Использование микроорганизмов для получения кормов относится к

БИОТЕХНОЛОГИЯ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1. Производство кормового белка

1.2. Использование дрожжей и бактерий

1.3. Использование водорослей и микроскопических грибов

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.).

Биотехнология призвана не только совершенствовать традицион­ные методы, широко используемые в пищевой промышленности при производстве молочнокислых 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, ме- тионин, треонин, триптофан и фенилаланин), которые называ­ют незаменимыми. Эти аминокислоты должны поступать в орга­низм в готовом виде с пищей; их отсутствие вызывает тяжелые заболевания человека и снижение продуктивности сельскохозяй­ственных животных.

Для человека главные источники незаменимых аминокислот — белки животного и растительного происхождения, входящие в состав пищи, а для животных — в основном растительные белки. Все незаменимые аминокислоты должны содержаться в белках в определенных соотношениях, отвечающих потребностям данного организма.

Если содержание белков в растительном корме ниже нормы, 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 балансирования 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.

Перспектива и экономическая целесообраз­ность употребления микроорганизмов в технологии производства пищевых продуктов диктуются рядом факторов:

1. возможностью использования самых разнообразных хими­ческих соединений, в том числе отходов производства, для куль­тивирования микроорганизмов;
2. высокой интенсивностью синтеза белков;
3. относительно несложной технологией культивирования мик­роорганизмов, которое можно осуществлять круглосуточно и во все сезоны года;
4. относительно высоким содержанием белка и витаминов, а также углеводов, липидов и препаратов на основе микробов;
5. повышенным содержанием незаменимых аминокислот по сравнению с растительными белками (табл. 1.1);
6. возможностью направленного генетического влияния на хи­мический состав микроорганизмов в целях совершенствования белковой и витаминной ценности продукта.

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 ниже 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.

Рис. 1.1. Перспективные направления биотехнологии в снабжении чело­вечества продовольствием

Таблица 1.1. Содержание незаменимых аминокислот в белках некоторых микроорганизмов (в граммах на 100 г белка)

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 других странах 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 н-парафинах нефти, такие, как производные бензола, D-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 arborea, С. utilis) широко используют в каче­стве белковых добавок к различным пищевым продуктам. Дрож­жевой белок позволяет повысить питательную и витаминную цен­ность пищевых 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) разработан?, технология получения ряда диетических продуктов, обогащенные дрожжевым белком «Provesten Т» (фирма «Provesta») с высокие 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. Е составе этих дрожжей обнаружено около 14 витаминов, причем на долю витамина В1 приходится 10 мг%, витамина В2 — 3 мг% они характеризуются хорошей сбалансированностью незаменимы; 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 в пищевой промышленности для «арома­тизации» мяса, творога и изделий из них. Как правило, биомасса 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 % С02. Производство кормового белка на основе использования водоро- докисляющих 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 %.

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 выход биомассы 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 (3-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 этой водоросли в корм тутового шелко­пряда (листья шелковицы) значительно увеличивает выход шел­ка и его качество.В биомассе многих микроскопических грибов хорошо сбалан­сированы по ам?