CC BY
159ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ИННОВАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ПЕРЕРАБОТКИ ПРОДУКЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОИЗВОДСТВА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ПРОДУКТОВ
В РЕГИОНЕ
УДК 663.18
БИОТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОБНОГО БЕЛКА НА КОМПЛЕКСНОМ РАСТИТЕЛЬНОМ СЫРЬЕ
1 2 К.М. Омарова 1, М.С. Омаров 2
1 - Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова (г. Павлодар, Республика Казахстан) 2 - Инновационный Евразийский университет (г. Павлодар, Республика
Казахстан)
E-mail: karmaomarova@mbox.ru, ommarat@yandex.ru
Исследования современной пищевой биотехнологии направлены на создание ресурсосберегающих технологий полноценных продуктов питания, которые базируются на приемах биологической переработки сырья растительного и животного происхождения.
В настоящее время из-за высоких затрат на сырье и энергию традиционное производство микробного белка не является рентабельным. Поэтому в качестве субстратов для биосинтеза белка вновь рассматривается возобновляемое растительное сырье как источник углеводов. При этом желательно использовать не только сельскохозяйственные культуры, но продукты их переработки или отходы. В этом случае возможно получение не только дополнительного микробного белка, но и одновременное решение проблемы утилизации отходов, загрязняющих окружающую среду.
Определяющее значение для широкого внедрения микробного белка в пищевую промышленность и сельское хозяйство имеют такие особенности микроорганизмов, как их способность утилизировать самые разнообразные соединения углерода, высокая скорость синтеза биомассы, высокое содержание белка, возможность селекции штаммов с заданными свойствами, а также меньшая трудоемкость производства микробного белка по сравнению с сельскохозяйственным производством.
Научные основы получения микробного белка в настоящий момент изучены достаточно хорошо: готовая продукция при крупнотоннажном производстве представляет собой массу, содержащую до 56 % белка и 7^10 % влаги.
Для развития производства микробного белка важным аспектом является наличие надежной сырьевой базы. В мире накоплен значительный опыт крупнотоннажного производства микробного белка на различных субстратах и его применения для кормовых целей [1, 2, 3]. Так, кормовые дрожжи,
получаемые на основе углеводородсодержащего сырья и н-парафинов нефти (до недавнего времени до 70 % от общего объема производства микробного белка) характеризуются высоким содержанием сирого протеина 60^62 %, углеводов - до 18 %, липидов - до 16 %. Перевариваемость протеина составляет в среднем - 82 %. Высокая биологическая ценность его определяется как аминокислотным составом белка, так и высоким содержанием витаминов группы В и других биологически активных соединений [4, 5]. Освоено производство кормовых дрожжей на сельскохозяйственном сырье: картофель, кормовая и сахарная свекла, на целлюлозных гидролизатах, а также на таких отходах как сульфитные щелока, навоз, различных отходов пищевых производств и т.д. [6, 7, 8].
Согласно вышеприведенным данным наиболее перспективным источником пищевого белка является дрожжевая биомасса, что объясняется полноценностью белковых веществ, аминокислотный скор которых приближается к животному белку, а также безопасностью и абсолютным отсутствием токсичности дрожжей. Кроме того, наличие витаминов, ценных полисахаридов и микроэлементов позволяет рассматривать дрожжи как перспективные субстраты для получения биологически активных добавок. Более того, к настоящему времени разработано много способов производства белковых концентратов и изолятов микробного происхождения. Однако, до сих пор не созданы эффективные методы выделения белка из дрожжевой клетки, которые обеспечивали бы его полноценное усвоение. Существующие физические и химические методы биотрансформации клеточной стенки дрожжей имеют ряд недостатков технического и технологического характера и не обеспечивают получение качественного белкового продукта с высокой биологической ценностью. Поэтому перспективным направлением является использование ферментативных процессов, которые позволяют в «мягких» условиях получать пищевые белковые добавки с функциональными свойствами для решения проблемы коррекции питания населения и получения сбалансированных биологически полноценных продуктов.
В данной работе была изучена возможность использования комплексного растительного сырья в качестве основного компонента для получения микробной биомассы. Выбор подобного комплексного сырья основан на изучении химического состава и урожайности разнообразного растительного сырья, характерного для северо-восточного региона страны. Был изучен химический состав каждого компонента питательной среды, несмотря на имеющиеся литературные данные. Знание состава сырья, из которого в дальнейшем будет приготовлена питательная среда, дало возможность более точно разработать технологию приготовления питательной среды. В ходе работы было использовано углеводное и целлюлозосодержащее сырье, первичное и вторичное сырье: травяные растения, сахарная свекла, топинамбур, клубни картофеля, свекловичный жом, кукуруза, кукурузная мезга, плодово-ягодные выжимки, зерновые отруби и т.п.
« Шика i obrazovanie ВоГ^о Акаа зование Большого Алтая» выпуск 2, 2016, страница 66 из 154
Результаты исследований показали, что рассматриваемый комплекс обладает сбалансированным химическим составом, а по содержанию клетчатки, протеина, безазотистых экстрактивных веществ макро - и микроэлементов не уступает многим другим растениям.
Задача, которая была поставлена при разработке питательной среды, состояла в том, чтобы, зная оптимальную потребность дрожжей в различных неорганических элементах и других питательных веществах, снабдить ими дрожжи в достаточном количестве для получения заданного выхода биомассы.
Чрезмерное снабжение питательными веществами приведет только к чрезмерной перегрузке ими клеток и потерям с сепарируемой жидкостью. Значительная потеря солей с сепарируемой жидкостью происходит всегда, даже тогда, когда дрожжи снабжаются экономно.
Для нормального питания дрожжам требуется источник углерода для роста и энергии, источник азота для синтеза белков и других азотсодержащих соединений, а также различные неорганические элементы для создания нормальной структуры клетки. Кроме того, дрожжи для своего развития нуждаются в более сложных веществах, так называемых дрожжевых витаминах.
Разработана технологическая схема производства питательной среды на основе комплексного растительного сырья. В качестве продуцента микробной биомассы на данной среде выбор был сделан на штамме дрожжей Candida scotti Тул-1 из Республиканской коллекции микроорганизмов Института микробиологии и вирусологии (г. Алматы). Экспериментальным путем было выявлено, что данный штамм дает хороший выход биомассы на разрабатываемой среде. При определении продуктивности штамма выход биомассы составил 11,3 г/л, что не является максимально возможным. В настоящее время состав питательной среды совершенствуется с тем, чтобы выход биомассы составлял более 12 г/л.
На скорость накопления биомассы дрожжей больше всего влияет концентрация сахара в субстрате и количество взятых на засев дрожжей. Согласно литературным данным в промышленных условиях при высоком (более 1,7 %) содержании редуцирующих веществ, выращивание дрожжей идет замедленно с неполной утилизацией углеводов. Однако экспериментальным путем выявлено, что концентрация сахара в перерабатываемой среде, а, следовательно, начальная концентрация его в субстрате может быть значительно увеличена, но при этом дрожжи следует обеспечить достаточным количеством растворенного кислорода.
В результате проведенных исследований был сделан вывод, что оптимальный диапазон концентрации сахара на данной питательной среде лежит в пределах 3,2^5,0 %.
При проведении периодического процесса культивирования большое значение имеет определение оптимального количества посевного материала. Изучалось влияние количества засевных дрожжей на эффективность образования биомассы при культивировании Candida scotti. По мере увеличения
количества посевного материала сокращается время утилизации редуцирующих веществ и повышается эффективность ее использования на образование биомассы. Наибольший прирост биомассы за период ферментации (в процентах от внесенных дрожжей) имеет место при небольших количествах инокулята. Таким образом, можно сделать вывод о том, что выбор оптимального количества посевного материала определяется целью ферментационного процесса. По мере увеличения процента вносимого посевного материала при прочих равных условиях возрастает скорость утилизации редуцирующих веществ, что приводит к сокращению периода ферментации. Исходя из того, что большинство видов дрожжей являются мезофильными организмами изучали влияние температуры на рост и белоксинтезирующую способность Candida scotti в интервале для данного вида значений (18^34 °С). Полученные данные свидетельствуют о том, что продуктивность штаммов по биомассе заметно снижается при более низких, чем оптимальная, температурах. Снижение температуры от оптимума оказывает влияние не только на эффективность образования биомассы, но и в большей мере на содержание клеточного белка и его состав.
В настоящее время на кафедре «Биотехнология» ПГУ им. С. Торайгырова и в лабораториях «Микробиология и химия» ИнЕУ ведутся исследования получения белковых препаратов методом твердофазной ферментации с использованием в качестве основы для субстрата такого же комплексного растительного сырья, как и для глубинной ферментации.
На сегодняшний день весьма актуальным является дальнейшее совершенствование процесса микробиологического синтеза с целью повышения экологической безопасности производства, сочетая экологический аспект с экономической целесообразностью технологических изменений.
Литература
1. Быков В.А. Проблемы и перспективы промышленной биотехнологии // Биотехнология. - 1987. - № 6. - С. 692-700.
2. Быков В.А. и др. Производство белковых веществ // Биотехнология. - № 5.
- М.: Высшая школа, 1987.
3. Мишустин E.H., Емцов В.Т. Микробиология. - М.: Высшая школа 1987.
4. Безбородов A.M. Биотехнология продуктов микробного синтеза. - М.: Агропромиздат. - 1991. - 238 с.
5. Бекер М.Е. Биотехнология кормопроизводства и переработки отходов/ Под. ред. М. Е. Бекера. - Рига: Зинате. - 1987. - 221 с.
6. Виестур У.Э. и др. Система ферментации. - Рига: Занатне. - 1986. - 174 с.
7. Бондаренко В.М., Грачева Н.М. Пробиотики, пребиотики и синбиотики в терапии и профилактике кишечных дисбактериозов // Фарматека. - 2003. - № 7.
- С. 56-63.
« Nauka i obrazovanie Bol'sogo Altaa вование Большого Алтая» выпуск 2, 2016, страница 68 из 154
8. Борисенко Е.Г. Разработка комплексной технологии белковых препаратов на основе нетрадиционного сырья и дрожжей: дисс. док. тех. наук. - М. - 1990. - 471 с.
References
1. Bykov V.A. Problemy i perspektivy promyshlennoi biotexnologii // Biotexnologiy. - 1987. - № 6. - S. 692-700.
2. Bykov V.A. i dr. Proizvodstvo belkovyh veshestv. // Biotexnologiy. - № 5. -М.: Vysshaiy shkola, 1987.
3. Mishustin E.N., Емcov V.T. Mikrobiologiiy. - М.: Vysshaiy shkola, 1987.
4. Bezborodov A.M. Biotehnologiy produktov mikrobnogo sinteza. - M.: Agropromizdat. - 1991. - 238 s.
5. Beker М.Е. Biotehnologiy kormoproizvodstva i pererabotki othodov/ Pod red. М.Е. Beker. - Riga: Zinate. - 1987. - 221 s.
6. Viestur U.E. i dr. Sistema fermentacii. - Riga: Zanatne. - 1986. - 174 s.
7. Bondarenko V.M., Gracheva N.M. Probiotiki, prebioniki i sinbiotiki v terapii i profilaktike kishechnyh disbacteriozov // Farmateka. - 2003. - № 7. - S. 56-63.
8. Borisenko E.G. Razrabotka kompleksnoi tehnologii belkovyh preperatov na osnove netradicionnogo syrya i droghei: diss. dokt. тек nauk. - M. - 1990. - 471 s.
