Современное общество волнуют три важнейшие проблемы: мир, питание и сохранение окружающей среды. Наиболее острым аспектом проблемы питания является дефицит белка, особая роль которого объясняется многообразием его биологических функций. Белок — основа тканей человека и животных. Ферменты и многие гормоны, обеспечивающие жизненно важные процессы в организме человека, также являются белками.
В настоящее время население земного щара составляет свыше 4 млрд. человек, к 2000 г., по прогнозам ООН, население Земли достигнет 5,8—6,4 млрд., а к 2500 г.— 11 млрд. человек. Мировая потребность в белке возрастет соответственно с 25 млн. т в 1965 г. до 42 млн. т в 1980 г. и 65 млн. т в 2000 г. Но уже сегодня более половины населения испытывает недостаток в белке. Это в первую очередь относится к развивающимся странам, население которых получает в 2 раза меньше белка и в 5 раз меньше белков животного происхождения по сравнению с высокоразвитыми странами, что приводит к снижению средней продолжительности жизни людей.
Мы едим для того, чтобы обеспечить организм пластическими материалами и энергией для жизнедеятельности. Взрослому человеку при физически нетрудной работе достаточно 3000 калорий в сутки. 3000 калорий — это 330 г подсолнечного масла, или 750 г сахара. Однако удовлетворить потребности организма за счет только масла либо только сахара практически невозможно, ибо пища доставляет нам не только энергию для работы, но еще и материал для роста и обновления тканей и клеток. Пища должна быть разнообразной и содержать белки, жиры, углеводы, витамины. Источник энергии — жиры и углеводы — в определенных пределах можно заменять друг другом, можно даже заменить и белками. Но белки заменить нельзя ничем. Проблема питания человечества в конечном счете заключается в белковом дефиците. Там, где сегодня голодают, недостает прежде всего белка. Ежегодный дефицит белка оценивается в 15 млн. т. Белки независимо от их растительного или животного происхождения состоят из аминокислот—простых органических соединений. Все многообразие живой природы основано на белках, состоящих из 20 аминокислот. Секрет же этого многообразия заключается в индивидуальных структурах, образуемых данными аминокислотами.
Помимо растительных белков человек получает аминокислоты белков в основном с мясной пищей. Для этого следует годами скармливать животным растительные корма, содержащие в том числе и белки. С точки зрения выхода аминокислот это малопродуктивно. Для наглядности следует сказать, что бык массой 500 кг при хорошем корме ежедневно дает привес 500 г белка. Аналогичные соотношения характерны и для овец, свиней, уток, кур, которых человек разводит как поставщиков аминокислот.
Есть надежные пути получения пищи с помощью растений и сельскохозяйственных животных. Пути эти испытаны временем. Однако они уже не удовлетворяют растущие потребности человечества. Совершенно очевидно, что наряду с интенсификацией сельскохозяйственного производства и освоения ресурсов Мирового океана реальной необходимостью становится производство новых видов пищи.
Для того чтобы сохранить хотя бы существующий уровень питания к 2000 г., мировой уровень производства продовольствия необходимо увеличить в 4—7 раз, а продуктов животного происхождения в 9 раз. Анализ статистических данных по перспективам производства продуктов питания показывает, что темпы его прироста могут существенно поднять уровень обеспеченности белком населения развивающихся стран. Проблема недостатка белка, особенно животного происхождения, в известной степени затрагивает и экономически развитые страны (табл. 1). При традиционном трехстадийном способе получения белков животного происхождения (растительный белок — животные — пищевой продукт) происходят огромные потери белка. В связи с этим особое значение приобретают вопросы более рационального использования белкового сырья, улучшения химического состава пищевых продуктов путем прямого добавления белковых изолятов.
А. Н. Несмеянов, В. М. Беликов (1979),
|
Таблица 1 Обеспеченность белком населения планеты
1961—1963 гг. Общее потребление белка Белки животного происхождения БИ 85,6 |
|
45,3 0,53 |
1975 г.
Общее потребление белка Белки животного происхождения БИ
1985 г.
|
89,4 50,6 0,57 92,4 54,6 0,59 |
Общее потребление белка Белкн животного происхождения БИ
Примечание. БИ — соотношение в рационе белков животного и растительного происхождения (белковый индекс) .
Кроме традиционных способов получения пищи, рассматривают и новые: растительная пища из несъедобных растений (сахар из целлюлозы); белковая пища без животного звена; пища без животных и без растений; синтетическая пища.
Всем известно, что наиболее ценны молочные и яичные белки, несколько менее белки
Мяса и менее ценен растительный белок. Его ценность лимитирована незаменимыми аминокислотами. Сравнивая, например, белки говядины, муки и картофеля с белком молока, следует отметить, что содержание незаменимых аминокислот в них составляет 60—70% молока (табл. 2). В муке мало лизина, в картофеле — лейцина. Чтобы продукты были питательны, следует добавлять в них недостающие аминокислоты. Улучшение кормов недостающими аминокислотами есть балансирование. Балансировать можно любую растительную пищу. По своим качествам ближе всего к мясу белок сои. Его добавляют в колбасы, сосиски, фарш и т. д. При этом увеличивается масса этих изделий и не ухудшается качество. Особенно важно, что белок сои и пшеницы поддается кулинарной обработке. В мировой
|
Таблица 2 Аминокислотный профиль некоторых пищевых продуктов
|
Практике известны такие искусственные продукты, как жареное мясо и отбивные котлеты из пшеницы, колбаса из сои и кукурузы, говядина из сои, ветчина и даже цыпленок из сои. По вкусу эти продукты трудно отличить от натуральных, по цене же они намного дешевле и обычно пользуются большим спросом.
Таким образом, балансирование растительных продуктов позволяет получать белок, аналогичный животному. Однако этот путь требует интенсификации сельскохозяйственного производства.
Дефицит высокоценного белка определяется миллионами тонн в год. Покрытие его наряду с увеличением производства продуктов растительного происхождения, рыбной муки и некоторых других возможно за счет микробиологического синтеза. Одной из важнейших народнохозяйственных задач сегодняшнего дня является расширение промышленного производства белково-витаминных концентратов для сельского хозяйства. Наиболее перспективно получение белка микробиологическим путем. При этом не требуется посевных площадей, и промышленное производство не зависит от климатических условий, а также поддается точному планированию и регулированию.
Микроорганизмы как продуценты белка имеют ряд преимуществ по сравнению с высокоурожайными сельскохозяйственными растениями и животными и главное из них — высокая скорость роста. Кормом для них могут быть меласса (побочный продукт получения сахара), продукты осахаривания древесины, для многих — только о-алканы нефти, Ї2
Солома злаковых культур и т. д. Большое разнообразие микроорганизмов — продуцентов белковых веществ и типов их питания позволяет использовать самые различные виды сырья. При этом 500 кг культуры одноклеточных микроорганизмов в состоянии производить за сутки почти 1000 кг белка. По своему аминокислотному ‘ составу он весьма сходен с животным белком. Содержание белка, например, в водорослях колеблется от 40 до 60% сухой биомассы. А 250 г этой массы достаточно для покрытия ежедневной потребности человека в белках и витаминах. Чтобы показать преимущества микробных белков по сравнению с белками животного и растительного происхождения, достаточно привести следующие данные: тонна белка в виде гороха за сутки производится на посевной площади 360 га, столько же белка в виде говяжьего мяса за сутки производится при откорме 2000 голов крупного рогатого скота. При использовании микроорганизмов такое же количество белка может быть получено с помощью 10 кг дрожжевых клеток в ферментере емкостью 100 м3. Иными словами, микроорганизмы в 104 раза продуктивнее, чем животные.
В настоящее время уже широко используются в корм животным дрожжи, обладающие способностью в короткие сроки продуцировать большое количество биомассы, которая в высушенном виде представляет ценный белково-витаминный концентрат.
Многочисленные исследования, проведенные как в нашей стране, так и за рубежом, свидетельствуют о высокой кормовой ценности белков микроорганизмов. Применение их — в комбикормах дает возможность получить значительное количество свинины, говядины, птицы, яиц. Так, в килограмме пищевых дрожжей содержится столько белка, сколько в 3 кг мяса. То же самое можно сказать и о кормовых дрожжах. Добавка тонны этого продукта в корма для птицы позволяет получить дополнительно 1,5—2 т мяса или 25— 30 тыс. штук яиц, в свиноводстве эта же тонна высвобождает около 5 т фуражного зерна.
Однако до настоящего времени при получении биосинтетического белка в качестве продуцентов чаще всего традиционно используются дрожжи и бактерии. Мицелиальным же грибам не уделяется достаточного внимания. Вместе с тем в ряде стран Востока и Азии микроскопические грибы являются основой многих национальных способов приготовления пищи.
Изучение роли дрожжей и мицелиальных грибов в процессах ферментации при получении ряда национальных продуктов и напитков в Индии, Непале, Пакистане, Сиккиме и Тибете позволило установить, что ферментация, обусловливающая специфический вкус и качество продуктов, осуществляется в случае «Їd 1 і» Torulopsis Candida и Trichospo — roti pullulans, «kanji» — Hansenula anomata, «murcha» — H. anomala, Mycor rouxianus и Rhizopus arrhisus. Названные продукты были изготовлены в лабораторных условиях с выделенными культурами. Свойства полученных продуктов и напитков не отличались от местных образцов (Lekh, Patricia, 1974).
Промышленное культивирование мицелиальных грибов появилось задолго до эры антибиотиков. Истоки его восходят к глубокой древности. Так, сыр рокфор изготовляли на юге Франции из молока овец еще тысячу лет назад. Другие виды «голубых» сыров также имеют древнюю историю. Вместе с тем лишь сравнительно недавно была выяснена роль микроскопических грибов в процессах приготовления сыров. Из них наиболее распространенными оказались Penicillium roqueforti, P. camemberti, P. casei colum.
Очень давнюю историю имеет и применение грибов в качестве пищи. Два века тому назад в Китае и Японии выращивали организм, называемый «schi-ta-кё». Культивирование его осуществлялось в специально приготовленных древесных колодах, которые инокулировались спорами. Инкубация протекала несколько месяцев, после чего споро — формы собирали для еды. Наиболее известным из культивировавшихся в Европе грибов оказался Agaricus campestris. Во Франции этот гриб используют для пищевых целей с XVIII в.
К современной технологии имеет отношение японский процесс «койи». Койя—название продукта из культуры гриба Aspergillus oryzae и A. soyae. При классическом способе койи культивирование осуществляется на корзинках из сплетенного бамбука, что обеспечивает хорошую аэрацию. Койя-про — Цесс служит основой для производства сакэ, традиционного алкогольного напитка в Японии. Полагают, что сакэ изготовляют с VIII в. Сейчас уже известно, что процесс койи основан на синтезе амилаз и других ферментов, способных аналогично солоду при гіийоваренйи превращать в сахар рисовый крахмал.
На Востоке мицелиальные грибы играют такую же роль, как солод на Западе. Они высоко ценятся за способность повышать усвояемость и вкусовые качества довольно пресных и неусвояемых продуктов, являющихся важными источниками белков в вегетарианской или полувегетарианской диетах. Эти продукты перспективны для промышленности из-за ограничения животных белков и высоких цен на них.
Мицелиальные грибы используются для приготовления многих национальных блюд.
Соевое молоко: вымачивают соевые бобы в воде, затем их измельчают, фильтруют. Фильтрат кипятят.
Тофу: неферментированный творог, приготовленный из соевого молока осаждением кальцием или сульфатом магния. Осажденный белок пропускают через сырное сито и удаляют из него как можно больше жидкости. Тофу имеет пресный вкус, питателен. При превращении тофу в суфу творог разрезается на кубики по ~3 см3. Кубики вымачиваются в течение 1 ч в растворе, содержащем 6% NaCl и 2%-ную лимонную кислоту. Затем кубики высушиваются при 100 °С, охлаждаются и инокулируются соответствующими грибами, в частности Actinomucor elegans, Mucor hiema — lis, M. silvatius и M. subtilissimus. Культивирование осуществляется до полного покрытия кубиков белой пленкой гриба.
Мисо: используется чаще как приправа. По статистике на душу населения в Японии лотребляется 29,3 г мисо. Готовят его как в
фабричных, так и в домашних условиях, при этом в 60-е годы домашнее производство ми — со составляло 2/3 фабричного. Производство мисо похоже на приготовление соевого соуса. Исходным материалом здесь являются бобы и ячмень, бобы и рис или просто бобы. Если для мисо используют рис, койя готовится выращиванием Aspergillus oryzae на вымо-4 ченных и пропаренных цельных зернах. Рис должен быть только белый, так как черный имеет слишком твердую и восковую поверхность, что препятствует обильному росту гриба. При приготовлении «мама мисо», которое готовится исключительно из соевых бобов, койю получают выращиванием гриба на части бобов. При производстве мисо большая часть бобов не подвергается воздействию грибов, а смешивается с рисовой койей в начале стадии. Рисовая койя готова к использованию через 50 ч после инокуляции. Созревшая койя смешивается с солью и пропаренными бобами. Высокое содержание соли (4— 12%) и анаэробные условия быстро ингиби — руют рост гриба и создают оптимум для развития бактерий и дрожжей. Развитие соответствующей микрофлоры стимулируется добавлением порции мисо из предыдущей ферментации. Основные виды бактерий — продуценты молочной кислоты, дрожжи представлены Saccharomyces rouxii.
Большой интерес представляют такие индонезийские блюда, как темпе и онтъём.
Для приготовления темпе используют соевые бобы и грибы рода Rhizopus, для онтъём— прессованный арахисовый шрот и Neu — rospora sitophila.
Темпе: соевые бобы вымачивают в воде, варят, охлаждают и инокулируют спорами Rhizopus oligosporus. Затем бобы укладывают на мелкие подносы и выдерживают при температуре 30 °С 20—24 ч. Куски соевых бобов полностью склеиваются грибным мицелием в единый твердый «пирог», который можно резать как хлеб. Пирог рекомендуется обжаривать на растительном масле.
В некоторых районах Китая известен продукт под названием мейтауза. Его получают выращиванием гриба Actinomucor elegans на твердом осадке после экстрагирования молока соевых бобов.
Онтъём: в качестве субстрата используют осадок, полученный при отжатии арахисового масла. Твердые вещества арахиса промывают, пропаривают и инокулируют грибом Neurospora sitophila. s Конечный продукт обжаривают и подают с соусом либо обжаривают, заливают кипятком, добавляют по вкусу сахар и соль. Вкус продукта напоминает вкус фарша.
Гаманатто: продукт, представляющий соевые бобы, ферментированные Aspergillus oryzae. Разновидностью являются малайское блюдо тао-чо и филиппинское тао-си. Цельные бобы промывают, оставляют в воде на ночь, затем пропаривают 5—10 ч и охлаждают до 30 °С. Дальнейшая обработка может вестись двумя способами: 1) бобы инокулируют по всей поверхности с помощью койи, выращенной на обжаренной пшенице и ячмене; 2) охлажденные бобы смешивают с обжаренной пшеницей и мукой. Все это ино- кулируется A. oryzae. По первому способу
/
Бобы покрываются зеленым мицелием через 20 ч, затем высушиваются на солнце до влажности 12%. Во втором случае время культивирования не ограничено. Бобы смешиваются с имбирем и погружаются в солевой раствор. Смесь зреет под давлением около 1 года, после чего бобы извлекаются и высушиваются на солнце. Они приобретают темную окраску, становятся мягкими как изюм. По вкусу напоминают мисо, но гораздо слаще.
Гаманатто используется как легкая закуска, в качестве приправы к говядине, рыбе и омарам.
Все описанные способы ферментации основаны на субстрате с высоким содержанием белка. Анг-как и аао-чао получают путем ферментации риса.
Анг-как: красящее вещество, производят с помощью гриба Monascus purpureas, выращиваемого на очищенном рисе. Рис предварительно вымачивают, автоклавируют, охлаждают и инокулируют спорами гриба. Зерна риса должны быть достаточно сухими, что обеспечивает максимальную аэрацию. После обработки рис приобретает темно-красный Цвет. Природа пигментов не ясна. Предполагается, что в этом процессе принимают участие два пигмента — красный монаскоруб — рин и желтый — монаскофлавин. Анг-как используется для окрашивания рисовой водки.
Аао-чао интересен как пищевой продукт. Готовится из клееподобного восковидного риса, который часто используется, особенно в Великобритании, для начинки рисовых пудингов. Прожаренный и охлажденный рис инокулируют, укладывают в Чаиіку, закрьь вают и ферментируют 2—3 дня при комнатной температуре. Для инокулирования целесообразно использовать смесь двух культур: Rhizopus chinensis и вид дрожжей Еп — domycopsis. Конечный продукт — мягкий, сочный, сладкий с легким спиртовым привкусом и фруктовым ароматом. Его употребляют непосредственно в пищу или после дополнительной кулинарной обработки подают на десерт.
Таковы основные ферментации, практикуемые на Востоке. По данным ряда авторов (Smith, Berr, 1975), существует порядка 73 ферментаций и свыше 80 их разновидностей с использованием грибов и дрожжей. Многие из них интересны, подходят для промышленного изготовления с дальнейшей реализацией в Европе как деликатесы.
Появление процесса койи в западном мире связано с именем японского ученого Така — мине. Им был предложен и разработан процесс получения грибной диастазы. Процесс состоит из увлажнения и обработки паром отрубей, в результате чего происходит жела — тинизация крахмала и стерилизация субстрата. Затем следуют охлаждение и инокуляция спорами Asp. oryzae либо препаратом та — ка-койи (гриб, выращенный на пшеничных отрубях). Опыты в крупном масштабе по применению така-койи вместо солода были проведены в 1913 г. на заводе в Онтарио. Выход спирта оказался выше, чем при использовании солода, однако неприятный привкус продукта не позволил воспользоваться процессом для производства.
Если така-койю экстрагировать водой с последующим осаждением спиртом, получается более чистый ферментный препарат. Он продавался в течение многих лет под названием така-диастаза как средство, способствующее пищеварению.
От японской койи берут свое начало различные виды осахаривания субстратов.
В Китае также существовал процесс, использующий различные штаммы микроскопических грибов с целью превращения крахмалистых материалов в спирты. Китайцы первыми предложили субстрат, на котором росла белая плесень, названная «китайские дрожжи». Как позже выяснилось, «китайские дрожжи» включали в себя грибы Amyloces rouxii, различные штаммы Мисог и Rhizopus delemar.
В более поздней модификации этого процесса гриб Rhizopus delemar выращивали в глубинной культуре и использовали либо отдельно, либо в дополнение к солоду для усиления сахарификации. Затем добавляли дрожжи с целью превращения Сахаров в спирт. Следующим шагом ■ была, естественно, изоляция фермента и его сушка. Таким образом, амилопроцесс, либо процесс сахарификации, претерпел длительное становление: использование грибов, выращенных на отрубях (процесс койи), использование культу — ральной жидкости, полученной при глубинном выращивании мицелиальных грибов, использование ферментных препаратов. Однако процесс койи и по сей день применяется в Японии для получения некоторых ферментов.
Микроскопические грибы находят широкое применение и для получения кислот, таких, как галловая, лимонная, глюконовая, фумаровая.
Говоря о роли микрогрибов, нельзя не вспомнить о пенициллине, открытие которого связано с именем Флемминга. Вслед за пенициллином появились и другие антибиотики. Открытие пенициллина явилось мощным толчком для быстрого развития грибной ферментационной промышленности. Однако с биологической точки зрения вездесущая роль грибов была оценена лишь сравнительно недавно.
В последние годы в связи с проблемой белкового дефицита микроскопические грибы рассматриваются и как продуценты белка для животных и даже человека (Жемойц, Орехов, 1975; Лобанок, Бабицкая, 1976; Бабицкая, Лобанок, 1976; Стахеев, 1978). По ряду показателей грибы имеют преимущества по сравнению с другими микроорганизмами. Как известно, людям свойственны привычки, укоренившиеся традиции. Человек ест пищу, которая ему нравится. Представления же о питательной ценности ее стоят, как правило, на втором месте. Опыт показал, что ввести новый вид пищи, даже очень хорошей, среди населения, привыкшего к пище с другими свойствами, очень трудно. Что же касается грибов, то они как пища общеприняты и в ряде стран являются деликатесом. Преимущества грибов как продуцентов белка обусловлены и рядом других, более ценных свойств.
Ввиду высокого содержания и особенностей нуклеиновых кислот дрожжей и бактерий только до 10% белка в рационе можно заменить дрожжевым или бактериальным. Грибной же белок может употребляться в пищу в любых количествах, вплоть до полного замещения животного белка. Немаловажное преимущество грибов — легкое и дешевое отделение мицелия. Мицелиальная структура его — ценное свойство при получении структурированных пищевых продуктов. Грибной белок легко подвергается кулинарной обработке, его нитчатая структура позволяет имитировать общепринятые виды пищи.
Микроскопические грибы синтезируют болыцой набор ферментов, что позволяет превращать им в съедобный белок отходы от производства бумаги, текстильной промышленности, пищевого производства и т. д.
Говоря о микроорганизмах — продуцентах белковых веществ, следует напомнить о некоторых предъявляемых к ним требованиям: высокое содержание протеина, высокие питательные качества его, безвредность по отношению к человеку, животным, рыбам и растениям; удовлетворительная скорость роста, высокая продуктивность, способность расти на простых культуральных средах в подходящей форме, а не пеллетами.
Следует отметить, что, несмотря на имеющиеся обширные данные о белках одноклеточных, сравнительно мало литературы об использовании грибного мицелия. Причина кроется, возможно, в общераспространенном мнении (которое не разделяют многие микологи), что грибы часто «ядовиты», растут медленно, имеют низкое содержание протеина, а тот протеин, который они содержат, низкого качества.
Однако по каждому пункту можно при двести возражения. Токсичные вещества про дуцируются не только грибами, но и бакте риями и даже растениями. Если белок микроорганизмов производить как пищевой продукт, большинство аргументов за использование грибов. Известно, что грибы используются человеком в пищу с давних времен. Строение грибов делает их особенно пригодными для пищи человека. Если посмотреть литературу, посвященную росту грибов, обращает внимание малое количество данных. Известно, что скорость роста у Asp. ni — ger — 0,20 ч-1, Graphium sp.—0,187 ч-1, Asp. nidulans —0,148 ч_1, Pen. chysogenutn — 0,123 Ч-1, Mucor hiemalis — 0,099 ч-1. Влияние температуры на скорость роста можно проследить на примере гриба Asp. nidulans. При 25 °С (л = 0Д48 ч-1, 30 °С —0,215 ч~\ 37 °С — 0,360 ч-1. Анализируя литературные данные, можно сказать, что самой высокой скоростью роста среди грибов отличаются Geotrichum candidum (^ = 0,61 ч-1 при 30 °С) и Neurospo — rasitophila (ц = 0,40 ч"1) (Srnith, Berry, 1975). Следовательно, мицелиальные грибы весьма перспективны как продуценты белковых веществ.
В Советском Союзе уже создана технология получения белковых веществ на основе использования жидких парафинов нефти, получаемых в процессе депарафинизации дизельных топлив. Однако, несмотря на производство белка из парафинов нефти, потребность животноводства в этом продукте не будет полностью удовлетворена. Это связано главным образом с ограниченностью ресурсов жидких парафинов. Увеличение выпуска белковых веществ возможно при условии переработки газообразных углеводородов, продуктов их окисления, а также крахмал — и целлюлозосодержащего растительного сырья, запасы которого непрерывно восполняются путем фотосинтеза.
Ранее нами (Лобанок, Бабицкая, 1976) были обобщены литературные данные, а также результаты собственных исследований по получению биологического белка с помощью мицелиальных грибов. В настоящей работе представлены результаты более поздних исследований культивирования микро — и мак — ромицетов на крахмал — и целлюлозосодер — жащих субстратах, этаноле и метаноле, а также собственные данные, не вошедшие в упомянутые обзоры.