Agrodom93.ru

Агропромышленный комплекс
5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Для производства пищевого белка выращивают бактерии

Направления получения пищевого белка методами биотехнологии.

ПОЛУЧЕНИЕ НУТРИЕНТОВ МЕТОДАМИ БИОТЕХНОЛОГИИ

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).

Направления получения пищевого белка методами биотехнологии.

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;

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): β-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.

Для производства пищевого белка выращивают бактерии

Раздел «Промышленная биотехнология»

Производство белка микроорганизмов

Продуценты белка

Производство микробной биомассы — самое крупное микробиологическое производство. Микробная биомасса может быть хорошей белковой добавкой для домашних животных, птиц и рыб. Производство микробной биомассы особенно важно для стран, не культивирующих в больших масштабах сою (соевую муку используют как традиционную белковую добавку к кормам).

При выборе микроорганизма учитывают удельную скорость роста и выход биомассы на данном субстрате, стабильность при поточном культивировании, величину клеток. Клетки дрожжей крупнее, чем бактерий, и легче отделяются от жидкости при центрифугировании. Можно выращивать полиплоидные мутанты дрожжей с крупными клетками. В настоящее время известны только две группы микроорганизмов, которым присущи свойства, необходимые для крупномасштабного промышленного производства: это дрожжи рода Candida на n-алканах (нормальных углеводородах) и бактерии Methylophillus methylotrophus на метаноле.

Микроорганизмы можно выращивать и на других питательных средах: на газах, нефти, отходах угольной, химической, пищевой, винно-водочной, деревообрабатывающей промышленности. Экономические преимущества их использования очевидны. Так, килограмм переработанной микроорганизмами нефти дает килограмм белка, а, скажем, килограмм сахара — всего 500 граммов белка. Аминокислотный состав белка дрожжей практически не отличается от такового, полученного из микроорганизмов, выращенных на обычных углеводных средах. Биологические испытания препаратов из дрожжей, выращенных на углеводородах, которые проведены и у нас в стране и за рубежом, выявили полное отсутствие у них какого-либо вредного влияния на организм испытуемых животных. Опыты были проведены на многих поколениях десятков тысяч лабораторных и сельскохозяйственных животных. В непереработанном виде дрожжи содержат неспецифические липиды и аминокислоты, биогенные амины, полисахариды и нуклеиновые кислоты, а их влияние на организм пока еще плохо изучено. Поэтому и предлагается выделять из дрожжей белок в химически чистом виде. Освобождение его от нуклеиновых кислот также уже стало несложным.

В современных биотехнологических процессах, основанных на использовании микроорганизмов, продуцентами белка служат дрожжи, другие грибы, бактерии и микроскопические водоросли.

С технологической точки зрения наилучшими из них являются дрожжи. Их преимущество заключается прежде всего в «технологичности»: дрожжи легко выращивать в условиях производства. Они характеризуются высокой скоростью роста, устойчивостью к посторонней микрофлоре, способны усваивать любые источники питания, легко отделяются, не загрязняют воздух спорами. Клетки дрожжей содержат до 25% сухих веществ. Наиболее ценный компонент дрожжевой биомассы — белок, который по составу аминокислот превосходит белок зерна злаковых культур и лишь немного уступает белкам молока и рыбной муки. Биологическая ценность дрожжевого белка определяется наличием значительного количества незаменимых аминокислот. По содержанию витаминов дрожжи превосходят все белковые корма, в том числе и рыбную муку. Кроме того, дрожжевые клетки содержат микроэлементы и значительное количество жира, в котором преобладают ненасыщенные жирные кислоты. При скармливании кормовых дрожжей коровам повышаются удои и содержание жира в молоке, а у пушных зверей улучшается качество меха. Интерес представляют и дрожжи, обладающие гидролитическими ферментами и способные расти на полисахаридах без их предварительного гидролиза. Использование таких дрожжей позволит избежать дорогостоящую стадию гидролиза полисахаридсодержащих отходов. Известно более 100 видов дрожжей, которые хорошо растут на крахмале как на единственном источнике углерода. Среди них особенно выделяются два вида, которые образуют как глюкоамилазы, так и β-амилазы, растут на крахмале с высоким экономическим коэффициентом и могут не только ассимилировать, но и сбраживать крахмал: Schwanniomyces occidentalis и Saccharomycopsis fibuliger. Оба вида — перспективные продуценты белка и амилолитических ферментов на крахмалсодержащих отходах. Ведутся поиски и таких дрожжей, которые могли бы расщеплять нативную целлюлозу. Целлюлазы обнаружены у нескольких видов, например у Trichosporon pullulans, однако активность этих ферментов низкая и о промышленном использовании таких дрожжей говорить пока не приходится. Дрожжи из рода Kluyveromyces хорошо растут на инулине — основном запасном веществе в клубнях топинамбура — важной кормовой культуры, которая также может быть использована для получения дрожжевого белка.

В последнее время в качестве продуцентов белка стали использовать бактерии, которые отличаются высокой скоростью роста и содержат в биомассе до 80% белка. Бактерии хорошо поддаются селекции, что позволяет получать высокопродуктивные штаммы. Их недостатками являются трудная осаждаемость, обусловленная малыми размерами клеток, значительная чувствительность к фаговым инфекциям и высокое содержание в биомассе нуклеиновых кислот. Последнее обстоятельство неблагоприятно только в том случае, если предусматривается пищевое использование продукта. Снижать содержание нуклеиновых кислот в биомассе, употребляемой на корм животным, нет необходимости, так как мочевая кислота и ее соли, образующиеся при разрушении азотистых оснований, превращаются в организме животных в алантоин, который легко выделяется с мочой. У человека избыток солей мочевой кислоты может способствовать развитию ряда заболеваний.

Следующую группу продуцентов белка составляют грибы. Они привлекают внимание исследователей благодаря способности утилизировать самое разнообразное по составу органическое сырье: мелассу, молочную сыворотку, сок растений и корнеплодов, лигнин- и целлюлозосодержащие твердые отходы пищевой, деревообрабатывающей, гидролизной промышленности. Грибной мицелий богат белковыми веществами, которые по содержанию незаменимых аминокислот ближе всего к белкам сои. Вместе с тем белок грибов богат лизином, основной аминокислотой, недостающей в белке зерновых культур. Это позволяет на основе зерна и грибной биомассы составлять сбалансированные пищевые и кормовые смеси. Грибные белки имеют достаточно высокую биологическую ценность и хорошо усваиваются организмом.

Положительным фактором является и волокнистое строение выращенной культуры. Это позволяет имитировать текстуру мяса, а с помощью различных добавок — его цвет и запах. Хранят грибной мицелий обычно в замороженном виде.

В качестве субстрата грибами используются глюкоза и другие питательные вещества, а общим источником азота служат аммиак и аммонийные соли. После завершения стадии ферментации культуру подвергают термообработке для уменьшения содержания рибонуклеиновой кислоты, а затем отделяют мицелий методом вакуумного фильтрования.

Источниками белковых веществ могут служить и водоросли. При фототрофном способе питания и образования биомассы они используют углекислый газ атмосферы. Выращивают водоросли, как правило, в поверхностном слое прудов, где с площади 0,1 га можно получить столько же белка, сколько с 14 га посевов фасоли. Белок водорослей пригоден не только для кормовых, но и пищевых целей.

Наконец, хорошими продуцентами белка являются рясковые, которые накапливают протеина до 45% от сухой массы, а также до 45% углеводов. Однако, несмотря на свои малые размеры, они не принадлежат к вышеперечисленным производителям белка (микроорганизмам), так как не только являются многоклеточными организмами, но и относятся к высшим растениям.

ПРОМОТРЕЙД

В 60-е годы прошлого столетия 90 процентов всех кормов имели низкое содержание белка, корма к тому же были недостаточно сбалансированы по основным незаменимым аминокислотам, в первую очередь, по лизину и метионину.

В связи с этим, руководство СССР поставило задачу создания производств эффективного животного кормового белка на отечественной базе доступного сырья.

Частично проблему решал и решает импортный растительный белок бобовых, в частности — соевый шрот.
Белок животного происхождения — рыбная и мясокостная мука, не в состоянии решить данную проблему, т.к. рыбная мука дорого стоит и в основном импортная, нестабильна по качеству, а мясокостная мука в России запрещена к применению из-за риска коровьего бешенства.

В 70-х годах, в СССР приступили к строительству заводов БВК (Белково-витаминных концентратов) по производству кормовых дрожжей на парафинах нефти (паприн). Их адреса: Светлый Яр в Волгоградской области, Кременчуг на Украине, Благовещенск в Башкирии, Мозырь и Новополоцк в Белоруссии, Кириши в Ленинградской области, Кстово на Нижегородчине, Ангарск в Иркутской области. Проектировался объект в Павлодаре.
В связи с чем, британский ученый Дж. Б. Картер в журнале “Нью Сайентист”, — отмечал в статье от 23 апреля 1981 года: «Давление политических и иных кругов в Западных странах препятствовало сколь-нибудь значительному развитию производства белка одноклеточных в СССР. Однако в СССР работы в данном направлении продолжались целенаправленно, и в настоящее время он, вне всякого сомнения, является крупнейшим в мире производителем белка одноклеточных. Развитие микробиологии даст Советскому Союзу не только независимость от импорта традиционного белка (соевый шрот), но и национальный источник микробного белка, не подверженный климатическим воздействиям, что характерно для производства злаковых овощных культур и кормовых трав. Развитая промышленность СССР по производству белка демонстрирует уникальный характер решительных национальных усилий в освоении биотехнологии и является выдающимся достижением”.
Тремя годами позже, американский журнал “Биотехнология” дал прогноз: “Предприятия Главмикробиопрома в состоянии масштабировать производство аминокислот и рибофлавина для кормовых целей. В случае соответствующего увеличения производства белка одноклеточных коэффициент конверсии белка в животный возрастет до 15—30 процентов, что характерно для Западных стран, и приведет к уменьшению или исключению зависимости СССР от импорта зерновых”.

Не смотря на усилия предпринимаемые правительством СССР в конце 80-х годов более 42 % объема всех кормов использовался в неполноценном (несбалансированном) виде, а еще 25% не был сбалансирован по отдельным компонентам. Поэтому расход зерна на тонну комбикормов в СССР был более чем вдвое выше, чем в Голландии и ежегодно он составлял 20—25 миллионов тонн. В связи с чем, например в 1991 году СССР импортировал 2,1 миллиона тонн соевого шрота и 400 тыс. тонн соевых бобов. Соевый шрот (в основном генно-модифицированный) закупался и закупается сейчас в огромных количествах в США.

Однако, с приходом перестройки все заводы БВК, производившие паприн, были в угоду США закрыты и практически разрушены.

Между тем, научные разработки СССР в 80-х годах вышли на наиболее оптимальную технологию биосинтеза кормового белка на основе природного газа метана — это производство белка на базе использования метанотрофных бактерий.

Метанотрофные бактерии в определенных условиях активно усваивают метан природного газа, быстро размножаются и наращивают свою массу, богатую ценным белком, набором аминокислот, витаминами и иными биологически активными веществами.
Скорость роста микробиологического белка значительно превышает скорость роста других белковых продуктов. Для сравнения: бык массой 500кг. способен в сутки синтезировать — 0,5-1,5 кг. белка; растения сои той же массой в фазе созревания семян 40 кг белка; а метанотрофные бактерии той же массой — до 1,5 т белка.

К 1987 году заводы БВК выпускали 1,1 миллиона тонн продукции (с содержанием чистого белка 55 тыс. тн.), что позволяло экономить 6,6 миллиона тонн фуражного зерна. Потребность же советского животноводства оценивалась в 6 миллионов тонн кормового белка. На БВК уже основательно стояло птицеводство, о чем говорил Вице-президент РАСХН Владимир Фисинин, тогда возглавлявший объединение “Птицепром”, в настоящее время он директор НИИТИП и он очень хорошего мнения о метанотрофном белке.

БВК охотно закупали Финляндия, Чехословакия, ГДР, Китай, Куба. За рубежом подобных предприятий не имелось, не считая отдельных установок в Англии.

Предприятие в Светлом Яре в Волгоградской области, где работала экспериментальная установка и белок производился в среде метана, по самой современной на тот момент технологии, была закрыта в 1994 г. компанией ЮКОС.

Белок метанотрофных бактерий (в СССР – гаприн) прошел полный комплекс длительных медико-биологических и хозяйственных испытаний на всех видах сельскохозяйственных живот¬ных, птице и рыбе. Полученные дан-ные свидетельствуют об эффективно¬сти применения гаприна в рационах животных.

Читать еще:  Как выращивать цитрус в домашних условиях?

Федеральное Министер¬ство сельского хозяйства в 1994 г. выпустило Технические условия и Наставление по применению гаприна в комбикормах и белково¬витаминных добавках для сельскохозяйственных животных, птицы и рыбы.

Применение белка, синтезированного на метане, разрешено к применению в кормах для животных в странах ЕС.
На сегодняшний день дефицит белковых кормовых продуктов только в России превышает 2 млн. тонн в год, а в мире он составляет более 30 млн. тонн в год. Мировой рынок потребления белка оценивается специалистами в 370 миллиардов долларов. Потребность в белке столь велика, что учёные всего мира упорно ведут поиск новых источников сырья для его производства, в том числе и путем микробиологического синтеза. Заводы по производству белка на метане могут располагаться практически в любой точке России – где есть природный газ. Белок имеет стабильное качество, производство не зависят от климата и времени года.

Западные компании заинтересованы в приобретении технологии биосинтеза белка на метане. В частности американская фирма «Калиста», купившая старую советскую технологию у норвежской компании Норферм (К ним технология попала после объединения ГДР с ФРГ), планирует завершить строительство завода по производству белка из метенотрофных бактерий в 2018 году. Кстати, на основе старой технологии пытаются работать и другие западные компании. Так же пытаются разработать эту технологию и в Китае, предполагая работать на российском газе газопровода «Сила Сибири».

Чтобы снова не опоздать, а затем не догонять «западные технологии», или что ещё хуже, импортировать их метанотрофный белок, предлагаем уже сегодня сконцентрировать усилия на внедрение в практику нашей новой технологии производства кормового белка из метанотрофных бактерий.

Считаем данную технологию, относящуюся к разряду природоподобных, прогрессивной и способной обеспечить российскую комбикормовую промышленность эффективным белком животного происхождения, комплексно балансирующим комбикорма и создающим условия для интенсификации отечественного животноводства, что обеспечит перерабатывающие предприятия безопасным сырьем, а население — чистыми продуктами питания.

В выступлении Президента России В.В. Путина на 70-й сессии Генассамблеи ООН 28 сентября 2015 года, в частности, был затронут вопрос природоподобных технологий. Он, в частности сказал: «Речь должна идти о внедрении принципиально новых, природоподобных технологиях, которые не наносят урон окружающему миру, а существуют с ним в гармонии и позволят восстановить нарушенный человеком баланс между биосферой и техносферой».

Бизнес планирование строительства завода по производству белка показывает что финансовые вложения (1млрд. руб.) окупаются менее чем за 4 года, с внутренней нормой доходности в 96%.

За получением подробных характеристик и презентацией, обращайтесь по указанным контактам на сайте

Статьи

  • Про водоросли и грибы
  • Понятие и определение белого света
  • Производство белка из метанотрофных бактерий
  • Три способа обмануть смерть
  • Электромагнитные поля. Источники

Последние новости

  • 24.01.18 Открыты клетки отвечающие за регистрацию лишнего веса

Шведские ученые, научным путем, установили, что клетки человека. Находящиеся в костной ткани, отвечают за регистрацию изменения массы тела человека, а затем сообщают об этом всему организму.
Научные сотрудники провели ряд экспериментов, в Гётеборгском университете на подопытных мышах, страдающих ожирением. Первой группе подопытных под кожу были имплантированы небольшие грузы, составляющие 15 процентов их веса, второй группе вживлены полые капсулы, которые составляли 3 процента веса грызуна.
Первая группа подопытных, с реальными грузами, за две недели сбросила вес, который равнялся массе внедренного груза, при этом у них существенно уменьшилась жировая прослойка. При обратном ходе эксперимента, когда имплантированные грузы были удалены, подопытные снова набрали прежний вес.
Ученые считают, что регистрацией избыточной нагрузки занимаются клетки, которые продуцируют костную ткань в организме человека. Такие клетки называются остеоцитами. В настоящее время эксперименты и наблюдения продолжаются.

Уже много десятилетий идут попытки соединения квантовой механики со специальной теорией относительности. Выдвинуто множество теорий, включая знаменитую теорию струн, но нет ясности даже в наличии у гравитации квантовых свойств.

Один путь решения проблемы связан с наблюдением гравитационных волн, построением их подробной теории и исключением тех моделей квантовой гравитации, которые будут ей противоречить.

Недавно физики предложили кардинально иной подход — экспериментальный поиск отклонений от предсказаний классической физики. Если гравитация и правда квантуется, то и само пространство-время будет не непрерывным, а значит, в самых простых системах окажутся ничтожно малые отклонения от классических законов природы.

Ученые предлагают исследовать разнообразные оптомеханические системы с высокой чувствительностью и искать в них отклонения. В отличии от огромных систем для поиска гравитационных волн, размеры которых составляют десятки километров, предлагается использовать очень компактные системы, поскольку квантовая гравитация неоднородна на исключительно малых масштабах.

Утверждается, что сейчас наши технические возможности достаточны и успех такого эксперимента вполне возможен.

Ученые провели множество измерений на функциональном аппарате МРТ и весьма точно измерили активность различных участков мозга при просмотре видеороликов. Трое подопытных посмотрели под наблюдением сотни видеороликов, относящиеся к различным типам.

Благодаря этой детальной информации исследователи смогли воспользоваться нейронной сетью и обучить программу предсказывать параметры мозговой деятельности по видеоролику. Решалась и обратная задача — по активным областям мозга определить тип видеоролика.

При показе новых роликов нейронная сеть могла предсказывать показания магнитно-резонансного томографа с точностью до 50%. Когда обученную на одной из участниц сеть применяли для прогноза типа просматриваемого другой участницей ролика, точность предсказания понижалась до 25%, что тоже относительно много.

Ученые приблизились к переводу ментальных образов в цифровой формат, их сохранению и передаче другим людям. Они стали лучше понимать человеческий мозг и особенность обработки в нем видеоинформации. Возможно, когда-нибудь благодаря развитию этой технологии люди смогут показывать друг другу свои сновидения.

Получение белка в микробном производстве

Условно микробные производства можно разделить на три типа:

  1. основанные на использовании живой или инактивированной биомассы микроорганизмов. К ним относится производство пекарских, винных и кормовых дрожжей, вакцин, белково-витаминных концентратов (БВК), средств защиты растений, заквасок для получения кисломолочных продуктов и силосования кормов, почвоудобрительных препаратов;
  2. производящие продукты микробного биосинтеза, к числу которых относятся антибиотики, гормоны, ферменты, аминокислоты, витамины;
  3. основанные на получении продуктов брожения, гниения, (например, утилизация целлюлозы и различных отходов с целью получения углеводов, биогаза, биоэтанола). К ним же относятся получение спиртов, органических кислот, растворителей, а также биотехнология утилизации неприродных соединений.

Одной из проблем человечества является восполнение дефицита белка для человека и животных, так как источники традиционной пищи не покрывают потребности в нем. Это обусловило развитие микробиологической науки в поиске и использовании продуцентов белка микроорганизмов.

Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоят в его высоком содержании в биомассе и высокой скорости роста микроорганизмов. Микроорганизмы в 10–100 тысяч раз быстрее синтезируют белок, чем животные.

Источником получения пищевого белка является биомасса различных микроорганизмов (бактерий, дрожжей, грибов, водорослей). Кроме высокого содержания белка микробная биомасса содержит также жиры, нуклеиновые кислоты, витамины и минеральные компоненты. Источником получения пищевого белка могут стать также белковые изоляты из различных видов зеленой биомассы, в том числе из табака.

Для получения белка одноклеточных микроорганизмов используют различные субстраты: парафины нефти, метан, водород, метанол, этанол, уксусную кислоту, углекислый газ, молочную сыворотку, мелассу, крахмал и целлюлозосодержащие отходы промышленности и сельского хозяйства.

Для промышленного использования перспективными являются термофильные микроорганизмы, растущие при высоких (до +50 °С) температурах.

Благодаря некоторым бактериям микробиологическим способом производится ряд незаменимых аминокислот (глютаминовая кислота, лизин и др.), основная часть которых идет в пищевую промышленность и в животноводство.

На основе аминокислот готовят искусственные подсластители. Например, подсластитель метиловый эфир L-аспартил- L-фенилаланин в 150 раз слаще, чем глюкоза.

8.3.Продуценты белка

Производство микробной биомассы — самое крупное микробиологическое производство. Микробная биомасса может быть хорошей белковой добавкой для домашних животных, птиц и рыб.

При выборе микроорганизма учитывают удельную скорость роста и выход биомассы на данном субстрате, стабильность при поточном культивировании, величину клеток. Клетки дрожжей крупнее, чем бактерий, и легче отделяются от жидкости при центрифугировании. Можно выращивать полиплоидные мутанты дрожжей с крупными клетками. В настоящее время известны только две группы микроорганизмов, которым присущи свойства, необходимые для крупномасштабного промышленного производства: это дрожжи рода Candida на n-алканах (нормальных углеводородах) и бактерии Methylophillus methylotrophus на метаноле.

Микроорганизмы можно выращивать и на других питательных средах: на газах, нефти, отходах угольной, химической, пищевой, винно-водочной, деревообрабатывающей промышленности. Экономические преимущества их использования очевидны. Так, килограмм переработанной микроорганизмами нефти дает килограмм белка, а, скажем, килограмм сахара—всего 500 граммов белка. Аминокислотный состав белка дрожжей практически не отличается от такового, полученного из микроорганизмов, выращенных на обычных углеводных средах.

В современных биотехнологических процессах, основанных на использовании микроорганизмов, продуцентами белка служат дрожжи, другие грибы, бактерии и микроскопические водоросли. С технологической точки зрения наилучшими из них являются дрожжи. Их преимущество заключается прежде всего в «технологичности»: дрожжи легко выращивать в условиях производства. Они характеризуются высокой скоростью роста, устойчивостью к посторонней микрофлоре, способны усваивать любые источники питания, легко отделяются, не загрязняют воздух спорами. Клетки дрожжей содержат до 25% сухих веществ. Наиболее ценный компонент дрожжевой биомассы — белок, который по составу аминокислот превосходит белок зерна злаковых культур и лишь немного уступает белкам молока и рыбной муки. Биологическая ценность дрожжевого белка определяется наличием значительного количества незаменимых аминокислот.

В последнее время в качестве продуцентов белка стали использовать бактерии, которые отличаются высокой скоростью роста и содержат в биомассе до 80% белка. Бактерии хорошо поддаются селекции, что позволяет получать высокопродуктивные штаммы. Их недостатками являются трудная осаждаемость, обусловленная малыми размерами клеток, значительная чувствительность к фаговым инфекциям и высокое содержание в биомассе нуклеиновых кислот. Последнее обстоятельство неблагоприятно только в том случае, если предусматривается пищевое использование продукта.

Следующую группу продуцентов белка составляют грибы. Они способны утилизировать самое разнообразное по составу органическое сырье: мелассу, молочную сыворотку, сок растений и корнеплодов, лигнин- и целлюлозосодержащие твердые отходы пищевой, деревообрабатывающей, гидролизной промышленности. Грибной мицелий богат белковыми веществами, которые по содержанию незаменимых аминокислот ближе всего к белкам сои. В качестве субстрата грибами используются глюкоза и другие питательные вещества, а общим источником азота служат аммиак и аммонийные соли. После завершения стадии ферментации культуру подвергают термообработке для уменьшения содержания рибонуклеиновой кислоты, а затем отделяют мицелий методом вакуумного фильтрования.

Источниками белковых веществ могут служить и водоросли. При фототрофном способе питания и образования биомассы они используют углекислый газ атмосферы. Выращивают водоросли, как правило, в поверхностном слое прудов, где с площади 0,1 га можно получить столько же белка, сколько с 14 га посевов фасоли. Белок водорослей пригоден не только для кормовых, но и пищевых целей.

Наконец, хорошими продуцентами белка являются рясковые, которые накапливают протеина до 45% от сухой массы, а также до 45% углеводов. Однако, несмотря на свои малые размеры, они не принадлежат к вышеперечисленным производителям белка (микроорганизмам), так как не только являются многоклеточными организмами, но и относятся к высшим растениям.

Субстраты для получения белка

В качестве источников вещества и энергии микроорганизмы используют самые разнообразные субстраты — нормальные парафины и дистилляты нефти, природный газ, спирты, растительные гидролизаты и отходы промышленных предприятий.

Для выращивания микроорганизмов с целью получения белка хорошо бы иметь богатый углеродом, но дешевый субстрат. Этому требованию вполне отвечают нормальные (неразветвленные) парафины нефти. Выход биомассы может достигать при их использовании до 100% от массы субстрата. Качество продукта зависит от степени чистоты парафинов. При использовании парафинов достаточной степени очистки, полученная дрожжевая масса может успешно применяться в качестве дополнительного источника белка в рационах животных. Одним из перспективных источников углерода для культивирования продуцентов белка высокого качества считается метиловый спирт. Использование метанола в качестве субстрата затруднено из-за его химической структуры: молекула метанола содержит один атом углерода, тогда как синтез большинства органических соединений осуществляется через двухуглеродные молекулы. Наилучшими продуцентами на этом субстрате считаются бактерии, потому что они могут расти на метаноле с добавлением минеральных солей. Процессы получения белка на метаноле достаточно экономичны. Продуцентами белка служат бактерии рода Methylomonas. Использование этанола как субстрата снимает проблему очистки биомассы от аномальных продуктов обмена с нечетным числом углеродных атомов. В США, Японии, Канаде, ФРГ, Великобритании разработаны технологические процессы получения белка на природном газе. Выход биомассы в этом случае может составлять 66% от массы субстрата. В разработанном в Великобритании процессе используется смешанная культура: бактерии Methylomonas, усваивающие метан, Hypomicrobium и Pseudomonas, усваивающие метанол, и два вида неметилотрофных бактерий. Культура характеризуется высокой скоростью роста и продуктивностью. Главные достоинства метана (кстати сказать, основного компонента природного газа) — доступность, относительно низкая стоимость, высокая эффективность преобразования в биомассу метаноокисляющими микроорганизмами, значительное содержание в биомассе белка, сбалансированного по аминокислотному составу Субстратом для микробного синтеза может быть и минеральный углерод — углекислый газ. Окисленный углерод в данном случае с успехом восстанавливается микроводорослями при помощи солнечной энергии и водородоокисляющими бактериями при помощи водорода. На корм скоту используют суспензию водорослей. Для работы установок по выращиванию водорослей необходимы стабильные климатические условия — постоянные температуры воздуха и интенсивность солнечного света. Наиболее перспективно получение белка с помощью водородоокисляющих бактерий, которые развиваются за счет окисления водорода кислородом воздуха. Энергия, высвобождающаяся в этом процессе, идет на усвоение углекислого газа. Для получения биомассы используются, как правило, бактерии рода Hydrogenomonas. Возможно, в будущем эти бактерии станут основным источником пищевых микробных белков. Особого внимания заслуживают способы прямой биоконверсии продуктов фотосинтеза и их производных в белок с помощью грибов. Эти организмы благодаря наличию мощных ферментных систем способны утилизировать сложные растительные субстраты без предварительной обработки. Это процесс, основанный на выращивании целлюлозоразрушающих грибов Chaetomium cellulolyticum, можно осуществлять как в глубинной культуре, так и поверхностным методом. Содержание белка в конечном продукте (высушенном грибном мицелии) составляет 45%. В большинстве стран — производителей молока традиционным способом утилизации сыворотки является скармливание её животным. Степень конверсии белка сыворотки в белок животного весьма невысока (для выработки 1 кг животного белка необходимо 1700 кг сыворотки). В последние 10-15 лет из сыворотки методом ультрафильтрации выделяют белки высокого качества, на основе которых делают заменители сухого обезжиренного молока и другие продукты. Концентраты можно использовать как пищевые добавки и компоненты детского питания. Из сыворотки производится и молочный сахар — лактоза, применяемая в пищевой и медицинской промышленности. При всем при этом объем промышленной переработки сыворотки составляет 50-60% от её общего производства. Следовательно, налицо большие потери ценнейшего молочного белка и лактозы. Более того, возникает проблема утилизации отходов, так как процесс естественного разложения сыворотки происходит крайне медленно. Лактоза молочной сыворотки может служить источником энергии для многих видов микроорганизмов, сырьем для производства продуктов микробного синтеза (органических кислот, ферментов, спиртов, витаминов) и белковой биомассы. Из всех известных микроорганизмов самым высоким коэффициентом конверсии белка сыворотки в микробный белок обладают дрожжи. Разработаны способы получения микробных продуктов, основанные на использовании лактозы как монокультурой, так и смесью дрожжей и бактерий. В настоящее время в качестве продуцентов используют дрожжи родов Candida, Trichosporon, Torulopsis. Молочная сыворотка с выросшими в ней дрожжами по биологической ценности значительно превосходит исходное сырье и её можно использовать в качестве заменителя молока. Приведенный перечень микроорганизмов и процессов получения белка одноклеточных не является исчерпывающим. Однако потенциал этой новой отрасли производства используется далеко не полностью. Кроме того, мы еще не знаем всех возможностей деятельности микроорганизмов в качестве продуцентов белка, но по мере углубления наших знаний, они будут расширены.

Производство микробиологического кормового и пищевого белка

Дефицит кормового белка сдерживает развитие животноводства. Биологическая ценность белка определяется содержанием в нем незаменимых аминокислот, не синтезируемых в организме животного (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин). Недостаток какой — либо из аминокислот в кормах лимитирует усвояемость остальных, приводит к перерасходу кормов и должен компенсироваться концентрированными кормами. Среди зерновых и зернобобовых культур наиболее сбалансирован по содержанию незаменимых аминокислот белок зерна сои, риса и гороха. В белках зерна пшеницы и ячменя содержится мало лизина, метионина и изолейцина, а в белках зерна кукурузы — триптофана. (табл.1)

Одним из путей решения проблемы кормового белка является получение его микробиологическим путем. При этом продуцентами белка служат дрожжи, бактерии, низкие и высшие грибы и одноклеточные водоросли. Микроорганизмы отличаются высоким (до 60% сухой массы) содержанием белка, сбалансированного по аминокислотному составу.

Таблица 1 Содержание незаменимых аминокислот в белках некоторых микроорганизмов в г на 100 г белка (В.С.Шевелуха и др., 2003).

Кроме того, микроорганизмы содержат углеводы, липиды, витамины, макро- и микроэлементы. Важным достоинством производства кормового белка на основе микроорганизмов является использование сельскохозяйственных отходов, возможность организации промышленного производства, отсутствие сезонности и зависимости от погодно-климатических условий.

Кормовые дрожжи получают на отходах деревообрабатывающей, кондитерской, молочной промышленности, сельского хозяйства, парафинов нефти.

Для получения кормовых дрожжей на растительном субстрате (отходы древесины, солома, льняная костра, картофельная мезга, свекловичный жом и др.). наиболее эффективны дрожжи родов (Candida, Torulopsis, Saccharomyces). Растительное сырье, содержащее целлюлозу и гемицеллюлозу, подвергается кислотному гидролизу, в результате чего более половины полисахаридов гидролизуется до моносахаридов. На гидролизатах растительного сырья или на барде, получаемой после сбраживания гидролизатов и отгонки спирта, получают кормовые дрожжи.

Кормовые дрожжи выращивают в специальных ферментерах, где обеспечивается перемешивание суспензии микробных клеток в жидкой питательной среде и аэрация. После окончания рабочего цикла (20 часов) культуральная жидкость вместе с клетками дрожжей выводится из ферментера, после чего дрожжи отделяются от жидкости, подвергаются специальной обработке для разрушения клеточных оболочек, упариваются и высушиваются.

Субстратом для получения кормовых дрожжей могут служить парафины нефти в сочетании с макро- и микроэлементами, витаминами и аминокислотами. Этот процесс впервые был освоен в СССР, а годовой объем белково-витаминных концентратов (БВК) полученных из парафинов нефти, достигал 1 млн.т. В Западной Европе парафины нефти для этих целей не применяются в связи с дороговизной сырья. Кроме того, кормовые дрожжи, полученные на основе парафинов нефти, могут содержать вредные примеси, а отходы производства экологически небезопасны.

В качестве субстратов для получения кормовых дрожжей могут служить также спирты этанол и метанол, полученные из растительных отходов или природного газа.

При переработке молока образуется молочная сыворотка, каждая тонна которой содержит 50 кг молочного сахара, до 10 кг белка; 1.5 кг жира, витамины, микроэлементы и др .(А.Г. Лобанок и др.1988). Прямое применение сыворотки для скармливания животным осложнено транспортировкой, хранением, низкой стоимостью, низкой степенью конверсии белка сыворотки в белок тела животных. Весьма перспективно производство белково-витаминных продуктов при использовании технологических процессов на основе дрожжей, способных к росту на молочной сыворотке. Такой штамм дрожжей Torulopsis candida был выделен из французского сыра камамбер в Институте микробиологии НАН Беларуси. Институтом совместно с Белорусским филиалом ВНИИ молочной промышленности и Белорусским НИИ животноводства созданы технологии получения ряда кормовых препаратов на основе микробной переработки молочной сывортоки (Био-Зум, Промикс, Провилакт, Провибел и др.).Препараты ЗЦМ (заменители цельного молока) превосходят сыворотку по содержанию и качеству белка, а также витаминов. Каждая тонна использованного в животноводстве БИО-ЗЦМ высвобождает для пищевых целей 8 т цельного молока.

Сухой обогащенный белками кормовой продукт «Провилакт » применяется как заменитель сухого обезжиренного молока.

Жидкий белковый продукт «Промикс» с содержанием белка в 2.5-3 раза выше, чем в исходной молочной сыворотке, предназначен для откорма свиней.

Белковые концентраты из бактерий. Бактерии в качестве продуцентов белка отличаются высокой скоростью роста, содержат в биомассе до 70-80 % белка с высокой концентрацией метионинa. Субстратом для получения белка могут быть в этом случае природный газ, метанол, этанол, водород. Продуцентами белка из метанола являются бактерии рода Methylomonas, Pseudomonas, Methylophillus; из этанола — Аcinetobacter. Для производства белка используют ферментеры. Производство белка из метанола налажено в Великобритании, Швеции,ФРГ,США, Италии, России; из этанола — в США, Японии, ФРГ, Испании, России.

Продуцентами белка из водорода являются бактерии из рода Hydrogenomonas. Они содержат в биомассе до 80% белка с 35-40% незаменимых аминокислот. В перспективе этот процесс может быть использован для получения пищевых микробных белков.

Кормовые белки из водорослей

В ряде стран для получения кормового белка применяют одноклеточные водоросли Chlorella и Scenedesmus, а также сине-зеленые водоросли Spirulina, которые используют в качестве источника энергии солнечный свет.

Возможно выращивание водорослей в открытых водоемах , а также в закрытых системах. С 1 га в одной поверхности открытого типа получают до 70 т сухой биомассы в год, причем содержание белков в клетках хлореллы и сценедесмус составляет 45-50% на сухую массу, а в клетках спирулины — 60-65%. Возможно выращивание водорослей на промышленных и сельскохозяйственных стоках, что позволяет не только получить ценный корм, но и обеззараживать стоки (В.С.Шевелуха и др., 2003).

Кормовые белки из грибов.

Грибы (высшие и низшие) являются ценными продуцентами белков, способными использовать в качестве субстрата мелассу, молочную сыворотку, сок растений, лигнин — и целлюлозосодержащие отходы пищевой и деревообрабатывающей промышленности (А.Г.Лобанок и др.,1988).Белки грибного мицелия по содержанию незаменимых аминокислот близки к белкам сои. Они богаты лизином, имеют высокую биологическую ценность и усвояемость. Для промышленного культивирования подобраны быстрорастущие штаммы грибов из родов Penicillium, Aspergillus,Fusarium, Trichoderma. В биомассе грибов синтезируется 20-60% белков от сухой массы.

Читать еще:  Какие лилии можно выращивать в комнатных условиях?

Пищевой белок.

Достигнув 21-го века, человечество не решило главной проблемы — проблемы голода. Рост народонаселения на планете, сокращение площади питания на одного жителя планеты в результате эрозии и отвода земель на несельскохозяйственные нужды требует поиска новых решений для обеспечения населения продовольствием. Человек должен потреблять ежедневно 60-100 г белка. Повышение производительности в растениеводстве и животноводстве требует увеличения энергетических расходов на единицу продукции и усиливает антропогенное давление на окружающую среду. Альтернативой такого подхода может быть производство пищевого белка биотехнологическим путем на основе переработки субстрата микроорганизмами. В качестве субстрата могут использоваться метиловый и этиловый спирты, природный газ, соединения неорганической природы, древесина. Продуцентами пищевого белка могут быть дрожжи, бактерии, грибы, микроскопические водоросли.

Такие подходы к производству пищевого белка уже испытаны в ряде стран. Добавкой к пище могут служить дрожжи рода Candida, выращенные на мелассе. В Японии производят пищевые продукты на основе водорослей хлореллы и спирулины. В Великобритании используют для получения пищевого белка нетоксичные штаммы грибов рода Fusarium. В Германии выпускается в качестве белкового пищевого продукта облагороженная бактериальная биомасса, выращенная на метаноле. В Новой Зеландии совместно с Великобританией разработан способ получения пищевого продукта из грибов рода Penicillium, в Австрии — из дрожжей-сахаромицетов, во Франции — из дрожжеванной молочной сыворотки (А.Г.Лобанок и др.,1988). Таким образом, получение пищевого белка весьма перспективно как путь решения продовольственной проблемы, утилизации отходов сельского хозяйства, сбережения ресурсов и охраны окружающей среды.

Производство белка — Protein production

Производство белка — это биотехнологический процесс производства определенного белка . Обычно это достигается манипулированием экспрессией гена в организме таким образом, чтобы он экспрессировал большие количества рекомбинантного гена . Это включает в себя транскрипцию из рекомбинантной ДНК к матричной РНК ( мРНК ), в переводе мРНК в полипептидных цепей, которые в конечном счете , сложенными в функциональные белки и может быть целевых к конкретным субклеточном или внеклеточных местах.

Системы производства белка (на лабораторном жаргоне также называемые «системами экспрессии») используются в науках о жизни , биотехнологии и медицине . В молекулярно-биологических исследованиях используются многочисленные белки и ферменты, многие из которых происходят из систем экспрессии; в частности, ДНК-полимераза для ПЦР , обратная транскриптаза для анализа РНК, эндонуклеазы рестрикции для клонирования, а также для создания белков, которые проверяются при открытии лекарств в качестве биологических мишеней или самих потенциальных лекарств. Существуют также важные применения систем экспрессии в промышленной ферментации , особенно в производстве биофармацевтических препаратов, таких как человеческий инсулин, для лечения диабета и производства ферментов .

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Системы производства белка
    • 1.1 Системы на основе ячеек
      • 1.1.1 Бактериальные системы
        • 1.1.1.1 Escherichia coli
        • 1.1.1.2 Corynebacterium
        • 1.1.1.3 Pseudomonas fluorescens
      • 1.1.2 Эукариотические системы
        • 1.1.2.1 Дрожжи
        • 1.1.2.2 Нитчатые грибы
        • 1.1.2.3 Бакуловирусные -infected клетки
        • 1.1.2.4 Нелитическая экспрессия клеток насекомых
        • 1.1.2.5 Экскавата
        • 1.1.2.6 Системы млекопитающих
    • 1.2 Бесклеточные системы
  • 2 См. Также
  • 3 ссылки
  • 4 Дальнейшее чтение
  • 5 Внешние ссылки

Системы производства белка

Обычно используемые системы продуцирования белков включают системы, полученные из бактерий , дрожжей , бакуловирусов / насекомых , клеток млекопитающих и, в последнее время, нитчатых грибов, таких как Myceliophthora thermophila . Когда биофармацевтические препараты производятся с использованием одной из этих систем, связанные с процессом примеси, называемые белками клетки-хозяина, также попадают в конечный продукт в следовых количествах.

Системы на основе ячеек

Самые старые и наиболее широко используемые системы экспрессии основаны на клетках и могут быть определены как « комбинация вектора экспрессии , его клонированной ДНК и хозяина для вектора, которые обеспечивают контекст, позволяющий чужеродному гену функционировать в клетке-хозяине, который то есть производить белки на высоком уровне ». Сверхэкспрессия — это аномально и чрезмерно высокий уровень экспрессии гена, который приводит к выраженному фенотипу, связанному с генами .

Есть много способов ввести чужеродную ДНК в клетку для экспрессии, и для экспрессии можно использовать множество разных клеток-хозяев — каждая система экспрессии имеет определенные преимущества и недостатки. На системы экспрессии обычно ссылаются хозяин и источник ДНК или механизм доставки генетического материала. Например, обычными хозяевами являются бактерии (такие как E.coli , B. subtilis ), дрожжи (такие как S.cerevisiae ) или линии эукариотических клеток . Обычными источниками ДНК и механизмами доставки являются вирусы (например, бакуловирус , ретровирус , аденовирус ), плазмиды , искусственные хромосомы и бактериофаги (например, лямбда ). Наилучшая система экспрессии зависит от задействованного гена , например, Saccharomyces cerevisiae часто предпочтительнее для белков, требующих значительной посттрансляционной модификации . Линии клеток насекомых или млекопитающих используются, когда требуется сплайсинг мРНК, подобный человеку. Тем не менее, бактериальная экспрессия имеет то преимущество, что легко продуцирует большие количества белка, который требуется для рентгеновской кристаллографии или экспериментов с ядерным магнитным резонансом для определения структуры.

Поскольку бактерии являются прокариотами , они не оснащены полным ферментативным механизмом для выполнения необходимых посттрансляционных модификаций или молекулярного фолдинга. Следовательно, мультидоменные эукариотические белки, экспрессируемые в бактериях, часто нефункциональны. Кроме того, многие белки становятся нерастворимыми в виде телец включения, которые трудно восстановить без резких денатурирующих агентов и последующего обременительного рефолдинга белка.

Для решения этих проблем были разработаны системы экспрессии с использованием нескольких эукариотических клеток для приложений, требующих, чтобы белки соответствовали эукариотическим организмам или были ближе к ним: клетки растений (например, табака), насекомых или млекопитающих (например, крупного рогатого скота) трансфицировали генами и культивируют в суспензии и даже в виде тканей или целых организмов для получения полностью свернутых белков. Однако системы экспрессии млекопитающих in vivo имеют низкий выход и другие ограничения (трудоемкость, токсичность для клеток-хозяев и т. Д.). Чтобы объединить высокую урожайность / продуктивность и масштабируемые белковые характеристики бактерий и дрожжей, а также продвинутые эпигенетические особенности систем растений, насекомых и млекопитающих, были разработаны другие системы производства белка с использованием одноклеточных эукариот (т.е. непатогенных клеток Leishmania ).

Бактериальные системы
кишечная палочка

E. coli является одним из наиболее широко используемых хозяев для экспрессии, и ДНК обычно вводят ввектор экспрессии плазмиды . Методы сверхэкспрессии в E. coli хорошо разработаны и работают за счет увеличения количества копий гена или увеличения силы связывания промоторной области, что способствует транскрипции.

Например, последовательность ДНК представляющего интерес белка может быть клонирована или субклонирована в плазмиду с большим числом копий, содержащую промотор lac (часто LacUV5 ), которая затем трансформируется в бактерию E. coli . Добавление IPTG ( аналог лактозы ) активирует промотор lac и заставляет бактерии экспрессировать интересующий белок.

Штаммы E. coli BL21 и BL21 (DE3) — это два штамма, обычно используемые для производства белка. Как представители линии B, они лишены протеаз lon и OmpT , защищающих продуцируемые белки от деградации. Профаг DE3, обнаруженный в BL21 (DE3), обеспечивает РНК-полимеразу T7 (управляемую промотором LacUV5), что позволяет использовать вместо этого векторы с промотором T7.

Коринебактерии

Непатогенные виды грамположительных коринебактерий используются для коммерческого производства различных аминокислот. В С.glutamicum , вид широко используется для производства глутамата и лизина , компоненты человеческой пищи, корма для животных и фармацевтических продуктов.

Экспрессия функционально активного эпидермального фактора роста человека была проведена в C. glutamicum , что продемонстрировало потенциал промышленного производства белков человека. Экспрессированные белки могут быть нацелены на секрецию либо через общий секреторный путь (Sec), либо через путь транслокации двойного аргинина (Tat).

В отличие от грамотрицательных бактерий , у грамположительных Corynebacterium отсутствуют липополисахариды, которые действуют как антигенные эндотоксины у людей.

Pseudomonas fluorescens

Непатогенные и грамотрицательные бактерии, Pseudomonas fluorescens , используются для производства рекомбинантных белков на высоком уровне; обычно для разработки биотерапевтических препаратов и вакцин. P. fluorescens — это метаболически разносторонний организм, позволяющий проводить высокопроизводительный скрининг и быстрое развитие сложных белков. P. fluorescens наиболее известен своей способностью быстро и успешно производить высокие титры активного растворимого белка.

Эукариотические системы
Дрожжи

Системы экспрессии с использованием либо S. cerevisiae, либо Pichia pastoris обеспечивают стабильное и продолжительное производство белков, которые обрабатываются аналогично клеткам млекопитающих с высоким выходом в белковых средах с определенным химическим составом.

Нитчатые грибы

Нитчатые грибы, особенно Aspergillus и Trichoderma , а также в последнее время Myceliophthora thermophila C1, были разработаны в качестве платформ экспрессии для скрининга и производства различных промышленных ферментов . Система экспрессии C1 демонстрирует морфологию низкой вязкости в погруженной культуре, что позволяет использовать сложные среды для выращивания и продуцирования.

Бакуловирус -infected клетки

Бакуловирусом -infected клеток насекомых ( Sf9 , SF21 , High Five штаммов) или клетки млекопитающих ( HeLa , HEK 293 ) позволяют производить гликозилированных или мембранных белков , которые не могут быть получены с помощью грибковой или бактериальной системы. Это полезно для производства белков в больших количествах. Гены не экспрессируются постоянно, потому что инфицированные клетки-хозяева в конечном итоге лизируются и умирают во время каждого цикла заражения.

Нелитическая экспрессия клеток насекомых

Нелитическая экспрессия клеток насекомых является альтернативой литической системе экспрессии бакуловируса. При нелитической экспрессии векторы временно или стабильно трансфицируются в хромосомную ДНК клеток насекомых для последующей экспрессии генов. Затем следует отбор и скрининг рекомбинантных клонов. Нелитическая система была использована для получения более высокого выхода белка и более быстрой экспрессии рекомбинантных генов по сравнению с экспрессией инфицированных бакуловирусом клеток. Клеточные линии, используемые для этой системы, включают: Sf9 , Sf21 из клеток Spodoptera frugiperda , Hi-5 из клеток Trichoplusia ni , а также клетки Schneider 2 и Schneider 3 из клеток Drosophila melanogaster . В этой системе клетки не лизируются, и можно использовать несколько режимов культивирования. Кроме того, можно воспроизводить циклы производства белка. Эта система дает однородный продукт. Недостатком этой системы является необходимость дополнительной стадии скрининга для отбора жизнеспособных клонов .

Экскавата

Системы экспрессии Leishmania tarentolae (не могут инфицировать млекопитающих) обеспечивают стабильное и продолжительное производство белков с высоким выходом в химически определенных средах. Полученные белки демонстрируют полностью эукариотические посттрансляционные модификации, включая гликозилирование и образование дисульфидной связи.

Системы млекопитающих

Наиболее распространенными системами экспрессии у млекопитающих являются клетки яичника китайского хомячка (СНО) и клетки эмбриональной почки человека (НЕК).

  • Клетка яичника китайского хомячка
  • Мышь миелома lymphoblstoid (например NS0 клеток)
  • Полностью человек
    • Эмбриональные клетки почек человека ( HEK-293 )
    • Эмбриональные клетки сетчатки человека (Crucell’s Per.C6)
    • Человеческое amniocyte клетка (гликотоп и CEVEC)

Бесклеточные системы

Бесклеточное производство белков осуществляется in vitro с использованием очищенной РНК-полимеразы, рибосом, тРНК и рибонуклеотидов. Эти реагенты могут быть получены экстракцией из клеток или из клеточной системы экспрессии. Из-за низких уровней экспрессии и высокой стоимости бесклеточных систем более широко используются клеточные системы.

Производство белка

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат на тему:

Исполнитель: студентка 243 гр.

Преподаватель: к.б.н., доцент,

СОДЕРЖАНИЕ

1.Белок одноклеточных организмов 4

1.1.Получение микробного белка на низших спиртах__ 4

1.2. Получение белковых веществ на углеводном сырье____ 7

2.Грибной белок (микопротеин)________ 8

Микроорганизмы начали использовать в производстве белковых продуктов задолго до возникновения микробиологии. Достаточно упомянуть всевозможные разновидности сыра, а также продукты, получаемые путем ферментации соевых бобов. И в первом, и во втором случае питательной основой является белок. При выработке этих продуктов при участии микробов происходит глубокое изменение свойств белоксодержащего сырья. В результате получают пищевые продукты, которые можно дольше хранить (сыр) или удобнее потреблять (соевый творог). Микробы играют роль в производстве некоторых мясных продуктов, предназначенных для хранения. Так, при изготовлении некоторых сортов колбасы используется кислотное брожение, обычно при участии комплекса молочнокислых бактерий. Образовавшаяся кислота способствует сохранности продукта и вносит вклад в формирование его особого вкуса.

Этим, пожалуй, и ограничивается использование микроорганизмов в переработке белков. Возможности современной биотехнологии в этих производствах невелики, за исключением сыроделия. Другое дело – выращивание и сбор микробной массы, перерабатываемой в пищевые продукты: здесь биотехнология может проявить себя во всей полноте.

1.Белок одноклеточных организмов

По многим важным показателям биомасса микроорганизмов может обладать весьма высокой питательной ценностью. В немалой степени эта ценность определяется белками: у большинства видов они составляют значительную долю сухой массы клеток. На протяжении десятилетий активно обсуждаются и исследуются перспективы увеличения доли белка микроорганизмов в общем балансе производимого во всем мире белка.

Производство такого белка связано с крупномасштабным выращиванием определенных микроорганизмов, которые собирают и перерабатывают в пищевые продукты. Чтобы осуществить возможно более полное превращение субстрата в биомассу микробов, требуется многосторонний подход. Выращивание микробов в пищевых целях представляет интерес по двум причинам. Во-первых, они растут гораздо быстрее, чем растения и животные: время удвоения их численности измеряется часами. Это сокращает сроки, нужные для производства определенного количества пищи. Во-вторых, в зависимости от выращиваемых микроорганизмов в качестве субстратов могут использоваться разнообразные виды сырья. Что касается субстратов, то здесь можно идти по двум главным направлениям: перерабатывать низкокачественные бросовые продукты или ориентироваться на легкодоступные углеводы и получать за их счет микробную биомассу, содержащую высококачественный белок.

1.1.Получение микробного белка на низших спиртах

Культивирование на метаноле. Основное преимущество этого субстрата – высокая чистота и отсутствие канцерогенных примесей, хорошая растворимость в воде, высокая летучесть, позволяющая легко удалять его остатки из готового продукта. Биомасса, полученная на метаноле, не содержит нежелательных примесей, что дает возможность исключить из технологической схемы стадии очистки.

Однако, необходимо учитывать при проведении процесса и такие особенности метанола, как горючесть и возможность образования взрывоопасных смесей с воздухом.

В качестве продуцентов, использующих метанол в конструктивном обмене, были изучены как дрожжевые, так и бактериальные штаммы. У дрожжей были рекомендованы в производство Candida boidinii, Hansenula polymorpha и Piehia pastoris, оптимальные условия для которых (t=34-37 ° C, рН=4,2-4,6) позволяют проводить процесс с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,40 при скорости протока в интервале 0,12-0,16 ч -1 . Среди бактериальных культур применяется Methylomonas clara, Pseudomonas rosea и др, способные развиваться при t=32-34 ° C, рН=6,0-6,4 с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,55 при скорости протока до 0,5 ч -1 .

Особенности процесса культивирования во многом обусловлены применяемым штаммом-продуцентом (дрожжи или бактерии) и условиями асептики. Ряд зарубежных фирм предлагает использовать дрожжевые штаммы и проводить выращивание в отсутствии строгой асептики. В этом случае технологический процесс протекает в ферментёре эжекционного типа производительностью 75 т АСВ в сутки, а удельный расход метанола составляет 2,5 т/т АСВ.

При культивировании дрожжей в асептических условиях рекомендованы аппараты колонного или эрлтфитного типа производительностью 75-100 т АСВ/сут при расходе метанола до 2,63 т/т АСВ. В том и другом случае процесс культивирования проводится одностадийно, без стадии «дозревания» с невысокой концентрацией субстрата (8-10 г/л).

В ряде стран в качестве продуцентов применяются бактериальные штаммы, процесс проводится в асептических условиях в ферментерах эрлифитного или струйного типов производительностью 100-300 т/сут и расходом метанола до 2,3 т/т АСВ. Ферментация осуществляется одностадийно при невысоких концентрациях спирта (до 12 г/л) с высокой степенью утилизации метанола.

Наиболее перспективным по своей конструкции является струйный ферментёр Института технической химии АН ГДР. Ферментёр объемом 1000м 3 состоит из секций, расположенных одна над другой и соединенных между собой шахтными переливами. Ферментационная среда из нижней секции ферментёра по напорному трубопроводу подается центробежными циркуляционными насосами в верхние шахтные переливы, через которые проходит в низлежащую секцию, подсасывая при этом воздух из газовода. Таким образом, среда протекает из секции в секцию, постоянно подсасывая новые порции воздуха. Падающие струи в шахтных переливах обеспечивают интенсивное аэрирование среды.

Питательная среда непрерывно подается в зону верхних шахтных переливов, а микробная суспензия отводится из выносных контуров. На стадии выделения для всех видов продуцентов предусмотрено отделение грануляции с целью получения готового продукта в гранулах.

Кормовые дрожжи, полученные на метаноле, имеют следующий процентный состав: сырой протеин 56-62; липиды 5-6; зола 7-11; влага 8-10; нуклеиновые кислоты 5-6. Бактериальная биомасса характеризуется следующим составом: сырой протеин 70-74; липиды 7-9; зола 8-10; нуклеиновые кислоты 10-13; влажность 8-10.

Кроме метанола, в качестве высококачественного сырья используют этанол, который имеет малую токсичность, хорошую растворимость в воде, небольшое количество примесей.

В качестве микроорганизмов – продуцентов белка на этиловом спирте как единственном источнике углерода могут использоваться дрожжи (Candida utilis, Sacharomyces lambica, Hansenula anomala, Acinetobacter calcoaceticus). Процесс культивирования проводят одностадийно в ферментерах с высокими массообменными характеристиками при концентрации этанола не более 15 г/л.

Дрожжи, выращенные на этаноле, содержат (%): сырого протеина 60-62; липидов 2-4; золы 8-10; влаги до 10.

1.2. Получение белковых веществ на углеводном сырье

Исторически одним из первых субстратов, используемых для получения кормовой биомассы, были гидролизаты растительных отходов, предгидрализаты и сульфитный щелок – отходы целлюлозно-бумажной промышленности. Интерес к углеводному сырью как основному возобновляемому источнику углерода значительно возрос еще и с экологической точки зрения, так как оно может служить основой для создания безотходной технологии переработки растительных продуктов.

В связи с тем, что гидролизаты представляют собой сложный субстрат, состоящий из смеси гексоз и пентоз, среди промышленных штаммов- продуцентов получили распространение виды дрожжей C.utilis, C.scottii и C.tropicalis, способные наряду с гексозами усваивать пентозы, а также переносить наличие фурфурола в среде.

Состав питательной среды в случае культивирования на углеводородном сырье значительно отличается от применяемого при выращивании микроорганизмов на углеводородном субстрате. В гидролизатах и сульфитных щелоках имеются в небольшом количестве практически все необходимые для роста дрожжей микроэлементы. Недостающие количества азота, фосфора и калия вводятся в виде общего раствора солей аммофоса, хлорида калия и сульфата аммония.

Ферментация осуществляется в эрлифтных аппаратах конструкции Лефрансуа-Марийе объемом 320 и 600 м 3 . Процесс культивирования дрожжей осуществляется в непрерывном режиме при рН 4,2-4,6. Оптимальная температура от 30 до 40 ° С.

Кормовые дрожжи, полученные при культивировании на гидролизатах растительного сырья и сульфитных щелоках, имеют следующий состав (%): белок 43-58; липиды 2,3-3,0; углеводы 11-23; зола – до 11; влажность – не более 10.

Одним из перспективных субстратов в производстве кормовой биомассы являются гидролизаты торфа, имеющие в своем составе большое количество легкоусвояемых моносахаров и органических кислот. Дополнительно в состав питательной среды вводятся лишь небольшие количества суперфосфата и хлорида калия. Источником азота служит аммиачная вода. По качеству кормовая биомасса, полученная на гидролизатах торфа, превосходит дрожжи, выращенные на отходах растительного сырья.

2.Грибной белок (микопротеин)

Микопротеин – это пищевой продукт, состоящий в основном из мицелия гриба. При его производстве используется штамм Fusarium graminearum, выделенный из почвы. Микопротеин производят сегодня на опытной установке методом непрерывного выращивания. В качестве субстрата используется глюкоза и другие питательные вещества, а источниками азота служат аммиак и аммонийные соли. После завершения стадии ферментации культуру подвергают термообработке для уменьшения содержания рибонуклеиновой кислоты, а затем отделяют мицелий методом вакуумного фильтрования.

Если сопоставить производство микопротеина с процессом синтеза белков животных, то выявится ряд его преимуществ. Помимо того, что здесь выше скорость роста, превращение субстрата в белок происходит несравненно эффективнее, чем при усвоении пищи домашними животными. Это отражено в таблице 1.

Нелишне напомнить, что корма для животных должны содержать некоторое количество белка, до 15-20% в зависимости от вида животных и способа их содержания. Положительным фактором является и волокнистое строение выращенной культуры; текстура массы мицелия близка к таковой у естественных продуктов, поэтому у продукта может быть имитирована текстура мяса, а за счет добавок – его вкус и цвет. Плотность продукта зависит от длины гиф выращенного гриба, которая определяется скоростью роста.

Таблица 1. Эффективность конверсии при образовании белка для различных животных и Fusarium graminearum.

Исходный продуктПродукция
Белок, гОбщая, г
Корова1 кг корма1468 говядины
Свинья1 кг корма41200 свинины
Курица1 кг корма49240 мяса
Fusarium graminearum1 кг углеводов + неорганический азот1361080 клеточной массы

После проведения всесторонних исследований питательной ценности и безвредности микопротеина министерство сельского хозяйства, рыболовства и пищевых продуктов дало разрешение на его продажу в Англии. Содержание питательных веществ в нем указано в таблице 2.

Таблица 2. Средний состав микопротеина и сравнение его с составом говядины.

КомпонентыСостав, % (на сухой вес)
микопротеинбифштекс
Белки4768
Жиры1430
Пищевые волокна25Следы
Углеводы10
Зола32
РНК1Следы

ЛИТЕРАТУРА

1. Биотехнология: Принципы и применение. Под ред. И.Хиггенса и др. Москва: «Мир», 1988 г.

2. Биотехнология. Производство белковых веществ. В.А.Быков, М.Н.Манаков и др. Москва «Высшая школа», 1987 г.

3. Воробьева А.И. Промышленная микробиология. Изд. Московского университета, 1989 г.

Использование микроорганизмов в качестве источников незаменимых нутриентов

Среди природных биологических объектов наиболее перспективным является использование микроорганизмов, которые в мире живых существ не имеют себе равных по скорости производства белка.

Опыт применения микроорганизмов для пищевых целей свидетельствует о том, что для производства наиболее подходящими являются три основные формы: цельная биомасса, частично очищенная биомасса, подвергнутая автолизу и гидролизу для разрушения клеточных стенок и удаления нежелательных компонентов, белковые изоляты и концентраты.

Читать еще:  Как правильно выращивать вешенку в домашних условиях?

К одной из наиболее важных проблем развития пищевой индустрии следует отнести проблему получения пищевого белка. В настоящее время мировой дефицит белка по разным оценкам составляет около 10-15 млн. т в год. Особой проблемой является дефицит полноценного белка, отличающегося высокой биологической ценностью. Не менее важной проблемой является профилактика витаминной недостаточности в России и большинстве экономически развитых странах мира. Однако решить проблему белкового и витаминного дефицита за счет интенсификации производства обычных сельскохозяйственных продуктов в настоящее время не представляется возможным.

В современной жизни, особенно в последние десятилетия эта область науки получила бурное развитие, в т.ч. в результате крупномасштабного применения в пищевой промышленности очищенных ферментных препаратов и других пищевых добавок, источником которых являются бактерии, дрожжи, микроскопические грибы. Так, сроки удвоения белковой массы у некоторых представителей животных, растений и микроорганизмов следующие: крупный рогатый скот — 5 лет, свиньи — 4 месяца, цыплята — 1 месяц, высшие растения — 1-4 недели, бактерии и дрожжи — 1-6 часов.

Наиболее приемлемыми формами белковых продуктов микробного синтеза являются изоляты и концентраты белков. Их химический состав, согласно данным В.Г. Высоцкого, должен отвечать определенным требованиям (табл. 3.9). Таблица 3.9

Среди микроорганизмов, используемых в питании человека, дрожжи более других изучены с гигиенической точки зрения. Они применяются с давних времен в народной медицине и лечебном питании как ценный поливитаминный и белковый комплекс. Остаточные пивные дрожжи получают после главного брожения и дображивания. Выход их составляет 0,5 % вырабатываемого пива. Эти дрожжи обладают высокой пищевой ценностью, а организм человека усваивает свыше 90 % всех питательных веществ, содержащихся в них. Стоимость пивных дрожжей, являющихся отходами пивоваренного производства, относительно низкая.

Наличие нормативной документации и фармакопейной статьи (ФС 42-654/72) на производство и применение пивных дрожжей и препаратов на их основе определяет показатели безопасности этого продукта для человека.

Н.И. Лузиной и В.М. Позняковским изучена витаминная ценность пивных дрожжей Sacchar. сarlsbergensis (II расса) в процессе их технологического использования, определяемого числом генераций. Показано, что биомасса остаточных пивных дрожжей является богатым источником витаминов группы В. Содержание тиамина составляет на 100 г сухого вещества биомассы (34,0+1,63) мг, рибофлавина (4,1+0,15) мг, ниацина (56,5+3,89) мг. Согласно имеющейся нормативной документации, сухие пивные дрожжи содержат белка не менее 48%, тиамина — не менее 10 мг в 100 г, рибофлавина — не менее 3 мг в 100 г. Количество нуклеиновых кислот не превышает 5 % от сухого вещества.

Аминокислотный состав остаточных пивных дрожжей характеризуется относительно хорошей сбалансированностью незаменимых аминокислот. При добавлении цистеина он не уступает белкам мяса, а также широко применяемым белковым препаратам молока и сои. Содержание незаменимых аминокислот — А (г/100 г белка) и химический скор — С (% относительной шкалы ФАО/ВОЗ) в различных продуктах приведены в табл. 3.10.

Применение нативных пивных дрожжей в питании человека не обеспечивает ожидаемого физиологического эффекта — необходимо предварительное разрушение их клеточной оболочки для экстракции биологически активных веществ. С этой целью используют автолиз, плазмолиз, кислотный и ферментативный гидролиз. При производстве продуктов подготовленные дрожжи соединяют с основным продуктом, например, мясом при куттеровании.

Согласно многочисленным данным, употребление сухих дрожжей в количестве до 15 г в день в рационе взрослого человека не приводит к каким-либо нарушениям физиологических функций. По мнению исследователей, условно опасный порог потребления дрожжей находится на уровне 10 г дрожжевого белка или около 20 г сухих дрожжей, учитывая, что содержание нуклеиновых кислот в пересчете на общий белок составляет около 20 %.

Таблица 3.10 Биологическая ценность некоторых продуктов

АминокислотаШкала ФАО/ВОЗГовядина (мышечная ткань)Дрожжи пивные сухиеКазеинат натрияСоевый изолят
Изолейцин4,01004,41104,51124,51124,4110
Лейцин7,01007,51077,51077,81117,8111
Лизин5,51008,114710,61937,61385,6102
Метионин + цистин3,51004,21201,337 *2,983 *2,160
Фенилаланин + тирозин6,01007,81307,51259,11528,6143
Треонин4,01004,11024,81203,895 *3,588 *
Триптофан1,01001,31301,11101,41401,1110
Валин5,01005,31065,91186,01204,488 *
Общее количество незаменимых аминокислот36,042,743,243,137,5

К недостаткам пивных дрожжей относится их специфическая горечь, они крайне нестойки при хранении.

В последнее время популярность дрожжей в производстве БАВ упала из-за присущего этим микроорганизмам высокого содержания в биомассе нуклеиновых кислот, а также их неспособности усваивать полисахариды. Эти недостатки частично устраняются при использовании, например, микроскопических грибов. Развитие этого направления связано с переходом на индустриальный, не сельскохозяйственный способ производства пищи, однако сопряжено с глубокими медико-биологическими исследованиями, аспекты которых связаны с химической характеристикой и оценкой функционально-технологических свойств.

Наряду с апробированными в производстве продуктов микроорганизмами имеется ряд других, не менее интересных с этой точки зрения белково-витаминных препаратов микробного синтеза. Микроорганизмы и препараты на их основе могут быть использованы в производстве продуктов не только в качестве источника белка и витаминов. Большое внимание уделяется применению бактериальных культур дрожжей и грибов в технологии производства мясных изделий, в частности сыровяленых и сырокопченых колбас с целью интенсификации производства.

Принципы биотехнологии положены в основу получения подсластителей (например, белок туматин, выделенный из растения Thaumatococcus damelli и трансплантированный Escherichia coli в 3000 раз слаще сахарозы). Особый интерес представляет сладкие дипептид аспартам, молекулу которого образуют две аминокислоты: фенилаланин и аспарагиновая кислота. Обе аминокислоты синтезированы микробиологическим путем.

В настоящее время стали развиваться следующие направления использования микроорганизмов в производстве мясопродуктов: получение ароматических и красящих веществ; улучшение технологических свойств сырья; создание высокоэффективных биодатчиков для анализа содержания компонентов фаршевых продуктов.

Микроорганизмы — продуценты белка

К микроорганизмам, широко используемым в микробиологической промышленности для получения микробной биомассы и продуктов метаболизма, относятся бактерии, микроскопические грибы, актиномицеты и дрожжи.

Практически все эти группы микроорганизмов могут быть использованы с большей или меньшей эффективностью в био-трансформации вторичного сельскохозяйственного сырья. Высокая эффективность целлюлолитических бактерий Calulommas отмечена при введении в состав растительных силосов совместно с соломой. При помощи молочнокислых бактерий рода Lactobacillus перспективна биотрансформация коричневого сока зеленых растений с целью стабилизации белковых веществ сока обогащения его органическими кислотами и пробиотическими свойствами. Ацидофильные бактерии выращиваются на навозной жиже с добавлением некоторых легкоусваиваюшихся источников углерода (меласса, метанол, глюкоза). Получаемая при этом биомасса содержит до 71% сырого белка.

Культивирование пропионовокислых бактерий на разбавленном свином навозе позволяет получить белковый препарат с содержанием сырого протеина 29.6—36,5%. При добавлении к разбавленному свиному навозу маточной сыворотки после ферментации пропионовокислых бактерий при температуре 20-30 0 С з течение 42-48 часов можно получить препарат, обогащенный белком и содержащий в то же время значительное количество витаминов В12.

Наиболее интенсивно процесс протеинизации вторичного сельскохозяйственного сырья идет при активном перемешивании аэрации, повышенной температуре и использовании термофильных бактерий. Однако, такая интенсификация процесса биотрансформации неизбежно сопровождается значительным повышением затрат на его реализацию, что нередко заставляет использовать в практической жизни менее дорогостоящие технологии.

В последние годы одним из перспективных направлений утилизации сельскохозяйственных отходов признается переработка их путем выращивания бактерий в анаэробных условиях с получением биогаза и плотного остатка как ценного удобрения. В то же время обработка разжиженных отходов (1—4% сухого остатка) анаэробной ферментацией с производством биогаза становится реальной только при сгущении жидких экскрементов седиментацией. Высокая степень сгущения исходного навоза, например, позволяет повысить энергетический коэффициент анаэробной переработки. Однако сгущение обязательно будет сопровождаться формированием значительно большего количества малоконцентрированных стоков, которое выпадает из сферы деятельности процесса анаэробной ферментации.

Образование в современном агропромышленном комплексе огромных масс малоконцентрированных жидких отходов в значительной степени обусловило интерес к микроводорослям как к возможному фактору биотрансформации подобных отходов. Биомассу водорослей предполагается использовать не только как компонент кормов, но и как исходное сырье для производства пищевых продуктов, витаминов и других ценных веществ.

Недостатком микроскопических водорослей и большинства бактерий является их неспособность или весьма низкая способность потреблять такие полимеры, как целлюлоза, гемииеллюло-за, лигнин, которые составляют основную массу сухого остатка сельскохозяйственных отходов. В этом плане особую группу составляют микроскопические грибы, среди которых достаточно широко распространена способность парализовать и потреблять эти высокомолекулярные вещества.

Необходимость создания индустриальной технологии производства кормового и пищевого белка путем микробиологической конверсии растительного сырья стимулировала поиск микромицетов, разлагающих не только углеводный, но и лигниновый компонент субстратов. Был обнаружен ряд мииелиальных грибов, обладающих мощными комплексами целлюлолитических и лигнолитических ферментов. Мииелиальные грибы способны синтезировать как полный набор целлюлозосодержаших ферментов так и отдельные ферменты, например ксиланазы, разрушающие более доступную аморфную целлюлозу или гемицеллюлозу. Грибы синтезируют мацерируюшие ферменты, амилазы, которые также могут играть значительную роль в превращении вторичного сельскохозяйственного сырья в новые, более ценные продукты.

Синтез гидролитических ферментов и накопление биомассы гриба бывают в значительной степени обусловлены составом питательной среды, т.е. того вторичного сырья, которое подвергается трансформации. Целлюлазная, и в особенности целлюлазно-лигниназная, активность микроскопических грибов обеспечивает возможность их использования для прямой биоконверсии лигноцеллюлозных отходов агропромышленного комплекса. Грибы могут культивироваться на жидких средах, содержащих лиг-ноцеллюлозный компонент.

В настоящее время активно изучается твердофазная ферментация отходов с использованием мицелиальных грибов. Так, гриб Pkeurotus ostreatus выращивают на гидролизованном твердом осадке навоза, смешанном с резаной соломой. Целлюлолитический гриб Chaetomium cellulolyticum выращивается на твердой целлюло-зосодержашей среде, в которой в качестве источника минеральных элементов использованы минеральные удобрения или навоз; гриб Humicola культивируют на измельченной соломе с зерновыми добавками, быстрорастущие штаммы фузариев (Fusarium sambucinum, F. ntoniliforme, F. solani) успешно растут на разных иеллюлозолигнинсодержаших отходах.

При прямой бноконверсии плотных отходов агропромышленного комплекса сейчас все большее преимущество отдается термофильным микромицетам. Термофильные (термотолерантные) грибы по сравнению с мезофильными отличаются множественностью форм ферментов, что делает их более приспособленными к внешним термическим условиям. Наиболее перспективными продуцентами биомассы и белка могут оказаться термофильные микромицеты, обладающие к тому же способностью расти в сильнощелочной среде. При этом создаются избирательные условия для роста гриба, ингибируются бактерии и другая микрофлора, которые способны подавить рост большинства грибных культур, не обладающих такими преимущественными свойствами. Однако широкое использование этих микроорганизмов как инструмента прямой биотрансформации вторичного сельскохозяйственного сырья в значительной степени сдерживается. Это обусловлено малой конкурентоспособностью большинства мицелиальных грибов, необходимостью стерилизации трансформируемых субстратов и стерильного ведения процесса культивирования, который к тому же длится довольно долго.

Поиск более технологичных методов биотрансформации растительного сырья в ряде случаев заставляет исследователей переходить от использования мицелиальных грибов к дрожжеподобным грибам, имеющим короткую лаг-фазу, обладающим комплексом гидролитических ферментов и поэтому способным в значительной степени потреблять трудноусваиваемые полисахариды, растущим значительно быстрее по сравнению с мицелиальными грибами и несравненно более стабильными при росте в условиях микробных сообществ, т.е. в относительно стерильных или даже нестерильных условиях. Культуры дрожжеподобных грибов, выделенные из традиционных микробных заквасок Юго-Восточной Азии и переданные Тбилисскому государственному университету, резко изменили направленность работ исследователей этого вуза по биоконверсии растительных субстратов. Дрожжеподобные грибы оказались исключительно перспективными продуцентами биомассы и белка на негидролизованных растительных отходах как при глубинном, так и при твердофазном культи­вировании. Они способны к прямой биоконверсии отходов переработки винограда, плодоовощных отходов, ботвы овощных культур, отходов зернопроизводства и т.п.

Первые работы по изучению возможности культивирования дрожжей на животноводческих стоках в нашей стране проводились по традиционной схеме гидролизного производства. Однако дрожжи, обычно используемые в гидролизном производстве п качестве продуцентов белка, на гидролизатах навоза отличались крайней нестабильностью роста, что в конце концов привело к прекращению работ в этом направлении, которые проводились на свинооткормочном комплексе «Теленешты» (Молдавия). На кислотных гидролизатах плотной фракции навозных стоков выращивали дрожжи и в других странах.

Известна возможность выращивания дрожжей и на негидролизованном навозе. Например, суспензию из твердой и жидкой фракций навоза с различным содержанием твердой фазы засевают дрожжами рода Candida, способными ассимилировать азот из мочевины, аэрируют и перемешивают, поддерживая температуру 28—35°С при рН 4,0—6,5. В результате процесса ферментации образуется продукт, который можно использовать в качестве добавки к корму. Разработан также метод выращивания дрожжей Candida ingenes и Pichia membranofacrens на навозных стоках, предварительно обработанных методом анаэробной ферментации. Образующиеся на первом этапе переработки стоков летучие жирные кислоты служат источником питания дрожжей. Конечные результаты переработки животноводческих стоков — дрожжевая биомасса, очищенная жидкая фракция, используемая для полива сельскохозяйственных угодий, и стабилизированный лигноцеллюлозный остаток, применяемый как удобрение. Использование отходов производства кормовых дрожжей из свиного навоза в качестве удобрения способно повысить суммарный урожай кукурузы на 160-211%.

Сельскохозяйственные отходы, прошедшие процесс микробной ферментации, как органическое удобрение увеличивают прирост массы зеленого корма, содержание пигментов, витаминов и протеина в надземных частях растений. Продукты биоконверсии этих отходов могут успешно заменять минеральные удобрения.

Таким образом, дрожжеподобные грибы можно считать чрезвычайно перспективными продуцентами белка при прямой биотрансформации самых различных видов вторичного сельскохозяйственного сырья. Однако при биотрансформации трудноутилизируемых лигноцеллюлозных отходов наиболее успешно применение ассоциаций микроорганизмов, нередко относящихся к различным таксономическим подразделениям. Подобные закономерности могут быть обнаружены и у дрожжей. Увеличение выхода биомассы может быть достигнуто за счет культивирования ассоциации раз­ных дрожжей, засеянных одномоментно или последовательно. Повышенная эффективность в биосинтезе белка может быть отмечена и у ассоциаций дрожжей с мицелиальными грибами и бактериями, в которых, как правило, грибы и бактерии играют главную роль в подготовке субстрата, а дрожжи являются основными продуцентами микробной биомассы.

В последнее время наряду с вопросами количества микробной биомассы и ее химического состава поднимается также вопрос о технологичности дальнейшей переработки такой биомассы и ее усвояемости. Различными методами, в том числе и методами генетической инженерии, идет поиск культур, легко лизируемых под воздействием ординарных факторов (незначительно повышенная температура, воздействие определенных веществ и т.д.), характеризующихся образованием белков с незаменимыми аминокислотами.

Все эти данные свидетельствуют о чрезвычайно важной роли микроорганизма-продуцента в процессе биотрансформации вторичного сельскохозяйственного сырья и необходимости постоянного поиска все более совершенных продуцентов.

Микробная биомасса | Состав и недостаток микробной биомассы

Микробная биомасса

Производство микробной биомассы призвано возместить острый дефицит пищевого и кормового белка: белок одноклеточных – SCP (single cell protein) – целые высушенные неживые клетки водорослей, бактерий, дрожжей или грибов, предназначенных для корма животным и в некоторых случаях как добавка в пищу людям.

В мире ежегодно производится 2 млн т SCP. Главное пользование SCP – белковая добавка к кормам.

Микробная биомасса – хорошая белковая добавка для животных с однокамерным желудком и жвачных, а также для домашних животных, птиц и рыб. Производство микробной биомассы особенно важно для стран, не культивирующих в больших масштабах сою. Если в качестве белковых добавок использовать микробные препараты, то сою и рыбу можно в большей степени употреблять в пищу. При получении микробных белковых препаратов учитывают самое важное преимущество микробных систем перед традиционным сельским хозяйством – высокую скорость роста микроорганизмов, клетки которых наполовину состоят из белка.

В табл.3.2 представлен приблизительный состав биомассы различных микроорганизмов и для сравнения состав сои и рыбной муки – традиционных кормовых добавок. В целом микробная масса богата лизином, но бедна серусодержащими аминокислотами и в этом отношении сходна с белками сои. Самое низкое содержание белка в нитчатых грибах, самое высокое – в бактериях. Дрожжи и водоросли занимают промежуточное положение. Метионин – лимитирующая аминокислота во многих микробных препаратах. Но получают синтетический D-метионин, он недорог и может быть добавлен к таким препаратам, чтобы улучшить качество белка. В бактериальном белке наиболее высокое содержание метионина и цистина.

Примерный состав и недостаток микробной биомассы

Общий состав, %ВодорослиНитчатые грибыДрожжиБактерииСояРыбная мука
Белок47-6331-5047-5672-834564
Жир7-202-82-61,5-319
Зола7268618
Лизин2,41,54,24,12,84,7
Метионин+Цистин1,70,81,72,31,32,8
Нуклеиновые кислоты3-89,26-128,16

Недостаток микробной биомассы часто усматривают в высоком содержании нуклеиновых кислот (Особенно РНК), которых в ней гораздо больше, чем в традиционной растительной или животной пище. Известно, что у бактерий, содержащих больше белка, уровень нуклеиновых кислот также выше, чем у других. Но для употребления микробной биомассы в кормах нет необходимости снижать содержание в ней нуклеиновых кислот, поскольку мочевая кислота, возникающая при деградации последних, у всех млекопитающих, кроме человека, под действием уратоксидазы превращается в алантоин, который переходит в мочу.

В недавнем прошлом Россия была единственно страной, производящей микробиологический белок для кормления животных – БВК. Из объема свыше 1 млн т/год 60% продукции выпускалось на основе парафинов нефти, а 40% — на основе гидролизатов древесины. Организация производства белка осуществлялась и с использованием спирта и природного газа. Такие технологические процессы экономически выгодны при отсутствии соевого белка для кормления животных. По содержанию незаменимых аминокислот и витаминов дрожжевая масса не уступает, а иногда даже и превосходит соевые белки. Добавка БВК в корма экономит фуражное зерно (5 т на 1 т БВК) и увеличивает привесы животных.

Подсчитано, что из 1 т углеводородов можно получить 0,5 т белков, и менее 1% перерабатываемой в настоящее время нефти могло бы хватить для компенсации недостатка белка на всей планете. Но имеющиеся запасы н-парафинов в мире ограничены, поэтому интерес ряда стран в последнее десятилетие переключился на другие виды сырья, в частности на метан и метанол.

Метан – самый дешевый вид сырья для производства SCP. Однако метан используют только бактерии, а их культивирование связано с рядом трудностей.
В промышленных масштабах культивируют зеленые микроводоросли родов Chlorella и Scenedesmus и синтезируемые водоросли (цианобактерии) рода Spirulina. Больше всего изучалась хлорелла, и её используют чаще других микроводорослей в Японии, странах Азии и на Дальнем Востоке.

недостаток хлореллы заключается в неспособности фиксировать молекулярный азот, поэтому для получения SCP приходится вносить аммонийные соли.
У зеленых водорослей клеточная стенка плохо разрушается и содержит необычные жирные кислоты, которые не перевариваются сельскохозяйственными животными.

Для получения SCP предпочтение отдают тем видам, выход белка из биомассы которых составляет более 50%. Микроводоросли обычно дефицитны по серусодержащим аминокислотам, а особенно по метиону.

Некоторые микроводоросли отличаются высоким содержанием белка, хорошим вкусом и с незапамятных времен употреблялись в пищу. Спирулина (циано–бактерии Spirulina sp.) – подвижные нитчатые цианобактерии широко распространены в щелочных, водах озера Чад и других африканских озер.

Спирулина хорошо переваривается, имеет приятный аромат и может содержать до 70% белка отличного качества. В ней мало нуклеиновых кислон (4%), много витамина B12 и других витаминов и микроэлементов. Мукопротеиновая оболочка хорошо переваривается в отличие от целлюлозной клеточной стенки многих других питательных водорослей.

Спирулина совершенно не токсична. Ее липиды включают холестерин. Все это делает спирулину не только питательным, но и диетическим продуктом для лиц, страдающих болезнями сердца и ожирением. Вера в исключительную полезность спирулины особенно распространена на Востоке. Большой завод по производству спирулины работает в Мехико.

Высокой питательной ценностью обладают также микроводоросли Scenedesmus, которые дали положительные результаты при испытании на плохо питающихся детях. В ФРГ имеется промышленное производство по выпуску селенных водорослей Scenedesmus. Добавление их в пищу не должно превышать 20 г биомассы в сутки. Крупные установки по производству хлореллы (1500 т/год) работают в Японии.

Как добавку в пищу людям в Японии используют дрожжи Candida, вращенные на мелассных средах.

Промышленное освоение новых технологий производства белковых продуктов из растительного сырья сегодня – одно из основных направлений увеличения ресурсов продовольствия и инструмент совершенствования структуры питания населения. Из известных растительных источников пищевого белка наибольшее распространение получили продукты и ингридиенты из семян сои.

Известно, что в сое может содержаться до 40% белка и 20% масла. Соевые белки – самые полноценные растительные белки, включающие все незаменимые аминокислоты, а по лечебно-профилактическим свойствам им нет равных. При этом себестоимость белков сои по сырью в 27 раз ниже по сравнению с белками животного происхождения. Соя является важным фактором для сбалансированного развития АПК. Применяя соевые белки при существующем поголовье скота, можно удвоить производство мяса и молока. Соя, как культура, рентабельна даже при урожае 5 ц/га, а реальная ее урожайность 20-25 ц/га. Именно с учетом этих обстоятельств строится соевая политика во всем мире, а теперь и в нашей стране. Вот почему развитие соеводства – это создание качественно новых условий в борьбе с бедностью, за оздоровление нации.

В решении проблемы дефицита белка за последние два десятилетия определилось новое биотехнологическое направление — получение пищевых объектов с повышенным содержанием и улучшенным качеством белка методами генетической инженерии.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector