Субстрати для культивування мікроорганізмів з метою одержання білка

Як джерела речовини й енергії мікроорганізми використовують найрізноманітніші субстрати – нормальні алкани й дистиляти нафти, природний газ, спирти, рослинні гідролізати й відходи промислових підприємств.

Для вирощування мікроорганізмів з метою одержання білка добре б мати багатий на вуглець, але дешевий субстрат. Цій вимозі цілком відповідають нормальні (нерозгалужені) алкани нафти. Вихід біомаси може досягати при їхньому використанні до 100% від маси субстрату. Якість продукту залежить від ступеня їх чистоти. При використанні алканів достатнього ступеня очищення, отримана дріжджова маса може успішно застосовуватися як додаткове джерело білка в раціонах тварин. Перший у світі великий завод кормових дріжджів потужністю 70 000 т. на рік був пущений в 1973 р. у СРСР. Як сировина на ньому використали виділені з нафти n-алкани й кілька видів дріжджів, здатних до швидкого росту на вуглеводнях: Candida maltosa, Candida guilliermondii, Candida lipolytica. Надалі саме відходи від переробки нафти служили головною сировиною для виробництва дріжджового білка, що швидко росло й до середини 80-х рр. перевищило 1 млн. т. у рік, причому в СРСР кормового білка одержували вдвічі більше, ніж у всіх інших країнах світу, разом узятих. Однак надалі масштаби виробництва дріжджового білка на вуглеводнях нафти різко скоротилися. Це відбулося як у результаті економічної кризи 90-х рр., так і через цілий ряд специфічних проблем, з якими пов'язане це виробництво. Одна з них – необхідність очищення готового кормового продукту від залишків нафти, які володіють канцерогенними властивостями.

Одним з перспективних джерел вуглецю для культивування продуцентів білка високої якості вважається метиловий спирт. Його можна одержувати методом мікробного синтезу на таких субстратах, як деревина, солома, міські відходи. Використання метанолу як субстрату ускладнено через його хімічну структуру: молекула метанолу містить один атом карбону, тоді як синтез більшості органічних сполук здійснюється через двовуглецеві молекули. На метанолі як на єдиному джерелі вуглецю й енергії здатні рости близько 25 видів дріжджів, у тому числі Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica. Найкращими продуцентами на цьому субстраті вважаються бактерії, тому що вони можуть рости на метанолі з додаванням мінеральних солей. Процеси одержання білка на метанолі досить економічні. За даними концерну Ай-Сі-Ай (Великобританія), собівартість продукту, виробленого на метанолі, на 10 – 15% нижча, ніж при аналогічному виробництві, яке базується на основі високоочищених n-алканах. Високобілкові продукти з метанолу одержують фірми ряду розвинених країн світу: Великобританії, Швеції, Германії, США, Італії. Продуцентами білка служать бактерії роду Methylomonas. Вирощування на метанолі метилотрофних бактерій, таких як Methylophilus methylotrophus, вигідно, тому що вони використовують одновуглецеві сполуки більш ефективно. При вирощуванні на метанолі бактерії дають більше біомаси, ніж дріжджі. Перша реакція окислення метанолу у дріжджів каталізується оксидазою, а в метилотрофних прокаріот – дегідрогеназою. Ведуться генно-інженерні роботи з переносу гена метанолдегідрогенази з бактерій у дріжджі. Це дозволить об'єднати технологічні переваги дріжджів з ефективністю росту бактерій.

Використання етанолу як субстрату знімає проблему очищення біомаси від аномальних продуктів обміну з непарним числом вуглецевих атомів. Вартість такого виробництва трохи вища. Біомасу на основі етанолу вирощують у Чехії, Словаччині, Іспанії, Германії, Японії, США.

У США, Японії, Канаді, Великобританії розроблені технологічні процеси одержання білка на природному газі. Вихід біомаси в цьому випадку може становити 66% від маси субстрату. У розробленому у Великобританії процесі використовується змішана культура: бактерії Methylomonas, що засвоюють метан, Hypomicrobium й Pseudomonas, що засвоюють метанол, і два види неметилотрофних бактерій. Культура характеризується високою швидкістю росту й продуктивністю. Головні достоїнства метану (до речі сказати, основного компонента природного газу) – доступність, висока ефективність перетворення в біомасу метаноокислюючими мікроорганізмами, значний вміст у біомасі білка, збалансованого за амінокислотним складом. Бактерії, що ростуть на метані добре переносять кисле середовище й високі температури, у зв'язку із чим стійкі до інфекцій.

Субстратом для мікробного синтезу може бути й мінеральний вуглець – вуглекислий газ. Окислений вуглець у цьому випадку з успіхом відновлюється мікроводоростями за допомогою сонячної енергії й воденьокислюючими бактеріями за допомогою водню. На корм худобі використовують суспензію водоростей. Для роботи установок по вирощуванню водоростей необхідні стабільні кліматичні умови – постійні температури повітря й інтенсивність сонячного світла.

Найбільш перспективне одержання білка за допомогою воденьокислюючих бактерій, які розвиваються за рахунок окислення водню киснем повітря. Енергія, що вивільняється в цьому процесі, іде на засвоєння вуглекислого газу. Для одержання біомаси використовуються, як правило, бактерії роду Hydrogenomonas. Спочатку інтерес до них виник при розробці замкнутих систем життєзабезпечення, а потім їх почали вивчати з погляду використання як продуцентів високоякісного білка. В інституті мікробіології Геттингенського університету (Германія) розроблений спосіб культивування воденьокислюючих бактерій, при якому можна одержувати 20 грам сухої речовини на 1 літр суспензії клітин. Можливо, у майбутньому ці бактерії стануть основним джерелом харчових мікробних білків.

Винятково доступним і досить дешевим джерелом вуглеводів для виробництва мікробного білка є рослинна біомаса. Будь-яка рослина містить різноманітні вуглеводи. Целюлоза – полісахарид, що складається з молекул глюкози. Геміцелюлоза складається із залишків арабінози, галактози, манози, фруктози. Проблема в тому, що полісахариди деревини зв'язані міцними оксифенілпропановими ланками лігніну – полімеру, що майже не піддається руйнуванню. Тому гідроліз деревини відбувається тільки в присутності каталізатора – мінеральної кислоти й при високих температурах. При цьому утворюються моносахариди – гексози й пентози. На рідких фракціях гідролізату вуглеводів вирощують дріжджі. При кислотному гідролізі деревини утворюється ряд побічних продуктів (фурфурол, меланін), а через високі температури може відбутися карамелізація вуглеводів. Ці речовини перешкоджають нормальному росту дріжджів, їх відокремлюють від гідролізату й по можливості використовують. Як продуцентів використовують штами Candida scotti й C.tropicalis.

Найбільш великим виробником сировини для гідролізної промисловості є деревообробні підприємства, відходи яких досягають щорічно десятки мільйонів тонн. На жаль, нераціонально або не використовуються взагалі відходи виробництва луб'яних волокон (льон, конопля), крохмального виробництва, пивоварної, плодоовочевої, консервної промисловості, бурячного гніту.

Особливої уваги заслуговують способи прямої біоконверсії продуктів фотосинтезу і їхніх похідних у білок за допомогою грибів. Ці організми завдяки наявності потужних ферментативних систем здатні утилізувати складні рослинні субстрати без попередньої обробки. Дослідження умов біоконверсії рослинних субстратів у мікробний білок активно ведуться в США, Канаді, Індії, Фінляндії, Швеції, Великобританії, у нашій країні й інших країнах світу. Однак у літературі відомості про широкомасштабне виробництво білків мікробного походження нечисленні. Найбільш відомим і доведеним до стадії промислової реалізації є процес "Ватерлоо", розроблений в університеті Ватерлоо в Канаді. Це процес, заснований на вирощуванні грибів Chaetomium cellulolyticum які розщеплюють целюлозу, причому його можна здійснювати як у глибинній культурі, так і поверхневим методом. Вміст білка в кінцевому продукті (висушеному грибному міцелії) становить 45%. Фінська фірма "Тампелла" розробила технологію й організувала виробництво білкового кормового продукту "Пекіло" на відходах целюлозно-паперового виробництва. Продукт містить до 60% протеїну з гарним амінокислотним профілем і значною кількістю вітамінів групи В.

У більшості країн – виробників молока традиційним способом утилізації сироватки є згодовування її тваринам. Ступінь конверсії білка сироватки в білок тварини досить невисокий (для вироблення 1 кг тваринного білка необхідно 1700 кг сироватки). В останні 10 – 15 років із сироватки методом ультрафільтрації виділяють білки високої якості, на основі яких роблять замінники сухого знежиреного молока й інші продукти. Концентрати можна використати як харчові добавки й компоненти дитячого харчування. Із сироватки виробляється й молочний цукор – лактоза, яка використовується в харчовій і медичній промисловості. При всьому цьому обсяг промислової переробки сироватки становить 50 – 60% від її загального виробництва. Отже, у наявності великі втрати найціннішого молочного білка й лактози. Більш того, виникає проблема утилізації відходів, тому що процес природного розкладання сироватки відбувається вкрай повільно. Лактоза молочної сироватки може служити джерелом енергії для багатьох видів мікроорганізмів, сировиною для виробництва продуктів мікробного синтезу (органічних кислот, ферментів, спиртів, вітамінів) і білкової біомаси. Із всіх відомих мікроорганізмів найвищим коефіцієнтом конверсії білка сироватки в мікробний білок володіють дріжджі. Здатність до асиміляції лактози є приблизно в 20% всіх відомих видів дріжджів. Набагато рідше зустрічаються дріжджі, які здатні зброджувати лактозу. Активний катаболізм лактози особливо характерний для дріжджів з роду Kluyveromyces. Ці дріжджі можна використати для одержання на молочній сироватці кормового білка, етанолу, препаратів β-глюкозидази.

Уперше дріжджі на молочній сироватці стали вирощувати в Німеччині. Як продуценти застосовували різні штами сахароміцетів. Розроблено способи одержання мікробних продуктів, основаних на використанні лактози як монокультурою, так і сумішшю дріжджів і бактерій. У наш час як продуцентів використовують дріжджі родів Candida, Trichosporon, Torulopsis. Молочна сироватка з дріжджами, які в ній виросли за біологічною цінністю значно перевершує вихідну сировину і її можна використовувати як замінник молока. Наведений перелік мікроорганізмів і процесів одержання білка одноклітинних не є вичерпним. Однак потенціал цієї нової галузі виробництва використовується далеко не повністю. Крім того, ми ще не знаємо всіх можливостей діяльності мікроорганізмів як продуцентів білка, але в міру поглиблення наших знань, вони будуть розширені.