Podstawy biotechnologii żywności
MATERIAŁY DYDAKTYCZNE NR
Hodowla biomasy komórkowej drobnoustrojów
W wielu krajach zarysowuje się wyraźnie tzw. kryzys białkowy. Jedną z metod prowadzących do rozwiązania tego problemu jest produkcja w skali przemysłowej biomasy drobnoustrojów przez jednokomórkowce (proces SCP - single celi protein), oraz intensyfikacja procesów fermentacji, biosyntezy lub hodowli drobnoustrojów.
Organizmy, których rozwój uzależniony jest od czynników wzrostowych (aminokwasy, witaminy, zasady purynowe lub inne substancje) noszą nazwę auksotroficznych. Szczepy dzikie, których rozwój nie jest uzależniony od czynników wzrostowych noszą nazwę prototroficznych, ta grupa drobnoustrojów jest szczególnie interesująca przy hodowli biomasy jednokomórkowców, gdyż może być wykorzystana do pozyskiwania białka drobnoustrojów w warunkach przemysłowych.
W biosyntezie białka przez mikroorganizmy wykorzystuje się najczęściej drożdże, glony, bakterie i pleśnie oraz grzyby wyższe. Wydajność biosyntezy białka mikroorganizmów oraz jego wartość biologiczna zależy od rodzaju użytego organizmu i składu chemicznego podłoża. Do najczęściej stosowanych surowców zalicza się: odpady przemysłu chemicznego, spożywczego, farmaceutycznego, frakcje ropy naftowej, gaz ziemny, syntetyczne alkohole, ługi posiarczynowe oraz surowce niekonwencjonalne itp.
Przemysłowe otrzymywanie biomasy białkowej jest oparte obecnie w warunkach krajowych prawie wyłącznie na intensywnym rozmnażaniu komórek drożdżowych, których masa komórkowa dostarcza wartościowego białka i witamin z grupy B. Inicjatorem badań nad mikrobiologiczną biosyntezą białka przez drobnoustroje był Delbruck w 1900 roku, jednakże produkcja stała się opłacalna stosunkowo niedawno, gdy wyizolowano bardziej wydajne szczepy, opracowano metody hodowlane i zastosowano tanie odpadowe surowce węglowodanowe.
Produkcja biomasy komórkowej drobnoustrojów oparta jest na spostrzeżeniu że niektóre gatunki np. drożdży dzikich (Torulopsis, Candida) oraz pleśni i „grzybów wyższych" (strzępków grzybni - mycelium) w rozcieńczonych roztworach cukrów i przy intensywnym napowietrzaniu produkują minimalne ilości alkoholu lub nie produkują go wcale, natomiast intensywnie się rozmnażają. Ponadto stwierdzono, że organizmy te oprócz heksoz mogą wykorzystywać do budowy swojej masy komórkowej również pentozy, a także związki niecukrowe o 2-3 atomach węgla, np. alkohole, aldehydy i kwasy organiczne. Przyswojone węglowodany lub dowolne inne substancje organiczne wchodzą w skład przygotowywanego przez komórki drobnoustrojów szkieletu węglowego.
Przy ustalaniu optymalnego podłoża konieczne jest jeszcze uwzględni; teorii Finka, która mówi, że z masy przyswojonego węgla przez drobnoustroje 2/3 jest zużywana na budowę ich masy komórkowej, natomiast pozostała 1/3 części masy węgla wykorzystana jest na procesy energetyczne (czyli w wyniku oddychania lub utleniania biologicznego węgiel zostaje wydzielony z komórki w postaci ditlenku węgla). Znając skład chemiczny drobnoustrojów, nietrudno jest ustalić optymalny dobór składników podłoża hodowlanego, przynajmniej takich jak: węgiel, azot i fosfor (np. dla drożdży stosunek C:N:P ma się tak jak 50:8:1).
Produkcja biomasy komórkowej dzikich drożdży z rodzaju Torulopsis, Candida lub pleśni, np. Rhizopus oraz tzw. grzybów wyższych, które znalazły powszechne zastosowanie w produkcji przemysłowej lub w najbliższej przszłości mogą stanowić potencjalne źródło białka, ma jeszcze i to do siebie, że nie wymaga dodatkowych hormonów roślinnych lub innych substancji wzrostowych, a jedynie związków mineralnych zawierających jony amonowe, fosforowe, potasowe magnezowe. Przytoczone rodzaje drożdży, pleśni oraz tzw. grzyby wyższe nadają się do wykorzystywania odpadów przemysłu celulozowo-papierniczego, hydrolizatów drewna lub słomy, a ponadto ze względu na znaczne wymiary komórek łatwo dają się oddzielić od podłoża (bakterie ze względu na nikłe wymiary i tradności z oddzieleniem ich od podłoża mają małe zastosowanie w praktyce przemysłowej).
Mechanizm syntezy białek ustrojowych, o które w procesie technologicznym najbardziej chodzi, polega na włączaniu mineralnego azotu dostarczanego w postaci soli amonowej, zamienianiu go na azot aminowy i przyłączeniu do równocześnie przygotowanego szkieletu węglowego (o którym mówiono już wcześniej), czyli alfa-ketokwasu. Odbywa się to drogą aminacji lub transaminacji.
Kluczową reakcją w tym procesie jest tzw. redukcyjna aminacja alfa-ketokwasów, a szczególnie alfa-ketoglutaranu, która ma następujący przebieg:
+ NH4+
alfa-ketoglutaran
glutaminian + H2O
+ 2H+ + 2e
Reakcja ta, katalizowana przez enzym zwany dehydrogenazą glutaminianową, biegnie właściwie w obu kierunkach, a więc jest odwracalna i stanowi podstawowy mechanizm aminacji lub deaminacji, czyli wykorzystywania przez drobnoustroje azotu mineralnego do budowy białka swych organizmów, a więc mamy tu do czynienia z zamianą związków mineralnych w wysokouorganizowane substancje organiczne.
Surowce do biosyntezy białka przez mikroorganizmy
Produkty uboczne przemysłu rolno-spożywczego
Należą tu głównie takie produkty, jak wywar melasowy, melasa, serwatka, poślad zbóż, bulwy, korzenie, słoma, łuski itp. Do niedawna najpoważniejszym źródłem węglowodanów (energii) w biosyntezie białka drobnoustrojów (głównie drożdży) była melasa. Nowoczesne kierunki rozwoju przemysłu cukrowniczego wskazują na możliwość zagospodarowania melasy w procesie odzysku cukrów do celów spożywczych, co w znacznym stopniu obniży jej podaż na cele paszowe, w tym do produkcji biomasy drożdżowej.
W tej sytuacji prognozy biosyntezy białka przez drobnoustroje w Polsce przewidują produkcję biomasy np. drożdży na podłożu z ziemniaków lub zbóż.
Według proponowanej technologii podłoże skrobiowe w postaci scukrzonej powinno być poddane zdrożdżowaniu, a następnie zagęszczone i wysuszone. Wprowadzenie białka drożdży do mieszanek skrobiowych poprawia znacznie niekorzystny stosunek białek do węglowodanów, co daje większy przyrost masy zwierząt. Uzasadnione wydaje się rozwijanie kierunku przetwarzania substancji celulozowych przez drobnoustroje (ogólnie - mikroorganizmy). Z tego względu praktyczne jest prowadzenie biosyntezy białka przez mikroorganizmy na podłożu ze słomy, plew, różnego rodzaju łusek itp. Jest to przyszłościowy kierunek, wymagający dalszego dopracowania technologii. W wykorzystaniu przez drobnoustroje białka produktów ubocznych przemysłu spożywczego poważne znaczenie przypisuje się serwatce oraz wywarom ziemniaczanym. W przypadku serwatki zabiega się o przetwarzanie jej (serwatki odbiałczonej) z zastosowaniem drożdży i pleśni, względnie hodowli mieszanych kultur bakteryjno-drożdżowych i bakteryjno-pleśniowych.
W optymalnych warunkach biosyntezy białka przez drożdże hodowlane na podłożu z serwatki uzyskać można z 1 m3 około 40 kg preparatu suszonego o zawartości 95% s.m., w tym 40% białka.
Ługi posiarczynowe
Podłoże z ługów posiarczynowych (odpad przemysłu celulozowo-papieniczego) stanowi poważną rezerwę surowca w biosyntezie białka przez drożdże. Ługi z przerobu drzew iglastych są również potencjalnym surowcem, jednakże muszą być odpowiednio uzdatnione, co podnosi koszty przetwarzania. Natomiast ług z przerobu drewna - drzew liściastych mogą być bezpośrednio poddane zdrożdżowywaniu.
Surowce niekonwencjonalne
Duże perspektywy zwiększenia zasobów białka upatruje się w możliwość: użycia surowców, takich jak: frakcje ropy naftowej, gazu ziemnego i syntetyczne alkohole - metylowy i etylowy. Substratem do biosyntezy białka przez drobnoustroje są frakcje ropy naftowej lub ściślej n-parafiny w niej zawarte. Hodowla drobnoustrojów, najczęściej drożdży z rodzaju Candida, odbywa się w silnie napowietrzanym i zemulgowanym środowisku. Wydzielanie biomasy po skończonej hodowli drożdży jest procesem technicznie wyjątkowo trudnym. Biomasa (koncentrat drożdżowy) jest silnie zanieczyszczona składnikami oleju, głównie węglowodorami policyklicznymi. Z tego powodu zawarte w biomasie węglowodory należy wydzielić metodą ekstrakcji. Konieczność dokładnej ekstrakcj z resztek węglowodorów podnosi koszty produkcji białka oraz stwarza niebezpieczeństwo przekroczenia dopuszczalnego poziomu węglowodorów aromatycznych w diecie, które uważane są przez żywieniowców za kancerogenne (rakotwórcze).
Inne surowce niekonwencjonalne mogace służyć do produkcji biomasy to:
metan (przy użyciu bakterii należących do gatunku Pseudomonas methanicus),
syntetyczne alkohole, np. etylowy czy metylowy (cechuje go dobra rozpuszczalność w wodzie, nie zawiera związków policyklicznych). Drożdże dzikie z rodzaju Torulopsis i Candida szczególnie dobrze asymilują alkohol etylowy. Ze 150 kg etanolu można otrzymać około 100 kg suchej masy drożdży o zawartości 60% białka ogółem.
Do grupy drobnoustrojów stosowanych w biosyntezie białka zaliczyć należy również glony. Opłacalna hodowla glonów wymaga taniego źródła węgla, zbiorników wodnych oraz dobrego naświetlenia (nasłonecznienia). Zadowalającą wydajność biosyntezy białka uzyskano w przypadku hodowli glonów Spirulina platensis na podłożu syntetycznym z jednoczesnym wykorzystaniem gazów kominowych jako źródła węgla w podłożu.
Za potencjalne źródło białka spożywczego i paszowego można uważać również grzybnię grzybów jadalnych. Przemysłowe i spożywcze znaczenie mają grzyby z klasy workowców (Ascomycetes), podstawczaków (Basidiomyces) oraz z klasy grzybów niedoskonałych (Deuteromycetes, Fungi imperfecti)
Hodowla jadalnej grzybni sposobem powierzchniowym i wgłębnym zarówno do celów spożywczych, jak i paszowych uważana jest obecnie za potencjalne źródło białka, witamin, enzymów, stymulatorów wzrostu roślin itp.
Ranga i przydatność grzybni jest tym bardziej wysoka, że cechuje ją bardzo szerokie spektrum enzymatyczne i dlatego może być wykorzystana do hodowli na wielu produktach odpadowych, które zawierają takie składniki, jak: skrobia, pektyny, celuloza, hemiceluloza oraz wiele innych związków organicznych.
Charakterystyka wartości biologicznej biomasy
Wszystkie źródła białka przeznaczonego do celów żywieniowych muszą spełniać następujące warunki: powinny być całkowicie bezpieczne - nietoksyczne i powinny mieć właściwą wartość odżywczą, tzn. zawierać oprócz białka również witaminy i składniki mineralne.
Białko bakterii, drożdży, pleśni, glonów i grzybów wyższych z uwagi na wartość biologiczną umieścić należy za białkiem zwierzęcym, a przed białkiem roślinnym.
W doświadczeniach żywieniowych wykazano, że biomasa jednokomórkowców charakteryzuje się na ogół niską strawnością. Przyczyną tego stanu jest budowa ściany komórkowej drobnoustrojów, w skład której wchodzą związki trudno strawne trawione przez enzymy pokarmowe zwierząt o prostej budowie żołądka ( w odróżnieniu od przeżuwaczy mających żołądki o złożonej budowie).
Podniesienie strawności białka masy komórkowej drobnoustrojów otrzymuje się w wyniku destrukcji ich ścian komórkowych.
Uzdatnienie biomasy drobnoustrojów przeznaczonej do spożycia głównie polega na usunięciu nadmiernych ilości kwasów nukleinowych, np. przez enzymatyczny ich rozkład. Czynnikiem ograniczającym wykorzystanie biomasy drobnoustrojów w produkcji żywności są również ich niekorzystne cechy smakowo-zapachowe, które również usuwa się metodami hydrolizy enzymatycznej.
Wartość biologiczna białka masy komórkowej mikroorganizmów:
drobnoustroje stosowane w biosyntezie białka metodą mikrobiologiczną równolegle syntetyzują znaczne ilości witamin,
u drożdży wyróżnia się tzw. zymokazeinę (frakcję białka), która zawiera szczególnie duże ilości lizyny (11,45%) - aminokwasu, który w większości produktów żywnościowych, przede wszystkim zbożowych, występuje w deficytowych ilościach, argininy (8,4%) oraz niektóre inne egzogenne aminokwasy w szczególnie dużych ilościach, np. leucyna - 3,2%, tyrozyna - 2,4% i tryptofan - 1,4%.
Wyszukiwarka