Для многих регионов мира, в которых наблюдается дефицит белков, характерно наличие избытка углеводов (особенно в форме крахмалсодержащих продуктов). Превращение части таких крахмальных субстратов в белки с помощью микроорганизмов позволит улучшить белково-калорийный баланс.
Культивирование микрогрибов на твердых субстратах использовалось различными народами для получения пищевых продуктов с незапамятных времен (Gray, 1970). .Тем не менее, несмотря на широкое распространение подобного способа в странах Юго — Восточной Азии и Африке, сущность таких ферментаций оставалась неизвестной. Большинство работ, выполненных в этом направлении, затрагивало вопросы образования целлюлолитических ферментов (Toyama, 1976) или трансформации растительных белков под влиянием грибов (Martinell, Hesseltine, 1964), и практически отсутствовали сведения о физиологических и микробиологических аспектах получения белковых веществ путем! ферментации твердых субстратов микрогри-1 бами. В связи с этим работы по обогащению j крахмалистых продуктов сельскохозяйствен-!
Ного производства белками весьма интересны (Raimbault, Germon, 1977).
Многие авторы отдают предпочтение культивированию грибов в твердой фазе. В качестве субстратов обычно берут зерно злаковых, муку из зерновых, другие отходы зер — ноперерабатывающей промышленности, картофель, маниоку, батат, рис, тапиоку, бананы и т. п. Из грибов предпочтение отдается представителям родов Aspergillus, Rhizopus, Penicillium, Mucor, в частности Asp. tiiger, Asp. oryzae, Mucor racemosus и Rhizopus oryzae, используя главным образом штаммы с повышенной амилолитической активностью, которые отличаются быстрым ростом на субстрате. В результате проведенных исследований были получены ферментированные продукты с содержанием белка от 16 до 20% и остаточных Сахаров от 25 до 35%.
Прямое обогащение белками крахмалсо — держащих продуктов методом грибковой ферментации в твердой фазе требует решения ряда проблем. Основная из них — обеспечение аэрации и условий массообмена. Весьма важным моментом является отвод избытка тепла из среды ферментации.
Исследование ферментации в твердой фазе с использованием штамма Aspergillus niger и маниоки в качестве источника углерода было проведено Raimbault et al. (1977). Для достижения одинаковой инокуляции и необходимой влажности в маниоку вместе с определенным количеством воды добавляли соответствующее количество солей и спор. Из сырого крахмалсодержащего сырья готовят гомогенный мелкозернистый продукт,
Что обеспечивает удовлетворительное поступление кислорода на протяжении всего периода ферментации. Влажность продукта 55%. При этом условии максимальный рост Asp. niger происходит при температуре 35— 40 °С. В начале процесса рН среды должен быть низким, что позволяет избежать бактериальной инфекции. Чрезмерное подкисление среды замедляет процесс ферментации, поэтому забуферивание среды путем дополнительного внесения мочевины стабилизирует изменение рН, улучшает и увеличивает выход белка и утилизацию углеводов. Если 50—- 60% общего азота добавляется в среду в виде мочевины, то максимальное обогащение субстрата белком наблюдается через 24 ч. Инокуляция субстрата спорами в количестве 4-Ю7 спор/г обеспечивает надежную ферментацию.
Говоря об экономике процесса обогащения крахмалсодержащих субстратов белком микрогрибов, Raimbault et al. (1977) как положительный момент отмечают, что в этом ; случае не требуется предварительного гидролиза крахмала до ферментации, стерилизации и соблюдения асептических условий, приме-, нения дорогостоящего оборудования и операций при сборе урожая биомассы, больших энергозатрат для осуществления аэрации и массообмена. Такие процессы, по мнению Raimbault et al., могут быть осуществлены на относительно небольших предприятиях, расположенных в непосредственной близости ОЇ доступных источников крахмалсодержащегс сырья и животноводческих ферм. Способ представляет большой интерес для развивающихся стран. В этой связи нельзя не отметить и вероятную выгоду от получения обогащенных белком продуктов для населения конкретной местности, связанной с производством определенного вида сырья.
Метод ферментации в твердой фазе эффективен и экономичен в сравнении с глубинным культивированием продуцентов белка, которое, по данным Raimbault et al. (1977), имеет ряд недостатков. Из них следует отметить: значительные размеры установок для ферментации; высокую стоимость аппаратуры, особенно для перемешивания и аэрации культуральной среды; большой расход энергии для сушки и сбора готовой продукции; загрязнение среды сточными водами; высокая стоимость транспортировки готового продукта.
Использование в качестве продуцента ми- крогрибов с тонкой легко перевариваемой клеточной стенкой позволяет снизить энергозатраты на дополнительную обработку биомассы с/целью повышения ее усвояемости.
В то же время культивирование в твердой фазе микроорганизмов пока сопряжено с рядом трудностей. Так, трудно получить ВЫХОД белка, близкий к выходу, получаемому при глубинном способе культивирования; нет простого и надежного способа, позволяющего избежать инфекции и спорообразования в процессе твердофазной ферментации. Спорообразование же делает продукт малопригодным к использованию.
Однако новейшие публикации показывают, что уже начинают появляться технические решения метода ферментации в твердой фазе. Есть все основания полагать, что наряду с глубинным культивированием микроорганизмов обогащение субстратов протеином методом ферментации в твердой фазе пред — — ставляется весьма перспективным.
Для обогащения крахмалсодержащего сырья белком чаще всего применяют микроскопические грибы родов Petiicillium, Aspergillus, Rhizopus. Так, изучение 9 штаммов Rhizopus и 5 штаммов Mucor в качестве продуцентов белка позволило установить, что наиболее высокой амилолитической активностью обладают культуры рода Rhizopus, а среди них R. arrhizus и R. oryzae (Roger et al., 1976). Содержание белка в биомассе этих двух культур при выращивании на жидких средах с крахмалом составляет 40%. По мнению авторов, для промышленного получения пищевого белка из крахмалсодержащего сырья целесообразно использовать смешанные культуры с высокой амилолитической и протеолитической активностью. Культуру гриба R. arrhizus использовал Vezenhet et al. (1977) для обогащения белком пшеничной крупы либо муки. Влажность субстратов составляла 67%. Из 100 г исходного сухого зерна с 12,5%-ным содержанием белка за 5 суток выращивания при 28 °С в условиях интенсивного механического перемешивания получали 75 г продукта с 23%-ным содержанием белка.
Gregory (1976) исследовал возможность превращения углеводов в белок термофильными грибами с амилолитической активностью,; способными утилизировать крахмалсодержа-< щие субстраты без предварительного гидролиза крахмала и развиваться при строго селективных условиях рН 3,5 и 45—50 °С. В качестве исходной культуры им выбран штамм R. oryzae. Культивирование вели на питательной среде, содержащей в качестве основного компонента экстракт маниоки. Проведенные токсикологические исследования полученных белков не показали заметных различий с белками соевых бобов. Несколько позже Gregori et al. (1977) из почвы выделил микроскопические грибы, способные расти на среде с крахмалом маниоки при температуре 50—55°. Мицелий грибов Paeci — lomyces varioti, Cephalosporium eichorniae, * Mucor sp., Rhizopus chinensis содержит 37— 50% белка, 26—38% истинного белка и 0,41 — 0,66% метионина.
В США запатентован способ получения высококачественного белка (Rogers, Coleman, 1974) гриба Asp. tiiger из крахмалсодержа — Щих отходов. Ферментация осуществляется при 25—30°, аэрации, рН 2—5 в течение 20— 36 ч. Мицелий содержит 35—40% белка и может быть использован как пищевая или кормовая добавка. Этот же вид гриба использован в Астонском (Англия) университете при разработке метода, позволяющего производить одновременно очистку сточных вод пищевых предприятий и получать белковую биомассу, которую после высушивания можно включать в кормовой рацион животных.
Известен способ получения белка на основе отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности путем вырашивания на них Aspergillus niger и Fusarium sp. Определенное влияние на процесс ферментации и скорость роста микроорганизмов оказывают величины рН, кислород, температура, тип отходов (твердые, жидкие, полужидкие). Установлено, что при использовании твердых отходов можно получить 500 т белка в год (Rea — de, Smith, 1975; Rogers, 1976; Righelato et al., 1976). В Японии изучается производство белка с помощью грибов на основе отработанных сульфитных щелоков, а также из сточных вод, образуемых при производстве кофе, и из уксусной кислоты. Белковую биомассу получают путем выращивания на отходах переработки кофейных бобов гриба Tricho — derma harzianum. Удельная скорость роста его составляет 0,2 ч-1. Содержание белка в биомассе 56% при рН 3,5—2,0.
Исследуется возможность получения белковой биомассы путем культивирования микро — грибов на сточных водах производства пальмового масла. Грибная биомасса используется для скармливания курам с целью увеличения их яйценоскости (Minoda, 1975). Болгарские ученые Григоров и др. (1978) также пришли к выводу, что получение кормового белка с помощью микрогрибов рентабельно и позволяет получать не только белковые вещества, но и проводить очистку сточных вод. Хороший состав аминокислот и высокий процент растворимых азотистых веществ в грибном белке определяют его качество.
Во Франции Staron (1979) разработал способ получения пищевых белков на основе культивирования грибов Trichoderma album, Cephalosporium eichortiiae и Rhizopus chi- nensis в жидкой питательной среде с пульпой из муки различных злаков либо картофеля,
маниоки, земляной груши, а также пульпы из кожуры любых фруктов или мелассы из свеклы и моркови. Через 15—20 ч культивирования из 100 л такой среды получают 7— 9 кг мицелия, который после сушки или лио — филизации содержит (в %): 55—63 белка, 6— 12 жиров, 3—5 небелкового азота, 8—10 нерастворимых углеводов, 7—10 растворимых углеводов, 4—6 нуклеиновых кислот, 6—9 зольных элементов, 3—5 влаги.
Для биологической оценки биомассы термотолерантных мицелиальных грибов Cephalo — sporium eichorniae 152 и Rhizopus chinensis 180 их выращивали в 120-литровом ферментере при рН 4,5 и 47 °С в течение 18—24 ч. Мицелий грибов с неутилизированным субстратом фильтровали и подвергали лиофильно — му высушиванию. После лиофильной сушки биомассу размалывали и добавляли в корм крысам как единственный источник белка в рационе. Переваримость азота и ретенция азота биомассы штамма С. eichorniae 152 составляла 85,3% и была выше, чем штамма R. chinensis 180 (78,7%), но ниже, чем казеина (96,3%). Утилизация чистого белка (NPU) биомассы штамма С. eichorniae 152 составляла 77,3%, штамма R. chinensis 180—53,0 и казеина—79,9%. Биологическая ценность биомассы гриба С. eichorniae 152 была выше, чем chinensis 180. Привесы животных, получавших в рационе биомассу гриба С. eichorniae 152, были такими же, как и при получении казеина. Добавление в корм метионина значительно улучшало биологическую ценность обоих грибов.
|
33 |
Нами (Бабицкая, Лобанок и др., 1975—
3- Зак. 11Q8
1979) проверена способность свыше 500 культур мицелиальных грибов трансформировать в белок отходы картофелеперерабатывающей и крахмалдобывающей промышленности. Лучшими продуцентами белка оказались грибы рода Penicillium, в частности Penicillium di — gitatum 24 П, P. notatum, P. claviforme, P. ter — likowski. Грибы хорошо растут на нестандартном картофеле, картофельной мезге, картофельном соке, соковой воде и др. Использование таких отходов для получения белка исключает опасность отрицательного действия самих субстратов. Наряду с полноценной биомассой отобранные продуценты синтезируют комплекс гидролитических ферментов — пек — тиназу, амилазу и целлюлазу, что позволяет при приготовлении питательных сред для микробного синтеза белка исключить предварительный кислотный гидролиз субстратов, а культуральную жидкость использовать для мацерации растительных тканей либо для других целей.
Анализируя комплекс гидролитических ферментов, синтезируемых грибами на различных отходах картофелеперерабатывающей промышленности, следует отметить, что наибольшая активность пектолитических ферментов (ПКА до 3,5 ед/мл, эндо-ПГ до 150 ед/ /мл) наблюдается при выращивании гриба P. digitatum 24 П на нестандартной клубневой фракции картофеля и соковой воде с мезгой. Наибольшая активность экзо-полигалактуро — назы отмечена на картофеле и мезге (2,4 и 4,6 ед/мл соответственно), пектинэстеразы—на соковой воде и картофельном соке, соковой воде и мезге (2,9 и 2,6 ед/мл). Гриб синтезирует также пектинтрансэлиминазу и цел — люлазу. В отличие от P. digitatum 24 П грибы P. notatum, claviforme, terlikowski синтезируют комплекс пектолитических ферментов менее активно’. Активность же Сж-фермента (целлюлаза) в культуральной жидкости дос — ■ тигает 22 усл. ед., амилазы—10—’13 ед/мл. Следовательно, при использовании в качестве продуцента белка гриба P. digitatum 24 П культуральная жидкость пригодна для получения ферментного препарата с преобладанием пектиназ, других же грибов—с преобладанием амилаз (Лобанок и др., 1977).
Урожай биомассы рекомендуемых нами продуцентов достигает 20 г/л. Грибная биомасса содержит до 60% протеина, 4,5—5,0% Жира, витамины группы В. Истинный белок в препаратах составляет 45—50%, нуклеиновые кислоты — 0,6—2%.
Данные о составе биомасс, полученных путем глубинного культивирования грибов рода РепісіШит на нестандартной клубневой Фракции картофеля, представлены в табл. 3.
В связи с проблемой сохранения окружающей среды большое внимание исследователей Уделяется вторичному либо многократному использованию отходов различных отраслей промышленности для получения биологически активных веществ. При выращивании на средах, основу которых составляют отходы кар-‘ тофелеперерабатывающей промышленности, гРибы рода Репісіїїіит синтезируют комплекс гидролитических ферментов. Культуральная Жидкость (КЖ) — отход при получении белка—используется ДЛЯ получения (путем распылительного высушивания) мацерирующего
Таблица З
|
Состав биомасс грибов рода Penicillium — продуцентов белка, %
|
Ферментного препарата. Вторая же часть КЖ, представляющая сточные воды, многократно применяется в качестве жидкой фазы питательных сред для выращивания микроскопических грибов — продуцентов белковых веществ.
Результаты, полученные И. В. Стахее — вым и др. (1978) по изучению возможности многократного использования отходов производства грибного белка в колбах на качалке, нашли подтверждение и при выращивании в ферментерах. Однако следует отметить, что такое многократное использование культураль — ной жидкости возможно лишь при добавлении в среду 5—10% нестандартной фракции картофеля, за счет чего постоянно пополняется содержание в среде Сахаров. Есть основание
Полагать, что производство белковых препаратов микрогрибов на отходах картофеле-крах — мального производства может быть осуществлено в замкнутом цикле, что существенно удешевляет стоимость белково-витаминных препаратов, экономит большое количество воды и решает в некоторой степени проблему утилизации отходов сельского хозяйства и промышленности.