Направления получения пищевого белка методами биотехнологии.

Особенности технологии белково-витаминных и белково-липидных концентратов на основе биомассы дрожжей.

Биотехнологические процессы получения пищевых кислот (лимонной, уксусной, молочной).

В настоящее время в мире существует дефицит пищевого белка. При суточной норме потребления 70 г/сутки среднее потребление составляет 60 г/сутки. По данным РАМН в России начиная с 1992 года потребление белков животного происхождения снизилось на 25-35 % и составляет около 49 % от общего рациона белковой пищи при рекомендуемом соотношении животных и растительных белков 55 : 45. Общий дефицит пищевого белка на планете по данным ФАО/ВОЗ оценивается в 15-20 млн. тонн в год.

Пути решения проблемы белкового дефицита:

- повышение хранимоспособности сырья и пищевых продуктов, в первую очередь, животного происхождения;

- повышение производительности в животноводстве и растениеводстве методами селекции, генетической и клеточной инженерии;

- корректировка аминокислотного состава пищевого сырья и продуктов питания;

- вовлечение в производство продуктов питания белка микроорганизмов, микро- и макромицетов, гидробионтов, получаемого методами биотехнологии.

Одним из перспективных путей получения белковых веществ является микробный синтез - это реальное решение проблемы снятия дефицита белка в пище и кормах. Сырье, которое непосредственно не может идти на изготовление пищевых продуктов, с помощью микроорганизмов превращается в богатую белками биомассу. В этом случае необходимый азот в форме дешевых неорганических соединений (мочевины, солей аммония, нитратов) может почти без потерь использоваться для построения белков. Микроорганизмы способны накапливать до 60 - 70 % белка от АСБ.

Существуют три основных направления использования белка одноклеточных для пищевых целей:

1. цельная биомасса микроорганизмов;

2. частично очищенная от балластных веществ (облагороженная) биомасса;

3. изолированные из биомассы очищенные белки.

К микробным белкам, предназначенным для пищевых целей, предъявляются следующие требования:

- безопасность по санитарно-гигиеническим и токсикологическим показателям;

- высокая пищевая и биологическая ценность;

- соответствие органолептических показателей аналогам растительного и животного происхождения;

- низкая себестоимость.

В настоящее время можно выделить четыре основных направления получения пищевого белка биотехнологическими методами:

1. получение биомассы дрожжей с высоким (не менее 50 % от АСБ) содержанием белка;

2. направленный синтез белков микромицетами;

3. выращивание макромицетов в условиях биореактора;

4. искусственное культивирование водорослей и других гидробионтов, богатых белком.

Применение цельной необлагороженной биомассы микроорганизмов как пищевого продукта вызывает наибольшие возражения, связанные с медико-биологическими аспектами. В настоящее время Министерством здравоохранения РФ разрешено использование в пищевых целях лишь биомассы высших базидиальных грибов. В США Управлением по контролю за пищевыми продуктами было дано разрешение на применение цельноклеточной биомассы дрожжей, выращенных на этаноле в стерильных условиях. В России и за рубежом проводятся исследования по получению и применению в пищевых целях облагороженной биомассы микроорганизмов. В этом отношении наиболее исследованным микробиологическим объектом являются дрожжи.

Дрожжи содержат 40 - 55 % белка и усваиваются организмом человека на 85 - 88 %, занимая по этому показателю промежуточное положение между белками растительного и животного происхождения. Белок дрожжей обычно беден метионином и цистеином, но богат лизином и треонином. Отсюда очевидна целесообразность его переработки вместе с белками зерновых культур.

В Великобритании, Франции, США, Нидерландах получают белковые экстракты из дрожжей в виде паст или порошкообразных продуктов. Дрожжевые экстракты содержат от 30 до 55 % белка и используются при производстве консервов, пищевых концентратов первых и вторых блюд, хлебобулочных, кондитерских и колбасных изделий, плавленых сыров. Добавление дрожжевых паст и порошков обычно не превышает 1,5 - 10 % массы пищевого продукта. В нашей стране были также разработаны технологии белковых пищевых добавок на основе хлебопекарных и пивных осадочных дрожжей, ферментативных гидролизатов и белковых изолятов из дрожжевой и бактериальной биомасс, выращенных на пищевых и непищевых питательных средах (меласса, этанол, метанол, природный газ, н-парафины).

На основе исследований, проводившихся во ВНИИСинтезбелок, была разработана технология высокомолекулярных белковых изолятов из дрожжей и бактерий. Технологическая схема включает следующие основные этапы: дезинтеграция клеток микроорганизмов в водной суспензии на установке, основанной на принципе декомпрессии, щелочная экстракция клеточных белков, нейтрализация, отделение остатков клеточных структур от белкового экстракта, очистка и сгущение последнего на ультрафильтрационных установках и обезвоживание. Белковые изоляты из микроорганизмов содержат около 80 % белка, 2 - 3 % нуклеиновых кислот и имеют молекулярную массу в диапазоне от 50000 до 300000 Д.

Теоретической предпосылкой использования микроскопических грибов в пищевой биотехнологии является способность многих видов к окнверси углеводов и других углеродных субстратов в вещества белковой природы. В качестве продучентов пищевого белка могут быть использованы грибы родов Aspergillus, Rhizopus, Mucor.

Ценным источником пищевого белка являются съедобные шляпочные грибы. Производство спорофоров и мицелия базируется на совершенно различных технологиях. Шляпочные грибы выращивают в питомниках, а производство мицелия является промышленным процессом ферментации. При выращивании шляпочных грибов мицелий является отходом, тогда как в процессе промышленного производства нитчатых грибов методом ферментации подбираются такие условия, при которых спорообразования не происходит.

Выращивание шляпочных грибов в промышленных условиях связано с определенными трудностями и существенными затратами. Эти грибы используют непосредственно как пищевой продукт или как вкусовую приправу к различным блюдам. В последнем случае приемлемо использование мицелиальных форм грибов. Мицелиальные массы в промышленных условиях начали получать в 40 - 50-х годах ХХ столетия. В настоящее время во многих странах производят в промышленных условиях съедобные грибы.

Для выращивания грибов используются практически любые отходы, особенно при поверхностном способе ферментации. На основе соломы, початков, кочерыжек, стеблей кукурузы, опилок с добавлением органических удобрений готовят твердые питательные среды, которые засевают мицелием гриба. После снятия урожая грибов остатки компоста, обогащенные мицелиальной массой, используют в кормопроизводстве. Приемлемым субстратом для биотехнологического процесса культивирования базидиальных съедобных грибов, удовлетворяющим требованиям безопасности и качества, предъявляемым к питательным средам для культивирования с целью получения пищевого продукта, является молочная сыворотка.

Важным источником пищевого белка являются зеленые (Chlorella vulgaris) и сине-зеленые (Spirulina platensis, Synechococcus elongatus, Coccopedia) водоросли. Потенциально могут также использоваться водородные бактерии (Hydrogenomonas eutropha Z-1). Эти микроорганизмы характеризуются высоким содержанием белка по сумме аминокислот (45 - 60 % - водоросли, 65 - 70 % - водородные бактерии).

По содержанию аминокислот белки водородных бактерий превосходят данные стандартной шкалы ФАО по всем аминокислотам, кроме цистеина и триптофана. Белки хлореллы содержат меньше изолейцина. Все водоросли дефицитны по серосодержащим аминокислотам и триптофану. Отношение суммы незаменимых аминокислот к общему азоту в продукте близко по величине для водорослей и водородных бактерий, но ниже, чем для стандартных продуктов (коровье молоко, гусиные яйца). Интересна также возможность получения из водорослей одновременно с белком кислых полисахаридов - важного компонента искусственных продуктов питания.

Установлено, что при полном обеспечении кислородом за счет фотосинтезирующей деятельности водорослей суточный прирост их составляет 500 - 600 г, в том числе 250 - 300 г белка. Белок водорослей достаточно полноценен, а биомасса одноклеточных водорослей содержит большое количество витаминов и минеральных веществ. В РФ разработана аппаратура и технология для непрерывного культивирования спирулины и хлореллы с целью получения белково-углеводного комплекса кормового и пищевой категории качества.

Одной из причин, сдерживающих развитие промышленного производства микроводорослей, является отсутствие эффективной технологии и аппаратуры, обеспечивающих получение продукции, по себестоимости сопоставимой с традиционными растительными продуктами. Большая часть крупных установок рассчитана на использование открытых бассейнов, однако относительно низкие капитальные затраты на их возведение не обеспечивают низкой себестоимости продукции.

В основу крупномасштабного микробного фотосинтеза НПО "Биотехника" было предложено использование аппаратов закрытого типа - фотореакторов. Исследование различных типов аппаратов показало перспективность для промышленного использования фотореакторов с трубчатой формой лучеприемника, обеспечивающей максимальную фотоэнергоемкость. Фотореактор включает также теплообменник, газообменное устройство для насыщения суспензии клеток диоксидом углерода и десорбции образующегося кислорода, побудитель расхода суспензии, а также специальное устройство, которое обеспечивает ежедневную очистку внутренних поверхностей без применения ручного труда и остановки аппарата.

Производство микроводорослей объединяют с линией комплексной безотходной переработки биомассы. В результате такой переработки получают ряд продуктов (в том числе ценных биологически активных веществ), производство которых обеспечивает экономическую рентабельность производства, а также дешевых полноценных кормовых продуктов. Так, например, при переработке биомассы хлореллы могут быть последовательно получены следующие продукты (в % к массе исходного сырья): липидный концентрат 8 - 13, белковый гидролизат 22 - 35, деструктат клеток (шрот) до 60.

Полученный белковый гидролизат содержит (в % СВ): свободные аминокислоты - 60, нуклеотиды - 6,85, остаточный белок - 4,12, углеводы (сумма) - 21,12. В составе гидролизата обнаружено значительное количество водорастворимых витаминов, главным образом группы В. Им могут быть заменены белковые основы, изготавливаемые в настоящее время из пищевого белкового сырья (мяса, рыбы, казеина).

Аналогичным образом осуществляется комплексная переработка биомассы некоторых других микроводорослей. Перспективным сырьем для получения серии ценных продуктов, в том числе биологически активных веществ, является биомасса спирулины, в которой содержится 60 - 68 % протеина. В зависимости от условий культивирования в биомассе спирулины обнаруживаются (в мг/100 г): -каротин 300 - 600, рибофлавин 4 - 6,6, кобаламин 0,1 - 0,18. Клетки спирулины лишены прочной оболочки, что существенно упрощает технологию переработки биомассы.

Таким образом, получение пищевых белковых веществ из биомассы микроорганизмов является не только принципиально возможным, но и широко используется во многих станах. Однако белковые вещества микробиологического происхождения, за исключением высших базидиальных грибов, могут быть использованы в питании населения преимущественно в виде концентратов и изолятов.

Пищевые белки производят в виде трех основных типов продуктов, которые различаются по содержанию белка (около 50, 70 - 75, 90 % и выше) и его фракционному составу. К первому типу продуктов с содержанием около 50 % белка относят дезинтеграт биомассы дрожжей. Ко второму типу продуктов - концентраты из биомассы микроорганизмов с содержанием белка 70 - 75 %. Изоляты, содержащие 90 % белка, - наиболее дорогой и безопасный тип белковых продуктов на основе микробной биомассы.