Биотехнологическое получение белковых препаратов

Дефицит кормовых и пищевых белков, особенно в странах с недостаточно развитой экономикой, усугубляющийся бурным ростом народонаселения, поставил задачу поиска нетрадиционных способов получения белка и белковых продуктов. Попытки синтеза высокомолекулярных белков химическим путем, предпринятые еще в конце XIX века, не увенчались успехом, поэтому в настоящее время синтезируют лишь некоторые пептиды, состоящие из остатков нескольких аминокислот.

Следующая причина развития биотехнологии белков объясняется все возрастающей потребностью медицины в относительно недорогих профилактических и лекарственных препаратах и диагностических средствах, имеющих белковое строение (инсулин и соматотропный гормон, вакцины, сыворотки и моноклональные антитела). И, наконец, современные технологии производства продуктов промышленного и бытового назначения (полимеры, моющие средства, пищевые продукты и добавки, лекарства и т. д.) нуждаются в высокоэффективных и специфических катализаторах – ферментах, имеющих белковое строение.

Начиная с XIX века в пищу стали использовать пивные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), содержащие в среднем 52 % белка. Впервые промышленное производство дрожжей рода Сandida для пищевых целей было осуществлено в Германии. Добавление их в продукты питания во время Первой и Второй мировых войн позволило предотвратить белковое голодание населения этой страны. В настоящее время белковые продукты получают из биомассы культур различных микроорганизмов, выращиваемых на этаноле, метаноле, метане, парафинах, крахмале и другом углеводном сырье. Питательным субстратом для роста микробов могут служить отходы деревообрабатывающей, сельскохозяйственной и нефтегазовой промышленности, а источником азота – аммиак или аммонийные соли.

Наша страна в 7080х годах прошлого века в рамках Продовольственной программы развернула крупномасштабное микробиологическое производство белкововитаминных концентратов для корма животных. Тогда в разных регионах страны действовало более 80 промышленных установок, производящих кормовые дрожжи; на 8 крупнотоннажных заводах общей производительностью более 1 млн тв год была реализована технология получения белковых кормовых добавок.

Главным видом выпускаемой продукции был паприн, получаемый из Candida maltosa на твердых парафинах. Он содержит около 60 % белка, не менее 4,6 % незаменимой аминокислоты лизина, а также витамины (мг/кг): тиамин – 3, рибофлавин – 120, пантотеновая кислота – 108, никотиновая кислота – 470. Была освоена промышленная технология получения кормовых дрожжей на этаноле (эприн), микробного белка на природном газе (гаприн) и на метаноле (меприн).

На основе использования микробных биомасс в качестве сырья были разработаны способы производства белковых, пептидных и аминокислотных препаратов пищевого, медицинского и технического назначения, в том числе: белковые изоляты, полисахариды, липиды, цитохромы, витамины, нуклеотиды и другие. Экономическая эффективность производства микробного белка объясняется тем, что микроорганизмы, способные расти на дешевых питательных средах, в качестве которых используются главным образом промышленные отходы, содержат в своем составе от 19 до 90 % белка.

При этом выход белка в расчете на израсходованный питательный субстрат значительно выше, чем при выращивании сельскохозяйственных животных. Так, на1 кг корма можно получить 68 г говядины (14 г белка), 200 г свинины (41 г белка) или 240 г куриного мяса (49 г белка), в то время как из F. graminearum на 1 кг углеводов с добавкой неорганического азота получают более 1 кг сырой клеточной массы (136 г белка). Кроме того, микробная биомасса содержит незаменимые аминокислоты и высокие концентрации витаминов, что обусловливает дополнительную кормовую ценность продуктов.

Технологическая схема производства микробного белка включает ряд стадий: приготовление питательной среды, ее стерилизация, ферментация, сепарация биомассы, ее термообработка, сушка, фасовка и упаковка. В технологическом процессе предусмотрено также разрушение рибонуклеиновой кислоты или ее удаление из биомассы путем экстракции. Необходимость этого этапа обусловлена тем, что повышенные концентрации нуклеиновых кислот в пище приводят к избыточному образованию мочевой кислоты в организме, что является фактором риска развития подагры и мочекаменной болезни.

Кроме того, сами микроорганизмы, фрагменты клеток и готовые продукты обладают аллергенным и иммунотропным действием, поэтому выброс их в производственную и окружающую среду приводит к нарушению механизмов иммунной защиты и повышенной заболеваемости населения. Поскольку при проектировании и эксплуатации отечественных крупнотоннажных микробиологических предприятий не были учтены необходимые меры защиты людей и окружающей среды, применялось оборудование, созданное для других отраслей промышленности, в частности, химической, которое не обеспечивало достаточной герметичности технологического процесса, то многие предприятия были впоследствии перепрофилированы или закрыты. Однако существующий дефицит кормовых белков и проблема получения недорогих пищевых белоксодержащих продуктов требуют разработки новых, более совершенных технологий производства белка.

Применимость и токсикология одноклеточного белка. Помимо чисто технологических и экономических сложностей, существенное влияние на развитие производства одноклеточного белка оказывают географические, политические, социологические и психологические факторы, которые порой оказываются в значительной степени определяющими.

В частности, большое внимание уделяется проблемам безопасности, питательной ценности и применимости данного продукта. Природа сырьевого материала, используемого в производстве одноклеточного белка, представляет известную опасность: например, потенциальная канцерогенность углеводородов нефти и нпарафинов, наличие тяжелых металлов или других загрязняющих примесей в минеральных солях, присутствие остатков растворителей после экстракции продукта, а также токсинов (в частности, микотоксинов), образуемых некоторыми микроорганизмами (например, определенными грибами), и т. д.

Поскольку организм продуцент должен быть непатогенным и нетоксигенным, а его продукты метаболизма безвредными, строгий санитарный режим и различные процедуры контроля качества должны постоянно осуществляться в течение всего биотехнологического процесса в целях предотвращения порчи продукта, а также загрязнения его патогенными или токсигенными микроорганизмами. Применимость одноклеточного белка как пищевого продукта для человека зависит не только от его безвредности и питательной ценности, но также и от ряда других факторов. Помимо обычного нежелания людей потреблять вещества, получаемые из микробов, процесс питания характеризуется многими неуловимыми психологическими, социальными и религиозными аспектами.

У различных культур существует достаточное число специфических ассоциаций с едой, общественным положением, а также символической значимостью различных видов пищи. Должны также учитываться более явные особенности, связанные с применимостью продукта: запах, цвет, вкус, консистенция и внешний вид. Так, например, одноклеточный белок может использоваться в качестве пищи для человека, по видимому, лишь при относительно малом его количественном содержании в обычных традиционных продуктах. Поэтому в настоящее время он может служить преимущественно как источник питания для различных видов домашних животных, птиц или рыб. И все же уже теперь некоторые промышленные процессы направлены на изготовление микробных продуктов для человека: например, грибной белок фирмы Ranks Hovis McDougall/ICI.

Какие же факторы, помимо технологических, оказывают влияние на расширение производства одноклеточного белка? Главным образом это политические и социальные аспекты использования для его получения нефтепродуктов как субстратов для культивирования продуцентов, поскольку последние могут быть существенно загрязнены канцерогенными веществами. В силу этого обширные программы, связанные с производством одноклеточного белка, в Японии, Италии и Британии в свое время были приостановлены и усилия биотехнологов были направлены на его производство из этанола или метанола либо на основе различных органических отходов, являющихся потенциально менее опасными.

Одноклеточный белок на высокоэнергетических субстратах. Представляющие существенное коммерческое значение как источники энергии материалы (нефтегаз, метанол, этанол, метан и налканы) привлекают внимание биотехнологов как субстраты ряда биотехнологических процессов, главными участниками которых являются бактерии и дрожжи. Естественно, что в разработке технологий использования подобных материалов принимают участие многие нефтяные компании, а сама проблема обсуждалась и изучается различными научно-исследовательскими учреждениями. Наиболее подробно как сырье для получения одноклеточного белка изучался метан, хотя в настоящее время в его использовании для указанной цели имеется достаточно большое количество трудностей.

В противоположность этому, большое значение придается метанолу. Так, компанией ICI в Великобритании разработана крупномасштабная (75 000 л) ферментация растительного сырья для метанол утилизирующих бактерий. Компании Hoechst (Германия) и Mitsubishi (Япония) также работают над аналогичными технологиями, предназначенными для использования в качестве продуцентов биомассы дрожжевых клеток вместо бактериальных.

Завод компании ICI для производства прутина является единственным в своем роде в западном мире и в настоящий момент вследствие цен на метанол не работает с надлежащим экономическим эффектом, поскольку стоимость метанола составляет примерно 50 % от стоимости продукта. В США стоимость одноклеточного белка, полученного на метаноле в 2–5 раз дороже, чем при его производстве из рыбной муки. На Среднем Востоке низкая стоимость метанола и относительно высокие цены на рыбную муку в сочетании с необходимостью производства большого количества животных продуктов делают одноклеточный белок типа ICI прутина весьма привлекательным.

Относительно благоприятная ситуация для производства одноклеточного белка на нпарафинах нефти сложилась в 70е годы в бывшем Советском Союзе, что было связано с низкими внутренними ценами на нефть. Были построены три крупных завода по культивированию дрожжей рода Candida (в том числе один в Новополоцке). В лучшие годы продукция дрожжевого белка достигала 1 млн т сухой биомассы и обеспечивала потребности сельского хозяйства (добавка в корм животных) и промышленности. Но в середине 80х все эти заводы остановились в связи с высокой себестоимостью микробного белка (цена была в 2 раза выше, чем кормовой соевый белок).

Широкий спектр исследований, выполненных в 1960еи1970егоды по использованию метанола и сходных соединений в качестве субстратов для получения одноклеточного белка, дали существенный стимул совершенствованию ферментационных технологий, направленных на его производство в крупномасштабных количествах. Упоминавшееся выше аэробное производство прутина, является самым крупным из непрерывных процессов и, по существу, представляет собой крупнейшую в мире биотехнологическую систему, что в свою очередь, вследствие необходимости строжайшей экономии, обусловило прогресс в разработках биореакторов с восходящим воздушным потоком (эрлифтных ферментёров).

Весьма подходящим сырьем для получения одноклеточного белка, предполагаемого к использованию в пищу человека, является этанол. В скором времени перспективы производства одноклеточного белка на этаноле будут определяться рядом локальных факторов: возможностями расщепления этилена, наличием излишков углеводов сельскохозяйственного происхождения, политическими ситуациями в региональной экономической самостоятельности, а также состоянием уровня мирового производства.

В отдельных местах количество таких отходов достигает значительных величин, что является источником серьезного загрязнения различных водных систем и вообще окружающей среды. Поэтому использование указанных органических отходов может способствовать достижению двух целей: снижению загрязнения и созданию пищевого белкового препарата. Привлекательность растительных отходов, содержащих углеводы, состоит в их низкой стоимости, в результате чего удешевляется биотехнологический процесс, а также в том, что одноклеточный белок может быть получен при относительно небольшом количестве операций.

Процессы, использующие продукты отходов в производстве одноклеточного белка, базируются на основании коммерческих соображений с применением различных дрожжевых организмов в подходящих ферментных системах. Субстратами для организмов продуцентов служат: меласса (Sacharomyces cerevisiae), молочная сыворотка в производстве сыра (Kluyeromyces fragilis), отходы крахмального производства с использованием двух видов дрожжей (Endomycopsis fibuligera и Candida utilis).

Питательная ценность дрожжей, получаемых в данном процессе, была определена в многочисленных обширных экспериментах по скармливанию этого одноклеточного белка различным видам животных (свиньям, цыплятам и телятам). В проведенных опытах регистрировался хороший рост животных и отсутствие неблагоприятных последствий. Заслуживает внимания продукт – Pekilo, представляющий собой грибной белок, получаемый путем ферментации углеводов мелассы, молочной сыворотки, отходов фруктов, гидролизатов древесины или сельскохозяйственного сырья. Продукт характеризуется хорошим аминокислотным составом и богат витаминами.

Испытания на животных показали, что Pekiloпротеин является хорошим источником белка в питании свиней, телят, бройлеров, курнесушек и производится при непрерывном культивировании. Используемый для его производства организм является мицелиальным грибом, а получаемый продукт обладает выраженной фиброзной структурой, что делает готовый препарат удобным для применения. В Британии компания Ranks Hovis McDoudall совместно с корпорацией ICI поставляет на рынок другой грибной белок (mycoprotein), получаемый при выращивании гриба Fusarium на простых углеводах. Непохожий почти ни на один из других типов, одноклеточный белок микопротеин производится для употребления в пищулюдей.

Продукт также производится путем непрерывной ферментации. Разработка и внедрение данного микопротеина (получаемого с помощью гриба Fusarium фирмой Ranks Hovis McDoudall) оценивается по произведенным затратам более чем в 40 млн фунтов стерлингов, а осуществление проекта заняло свыше 20 лет. Первоначально процесс осуществлялся посредством одноразовой ферментации, но затем была разработана технология непрерывного культивирования. Кульминацией проекта считается не только продукция грибной биомассы, но и получение ценных для пищевого продукта характеристик.

Целлюлоза в сельскохозяйственных и лесных материалах, а также в различных отходах должна составить в недалеком будущем основной сырьевой компонент для многих биотехнологических процессов, включая и одноклеточный белок. Целлюлоза в ее естественной ассоциации с лигнином до сих пор является наиболее распространенным органическим веществом для биологической конверсии.

Различные исследовательские учреждения настойчиво изыскивают пути предварительной обработки биологических материалов подобного рода с целью деструкции лигнинового барьера (преимущественно физическими и химическими методами). Удаление лигнина из лигноцеллюлозы делает последнюю потенциальным источником энергии для жвачных животных, способных использовать ее в качестве пищи. Таким путем лигноцеллюлозные материалы (солома, выжимки и даже древесина) могут стать полезными кормовыми препаратами для животных.

Многие виды грибов долгое время служили пищей для человека и выращивались на лигноцеллюлозных материалах. Данные процессы являются примерами низкоэнергетических технологических систем. Процессы различаются по типу используемого субстрата или получаемого продукта, а также по степени изощренности (изобретательности) методологии процесса. В то время как большинство процессов получения одноклеточного белка основано на жидкостных ферментациях, многие из современных способов деградации целлюлозы базируются на ферментации с пониженным увлажнением, известной под термином «твердофазная ферментация».

Во многих странах некоторая часть соломы, получающейся в сельскохозяйственных производствах, традиционно используется для компостирования с лошадиным навозом для получения субстрата, пригодного при выращивании грибов (Agaricus lisporus). Ежегодно «грибная» промышленность Британии потребляет около 300 000 т соломы для приготовления компоста, на котором выращивают грибы.

Технологии, основанные на использовании микроорганизмов и методов биохимической инженерии в целях производства больших количеств биомассы, напоминают сельскохозяйственное производство. Однако так называемый «грибной процессинг», рассматриваемый в качестве примера общей биотехнологии, считается какой то пренебрежительной областью «новых» биотехнологических разработок, хотя большое число съедобных грибов в настоящее время выращивается искусственным путем в различных странах мира.

Новинки в эту область стали проникать сравнительно недавно, однако «вознаграждение»в скором будущем окажется, по оценкам специалистов, огромным. Биотехнология, как ни странно, не всегда должна быть высоко технологичной. В развивающихся странах, где дорогостоящие системы могут оказаться неприемлемы в виду стоимости процессов и отсутствия грамотных операторов, различного рода новые биотехнологические разработки целесообразно использовать для совершенствования (улучшения) уже существующих традиционных микробиологических процессов.

Примерами традиционной пищи на Востоке являются мисо, соевый соус и др., обычно изготавливаемые в «домашних» масштабах. Однако многие из этих блюд составляют основу крупных промышленных производств, требующих существенного биотехнологического оснащения. Подобные блюда и ароматизированные соусы медленно, но верно распространяются на Запад и несомненно станут в недалеком будущем составной частью нашего ежедневного меню.

Одноклеточный белок из сельскохозяйственного сырья. Выше было показано, каким образом микроорганизмы могут использоваться для получения одноклеточного белка из органических отходов типа сахаров, крахмала и целлюлозы. Почему же в таком случае не выращиваются растения специально для применения в качестве субстрата, на котором можно было бы получать одноклеточный белок микробиологическим способом?

Концепция производства растительной биомассы в качестве материала для биотехнологических процессов крайне актуальна и важна. В настоящее время такого рода программы используются в большей степени для производства этанола, но вполне обоснованно полагать, что маниока, сахарный тростник и некоторые виды пальм могут явиться перспективным сырьем, которое подвержено быстрым ферментативным обработкам с достаточно высоким экономическим эффектом. Если лигноцеллюлоза окажется способной легко и экономически выгодно утилизироваться какими нибудь микроорганизмами, то большинство районов мира получат готовые питательные субстраты, пригодные для различных биотехнологических процессов.

Одноклеточный белок из водорослей. Одно время существовал повышенный интерес к проблеме использования водорослей в качестве одноклеточного белка, по скольку они хорошо растут в открытых прудах и нуждаются только в СО2 как источнике углерода, а также в солнечном свете как источнике энергии для фотосинтеза. Такие водоросли, как Chlorella и Scenedesmus, долгое время использовались в пищу в Японии, a Spirulina широко применялась в Африке и Мексике. В некоторых странах мира водоросли выращивают в прудах или лагунах для удаления с их помощью ряда органических загрязнений, а образующуюся массу собирают, высушивают и добавляют в порошкообразном виде в корм животным.

Экономические аспекты применения одноклеточного белка. Экономическая целесообразность одноклеточного белка определяется его конкурентной способностью по сравнению с существующими продуктами. Препараты микробного белка богаты данным веществом и могут длительное время храниться и транспортироваться на дальние расстояния. Применение одноклеточного белка предполагается в будущем преимущественно в качестве кормовых добавок в пищу животным в целях замены других белковых материалов (таких, как соевая мука или рыбная мука).

Несмотря на то, что производство одноклеточного белка даже в промышленных масштабах является биологическим процессом, его внедрение не должно нарушать установившиеся в природе экологические равновесия (балансы). С этой целью в биотехнологии его получения устраняется вероятность появления каких либо синтетических соединений и применяются (по возможности) технологии, основанные на использовании систем рециклизации, для предотвращения загрязнения окружающей среды.

Обязательным условиемявляется предотвращение попадания в конечный продукт посторонней микрофлоры, особенно патогенной для человека. Для того чтобы производство одноклеточного белка было экономически выгодным, масштабы его должны достигать по крайней мере 50 000 т в год готового продукта. А это, в свою очередь, требует наличия соответствующего обеспечения сырьевым материалом, который желательно иметь поблизости от основного производства. Довольно большие потребности в воде, которая нужна также для процессов завершающей обработки продукта и охлаждения.

Широкомасштабные процессы, разрабатываемые для производства одноклеточного белка, в значительной степени зависят от успехов современной биотехнологии. Поэтому в его производстве участвуют на разных этапах специалисты в области микробиологии, биохимии, генетики, химии и химической инженерии, пищевой технологии, сельского хозяйства, животноводства, экологии и токсикологии, медицины, ветеринарии и конечно экономики.

Нет никаких сомнений, что существенные импульсы развитию производства одноклеточного белка будут поступать из ужесточающегося законодательства, связанного с увеличением объема плотных и жидких отходов, загрязняющих внешнюю среду (т. е. из требований охраны окружающей среды). Кроме того, постоянно должна повышаться конкурентоспособность одноклеточного белка, будущее которого в значительной мере зависит от снижения производственных затрат и, конечно, улучшения качества. Последнее может достигаться за счет использования более дешевых сырьевых материалов, совершенствования ферментационных процессов и завершающих стадий обработки получаемого продукта, а также повышения активности продуцентов.