации (время удвоения) 2—5 ч. Азот вносили в виде солей аммония; кроме того, требовались дополнительные минеральные добавки: фосфор, кальций и калий. Метанол получали из природного газа в той же самой промышленной зоне Биллингема, причем он не содержал вредных побочных продуктов. За температурой внимательно следили и поддерживали ее в пределах 30—40 °С; pH составлял 6,7. Ферментер мог работать непрерывно в течение нескольких месяцев.

Производство прутина является классическим примером непрерывного культивирования. Основные принципы его производства те же, что описаны в разд. 12.10.5. Ферментер был высоким и узким, что облегчало аэрацию и охлаждение. Он имел уникальную систему подачи воздуха для аэрации среды. Сжатый воздух поступал со дна ферментера, и поднимающиеся пузырьки перемешивали содержимое (лучше, чем при использовании распылителей). Ежемесячно производилось 6 000 т белка. Из 2 т метанола получалась 1 т высушенного прутина, который содержал 72% белка и 8% влаги. Он был обогащен незаменимыми аминокислотами и витаминами и был в два раза питательнее, чем мука соевых бобов. Прутин использовали в качестве корма для животных.

Поскольку культивирование было непрерывным, бактерии собирали постоянно, как только они достигали максимальной скорости роста (экспоненциальный рост). Часть содержимого удаляли из ферментера, обрабатывали реагентом, который способствует слипанию бактерий, и затем центрифугировали. Выделенные клетки высушивали путем распыления, а полезные компоненты надосадочной жидкости возвращали в ферментер. После высушивания бактериальные клетки измельчали, чтобы они лучше усваивались и перед упаковкой корректировали pH и минеральный состав.

Микопротеин

Другой потенциальный источник белка одноклеточных — грибы. Дрожжи, так же как и бактерии, могут использоваться и людьми, и животными (см. ниже разд. «Дрожжевой экстракт»). Находят применение и плесневые грибы. Для них характерно типичное грибное тело (описание см. в разд. 2.5.2), состоящее из совокупности тонких нитевидных гиф, называемой мицелием. Хороший пример использования плесневых грибов — производство микопротеина. В 1985 г. Рэнк, Ховис и Макдоугал организовали совместно с ICI компанию под названием Marlow Foods для производства микопротеина под торговой маркой «Quorn». Для этой цели был использован гриб Fusatium graminearum. Он был впервые выделен в начале 1960-х годов из образца почвы вблизи Марлоу в Бакингемшире, отсюда происходит и название компании. Исследование белкового продукта началось в 1964 г., а одобрение как безопасный для употребления человеком и разрешение на запуск в производство он получил в 1986 г. Сначала кворн использовали для выпечки ароматных пирожков, которые продавал Дж. Сэйнсбери. И хотя исходно он применялся как ингредиент при изготовлении таких пищевых продуктов, как пирожки и карри, в 1990 г. в продаже появился кворн в кусочках для домашнего применения, а в 1992 г. его стали продавать в измельченном виде. Кворн обладал нежным вкусом и приятным ароматом и имел успех у покупателей.

Время удвоения гриба в культуре составляет 5,5 ч, т. е. он растет медленнее, чем бактерии. В качестве источника углерода и энергии гриб использует глюкозу, которую получают из любого достаточно дешевого сырья, содержащего крахмал, например кукурузы, пшеницы, риса, картофеля или мелассы. Гриб образует 0,5 кг сухой биомассы на килограмм использованного сахара. Преимуществом грибов является способность расти при довольно кислых pH, при которых подавляется рост бактерий, что снижает риск загрязнения культуры. Fusarium растет при 30 °С в условиях непрерывного культивирования. Как и при культивировании бактерий, источником азота являются соли аммония, и для поддержания роста в среду добавляют минеральные соли. Как во всех описанных выше процессах, необходима аэрация и охлаждение среды, а все используемые материалы должны быть простерилизованы. Перемешивание среды достигается с помощью особого механизма аэрации. В данном случае исключено применение механических мешалок, поскольку гифы опутывают их, из-за чего нарушается равномерное распределение гиф внутри ферментера. Механизм называется «воздушным лифтом», потому что культура непрерывно циркулирует, совершая один оборот каждые 2 мин под действием воздуха, который продувается через вертикально расположенную удлиненную петлю высотой 40 м. Объем ферментера составляет около 40 000 дм³. Так как это непрерывный процесс, из ферментера постоянно отбирают продукт и добавляют свежую среду.

Эукариотические клетки характеризуются более высоким содержанием нуклеиновых кислот по сравнению с прокариотическими, поэтому микопротеин содержит значительное количество нуклеиновых кислот (5—15% сухой массы). Это главным образом РНК, причем ее содержание желательно снизить, поскольку употребление человеком более 2 г в день может привести к образованию камней в почках или к подагре. Для удаления РНК культуру прогревают при 64 °С в течение 20—30 мин в особом сосуде, через который пропускают горячий пар. Прогревание инактивирует протеиназы грибов (таким образом, белок не разрушается), однако не действует на РНКазы, что способствует разрушению РНК. Содержание РНК снижается до 1%, что значительно ниже рекомендованного Всемирной Организацией Здравоохранения нижнего предела, составляющего 2%.

Мицелий грибов легче отделить от культуральной среды, чем клетки бактерий. Центрифугирования не требуется, достаточно отфильтровать мицелий. После фильтрации и высушивания остается тонкая эластичная пленка корна. На этом этапе по виду и по вкусу он напоминает сырое тесто. К нему добавляют овощные приправы и немного яичного белка. Затем его нарезают ломтиками, кубиками или измельчают и в таком виде он поступает в продажу. Гриб от природы является волокнистым (одна из причин, по которой он был выбран), поэтому ему легко придать консистенцию мяса.

Когда речь идет об употреблении человеком, важны не только экономические факторы, но и целый ряд других. Необходимо соблюдать очень строгие правила безопасности, а питательная ценность продукта должна быть достаточно высокой. Продолжительные исследования, которые проводились в течение более 10 лет, не выявили долговременных вредных эффектов. В исследованиях использовались не менее четырех поколений одиннадцати видов животных, включая крыс, свиней и коров. Прежде чем продукт поступил в продажу, проводили испытания и на людях, добровольно согласившихся попробовать микопротеин. Полученный в результате продукт по некоторым свойствам оказался более полезным для здоровья, чем мясо. В табл. 12.5 приведен его состав в сравнении с некоторыми типичными белками животного происхождения. Он не содержит холестерола и в отличие от мяса содержит много волокон. В нем мало жира и «калорий» (энергии); для него характерно хорошее соотношение между полиненасыщенными и насыщенными жирными кислотами (см. разд. 8.7). Он является хорошим источником витамина В12 и цинка, которые часто отсутствуют в рационе вегетарианцев.

При переходе на новую пищу нужно преодолеть и психологический барьер. Очень важно, как представить новый продукт, включая упаковку и рекламу (рис. 12.21). Запах, цвет, вкус и консистенция должны быть тщательно спланированы. Первоначально было решено рекламировать кворн в качестве заменителя мяса. Его легко можно было соединить в волокна, прекрасно имитирующие структуру мяса, и ароматизировать, придав вкус курицы или даже говядины.

Таблица 12.5. Типичный состав микопротеина «кворн» в сравнении с традиционными белками животного происхождения

Рис. 12.21. Пищевые продукты, содержащие кворн.

12.11. В рекламе продуцент кворна обычно называют«натуральным крошечным растением» или«крошечным родичем грибов». Поясните, почему.

Дрожжевой экстракт

Дрожжи, остающиеся от производства пива, можно использовать по-разному. Одним из примеров является производство виски, которое, как и производство пива, основано на сбраживании сахаров, образующихся в прорастающих зернах ячменя. Однако виски очищают от сброженного солода. Для этого требуется кипячение, которое убивает дрожжи. Для их замещения можно использовать дрожжи, остающиеся после приготовления пива.

Дрожжевые клетки богаты витаминами группы В, в особенности ниацином (В₆), рибофлавином (В₂), тиамином (B₁), фолиевой кислотой и В|₂. Дрожжи можно высушить и приготовить из них богатые витаминами таблетки, либо продукты, такие как мармит (Marmite), Для этого дрожжи нагревают до 50 °С в больших чанах и добавляют соль, чтобы поддержать процесс автолиза (разд. 5.10.6). Автолиз — это самопереваривание, которое происходит под действием ферментов в погибающих клетках. Продукты фильтруют и центрифугируют для удаления клеточных стенок, а затем концентрируют до консистенции густой пасты. В мармит добавляют овощной экстракт.

Альтернативой автолизу является гидролиз под действием соляной кислоты. Гидролизат затем нейтрализуют гидроксидом натрия. Продукт добавляют в пищу, например в чипсы, гамбургеры, супы, соусы и подливки, в качестве солоноватой приправы, по вкусу напоминающей мясо.

Белок одноклеточных из фотосинтезирующих организмов

Для производства белка одноклеточных используются как фотосинтезирующие бактерии, например цианобактерии, так и водоросли. Примером цианобактерий может служить спирулина. Ацтеки делали из нее лепешки, а для фламинго, живущих на побережьях озер в восточной Африке, — это основная пища. Спирулину выращивают в небольших масштабах в Мексике и на Гавайских островах для продажи в магазинах диетического питания. Она содержит очень много белка и растет очень быстро. Ее можно собирать с поверхности пруда или озера. Примером одноклеточной водоросли является хлорелла. В Японии и на Тайване высушенную хлореллу продают в качестве здоровой пищи.

Пищевые потребности и условия для роста фотосинтезирующих организмов обсуждались в разд. 12.1.1 и 12.1.2. Тот факт, что для их роста нужен свет и для большинства из них источником углерода является углекислый газ, существенно отличает эти организмы от грибов и нефотосинтезирующих бактерий. Обычно их выращивают в нестерильных условиях, в теплых открытых водоемах, и, как правило, в виде смешанной культуры (которая содержит несколько разных видов).

При выращивании водорослей в сточных водах достигается двойной результат: очистка сточных вод и получение белка одноклеточных на корм животным. Это осуществлено в Израиле.