МИКРОБНЫЙ БЕЛОК ИЗ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩИХ СУБСТРАТОВ

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, %

Гриб

Сырая зо­ла

Сырой жир

Клетчатка

Сырой протеин

И

43 м

Истинный белок

Нуклеино­вые кислоты

Penicillium di­

Gitatum

24П

8,1

4,9

12,0

57,0

18,0

43,0

1,8

Penicillium no-

Tat um 1/

5,9

4,3

11,2,

60,5

18,1

50,0

1,4

Penicillium cla-

Viforme

9,5

3,2

11,7

52,0

23,0

45,3

1,9

Penicillium ter-

Likowski

7,8

3,9

13,9

48,9

25,5

42,0

0,7

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.

Добавить комментарий

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