Лекция 1. Проблема дефицита белка и перспективные пути ее решения

1. ПРОБЛЕМА ДЕФИЦИТА БЕЛКА И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ

1.1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ БИОТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОБНОГО БЕЛКА

Численность населения земного шара достигла 7,7 млрд человек и ежегодно увеличивается приблизительно на 35–40 млн. В то же время объем природных ресурсов не увеличивается. Уже сейчас на нашей планете ощущается значительный недостаток пищевых продуктов в целом и белковых пищевых продуктов в частности. По данным ФАО/ВОЗ, до 15 % населения планеты страдают от недостаточного питания в связи с пониженным содержанием общего количества белков и недостаточной калорийностью пищевого рациона. Еще больше – около 60 % населения земного шара, преимущественно в странах Юго-Восточной Азии, Африки и Латинской Америки, несмотря на достаточную калорийность пищевого рациона, получают качественно неполноценное питание в результате недостаточного потребления белка животного происхождения. Даже население развитых стран (в том числе и России), составляющее в настоящее время одну треть населения земного шара, не обеспечено необходимым количеством полноценного белка. На сегодняшний день люди во многих странах мира в разной степени испытывает так называемое белковое голодание. Известно, что дефицит белка в питании является одним из главных факторов снижения средней продолжительности жизни. В связи с этим проблема питания включена ООН в число десяти важнейших глобальных проблем, которые стоят перед человечеством. Эта проблема заключается еще и в том, что в настоящее время традиционное сельскохозяйственное производство высококачественного белка в виде продукции животноводства и птицеводства практически достигло предела своих возможностей. Уменьшение дефицита белка должно осуществляться в первую очередь за счет как повышения производства и максимального использования в рационах людей обычных продуктов питания, так и употребления дополнительных нетрадиционных источников белка. В этих условиях эффективным путем решения дефицита кормового белка является создание промышленных производств микробиологического синтеза. Перспективным является создание крупнотоннажных биотехнологических производств. Биотехнология производства протеина направлена на создание биологически полноценных кормовых и пищевых продуктов микробного синтеза – естественных концентратов белка и витаминов. Широкое использование микроорганизмов как продуцентов белка обусловлено значительной скоростью роста, высоким содержанием белка, относительной простотой культивирования. Постоянно проводится селекционная работа по созданию и отбору более продуктивных штаммов, разрабатываются биотехнологические процессы, по-новому решающие традиционные задачи производства. В ряде случаев они оказываются не только экономически более эффективными, но и экологически более чистыми. В последние годы существенно возрос интерес к мицелиальным грибам как продуцентам пищевого белка. В разных странах, в том числе и в России, разрабатываются биотехнологии получения грибного протеина, основанные на процессах биоконверсии растительных субстратов. В отличие от дрожжей макро- и микромицеты синтезируют многочисленные ферменты и способны конвертировать в белковую биомассу крахмал, пектин, гемицеллюлозу, целлюлозу и даже лигнин без или после несложной предварительной обработки субстрата. Грибная биомасса не уступает по кормовой ценности дрожжам, сравнительно легко переваривается, имеет волокнистую структуру, что облегчает ее отделение от культуральной жидкости и позволяет применять для получения текстурированных продуктов. Использование отходов переработки растительного сырья в качестве субстратов для культивирования грибов может явиться выгодной формой их утилизации. Наряду с крупномасштабным биотехнологическим производством целесообразно создавать и малотоннажные производства и установки и использовать их для утилизации ежегодно возобновляемых отходов переработки растительной биомассы как с целью защиты окружающей среды, так и для получения дефицитного протеина. Микробиологическое производство белка по сравнению с традиционным сельскохозяйственным с большой эффективностью использует энергетические и материальные ресурсы, не требует земельных площадей и не зависит от климатических условий. По качеству и содержанию белка микробная биомасса близка к продуктам животного происхождения. Наращивание темпов микробиологического производства сдерживается сырьевой базой, в качестве которой служат отходы пищевой, целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности, углеводороды. В последние годы разрабатываются технологии микробиологического получения белка на спиртах и природном газе, перспективным направлением является микробиологический синтез на водороде, получение грибной биомассы в условиях глубинного культивирования.

1.2. ОБЗОР БИОТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОБНОГО БЕЛКА Структура питания человечества в целом, в том числе и населения нашей страны, требует серьезного научного анализа и совершенствования. Известно, что наиболее дефицитным компонентом пищи является белок, особенно белок высокой питательной ценности. Традиционные источники белка – продукты животноводства и растениеводства, не покрывают все возрастающую потребность в белковой пище, особенно увеличившуюся в связи с интенсивным приростом населения. Альтернативным источником белка могут служить различные микроорганизмы – дрожжи, высшие съедобные грибы, некоторые микроводоросли и т. д. Биотехнологическое производство белка обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными способами получения белковой пищи – животноводством и растениеводством. Такое производство не требует посевных площадей, не зависит от климатических и погодных условий, поддается точному планированию и способно достичь высокого уровня автоматизации, позволяет получать продукцию стандартного качества. Продукты микробиологического синтеза можно назвать новыми видами кормов и пищи. Разнообразие микроорганизмов и типов их питания позволяет легко маневрировать в использовании различных видов сырья для биосинтеза. При всестороннем исследовании микробной биомассы была выявлена ее чрезвычайно высокая технологическая и экономическая эффективность для обеспечения кормовым белком мясного и молочного животноводства, птицеводства и целого ряда других направлений народного хозяйства. Кормовые дрожжи содержат в 5 раз больше белка (в том числе лизина в 10, метионина в 5 и триптофана в 3 раза больше), чем ячмень или овес. Кроме того, в сухих дрожжах имеются практически все витамины группы В и целый ряд ростовых факторов. В результате этого 1 т кормовых дрожжей, добавленных в корма сельскохозяйственных животных, обеспечивает экономию до 7 т зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины, 5 т мяса птицы или до 15 тыс. шт. яиц. Включение 1 т дрожжей в рацион телят и поросят высвобождает для питания населения 6 т цельного или 1,5 т сухого обезжиренного молока. Получение белковых веществ не является единственным направлением развития промышленного микробиологического синтеза, это лишь наиболее крупнотоннажная отрасль современной биотехнологии, дающая в мире миллионы тонн продукции ежегодно и продолжающая быстро расти. Более века назад, экспериментируя с дрожжами, Л. Пастер открыл микробиологический синтез белка из аммиака и органических соединений, не содержащих азота. Заводы по выращиванию дрожжей, созданные вскоре после исследований Пастера, выпускали дрожжевые закваски. С течением времени совершенствовалась технология производства дрожжей и в 1876 г. в США начали применять в хлебопечении прессованные дрожжи. Идею использования микроорганизмов как белковых компонентов в питании в 1890-х гг. начал пропагандировать М. Дельбрюк, рекомендовавший для этой цели пивные дрожжи. Первые заводы по выращиванию пищевых дрожжей на мелассе были открыты в Германии в Первую мировую войну. После Первой мировой войны в различных странах приступили к производству кормовых дрожжей. К середине 1930-х гг. началось производство дрожжей из гидролизатов отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности, из сульфитных щелоков, барды гидролизно-спиртовых заводов. В 1935 г. в СССР был пущен первый опытный завод по производству кормовых дрожжей на основе использования соломы, кукурузных кочерыжек и древесных опилок, предварительно гидролизованных серной кислотой. В это время горячим поборником использования дрожжей в питании выступал Р. В. Гивартовский, рассматривавший дрожжи как ценный источник витаминов группы В. Во время Второй мировой войны во многих странах развернулось широкое производство пищевых дрожжей: в Германии – на основе сульфитных щелоков и гидролизатов древесины, в СССР, на Ямайке (тогда колонии Великобритании). В последующие годы встал вопрос о получении белка на новых субстратах. Идет экспериментальная работа по получению бактериального белка из метана. Бактерии, размножающиеся на метане, весьма своеобразны, так как растут только на одноуглеродных соединениях, что облегчает их культивирование в связи с отсутствием конкурентов. С экономической точки зрения выгоднее каталитически окислять метан в метанол. Метанол хорошо растворим в воде и легко усваивается многими микроорганизмами, как бактериями, так и некоторыми дрожжами. В Великобритании действует завод, вырабатывающий дрожжевой белок на метиловом спирте. Изучается возможность производства микробного белка на этиловом спирте, на котором развивается более высокая биомасса дрожжей. Однако в настоящее время большинство крупнотоннажных заводов нашей страны бездействуют, что связано с экономическим кризисом и, как следствие, падением производства в последние десятилетия. Однако как у нас в стране, так и за рубежом наблюдается возрождение интереса к получению микробного белка пищевого и кормового назначения с использованием в качестве сырья отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, а также к получению белка с помощью автотрофных микроорганизмов. Большое внимание также уделяется получению белка с помощью автотрофных водородных бактерий. Используя окисление водорода как энергетический процесс, в качестве источников питания они довольствуются лишь минеральными соединениями. Следует отметить, что по некоторым химическим показателям дрожжевой белок имеет преимущества по сравнению с бактериальным. Разрабатываются методы получения пищевого и кормового белка из различных отходов. Одни методы пригодны для промышленного получения белка, другие – в условиях небольших хозяйств. Возможным сырьем для получения микробного белка представляются различные целлюлозосодержащие отходы промышленности и сельского хозяйства. Для обогащения белком измельченных целлюлозных отходов целесообразнее использовать культуры микроскопических грибов, которые активно разрушают целлюлозу, одновременно накапливая белок. Работы по получению кормового белка на отходах лесной и целлюлозной промышленности проводят в Швеции и Финляндии, где для этого используют грибы. В Канаде в провинции Онтарио функционирует небольшой завод по переработке на корм древесных отходов с помощью микроскопического гриба Chaetomium. Для выращивания биомассы грибного мицелия можно использовать не только целлюлозу, но и другие вещества – крахмальные гидролизаты, отходы зерна и т. д. Так, в Институте микробиологии Белоруссии разработан метод глубинного культивирования мицелия базидиального трутового гриба Daedaleopsis confragasa на средах с молочной сывороткой. Из 1 т молочной сыворотки может быть выработано до 20 кг высушенной измельченной массы, имеющей около 50 % белка и содержащей ряд незаменимых аминокислот. На молочной сыворотке с успехом размножается базидиальный съедобный гриб Panus tigrinus (пилолистник тигровый). Выращенный и измельченный мицелий гриба содержит около 45 % сырого белка, близкого по составу к животным белкам. Институт микробиологии и вирусологии рекомендует в качестве белковой добавки к бедным кормам кормовые дрожжи Candida, выращенные на разваренной зерновой дерти, муке или других субстратах. Перед использованием дрожжевую массу прогревают для разрушения дрожжевых клеток, что повышает их усвояемость. Кормовые дрожжи следует готовить в местах их потребления, а не на заводах. Многие микроорганизмы пригодны для получения на их основе незаменимых кормовых аминокислот и витаминов. Только правильное сочетание всех компонентов корма дает наилучший результат, а недостаток хотя бы одного из них снижает эффективность остальных. Сбалансированное питание в ряде случаев упрощает и удешевляет набор ингредиентов, входящих в комбикорм. Например, обогащение кормов витамином В позволяет заменять дефицитный и дорогой животный белок растительным. При этом продуктивность животных не снижается. До Второй мировой войны производства аминокислот не было почти ни в одной стране. Сейчас уже доказана целесообразность использования аминокислот в животноводстве, где их применение обеспечивает огромный экономический эффект. Для кормления животных нет нужды в получении чистых препаратов, достаточно иметь концентраты, производство которых дешевле и проще. Замечательное свойство многих микроорганизмов – накапливать в среде огромное количество некоторых ценных аминокислот. Объем такого «сверхсинтеза» может быть очень большим. Так, некоторые микроорганизмы на 1 л среды производят до 200 г аспарагиновой кислоты, до 100 г – глутаминовой, до 16 г – валина. Существуют микроорганизмы, синтезирующие значительные количества L-лизина, L-валина, L-метионина и триптофана. В России микробиологическим способом получают лизин. Для синтеза L-лизина используют культуру Brevibacterium sp., сырьем служат уксусная кислота, минеральные соли, меласса, кукурузный экстракт и некоторые отходы пищевой промышленности. Лизин выпускают в виде жидкого концентрата (ЖКЛ), сухого концентрата и кристаллического препарата. За рубежом микробиологическим способом, помимо L-лизина, получают L-глутаминовую кислоту, используя культуру Micrococcus glutaminus и некоторые бактерии рода Brevibacterium. В небольших количествах готовят L-алании, продуцируют который некоторые актиномицеты, а также бактерии рода Brevibacterium и Corynebacterium. Возможно получение триптофана с использованием культуры гриба Candida utilis.