Переработка денуклеинизированной микробной биомассы с получением продуктов белковой природы

Полученная на предыдущих этапах обезжиренная или денуклеинизированная биомасса клеток промышленных микроорганизмов (биошрот) вполне может быть переработана в продукты белко­вой природы.

Такого рода белковые продукты обладают рядом функциональных свойств и являются дос­тупным источником белка в организме человека и животных. Целесообразность предлагаемой пе­реработки микробиологического сырья продиктована общим дефицитом белка в питании растуще­го населения нашей планеты и сокращением доли посевных площадей.

Следовательно, потребность в белках для организма человека достаточно высока в связи с боль­

шой скоростью их метаболизма в тканях. Она оценивается нормой порядка 240 г белка в день. Фак­тическая потребность в пищевом белке обусловливается доступностью незаменимых и заменимых аминокислот, которые требуются для поддержания нормального пищевого статуса взрослого чело­века, беременных женщин, спортсменов, людей с заболеваниями различной природы, а также для нормального роста и развития детей различного возраста. При недостатке полноценного белка в пище организм переходит в состояние катаболизма, используя свои собственные белки в качестве источника азота. Чтобы избежать этого явления, необходимо своевременное обеспечение организ­ма белками или незаменимыми и заменимыми аминокис лотами.

Практическое значение имеют не нативные белки, а денатурированные, лучше усваивающиеся организмом человека

В настоящее время оформилась определенная концепция использования белковых гидролиза­тов в пищевой и других отраслях промышленности в зависимости от степени гидролиза белковых веществ, которая определяется как отношение аминного азота к общему. Данная концепция сви­детельствует о трех основных направлениях получения и очистки белковых гидролизатов:

1) гипоаллергенные белковые изоляты со степенью гидролиза 5—7 %;

2) белковые гидролизаты со средней степенью гидролиза белка 10—30 %;

3) белковые гидролизаты с высокой степенью гидролиза белка (свыше 50 %), используемые в качестве пищевых добавок и компонентов искусственных соков и напитков.

Помимо перечисленных выше направлений, в зависимости от степени очистки белковые гидро­лизаты со средней и высокой степенью гидролиза нашли широкое применение в косметологии для получения различных шампуней, лаков для волос и других косметических средств, в комбикормо­вой и в микробиологической промышленности для создания многочисленных питательных и диаг­ностических сред.

С точки зрения биологической ценности клетки промышленных микроорганизмов характери­зуются высоким содержанием лизина (3,7 %), лейцина (3,6 %), изолейцина (2,9 %), аспарагино­вой и глутаминовой кислот (в сумме 11 %), а по содержанию незаменимых аминокислот мик­робный белок может быть приравнен к белку куриного яйца. Однако типичным для него является невысокое содержание серосодержащих аминокислот — метионина и цистеина, что требует обога­щения белковых продуктов этими аминокислотами. В качестве источника цистеина для обогаще­ния микробного белка можно рассматривать гидролизаты кератинсодержащего сырья.

Рассмотрим основные способы получения белковых гидролизатов.

Исторически первым способом получения продуктов белковой природы был автолиз, т.е. разру­шение клеток дрожжей под действием собственных гидролитических ферментов.

Автолиз биомассы обычно проводят при температуре 48-50 °С в течение 24 ч в присутствии ин­дукторов автолиза, например толуола, этилового спирта

Наибольшее практическое применение нашел получаемый на основе дрожжевого автолизата препарат церевизамин. Было установлено, что по своей биологической активности он не уступает полиамину — препарату, полученному на основе кристаллических аминокислот, и может быть ис­пользован для различных видов лечебного питания, включая и парентеральное.

Однако автолиз дрожжевой биомассы, во-первых, может быть проведен только с живыми, фи­зиологически активными клетками, а, во-вторых, он сопровождается извлечением в автолизат продуктов гидролиза других биополимеров клетки, что существенно усложняет процесс получе­ния очищенных смесей аминокислот и низших пептидов.

Выше мы коротко сообщили о существовании технологии получения белковых гидролизатов, основанной на гидролизе внутриклеточных компонентов под действием собственных ферментов микроорганизмов. Первоначально такие технологии предусматривают глубокий гидролиз практи­чески всех природных биополимеров. Последние деструктируют с преимущественным образовани­ем низкомолекулярных продуктов и продуктов конденсации в виде пигментов по реакции Майяра. Технологический процесс преследовал цель получения высокоочищенного препарата смеси амино­кислот для парентерального питания.

Традиционный режим такого автолиза предусматривает глубокий гидролиз белковых веществ при температуре 50—60 °С в течение 48 ч, при значении pH, близком к нейтральному, с использова­нием в качестве мембранотропного агента толуола (1,5—2,0 % от массы дрожжей). Образующаяся гетерогенная смесь гидролизованных биополимеров представляет собой окрашенную в темно-ко­ричневый цвет суспензию, из которой с большим трудом удается отделить твердую фазу, а полу­ченный супернатант подвергается глубокой очистке от пигментов и продуктов деструкции биопо-

химический гидролиз предпочтителен, если целью производства являются высокомолекулярные белковые соединения.

Теоретически с помощью химического гидролиза можно получать фрагменты интактных бел­ков практически любой молекулярной массы вплоть до свободных аминокислот. Однако ему при­сущи свои недостатки:

1) в качестве химических агентов чаще всего используют минеральные кислоты (соляную, серную, ортофосфорную), что сопряжено с коррозией основного оборудования; с точки зрения последней проще было бы использовать минеральные щелочи. Однако их примене­ние приводит к образованию токсичных и малоактивных энантиомеров (D-форм) в соста­ве белковых молекул и деструкции ряда важных аминокислот;

2) в любом случае независимо от вида гидролизующего агента триптофан практически пол­ностью разрушается;

3) если при ферментативном гидролизе норма расхода титрующего агента (гидроксида нат­рия или аммония) невысока, то при кислотном гидролизе расходы минеральной кислоты и гидроксидов на ее нейтрализацию значительны; этот фактор заставляет предприятия либо увеличивать капитальные затраты на строительство больших по объему очистных сооружений, либо решать задачу возврата минеральной кислоты в основное производство.

Для применения в составе пищевых продуктов и продукции для медицины разрешено исполь­зовать выращенные на мелассе дрожжи видов Saccharomyces serevisiae, Candida lipolitica на этано­ле и некоторые виды метанолокисляющих бактерий. В товарном продукте должно содержаться не менее 80 % белковых веществ, 1-2 % компонентов нуклеиновых кислот, 1 % природных ЛИПИДО- и до 5 % углеводов и микроколичества солей тяжелых и токсичных металлов. При этом предусмот - рено, что в чистом виде белковые соединения в пищу непосредственно не используют, а только при меняют в виде добавок для ликвидации дисбаланса по белку.

Кислотный гидролиз сохраняет свое значение в технологии многотоннажного производства бел ковых веществ, где его недостатки удается свести к минимуму. Фактически его используют толькс при получении белковых изолятов, где роль гидролизующего агента практически сводится к выделе нию из клетки микробных белков, т.е. к их экстракции. При этом степень деструкции связей интак­тных белков не превышает 5—15 %, что достигается обработкой микробной биомассы разбавленным! растворами соляной или ортофосфорной кислоты (pH 1,5-1,7) при температуре 140-160 °С в течение 1—5 мин. Для повышения качества получаемых кислотных экстрактов желательно, чтобы из клето. промышленных микроорганизмов на предварительных стадиях были удалены липиды и в обязатель ном порядке нуклеиновые кислоты. Это упрощает последующую переработку белковых экстрактов.

Рассмотрим технологию получения такого рода продукции.