БЕЛОК ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

В связи с дефицитом и ростом потребления белка животного происхождения большое внимание уделяется использованию цел­люлозосодержащих субстратов для полу­чения белковой биомассы, при этом предпоч­тение отдается прямой биоконверсии продук­тов фотосинтеза в белок. В качестве продуцентов целесообразнее использовать ми­целиальные грибы, способные синтезировать комплекс гидролитических ферментов, что позволяет микроогранизмам ассимилировать растительные полисахариды без их предва­рительного расщепления.

Вопрос о микробиологической и фермента­тивной деградации целлюлозы обсуждался на симпозиуме по этой проблеме, проходившем в 1976 г. в Берлине. Nolan, Forro (1976) пред­почтение отдали выращиванию на лигноцел — люлозных субстратах актиномицетов, утили­зирующих целлюлозу, гемицеллюлозу, крах­мал. Максимальная клеточная масса их накапливалась к 24 ч культивирования. Ус­ваивалось 70% целлюлозы. Содержание про­теина в биомассе составляло 40%. Исследуя рост термофильного актиномицета на среде, содержащей в качестве единственного источ­ника углерода и энергии целлобиозу, набух­шую целлюлозу и микрокристаллическую цел­люлозу, Su Tah-Mun, Paulavicius (1976) установили, что рост актиномицета на цел — лобиозе и набухшей целлюлозе происходит экспоненциально до полного исчерпания суб­страта. Рост же на микрокристаллической целлюлозе происходит в две фазы. В первой фазе культура растет экспоненциально, но с меньшей удельной скоростью, чем на целло — биозе и набухшей целлюлозе. При этом по­требляется 50% микрокристаллической целлю­лозы (МЦ). Во второй фазе культура гидро — лизует МЦ, но рост прекращается. Скорость потребления МЦ значительно ниже, чем ско­рость потребления целлобиозы или набухшей целлюлозы. Оптимум рН и температура для ферментативного гидролиза целлюлозы и рос­та актиномицета разные (6,2 и 60 °С и 7,5 и 55° соответственно). С целью увеличения вы­хода биомассы, по мнению авторов, необходи­мо уменьшение значения рН в конце первой фазы роста.

Tuse, Msich (1976) наиболее целесообраз­ным считают проведение предварительной Щелочной делигнификации субстрата, затем осахаривание его коммерческим ферментом, получаемым из гриба Trichoderma viride, и, наконец, выращивание на растворимой фрак­ции Candida utilis.

Занимаясь микробиологической трансфор­мацией целлюлозы в бело к, Srinivasan (1978) исследовал два типа ферментации: фермента­цию бактериями p. Cellulomotias и нестериль­ную ферментацию целлюлозы микроскопиче­скими грибами, в частности неидентифициро — ванным до вида штаммом p. Aspergillus. Ферментация проводилась при рН 3,5. По мнению авторов, перспективным является от­бор мутантов, обладающих наряду с целлю — лазной активностью способностью синтезиро­вать повышенные концентрации лизина, что улучщает ценность белкового препарата.

Abed et al. (1978) при получении белковых веществ из отходов сельского хозяйства и про­мышленности предпочтение отдают смешан­ному выращиванию Trichoderma viride и Can­dida utilis. Содержание белка биомассы при ассоциативном культивировании составляло 40%, в то время как при выращивании моно­культуры С. utilis только 34%. Целлюлазная активность гриба отмечена в широком диапа­зоне рН — от 4,0 до 8,0 с оптимумом рН 6,0.

Stanton (1978) и. Schemmp (1978) отме­чают, что мицелиальные грибы по своим пока­зателям (скорость роста, содержание белка и т. д.) не уступают другим продуцентам белка. Так, по данным Solomons (1972), максималь­ная скорость роста грибов может достигать 0,4 ч-1, время удвоения биомассы —1,7 ч. Наивысшее содержание азота — И,8%, сырого протеина — 74%, истинный белок достигает 50%. Из проверенных Solomons свыше 100 ми — целиальных грибов только один оказался ток­сичным. Сумма аминокислот в белке лучшего продуцента составляла 45%. Отмечено высо­кое количество в биомассе лизина и трипто­фана.

Многие авторы (Macris, Kokke, 1978, 1979) считают более перспективным выращивание грибов для получения белка непрерывным спо­собом. Культивирование гриба Fusariutu то — niliforme при различных скоростях роста поз­волило установить, что при увеличении ско­рости роста повышается содержание в мицелии углеводов и пуринов, в то же время идет сни­жение «сырого» протеина и истинного белка. При [Л = 0Д14 Ч"1 сырой протеин в мицелии составлял 47,9%, истинный белок — 36,3%. Непрерывный процесс, по мнению исследова­телей, целесообразно проводить при ja = 0,205 ч-1. Определение индекса Озера (индекс не­заменимых аминокислот — ЕАА-индекс) по­казало, что максимальных величин ЕАА-ин­декс (79,1) достигал при |і = 0,114, минималь- . ных — 60,6 при (х = 0,124. ЕАА-индекс дрожжей составляет 80,1, говядины — 87, картофеля — 71, кукурузы — 70, соевой муки — 85, пшени­цы — 67, яйца — 100.

В качестве субстратов для выращивания мицелиальных грибов может быть использо­вано различное целлюлозосодержащее сырье, в том числе и солома злаковых культур, со­держащая до 75% полисахаридов в форме целлюлозы и гемицеллюлозы, а также 15— 17% лигнина. Последний затрудняет утилиза­цию целлюлозы. Для повышения доступности ее предварительно измельчают и обрабаты­вают щелочью либо кислотой. На полученном субстрате культивируют микроскопические ‘ грибы. Так, например, используется Т. viride, способный синтезировать довольно большое количество внеклеточных целлюлолитических ферментов. Для ускорения роста грибов вно­сят 0,05% глюкозы и 0,01% пептона (Spano, 1976; Cysewski, Wilke, 1976; Peitersen, 1975). В процессе роста гриб синтезирует целлюла — зы, расщепляющие полисахариды соломы,

Следствием чего является образование целло — биозы, глюкозы и ксилозы. В лабораторных условиях из 8 кг соломы получают 1 кг белка. Готовый продукт содержит 21—24% протеи­на, в котором 80% составляют аминокислоты, в том числе 4,4 г лизина, 1,5 г цистина, 1,4 г метионина на 16 г азота. На основании опытов по скармливанию белка крысам была вычис­лена его переваримость и биологическая цен­ность. Если дополнить белок из соломы ка­зеином (50% от азота в смеси) и dl-метиони — ном (0,5%), то биологическая ценность увели­чивалась до 84 и перевариваемость до 75% (вместо 66 и 67% соответственно).

Romanelli et al. (1975) подобраны опти­мальные условия ферментации целлюлозы трех термофильных грибов — Chaetomium thermophile QM-9381, Sporotrichum therniop — hile-9382, Thermoascens aurantiacus-9383, об­ладающих выраженной целлюлолитической активностью. На среде с 1% целлюлозы гриб S. thermophile за 3 дня инкубации расщеплял 56% вносимой целлюлозы, образуя 0,3 г био­массы на грамм используемого субстрата. Со­держание белка в биомассе составляло 40%. Аналогичная работа проведена Ramoentchuk (1975), Mc-Lennan (1974), Kazuo (1975), Ralph (1976) по получению кормового белка на основе отходов производства бумажной массы с помощью гриба Paecilomyces varioti. Грибная биомасса содержала 55—60% белка и не оказывала токсического действия на жи­вотных.

Исследование продуцирующей по белку способности грибов родов Cladosporium, Al — ternaria, Aspergillus позволило выявить наи­более перспективные штаммы (p. Cladospori — ит и Alternaria), которые при росте на соло­ме увеличивали содержание протеина в 1,5—8 раз (Старченко, Капуста, 1975). При подтвер­ждении отсутствия токсического их действия на животных возможно использование био­массы этих грибов на соломе как дополни­тельный источник белка. Kremar (1975) в качестве продуцентов белка использовал куль­туры грибов Aspergillus, Penicillium, Tricho — derma, Chaetomium, а в качестве источника углерода — солому, тростниковую мелассу, отходы бумаги. Sitaram et al. (1978) исследо­вали 5 штаммов Asp. niger, один штамм Peni­cillium chrysogenum и Pestalotia sp. и устано­вили, что лучщим продуцентом белка при вы­ращивании на среде с рисовой соломой, скор­лупой арахиса или багассе является гриб P. chrysogenum St-F-ЗВ. При выращивании его на среде с рисовой соломой в течение 72 ч выход белка составил 85 мг/г сухого субстра­та, содержание белка в биомассе достигало

41%.

Geathadevi et al. (1978) был проведен скрининг грибов по способности синтезировать на соломе белковую биомассу и целлюлазу. Изучались преимущественно грибы родов pergillus, Fusarium, Penicillium, Trichoderma и Trametes. Содержание протеина в биомассе грибов Asr. flavus (4 штамма) составляло 16—24%, Asp, niger (8 штаммов) — 7,5— 25,8%, Asp. terreus (2 штамма) — 22—41%, Р — chrysogenum (3 штамма) — 13—40,5%. Лучшими продуцентами белка оказались р■ chrysogenum и Tr. viride.

Moo-Young et al. (1979) разработали про­цесс получения белка (Батерлу) из сельско­хозяйственных и лесных отходов. Из отходов сельского хозяйства предпочтение отдается соломе злаковых культур, кукурузной коче­рыжке, багассе, а также отходам животновод­ческих ферм (навоз), из лесных отходов — древесным опилкам, пульпе. Процесс Ватер — лу испытан в 200- и 1000-литровых ферменте­рах. Он предполагает 3 ступени: химическую или термическую обработку целлюлозосодер­жащих материалов; аэробную ферментацию; отделение продукта от культуральной жидкос­ти. В среду наряду с субстратом (целлюло­за) вносят азот, калий, фосфор (NPK), одна­ко вносят не в виде солей, а в форме навоза либо коммерческих смесей. Навоз подвергает­ся анаэробной ферментации. Образующийся при этом метан может использоваться в ка­честве источника энергии для проведения хи­мической либо термической обработки субст­рата, а также для осуществления самого про­цесса получения белка. Продукт хорошо пере­варим, не токсичен, может быть применен в качестве кормовой дооавки вместо рыбной и соевой муки, которые в свою очередь можно высвободить для нужд человека.

В табл. 4, 5 представлены данные о соста­ве и аминокислотном профиле грибного белка Ватерлу в сравнении с другими белковыми препаратами. Биологическая ценность полу­чаемой биомассы апробирована на крысах, цыплятах и овцах. Продукт имеет серый цвет, гранулированную структуру, грибной запах, влажность 8%, перевариваемость (на крысах) 73%, содержит 4% целлюлозы, 12% лигнина, 12% золы. По составу и количеству важней — шйх компонентов грибной белок Ватерлу бли­же к мясному, а не к соевому, содержит мень­ше, чем дрожжи, нуклеиновых кислот и боль­ше серусодержащих аминокислот. Авторы считают его производство экономически целе­сообразным. Производство продукта Ватерлу и его использование возможно как в разви­тых, так и в развивающихся странах.

Таблица 4

Сравнительная характеристика грибной био­массы Ватерлу, % (Moo-Young et al., 1979)

Компонент

WAT-белок

Соевая мука

Дрож­жи

Протеин

45

45,

45

Углевод

35

42

33

Жир

10

6

-6

Нуклеиновые

8

Кислоты

5

Зола

5

7

5

Таблица 5 Сравнительное содержание аминокислот в грибном белке Ватерлу, % (Moo-Young et al., 1979)

Аминокислота

Ізолейцин

Лейцин

Лизин

Метионин+цистин

Фенилалаиин

Іреонин

Триптофан

Тирозин

Валин

Норма ФАО

Соевая мука.

WAT-белок

Дрож жи

4,2

4,2

4,7

5,3

4,8

7,7

7,5

7,0

4,2

6,4

6,8

6,7

4,2

2,2

2,6

1,9

2,8

4,7

3,8

4,3

2,6

3,6

6,1

5,5

1,4

1,7

Не опре д.

1,2

2,8

2,7

3,3

3,3

4,2

4,4

5,8

6,3

Из обследованных свыше 500 образцов почв, компостов этими же авторами выделено 5 культур грибов, способных расти на среде, содержащей целлюлозу как единственный ис­точник углерода, и накапливать значительную биомассу не более чем за 3 суток. Среди них два штамма отнесены к роду Aspergillus, два — к роду Trichoderma, один не был иден­тифицирован. Наиболее активным при росте на средах с 4 различными видами целлюлозы (разлагает 80% целлюлозы, предварительно обработанной щелочью), а также по сравни­тельно высокому накоплению биомассы. (2,2 г белка на 200 г целлюлозы в день) оказался штамм Aspergillus sp. № 81 (Yusaku, Moo — Young, 1980).

Интересна работа по биоконверсии целлю­лозы пшеничной соломы и ее компонентов в белок. Пшеничная солома состоит из ~40% целлюлозы, 13,6% лигнина, который связан с гемицеллюлозой и целлюлозой. Таким обра­зом, нативные лигноцеллюлозные материалы требуют предварительной обработки. Однако, как считают Chahal et al. (1979), при химиче­ской предобработке теряется значительная часть гемицеллюлозы и лигнина. Например, Dunlap (1975) обнаружил, что щелочная об­работка (0,2—0,3 г NaOH/r субстрата) уда­ляет около 50% его сухой массы, что связано главным образом с растворимостью гемицел­люлозы (ГЦ) и лигнина—потенциальных суб­стратов для получения белка. Аналогичные результаты получены Ramasamy et al. (1979)- По их данным, из-за растворения ГЦ и лигни­на потери в массе субстрата составляют 18— 53%. С целью избежания указанных потерь для удаления лигнина предлагается (Chahal et al., 1979) обрабатывать солому пшеницы хлорис­тым натрием. При этом не затрагиваются ГЦ и целлюлозные компоненты соломы.

Проведена также большая работа по куль­тивированию целлюлолитических грибов как на цельной соломе, так и на ее компонентах с целью оценки потенциальных возможностей для получения белка как грибов, так и самих субстратов. Использованы грибы Asp. niger, Asp. terreus, Cochliobolus sp., Myrothecium verrucaria, Rhizoctonia solani, Spicaria fusis — pora, Penicillium sp., Gliocladium sp., выде­ленные из разлагающейся пшеничной соломы. Самым эффективным продуцентом белка, по мнению Chahal et al. (1979), оказался гриб Cochliobolus sp. Оба Aspergillus и Penicillium sp. были относительно слабыми продуцентами протеина, a Rhizoctonia solani — самым неэф­фективным в отношении превращения субст­ратов в протеин. Максимальное образование белка (186 мг/г субстрата) получено после 4 дней культивирования гриба на делигнифици — рованном субстрате (холоцеллюлозе). При Удалении из субстрата гемицеллюлозы выра­щивание гриба сократилось до 3 суток. Ре­зюмируя изложенное, следует отметить, что Cochliobolus обладает способностью к росту на всех 3 субстратах. Самое высокое содержа­ние (43,3%) и самое высокое количество про­теина (220 мг/г субстрата) было получено на Целлюлозе; на холоцеллюлозе образование протеина составляет 204 мг, на соломе—110 на 1 г используемого субстрата. Но ситуа­ция несколько меняется, если сравнить обра­зование протеина на единицу исходного суб­страта. Количество его снизилось до 92,4 мг/г субстрата (при выращивании на целлюлозе) из-за потери гемицеллюлозы в исходном суб­страте.

Таким образом, любая делигнифицирую — щая обработка целлюлозных материалов, соп­ровождающаяся удалением ГЦ, дает очень низкий выход протеина на единицу исходного субстрата. Авторы делают вывод, что лигнин мешает утилизации целлюлозы и других ком­понентов соломы грибов Cochliobolus sp. Не­высокая продуктивность его на холоцеллюло — зе может быть следствием присутствия неко­торых сахаров (арабинозы, галактозы), которые плохо утилизируются многими гриба­ми. Более того, некоторые остатки Сахаров яв­ляются метилированными, что, возможно, по­вышает стойкость субстрата к действию фер­ментов. По мнению Chahal et al. (1979), де — лигнифицирование лигноцеллюлозных мате­риалов хлористым натрием целесообразно для увеличения образования протеина. Однако широкое использование этого способа не­сколько сдерживается из-за его малой эко­номичности ввиду высокой стоимости реакти­вов. Возможна также мягкая обработка соло­мы низкими концентрациями NaCl или другими недорогими окисляющими агентами, такими, как SO2; последний может разрушать лигнин, не затрагивая другие компоненты. Аналогичный эффект дает делигнификация сельскохозяйственных отходов 1%-ным NaOH при условии, когда жидкость, содержащая ра­створенный лигнин и ГЦ, удерживается вмес­те с целлюлозой в среде.

Большая исследовательская работа по по­лучению кормовых белков путем культивиро­вания мицелиальных грибов на сельскохозяй­ственных отходах проводится в Индии (Jauhri et al., 1978). Изучена способность различных грибов — Macrophomina phaseoli, Polystictus xanthopus, Rhizopus, arrhizus, Asp. flavus, Tr. viride, Mucor mucedo, Rhizoctonia melongina, Polystictus affinis, Coprinus aratus, Pleurotus, melongina — обогащать белками пшеничную солому и навоз крупного рогатого скота. При приготовлении питательной среды вносится декстроза в качестве стартового источника углерода в количестве 1 г/л. Наилучщие по­казатели для культуры Rhizoctonia melongina получены при 10-дневном культивировании. Выращивание можно вести в интервале тем­ператур от 10 до 45 °С. Максимальная продук­тивность по белку для одного штамма R. me­longina наблюдалась при 35°, а для Pleurotus ostreatus — при 27°. Уточнены также опти­мальные значения рН среды, составившие для Я. melongina 5,0, а для Coprinus aratus 7,0. Показано, что белок полученных биомасс не равноценен по качественному составу. Так, в белке R. melongina отсутствует лизин, нахо­дящийся в больших количествах в белках ДРугих микроорганизмов.

Интересные сообщения о микробиологи­ческой трансформации сельскохозяйственных отходов были сделаны на Международном симпозиуме, проходившем в 1980 г. в Индии. По данным Sahm, Santo (1980), лучшим про­дуцентом белка на среде с соломой, обра­ботанной аммиаком, оказался гриб Humicola tuscoatra. На 3—4-е сутки его культивирова­ния в биомассе содержится до 15% протеи-

4- Зак. 1108 до на. Я. fuscoatra способен утилизировать и ксилан, таким образом, из 1 кг сухой соломы возможно получить 1,25 кг съедобных гри­бов. При использовании гриба Chaetomium cellulolyticum в процессе твердофазной фер­ментации содержание протеина в конечном продукте составляло 10, 20% соответственно для необработанной и обработанной щелочью соломы (Chahal et al., 1980).

Проблемой микробиологического превра­щения растительной биомассы и ее отходов б белок, этанол или метан интенсивно зани­маются в Институте биотехнологии ГДР Sahm, Schoberth (1979). Из различных поч­венных образцов они выделили около 500 штаммов бактерий и грибов, способных ис­пользовать лигнин, целлюлозу или гемицел — люлозу в качестве единственного источника углерода и энергии. Для энзиматического рас­щепления целлюлозы до глюкозы авторы берут определенные штаммы гриба Tricho — derma и его мутанты. Поиск микроорганиз­мов с высокой ксиланрасщепляющей фермен­тативной активностью позволил выделить ряд видов грибов и бактерий, в частности Bacillus, Streptomyces, Aspergillus, Penicil — lium, Trichoderma.

Большой интерес в качестве сырья для ферментации представляют стержни почат­ков кукурузы, жмых, виноградные и плодо­во-ягодные выжимки, отходы консервной и сахарной промышленности, содержание белка в которых очень низкое. В этом случае мице­лиальные грибы, используемые в качестве продуцентов белка, должны отвечать следую­щим требованиям: аминокислотный состав продуцируемых ими белков должен быть бли­зок к соевым, количество белка не ниже 40% массы сухого мицелия, биомасса нетоксичной (Dardenne et al., 1975). В качестве продуцен­тов рекомендуются Penicillium Р45, Fusarium Р56, Fusarium moniliforme, Aspergillus, Acti­nomyces, Tr. viride, Chaetomium globosum, Myrothecium verrucaria. Из грибов рода As­pergillus наивысшим выходом белка на еди­ницу твердого субстрата обладал гриб Asp. fumigatus.

Большую работу по повышению кормовой ценности кукурузных стержней провели укра­инские исследователи (Богдан, Сивере, 1979). В нативные и осахаренные частичным кислот­ным гидролизом субстраты вносилась взвесь конидий гриба Geotrichum candidum. Выра­щивание осуществлялось при 22—25 °С в тече­ние 5 суток. В продукте (обогащенные стерж­ни) значительно уменьшалось количество лиг­нина, целлюлозы и гемицеллюлозы при од­новременном увеличении содержания Саха­ров, органических кислот и белка.

Geotrichum candidum также используют Для получения белков путем ферментации — жмыха, рапса, сои, арахиса и других куль­тур (Staron, 1976). Как известно, в жмыхах из семян некоторых растений (редьки, ара­хиса, сои, подсолнечника, кунжута, клеще­вины, хлопчатника и др.) иногда содержатся токсические вещества (афлотоксины, изоти- Цианаты и др.), что не позволяет использо­вать жмыхи в нативном виде в качестве кор­мовых добавок Для детоксикации и повы­шения питательной ценности жмыхов их ис­пользуют как субстрат для выращивания гриба. Йз полученной биомассы выделяют полноценный белок. Для получения белка путем ферментации из стручков белой ака­ции берут грибы Tr. viride и Asp. tiiger, при этом первый расщепляет субстрат, второй же использует образовавшиеся углеводы для синтеза биомассы. Как известно, во Франции предложен способ получения препаратов кор­мовых белков ферментацией растительных жмыхов с использованием культур родов /4s — pergillus, Rhizopus. В Японии для этих целей применяют гриб p. Rhizopus, в Дании — Tr. viride. Для обогащения отходов сахарно­го производства — отжатый сахарный трост­ник — применяют гриб Tr. lotigibrachiatum. Наиболее подходящим субстратом для по­лучения белка из этого субстрата оказалась холоцеллюлоза, полученная путем делигни — фикации хлористым натрием тростника (Sid — hu, Sandhu, 1980).

В Грузии (Микеладзе и др., 1980) разрабо­тана технология получения аминокислот из диффузионных соков сладких виноградных и плодово-ягодных выжимок, остающихся в виде отходов при производстве соков и вин, белково-ферментного комплекса, содержащего 70—75% белка с высокой целлюлолитической активностью, а также технология производ­ства сухого биошрота с содержанием белка 15—16%. Технология производства заключа­ется в выращивании плесневых грибов Fusa — rium samitectum и Sporotrichum polverulen — tum поверхностным методом. Организация про­изводства биошрота и белково-ферментного комплекса в Грузии может дать экономиче­ский эффект более 15 млн. руб. в год.

Naomichi, Shiro (1979) исследовали спо­собность 39 культур микроскопических гри­бов родов Aspergillus, Podospora, Sordaria, Chaetomium и др. мацерировать кожуру ман­дарин, что позволило установить наибольшую активность у гриба Asp. niger, при действии которого за 24 ч мацерации из 1 г кожуры образовывалось 0,57 г редуцирующих веществ, которые затем могли быть использованы для целей микробиологического синтеза.

Для получения белковых веществ исполь­зуются различные отходы консервной про­мышленности, образующиеся, например, при переработке листьев капусты и шпината в пищевой продукт, называемый СЭГ. Перед консервированием СЭГ мацерируют, варят и пропускают через сито. Фракция, не прошед­шая через сито, сушится при 60 °С, размалы­вается и используется в качестве субстрата для культивирования термотолерантных гри­бов Actinomucor sp. и Chaetomium cellulolyti­cum либо в нативном виде, либо после ча­стичной делигнификации.

В последнее время появляется много со­общений об использовании для выращива­ния микроорганизмов отходов деревообраба­тывающей промышленности, в частности опи­лок. В Англии (Moo-Young et al., 1977, 1978) получен новый термотолерантный гриб Chae­tomium cellulolyticum — потенциальный про­дуцент кормового белка. Выращивание его на частично делигнифицированных опилках в качестве единственного источника углерода Доказало, что С. cellulolyticum растет в 1,5— раза быстрее и образовывает в 1,8 раза больше белка биомассы, чем хорошо извест­ный продуцент целлюлаз целлюлолитический гриб Tr. viride. На среде с опилками С. cellu — lolyticum и Tr. viride образуют соответственно 1,8 и 1,3 г/л белка. Грибная биомасса содержа­ла 40,0 и 25,4% протеина. Белок биомассы С. cellulolyticum по аминокислотному соста­ву лучше белка Tr. viride и близок к белку, рекомендуемому ФАО для питания человека. Выращивание гриба следует вести при под­держании рН среды 5,0.

Изучение ферментации различных расти­тельных отходов (опилки бука, солома трост­ника, стебли подсолнечника, отходы капусты, рисовая шелуха) в корм с помощью базидио — мицетов позволило выявить грибы Pleuro — tus sp. Florida и Stropbaria rugosoannulata, которые активно разлагают лигнин и повы­шают перевариваемость всех субстратов, за исключением рисовой шелухи (Zadrazil, 1980).

Pamment et al. (1979) отмечают потенци­альное преимущество ферментации опилок. При поверхностной ферментации в этом слу­чае конечный продукт содержит столько же протеина, сколько и при глубинном выращи­вании. Недостатком описанного поверхност­ного культивирования является более высо­кое содержание спор в биомассе. Однако спо — руляцию возможно снизить путем установ­ления оптимальных условий влажности, пе­ремешивания и скорости подачи питательных веществ. Время ферментации при поверхност­ном культивировании составляет 9—20 дней, при глубинном — 3—5 суток. В конечном про­дукте содержится 7,6—11,2% (поверхностное выращивание) и 7,8—12,0% протеина (глу­бинное выращивание). Средняя удельная ско­рость роста культуры равна соответственно 0,004—0,01 и 0,01—0,03 ч-1. Результаты ис­следований дают представление о том, что процессы ферментации в твердой фазе в тех­ническом и экономическом плане могут кон­курировать с глубинными процессами полу­чения белка из лигноцеллюлозных субстра­тов, особенно если рассматривать вопрос с точки зрения снижения стоимости продукта. Изучая возможность использования отходов бумажных производств для культивирования Chaetomium cellulolyticum, Pamment et al. (1979) получали препарат, содержащий до 28% протеина. В качестве субстрата для роста использовали отходы, образующиеся на раз­личных стадиях производства и при различ­ных технологических схемах.

Разложением лигнина под действием де- реворазрушающего гриба Phanerochaete за­нимаются и в лаборатории лесных продуктов Мэдисонского университета в США (Kirk, 1978). Здесь предпочтение отдается также вы­ращиванию грибов в поверхностной культу­ре. Оптимум рН для роста культуры 4,0— 4,5. Повышение либо понижение значений рН приводит к сильному замедлению процесса.

Скрининг 30 культур актиномицетов, про­веденный в университете США (Айдахо), по­зволил отобрать 3 штамма, способных раз­лагать лигноцеллюлозу (Crawford, 1978). г — Совместное исследование сотрудниками Университета им. Марии Кюри-Складовской (Польша) и Института почвенной биохимии в Брауншвейге (ФРГ) позволило выделить из почвы штамм Nocardia, способный разлагать лигнин и использовать его мономеры. Выде­ленная культура разлагает лигнин более ак­тивно, чем известные ранее грибные штаммы (Gradziel et al., 1978).

Migliett, Marcipar (1977) разработали спо­соб ферментации рисовых отрубей культурой Asp. oryzae. Авторами определен материаль­ный баланс процесса и показана перспектив­ность использования этого продукта при корм­лении домашней птицы.

На состоявшемся в Риге в 1980 г. коорди­национном совещании по программе «Транс­формация продуктов фотосинтеза» указыва­лось на необходимость разработки основ на­правленного превращения растительного сырья в более ценные пищевые и кормовые ресурсы, создания рациональной технологии получения белковых и углеводных продуктов из местного сельскохозяйственного сырья. Здесь также указывалось на перспективность процессов сухой ферментации на крахмал — и целлюло — зосодержащих субстратах.

Несколько позже в Риге проходил Все­союзный семинар «Превращение древесины при микробиологическом и энзиматическом воздействиях», на котором освещались вопро­сы изменения химического состава различ­ных видов древесины и соломы при действии грибов как в естественных условиях, так и при искусственном их выращивании с целью получения кормового белка. Особое внимание уделялось предварительной обработке, способ­ствующей ферментативному гидролизу поли­сахаридов древесины и соломы зерновых культур. В сообщениях ряда авторов (Вие — стурс и др., 1980) рассматривалась микро­биологическая трансформация соломы и не­которых других содержащйх целлюлозу от­ходов в белковый препарат культурами рода Trichoderma. Указывалось, что микробная биомасса, полученная на субстрате, содержа­щем термохимически обработанную солому, пшеничные отруби и коричневый сок люцер­ны, накапливала около 20% белка. Авторами разработана лабораторная технология и ап­паратура для глубинного и поверхностного культивирования грибов.

Советско-американская конференция по промышленной микробиологии также вызва­ла большой интерес ученых к проблеме пе­реработки сельскохозяйственных и промыш­ленных отходов (сыроварения, целлюлозобу — мажного производства и навоза) в кормовые продукты или энергетическое сырье. Имеют­ся указания на потенциальные возможности использования для этих целей навоза живот­ных. Так, в Великобритании для обогащения навоза свиней белком используется гриб As­pergillus niger Ml. Выращивание его прово­дится в 10-литровом ферментере. Для при­готовления культуральной среды жидкие от­ходы разбавляют и добавляют к ним 3% сахарозы. На этой среде гриб хорошо растет как в периодической, так и непрерывной куль­туре.

Полученный продукт содержит до 20% белка, его можно вводить в рацион свиней в сыром виде. Свиной навоз, как известно, со­держит также крахмал и продукты расщеп­ления целлюлозы, большое количество азота (главным образом в виде мочевины), фос — Ф°Р, калий, другие минеральные элементы и Микроэлементы. После разбавления и добав­ления углеводов этот отход может быть ис­пользован для выращивания гриба Aspergil­lus niger (Reddington, Brown, 1978). Для фер­ментации навоза используют и другие грибы: p. Mucor, Aspergillus, Trichoderma, Rhizopus, Geotrichum, Endomycopsis, а также дрожжи p. Candida. Разработка технологических ме­тодов переработки и утилизации отходов животноводства даст возможность, помимо защиты окружающей среды от загрязнения, создать дополнительные источники кормового белка. і

При отборе микроскопических грибов — продуцентов белка на соломе нами (Бабиц­кая и др., 1979) использовалась измельченная солома нативная и обработанная 1%-ной ще­лочью. Для исследований были взяты куль» туры микроскопических грибов, полученные из музея Института микробиологии АН БССР, а также выделенные из почвы. Критерием их оценки служили урожай биомассы, содер­жание в ней протеина, активность Сж-фер — мента — целлюлазы.

Скрининг свыше 250 культур грибов по­казал лучшие результаты при ферментации соломы, подвергнутой мягкой щелочной обра­ботке. При выращивании мицелиальных гри­бов на нативной соломе урожай биомассы лучших продуцентов достигал 10,0 г/л (при внесении 1,5% субстрата). Однако в конеч­ном продукте содержалось значительное ко­личество неусвоенного субстрата, что приво­дило к снижению образования сырого про­теина. Целлюлолитическая активность была также невелика. Было показано’, что более эффективно использовать частично делигнй — фицированную солому. В получаемом про­дукте при культивировании многих грибов остается лишь незначительное количество неусвоенного субстрата. Урожай биомассы составляет 5—10 г/л с содержанием протеина до 40%.

Наибольшей продуцирующей по белку или биомассе способностью при ферментации об­работанной щелочью соломы обладали гри­бы Т. lignorum, koningii, P. notatum X, P. ver — ruculosum и др. Среди базидиальных грибов лучшими продуцентами белка оказались Pa­rtus tigrinus и Pleurotus ostreatus.

С целью повышения урожая биомассы и содержания в ней протеина для лучших про­дуцентов белка грибов Т. lignorum, koningii, P. verruculosum, P. notalum X оптимизирован состав питательных сред, в частности уточ­нены источники азотного, фосфорного пита­ния, количество источника углерода. Более рационально внесение в среду 1,5% субстра­та. Значительному улучшению результатов способствует внесение в питательную среду глюкозы в количестве 0,1—0,3% и кукурузного экстракта 0,2%.

В связи с тем что 16—30% массы соломы составляет лигнин, для лучшего усвоения ее проводили предварительную обработку субст­рата перекисью водорода в концентрации 0,5— ^>0% , растворами аммиака и щелочи (0,5— ®>0%). Для опытов брали солому ржи, кото­рую измельчали, обрабатывали разными кон­центрациями NaOH (в некоторых случаях еще п°Двергали тепловой обработке), отфильтро — ВЬ1вали и сушили. Лучшие результаты полу­чены при использовании для обработки со­ломы 1 и 5%-ной щелочи. Урожай биомассы составлял 7—13 г/л, сырой протеин—23—39% и истинный белок— 18—34%.

Однако химическая обработка субстрата удаляет гемицеллюлозу и лигнин. В наших опытах обработка соломы 1%-ным NaOH также приводила к потере массы субстрата, которая составила ~30%. Во избежание ука­занных потерь и более полного использова­ния субстрата мы остановились на следую­щем варианте: солому обрабатывают щелочью (0,5—5,0%) соответствующей концентрации из расчета 10 л/кг субстрата; после обработ — — ки смесь нейтрализуют и применяют для приготовления питательных сред. Фермента­ция модифицированных субстратов культу­рами P. verrucutosum, P. notatum X и Т. lig- погит 40 показала, что такая обработка бо­лее приемлема при получении грибного белка из соломы, сырой протеин достигал 40%, а истинный белок—’34%.

В табл. 6 приведен аминокислотный про­филь белков биомасс, полученных при выра­щивании микроскопических грибов на моди­фицированной соломе в колбах на качалке в сравнении с исходным субстратом — соло­мой. Из таблицы следует, что по сумме ами­нокислот грибные биомассы значительно пре­восходят субстрат. Если в последнем сумма аминокислот составляет 2,76%, то в биомас­сах грибов—13—25% (род Trichoderma), 17—22% (род Penicillium). Значительно уве­личивается и содержание лизина, серина, пролина, глицина. Биомассы грибов Т. ligno — rum, koningii, P. notatum X, P. verruculosutn отличаются большим содержанием цистина,

Таблица б

Аминокислотный состав белковых биомасс, полученных при выращивании грибов в колбах на качалке

Аминокислота (% в биомассе)

Солома, [ обработан­ная 1%-ной, NaOH

Е

А о С

Ь,"

Ад с

С

О Л

T-l

Т. ligno­rum 40

Р: verrucu- losum

S з

О

О

С

А*

Лизин

0,05

1,76

1,30

0,56

1,19

1,03

Гистидин

0,64

0,52

0,18

0,39

0,26

Аргинин

0,59

1,29

1,06

0,48

0,93

0,62

Аспарагиновая

0,10

2,38

1,33

1,06

1,90

2,06

Треонин

0,04

1,37

0,77

0,65

1,15

0,76

Серии

0,06

1,88

1,13

0,73

1,23

1,21

Глутаминовая

0,27

3,41

2,07

1,38

3,84

2,26

Пронин

0,12

1,29

1,70

0,47

1,26

0,59

Глицин

0,11

1,40

1,14

0,60

1,08

0,76

Алании

0,25

1,90

1,53

1,01

1,26

1,18

Цистин

0,29

2,63

1,52

1,47

1,65

Валин

0,59

2,84

1,68

1,04

2,40

2,09

Метионин

0,05

0,07

.—

1,78

0,89

0,12

Изолейцвн

0,02

1,15

0,91

1,16

0,58

0,53

Лейцин

0,13

0,09

1,67

1,53

1,21

1,44

Тирозин

_

0,32

0,46

0,26

0,76

0,04

Фенила л анин

0,65

0,90

0,31

0,94

0,82

Всего

2,76

25,88

19,69

13,2

22,48

17,42

А биомасса Т. lignorum 40 — метионина. Такой аминокислотный профиль наблюдается при выращивании грибов на среде с соломой (15 г/л) и глюкозой (0,05 г/л). Предваритель — ные опыты показали, что увеличение глюкозы До 0,1—0,3% ведет к улучшению аминокис­лотного состава грибных биомасс.

Рост и образование белковой биомассы На соломе сопровождается синтезом целлю — лолитических ферментов. Из проверенных культур наибольшей целлюлолитической ак­тивностью обладали грибы рода Trichoderma. Максимальная активность ферментов отмече­на к 84—96 ч, синтез целлюлаз связан с расщеплением субстрата. При этом целлюло — литическая активность большинства грибов гораздо выше при использовании нативной соломы. Исключение составляет P. verruculo — surn. Между подщелачиванием среды в про­цессе роста грибов и выделением в нее цел — люлолитических ферментов имеется корре­ляционная зависимость. Следует отметить, что все испытанные грибы выделяют в куль- туральную жидкость мало целлюлазы, актив­ной по отношению к хлопку, и значительное количество целлюлазы, активной по отноше­нию к целлюлозе. Низкое содержание в куль — туральной жидкости целлюлазы, активной по отношению к нативной целлюлозе, по-види­мому, связано с сорбцией фермента на остат­ках субстрата.

Отобранные нами грибы — продуценты белка — выращивались в ферментерах по­лезной емкостью 30 л (Бабицкая, Стахеев, Ко­стина). Из 600 г соломы было получено 200— 300 г обогащенного биомассой грибов субст­рата. Внесение 0,1—0,3% глюкозы способст­вует повышению в среде редуцирующих ве­ществ, активирует рост грибов, а следова­тельно, и повышает урожай биомассы (до 500 г из 600 г соломьіі). Биохимические по­казатели биомасс, полученных при выращи­вании в ферментерах на синтетической среде и среде с соломой гриба P. verruculosutn, приведены в табл. 7, 8.

Интенсивность аэрации способствует со­кращению сроков культивирования (с 96 ч в

Таблица 7

Среда

Проте­ин

Истин­ный белок

Клетчатка

Лигиин

Зо­ла

Сырая

Истин­ная

Сырой

Истин­ный

Чапека —

Докса

46,8

43,0

13,12

13,12

5,3

Среда

С соломой

32,0

28,0

30,0

17,2

12,8

8,0

4,8

Состав белковых биомасс, %

Таблица 8

Аминокислотный состав белковых биомасс, полученных при выращивании гриба P. verruculosum в 30-литровом ферментере

Аминокислота (% в биомассе)

Среда Чапека— Докса

Нативная солома

Солома, обра­ботанная 1%-ной NaOH

Лизин

Гистидин

Аргинин

Аспарагиновая

Треонин

Серин

Глутаминовая

Пролин

Глицин

Алании

Цистин

Валин

Метионин

Изолейцин

Лейцин

Тирозин

Ї£ЗДдаланин

2.78 1 35 2,71 3,46

2.56

2.35

5.57 1,57 1,94 ‘ 3,32 следы 1,68 0,71

1.79

3.36 1,62 7,43

0,42 0,07 0,61 1,01 0,58 0,55 1,28 0,53 0,45 0,64 0,21 0,19 0,15 0,21 0,37 1,40 0,41

1,04 0,48 1,20 1,82 1,0 1,08 2,77 0,86 0,92 1,38 ‘ следы 0,75 0,37 0,54 1,26 3,21 1,26

Всего

44,19

9,08

19,94

Колбах до 40—48 ч в ферментерах). Сопостав­ляя данные о составе биомасс, полученных при выращивании P. verruculosum в колбах на качалке и в ферментере, можно сказать, что биохимические показатели их практически одинаковы.

Ферментацию соломы культурой гриба P. verruculosum проводили также в ферменте­ре емкостью 16 м3 (полезный объем 9 м3). В качестве посевного материала использова­ли инокулюм, выращенный в 600-литровом ферментере на среде Чапека. Количество по­севного материала 1%. Из 150 кг соломы по­лучено 100 кг грибной биомассы. Продукт со­держит 28% протеина, 20% истинного белка. Клетчатка в биомассе составляет 32%, лиг­нин 14%. За счет микробной конверсии соло­мы количество белка в ней возросло в 3,5 ра­за. Частичная делигнификация соломы и 40- часовой глубинный рост гриба способствуют не только обогащению субстрата протеином, но и уменьшению в нем в 1,06 раза целлю­лозы, в 2 раза лигнина. Биологическая цен­ность белка также высокая — 60, 74%. В на — тивной соломе практически отсутствуют ви­тамины. Обогащенная за счет выращивания гриба солома содержит рибофлавин, никоти­новую кислоту, смесь линолевой и линолено — вой кислот, в составе жира — витамин F.

Результаты показывают перспективность применения микроскопических грибов для обогащения целлюлозосодержащих субстра­тов белком.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *