К важнейшим отраслям биоиндустрии (рис. 1.1) следует отнести: некоторые отрасли пищевой промышленности (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов, ферментов); сельское хозяйство (клонирование и селекция сортов растений, производство биоинсектицидов, выведение трансгенных животных и растений); фармацевтическую промышленность (разработка вакцин, синтез гормонов, антибиотиков, интерферонов, новых лекарственных препаратов); экологию – защиту окружающей среды и устранение загрязнений (очистка сточных вод, переработка хозяйственных отходов, изготовление компоста и др.).
Рис. 1.1. Перспективные направления биотехнологии в снабжении человечества продовольствием
Биотехнология призвана не только совершенствовать традиционные методы, широко используемые в пищевой промышленности при производстве молочно-кислых продуктов, сыра, пищевых кислот, алкогольных напитков, но и создавать современные технологии для синтеза полимеров, искусственных приправ, сырья (текстильная промышленность), для получения метанола, этанола, биогаза и водорода, для извлечения некоторых металлов из руд.
1.1. ПРОИЗВОДСТВО КОРМОВОГО БЕЛКА
В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей 60 –120 г полноценного белка; в рационе сельскохозяйственных животных на каждую кормовую единицу нужно не менее 110 г полноценного белка. Для поддержания жизненных функций организма, построения клеток и тканей необходим постоянный синтез различных белковых соединений. Если растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все белковые аминокислоты из углекислоты, воды, аммиака и минеральных солей, то человек и животные не могут синтезировать некоторые аминокислоты (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин), которые называют незаменимыми. Эти аминокислоты должны поступать в организм в готовом виде р пищей; их отсутствие вызывает тяжелые заболевания человека и снижение продуктивности сельскохозяйственных животных.
Главные источники незаменимых аминокислот для человека – белки животного и растительного происхождения, входящие в состав пищи, а для животных – в основном растительные белки. Все незаменимые аминокислоты должны содержаться в белках пищи в определенных соотношениях, отвечающих потребностям данного организма.
Если содержание белков в растительном корме ниже нормы, то во избежание перерасхода кормов и повышения себестоимости животноводческой продукции количество белка в корме компенсируют введением белковых добавок в виде препаратов незаменимых аминокислот либо белковой массы с более высоким содержанием ряда аминокислот по сравнению с эталоном. Незаменимые аминокислоты наиболее сбалансированы в белках семян сои. Относительно высокую биологическую ценность имеют также белки зерна риса и гороха. В белках зерна пшеницы и ячменя очень мало лизина, метионина и изолейцина, а в белках кукурузы еще и триптофана. Для сбалансирования кормов (в которых основной компонент – зерно злаковых культур) по белку и незаменимым аминокислотам применяют концентрированные белковые добавки – комбикорма. Для их приготовления используют мясокостную и рыбную муку, отходы мясной и молочной промышленности, жмыхи масличных растений, отруби, шроты зернобобовых культур.
Особый интерес представляет использование микроорганизмов в качестве источника белка и витаминов при производстве пищевых продуктов. Перспективу и экономическую целесообразность употребления микроорганизмов в технологии производства пищевых продуктов диктует ряд факторов:
1) возможность использования самых разнообразных химических соединений, в том числе отходов производства, для культивирования микроорганизмов;
2) высокая интенсивность синтеза белков;
3) относительно несложная технология культивирования микроорганизмов, которую можно осуществлять круглосуточно и во все сезоны года;
4) относительно высокое содержание белка и витаминов, а также углеводов и липидов в препаратах на основе микробов;
5) повышенное содержание незаменимых аминокислот по сравнению с растительными белками (табл. 1.1);
6) возможность направленного генетического влияния на химический состав микроорганизмов в целях совершенствования белковой и витаминной ценности продукта.
Таблица 1.1
Содержание незаменимых аминокислот в белках некоторых микроорганизмов
(в граммах на 100 г белка)
Использование белка микробного происхождения для изготовления пищевых продуктов позволяет экономить высокоценные животные и растительные белки, а также повышать биологическую ценность готового продукта.
Для промышленного производства пищевых продуктов и их использования на основе микроорганизмов необходимы тщательные медико-биологические исследования. Пищевые продукты, получаемые с добавлением микробных препаратов, должны пройти всестороннюю проверку для выявления канцерогенного, мутагенного, эмбриотропного действия на организм человека и животных. Токсикологические исследования, усвояемость продуктов микробного синтеза – основные критерии целесообразности технологии их производства.
В настоящее время мировой дефицит белка составляет около 15 млн т. Наиболее перспективен микробиологический синтез, что следует из представленных данных: если для крупного рогатого скота требуется 5 лет для удвоения белковой массы, для свиней – 4 мес., для цыплят – 1 мес., то для бактерий и дрожжей – 1-6 ч. Мировое производство пищевых белковых продуктов за счет микробного синтеза составляет более 15 тыс. т в год.
В качестве источников кормового белка чаще используют различные виды дрожжей и бактерий, микроскопические грибы, одноклеточные водоросли, белковые коагуляты травянистых растений.
1.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРОЖЖЕЙ И БАКТЕРИЙ
Дрожжевые клетки в качестве источника углерода для роста способны использовать неразветвленные углеводороды с числом от 10 до 30 углеродных атомов в молекуле. В основном они представлены жидкими фракциями углеводородов нефти с температурой кипения 200-320 °С. Эти фракции углеводородов нефти могут быть получены низкотемпературной кристаллизацией, карбомидной депарафинизацией и адсорбцией на молекулярных ситах (цеолитах). В России первый завод по производству кормовых дрожжей из жидких парафинов нефти вступил в действие в 1971 г. В нашей стране и ряде стран СНГ из н-парафинов нефти производят большое количество кормовых дрожжей (свыше 1 млн т). При выращивании дрожжей на н-парафинах нефти в приготовленную из них питательную среду добавляют макро- и микроэлементы, необходимые витамины и аминокислоты. Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК), содержащий до 50–60 % белковых веществ, для кормления сельскохозяйственных животных.
Хорошим субстратом для выращивания кормовых дрожжей является молочная сыворотка – производственный отход при переработке молока. В 1 т молочной сыворотки содержится около 10 кг белка и 50 кг лактозы. Разработана эффективная технология выделения из молочной сыворотки белков методом ультрафильтрации низкомолекулярных веществ через мембраны. Эти белки используют для приготовления сухого обезжиренного молока. Жидкие отходы, остающиеся после отделения белков (пермеат), могут быть переработаны путем культивирования дрожжей в обогащенные белками кормовые продукты.
В качестве источников углерода дрожжевые клетки могут использовать и низшие спирты – метанол и этанол, получаемые в биотехнологии из природного газа или растительных отходов. Дрожжевая масса, полученная после культивирования дрожжей на спиртах, содержит больше белков (56-62 % от сухой массы) и меньше вредных примесей, чем кормовые дрожжи, выращенные на «-парафинах нефти, такие, как производные бензола, 2)-аминокислоты, аномальные липиды, токсины и канцерогенные вещества. Кроме того, кормовые дрожжи имеют повышенное содержание нуклеиновых кислот – 3–6 % от сухой массы, которые в этой концентрации вредно воздействуют на организм животных. В результате их гидролиза образуется много пуриновых оснований, превращающихся затем в мочевую кислоту и ее соли, которые могут быть причиной мочекаменной болезни, остеохондроза и других заболеваний. Тем не менее кормовые дрожжи хорошо усваиваются и перевариваются в организме животных, а по содержанию таких аминокислот, как лизин, треонин, валин и лейцин, значительно превышают многие растительные белки. Вместе с тем белки дрожжей частично не сбалансированы по метионину, в них мало цистеина и селенцистеина. Оптимальная норма добавления дрожжевой массы в корм сельскохозяйственных животных обычно составляет не более 5-10 % от сухого вещества.
Наряду с технологией использования дрожжевых белков в качестве кормовой добавки в рационы сельскохозяйственных животных разработаны технологии получения из них пищевых белков. В некоторых странах пивные и пищевые дрожжи (Saccharomyces cerevisiae, Candida arborеа, С. utilis) широко используют в качестве белковых добавок к различным пищевым продуктам. Дрожжевой белок позволяет повысить питательную и витаминную ценность продуктов, улучшить их вкус и аромат. Так, разработана рецептура приготовления сосисок из мяса индейки с добавлением 25 % белка, дрожжевого хлеба и лапши с частичной заменой муки – до 5 % (США). В результате ферментации дрожжевыми клетками глюкозы, получаемой из кукурузного крахмала, синтезирован белковый продукт мукопротеин, используемый при производстве колбас в качестве замены основного сырья (Великобритания).
Очень полезными продуктами являются ацидофильно-дрожжевое молоко и творог, сделанный из него. Технология получения творога включает следующие этапы. В цельное молоко с 2 % сахара вносят 3 % суточной культуры дрожжей и выдерживают 14–17 ч при температуре 32–33 °С. Полученную закваску добавляют в молоко и выдерживают до свертывания при температуре 33 °С еще 5-6 ч. Такой творог богат витаминами В1 В2, С и др. Представители 14 видов дрожжей рода Candida утилизируют молочную сыворотку для получения биомассы, богатой витаминами и белком. Способность некоторых видов дрожжей (Rhodotorula glutimis) продуцировать каротиноиды нашла применение в производстве пищевых красителей.
Колбасные изделия с добавлением микропротеина рекомендованы больным, страдающим диабетом и другими хроническими заболеваниями.
Фирмой «Amoco Foods» (США) налажено производство сухих дрожжей Candida utilis под названием торутеин, который добавляют в продукты питания. В штате Оклахома (США) разработана технология получения ряда диетических продуктов, обогащенных дрожжевым белком «Provesten Т» (фирма «Provesta») с высоким содержанием протеина. Напитки, в которые добавлен препарат, имеют оригинальный вкус.
Важный резерв пищевого белка и витаминов – остаточные пивные дрожжи Saccharomyces carlsbergensis. Организм человека усваивает свыше 90 % всех питательных веществ, содержащихся в них. В составе этих дрожжей обнаружено около 14 витаминов, причем на долю витамина В1 приходится 10 мг %, витамина В2 – 3 мг %; они характеризуются хорошей сбалансированностью незаменимых аминокислот, белка (не менее 48 %). Пивные дрожжи могут с успехом применяться при производстве колбас в качестве заменителя казеина; они повышают биологическую и витаминную ценность колбас, улучшают их вкус, аромат и другие показатели. Пивные дрожжи применяют для «ароматизации» мяса, творога и изделий из них. Как правило, биомассу дрожжей при переработке в пищевой белок тщательно очищают. Сначала разрушают стенки дрожжевых клеток путем механической, щелочной, кислотной или ферментативной обработки с последующей экстракцией гомогенной дрожжевой массы подходящим органическим растворителем. После такой очистки от органических и минеральных примесей дрожжевой продукт обрабатывают щелочным раствором для растворения белков. Далее белковый раствор, отделенный центрифугированием от оставшейся массы дрожжей, подвергают диализу. Очищенные от низкомолекулярных примесей белки осаждают, высушивают и используют в качестве белковых добавок в различные пищевые продукты: сосиски, паштеты, мясные и кондитерские начинки. Белки дрожжей применяют также при получении искусственного мяса. Для этого их нагревают с последующим быстрым охлаждением или продавливанием белковой пасты через отверстия малого диаметра. В белковую пасту добавляют полисахариды и другие компоненты.
Известно более 30 видов бактерий, которые могут быть применены в качестве источников полноценного кормового белка. Бактериальные белковые концентраты с содержанием сырого белка 60-80 % (от сухой массы) – ценные препараты в кормопроизводстве. Следует отметить, что бактерии значительно быстрее, чем дрожжевые клетки, наращивают биомассу и, кроме того, белки бактерий содержат больше цистеина и метионина, что позволяет отнести их в разряд белков с высокой биологической ценностью. Источником углерода при культивировании бактерий могут служить природный и попутный газы, водород, а также спирты – метанол, этанол, пропанол. Чаще всего на газовых питательных средах выращивают бактерии рода Methylococcus, способные утилизировать до 85–90 % метана в специальных ферментерах. Однако производство кормового белка из газообразных продуктов довольно сложно и дорогостояще. Более широко применяется технология выращивания бактерий на метаноле, который легко получают путем окисления метана. При культивировании на питательной среде с метанолом наиболее часто используют бактерии родов Methylomonas, Pseudomonas, Methylophillus. Масштабное производство кормовых белков на основе использования метанола впервые было организовано в Великобритании. Концерном «Ай-Си-Ай» выпускается кормовой белковый препарат прутин (коммерческое название). В России также разработана технология получения препарата из метанола под названием меприн. В этом препарате содержится до 74 % белков (от сухой массы), до 5 % липидов, 10 % минеральных веществ, 10–13 % нуклеиновых кислот. В настоящее время разрабатывается технология получения кормового белка из этанола на основе культивирования бактерий рода Acinetobacter (препарат эприн).
К числу бактерий с высокой интенсивностью синтеза белков следует отнести и водородокисляющие бактерии, способные накапливать в клетках до 80 % сырого белка (в расчете на сухую массу). Для их культивирования в составе газовой среды обычно содержится 70–80 % водорода, 20–30 % кислорода и 3-5 % СО2. Производство кормового белка на основе использования водородокисляющих бактерий может быть организовано вблизи химических предприятий.
Кормовой белок бактериального происхождения добавляют в комбикорма в количестве 2,5–7,5 % от белка рациона сельскохозяйственных животных, а при кормлении взрослых свиней – до 15 %.
1.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОСЛЕЙ
И МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ГРИБОВ
Для получения кормового белка используют одноклеточные водоросли Chlorella и Scenedesmus, синезеленые водоросли из рода Spirulina, способные синтезировать белки из диоксида углерода, воды и минеральных веществ за счет энергии солнечного света. Водоросли для своего развития нуждаются в определенных режимах освещения и температуры и в больших объемах воды. Обычно их выращивают в естественных условиях южных регионов в бассейнах открытого типа. Водоросли хлорелла и сценедесмус нуждаются в нейтральной среде, их клетки имеют довольно плотную целлюлозную стенку, вследствие чего они хуже перевариваются в организме животных, чем спирулина, которую выращивают в щелочных озерах (рН 10–11). При выращивании водорослей в культиваторах открытого типа с 1 га водной поверхности можно получать до 70 т сухой биомассы в год, что превышает ее выход при возделывании пшеницы, риса, сои, кукурузы.
Содержание белков в клетках Clorella и Scenedesmus составляет около 55 % (в расчете на сухую массу), а в клетках Spirulina – 65 %. Белки водорослей хорошо сбалансированы по содержанию незаменимых аминокислот, за исключением метионина. В клетках водорослей, кроме того, синтезируется довольно много полиненасыщенных жирных кислот и β-каротина (до 150 мг %).
Белковая масса из клеток водорослей поступает в производство в виде суспензии, сухого порошка или пастообразного препарата. Процесс отделения клеток водорослей от массы воды чрезвычайно трудоемкий. Суточная норма суспензии хлореллы при кормлении молодняка крупного рогатого скота – 3–6 л, взрослых животных – 8–10 л. В связи с тем, что биомасса Spirulina характеризуется высоким содержанием белков (до 70 % сухой массы), хорошо сбалансированных по аминокислотному составу, ее используют для приготовления продуктов питания и кондитерских изделий. Добавление ее в корм (листья шелковицы) тутового шелкопряда значительно увеличивает выход шелка и его качество.
В биомассе многих микроскопических грибов хорошо сбалансированы по аминокислотному составу белки; они включают также витамины и липиды. По своим питательным свойствам белки грибов приближаются к белкам сои и мяса, что позволяет использовать их не только для приготовления кормовых концентратов, но и как добавку в пищу человека. Источником углерода для промышленного выращивания микроскопических грибов служат растительные отходы, содержащие клетчатку, гемицеллюлозы, лигнин, а также торф и навоз. Образцы колбас, выработанные с применением микроскопических грибов, характеризуются высокой степенью перевариваемости белковых веществ in vitro за счет активных пепсина и трипсина. Обычно микробная биомасса добавляется в изделия из рубленого мяса в количестве 5–15 %. Такой гриб, как Penicillium roqueforti, широко используется при производстве сыров, в частности сыра рокфор; он применяется свыше 100 лет. В Великобритании создан пищевой продукт, основным компонентом которого является белок грибного происхождения (Fusarium graminearum) – микопротеин на дешевом глюкозном сиропе, полученном путем гидролиза пшеничного или кукурузного крахмала. Микопротеин – это аналог мяса, но по сравнению с белками животного происхождения имеющий лучшее качество по содержанию белка (44 %), минеральных веществ, витаминов и липидов. Хорошая перевариваемость грибной белковой массы в организме животных, а также низкий уровень содержания нуклеиновых кислот позволяют использовать ее в качестве кормовой добавки в большей концентрации, чем кормовые дрожжи. При кормлении взрослых животных возможна замена в корме 50 % растительного белка на грибной.
В зависимости от способа подготовки растительного сырья для культивирования микроскопических грибов применяют и соответствующие технологии их выращивания. Более высокий коэффициент использования сырья достигается при выращивании грибов на гидролизатах растительных отходов и жидких отходах деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности по сравнению с их культивированием на твердой питательной среде. Содержание белков в грибной массе при использовании метода глубинного культивирования составляет 50–60 % от сухой массы. Для более полного использования сырья практикуется совместное культивирование грибов и бактерий.
