3.5.1. Традиционные белковые продукты, получаемые путем ферментации

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. Способы производства этих продуктов рассмотрены в разд. 3.2 и 3.7. При выработке их 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 и в производстве некоторых мясных продуктов, пред­назначенных для хранения. Так, при изготовлении некоторых сортов колбасы (bologna, salami) используется кислотное бро­жение, обычно при участии комплекса молочнокислых бактерий. Образовавшаяся кислота способствует сохранности продукта и вносит вклад в формирование его особого вкуса. Кислотооб­разующие бактерии используются и при засоле мяса — еще од­ном способе консервации. Ряд блюд восточной кухни получают путем ферментации рыбы: для этого применяют плесневые гри­бы и дрожжи.

Этим, пожалуй, и ограничивается использование микроорга­низмов в переработке белков. Возможности современной биотех­нологии в этих производствах невелики, за исключением сыро­делия (разд. 3.2.2). Другое дело — выращивание и сбор микробной массы, перерабатываемой в пищевые продукты: здесь биотехнология может проявить себя во всей полноте.

• 3.5.2. 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. Такое увеличение возможно как в косвенной форме, путем введения белковых добавок в корм животным (что уменьшает потреб­ность в таких продуктах, как соевая и рыбная мука), так и в прямой, путем получения продуктов питания. О белках, идущих на корм скоту, речь идет в гл. 9. Здесь мы рассмотрим те слу­чаи, когда биомасса микроорганизмов непосредственно исполь­зуется в пищу.

Чтобы отличать такой тип продуктов от белков высших мно­гоклеточных животных и растений, для микробного белка при­думано специальное название — белок одноклеточных организ­мов (БОО). Производство его связано с крупномасштабным выращиванием определенных микроорганизмов, которые соби­рают и перерабатывают в пищевые продукты. В основе лежит технология ферментации — ветвь бродильной промышленности и производства антибиотиков. 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 или 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. И в том и в другом случае технология ферментации играет ключевую роль. Здесь важно подобрать оптимальный состав среды, создать опреде­ленные условия для роста, разработать конструкции ферменте­ров, правила их эксплуатации и системы контроля, выработать методы отделения биомассы от культуральной среды. Промыш­ленное производство белка одноклеточных организмов всегда осуществляется методом глубинного культивирования в жидких средах; применяются как одноэтапное, так и непрерывное куль­тивирование. Непрерывное культивирование сложнее, чем одно­этапное, но более экономично: производительность ферментеров выше. Именно этот метод был избран для промышленного про­изводства БОО.

Непрерывное культивирование

Метод непрерывного культивирования основан на поддержании в системе динамического равновесия. Для перемешиваемой глу­бинной культуры постоянного объема это означает постоянство скорости роста микроорганизмов, которое обеспечивается путем равномерного ее разбавления свежей питательной средой (при сохранении объема). Среды, используемые при непрерывном культивировании, всегда составляют таким образом, чтобы один из субстратов (обычно это источник углерода) лимитировал рост, поэтому его содержание в культуральной жидкости мини­мально. Такой способ широко применяется в экспериментах по физиологии микроорганизмов. Даже в микробиологических лабораториях, где работа с чистыми культурами в асептических условиях — обычное дело, опыты по непрерывному культивиро­ванию требуют особого внимания. Специальное устройство ап­паратуры, строгое соблюдение правил работы — все направлено на то, чтобы избежать загрязнения посторонней микрофлорой. Важность асептики при непрерывном культивировании стано­вится особенно ясной, если учесть, что метод этот представляет интерес как для лабораторий, так и для промышленности только в том случае, если стационарное состояние культуры удается поддерживать в течение нескольких дней, недель или даже ме­сяцев. Все это время культуру надо перемешивать, подавать непрерывно стерильную питательную среду и воздух и часть ее постоянно удалять. Температура должна поддерживаться по­стоянной; обычно регулируется и pH среды. Нужно периодиче­ски отбирать пробы для контроля постоянства условий и чисто­ты культуры. При промышленном производстве условия асеп­тики могут быть соблюдены только в специальных сложных установках. В их конструкции должна быть учтена необходи­мость стерилизации перед началом каждого производственного цикла. Это касается также работы любого датчика или пробо­отборника, встроенного в ферментер для непрерывного наблю­дения и контроля всех параметров культуры.

О мерах безопасности при производстве белка
одноклеточных организмов

Микроорганизмы, традиционно используемые в пищевой про­мышленности, часто входят в состав конечного продукта (хотя доля их там обычно невелика). Как показывает опыт, безопас­ность этих продуктов не вызывает сомнений. Особенность белка одноклеточных организмов заключается в том, что этот продукт, во-первых, практически целиком состоит из микробной биомас­сы и, во-вторых, в его производстве нередко принимают участие микробы, опыт использования которых мал и которые ранее в пище отсутствовали. Понятно, что государственные учрежде­ния, контролирующие качество пищевых продуктов, требуют, чтобы выходу на рынок БОО предшествовали испытания на безопасность нового продукта. Такие испытания всегда дорого­стоящи, и это сдерживает развитие производства, в частности производства продуктов на основе БОО, особенно предназна­ченных в пищу. По этой причине крен в развитии производства БОО был сделан в сторону выработки кормов для животных, а не белков, непосредственно идущих в пищу. Правила оценки безвредности и способы тестирования продуктов, идущих на приготовление кормов, менее жесткие, а роль эстетического фактора не столь значительна. По этой причине для производ­ства таких белков можно использовать более широкий круг суб­стратов, в том числе и органические вещества отходов. К числу БОО-продуктов, производимых промышленностью на корм жи­вотным, относятся Pruteen фирмы ICI (биомасса бактерий, вы­ращенных на метаноле), Toprina фирмы BP (дрожжи, выра­щенные на н-алканах) и грибная масса, получаемая по техно­логии фирмы Finnish Pekilo. При ее производстве в качестве субстрата используется сульфитный щелок, отход бумажной промышленности. Все эти БОО выпускаются в виде слабо окра­шенных порошков.

БОО-продукты, предназначенные в пищу, немногочисленны. Из их числа давно применяется дрожжевой экстракт (гидроли­зат пекарских дрожжей). Вообще говоря, это не белковая пища, так как используется он в небольшом количестве как вкусовая и витаминная приправа. Кроме того, это скорее побочный про­дукт бродильной промышленности, а не главный продукт про­цесса производства БОО. Во время второй мировой войны в пи­щевых целях в Германии выращивали дрожжи Candida, но это производство не получило дальнейшего развития. Относительно недавно фирма Hoechst стала выпускать на основе бактерий, растущих на метаноле, продукт, содержащий 90% белка. Он представляет собой одно из веществ, получаемых при фракцио­нировании клеток выращенных бактерий. Сообщалось, что этот белок обладает нужными функциональными свойствами и его можно использовать в пищу. Процесс, разработанный фирмой Hoechst, позволяет получать ряд продуктов лишь на основе зна­чительных вложений и поэтому относится скорее к группе мало­масштабных биотехнологий по градации, используемой в табл. 3.1. Единственный новый официально разрешенный вид белко­вой пищи микробного происхождения — это микопротеин, про­изводство которого налажено в Англии фирмой Ranks Hovis Mc Dougall.

• 3.5.3. Грибной белок (микопротеин)

Микопротеин — это пищевой продукт, состоящий в основном из мицелия гриба. При его производстве используется штамм Fusarium graminearum, выделенный из почвы. И процесс, и про­дукт — это результат осуществления программы по их интен­сивному развитию, изучению и испытанию. 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. Общая схема функционирования установки приведена на рис. 3.4. 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 (это характерно для производства всех БОО-продуктов), превращение субстра­та в белок происходит несравненно эффективнее, чем при ус­воении пищи домашними животными. Это отражено в табл. 3.6.

Рис. 3.4. Схематическое изображение производства микопротеина.

Таблица 3.6. Эффективность конверсии при образовании белка для различных животных и Fusarium graminearum

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 (рис. 3.5); 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. На рис. 3.6 показано, как выглядит готовый сформованный продукт. Для хранения его обычно замораживают, но иногда и высушивают до порош­ка путем распыления.

Рис. 3.5. Строение гиф Fusarium graminearum. Микрофотография получена с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Рис. 3.6. Так выглядит искусственная пища из грибного белка микопротеина.

После проведения всесторонних исследований питательной ценности и безвредности микопротеина министерство сельского хозяйства, рыболовства и пищевых продуктов дало разрешение на его продажу в Англии. Содержание основных питательных веществ в нем указано в табл. 3.7.

Таблица 3.7. Средний состав микопротеина и сравнение его с составом говядины.