Съдържание
Мащабното отглеждане на микроорганизми като директен източник на протеини за хранене на хора и животни се разглежда като начин за решаване на проблема с недостига на храна в Германия още по време на Първата световна война. Разработени са технологични процеси за отглеждане на бирена мая, която след преработка и сушене се добавя към супи и колбаси. По време на Втората световна война тези процеси вече са добре установени.
Изразът "протеини на едноклетъчни организми" възниква през 60 -те години. по отношение на бактериалната биомаса (главно мая), която се използва като хранителен компонент на животни и хора. Особено привлекателен е фактът, че хранителната среда за отглеждане на бактерии често са селскостопански отпадъци: сладкиш от захарно цвекло в производството на захар, слънчогледов сладкиш в производството на растително масло, суроватка в производството на сирене, дървени стърготини и дървени стърготини и др. .
Интересът към този проблем се разраства след публикуването на резултатите от изследванията, показващи възможността за производство на такива протеинови концентрати на базата на въглеводороди. Петролните компании финансираха разработването на тези проучвания не само поради използването на въглеводороди, но и поради благоприятните резултати от тестовете за храни и маркетинговите перспективи.
Първият мащабен завод за концентрати на протеини е разработен от съвместно предприятие между British Petroleum (Великобритания) и Italprotein (Италия) през 1975 г., с капацитет от 100 000 т / година; суровината беше нормални парафини. Япония също се зае с този проблем, бяха построени 8 завода с капацитет от 1500 тона протеин / година. Интересът към производството на протеини в едноклетъчните организми обаче през 70-те години. леко намалява; отчасти поради благоприятното земеделско положение през онези години, но главно поради несъвършени технологии, които не премахват някои токсични вещества от крайния продукт.
През 80 -те години. Германската компания "Hoechst", която се откроява на пазара с високите си технологии, е разработила процеси за получаване на висококачествени протеинови концентрати. През 80 -те години. един от водещите световни производители на протеини беше СССР с неговата неизчерпаема суровинна база. Във Финландия е построена фабрика, използваща Paecilomyces в сулфитни отпадъци от хартиените фабрики; фабричен капацитет - 10 000 тона протеин / година.
В страните от ЕИО годишно се произвеждат около 25 милиона тона протеинови концентрати. Тези цифри говорят за рентабилността на предприятията. Храната за добитък става скъпа поради ограничените земеделски стопанства и поради редица други причини. Протеините на едноклетъчните организми имат огромни предимства: висока степен на възпроизводство, наличие на суровини, решаване на проблемите с изхвърлянето на отпадъци на много предприятия и др.
В допълнение, протеините имат постоянен и възпроизводим състав, лесно е да ги подсилите, да добавите необходимите микроелементи; те също са лесни за приготвяне като гранули или таблетки и са много по -лесни за съхранение от растенията или други фуражи.
Производителите на протеини обаче не считат продуктите си за заместител на протеина в храната на животните: протеиновите концентрати служат като добавки към храната, което ги прави по -евтини и подобрява качеството им. Трябва да се отбележи обаче, че производството на протеинови добавки не се развива толкова бързо, колкото се предвижда през 60 -те и 70 -те години.Факт е, че изискванията за безопасност на технологиите станаха много по -строги, което трябва да вземе предвид резултатите от всички необходими токсикологични и хранителни тестове.
Трябва да бъдете особено внимателни относно използването на протеинови концентрати в храненето на хората. Използването им за решаване на проблема с храненето на световното население няма алтернатива, тъй като прогнозите показват, че ръстът на населението не съответства на растежа на хранителните продукти. Със сигурност може да се каже, че развитието на микроорганизми в храненето на човека тепърва започва.
Микроорганизмите започват да се използват при производството на протеинови продукти много преди появата на микробиологията. Достатъчно е да споменем всички видове сирена, както и продукти, получени чрез ферментация на соеви зърна. И в първия, и във втория случай протеинът е хранителната основа. По време на разработването на тези продукти, с участието на микроби, настъпва дълбока промяна в свойствата на протеиносъдържащите суровини.
Резултатът са хранителни продукти, които могат да се съхраняват по -дълго (сирене) или по -удобно за консумация (бобова извара). Микробите играят роля в производството на някои месни продукти за съхранение. Така че при производството на някои сортове колбаси се използва кисела ферментация, обикновено с участието на комплекс от млечнокисели бактерии. Получената киселина допринася за запазването на продукта и допринася за формирането на неговия специален вкус.
Това може би ограничава използването на микроорганизми при обработката на протеини. Възможностите на съвременните биотехнологии в тези индустрии са малки, с изключение на производството на сирена. Друго нещо е отглеждането и събирането на микробна маса, преработена в храна: тук биотехнологията може да се прояви в своята цялост.
Производство на протеини на едноклетъчни организми
За много важни показатели биомасата на микроорганизмите може да има много висока хранителна стойност. До голяма степен тази стойност се определя от протеините: при повечето видове те съставляват значителна част от сухата маса на клетките. В продължение на десетилетия перспективите за увеличаване на дела на микробния протеин в общия баланс на протеини, произвеждани в световен мащаб, се обсъждат и изследват активно.
Производството на такъв протеин включва мащабно отглеждане на определени микроорганизми, които се събират и преработват в храната. За да се реализира възможно най -пълната трансформация на субстрата в микробна биомаса, е необходим многостранен подход. Отглеждането на микроби за храна представлява интерес по две причини. Първо, те растат много по -бързо от растенията и животните: времето за удвояване на техния брой се измерва в часове. Това съкращава времето, необходимо за производството на определено количество храна.
Второ, в зависимост от отглежданите микроорганизми, като субстрати могат да се използват различни видове суровини. Що се отнася до субстратите, тук можете да отидете в две основни посоки: да преработите нискокачествени отпадъчни продукти или да се съсредоточите върху лесно достъпните въглехидрати и да получите от тях микробна биомаса, съдържаща висококачествен протеин.
Получаване на микробен протеин върху метанол
Основното предимство на този субстрат е неговата висока чистота и липса на канцерогенни примеси, добра разтворимост във вода, висока летливост, което улеснява отстраняването на остатъците от крайния продукт. Биомасата, получена върху метанол, не съдържа нежелани примеси, което прави възможно изключването на етапа на пречистване от технологичната схема.
Необходимо е обаче да се вземат предвид по време на процеса такива характеристики на метанола като запалимост и възможността за образуване на експлозивни смеси с въздуха.
Както дрождите, така и бактериалните щамове са изследвани като производители, използващи метанол в конструктивния метаболизъм.От дрождите, Candida boidinii, Hansenula polymorpha и Piehia pastoris са препоръчани за производство, оптималните условия за които (температура 34-37 ° C, рН 4,2-4,6) позволяват процеса да се осъществи с икономически коефициент на асимилация субстрат до 0,40 при скорост на потока в диапазона 0,12-0,16 h-1.
Сред бактериалните култури се използват Methylomonas clara, Pseudomonas rosea и други, способни да се развиват при температура 32-34 ° C, рН 6,0-6,4 с икономичен коефициент на асимилация на субстрата до 0,55 при дебит до 0,5 h -1.
Характеристиките на процеса на отглеждане до голяма степен се дължат на използвания производител щам (дрожди или бактерии) и условията на асептика. Редица чуждестранни компании предлагат да използват щамове дрожди и да извършват отглеждане при липса на строга асептика. В този случай технологичният процес се осъществява във ферментатор тип изхвърляне с производителност 75 тона протеин на ден, а специфичната консумация на метанол е 2,5 тона / тон протеин.
При отглеждане на дрожди при асептични условия се препоръчва колонен или апарат тип ерлифит с капацитет 75-100 тона протеин / ден с разход на метанол до 2,63 тона / тон протеин. И в двата случая процесът на отглеждане се извършва в един етап, без етап на „узряване“, с ниска концентрация на субстрата (8-10 g / l).
В редица страни бактериални щамове се използват като производители, процесът се провежда при асептични условия във въздушнофилитни или струйни ферментатори с капацитет 100-300 тона / ден и консумация на метанол до 2, 3 тона / тон протеин. Ферментацията се извършва в един етап при ниски концентрации на алкохол (до 12 g / l), с висока степен на използване на метанол.
Най -обещаващ по отношение на дизайна си е струйният ферментатор на Института по техническа химия (Германия). Ферментаторът с обем 1000 m се състои от секции, разположени една над друга и свързани помежду си чрез преливания на шахти.
Ферментационната среда от долната секция на ферментатора през тръбопровод под налягане се подава от центробежни циркулационни помпи към горните преливници на вала, през които преминава към долната секция, като същевременно изсмуква въздуха от газопровода. По този начин средата тече от секция в секция, като непрекъснато засмуква нови порции въздух. Падащите струи в моите преливания осигуряват интензивна аерация на средата.
Хранителната среда непрекъснато се подава в зоната на препълване на горния вал и микробната суспензия се отстранява от отдалечените вериги. На етапа на изолация за всички видове производители се осигурява разделяне на гранулацията, за да се получи готов продукт в гранули.
Фуражната мая, получена върху метанол, има следния състав (в%): суров протеин 56-62; липиди 5-6; пепел 7-11; влага 8-10; нуклеинови киселини 5-6. Бактериалната биомаса се характеризира със следния състав (в%): суров протеин 70-74; липиди 7-9; пепел 810; нуклеинови киселини 10-1h; влажност 8-10.
В допълнение към метанола, етанолът се използва като висококачествена суровина, която има ниска токсичност, добра разтворимост във вода и малко количество примеси.
Дрождите (Candida utilis, Sacharomyces lambica, Hansenula anomala, Acinetobacter calcoaceticus) могат да се използват като микроорганизми, които произвеждат протеин върху етилов алкохол като единствен източник на въглерод. Процесът на култивиране се извършва на един етап във ферментатори с високи характеристики на пренос на маса при концентрация на етанол не повече от 15 g / l.
Маята, отглеждана с етанол, съдържа (в%): суров протеин-60-62; липиди - 2-4; пепел - 8-10; влага - до 10.
Получаване на протеинови вещества от въглехидратни суровини
В исторически план един от първите субстрати, използвани за получаване на фуражна биомаса, са хидролизатите от растителни отпадъци, прехидрализатите и сулфитните течности - отпадъчни продукти от целулозно -хартиената промишленост.
Интересът към въглехидратните суровини като основен възобновяем източник на въглерод също се е увеличил значително от екологична гледна точка, тъй като той може да послужи като основа за създаване на технология без отпадъци за преработка на растителни продукти.
Поради факта, че хидролизатите са сложен субстрат, състоящ се от смес от хексози и пентози, видовете дрожди C. utilis, C. scottii и C.tropicalis, които наред с хексозите са способни да асимилират пентози, както и да прехвърлят присъствието на фурфурал в средата.
Съставът на хранителната среда, в случай на култивиране върху въглеводородна суровина, значително се различава от този, използван за отглеждане на микроорганизми върху въглеводороден субстрат. В хидролизатите и сулфитната луга има малко количество от почти всички микроелементи, необходими за растежа на дрождите. Липсващите количества азот, фосфор и калий се въвеждат под формата на общ разтвор на амофос соли, калиев хлорид и амониев сулфат.
Ферментацията се извършва в въздушно-повдигащи устройства, проектирани от Lefrancois-Marillet с обем 320 и 600 m3. Процесът на отглеждане на дрожди се извършва в непрекъснат режим при рН 4,2-4,6. Оптималната температура е от 30 до 40 ° C.
Фуражната мая, получена чрез култивиране върху хидролизати на растителни суровини и сулфитни течности, има следния състав (в%): протеин - 43-58; липиди - 2,3-3,0; въглехидрати - 11-23; пепел - до 11; влажност - не повече от 10.
Един от обещаващите субстрати при производството на фуражна биомаса са торфените хидролизати, които съдържат голямо количество лесно смилаеми монозахариди и органични киселини. Освен това, само малки количества суперфосфат и калиев хлорид се добавят към хранителната среда. Източник на азот е амонячната вода.
По отношение на качеството фуражната биомаса, получена от торфени хидролизати, надминава дрождите, отглеждани върху растителни отпадъци.
Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Изисквания за хранителни субстрати,
използвани в биотехнологичните процеси. Естествено
суровини от растителен произход. Отпадъци
различни индустрии като суровини за биотехнологични процеси.
Химически и нефтохимични субстрати, използвани като
суровини за биотехнологии.
Индустриална биотехнология Производство на протеини от микроорганизми
Субстрати за култивиране на микроорганизми с цел получаване на протеин
Микроорганизмите използват голямо разнообразие от субстрати като източници на материя и енергия - нормални парафини и маслени дестилати, природен газ, алкохоли, растителни хидролизати и промишлени отпадъци.
За отглеждане на микроорганизми за протеини би било хубаво да има богат на въглерод, но евтин субстрат. Това изискване е напълно изпълнено от нормалните (неразклонени) маслени парафини. Добивът на биомаса може да достигне при тяхното използване до 100% от масата на субстрата. Качеството на продукта зависи от чистотата на парафините. Когато се използват парафини с достатъчна чистота, получената маса от дрожди може успешно да се използва като допълнителен източник на протеин в диетата на животните. Първият в света голям завод за фуражни дрожди с капацитет от 70 000 тона годишно. стартира през 1973 г. в СССР. Като суровина бяха използвани n-алкани, изолирани от масло и няколко вида дрожди, способни за бърз растеж върху въглеводороди: Candida maltosa, Candida guilliermondii и Candida lipolytica. В бъдеще именно отпадъците от рафинирането на петрол служеха като основна суровина за производството на дрожден протеин, който нараства бързо до средата на 80-те години. надхвърля 1 милион тона годишно, а в СССР фуражният протеин получава два пъти повече, отколкото във всички други страни по света, взети заедно. В бъдеще обаче мащабът на производство на дрожден протеин от нефтени въглеводороди рязко намалява. Това се случи както в резултат на икономическата криза от 90 -те години, така и поради редица специфични проблеми, с които това производство е свързано. Една от тях е необходимостта от почистване на готовия фуражен продукт от остатъци от масло, които имат канцерогенни свойства.
Малко са районите у нас, подходящи за отглеждане на соя, които са основният източник на протеинови добавки. Следователно установеномащабно производство на фуражна мая върху n-парафини... Има няколко завода с капацитет от 70 до 240 хиляди тона годишно.Течните рафинирани парафини се използват като суровини.
Метиловият алкохол се счита за един от обещаващите източници на въглерод за отглеждането на висококачествени производители на протеини. Може да се получи чрез микробен синтез върху субстрати като дърво, слама, битови отпадъци. Използването на метанол като субстрат е трудно поради неговата химична структура: молекулата на метанола съдържа един въглероден атом, докато синтезът на повечето органични съединения се осъществява чрез двувъглеродни молекули. Около 25 вида дрожди, включително Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica, могат да растат на метанол като единствен източник на въглерод и енергия. Бактериите се считат за най -добрите производители на този субстрат, тъй като могат да растат върху метанол с добавяне на минерални соли. Процесите на производство на протеини на метанолова основа са доста икономични. Според концерна ICI (Великобритания), цената на продукт, произведен на метанол, е с 10-15% по-нисък, отколкото в подобно производство на базата на високо пречистени n-парафини. Продукти с високо съдържание на протеини от метанол се получават от компании от редица развити страни по света: Великобритания, Швеция, Германия, САЩ, Италия. Производителите на протеини са бактерии от рода Methylomonas. Отглеждането на метилотрофни бактерии като Methylophilus methylotrophus върху метанол е полезно, тъй като те използват по-ефективно едновъглеродни съединения. Когато растат върху метанол, бактериите произвеждат повече биомаса от дрождите. Първата окислителна реакция на метанола в дрождите се катализира от оксидаза, а в метилотрофните прокариоти - от дехидрогеназа. В момента се работи по генно инженерство за прехвърляне на метанол дехидрогеназния ген от бактерии към дрожди. Това ще комбинира технологичните предимства на дрождите с ефективността на растежа на бактериите.
Използването на етанол като субстрат елиминира проблема с пречистването на биомаса от анормални метаболитни продукти с нечетен брой въглеродни атоми. Цената на такова производство е малко по -висока. Биомасата на основата на етанол се произвежда в Чехословакия, Испания, Германия, Япония и САЩ.
В САЩ, Япония, Канада, Германия, Великобритания са разработени технологични процеси за производство на протеини с използване на природен газ. Добивът на биомаса в този случай може да бъде 66% от теглото на субстрата. Процесът, разработен във Великобритания, използва смесена култура от бактерии Methylomonas, които метаболизират метан, Hypomicrobium и Pseudomonas, които метаболизират метанола, и два вида неметилотрофни бактерии. Културата се характеризира с висок темп на растеж и производителност. Основните предимства на метана (между другото, основният компонент на природния газ) са наличността, относително ниската цена, високата ефективност на превръщане в биомаса от окисляващи метан микроорганизми, значително съдържание на протеин в биомасата, балансиран по аминокиселинен състав. Бактериите, растящи на метан, добре понасят киселинна среда и високи температури и следователно са устойчиви на инфекции.
Минерален въглерод - въглеродният диоксид също може да бъде субстрат за микробен синтез. Окисленият въглерод в този случай успешно се редуцира от микроводорасли, използващи слънчева енергия, и окисляващи водород бактерии, използващи водород. Суспензия от водорасли се използва за фураж за добитък. За работата на растенията за отглеждане на водорасли са необходими стабилни климатични условия - постоянни температури на въздуха и интензивността на слънчевата светлина.
Производството на протеини с помощта на водород-окисляващи бактерии, които се развиват поради окисляването на водорода от атмосферния кислород, е най-обещаващото. Енергията, отделена при този процес, се използва за усвояване на въглеродния диоксид. По правило за получаване на биомаса се използват бактерии от рода Hydrogenomonas. Първоначално интересът към тях възниква по време на разработването на затворени системи за поддържане на живота, а след това те започват да се изучават от гледна точка на използването им като производители на висококачествен протеин.В Института по микробиология на Университета в Гьотинген (Германия) е разработен метод за култивиране на водород-окисляващи бактерии, при който е възможно да се получат 20 g сухо вещество на 1 литър клетъчна суспензия. Може би в бъдеще тези бактерии ще се превърнат в основен източник на хранителни микробни протеини.
Растителната биомаса е изключително достъпен и сравнително евтин източник на въглехидрати за производството на микробен протеин. Всяко растение съдържа разнообразие от захари. Целулозата е полизахарид, изграден от глюкозни молекули. Хемицелулозата се състои от остатъци от арабиноза, галактоза, маноза, фруктоза. Проблемът е, че дървесните полизахариди са свързани чрез твърди оксифенилпропанови единици на лигнин, полимер, който е почти неразрушим. Следователно, хидролизата на дървесината протича само в присъствието на катализатор - минерална киселина и при високи температури. В този случай се образуват монозахариди - хексози и пентози. Дрождите се отглеждат върху течност, съдържаща захарна фракция от хидролизата. По време на кисела хидролиза на дървесина се образуват редица странични продукти (фурфурол, меланини) и поради високите температури може да настъпи карамелизиране на захарите. Тези вещества пречат на нормалния растеж на дрождите, отделят се от хидролизата и се използват, когато е възможно. Щамовете Candida scotti и C. tropicalis се използват като производители.
Най -големите производители на суровини за хидролизата са дървообработващите предприятия, чиито отпадъци достигат десетки милиони тонове годишно. За съжаление, отпадъците от производството на мастни влакна (от лен и коноп), производството на картофено нишесте, пивоварството, плодово -зеленчуковата промишленост, консервната промишленост, целулозата от цвекло не се използват рационално или изобщо не се използват.
Специално внимание заслужават методите за директно биоконвертиране на фотосинтетични продукти и техните производни в протеин с помощта на гъбички. Поради наличието на мощни ензимни системи тези организми могат да използват сложни растителни субстрати без предварителна обработка. Изследвания на условията за биоконверсия на растителни субстрати в микробни протеини се провеждат активно в САЩ, Канада, Индия, Финландия, Швеция, Великобритания, у нас и други страни по света. В литературата обаче има малко данни за мащабното производство на протеини от микробен произход. Най -известният и най -напреднал до етапа на индустриално внедряване е процесът „Waterloo“, разработен в Университета на Ватерло в Канада. Този процес, основан на отглеждането на разрушаващите целулозата гъби Chaetomium cellulolyticum, може да се извърши както в потопена култура, така и по повърхностния метод. Съдържанието на протеини в крайния продукт (мицел от сушени гъби) е 45%. Финландската компания "Tampella" е разработила технологията и е организирала производството на протеинов фуражен продукт "Pekilo" върху отпадъците от производството на целулоза и хартия. Продуктът съдържа до 60% протеин с добър аминокиселинен профил и значително количество витамини от група В.
В повечето страни, произвеждащи мляко, традиционният начин за използване на суроватката е храненето й с животни. Степента на превръщане на суроватъчния протеин в животински протеин е много ниска (1700 кг суроватка са необходими за производството на 1 кг животински протеин). През последните 10-15 години от суроватката се изолират висококачествени протеини чрез ултрафилтрация, на базата на която се правят заместители на обезмаслено мляко на прах и други продукти. Концентратите могат да се използват като хранителни добавки и компоненти на детската храна. Суроватката се използва и за производство на млечна захар - лактоза, която се използва в хранителната и медицинската промишленост. При всичко това обемът на промишлена преработка на суроватка е 50-60% от общото й производство. Следователно има голяма загуба на най -ценния млечен протеин и лактоза. Освен това съществува проблем с изхвърлянето на отпадъци, тъй като процесът на естествено разграждане на суроватката е изключително бавен.Суроватъчната лактоза може да служи като източник на енергия за много видове микроорганизми, като суровина за производството на продукти на микробния синтез (органични киселини, ензими, алкохоли, витамини) и протеинова биомаса. От всички известни микроорганизми, дрождите имат най -висок процент на превръщане на суроватъчен протеин в микробен протеин. Способността за усвояване на лактозата се открива при около 20% от всички известни видове дрожди. Лактозата, ферментираща с дрожди, е много по -рядка. Активният катаболизъм на лактозата е особено характерен за дрождите от рода Kluyveromyces. Тази мая може да се използва за получаване на фуражни протеини, етанол, β-глюкозидазни препарати върху суроватка.
За първи път дрождите на суроватъчна основа се отглеждат в Германия. Като производители са използвани различни щамове захаромицети. Разработени са методи за получаване на микробни продукти, базирани на използването на лактоза като монокултура и смес от дрожди и бактерии. Понастоящем дрождите от родовете Candida, Trichosporon, Torulopsis се използват като производители. По отношение на биологичната стойност суроватката с дрожди, отглеждани в нея, значително надвишава суровината и може да се използва като заместител на млякото. Горният списък с микроорганизми и процеси за производство на протеин в едноклетъчните организми не е изчерпателен. Потенциалът на тази нова индустрия обаче далеч не е напълно използван. Освен това все още не знаем всички възможности за дейността на микроорганизмите като производители на протеини, но с задълбочаването на нашите знания те ще бъдат разширени.
Суровини и състав на хранителни среди за биотехнологично производство Хранителната среда осигурява жизнена активност, растеж, развитие на биологичен обект, ефективен синтез на целевия продукт. Неразделна част от хранителната среда е водата, хранителните вещества, които образуват истински разтвори (минерални соли, аминокиселини, карбоксилни киселини, алкохоли, алдехиди и др.) И колоидни разтвори (протеини, липиди, неорганични съединения - железен хидроксид). Отделните компоненти могат да бъдат в твърдо агрегатно състояние, да плават, да бъдат равномерно разпределени в обема като суспензия или да образуват долен слой.Суровини за културни среди в биотехнологично производство
Суровините, използвани за получаване на целевия продукт, трябва да бъдат оскъдни, евтини и възможно най-лесно достъпни: меласа-страничен продукт от производството на захар, компоненти от нефт и природен газ, селскостопански отпадъци, дървообработваща и хартиена промишленост и др. Най -често хранителните отпадъци се използват като компоненти на хранителни среди. Цвекловата меласа - отпадъчен продукт от производството на захар от цвекло, е богат на органични и минерални вещества, необходими за развитието на микроорганизми. Съдържа 45-60% захароза, 0,25-2,0% инвертна захар, 0,2-3,0% рафиноза. В допълнение, меласата съдържа аминокиселини, органични киселини и техните соли, бетаин, минерали и някои витамини. Използва се за промишлено производство на лимонена киселина, етанол и други продукти. Меласата е загуба на производство на меласа и алкохол. Химическият състав на винаса зависи от състава на оригиналната меласа и варира в широки граници. Според химичния си състав меласата е пълноценна суровина за производството на фуражна мая, която не изисква добавяне на растежни вещества, тъй като съдържа достатъчно количество витамини. Съдържанието на сухо вещество в естествения сляг е 8-12%, в изпарения - 53%. Зърното и картофите са отпадък от производството на алкохол. Съдържанието на разтворими сухи вещества обикновено е 2,5-3,0%, включително 0,2-0,5% редуциращи вещества, има източници на азот и микроелементи. Използва се за получаване на микробен протеин. Пивоварните отпадъци (зърна от бира и малцови кълнове) и отпадъците от несмален ечемик са подходящ, но малък източник на смилаеми въглехидрати за производството на микробни протеини. За производството на фуражна мая тази суровина се хидролизира по подходящ начин и се въвежда в хранителната среда в съотношение 8: 0,2: 0,05 (пелети: кълнове: ечемичен отпадък). Пшеничните трици са отпадък от производството на смилане, те се използват за приготвяне на хранителни среди в твърдофазов метод на отглеждане. Те имат богат химически състав и могат да се използват като единствен компонент на хранителната среда. Тъй като пшеничните трици са скъп продукт, те се смесват с по -евтини компоненти: дървени стърготини, малцови кълнове, плодови костилки и др. Суроватката е отпадък от производството на сирене, извара и казеин. В тази връзка се прави разлика между сирене, извара и казеинова суроватка. По отношение на химичния състав и енергийната стойност този продукт се счита за „половин мляко“. Млечната суроватка е много богата на различни биологично активни съединения, нейният сух остатък съдържа средно 70-80% лактоза, 7-15% протеинови вещества, 2-8% мазнини, 8-10% минерални соли. В допълнение, суроватката съдържа значително количество хормони, органични киселини, витамини и микроелементи. Наличието на въглеродни източници, лесно усвоими от много видове микроорганизми в млечната суроватка, както и различни фактори на растеж, го правят една от най -ценните хранителни среди за получаване на продукти от микробния синтез, например за производството на протеинови препарати на индустриален мащаб. От голямо значение е фактът, че използването на млечна суроватка не изисква специална сложна подготовка, а културната течност след растежа на микроорганизмите може да се използва за хранителни и фуражни цели без преработка.
Производството на микробна биомаса е най -голямото микробиологично производство. Микробната биомаса може да бъде добра протеинова добавка за домашни любимци, птици и риби. Производството на микробна биомаса е особено важно за страни, които не отглеждат соя в голям мащаб (соевото брашно се използва като традиционна протеинова фуражна добавка).
При избора на микроорганизъм се вземат предвид специфичната скорост на растеж и добив на биомаса върху даден субстрат, стабилност по време на непрекъснато култивиране и размер на клетките. Клетките на дрождите са по -големи от бактериите и се отделят по -лесно от течностите чрез центрофугиране. Могат да се отглеждат едроклетъчни полиплоидни мутанти на дрожди. Понастоящем са известни само две групи микроорганизми, които притежават свойствата, необходими за мащабно промишлено производство: това са дрождите от рода Candida върху n-алкани (нормални въглеводороди) и бактерията Methylophillus methylotrophus върху метанол.
Микроорганизмите могат да се отглеждат върху други хранителни среди: върху газове, петрол, отпадъчни въглища, химикали, храни, вино и водка, дървообработваща промишленост. Икономическите ползи от използването им са очевидни. Така че, килограм масло, преработено от микроорганизми, дава килограм протеин и, да речем, килограм захар - само 500 грама протеин. Аминокиселинният състав на дрождовия протеин практически не се различава от този, получен от микроорганизми, отглеждани на конвенционални въглехидратни среди. Биологичните тестове на препарати от мая, отглеждани върху въглеводороди, които са проведени както у нас, така и в чужбина, показват, че те нямат вредно въздействие върху организма на изследваните животни. Експериментите са проведени върху много поколения от десетки хиляди лабораторни и селскостопански животни. Непреработените дрожди съдържат неспецифични липиди и аминокиселини, биогенни амини, полизахариди и нуклеинови киселини и ефектът им върху организма все още е слабо разбран. Поради това се предлага да се изолира протеин от дрожди в химически чиста форма.Освобождаването му от нуклеинови киселини също стана лесно.
В съвременните биотехнологични процеси, основани на използването на микроорганизми, дрожди, други гъби, бактерии и микроскопични водорасли служат като производители на протеини.
От технологична гледна точка дрождите са най -добрите от тях. Тяхното предимство се крие предимно в технологичността: дрождите се отглеждат лесно при производствени условия. Характеризират се с висока скорост на растеж, устойчивост на външна микрофлора, способни са да асимилират всички източници на храна, лесно се отделят и не замърсяват въздуха със спори. Дрождовите клетки съдържат до 25% сухо вещество. Най -ценният компонент на биомасата на дрождите е протеинът, който по отношение на аминокиселинния състав надхвърля протеина от зърнените зърнени култури и е само малко по -нисък от протеините от млякото и рибното брашно. Биологичната стойност на дрождовия протеин се определя от наличието на значително количество незаменими аминокиселини. По съдържание на витамини дрождите надминават всички протеинови фуражи, включително рибеното брашно. В допълнение, дрождовите клетки съдържат микроелементи и значително количество мазнини, в които доминират ненаситените мастни киселини. При хранене на фуражни дрожди на крави, млечността и съдържанието на мазнини в млякото се увеличават, а качеството на козината се подобрява при козините. Интерес представляват дрождите, притежаващи хидролитични ензими и способни да растат върху полизахариди без предварителната им хидролиза. Използването на такава мая ще избегне скъпия етап на хидролиза на отпадъци, съдържащи полизахариди. Известно е, че повече от 100 вида дрожди процъфтяват с нишестето като единствен източник на въглерод. Сред тях се отличават особено два вида, които образуват както глюкоамилази, така и β-амилази, растат върху нишесте с висок икономически коефициент и могат не само да асимилират, но и да ферментират нишесте: Schwanniomyces occidentalis и Saccharomycopsis fibuliger. И двата вида са обещаващи производители на протеинови и амилолитични ензими върху отпадъци, съдържащи нишесте. В момента се търси мая, която би могла да разгради естествената целулоза. Целулазите са открити в няколко вида, например в Trichosporon pullulans, но активността на тези ензими е ниска и няма нужда да се говори за промишленото използване на такива дрожди. Дрождите от рода Kluyveromyces растат добре на инулин, основното вещество за съхранение в грудките на ерусалимския артишок, важна фуражна култура, която може да се използва и за получаване на дрожден протеин.
Напоследък като производители на протеини започнаха да се използват бактерии, които имат висока скорост на растеж и съдържат до 80% протеин в биомасата. Бактериите се поддават добре на селекция, което прави възможно получаването на високопродуктивни щамове. Техните недостатъци са трудно утаяване поради малки размери на клетките, значителна чувствителност към фагови инфекции и високо съдържание на нуклеинови киселини в биомасата. Последното обстоятелство е неблагоприятно само ако се предвижда употребата на продукта в храната. Няма нужда да се намалява съдържанието на нуклеинови киселини в биомасата, използвана за храна на животни, тъй като пикочната киселина и нейните соли, образувани при разрушаването на азотни основи, се превръщат в тялото на животното в алантоин, който лесно се екскретира с урината. При хората излишъкът от соли на пикочната киселина може да допринесе за развитието на редица заболявания.
Следващата група производители на протеини са гъбите. Те привличат вниманието на изследователите поради способността им да използват най -разнообразните органични суровини: меласа, млечна суроватка, сок от растителни и кореноплодни култури, лигнин - и целулозосъдържащи твърди отпадъци от хранителната, дървообработващата и хидролизната промишленост. Мицелът на гъбите е богат на протеинови вещества, които са най -близки до соевите протеини по съдържание на незаменими аминокиселини. В същото време протеинът на гъбите е богат на лизин, основната аминокиселина, която липсва в протеина на зърнените култури.Това дава възможност за формулиране на балансирани хранителни и фуражни смеси на базата на зърнена и гъбна биомаса. Гъбените протеини имат доста висока биологична стойност и се абсорбират добре от организма.
Влакнестата структура на отглежданата култура също е положителен фактор. Това ви позволява да имитирате текстурата на месото, а с помощта на различни добавки, неговия цвят и мирис. Мицелът на гъбите обикновено се съхранява замразен.
Гъбите използват глюкоза и други хранителни вещества като субстрат, а амонякът и амониевите соли са често срещан източник на азот. След приключване на етапа на ферментация, културата се подлага на топлинна обработка, за да се намали съдържанието на рибонуклеинова киселина, след което мицелът се отделя чрез вакуумна филтрация.
Водораслите могат да служат и като източници на протеинови вещества. С фототрофен метод на хранене и образуване на биомаса те използват атмосферен въглероден диоксид. Водораслите се отглеждат, като правило, в повърхностния слой на езера, където може да се получи толкова протеин от площ от 0,1 хектара, колкото от 14 хектара боб. Протеинът от водорасли е подходящ не само за фураж, но и за хранителни цели.
И накрая, добри производители на протеини са патицата, която натрупва протеини до 45% от сухото тегло, както и до 45% от въглехидратите. Въпреки малкия си размер, те не принадлежат към гореспоменатите производители на протеини (микроорганизми), тъй като те са не само многоклетъчни организми, но и принадлежат към висшите растения.
МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО НА РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ "СИКТИВКАР" Катедра "Ботаника" Резюме по темата: ПРОИЗВОДСТВО НА БЕЛКИ
Изпълнител: студент 243 гр.
Анискина Мария
Лектор: д -р, доцент,
Шергина Н.Н.
Syktyvkar 2000
СЪДЪРЖАНИЕ _______ 2
ВЪВЕДЕНИЕ __________ 3
1. Протеин на едноклетъчни организми 4
1.1. Получаване на микробен протеин върху нисши алкохоли__ 4
1.2. Получаване на протеинови вещества от въглехидратни суровини ____ 7
2. Гъбен протеин (микопротеин) ________ 8
ЛИТЕРАТУРА _______ 10
ВЪВЕДЕНИЕ
Микроорганизмите започват да се използват при производството на протеинови продукти много преди появата на микробиологията. Достатъчно е да споменем всички видове сирена, както и продукти, получени чрез ферментация на соеви зърна. И в първия, и във втория случай протеинът е хранителната основа. Когато тези продукти се разработват с участието на микроби, настъпва дълбока промяна в свойствата на протеиносъдържащите суровини. Резултатът са хранителни продукти, които могат да се съхраняват по -дълго (сирене) или по -удобно за консумация (бобова извара). Микробите играят роля в производството на някои месни продукти за съхранение. Така че при производството на някои сортове колбаси се използва кисела ферментация, обикновено с участието на комплекс от млечнокисели бактерии. Получената киселина допринася за запазването на продукта и допринася за формирането на неговия специален вкус.
Това може би ограничава използването на микроорганизми при обработката на протеини. Възможностите на съвременните биотехнологии в тези индустрии са малки, с изключение на производството на сирена. Отглеждането и събирането на микробна маса, преработена в храна, е друг въпрос: тук биотехнологията може да се прояви в своята цялост.
За много важни показатели биомасата на микроорганизмите може да има много висока хранителна стойност. До голяма степен тази стойност се определя от протеините: при повечето видове те съставляват значителна част от сухата маса на клетките. В продължение на десетилетия перспективите за увеличаване на дела на микробния протеин в общия баланс на протеини, произвеждани в световен мащаб, се обсъждат и изследват активно.
Производството на такъв протеин включва мащабно отглеждане на определени микроорганизми, които се събират и преработват в храната. За да се реализира възможно най -пълната трансформация на субстрата в микробна биомаса, е необходим многостранен подход. Отглеждането на микроби за храна представлява интерес по две причини.Първо, те растат много по -бързо от растенията и животните: времето за удвояване на техния брой се измерва в часове. Това съкращава времето, необходимо за производството на определено количество храна. Второ, в зависимост от отглежданите микроорганизми, като субстрати могат да се използват различни видове суровини. Що се отнася до субстратите, тук можете да отидете в две основни посоки: да преработите нискокачествени отпадъчни продукти или да се съсредоточите върху лесно достъпните въглехидрати и да получите микробна биомаса, съдържаща висококачествен протеин за тяхна сметка.
1.1 Получаване на микробен протеин върху нисши алкохоли
Култивиране в метанол. Основното предимство на този субстрат е неговата висока чистота и липса на канцерогенни примеси, добра разтворимост във вода, висока летливост, което улеснява отстраняването на остатъците от крайния продукт. Биомасата, получена върху метанол, не съдържа нежелани примеси, което прави възможно изключването на етапа на пречистване от технологичната схема.
Необходимо е обаче да се вземат предвид по време на процеса такива характеристики на метанола като запалимост и възможността за образуване на експлозивни смеси с въздуха.
И дрождите, и бактериалните щамове са изследвани като производители, използващи метанол в конструктивния метаболизъм. При дрождите се препоръчват за производство Candida boidinii, Hansenula polymorpha и Piehia pastoris, оптималните условия, при които (t = 34-37 ° C, рН = 4,2-4,6) позволяват процеса да се извърши с икономически коефициент на асимилация на субстрата до 0,40 при дебит в диапазона 0,12-0,16 h-1. Сред бактериалните култури се използват Methylomonas clara, Pseudomonas rosea и други, способни да се развиват при t = 32-34 ° C, рН = 6,0-6,4 с икономичен коефициент на асимилация на субстрата до 0,55 при дебит до 0,5 h ; един.
Характеристиките на процеса на отглеждане до голяма степен се дължат на използвания производител щам (дрожди или бактерии) и условията на асептика. Редица чуждестранни компании предлагат да използват щамове дрожди и да извършват отглеждане при липса на строга асептика. В този случай технологичният процес се осъществява във ферментатор тип изхвърляне с капацитет 75 t ACB на ден, а специфичната консумация на метанол е 2,5 t / t ACB.
При отглеждане на дрожди при асептични условия се препоръчват устройства с колонен или ушен тип с капацитет 75-100 t ACV / ден при разход на метанол до 2,63 t / t ACV. И в двата случая процесът на отглеждане се извършва на един етап, без етап на „узряване“ с ниска концентрация на субстрата (8-10 g / l).
В редица страни бактериални щамове се използват като производители, процесът се провежда при асептични условия във въздушнофилитни или струйни ферментатори с капацитет 100-300 т / ден и консумация на метанол до 2,3 т / т ASB. Ферментацията се извършва в един етап при ниски концентрации на алкохол (до 12 g / l) с висока степен на използване на метанол.
Най -обещаващ по отношение на дизайна си е реактивният ферментатор на Института по техническа химия на Академията на науките на Германската демократична република. Ферментаторът с обем 1000 m3 се състои от секции, разположени една над друга и свързани помежду си чрез преливане на вала. Ферментационната среда от долната секция на ферментатора през тръбопровод под налягане се подава от центробежни циркулационни помпи към горните преливници на вала, през които преминава към долната секция, като същевременно изсмуква въздуха от газопровода. По този начин средата тече от секция на секция, като непрекъснато засмуква нови порции въздух. Падащите струи в моите преливания осигуряват интензивна аерация на средата.
Хранителната среда непрекъснато се подава в зоната на препълване на горния вал и микробната суспензия се отстранява от отдалечените вериги. На етапа на изолация за всички видове производители се осигурява разделяне на гранулацията, за да се получи готов продукт в гранули.
Фуражната мая, получена върху метанол, има следния процентен състав: суров протеин 56-62; липиди 5-6; пепел 7-11; влага 8-10; нуклеинови киселини 5-6.Бактериалната биомаса се характеризира със следния състав: суров протеин 70-74; липиди 7-9; пепел 8-10; нуклеинови киселини 10-13; влажност 8-10.
В допълнение към метанола, етанолът се използва като висококачествена суровина, която има ниска токсичност, добра разтворимост във вода и малко количество примеси.
Дрождите (Candida utilis, Sacharomyces lambica, Hansenula anomala, Acinetobacter calcoaceticus) могат да се използват като микроорганизми, които произвеждат протеин върху етилов алкохол като единствен източник на въглерод. Процесът на отглеждане се извършва на един етап във ферментатори с високи характеристики на масопренос при концентрация на етанол не повече от 15 g / l.
Маята, отглеждана с етанол, съдържа (%): суров протеин 60-62; липиди 2-4; пепел 8-10; влажност до 10.
1.2. Получаване на протеинови вещества от въглехидратни суровини
В исторически план един от първите субстрати, използвани за получаване на фуражна биомаса, са хидролизатите от растителни отпадъци, прехидрализатите и сулфитните течности - отпадъчни продукти от целулозно -хартиената промишленост. Интересът към въглехидратните суровини като основен възобновяем източник на въглерод също се е увеличил значително от екологична гледна точка, тъй като той може да послужи като основа за създаване на технология без отпадъци за преработка на растителни продукти.
Поради факта, че хидролизатите са сложен субстрат, състоящ се от смес от хексози и пентози, видовете дрожди C.utilis, C.scottii и C.tropicalis са станали широко разпространени сред щамовете на промишлените производители, които наред с хексозите са способни на усвояване на пентози, както и прехвърляне на присъствието на фурфурол в околната среда.
Съставът на хранителната среда в случай на култивиране върху въглеводородна суровина значително се различава от този, използван за отглеждане на микроорганизми върху субстрат от въглеводороди. В хидролизатите и сулфитната луга има малко количество от почти всички микроелементи, необходими за растежа на дрождите. Липсващите количества азот, фосфор и калий се въвеждат под формата на общ разтвор на амофос соли, калиев хлорид и амониев сулфат.
Ферментацията се извършва в въздушно-повдигащи устройства, проектирани от Lefrancois-Marillet с обем 320 и 600 m3. Процесът на отглеждане на дрожди се извършва в непрекъснат режим при рН 4,2-4,6. Оптималната температура е от 30 до 40 ° C.
Фуражната мая, получена чрез култивиране върху хидролизати на растителни суровини и сулфитни течности, има следния състав (%): протеин 43-58; липиди 2.3-3.0; въглехидрати 11-23; пепел - до 11; влажност - не повече от 10.
Един от обещаващите субстрати при производството на фуражна биомаса са торфените хидролизати, които съдържат голямо количество лесно смилаеми монозахариди и органични киселини. Освен това, само малки количества суперфосфат и калиев хлорид се добавят към хранителната среда. Източник на азот е амонячната вода. По отношение на качеството фуражната биомаса, получена от торфени хидролизати, надминава дрождите, отглеждани върху растителни отпадъци.
Микопротеинът е хранителен продукт, състоящ се главно от мицела на гъбата. При производството му се използва щам Fusarium graminearum, изолиран от почвата. Микопротеинът се произвежда днес в пилотно растение по метода на непрекъснато отглеждане. Глюкозата и други хранителни вещества се използват като субстрат, а амонякът и амониевите соли се използват като източници на азот. След приключване на етапа на ферментация, културата се подлага на топлинна обработка, за да се намали съдържанието на рибонуклеинова киселина, след което мицелът се отделя чрез вакуумна филтрация.
Ако сравним производството на микопротеин със синтеза на животински протеини, тогава ще бъдат разкрити редица негови предимства. В допълнение към факта, че скоростта на растеж е по -висока, трансформацията на субстрата в протеин е несравнимо по -ефективна, отколкото когато храната се усвоява от домашни животни. Това е отразено в таблица 1.
Струва си да припомним, че храната за животни трябва да съдържа определено количество протеин, до 15-20%, в зависимост от вида на животните и начина на отглеждане.Влакнестата структура на отглежданата култура също е положителен фактор; текстурата на мицелната маса е близка до тази на естествените продукти, поради което текстурата на месото може да бъде имитирана в продукта, а поради добавките - неговият вкус и цвят. Плътността на продукта зависи от хифалната дължина на отглежданата гъба, която се определя от скоростта на растеж.
Таблица 1. Ефективност на конверсия за образуване на протеини за различни животни и Fusarium graminearum.
| Оригинален продукт | Продукти и услуги | ||
| Протеин, g | Общо, g | ||
| Крава | 1 кг фураж | 14 | 68 говеждо месо |
| Свиня | 1 кг фураж | 41 | 200 свинско месо |
| Пиле | 1 кг фураж | 49 | 240 месо |
| Fusarium graminearum | 1 кг въглехидрати + неорганичен азот | 136 | 1080 клетъчна маса |
След обширни изследвания на хранителната стойност и безопасността на микопротеина, USDA одобри маркетинга му в Англия. Съдържанието на хранителни вещества е показано в таблица 2.
Таблица 2. Среден състав на микопротеин и сравнение с този на говеждото месо.
| Компоненти | Състав,% (сухо тегло) | |
| микопротеин | пържола | |
| Протеин | 47 | 68 |
| Мазнини | 14 | 30 |
| Хранителни влакна | 25 | Следи |
| Въглехидрати | 10 | 0 |
| Пепел | 3 | 2 |
| РНК | 1 | Следи |
1. Биотехнология: Принципи и приложения. Ed. И. Хигенс и др. Москва: "Мир", 1988
2. Биотехнология. Производство на протеинови вещества. В. А. Биков, М. Н. Манаков и др. Москва "Висше училище", 1987 г.
3. Воробьева А.И. Индустриална микробиология. Ed. Московски университет, 1989 г.
