Лекция 13. Одноклеточный белок

Главной проблемой, стоящей перед человечеством (и, в частности, перед развивающимися странами), является взрывоподобный рост населения. В 1988 г. требовалось накормить 4 млрд "ртов", а в 2000 г. – 6 млрд. Естественно, что традиционное сельское хозяйство не сможет удовлетворить пищевые потребности растущей численности населения, особенно белковым питанием. Уже в настоящее время Международная Организация питания и сельского хозяйства (FAO) предсказывает резкое увеличение пропасти в обеспечении белком между развитыми и развивающимися странами. По меньшей мере 25% мирового населения в настоящее время страдает от голода или недостатка питания и несоразмерно большая часть этого населения живет в развивающихся странах, где засушливый климат и мало плодородные почвы затрудняют ведение продуктивного сельского хозяйства.

И тем не менее продуктивность сельского хозяйства во всех его отраслях постоянно повышается практически по всему миру. В этом процессе, конечно, определенную помощь окажут и различные биотехнологические новшества, призванные усовершенствовать традиционные сельскохозяйственные приемы. Даже сейчас во многих регионах Земли постоянно появляются пищевые излишки, особенно велико их количество в Северной Америке и Европе, где практически постоянна популяция людей. Кроме того, ряд стран, ранее являвшихся чистыми импортерами большинства пищевых продуктов (такие, как Индия и Индонезия), в настоящее время сумели наладить самообеспечение. И все же в мире имеет место несбалансированность в снабжении населения хлебом и этот недостаток постоянно усугубляется в связи с изменениями в неблагоприятную сторону глобальной погоды (в частности, сильные ливни, засухи), а также национальными и межнациональными войнами, сопровождаются разрушением сельского хозяйства и колоссальными перебоями в распределении питания.

По данным ряда специалистов, мировой дефицит белка оценивается в 30–35 млн т. Причем степень дефицита варьирует в зависимости от страны и должна рассматриваться в рамках каждой национальной экономики. Сдвиг от злаковой к мясной диете в различных странах приобретает разительные масштабы и ведет к увеличению расхода зерна в пересчете на человека, поскольку требуется от 3 до 10 кг зерна, чтобы произвести 1 кг мяса путем повышения эффективности животноводства и совершенствования кормовых программ.

Поиски дополнительных источников белка предпринимаются постоянно и повсеместно. Широко внедряются новые сельскохозяйственные приемы; получаются новые сорта злаков, характеризующиеся повышенным содержанием белка; там, где это позволяют климатические и другие природные условия, интенсивно внедряется выращивание сои и земляного ореха; белки начинают экстрагироваться путем ультрафильтрации из определенных жидких отходов; и наконец, разрабатываются новые нетрадиционные способы производства белковых соединений.

Определенные успехи достигнуты в получении белка с помощью микробного синтеза. Это направление получило название производства одоклеточного белка (SСP), поскольку большинство микроорганизмов, используемых для этих целей, растут в виде одноклеточных или мицелиальных (нитевидных) особей, а не как сложные многоклеточные организмы (растения или животные).

Понятие "съедобные микробы" звучит несколько странно, однако люди давно распознали питательную и вкусовую ценность некоторых микроорганизмов, а именно грибов. Но даже и в этом случае скептицизм и предвзятость оказывают существенное влияние на отношение людей к этому великолепному пищевому продукту. И в то время как во многих странах грибы достаточно широко употребляются в пищу, население других стран их игнорирует и избегает использовать.

Хотя грибы в настоящее время во многих странах выращиваются в довольно больших количествах и широко употребляются в пищу и рассматриваются как весьма перспективный и удобный способ производства пищевых продуктов, использование других микробов пока что менее приемлемо, так как существуют многие проблемы, не являющиеся по своей природе технологическими.

И все же на протяжении последних двух-трех десятилетий отмечается явный растущий интерес к использованию различных микроорганизмов для производства пищевых продуктов, в частности дня скармливания домашним животным. Полагают, что применение одноклеточного белка, получаемого на дешевых субстратах, для корма животных окажет большое влияние на улучшение питания людей в результате снижения их конкуренции с животными за растительную пищу, богатую белком.

Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоят в следующем: микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500–5000 раз выше, чем у растений и животных; микробные клетки способны накапливать очень большие количества белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе); в микробиологическом производстве вследствие высокой специфичности микроорганизмов отсутствует многостадийность процесса; а сам процесс биосинтеза осуществляется в мягких условиях при температурах 30–45° С, рН 3–6 и давлении около 0,1 МПа. Помимо всего прочего, микробиологический путь получения богатой белком биомассы менее трудоемкий по сравнению с получением сельскохозяйственной продукции и органическим синтезом белка.

Все эти преимущества и определили быстрое развитие технологии производства микробного белка, которое в настоящее время является самой крупнотоннажной отраслью биотехнологии и открывает возможность промышленной продукции различных кормовых добавок для животноводства и птицеводства с помощью микроорганизмов. Причем получаемые продукты характеризуются высокой кормовой ценностью и в достаточных количествах. Большое число компаний во всем мире участвует в этих процессах и уже производится значительное количество достаточно ценных продуктов такого рода.

Основной целью продукции одноклеточного белка является его содержание в препарате. Однако следует иметь в виду, что помимо белка микроорганизмы содержат также и другие вещества: углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты и различные минеральные соединения, часть из которых может оказывать и неблагоприятное действие на организм, при использовании в пищу человека или животных. Так, вследствие ограниченной способности человека деградировать нуклеиновые кислоты, прежде чем использовать одноклеточный протеин в качестве пищевого продукта, он должен подвергаться специальной обработке.

Тем не менее высокое содержание белка, слабый запах и мягкий вкус одноклеточного протеина в сочетании с легкостью хранения придают существенную ценность этому продукту питания. Кроме того, он с успехом может применяться в так называемых водных культурах: например на фермах для разведения креветок, форели, семги и т. п. Преимущества микробного белка перед животным (в отношении быстроты получения) демонстрируются следующими цифрами: продукционная способность коровы весом в 250 кг и 250 г дрожжей практически одинакова. В то время как корова будет прибавлять в день по 200 г веса, микробы за этот же период времени способны произвести (теоретически, в идеальных условиях культивирования) до 25 т биомассы. Однако корова обладает уникальной особенностью превращать (конвертировать) траву в богатое белком и другими ценными веществами молоко! Несмотря на многолетние попытки разработки конкурентоспособного способа подобного типа конверсии, все они остались пока безрезультатными. Поэтому коровы в настоящее время рассматриваются как "живые, самовоспроизводящиеся и съедобные «ферменторы»! Поэтому вопрос о замене коров микроорганизмами в пределах обозримого будущего остается открытым.

Помимо чисто технологических и экономических сложностей, существенное влияние на развитие производства одноклеточного белка оказывают географические, политические, социологические и психологические факторы, которые порой оказываются в значительной степени определяющими. В частности, большое внимание уделяется проблемам безопасности, питательной ценности и применимости данного продукта. Природа сырьевого материала, используемого в производстве одноклеточного белка, представляет известную опасность: например, потенциальная канцерогенность углеводородов нефти и н-парафинов, наличие тяжелых металлов или других загрязняющих примесей в минеральных солях, присутствие остатков растворителей после экстракции продукта, а также токсинов (в частности, микотоксинов), образуемых некоторыми микроорганизмами (например, определенными грибами), и т. д. Поскольку организм-продуцент должен быть непатогенным и нетоксигенным, а его продукты метаболизма безвредными, строгий санитарный режим и различные процедуры контроля качества должны постоянно осуществляться в течение всего биотехнологического процесса в целях предотвращения порчи продукта, а также загрязнения его патогенными или токсигенными микроорганизмами.

Применимость одноклеточного белка как пищевого продукта для человека зависит не только от его безвредности и питательной ценности, но также и от ряда других факторов. Помимо обычного нежелания людей потреблять вещества, получаемые из микробов, процесс питания характеризуется многими неуловимыми психологическими, социальными и религиозными аспектами. У различных культур существует достаточное число специфических ассоциаций с едой, общественным положением, а также символической значимостью различных видов пищи. Должны также учитываться более явные особенности, связанные с применимостью продукта: запах, цвет, вкус, консистенция и внешний вид. Так, например, одноклеточный белок может использоваться в качестве пищи для человека, по-видимому, лишь при относительно малом его количественном содержании в обычных традиционных продуктах. Поэтому в настоящее время он может служить преимущественно как источник питания для различных видов домашних животных, птиц или рыб. И все же уже теперь некоторые промышленные процессы направлены на изготовление микробных продуктов для человека: например, грибной белок фирмы Ranks Hovis McDougall/ICI.

Какие же факторы, помимо технологических, оказывают влияние а расширение производства одноклеточного белка? Главным образом это политические и социальные аспекты использования для его получения нефтепродуктов как субстратов для культивирования продуцентов, поскольку последние могут быть существенно загрязнены канцерогенными веществами. В силу этого обширные программы, связанные с производством одноклеточного белка, в Японии, Италии и Британии в свое время были приостановлены и усилия биотехнологов были направлены на его производство из этанола или метанола либо на основе различных органических отходов, являющихся потенциально менее опасными.