Białka w odżywkach - produkcja białek

BIAŁKA

Deficyt białka w świecie spowodował podjęcie badań nad możliwością jest syntezy przy użyciu drobnoustrojów. Do biosyntezy białka, w ilościach umożliwiających rozpoczęcie przemysłowej produkcji, zdolnych jest wiele bakterii, drożdży, grzybów nitkowatych, glonów.
Określenie SCP (ang. Single cell protein) było po raz pierwszy użyte przez uczonych w Massachusetts Instytute fo Technology w 1966 roku i początkowo dotyczyło biomasy drobnoustrojów zawierającej białka używane, jako dodatek do żywności i pasz. Obecnie określenie SCP dotyczy zarówno biomasy, jak i izolatów białek z komórek drobnoustrojów.
W ostatnich latach SCP produkuje się na skalę przemysłową, głównie, jako dodatek do paszy, albowiem koszt produkcji białka mikrobiologicznego, które można użyć, jako dodatek do żywności, jest wielokrotnie wyższy od kosztów produkcji białka paszowego. Biomasa mikroorganizmów nie może być użyta w żywieniu człowieka, ze względu na dużą zawartość kwasów nukleinowych (algi 4-6%, bakterie 10-16%, drożdże 6-10%, grzyby nitkowate 2,5-6%).
Wolne trawienie komórek drobnoustrojów przez organizm człowieka może wywoływać alergie, a także niestrawność.
Drobnoustroje używane do biosyntezy białka powinny odznaczać się m.in.:
- Zdolnością wszechstronnego i maksymalnego wykorzystania odżywczych składników (węglowodanów, związków azotowych, kwasów organicznych, alkoholi, aldehydów, substancji mineralnych);
- Odpowiednim składem chemicznym biomasy, odpowiadającym wysokoodżywczym produktom spożywczym i paszowym (wysoką zawartością białka, tłuszczu, węglowodanów i witamin, brakiem substancji antyżywieniowych, niską zawartością kwasów nukleinowych);
- Dobrze rozbudowanym kompleksem enzymów oddechowych, warunkujących szybki wzrost biomasy;
- Właściwościami syntetyzowania korzystnych i wymaganych w środkach odżywczych substancji o działaniu oligodynamicznym (witamin i specyficznych organicznych połączeń związków mineralnych);
- Odpornością na niekorzystne zmiany składu podłoża i warunków hodowli;
- Korzystnymi cechami technologicznymi, ułatwiającymi dalszą obróbkę technologiczną biomasy (wydzielanie, dezintegracja itp.);
- Brakiem zdolności syntezy substancji toksycznych;
- Brakiem zdolności adsorpcji substancji toksycznych lub rakotwórczych z pożywki.

Korzyści wynikające z zastosowania mikroorganizmów do syntezy białka są następujące:
- Mikroorganizmy w optymalnych warunkach wykazują bardzo szybki wzrost a niektóre z nich podwajają swoją masę co 0,5-1 h;
- Efektywność biosyntezy białka przez zwierzęta (bydło), rośliny (soja), i drobnoustroje (drożdże) wyraża się stosunkiem 1:81:100 000;
- Mikroorganizmy łatwiej podlegają modyfikacji genetycznej dla nadania ich białku cech wymaganych przez człowieka (np. szybkości wzrostu, poprawy składu aminokwasowego) aniżeli rośliny i zwierzęta;
- Mikroorganizmy zawierają dużą ilość białka odpowiedniej jakości;
- Mikroorganizmy można namnażać w sposób ciągły, co zapewnia dużą wydajność biosyntezy niezależnie od warunków klimatycznych;
- Mikroorganizmy mogą przetwarzać produkty uboczne, surowce odpadowe i ścieki;
- Przez zmianę składu pożywki i parametrów hodowli można zmieniać skład aminokwasowi białka.

Decyzja o podjęciu mikrobiologicznej produkcji białka powinna uwzględniać aspekty technologiczne, w tym toksykologiczne, ekonomiczne oraz społecznej akceptacji. W celu uzyskania możliwie największej ilości biomasy o pożądanym składzie białka, w możliwie najkrótszym czasie, prowadzi się ciągłą selekcję szczepów i ich mutagenizację. Duże znaczenie może tu mieć inżynieria genetyczna.
Poszczególne mikroorganizmy są zdolne do syntezy następujących ilości białek (w suchej masie substancji): bakterie 40 – 70%; drożdże 40 – 50%; grzyby 10 – 25%; glony 10 – 60%. Aby otrzymać preparaty białkowe SCP, otrzymaną biomasę drobnoustrojów poddaje się dezintegracji – w celu rozbicia ścian komórkowych – metodami hydrolizy chemicznej, enzymatycznej lub też metodami mechanicznymi. Metodą ekstrakcji białka wydziela się, rozpuszcza w alkaliach i wytrąca w punkcie izoelektrycznym. Zawartość kwasów nukleinowych w otrzymanym preparacie białkowym może być wielokrotnie niższa w porównaniu z biomasą drobnoustrojów.
Do produkcji SCP, jako głównego składnika pożywki, wykorzystuje się: n-alkany, metan, metanol, oleje roślinne, odpady i produkty uboczne przemysłu spożywczego. Dwa produkty przemysłu petrochemicznego były używane, jako substraty do produkcji SCP, czyli białka o zastosowaniu wszechstronnym – odżywki dla sportowców, dla dzieci itd. tj. olej napędowy zawierający alkany C15 – C30 oraz otrzymany z oleju napędowego alkany
C10 – C13 lub C13 – C17.
Wiele grzybów, np. Mucorales, Moniliales, a zwłaszcza drożdże Candida tropicalis, Candida oleophila, Saccharomyces lipolytica jest zdolnych do biosyntezy białka na wymienionych substratach. W procesie fermentacji dużym utrudnieniem jest mała rozpuszczalność alkanu i tworzenie dużych kropel, wymagających użycia emulgatorów.
W latach 1973 – 1975 firma Cap Lavera (Francja) produkowała SCP, prowadząc ciągłą hodowlę Candida tropicali, zużywając rocznie 16 000 ton oleju napędowego.
W Anglii przy użyciu Saccharmyces lipolytica na n-alkanach przez kilkanaście lat przez produkowano 4 000 ton SCP rocznie. Ciągłą hodowlę drożdży prowadzono w temp. 30 stopni Celsjusza przez 125 dni. Proces wymagał silnego napowietrzania (2,2 kg O2/kg biomasy), a jednocześnieodprowadzenia dużych ilości ciepła z fermentora. Biomasę zagęszczano metodą wirówkową (do 15%s.s), a następnie suszono metodą rozpryskową, otrzymując z 1 kg węglowodorów zawartych w pożywce 0,3 – 0,7 kg białka. Należy nadmienić, że otrzymana biomasa może być zanieczyszczona składnikami pożywki, które mogą być szkodliwe dla zdrowia. Ekstrakt tych składników znacznie podwyższa koszt produkcji.
Bakterie Bacillus, Pseudomonas, a zwłaszcza Methylomonas methanica, Methylomonas margaritae, Methylococcus capsulatus i inne, są zdolne do biosyntezy białka z wykorzystaniem metanu, będącego głównym składnikiem gazu ziemnego.
Słaba rozpuszczalność metanu w pożywce jest przyczyną pewnych trudności w procesie fermentacji. W czasie hodowli bakterii metan zostaje utleniony do metanolu. Jednocześnie enzymy bakterii mogą utleniać inne składniki pożywki, które nie są zużywane do wzrostu komórki, ale mogą hamować proces rozwoju bakterii. Dlatego też często stosuje się hodowle kultur mieszanych zawierających bakterie, które do wzrostu wykorzystują niektóre metabolity znajdujące się w pożywce.
Rozwijające się bakterie metanowe wymagają dużych ilości tlenu, a jednocześnie wydzielają dużą ilość ciepła. Optymalna proporcja metanu i tlenu w pożywce wynosi 1:7 (v/v), co stwarza niebezpieczeństwo wybuchu. Przyjmuje się, że na wyprodukowanie 1g biomasy przez bakterie zużywa się średnio 1,8g metanu i 4,7g tlenu. Przy użyciu, Pseudomonas methanica produkcja 1 tony biomasy (40 – 50% białka) wymaga 4 ton metanu i 4 ton powietrza. Natomiast wyprodukowanie 1,0 – 1,03 grama biomasy przy użyciu Methylococcus capsulatus wymaga 1 gram metanu.
Metanol jest jednym z najważniejszych substratów do przemysłowej produkcji białka przy użyciu drobnoustrojów. Wiele bakterii może wykorzystać metanol do syntezy białka (Methylomonas, Methylococcus, Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus), drożdży (Candida, Hansenula, Pichia, Torulopsis), grzybów (Trichoderma, Paecilomyces, Gliocladium).
Szybkość wzrostu niektórych drobnoustrojów na pożywce zawierającej metanol wynosi 0,38 – 0,50/h – dla Pseudomonas rosea, 0,53 – dla Methylomonas methanolica, 0,22 – dla Hansenula polymorpha i 0,11/h dla Torulopsis glabrata. Z 1 grama metanolu można otrzymać np.: 0,54 g s.s. komórek Pseudomonas; 0,53 g P. methyloprophus; 0,49 g Methylomonas methanol; 0,32 Candida boidini; 0,38 g Hansenula polymorpha.
Teoretycznie użycie drożdży do otrzymywania SCP jest korzystniejsze niż użycie bakterii, gdyż łatwiej je wydzielić z pożywki, ich komórki są większe niż komórki bakterii, zawartość kwasów nukleinowych jest mniejsza, a ponadto z psychologicznego punku widzenia ludzie łatwiej akceptują białko drożdży, jako żywność. Niemniej jednak do produkcji SCP na skalę przemysłową używa się bakterii ze względu na ich szybki wzrost, wysoką zawartość białka w komórce, duży wydatek i mniejsze niż drożdże wymagania pokarmowe.
Imperial Chmical Industries (Anglia) pierwszy rozpoczął przemysłową produkcję SCP metodą fermentacji ciągłej Pseudomonas methylotrophus. Kosztem 40mln. Funtów w roku 1979 uruchomiono produkcję SCP, używając fermentora o pojemności 1000 m3.
Roczna produkcja białka wynosi 50 – 70 tysięcy ton. W Niemczech do otrzymywania SCP firma Hoechst używa mutanta Pseudomonas methylotrophus uzyskanego metodą inżynierii genetycznej. Ciągłą hodowlę ww. bakterii w temperaturze 38 – 40 stopni Celsjusza prowadzi się na syntetycznej pożywce o pH 6,8.
W czasie hodowli pH jest utrzymywane na stałym poziomie dzięki użyciu NH4. Stężenie metanolu w pożywce wynosi 0,005%, a współczynnik rozcieńczania pożywki wynosi 0,3 na h. Wydajność biomasy wynosi 3 – 5 g/(dm3 x h).
Tłuszcze pochodzenia roślinnego, takie jak: olej palmowy, słonecznikowy, rzepakowy, sojowy, mogą być wykorzystane przez drożdże Candida, Rhodotorula, Torulopsis, Yarrowia, Trichosporon do produkcji białka. Prowadząc hodowlę Y. Lipolytica ATCC 8661 w temperaturze 30 stopni Celsjusza przez 12 – 18 h na pożywce o pH 3,5 zawierającej 20 g / dm3 surowego oleju rzepakowego, otrzymano około 20 g s.s. / dm3. Znaczny wzrost wydajności i szybkości produkcji biomasy osiągnięto, dodając tłuszcz w trzech 1 procentowych porcjach, co 4 h hodowli.
Możliwość prowadzenia hodowli w środowisku o niskim pH eliminuje możliwość zakażenia hodowli. Jednocześnie należy podkreślić, że szczep Y. Lipolytica należy do grupy mikroorganizmów bezpiecznych. Zainteresowanie badaczy otrzymywania biomasy z użyciem, jako substratu tłuszczów roślinnych wynika z faktu, że uzyskana biomasa zawiera dużo tłuszczu w komórce – do 33%, w którym ponad 90% stanowią kwasy nienasycone. Biomasa drożdży Y. Lipolytica charakteryzuje się dużą wartością biologiczną i energetyczną. O wartości białka mikrobiologicznego decyduje jego skład aminokwasowi. Skład aminokwasowi SCP zależy od doboru szczepów i pożywki do ich hodowli. Przez zmianę parametrów hodowli lub mutację drobnoustroju można wpływać na skład aminokwasowy białka.

Białko drożdży charakteryzuje się niedoborem aminokwasów siarkowych, natomiast zawartość lizyny jest bardzo wysoka, i dlatego białko drożdży może stanowić uzupełnienie białek roślinnych.
Poprzez dodatek aminokwasów egzogennych lub przez zwiększenie strawności białka można zwiększyć wartość biologiczną preparatów białek SCP. Wartość biologiczna białka mikroorganizmów, wyrażona wskaźnikiem NPU (stosunek ilości azotu zatrzymanego do ilości azotu spożytego) wynosi 27,0 – 50,3, a więc jest pośrednia między wartością biologiczną białek roślinnych (16 - 35) i zwierzęcych (75 - 78).Okazuje się że próby wyjaśniania o pochodzeniu białek i ich produkcja z „naturalnych i coraz lepszych metod” – ogranicza się tylko do ich motywów szybkości transportu i produkcji na skalę światowego zastosowania. Błędnym myśleniem, że nowa technologia daje dużo wartościowego białka. Technologia posuwa się do przodu na tyle, aby można było jak najszybciej wyprodukować białka i ich izolaty przy pomocy olejów napędowych i przemysłu zajmującym się gazem ziemnym. Kupując produkt o zawartości określonej ilości białka kupujący ma na myśli – dobro i zdrowie. Natomiast producenci interpretują to znacznie bardziej na własną korzyść.