Цикл лекций по биотехнологии. Лекция 3. Нетрадиционные источники белка

Леонтьева Ирина

Цикл лекций по биотехнологии.

Лекция 3. Нетрадиционные источники белка

Сегодняшняя лекция продолжает цикл лекций об источниках белка. Посвящена она нетрадиционным источникам белка.

1 Насекомые как источник белка

До сих пор в Европе и в большей части западного мира насекомые сознательно не употребляются в пищу (хотя уже делают попытки привить новый выбор). Единственным случаем регулярного применения насекомых в пищевой промышленности является использование кармина, полученного из кошенили (Dactylopiuscoccus), в качестве красителя.

В 1885 г. Vincent M. Holt опубликовал брошюру, в которой задался вопросом «Почему не едят насекомых?». 125 лет спустя FAO опубликовала доклад о потенциале и возможности употребления лесных насекомых в пищу. 1836 видов насекомых употребляются в пищу на всех стадиях развития [1]. В таблице 1 представлены примеры использования насекомых в пищу [2].

Таблица 1 ― Съедобные насекомые

Окончание таблицы 1

Насекомые, пригодные для потребления человеком: кузнечики, гусеницы, термиты и водяные насекомых, которые считаются безопасными. Однако многие считают неестественным поедание насекомых, воспринимают со скептицизмом или отвращением. Тем не менее, насекомые, которых часто называют миниживотными, действительно обладают огромным потенциалом для использования в качестве возможного источника белка.

Насекомые являются хладнокровными организмами и поэтому тратят гораздо меньшее количество пищевой энергии и питательных веществ, чем теплокровные животные, и, следовательно, у них вырабатывается большее количества белка на килограмм потребляемой фитомассы, чем у обычного домашнего скота. Насекомые обладают гораздо более высокой плодовитостью и значительно более быстрыми темпами роста по сравнению с обычными домашними животными. Насекомые обладают высоким содержанием белка (40–75 г на 100 г сухой массы), который очень хорошо усваивается (77–98%) Все это побудило задуматься об использовании насекомых в качестве пищи для человека в космических путешествиях [1].

Несмотря на все преимущества насекомых в качестве источника белка, существует лишь очень небольшое количество сведений о возможности сельскохозяйственного разведения насекомых, технологических свойствах их белков, возможности создания продуктов питания на основе белков насекомых, а также о привлечении внимания потребителей к таким продуктам.

Испытания, которые проводились с выращиванием личинок мучного хрущака (Tenebriomolitor) и домовых сверчков (Achetadomesticus) не дали определенных результатов. Хотя исследования насекомых в качестве источника белка показали, что короткое нагревание, а также сушка/подкисление оказались перспективными способами обработки, демонстрируя, что традиционные методы могут быть применены и к белкам насекомых [1].

Представляет интерес патент № 2281656 (RU). Изобретение относится к биотехнологии, касается получения белка из биомассы насекомых мухи, может быть использовано в пищевой и комбикормовой промышленности. На момент изобретения уже известен способ получения белковой пищевой добавки из животного сырья (измельченных замороженных органов и тканей млекопитающих), экстрагированием в щелочном растворе, удалением балластных веществ, подкислением экстракта, промывкой осадка и высушиванием, но его недостаток состоит в том, что не обеспечивается получение высокобелкового продукта (содержание протеина в сухом продукте не более 26%). Наиболее близким по совокупности существенных признаков к достигаемому результату является другой способ ― получения белкового препарата из растительного сырья, включающий экстракцию сырья, отделение экстракта и выделение из него белка путем подкисления и центрифугирования, но и он имеет ряд недостатков: невысокое содержание белка в исходном сырье, в отрубях содержится 16,8÷17,0% белка;  присутствие в отрубях полиуглеводов требует их предварительного осаждения подкислением экстракта с последующим отделением осадка, что влечет потерю части белковых компонентов; лимитированность растительного белка рядом незаменимых аминокислот; продолжительность и низкая эффективность процесса получения белка; сезонность поступления растительного сырья [3].

Сущностью рассматриваемого изобретения является способ получения белка, на основе нового типа высокобелкового сырья ― личинок насекомых и совокупности приемов извлечения белка, увеличение качества, выхода и удешевление целевого продукта. Технический результат: предложено новое высокобелковое сырье, использование которого позволяет достичь сверх суммарного результата по содержанию белка и аминокислот в целевом препарате пищевого и кормового назначения; достигнута рациональная переработка вторичного продукта утилизации отходов пищевых производств и сельского хозяйства ― личинок насекомых, а также сточных вод молочного производства ― молочной сыворотки. Технический результат достигается тем, что в способе по экстракции растительного сырья, отделения экстракта и осаждения из него белка соляной кислотой, согласно изобретению в качестве исходного сырья используют биомассу личинок насекомых (а не сою), экстракцию белка из гомогенизированной биомассы проводят 0,01–0,5 % ― раствором щелочи, при соотношении 1:3–1:11, температуре 20–100 °С и постоянном перемешивании в течение 10–60 мин. Экстракт отделяют от нерастворимых частиц суспензии. Белок выделяют добавлением раствора кислоты или использованием в качестве осаждающего агента 8–10% молочной сыворотки с кислотностью 200–300 °Т до достижения рН 4,0–6,0, осевший белок отделяют и высушивают. Биомасса личинок насекомых отличается тем, что при экстракции белка на воздухе при комнатной температуре биомасса быстро темнеет, белок приобретает темный цвет. Отличительной особенностью нового способа являются условия экстракции белка из сырья: проведение процесса извлечения белка при повышенной температуре (до 100 °С). Такой режим повышает органолептические характеристики конечного продукта и степень экстракции белковых компонентов. Оптимальная совокупность предлагаемых физических и химических методов получения белка из биомассы насекомых позволяет достичь максимального, по степени извлечения, содержанию и качеству белка результата. В сухом белковом препарате, полученном по предлагаемому способу, содержится 78–96% протеина [3].

Также представляет интерес патент № 2283000 (RU), изобретение относится к биотехнологии и касается получения белка из биомассы красного калифорнийского червя и может быть использовано в кормовой, пищевой промышленности и медицине. На момент изобретения уже известен способ получения белка из красного калифорнийского червя, включающий очистку кишечника червей путем обработки в течение 24 час яблочным соком, измельчение и экстракцию белка путем добавления щелочи и осаждение белка из экстракта подкислением HCl, последующем высушивании продукта, имеющий ряд недостатков: стадия предварительной длительной, в течение 24 час, очистки кишечника червей усложняет способ получения белка, влечет за дополнительные трудовые и материальные затраты; использование для очистки кишечника червей пищевого яблочного сока повышает стоимость конечного продукта. Наиболее близким по совокупности существенных признаков к достигаемому результату является способ получения белкового препарата из растительного сырья, включающий экстракцию сырья, отделение экстракта и выделение из него белка путем подкисления и последующего центрифугирования, но он также имеет недостатки: невысокое содержание белка в исходном сырье, в отрубях содержится 16,8–17,0% белка, что снижает экономичность процесса получения протеина; предварительное удаление углеводных компонентов отрубей ведет к потере части белка; лимитированность растительного белка такими незаменимыми аминокислотами, как метионин и цистин; сезонность поступления растительного сырья [4].

Сущностью изобретения (патент № 2283000) является способ получения белка на основе нового сырьевого материала – биомассы красного калифорнийского червя, интенсификация процесса получения белка, увеличение выхода и биологической ценности белка, удешевление целевого продукта. В обезжиренную массу калифорнийского красного червя гомогенизируют до однородной консистенции, смешивают с 0,01–0,5%–ным раствором щелочи в массовом соотношении 1:3–1:11, белок экстрагируют при 40–100 °С и постоянном перемешивании в течение 10–60 мин, нерастворившиеся компоненты удаляют, белок осаждают в изоэлектрической точке любым известным осаждающим агентом. Осевший белок отделяют и высушивают. В препарате, полученном по разработанному способу, содержится до 78,0–93,0% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка составляет 46,55–48,6%. Способ получения белка позволяет достичь нового максимального результата по выходу и качеству целевого продукта за счет совокупности параметров процесса получения белка, примененных к новому высокобелковому источнику сырья ― биомассе дождевых червей [4]. Однако требуются дальнейшие исследования, учет культурных предпочтений, органолептических аспектов и аллергенного потенциала, который присутствует при внедрении новых источников белка в рацион человека.

2 Микроорганизмы как источник белка

Микроорганизмы, пригодные для производства белка, можно разделить на четыре категории: бактерии, дрожжи, грибы и водоросли. Желательными характеристиками при этом являются быстрый рост, способность развиваться на простых средах и высокая урожайность.

Гидроколлоиды, получаемые из морских водорослей, такие как каррагинан и альгинат, уже широко используются в мясной промышленности для улучшения кулинарного выхода и увеличения ценности малоиспользуемых мышц. В последних публикациях возможность использования белков из водорослей обсуждается не только в качестве нового источника для корма животных, но и в качестве нового источника белка в рационе человека. Schwenzfeier и др. продемонстрировали потенциал водорослей рода Tetraselmis по сравнению с растительными белками. Кроме водорослей Tetraselmis в качестве питания для человека обсуждаются лишь несколько других типов водорослей, таких как Spirulina (Arthrospira), Chlorella, Dunaliella и (в меньшей степени и лишь на региональном уровне) Nostoc и Aphanizomenon [1]. С увеличением знаний об экстракции белков из микроводорослей, а также об использовании побочных продуктов в качестве богатого белком сырья микроводоросли могут стать важным источником белка.

Дрожжи использовались в качестве источника белка во время мировых войн, а систематические исследования начались в начале 1970-х гг. на фоне дефицита животного белка, но были приостановлены по техническим и экономическим причинам. Сегодня дрожжи и дрожжевые экстракты используются в качестве приправ в мясной промышленности и при производстве полуфабрикатов. Помимо этого различные дрожжи рассматриваются как новый источник белка, и большая часть знаний по производству микробного белка связана именно с дрожжами. В основном используются пивные и пекарские дрожжи (Saccharomycescerevisiae и Saccharomycescarlsbergensis), а также дрожжи родов Torulaи Candida [1]. Дрожжи содержат низкое количество серосодержащих аминокислот и имеют более широкое признание среди потребителей в качестве источника белка.

Бактерии демонстрируют очень высокие темпы роста по сравнению с водорослями и грибами, поэтому они представляют особый интерес в качестве источника микробного белка. Наряду с очень маленьким размером клетки бактерии обладают высоким содержанием нуклеиновых кислот, что делает их непригодными для питания человека. Широкий спектр бактерий рассматривается в качестве сырья для производства белка. В основном коммерчески применяются бактерии, использующие метанол.

Условно микробные производства можно разделить на три типа:

― основанные на использовании живой или инактивированной биомассы микроорганизмов (производство пекарских, винных и кормовых дрожжей, вакцин, белково-витаминных концентратов, средств защиты растений, заквасок для получения кисломолочных продуктов и для непищевых целей);

― производящие продукты микробного биосинтеза, к числу которых относятся антибиотики, гормоны, ферменты, аминокислоты, витамины;

― основанные на получении продуктов брожения, гниения, (утилизация целлюлозы и различных отходов с целью получения углеводов, биогаза, биоэтанола). К ним же относятся получение спиртов, органических кислот, растворителей, а также биотехнология утилизации неприродных соединений [5].

Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоят в его высоком содержании в биомассе и высокой скорости роста микроорганизмов. Микроорганизмы в 10–100 тысяч раз быстрее синтезируют белок, чем животные. Для получения белка одноклеточных микроорганизмов используют различные субстраты: парафины нефти, метан, водород, метанол, этанол, уксусную кислоту, углекислый газ, молочную сыворотку, мелассу, крахмал и целлюлозосодержащие отходы промышленности и сельского хозяйства. Для промышленного использования перспективными являются термофильные микроорганизмы, растущие при высоких температурах (до +50 °С). Благодаря некоторым бактериям микробиологическим способом производится ряд незаменимых аминокислот (глютаминовая кислота, лизин и др.), основная часть которых идет в пищевую промышленность и в животноводство. На основе аминокислот готовят искусственные подсластители (подсластитель метиловый эфир L-аспартил- L-фенилаланин в 150 раз слаще, чем глюкоза) [5].

Использование грибов в пищу не является новой концепцией, так как съедобные грибы являются частью рациона человека уже более 30000 лет и в настоящее время считаются деликатесом, но кроме съедобных грибов для производства аналогов мяса используются микопротеины из мицелиальных  грибов Fusariumvenenatumare. Продукт присутствует на рынке в 11 странах под торговой маркой Quorn®. Для придания продукту требуемой формы и размеров используются различные технологи и обработки. Микопротеины являются качественным образцом белка и демонстрируют пользу для здоровья, так как снижают уровень холестерина и улучшают работу сердца [1]. Однако известны и побочные реакции, а детальный механизм их не известен.

3 In-vitro мясо как источник белка

Концепция in-vitro мяса не нова: Уинстон Черчилль ввел понятие выращивания мяса в книге «Мысли и приключения» со словами: «...Пятьдесят лет спустя мы должны избежать абсурда выращивания целой курицы для того, чтобы съесть грудку или крылышко, а выращивать эти части отдельно в подходящей среде...» [1].

Результаты медицинских исследований в области выделения и идентификации стволовых клеток, ex vivo клеточные культуры и тканевая инженерия теоретически позволяют создать мясо в чашке Петри.

В качестве питательного вещества и источника энергии для роста мышечных клеток используют гидролизат цианобактерий. Результаты показали: производство культивируемого мяса обладало на 80–95% меньшим выбросом парниковых газов и на 98% меньшим землепользованием по сравнению с обычным производством мясных продуктов. Общее воздействие в процессе производства культивируемого мяса было также существенно ниже по сравнению с мясом, производимым традиционным способом.

Одним из перспективных направлений получения мяса in vitro является получение животного полноценного белка на основе выращивания мышечной ткани  in vitro из стволовых клеток сельскохозяйственных животных. Так, в России проводят фундаментальные исследования по созданию технологии получения мяса in vitro. Методами клеточной инженерии путем направленной миодифференцировки мультипотентных мезенхимных стволовых клеток in vitro получена клеточная биомасса, сходная по биологической ценности с мышечной тканью крупного рогатого скота [6, с. 22].

По сравнению с традиционной мясной индустрией такой способ производства культурального мяса имеет ряд преимуществ: состав такого мяса в процессе получения поддается строгому контролю; снижается до минимума риск заболеваний, связанных с употреблением пищи; отпадает необходимость в широкомасштабном воспроизводстве животных; способ получения мяса in vitro является гуманным, поскольку отбор стволовых клеток не требует осуществления убоя животных; способ не включает генных модификаций [6, с. 23].  Основной недостаток способа ― дороговизна полученного белкового продукта.

С ростом численности населения и потребности в белке в мясные продукты необходимо вводить новые источники белка. Альтернативные белки необходимо разработать и внедрить уже к 2050 г., чтобы обеспечить потребности 9 миллиардов человек. Для реализации полного потенциала альтернативных источников белка в качестве замены мяса в мясных продуктах необходимы дальнейшие исследования. Однако при использовании новых белков следует быть готовыми к преодолению новых проблем, таких как еще неизвестные аллергии и обеспечение безопасности пищевых продуктов.

Выводы

Как правило, в рационе белка не хватает. Случаи избытка белка в организме редки.

Источники традиционной пищи не покрывают потребности в белке, поэтому одной из проблем человечества является восполнение дефицита белка для человека и животных за счет новых, нетрадиционных, источников белка. Это обусловило развитие микробиологической науки в поиске и использовании продуцентов белка микроорганизмов.

К нетрадиционным источникам белка следует отнести насекомых, микроорганизмы и искусственно выращенное мясо (in-vitro мясо).

Насекомые, которых часто называют миниживотными, обладают огромным потенциалом для использования в качестве возможного источника белка, опыт их использования в пищу уже имеется, но не распространен.

Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоят в его высоком содержании в биомассе и высокой скорости роста микроорганизмов. Микроорганизмы в 10–100 тысяч раз быстрее синтезируют белок, чем животные. Источником получения пищевого белка является биомасса различных микроорганизмов (бактерий, дрожжей, грибов, водорослей). Кроме высокого содержания белка микробная биомасса содержит также жиры, нуклеиновые кислоты, витамины и минеральные компоненты.

Способ производства культурального мяса имеет ряд преимуществ: его состав в процессе получения поддается строгому контролю; снижается до минимума риск заболеваний, связанных с употреблением пищи; отпадает необходимость в широкомасштабном воспроизводстве животных. Однако себестоимость такого белкового продукта высока.

Литература

1. Байнович, Б. Альтернативы мясному белку ― обзор / Б. Байнович, У. Биндрич, А. Мэтис, Ф. Хайнц // Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти Василия Матвеевича Горбатова. ― 2012. ― № 1. ― С. 46–58.

2. Колесник, И.И. Развитие энтомоиндустрии в Кемеровской области / Форум молодых ученых. № 5(9) [Электронный ресурс] / И.И. Колесник. – Режим доступа: http://forum-nauka.ru/domains_data/files/9/Kolesnik_I.I.pdf (дата обращения: 20.12.2019).

3. Патент 2281656, Российская Федерация,  A23J3/04. Способ получения белка / Б.Б. Кузнецов (RU), А.В. Аксенов (RU), А.Л. Козинцев (RU), Р.В. Уланова (RU); заявитель и патентообладатель Центр «Биоинженерия» РАН. ― Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/228/2281656.html (дата обращения: 20.12.2019).

4. Патент 2283000, Российская Федерация,  A23J3/04. Способ получения белка / Б.Б. Кузнецов (RU), А.В. Аксенов (RU), А.Л. Козинцев (RU), Р.В. Уланова (RU); заявитель и патентообладатель Центр «Биоинженерия» РАН. ― Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/228/2283000.html (дата обращения: 20.12.2019).

5. Получение белка в микробном производстве [Электронный ресурс]. ― Режим доступа: http://proiz-teh.ru/bl-poluchenie-belka.html (дата обращения: 20.12.2019).

6. Рогов, И.А. Мясо in vitro как перспективный источник полноценного белка / И.А. Рогов, А.Б. Лисицын, К.Г. Таранова, И.М. Волкова // Все о мясе. ― 2013. ― № 4. ― С. 22–25.

Скачано с www.znanio.ru