CC BY
375ПРОДУКТЫ МИКРОБНОГО СИНТЕЗА В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ
БЕЛКОВОГО ДЕФИЦИТА
Белик Светлана Николаевна
Кандидат медицинских наук, доцент кафедры общей гигиены Ростовский государственный медицинский университет
Моргуль Елена Валерьевна Кандидат биологических наук, доцент кафедры медицинской биологии и генетики Ростовский государственный медицинский университет
Крючкова Вера Васильевна
Доктор технических наук, профессор кафедры товароведения и товарной экспертизы
Донской государственный аграрный университет Аветисян Зита Ервандовна Кандидат медицинских наук, доцент кафедры гигиены Ростовский государственный медицинский университет
PRODUCTS OF MICROBIAL SYNTHESIS IN SOLVING PROTEIN DEFICIENCY
Belik S.N., Candidate of Medical Sciences, Associate professor of the Department of general hygiene, Rostov State Medical University
Morgul E.V., Candidate of Biological Sciences, Associate professor of the Department of Medical biology and genetics, Rostov State Medical University
Kruchkova V.V., Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Commodity Research and Examination of Goods, Don State Agrarian University
Avetisyan Z.E., Candidate of Medical Sciences, Associate professor of the Department of hygiene, Rostov State Medical University
АННОТАЦИЯ
В обзоре дана общая характеристика перспективных продуцентов протеина и различных субстратов для микробного синтеза. Рассмотрены результаты использования белка одноклеточных в кормлении сельскохозяйственных животных и птиц. Представлена значимость микробного синтеза в решении экологических проблем. Показаны возможности использования микробного протеина, как для создания новых продуктов питания, так и для повышения пищевой ценности уже существующих.
ABSTRACT
The review contains the general characteristics of the prospective producers of the protein and various substrates for the microbial synthesis. The results of the use of protein of unicellular organisms in feeding of the agricultural animals and birds are studied. It has presented the importance of the microbial synthesis in the solution of the environmental problems. It has shown the possibilities of the using of the microbial protein, as for creation of the new food products and for increase of the nutritional value of the existing ones.
Ключевые слова: микробный синтез, одноклеточные организмы, пищевой протеин, кормовые добавки, агропищевые отходы, нерастительные субстраты.
Key words: microbial synthesis, unicellular organisms, food protein, feed additives, agri-food waste, unplanted substrates.
В докладе ООН о перспективах прироста населения в мире говорится, что в 2013 году население Земли превысит 7 миллиардов человек, к 2023 году составит 8 миллиардов, а в 2050 году возрастет до 10 млрд. При столь быстром росте населения, наиболее актуальной и первоочередной проблемой становится глобальный дефицит продовольствия, особенно продуктов питания, содержащих белок животного происхождения, который по аминокислотному составу более сбалансирован, чем растительный белок.
Согласно нормам ФАО/ВОЗ, минимальной нормой потребления животного белка в день на человека является 60 г. [1]. В мировом производстве это выражается в потребности более чем 420 млн. кг/сут. Основными источниками животного белка традиционно являются мясо различных видов сельскохозяйственных животных и птицы, молоко, яйца, рыба и рыбопродукты. Согласно рекомендациям по рациональным нормам потребления пищевых продуктов [2], для оптимальной реализации физиолого-биохимиче-ских процессов в организме человека, объёмы потребления мяса и мясопродуктов должны составлять 70-75 кг/
год/чел.; молока и молочных продуктов в пересчете на молоко - 320-340 кг/год/чел.; яиц - 260 шт./год/чел.; рыбы и рыбопродуктов - 18-22 кг/год/чел.
Продолжающийся спад отечественного производства продуктов, являющихся источником полноценного животного белка, ведёт к ежегодному увеличению объёма экспорта свинины, говядины, молока и продуктов их переработки. В связи с этим, перед отечественными производителями стоит важная задача по наращиванию внутреннего производства продуктов животноводства, в первую очередь за счёт интенсификации отрасли и созданию новых биотехнологий, позволяющих получать белок из нетрадиционных источников [3].
Большинство кормов, используемых в животноводстве, не содержат в достаточном количестве белков и витаминов. Поэтому во всех странах отмечается большой дефицит кормового белка. Этот дефицит покрывается увеличением содержания в рационах животных растительного протеина, содержащегося в сельскохозяйственных кормовых культурах, в первую очередь - в зерне [4]. В ре-
цептах современных комбикормов доля зерновых составляет 60-80 %. Использование такого количества зерна на фоне общего продовольственного кризиса является нерациональным, так как оно пригодно для питания человека. Кроме этого, увеличение количества зерновых в кормах приводит к дисбалансу белкового и углеводного компонентов рационов и может способствовать возникновению кетоза, который становится причиной снижения продуктивности до 30-50%, потери живой массы, вынужденной выбраковки животных, а также возникновению бесплодия [5].
Решение этой проблемы возможно путём снижения ис-
Рассмотрим подробнее виды и характеристики микробного белка и его продуцентов.
Дрожжевой белок. В настоящее время главными и самыми распространёнными продуцентами белка являются дрожжевые микроорганизмы, откуда и произошло название премикса - кормовые дрожжи (КД).
В настоящее время описано более 1500 штаммов дрожжей. Микологи отмечают, что таксономия дрожжей пока остаётся в достаточно неопределённом состоянии и постоянно меняется. Большое количество синонимов, обозначающих один и тот же вид, затрудняет идентификацию видов дрожжей и анализ информации [8]. Термин дрожжи в настоящее время таксономического значения не имеет. Понятием «дрожжи» объединяют все грибные организмы, которые находятся в одноклеточной форме, в фазе роста и размножаются преимущественно почкованием.
Продуцентами КД являются штаммы микроскопических грибов рода: Candida, Hansenula, Saccharomyces, Torulopsis. Но на практике существует другая классификация КД в зависимости от питательной среды, на которой выращивали дрожжевую биомассу.
Бактериальный белок. Бактерии значительно быстрее, чем дрожжевые клетки, наращивают биомассу и, кроме того, белки бактерий содержат больше цистеина и мети-онина, 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. К наиболее перспективным продуцентам бактериального белка относят метанокисляющие бактерии Methylophilus methylotrophus, Hypomicrobium и
пользования в кормах зерновых и обогащения кормов белком, полученным путём микробного синтеза. Основными продуцентами такого протеина служат дрожжи, бактерии, низкие и высшие грибы, и одноклеточные водоросли. 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. При этом микроорганизмы отличаются высоким (от 40 до 80% сухой массы) содержанием белка, сбалансированного по аминокислотному составу (табл. 1), а также содержат углеводы, липи-ды, витамины, макро- и микроэлементы [6, 7].
Таблица 1
Pseudomonas. Следует отметить, что в настоящее время 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 [9].
Метанокисляющие бактерии. В определителе бактерий Бержи выделены в семейство Methylococcaceae. Основным признаком этого семейства является способность организмов использовать метан (природный газ - СН4) в качестве единственного источника углерода и энергии в аэробных или микроаэрофильных условиях. В качестве продуцентов используют бактерии рода Mycobacterium, Pseudobacterium, Bacillus, Metanomonas, Staphylococcus. Их основным отличием от метилотрофов является наличие уникального фермента метанмонооксигеназы. Содержание белка, выделенного из клеток чистых культур мета-нотрофных бактерий (Methylomonas metanica, Metilocystis minimus, Metilobacter bovis и др.) составляет от 37 до 58 % от сухой биомассы, при этом незаменимых аминокислот столько же или больше, чем в рыбной и соевой муке [10].
Ценность бактериального протеина, синтезированного на метане, подтверждена Overland M. et al. [11], которые изучали воздействие увеличивающихся концентраций (0 г/кг; 40 г/кг; 80 г/кг; 120 г/кг) автолизата бактериальных белков и бактериальных белков с не разрушенной клеточной стенкой, выращенных на природном газе, на рост, производительность и мясные качества цыплят-бройлеров. В результате было установлено, что добавление ав-толизата в рационы кормления, уменьшает потребление корма и улучшает его усвоение, по сравнению с контрольной группой, получавшей шрот.
Содержание незаменимых аминокислот в белках некоторых микроорганизмов (в г на 100 г белка) [7]
Аминокислота Дрожжи Бактерии Водоросли Грибы Соевый шрот Эталон ФАО
Лизин 6-8 6-7 5-10 3-7 6,4 5,5
Триптофан 1-1,5 1-1,4 0,3-2,1 1,4-2 1,4 1,0
Метионин 1-3 2-3 1,4-2,5 2-3 1,3 2,9
Треонин 4-6 4-5 3-6 3-6 4,0 4,0
Валин 5-7 4-6 5-7 5-7 5,3 5,0
Лейцин 6-9 5-11 6-10 6-9 7,7 7,0
Изолейцин 4-6 5-7 3,5-7 3-6 5,3 4,0
Фенилаланин 3-5 3-4 3-5 3-6 5,0 3,0
К числу микроорганизмов с высокой интенсивностью синтеза белков следует отнести водородокисляющие бактерии, способные накапливать в клетках до 80% сырого белка. Для их культивирования в составе газовой среды обычно содержится 70-80% водорода, 20-30% кислорода и 3-5% СО2 [6, 12]. Водородокисляющие бактерии способны к автотрофному росту, что обусловливает независимость производства биомассы от источников органического сырья, способны расти за счет энергии окисления водорода, что позволяет осуществлять эффективное превращение электроэнергии, а в дальнейшем атомной энергии и, возможно, энергии солнца в белок через электролитическое, тепловое или фотохимическое разложение воды. Электролиз уже сейчас дает возможность использовать энергию гидроресурсов на получение микробного белка. В этом случае на синтез 1 кг сухой биомассы расходуется 40—45 кВт-ч электроэнергии [13].
Белки, синтезируемые водородокисляющими микроорганизмами - водородными бактериями Alcaligenes eutrophus Z1 и Ralstonia eutropha В5786, СО-резистентным штаммом карбоксидобактерий Seliberia carboxydohydrogena Z1062, по ряду основных показателей, характеризующих биологическую ценность, занимают промежуточное положение между традиционными белками животного и растительного происхождения. Высокое общее содержание белка в биомассе, полноценный аминокислотный состав и доступность воздействию про-теолитическими ферментами позволяют рассматривать водородокисляющие микроорганизмы в качестве потенциального источника белка для питания человека [12].
Метилокисляющие бактерии - аэробы (около 40 видов), которые в качестве источников углерода и энергии используют окисленные или замещённые производные метана (около 50 соединений), но неспособные расти на самом метане. Ростовыми субстратами для метилобак-терий служат в основном метанол, а так же метиламин, диметиламин, триметиламин, галометаны (хлорметан и дихлорметан) и т.д. [13].
Пропионовокислые бактерии (Propionibacterium) относятся не только к микроорганизмам-продуцентам, но и обладают пробиотической, антиоксидантной и антимутагенной активностью.
Пропионовые бактерии могут синтезировать все аминокислоты за счет ассимиляции азота (NH4)2SO4. Биосинтез белков пропионовыми бактериями сопровождается созданием пула из 15 аминокислот: цистина, гистидина, аргинина, аспартата, глутаминовой кислоты, глицина, се-рина, треонина, ß-аланина, тирозина, валина, метионина, пролина, фенилаланина и лейцина. Известно, что бактерии содержат пептидазы, при участии которых обеспечивают себя незаменимыми аминокислотами и осуществляют реакции трансаминирования, могут расти на любой из 20 аминокислот, внесенной в среду в качестве единственного источника азота [14].
Белок одноклеточных водорослей. Одноклеточные водоросли Chlorella, Seenedesmus и сине-зеленые водоросли из рода Spirulina выращивают в условиях мягкого теплого климата (Средняя Азия, Крым, Сочи) в открытых бассейнах со специальной питательной средой. К примеру, за
теплый период года (6-8 месяцев) можно получить 50-60 т биомассы хлореллы с 1 га, тогда как одна из самых высокопродуктивных трав - люцерна дает с той же площади только 15-20 т урожая [15].
Хлорелла содержит около 50 % белка, содержит 40 % углеводов, 7-10 % жиров, витамины А (в 20 раз больше), В2, К, РР и многие микроэлементы. Хлореллу весьма успешно применяют в сельскохозяйственном производстве - скотоводстве, свиноводстве, звероводстве, птицеводстве, пчеловодстве - в качестве кормовых добавок к рациону животных.
Добавка суспензии хлореллы в количестве 3-3,5 л ежедневно к концентратному и концентратно-картофельно-му рациону откармливаемых подсвинков способствовала увеличению привесов на 9-10%, при этом показатели качества мясопродукции улучшались, депонирование витамина А в печени выросло на 92%, а витамина С - на 63%. Применение суспензии хлореллы на протяжении 50 дней в рационах кормления удойных коров позволило увеличить надои на 12,6%, а жирность молока на 4,6% [16].
Использование хлореллы в качестве пищевой добавки, в рационах здоровых людей вызывает иммуностимулирующий эффект. Так введение всего 5 грамм хлореллы в сутки в течении 8 недель в рацион питания достоверно увеличивает содержание в сыворотке крови у интерферона, - интерлейкина и интерлейкина-12 и повышает активность натуральных киллеров (МК-лимфоцитов) по сравнению с группой получавшей плацебо [17].
Эти результаты подтверждены в исследованиях 018ик Т. и 8Ыш1ги К. [18], которые установили, что 4-недельный прием внутрь хлореллы в виде пищевой добавки увеличивает содержание в слюне секреторных 1§А, что свидетельствует об активации иммунологической резистентности организма человека. Кроме этого доказано, что хлорелла является источником эффективных антиоксидантных пептидов, обладающих мощным действием по отношению к большинству свободных радикалов.
Спирулина - это микроскопические и мицелиальных цианобактерии, получившие своё название из-за спиральный строения нитей. Эта водоросль может использоваться в качестве источника белка и витаминов в питании человека без каких-либо значительных побочных эффектов. Помимо высокого (до 70%) содержание белка, в ней содержатся витамины, особенно витамин В12 которые обычно находятся только в животных тканях, ^-каротин и другие коротиноиды, минеральные вещества, особенно железо. Она также богата фенольными кислотами, токоферолами и гамма-линоленовой кислотой. Клеточные стенки спиру-лины бедны клетчаткой, поэтому она легко усваивается организмом.
Кагкоз Р. Б. е! а1. [19], проанализированы и обобщены результаты исследований учёных многих стран за последнее два десятилетия и приведены и факты, подтверждающие безопасность спирулины, как источника пищи, а так же результаты её применения в клинической практике, которые выявили её иммуногенные, противовоспалительные, антиаллергические, антиканцерогенные и ан-тиоксидантные свойства. Показаны перспективность её применения в лечении и профилактики атеросклероза,
гипертонической болезни, сахарного диабета.
В настоящее время накоплен достаточно большой положительный опыт использования спирулины в кормлении сельскохозяйственных животных [20]. В частности, введение в рацион бычков спирулины платенсис достоверно повышает содержание в мясе незаменимых аминокислот: лейцина на 48,79%, лизина на 40,52%, метионина на 57,7%, валина на 2,49%,триптофана на 41,55%, а также заменимых: аланина на 2,35%, аргинина на 17,67%, гисти-дина на 87,63%, глутаминовой кислоты- на 52,07%, серина-на 34,67%.
Плесневые грибы - выращиваются на глюкозном сиропе, давая обильную мицелиальную массу, которая содержит до 44% белка, именуемого микопротеин. При производстве микопротеина чаще всего используется штаммы Fusarium graminearum, Agaricus bisporus. Волокнистая текстура выращенной культуры может имитировать текстуру мяса. По сути - это аналог мяса, но по сравнению с белками животного имеет более высокое содержание белка, минеральных веществ, витаминов и липидов. Грибная белковая масса имеет хорошую перевариваемость в организме животных, а также низкий уровень содержания нуклеиновых кислот. Это даёт возможность замены в кормах 50 % растительного белка на грибной [21].
В России для получения биологически активных продуктов используются грибы Fusarium sambucinum, которые способны утилизировать лактозу и продуцировать широкий спектр биологически активных веществ витаминов, ферментов, коферментов, гликанов, синтезировать такие соединения как хитин и хитозан [22].
Минеральный состав биомассы представлен 22 жизненно важными микро- и макроэлементами. Это указывает на то, что мицелий гриба Fusarium sambucinum обладает высокой питательной ценностью и пребиотическими свойствами. Экстракт мицелиальных грибов Fusarium sambucinum обладает целым рядом биологических эффектов - ингибирует образование эндогенного холестерина, активирует образование ц-АМФ в мозге, сердце, печени, желудке и крови, что способствует улучшению микроциркуляции крови и уменьшает зоны атрофии, нормализует уровень ферментов печени АСТ, АЛТ, ЛДГ, ГГТ, активирует при помощи b - глюкана и маннанов образование пе-ритониальными макрофагами интерферона в 6 раз, интер-лейкинов - в 12 раз и фактора некроза опухоли в 26 раз, стабилизирует мозговое кровоснабжение, предотвращает возрастную и посттравматическую потери кальция костной тканью и восстанавливает его содержание в костях до нормы, и т.д. [23].
Преимущество производства протеина путём микробного синтеза заключается в способности продуцентов расти на самых различных биологических субстратах, в том числе и различных видах отходов которые без утилизации наносят непоправимый вред окружающей среде.
Агропищевые отходы, как субстрат для роста кормовых дрожжей. Многие из видов агропищевых отходов - это мощный ресурс для дальнейшего использования в производственном цикле и получения миллионов тонн высококачественного белка
По данным Еврокомиссии ЕС, ежегодное количество
отходов агропищевого сектора в пересчете на сухое вещество в среднем составляет, около 700 миллионов тонн, из них перерабатывается 95%, тогда как в России производится примерное 250 миллионов тонн отходов, а перерабатывается из них всего 60%. При этом отходы животноводства составляют порядка 65-70 миллионов тонн; отходы спиртового и пивоваренного производства - 10 млн. тонн, из них, по разным данным перерабатывается менее 1025%. Из 2,1 млн. тонн молочной сыворотки, представляющей основной отход молочной промышленности, в пищевой промышленности используется менее половины (850 тыс. тонн) [24].
В нашей стране налажено использование таких питательных сред, как послеспиртовая барда и пивная дробина. В настоящее время в России насчитывается 160 спиртовых и более 200 пивоваренных заводов, производящих 11 миллионов тонн пива и 560 тысяч тонн спирта в год [25]. При получении спирта (этанола) образуется более 13 м3 барды на 1 тонну зерносырья. В то же время эта барда может быть переработана в качественный бел-ково-углеводный корм в количестве 500-600 тыс. тонн. На 1 литр произведённого спирта приходится в зависимости от технологии 10 - 15 литров барды. Жидкая фаза барды (пшеничной, кукурузной, ячменной, просяной) содержит: белки и аминокислоты (20-46%); восстанавливающие сахара (5,6-17,5%); галактурониды (0,8-1,4%); аскорбиновую кислоту (6,2-11,4 мг %). Твердая фаза барды содержит: галактурониды (3,4-5,3%); жирное масло (8,4-11,1%) с преобладанием незаменимых жирных кислот; флавоноиды (0,4-0,9%); токоферолы (3,4-7,7 мг %); белки и аминокислоты (2,1-2,5%). Выявлено накопление биогенных элементов: фосфора, калия, магния, кальция, натрия, железа и др. [26].
Дрожжевая масса, полученная после культивирования дрожжей на спиртовой барде, содержит больше белков (56-62% от сухой массы) и меньше вредных примесей, по сравнению с другими видами КД. В состав массы входят минеральные вещества 2-10 %, протеин не менее 43 %, сырая клетчатка 2-19 %, жир 4,5 %, Лизин 6,7 %, Метио-нин+Цистин около 0,9-1 %, Кальций 0,53 %, Фосфор 1,38 %, Железо 50 (г/т), Марганец 30-55 (г/т), йод 8-12,5 (г/т). Рекомендуемая норма ввода от массы корма от 2 до 5% для птицы, от 4 до 6% для свиней и от 6 до 8% для крупного рогатого скота. Применение 1 т дрожжи кормовые позволяет дополнительно получить 0,5-0,8 т свинины, 1,5-2,0 т мяса птицы или 25-30 тыс. штук яиц, заменить до 8 т цельного молока при выкармливании телят [27]. Таким образом, продукты микробиологического синтеза на основе спиртовой барды являются источниками аминокислот, микроэлементов и пектинов не только в кормопроизводстве, но и в перспективе для питания человека.
Пивная дробина - это отход пивоваренной промышленности, который является важным резервом для производства кормового протеина. Ценный белковый корм - сухие пивные дрожжи, содержащие 35-45% сырого протеина, высокий уровень лизина и метионина, неидентифи-цированные факторы роста животных и птицы, большое количество витаминов группы В..
Егоровым И. с соавторами [28] изучена зоотехническая
эффективность применения сухих пивных неактивных дрожжей в рационах цыплят-бройлеров и кур-несушек. Результаты исследования показали, что ввод 3% и 5% пивных дрожжей в рационы бройлеров вместо части соевого шрота и 4% дрожжей взамен 1-2% рыбной муки и части соевого шрота обеспечивал прирост живой массы молодняка по сравнению с контролем на 5,1%, 5,2% и на 4,7% соответственно.
Молочная сыворотка как субстрат для дрожжевого синтеза. Перспективным источником для получения новых пищевых продуктов является молочная сыворотка -каждая тонна содержит 50 кг молочного сахара, до 10 кг белка; 1,5 кг жира, витамины, микроэлементы и т.д. В настоящее время технологии глубокой переработки позволяют получать из неё такие продукты как: органические кислоты, спирт этиловый; белок одноклеточных микроорганизмов, ферменты, аминокислоты, витамины, глюкозо-галактозный сироп, метан, биогаз, углекислый газ, антибиотики и антиоксиданты. За рубежом на основе глубокой переработки молочной сыворотки выпускается широкий ассортимент продуктов энтерального питания, которые обеспечивают поддержание и реабилитацию пищевого статуса здоровых и больных людей [29].
При производстве сыра, творога и казеина только около 20 % массы молока переходит в основной продукт, в то время как 80 % приходится на получаемую в качестве побочного продукта сыворотку. При этом в молочной сыворотке остается около 50 % сухих веществ молока (составных частей молока). Из-за отсутствия экономически выгодных технологий переработки сыворотки ее часто рассматривали не как полноценное молочное сырье, а как отходы производства (в настоящее время - вторичное молочное сырье) или, в лучшем случае, использовали для откорма сельскохозяйственных животных [30]. Следует отметить, что сыворотка является достаточно серьёзным экологическим загрязнителем: 1 т молочной сыворотки, сливаемой в канализацию, загрязняет водоемы так же, как 100 м3 хозяйственно-бытовых стоков.
Весьма перспективно производство белково-вита-минных продуктов при использовании технологических процессов на основе дрожжей, способных к росту на молочной сыворотке. В настоящее время для микробной переработки молочной сыворотки в качестве продуцентов используют аспорогенные лактозосбраживающие дрожжи родов Candida, Trichosporon, Torulopsis. Молочная сыворотка с выросшими в ней дрожжами по биологической ценности значительно превосходит исходное сырье и её можно использовать в качестве заменителя молока [31] .
Отходы переработки нерастительного сырья как субстрат для роста дрожжей. В частности, субстратами для дрожжевого биосинтеза могут служить нефтепарафины в основном С10-С20 (паприн), низшие органические спирты - метанол (меприн), этанол (эприн), а также природный газ (гаприн) продукт культивирования дрожжевых клеток на этих субстратах называют Дрожжи БВК.
Синтез кормовых дрожжей на Н-парафинах нефти впервые был освоен в СССР, а годовой объем белково-ви-таминных концентратов (БВК) полученных из парафинов нефти, достигал 1 млн.т. Было подсчитано, что добавление
1 т БВК в корма обеспечит экономию 7 т фуражного зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины или 5 т мяса птицы. Всего лишь 2% добываемой нефти (2млрд. т. в год) достаточно для производства 25-30 млн. тонн дрожжевого белка, который необходим для обеспечения питания 2 млрд. человек [32]. Но, в ходе дальнейшего изучения биологических эффектов БВК было установлено, что высокая концентрация небелкового азота в них, вызывает расстройства пищеварения у молодняка, снижение приростов, резкое ухудшение качества получаемой продукции, кроме этого была выявлена высокая концентрация, пуриновых и пиримидиновых оснований и РНК. На углеводородах в основном выращивали микроорганизмы рода сandida, клетки которых очень мелкие, плохо фильтруются, плохо флотируются и легко распространяются воздушным путём, в связи с чем становятся причиной роста заболеваемости сотрудников на производствах и жителей расположенных вблизи населённых пунктов. В настоящее время данный вид белка в России не производится [9].
Метанойл (метиловый спирт) - CH3OH, простейший одноатомный спирт. Как субстрат для микробного синтеза обладает целым рядом преимуществ: высокая чистота, хорошая растворимость в воде, летучесть, обеспечивающая эффективное удаление его остатков из готового продукта. Биомасса, полученная на метаноле, не содержит вредных примесей, что исключает из технологической схемы стадии очистки.
На метаноле как на единственном источнике углерода и энергии способны расти около 25 видов дрожжей, в том числе Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica [33.]. Но наиболее эффективными продуцентами, растущими на этом субстрате, считаются бактерии рода Methylomonas. Выращивание на метаноле метилотрофных бактерий, таких как Methylophilus methylotrophus, выгодно, так как они используют одноуглеродные соединения более эффективно. При росте на метаноле бактерии дают больше биомассы, чем дрожжи.
Миллиарды кубометров каптируемых шахтных газов в РФ, содержание метана в которых составляет до 85%, не утилизируются и выбрасываются в атмосферу, теряя углеводороды как ценное сырье и загрязняя окружающую среду. Решением этой проблемы может быть выращивание биомассы метанокисляющих микроорганизмов на кап-тажном газе с последующим получением кормового белка с содержанием не менее 70% сырого протеина по аналогии с получением гаприна из природного газа. На одной мета-нообильной угольной шахте можно нарабатывать от трех до тридцати тысяч тонн сухого кормового белка в год [34].
Производство белка на метане дешевле, чем на метаноле, n-алканех или этаноле. При этом выход биомассы одинаковый, что указывает на потерю тепловой энергии при конверсии метана в метанол. Примечательно, что бактерии экспрессирующие мембранную форму метанмоно-оксигеназы производят на 35% больше биомассы на моль потребляемого субстрата, чем бактерии экспрессирую-щие растворимую форму этого фермента [35]. Для белкового синтеза на метане чаще используется смешанная культура: бактерий Methylomonas, усваивающих метан, Hypomicrobium и Pseudomonas, усваивающих метанол, и
несколько видов неметилотрофных бактерий.
Главные достоинства метана (основного компонента природного газа) - доступность, относительно низкая стоимость, высокая эффективность преобразования в биомассу метаноокисляющими микроорганизмами, значительное содержание в биомассе белка, сбалансированного по аминокислотному составу.
Навоз, птичий помёт и сточные воды как субстраты для микробного синтеза. Микробное превращение отходов в целевые продукты способно решить проблему утилизации не только агропищевых и нерастительных отходов, но и таких экологически вредных субстратов, как птичий помет с птицефабрик, навоз животноводческих ферм и сточных вод.
По данным Всемирной организации здравоохранения навоз и птичий помёт свиноводческих и птицеводческих предприятий могут быть фактором передачи более 100 возбудителей инфекционных и инвазионных болезней, в том числе зоонозов. Органические отходы служат благоприятной средой для развития и длительной выживаемости патогенной микрофлоры, так, например, возбудители сальмонеллеза и колибактериоза сохраняют жизнеспособность в помете в течение 12 месяцев, возбудители туберкулеза - 18 месяцев, кроме этого [36].
Птицефабрика на 400 тыс. несушек производит в год такое количество помета, что при разложении его выделяется около 700 т биогаза, в том числе 450 т метана (65%), 208 т углекислого газа (30%), 35 т водорода, индола, скатола, сероводорода, аммиака и других соединений (5%). Ущерб экосистеме от такого выброса оценивается в 440 млн руб. В общей сложности на Российских птицефабриках ежегодно производится более 160 млн. тонн этого продукта [37]. Министерством природных ресурсов России 02.12.2002 г. утвержден Федеральный классификационный каталог отходов, в котором помет птиц и навоз сельскохозяйственных животных отнесены к III и IV классам опасности.
В тоже время решение экологических проблем животноводческих и птицеводческих комплексов возможно. Так, разработаны и предлагаются к внедрению различные инновационные технологии производства высококачественного кормового белка, органического удобрения и биогаза, на субстратах из навозных стоков и помёта.
В подтверждение сказанного приведем результаты исследования, выполненного Singh M. et al. [38], которые для получения микробного протеина на основе этих субстратов использовали три штамма водорослей Chlorella minutissima, Chlorella sorokiniana и Scenedesmus bijuga и их консорциум. Все штаммы показали значительную продуктивность биомассы. Максимальная продуктивность была 76 мг /л. Биомасса содержала 39% белка, 22% углеводов и 10%липидов, что делает её ценной кормовой добавкой. Миксотрофные водоросли показали наиболее устойчивый рост относительно отдельных штаммов, доказывая, таким образом, возможность их широкого использования для очистки отходов и производства высокопитательной кормовой биомассы для животных.
Возможность использования одноклеточных водорослей в утилизации пищевых отходов исследовалась учёны-
ми Pleissner D. et Lam W.C. [39]. С этой целью из 100 гр пищевых отходов (в пересчёте на сухой вес) путем гидролиза было получено 31,9 г. глюкозы, 0,28 г свободных аминокислот и 0,38 гр. фосфатов. Далее чистый гидролизат использовали в качестве питательной среды для двух гетеротрофных микроводорослей Schizochytrium mangrovei и Chlorella pyrenoidosa. Эти микроорганизмы показали активный рост на гидролизате пищевых отходов. В результате получена биомасса высоким содержанием углеводов, белков и насыщенных и полиненасыщенных жирных кислот.
Резюмируя вышесказанное можно заключить, что перспектива и экономическая целесообразность употребления микроорганизмов в технологии производства кормового и пищевого протеина диктуется рядом факторов:
- возможностью использования самых разнообразных химических соединений, в том числе отходов различных пищевых и непищевых производств, для культивирования микроорганизмов;
- высокой интенсивностью синтеза белков;
- относительно несложной технологией культивирования микроорганизмов;
- высоким содержанием полноценного белка, витаминов, микроэлементов, органических кислот;
- повышенным содержанием незаменимых аминокислот по сравнению с растительными белками;
- возможностью направленного генетического влияния на химический состав микроорганизмов в целях совершенствования белковой и витаминной ценности продукта.
В тоже время существует ряд отрицательных свойств продуктов микробного синтеза которые в настоящее время ограничивают их применение в качестве белковых компонентов кормов и продуктов питания:
- не исключается возможность попадания в конечный продукт большого количества питательной среды, на которой росли микроорганизмы, в результате чего происходит его обогащение высокими концентрациями аммонийного азота в водорастворимой форме, который вызывает симптомы аммонийного отравления.
- способность накапливать в своем составе неиспользованные части ядерного вещества - пуриновых и пири-мидиновых оснований, а иногда и целых молекул РНК, конечным продуктом обмена которых является мочевая кислота.
- большинство продуцентов - это микроорганизмы грибковой природы, поэтому их использование в пищу может обернуться тяжелыми кандидамикозами.
- Наличие в клетках специфической оболочки-кутикулы, для расщепления которого в организме нет ферментов. Кутикула защищает питательные вещества от переваривания пищеварительными ферментами и снижает его биодоступность [27].
Именно эти отрицательные моменты делают невозможным и опасным использование продуктов с высоким содержанием белка микробного синтеза в чистом виде в виде кормовых добавок, а так же в питании людей.
В тоже время, некоторые продуценты считаются безопасными для человека. Пивные и пищевые дрожжи
(Saccharomyces cerevisiae, Candida arborea, C. utilis) широко используют в качестве белковых добавок к различным пищевым продуктам. Дрожжевой белок позволяет повысить питательную и витаминную ценность 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) [6].
Следует отметить, что несмотря на высокую питательность, продукты микробиологического синтеза не могут служить основными компонентами кормов или пищевых продуктов, количество микробного белка должно составлять не более 1,5 - 10% по массе, так как более высокий процент может привести к негативному влиянию на организм. Но даже такой небольшой процент значительно повышает эффективность использования кормов в животноводстве и повышает пищевую ценность продуктов.
Таким образом, на сегодняшний день, биомасса одноклеточных микроорганизмов - это наиболее перспективный источник кормового и пищевого белка, что объясняется его полноценностью - аминокислотный скор приближается к животному белку. В настоящее время разработано много способов производства белковых концентратов и изолятов микробного происхождения, но технологии его производства и применения, требуют значительного усовершенствования, включающего возможность «жёсткой» дезинтеграции микробных клеток, позволяющей снизить их антигенные свойства и сделать кормовые и пищевые продукты максимально адаптированными к желудочно-кишечному тракту и «легкой» дезинтеграции, цель которой - повысить доступ биологически активных соединений для реципиентов [40].
Только использование существующих новейших технологий получения и переработки микробных биомасс на основе существующих продуцентов и поиск новых безопасных микроорганизмов с полезными свойствами раскрывает перспективы создания не только новых поколений кормов интенсифицирующих рост молодняка сельскохозяйственных животных и птиц, но и лекарственных препаратов, пищевых добавок и новых полноценных пищевых продуктов для человека, способных решить проблему белкового дефицита.
Список литературы
1. ВОЗ. Потребности в энергии и белке: Доклад Объединенного консультативного совещания экспертов ФАО/ ВОЗ/УООН. Серия технических докладов №724. - Женева, Всемирная организация здравоохранения, 1987.
2. Методические рекомендации MP 2.3.1.2432-08 «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации»: утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 18 декабря 2008 г. - М., 2008.
3. Швецова И.В. Продовольственная безопасность РФ / И.В. Швецова // Современные научные исследования и инновации. - 2011. - № 6 (Октябрь).
4. Фаритов Т.А. Корма и кормовые добавки для животных. - СПб.: Лань, 2010. - 304 с.
5. Левченко В.1. Кетоз високопродуктивних корiв:
етюлопя, дiагностика i лжування // Здоровья тварин i лжи. - 2009. - № 2. - С. 14-15.
6. Клунова С.М., Егорова Т.А., Живухина Е.А. Биотехнология : учебник для высш. пед. проф. образования.
- М.: Академия, 2010. - 256 с.
7. Егорова Т.А. Основы биотехнологии. - 4-е изд., стер. - М.: Академия, 2008. - 208 с.
8. Рябцева С.А., Виноградская С.Е., Панфилова А.А. Дрожжи в молочной отрасли: классификация, свойства, применение // Молочная промышленность. - 2013. - № 4.
- С. 64-66.
9. Волова Т.Г. Введение в биотехнологию: учебное пособие. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.
10. Boetius A. Microfauna-Macrofauna Interaction in the Seafloor: Lessons from the Tubeworm // PLoS Biology. -2005. - Vol. 3, N 3. - P. 375-378.
11. Overland M., Sch0yen H.F., Skrede A. Growth performance and carcase quality in broiler chickens fed on bacterial protein grown on natural gas // Br. Poult. Sci. - 2010.
- Vol. 51, N 5. - P.
12. Волова Т.Г. Характеристика белков, синтезируемых водородокисляющими микроорганизмами // Прикладная биохимия и микробиология. - 2010. - Т. 46, № 6.
- С. 624-629 .
13. Kutschera U. Plant-associated methylobacteria as co-evolved phytosymbionts: a hypothesis // Plant Signal. Behav. -2007. - Vol. 2. - P. 74-78.
14. Хамагаева И.С., Качанина Л.М., Тумурова С.М. Биотехнология заквасок пропионовокислых бактерий. -Улан-Удэ: Издательство ВСГТУ, 2006. - 172 с.
15. Баджанов Б.М., Ким В. А. Инновационные биотехнологии на основе аквакультур // Publishing house Education and Science s.r.o. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.rusnauka.com/26_WP_2012/Agricole/3_116249. doc.htm
16. Мельников С., Мананкина Е. Использование хлореллы в кормлении сельскохозяйственных животных // Наука и инновации. - 2010. - № 8(90).
17. Kwak J.H., Baek S.H., Woo Y. Beneficial immunostimulatory effect of short-term Chlorella supplementation: enhancement of natural killer cell activity and early inflammatory response (randomized, double-blinded, placebo-controlled trial) // Nutr. J. - 2012. - Vol. 11.
- P. 53.
18. Otsuki T., Shimizu K., Iemitsu M., I. Kono Salivary secretory immunoglobulin A secretion increases after 4-weeks ingestion of chlorella-derived multicomponent supplement in humans: a randomized cross over study // Nutr. J. - 2011. - Vol. 10. - P. 91.
19. Karkos P.D., Leong S.C., Karkos C.D.et al. Assimakopoulos Spirulina in Clinical Practice: Evidence-Based Human Applications / // Evid. Based. Complement Alternat. Med. - 2011
20. Лыкасова И.А., Овчинникова Л.А. Влияние биологически активной добавки спирулина платенсис на качественные характеристики мяса / И.А. Лыкасова, Л.А. Овчинникова // Ветеринарный врач. - 2008. - № 4. - С. 4345.
21. Kim K., Choi B., Lee I. et al. Bioproduction of
mushroom mycélium of Agaricus bisporus by commercial submerged fermentation for the production of meat analogue // J. Sci. Food. Agric. - 2011. - Vol. 91, N 9. - P. 1561-8.
22. Неминущая Л.А. Лечебно-профилактические кормовые белковые добавки на основе высшего лечебного гриба Fusarium sambucinum MKF-2001-3 //Ветеринария и кормление. - 2010. - № 4. - С. 8-9.
23. Григораш А.И., Лоенко Н.Н., Зайкина М.Ю., Буя-кова И.В. «Флоравит Э» - перспективы использования как регулятора репродуктивной функции человека // Материалы пятого всероссийского конгресса по медицинской микологии. - 2007. - Т. IX. - С. 154-158.
24. Бизюкова О. Перспективы переработки отходов в аграрно-пищевом секторе: обзор ключевых тем рынка // Московская международная научно-практическая конференция «Биотехнология: экология крупных городов», 1517 марта 2010 г., Москва. - М., 2010.
25. «Чудесное» превращение отходов в кормовой продукт // Комбикорма. - 2012. - № 1.
26. Иванова, Л.И. Челомбитько В.А., Кайшев А.Ш. Исследование химического состава отходов спиртового производства // Химический анализ: тез. докл. Всерос. конф. 21-25 апр. 2008 г. - М.: ИОНХ, 2008. - С. 129-130.
27. Подобед Л.И. Ветеринарные аспекты использования кормовых дрожжей в свиноводстве и птицеводстве // Сучасна ветеринарна медецина. - 2007. - № 1.- С. 40-41.
28. Егоров И., Розанов Б., Егорова Т., Ушакова Н. Источники белка для птицеводства // Комбикорма. - 2012. - № 7.
29. Храмцов А.Г. Феномен молочной сыворотки. - М.: Профессия, 2011. - 804 с.
30. Евдокимов И.А., Золоторева М.С., Володин Д.Н. и др. Молочная сыворотка в технологии выработки цельномолочных продуктов // Переработка молока. - 2010. - № 5 (127).
31. Гаврилова Н.Б. Биотехнология комбинированных молочных продуктов (монография). - Омск: Изд-во «Ва-
риант-Сибирь», 2004. - 224 с.
32. Чепиго С.В., Бойко С.В. , Голобов И.Д. и др. Получение кормовых дрожжей из углеводородов нефти // Прикладная биохимия и микробиология. - 1967. - № 3/5. - С. 577-578.
33. Бабьева И.П., Чернов И.Ю. Биология дрожжей. -М: Товарищество научных изданий КМК, 2005. - 221 с.
34. Разработка ЗАО «ЭКОНЭФ» Получение кормового белка из метановоздушной смеси дегазационных шахтных установок // Гильдия экологов: сайт [Электронный ресурс]. - URL: http://www.ecoguild.ru/members/econef.htm
35. Троценко Ю. А. Доронина Н.В. , Торгонская М.Л. Аэробные метилобактерии. - Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2010. - 325 с.
36. Агеечкин А., Титов О. Куриный помет: большая проблема или хороший бизнес? // Ежедневное аграрное обозрение: Издательский дом «Независимая аграрная пресса»: сайт [Электронный ресурс]. - URL: http:// agroobzor.ru/pti/a-116.html .-2008
37. Лысенко В.П. Социальные экологические и экономические аспекты проблемы накопления птичьего помета на птицефабриках / В.П. Лысенко // 5-я Международная конференция «Сотрудничество для решения проблемы отходов», 2-3 апр. 2008 г., Харьков. - Харьков, 2008.
38. Singh M. Microalgal system for treatment of effluent from poultry litter anaerobic digestion / M. Singh, D.L. Reynolds, K.C. Das // Bioresour. Technol. - 2011. - Vol. 102, N 23. - P. 10841-10848.
39. Pleissner D., Lam W.C., Sun Z., Lin C.S. Food waste as nutrient source in heterotrophic microalgae cultivation // Bioresour. Technol. - 2013. - Vol. 137. - P. 139-146.
40. Киндя В.И. Перспективы использования микробных биомасс при различных уровнях их переработки // Перспективы и проблемы развития биотехнологии в рамках единого экономического пространства стран содружества: материалы Междунар. науч.- практ. конф., 25-28 мая 2005 г. - Минск-Нарочь: РИВШ, 2005. - С. 93-95.
