Белок одноклеточных организмов

Белок одноклеточных организмов (БОО) — это содержащие белок материалы, представляющие собой высушенные клетки микроорганизмов. В качестве добавок к пищевым продуктам или кормам для домашних животных применяется сухая биомасса водорослей, актиномицетов, бактерий, дрожжей, плесеней и высших грибов. Человек употребляет в пищу белки микроорганизмов с незапамятных времен, в том числе дрожжи в дрожжевом хлебе, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах (молоке, сыре, некоторых сортах колбас), а также водоросли (Spirulina), растущие в прудах и озерах.

Таблица 12.25. Основные характеристики некоторых процессов производства белка одноклеточных организмов^а

Развитие биохимической технологии позволило выращивать культуры микроорганизмов в аэрируемых ферментерах на таких субстратах, как газойль, парафины, природный газ, меласса и целлюлозные материалы. Наиболее важные эксплуатационные характеристики некоторых процессов получения БОО представлены в табл. 12.25. В этих процессах используются асептические и неасептические режимы, открытые и закрытые ферментеры, полная и частичная утилизация субстрата, различ ные оптимальные значения рН (от кислого до основного), разные способы выделения продукта (фильтрование, центрифугирование). Не удивительно, что производство БОО лимитируется в первую очередь доступностью соответствующих субстратов, которыми могут быть углеводороды, а также сточные воды бумажных, сельскохозяйственных, молочных и промышленных предприятий (табл. 12.26). Практически все заводы по производству БОО продают свою продукцию в виде добавки к кормам для домашних животных. Для нужд пищевой промышленности БОО производится в значительно меньших масштабах, причем здесь основную долю и сегодня составляют пекарские дрожжи.

Таблица 12.26. Некоторые материалы, использующиеся в качестве источников углерода и энергии в производстве белка одноклеточных организмов^а

РИС. 12.8. Схема одного из предложенных недавно процессов производства белка одноклеточных организмов. [Воспроизведено с разрешения из статьи: Litchfield J., Single Cell Protein; Science, 219, 740 (1983). (£) by the American Association for the Advancement of Science.]

Удельная скорость роста организмов, участвующих в производстве БОО, изменяется в пределах от 0,11 до 0,7 ч^-1. Производство БОО развито во многих странах, а крупнейшим производителем его является Советский Союз.

Недавно разработанный процесс производства БОО с участием бактерий, утилизирующих метанол (Methylophilus methylotrophus), (рис. 12.8) можно описать общим стехиометрическим уравнением:

Процесс характеризуется быстрым ростом клеток (μ = 0,5 ч^-1), густотой конечного бульона (вследствие агломерации в биореакторе), который можно сразу подавать на центрифугирование, образованием в качестве побочного продукта CO₂ и экономическим коэффициентом более 0,5 г клеток/(г субстрата).

Совершенствование процесса производства БОО заключалось в получении штаммов с улучшенными характеристиками (в частности, в увеличении размеров клеток S. cerevisiae, что облегчает последующие операции выделения), генетической модификации организмов, утилизирующих метанол (в результате чего повышается содержание белка в клетках), модификации Methylophilus methylotrophus (обеспечивающей повышение эффективности утилизации NH3), разработке штамма Bacillus brevis, секретирующего белки в среду, а также в улучшении операций выделения биомассы путем флокуляции и электрокоагуляции и, наконец, автоматизации процесса.

Таблица 12.27. Сравнение продажной цены белковых продуктов, получаемых из некоторых одноклеточных организмов, растительных и животных источников^а

С экономической точки зрения БОО должен успешно конкурировать с другими источниками белка (табл. 12.27). Особенно богатым источником дешевого белка являются соевые бобы. Поскольку в 1980-х годах ожидается расширение производства этого вида сельскохозяйственной продукции, то вероятно, что в большинстве стран и БОО также сохранит свои позиции как основной побочный продукт ее производства. Перспективы расширения производства БОО зависят от рынков сбыта. Так. БОО, используемый в качестве корма для домашних животных, успешно конкурирует с традиционными кормами и в ряде случаев обеспечивает такой же привес животных (например, цыплят, индеек, свиней). Если БОО предназначен в качестве пищевого продукта, то он должен обладать определенными качествами, в первую очередь вкусовыми, а кроме того текстурой и питательной ценностью; для этих целей обычно применяют дрожжи Torula. Производство БОО для пищевой промышленности связано с гораздо большими капитальными затратами; согласно некоторым оценкам, в 1975—1976 годах производство пищевого белка было экономически целесообразным при среднегодовой продажной цене 660—1000 долл. за тонну.

При проведении крупномасштабных аэробных процессов основные затраты связаны с закупкой сырья (субстрата), расходом электроэнергии (на перемешивание, аэрацию и процессы массопереноса) и охлаждением (теплообменом). При использовании целлюлозных материалов в качестве сырья для производства БОО необходимо учитывать расход электроэнергии, воды, пара и топлива на глубокую предварительную обработку целлюлозы, чтобы превратить ее в поддающиеся микробиологическому воздействию соединения.

Сравнительная оценка различных способов производства белка одноклеточных организмов показывает (табл. 12.28), что основные расходы здесь связаны со стоимостью сырья, составляющей 44—77% всех затрат.