Получение дрожжевого белка. Получение пищевого белка. Приготовление брожением соевого соуса

Аминокислотами называются карбоновые кислоты, в углеводородном радикале которых один или несколько атомов водорода замещены аминогруппами. В зависимости от взаимного расположения карбоксильной и аминогрупп различают a -, b -, g - и т.д. аминокислоты. Например ,

Чаще всего термин "аминокислота" применяют для обозначения карбоновых кислот, аминогруппа которых находится в a - положении, т.е. для a - аминокислот. Общую формулу a - аминокислот можно представить следующим образом :

В зависимости от природы радикала ( R ) – аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические.

В таблице представлены важнейшие - аминокислоты, входящие в состав белков.

Таблица. Важнейшие a - аминокислоты

*Незаменимые a - аминокислоты

Изомерия

Наряду с изомерией, обусловленной строением углеродного скелета и положением функциональных групп, для a - аминокислот характерна оптическая (зеркальная) изомерия. Все a - аминокислоты, кроме глицина, оптически активны. Например , аланин имеет один асимметрический атом углерода (отмечен звездочкой),

а значит, существует в виде оптически активных энантиомеров:

L - аланин

Все природные a - аминокислоты относятся к L – ряду.

Получение

1)Важнейший источник аминокислот – природные белки, при гидролизе которых образуются смеси a - аминокислот. Разделение этой смеси – довольно сложная задача, однако по обыкновению одна или две аминокислоты образуются в значительно больших количествах, чем все другие, и их удается выделить достаточно просто.

2)Синтез аминокислот из галогенозамещенных кислот действием аммиака

3)Микробиологический синтез. Известны микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности продуцируют a - аминокислоты белков.

Физические свойства

Аминокислоты представляют собой кристаллические вещества с высокими (выше 250° С) температурами плавления, которые мало отличаются у индивидуальных аминокислот и поэтому нехарактерны. Плавление сопровождается разложением вещества. Аминокислоты хорошо растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях, чем они похожи на неорганические соединения. Многие аминокислоты обладают сладким вкусом.

Химические свойства

1)Некоторые свойства аминокислот, в частности высокая температура плавления, объясняется своеобразным их строением. Кислотная (– COOH ) и основная (– NH 2 ) группы в молекуле аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя внутренние соли (биполярные ионы). Например , для глицина

2)Вследствие наличия в молекулах аминокислот функциональных групп кислотного и основного характера a - аминокислоты являются амфотерными соединениями, т.е. они образуют соли как с кислотами, так и со щелочами.

3)В реакции со спиртами образуются сложные эфиры.

Этиловый эфир аланина

4)a - Аминокислоты можно ацилировать, в частности, ацетилировать, действуя уксусным ангидридом или хлористым ацетилом. В результате образуются N - ацильные производные a - аминокислот (символ " N " означает, что ацил связан с атомом азота).

N – ацетил аланин

5)a - Аминокислоты вступают друг с другом в реакцию поликонденсации, приводя к амидам кислот. Продукты такой конденсации называются пептидами. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид:

При конденсации трех аминокислот образуется трипептид и т.д.

Пептиды. Белки

Пептиды и белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков a - аминокислот, соединенных между собой пептидными связями.

Ни один из известных нам живых организмов не обходится без белков. Белки служат питательными веществами, они регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов – катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д. Как видно, функции белков в природе универсальны. Белки входят в состав мозга, внутренних органов, костей, кожи, волосяного покрова и т.д. Основным источником a - аминокислот для живого организма служат пищевые белки, которые в результате ферментативного гидролиза в желудочно-кишечном тракте дают a - аминокислоты. Многие a - аминокислоты синтезируются в организме, а некоторыенеобходимые для синтеза белков a - аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин, треонин, метионин, триптофан и др. (см.таблицу). При некоторых заболеваниях человека перечень незаменимых аминокислот расширяется.

Пептиды и белки различают в зависимости от величины молекулярной массы. Условно считают, что пептиды содержат в молекуле до 100 (соответствует молекулярной массе до 10000), а белки - свыше 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10000 до нескольких миллионов). При этом в пептидах различают олигопептиды, содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, содержащие до 100 аминокислотных остатков.

Конструкция полипептидной цепи одинакова для всего многообразия пептидов и белков. Эта цепь имеет неразветвленное строение и состоит из чередующихся метиновых (CH ) и пептидных (CONH ) групп. Различия такой цепи заключаются в боковых радикалах, связанных с метиновой группой, и характеризующих ту или иную аминокислоту. Один конец цепи со свободной аминогруппой называется N – концом, другой, на котором находится аминокислота со свободной карбоксильной группой, называется C – концом. Пептидные и белковые цепи записываются с N – конца. Иногда пользуются специальными обозначениями: на N – конце пишется NH – группа или только атом водорода – H , а на C – конце - либо карбоксильная COOH – группа, либо только гидроксильная OH – группа.

Для полипептидов и белков характерны четыре уровня пространственной организации, которые принято называть первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами.

Первичная структура белка - специфическая аминокислотная последовательность, т.е. порядок чередования a - аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Вторичная структура белка - конформация полипептидной цепи, т.е. способ скручивания цепи в пространстве за счет водородных связей между группами NH и CO . Одна из моделей вторичной структуры – a - спираль.

Третичная структура белка - трехмерная конфигурация закрученной спирали в пространстве, образованная за счет дисульфидных мостиков – S – S – между цистеиновыми остатками и ионных взаимодействий.

Четвертичная структура белка - структура, образующаяся за счет взаимодействия между разными полипептидными цепями. Четвертичная структура характерна лишь для некоторых белков, например гемоглобина.

Химические свойства

1)Денатурация. Утрата белком природной (нативной) конформации, сопровождающаяся обычно потерей его биологической функции, называется денатурацией . С точки зрения структуры белка – это разрушение вторичной и третичной структур белка, обусловленное воздействием кислот, щелочей, нагревания, радиации и т.д. Первичная структура белка при денатурации сохраняется. Денатурация может быть обратимой (так называемая, ренатурация) и необратимой. Пример необратимой денатурации при тепловом воздействии – свертывание яичного альбумина при варке яиц.

2)Гидролиз белков – разрушение первичной структуры белка под действием кислот, щелочей или ферментов, приводящее к образованию a - аминокислот, из которых он был составлен.

3)Качественные реакции на белки:

a)Биуретовая реакция – фиолетовое окрашивание при действии солей меди (II ) в щелочном растворе. Такую реакцию дают все соединения, содержащие пептидную связь.

b)Ксантопротеиновая реакция – появление желтого окрашивания при действии концентрированной азотной кислоты на белки, содержащие остатки ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина).

КОНЕЦ РАЗДЕЛА

высаливание : осаждение солями щелочных, щелочноземельных металлов (хлорид натрия, сульфат магния), сульфатом аммония; при этом не нарушается первичная структура белка;

осаждение : использование водоотнимающих веществ: спирт или ацетон при низких температурах (около –20 С).

При использовании этих методов белки лишаются гидратной оболочки и выпадают в осадок в растворе.

Денатурация - нарушение пространственной структуры белков (первичная структура молекулы сохраняется). Может быть обратимая (структура белка восстанавливается после устранения денатурирующего агента) или необратимая (пространственная структура молекулы не восстанавливается, например, при осаждении белков минеральными концентрированными кислотами, солями тяжелых металлов).

Методы разделения белков Отделение белков от низкомолекулярных примесей

Диализ

Используют специальную полимерную мембрану, которая имеет поры определенной величины. Малые молекулы (низкомолекулярные примеси) проходят через поры в мембране, а крупные (белки) задерживаются. Таким образом, белки отмывают от примесей.

Разделение белков по молекулярной массе

Гель-хроматография

Хроматографическую колонку заполняют гранулами геля (сефадекс), который имеет поры определенной величины. В колонку вносят смесь белков. Белки, размер которых меньше, чем размер пор сефадекса, задерживаются в колонке, так как «застревают» в порах, а остальные свободно выходят из колонки (рис. 2.1). Размер белка зависит от его молекулярной массы.

Рис. 2.1. Разделение белков методом гель-фильтрации

Ультрацентрифугирование

Этот метод основан на различной скорости седиментации (осаждения) белковых молекул в растворах с различным градиентом плотности (сахарозный буфер или хлорид цезия) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Разделение белков методом ультрацентрифугирования

Электрофорез

Данный метод основан на различной скорости миграции белков и пептидов в электрическом поле в зависимости от заряда.

Носителями для электрофореза могут служить гели, ацетатцеллюлоза, агар. Разделяемые молекулы движутся в геле в зависимости от размера: те из них, которые имеют бóльшие размеры, будут задерживаться при прохождении через поры геля. Меньшие молекулы будут встречать меньшее сопротивление и, соответственно, двигаться быстрее. В результате, после проведения электрофореза, бóльшие молекулы будут находиться ближе к старту, чем меньшие (рис. 2.3).

Рис. 2.3 . Разделение белков методом электрофореза в геле

Методом электрофореза можно разделить белки и по молекулярной массе. Для этого используют электрофорез в ПААГ в присутствии додецилсульфата натрия (ДДS-Na) .

Выделение индивидуальных белков

Аффинная хроматография

Метод основан на способности белков прочно связываться с различными молекулами нековалентными связями. Используется для выделения и очистки ферментов, иммуноглобулинов, рецепторных белков.

Молекулы веществ (лиганды), с которыми специфически связываются определенные белки, ковалентно соединяют с частицами инертного вещества. Смесь белков вносят в колонку, и искомый белок прочно присоединяется к лиганду. Остальные белки свободно выходят из колонки. Задержанный белок затем можно вымыть из колонки с помощью буферного раствора, содержащего в свободном состоянии лиганд. Этот высокочувствительный метод позволяет выделить в чистом виде очень малые количества белка из клеточного экстракта, содержащего сотни других белков.

Изоэлектрофокусирование

Метод основан на различной величине ИЭТ белков. Белки разделяют методом электрофореза на пластине с амфолином (это вещество, у которого заранее сформирован градиент pH в диапазоне от 3 до 10). При электрофорезе белки разделяются в соответствии со значением их ИЭТ (в ИЭТ заряд белка будет равен нулю, и он не будет передвигаться в электрическом поле).

Двухмерный электрофорез

Представляет собой сочетание изоэлектрофокусирования и электрофореза с ДДС-Na. Проводят сначала электрофорез в горизонтальном направлении на пластине с амфолином. Белки разделяются в зависимости от заряда (ИЭТ). Затем обрабатывают пластину раствором ДДС-Na и проводят электрофорез в вертикальном направлении. Белки разделяются в зависимости от молекулярной массы.

Иммуноэлектрофорез (Вестерн-блот)

Аналитический метод, используемый для определения специфичных белков в образце (рис 2.4).

Выделение белков из биологического материала.

Разделение белков по молекулярной массе методом электрофореза в ПААГ с ДДС-Na.

Перенос белков с геля на полимерную пластину с целью облегчения дальнейших работ.

Обработка пластины раствором неспецифического белка для заполнения оставшихся пор.

Таким образом, после этого этапа получена пластинка, в порах которой содержатся разделенные белки, а пространство между ними заполнено неспецифическим белком. Теперь надо выявить, есть ли среди белков искомый, ответственный за какое-то заболевание. Для выявления используют обработку антителами. Под первичными антителами понимают антитела к искомому белку. Под вторичными антителами понимают антитела к первичным антителам. В состав вторичных антител вводят дополнительно специальную метку (т.н. молекулярный зонд), чтобы потом можно было визуализировать результаты. В качестве метки используются радиоактивный фосфат или фермент, прочно связанные с вторичным антителом. Связывание сначала с первичными, а затем с вторичными антителами преследует две цели: стандартизация метода и улучшение результатов.

Обработка раствором первичных антител  связывание происходит в том месте пластины, где есть антиген (искомый белок).

Удаление несвязавшихся антител (промывка).

Обработка раствором меченых вторичных антител для последующей проявки.

Удаление несвязавшихся вторичных антител (промывка).

Рис. 2.4 . Иммуноэлектрофорез (Вестерн-блот)

В случае присутствия искомого белка в биологическом материале – на пластинке появляется полоса, свидетельствующая о связывании этого белка с соответствующими антителами.

) и протеиды (сложные белки). Как правило, протеины состоят только из аминокислот, а протеиды включают в себя, помимо них, и другие вещества. Также все белки делят на фибриллярные и глобулярные белки. Фибриллярные белки плохо растворимы в воде, их молекулы имеют вытянутую форму. Они входят в состав волос и эпителия . Гемоглобин относится к группе глобулярных белков. Его молекулы свернуты в шарообразные цепи. К этой же группе относятся инсулин и пепсин.

Особенно сложны по своему строению молекулы протеидов. Строение этих белков может меняться при воздействии на них внешних факторов. В частности, к ним относятся: действие сильных кислот и этилового спирта, нагревание, давление, ионизирующее излучение. Изменение структуры называют его денатурацией. В молекулах белков имеется амидогруппа, которая называется пептидной связью. Эта связь соединяет между собой α-аминокислоты белков.

α-аминокислоты основой всех белковых веществ. Белки получаются из остатков аминокислот, причем аминокислоты имеют две группы: COOH и NH2. Поэтому в молекулах белков находится амидогруппа -С(O)-NH-. В зависимости от количества аминокислот белки получили различные . Из двух аминокислот образуются дипептиды, из трех - трипептиды, а из большего количества - полипептиды. Дипептид, реагируя с третьей аминокислотой, дает трипептид. На рисунке изображены показаны молекулы основных, часто встречающихся в быту и , трипептидов.
Строение белковой молекулы зависит от количества аминокислот, образовавших пептидную или полипептидную цепь. Также строение белка, как уже сказано выше, может меняться под воздействием внешних факторов. Белки могут включать в себя свыше 20 аминокислот. Благодаря своему сложному строению они участвуют практически во всех процессах обмена веществ. Гормоны и антибиотики также относятся к белкам. Особенно важную роль в играют белки, получаемые из пищи.

В период беременности женщина не реже двух раз в месяц сдает анализ мочи. Это необходимо, чтобы контролировать работу почек и вовремя заметить появление белка в моче. Незначительное эпизодическое появление белка в моче не является опасным, но если белок обнаруживается при повторном анализе, имеется тенденция к увеличению протеинурии, высоки риски развития гестоза.

Инструкция

Правильно собранная моча позволяет получить информативный анализ, данные о работе почек и состоянии мочевыводящих путей. Почки в период беременности работают в повышенной нагрузки, увеличивающаяся в размерах матка оказывает дополнительное давление на них. Первым признаком нарушения работы почек является белок в моче. В норме у человека не должно быть белка в моче, для беременных допускается не более 0,14г/л. Значительное увеличение концентрации белка в моче может свидетельствовать о воспалительном процессе почек, обострении имеющегося заболевания почек или о начинающемся гестозе. Высокое содержание белка в моче бывает и при сахарном диабете, который нередко дебютирует в период беременности.

При постоянной потере белка с мочой появляются тянущие или режущие боли в области почек, общая слабость, моча приобретает темный цвет. Самой частой причиной потери белка становятся воспалительные заболевания почек. Этому способствуют застойные явления в почках, нарушения оттока мочи, очаг хронического воспаления в организме беременной женщины нередко приводит к пиелонефриту. Лечат его в стационаре, назначая антибиотики. При своевременной диагностике и адекватном лечении после родов состояние почек нормализуется. Гораздо страшнее гломерулонефрит, при этой патологии поражаются клубочки почек, нарушается процесс образования мочи. У 5-7% беременных диагностируют гломерулонефрит. При гломерулонефрите основную опасность представляют отеки и высокое артериальное давление. При таких симптомах велик риск преждевременной отслойки плаценты и хронической гипоксии плода.

У 2-3% беременных развивается нефропатия, это одно из проявлений позднего гестоза. Кроме потери белка и нарушения функции почек женщину беспокоит высокое артериальное давление и отеки. Основной причиной гестоза является сенсибилизация организма гормонами плаценты и плацентарным белком. Без своевременной помощи при стремительно развивающемся гестозе может наступить осложнение в виде эклампсии. Женщину начинают беспокоить сильные головные боли, артериальное давление повышается до критической отметки, могут начаться судороги. Без своевременно оказанной медицинской помощи может наступить внутриутробная гибель плода. При любых нарушениях работы почек страдает и плод. Если белок в моче появился из-за воспаления, то велики риски внутриутробного воспаления плода. При гестозе и гломерулонефрите плод находится в состоянии хронической гипоксии. При появлении белка в моче следует четко соблюдать предписания врача: изменить схему питания, принимать дополнительные лекарственные средства, улучшающие кровообращение плаценты, при необходимости нужно лечь в стационар.

Азот – это газ, не поддерживающий горение, он входит в состав воздуха, которым мы дышим. Азот , химически инертный элемент, то есть в обычных условиях он плохо взаимодействует с другими веществами. В промышленности его получают перегонкой жидкого воздуха, то есть разделяют воздух на азот и кислород. Но его можно получить и менее трудоемким способом.

Вам понадобится

• Дистиллированная вода, сульфат аммония, нитрит натрия, серная кислота, пробирки, горелка, уголь, каустическая сода.

Инструкция

Налейте немного раствора сульфата аммония в пробирку и нагрейте его на спиртовой горелке. Затем, по каплям добавляйте туда раствор нитрита натрия. При взаимодействии этих двух будет происходить с образованием нитрита аммония, а он в свою очередь, разлагаясь от температуры, будет выделять азот.

Полученный азот будет загрязнен примесями, поэтому, для очистки, его нужно пропустить через раствор . Закройте пробирку, в которой проходит реакция, пробкой с вставленной в нее трубкой, а другой конец трубки опустите на дно второй пробирки, в которую налита серная . Часть примесей и влага задержится серной кислотой, а азот выйдет.

Неоднократно пропуская воздух через раскаленный уголь, воздуха, взаимодействуя с ним, образует газ. Вы получите смесь и двуокиси углерода. Пропустите эту смесь через раствор гидроксида натрия (каустическая сода), углекислый газ, взаимодействуя со , останется , а на выходе будет азот.

Видео по теме

Полезный совет

Для более качественной очистки азота можно пропустить его через раствор двухвалентного сульфата железа и раскаленную медь.

Белок в организме человека выполняет довольно широкий спектр жизненно важных функций. Не так часто затрагивается проблема дефицита белка, хотя это достаточно серьезный и многоплановый вопрос.

И его может заменить растительный. Несмотря на обилие слухов, диетологи сходятся на одном мнении – белок является основой для строительства и формирования тела организма.

Функции белка

Из белков состоят мышцы, волосы, ногти, внутренние органы и многие другие составляющие человеческого тела. Белки, употребляемые с пищей, распадаются в организме до аминокислот, которые затем синтезируются печенью до собственных белков тела. Организм человека способен производить часть из этих аминокислот сам, однако большая часть аминокислот должна поступать вместе с пищей и заменить их другими не получится. Незаменимые кислоты содержатся в животных белках, растительные же имеют более скудный набор аминокислот и полностью заменить их, к сожалению, не могут. Таким образом, белки выполняют важнейшую строительную функцию организма.

Другой функцией белков является непосредственное участие в обмене веществ. Подавляющее большинство ферментов – это белок или соединение белка с другими составляющими. Иначе говоря, пищеварительная система напрямую зависит от поступления белка в организм. При дефиците белка нарушаются и другие виды обмена веществ. Таким образом, организм страдает не только от , но и от недополучения других важнейших веществ (жиры, углеводы, витамины, минералы, микроэлементы).

Помимо этого, белки носят транспортную функцию, а именно позволяют переносить в организме полезные элементы – ионы, питательные и другие вещества. Иммунитет человека во многом полагается на белки. Они обеспечивают иммунную защиту организма, так как антитела состоят из белковых соединений.

Белки задерживают старение – это происходит благодаря поэтапной регенерации молекул коллагена и эластина, которые препятствуют старению кожи.

Как пополнить запасы белка

Для того чтобы избежать проблем с нехваткой белка, следует начать внимательнее относиться к питанию. Общепризнанными источниками белка являются курица, говядина, яйца. Но и растительным белком тоже пренебрегать не стоит. Получить его можно из таких продуктов как: горох, орехи, гречневая крупа. Диетологи советуют употреблять белковую пищу отдельно от картофеля, крупы, хлеба, так как они недостаточно хорошо позволяют белку усваиваться организмом. Допустимо сочетать белок с тушеными или свежими овощами.

Однако следует помнить, что не следует перегружать организм белком, так как его избыток приводит к нежелательным проблемам с пищеварением.

Лекция № 15

Раздел: “Сельскохозяйственная биотехнология”

1. История использования микроорганизмов для получения белка

2. Технологический процесс выращивания микроорганизмов (на примере кормовых дрожжей)

3. Основные виды сырья и используемые микроорганизмы

4. Перспективы производства белка с использованием микроорганизмов

Структура питания человечества в целом, в том числе и населения нашей страны, далеко не идеальна, причем наиболее дефицитным компонентом пищи является белок, особенно белок высокой питательной ценности. Традиционные источники белка – продукты животноводства и растениеводства, не покрывают все возрастающую потребность в белковой пище, особенно, увеличившуюся в связи с интенсивным приростом населения. Альтернативным источником белка могут служить различные микроорганизмы – дрожжи, высшие съедобные грибы, некоторые микроводоросли и т.д.

Микробиологическое производства белка налажено относительно недавно, однако, оно обладает рядом преимуществ, по сравнению с традиционными способами получения белковой пищи (животноводством и растениеводством). А именно, микробиологическое производство не требует посевных площадей, не зависит от климатических и погодных условий, поддается точному планированию и высокому уровню автоматизации, позволяет получать продукцию стандартного качества. Продукты микробиологического синтеза можно назвать новыми видами кормов и пищи. Разнообразие микроорганизмов и типов их питания позволяют легко маневрировать в использовании различных видов сырья для биосинтеза.

1. История использования микроорганизмов для получения белка

Более века назад, экспериментируя с дрожжами, Л.Пастер открыл микробиологический синтез белка из аммиака и органических соединений не содержащих азота. Заводы по выращиванию дрожжей, созданные вскоре после исследования Пастера, выпускали дрожжевые закваски. С течением времени совершенствовалась технология производства дрожжей и в 1876 г. в США начали применять в хлебопечении прессованные дрожжи.

Идею использования микроорганизмов как белковых компонентов в питании в 1890-х гг. начал пропагандировать Дельбрюк, рекомендовавший применять для этой цели пивные дрожжи.

Первые заводы по выращиванию пищевых дрожжей на мелассе были открыть в Германии в первую мировую войну. После первой мировой войны в различных странах приступили к производству кормовых дрожжей. К середине 30-х гг. началось производство дрожжей из гидролизатов отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности, из сульфитных щелоков, барды гидролизно-спиртовых заводов. В 1935 г у нас в стране был пущен первый опытный завод по производству кормовых дрожжей на основе использования соломы, кукурузных кочерыжек и древесных опилок, предварительно гидролизованных серной кислотой. В это время горячим поборником использования дрожжей в питании выступал Гивартовский, рассматривавший дрожжи как ценный источник витаминов группы В. Во время второй мировой войны во многих странах развернулось широкое производство пищевых дрожжей: в Германии - на основе сульфитных щелоков и гидролизатов древесины, в СССР, на Ямайке (тогда колонии Великобритании).

После войны в ряде стран стали возникать производства кормовых дрожжей на различных отходах, в первую очередь на сульфитных щелоках, а также на гидролизатах растительного сырья. В 60-е гг внимание исследователей привлекла возможность использования углеводородов нефти как сырья для получения кормовых дрожжей. С начала 70-х гг в СССР развернулось строительство по производству кормовых дрожжей на основе использования очищенных н-алканов нефти.

Однако в настоящее время большинство крупнотоннажных заводов нашей страны бездействуют, что связано как с экономическим кризисом и как следствие с падением производства в последнее десятилетие, так и с нефтяным кризисом, поскольку запасы нефти постепенно истощаются и, следовательно, уменьшается количество сырья. В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом наблюдается возрождение интереса к получению микробного белка как пищевого так и кормового назначения с использованием в качестве сырья различных отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, а также получение белка с помощью автотрофных микроорганизмов.

2. Технологический процесс выращивания микроорганизмов (на примере кормовых дрожжей)

Современное промышленное использование микроорганизмов для производства белка осуществляется в ферментерах, рабо­тающих по принципу хемостата. Объемы ферментеров достигают нескольких сот кубических метров. В среду с размножающимися микроорганизмами непрерывно подаются водный раствор мине­ральных солей и применяемый в конкретном процессе органи­ческий субстрат. Культура подвергается перемешиванию, аэрированию и охлаждению. Рациональный процесс выращивания осуществляют при ли­митировании роста микроорганизмов кислородом или близко к такому лимитированию. Принципиальная технологическая схема производства кормо­вых дрожжей приведена на рис. 1.

Выращенные клетки дрожжей отделяют от водной среды сепарированием, или фильт­рованием, если используют мицелиальные грибы. Разработаны и другие методы отделения биомассы, например флотация для концентрирования мелких бактериальных клеток. Их обычно промывают, концентрируют, после чего подвергают термической обработке при 80-90°С, приводящей к отмиранию клеток. Полу­ченную в результате такой обработки сметанообразную массу высушивают, используя, как правило, распылительные сушилки. После высушивания получают порошкообразный или хлопьевидный продукт, который можно подвергнуть гранулированию. Продукт упаковывают и направляют на комбикормовые заводы и другим потребителям. Такие белоксодержащие добавки мик­робного происхождения имеют то или иное коммерческое назва­ние в зависимости от применяемого органического сырья, штам­ма микроорганизма и особенностей технологии, используемой на различных фирмах или предприятиях.

3. Основные виды сырья и используемые микроорганизмы

В производстве белка пищевого и кормового назначения используется самое разнообразное сырье и микроорганизмы. К такому сырью относятся – лигноцеллюлозные отходы и их гидролизаты, парафины нефти, газ, этанол и т.д.

Производство кормовых дрожжей на гидролизатах раститель­ного сырья, существует несколько десяти­летий. Для этой цели используются гидролизаты древесины, под­солнечной и рисовой лузги, кукурузных кочерыжек, стеблей хлопчатника, багассы (жом, оставшийся после извлечения саха­ра из сахарного тростника) и других целлюлозосодержащих ма­териалов. Сырье ежегодно возобновляется и, как правило, явля­ется отходами.

К недостаткам гидролизно-дрожжевого производства относит­ся сложность сбора и транспортировки сырья на крупные пред­приятия. Процесс выращивания дрожжей на гидролизатах осуществля­ется в неасептических условиях, а развитие контаминантных бактерий ограничивается поддержанием в ферментационной сре­де определенного значения рН (около 4,0). В гидролизатах со­держатся компоненты (например, фурфурол), оказывающие токсическое действие на рост дрожжей. Селекционированные в лаборатории штаммы имеют высокий выход биомассы в расчете на потребленные сахара. Но в производственных условиях эти штаммы зачастую вытесняются дикими штаммами, отличающи­мися большей устойчивостью к токсичным компонентам среды, меньшей потребностью в витаминах и высокими скоростями роста. Практически на каждом заводе происходит автоселекция штаммов или ассоциации дрожжей, приспособленной к местным условиям.

Список штаммов, используемых для производства кормовых дрожжей из гидролизатов растительного сырья, весьма обширен, он включает виды рода Candida и других родов (Trichosporon, Hansenula, Zygofabospora).

Перспективно получение биомассы микроорганизмов на фер­ментативных гидролизатах целлюлозосодержащего сырья. За­труднением для промышленной реализации такого процесса яв­ляется то, что в целлюлозосодержащем сырье имеется лигнин, препятствующий контакту целлюлаз с субстратом. Кроме того, сырье нуждается в обработке, позволяющей понизить содержа­ние в нем кристаллической формы целлюлозы и перевести ее в аморфное состояние, после чего ферментативный гидролиз значительно ускоряется.

Возможность выращивания микроорганизмов, относящихся к различным таксономическим группам, на средах с углеводорода­ми исследована достаточно широко. Способности к утилизации углеводородов часто встречаются у представителей дрожжей, из которых в первую очередь следует назвать род Candida, у представителей мицелиальных грибов, в частности Aspergillus и Fusarium, у многих видов грибов семейства Mucoraceae и раз­ных бактерий.

Сравнительная оценка твердых и жидких углеводородов как сырья для биосинтеза показала несомненное преимущество соединений, температура плавления которых значительно ниже температуры культивирования микроорганизмов.

Все классы углеводородов могут служить субстратами для микроорганизмов, однако, как правило, процесс роста наиболее интенсивно происходит на среде, содержащей н-алканы с различ­ной длиной цепи. Дрожжами с наибольшей скоростью обычно потребляются н-алканы С 11 - С 14 , среднее положение занимают н-алкайы С 15 - С 18 и медленнее других усваиваются н-алканы С 23 - С 24 . Алканы С 6 - С 9 не только плохо используются дрож­жами, но часто токсичны для них.

Наиболее перспективными новыми видами сырья для микробного биосинтеза кормового белка на ближайшие годы являются спирты - метиловый и этиловый.

Повышение внимания к низшим спиртам объясняется рядом обстоятельств, среди которых следует отметить разработку новых эффективных способов крупнотоннажного производства метанола и этанола, высокую степень чистоты получаемых спиртов, хоро­шую растворимость их в воде.

Многие бактерии могут расти за счет использования мета­нола. Выходы биомассы при росте на метаноле составляют 50% и более от массы использованного спирта. Энергетические выходы роста бактерий на метаноле (доля химической энергии органи­ческого субстрата, сохраняющаяся как химическая энергия в выросшей биомассе) достаточно велики (более 50%), но ниже, чем при росте микроорганизмов на углеводах (до 65%). При росте микроорганизмов на углеводородах энергетический выход роста ниже и составляет около 40 %. С этим связано более эффективное использование дорогостоящего растворенного кислорода и повышение производительности ферментеров при ис­пользовании метанола по сравнению с культивированием микро­организмов на н-алканах.

Процесс выращивания метанолиспользующих бактерий уже доведен до реализации, например, западногерманская фирма Хёхст, исполь­зующая0 в качестве продуцента Methylomonas clara и английская кампания ICI, организовавшая промышленное производство на основе использования метанола бактериальной массы кормового назначения. В последние годы найден и интенсивно изучается ряд штаммов дрожжей, способных расти, используя метанол. Метанолассимилирующие дрожжи часто встречаются среди ро­дов Hansenula и Pichia. К метанолассимилирующим дрожжам относится Candida boidinii. В Англии организовано производство пищевого белка из гриба Fusarium. Продукт, названный микопротеином, исполь­зуется как добавка к различным продуктам. В США производится торутин - продукт высушенной биомассы С. utilis, полученной на синтетическом этаноле. Торутин ис­пользуется для добавления в продукты питания человека с целью улучшения их органолептических свойств (вид, вкус, запах и др.), снижения себестоимости и повышения белковой ценности.

В нашей стране разработан способ производства на этаноле био­массы Sacch. cerevisiae. Используется штамм, применяемый в хлебопечении. Безвредность постоянного применения неболь­ших количеств пекарских дрожжей в питании проверена опытом человечества на протяжении тысячелетий. Выход сахаромице­тов при росте на этаноле несколько ниже, чем при выращивании С. utilis. Однако в белках сахаромицетов, выращенных на этаноле, содержание лизина очень высоко (около 10% по мас­се). Добавление биомассы саха­ромицетов в пшеничный хлеб позволяет не только повысить содержание в нем белка, но и улучшить аминокислотный состав белков. При добавлении 5 % (от массы муки) биомассы сахаро­мицетов белковая ценность получаемого пшеничного хлеба повы­шается в 1,5 раза.

4. Перспективы производства белка с использованием микроорганизмов

В последние годы основные направления исследований по микробиологическому получению белковых веществ несколько изменились. Прежде всего следует отметить повышение внимания к изысканию новых видов сырья для производства белковых веществ. В этой связи изучают фототрофные микроорганизмы, которые растут в автотрофных условиях, ассимилируя углекис­лоту.

Культивирование водорослей с целью получения белковых веществ исследуется уже несколько десятилетий. В настоящее время наиболее эффективный способ использования биомассы хлореллы и других водорослей заключается в применении их в качестве биостимуляторов. Обнадеживающие данные имеются по выращиванию цианобактерии спирулины. Жители района оз. Чад издавна используют спирулину в питании.

Может оказаться перспективным применение в качестве про­дуцентов белковых веществ водородных бактерий, относящихся к хемолитоавтотрофам.

Другой перспективный продуцент белка пищевого и кормового назначения – высшие базидиальные грибы. Согласно современным данным, около 2000 видов базидиальных грибов из 30 родов считается съедобными, из них только 20 видов выращивают в коммерческих целях, но всего 5-6 видов культивируют в промышленных масштабах, причем основными являются Agaricus bisporus, Lentinus edodes, а в нашей стране - Pleurotus ostreatus.

Народнохозяйственное значение дереворазрушающих базидиальных грибов определяется рядом особенностей, что дает им определенное преимущество. Эти особенности следующие: биомасса базидиальных грибов обладает приятным грибным запахом (в результате биосинтеза ароматических метаболитов); кроме того, биомасса мицелия Basidiomycetes, например Pleurotus ostreatus, содержит до 26% белка. Аминокислотный состав белка базидиальных грибов не уступает и даже выше ряда растительных (сои, риса, пшеницы) белков и близок к животному. Сумма аминокислот составляет до 24-25% от сухой биомассы. Также в грибной биомассе содержание нуклеиновых кислот очень низко (2%), что делает их безвредными. Мицелий вешенки очень богат витаминами группы В: тиамином, рибофлавином, ниацином, пиридоксином, биотином. Кроме того, биомасса мицелия содержит ряд необходимых человеку металлов: железа, цинка, меди, кальция, магния.

В настоящее время мицелий съедобных грибов в виде сухого грибного порошка (ГП) используют во многих странах как ценную пищевую добавку к супам и соусам, а также вводят ГП в овощные и мясные концентраты. Так как мицелий представляет собой нити, состоящие из фрагментов различной величины, его очень удобно добавлять в сыры, консервированные овощи и хлебные изделия, а в последние годы также в колбасные изделия и мясные полуфабрикаты. В Японии на основе вытяжки из ГП готовят специальные напитки.

В нашей стране был разработан ряд препаратов для использования в пищевой промышленности. Это пантигрин на основе мицелия Panus tigrinus ИБК-131 и даедалин,где продуцентом является Daedalea confragosa Г-115, у которого 1 кг препарата содержит столько же белка, сколько 1 кг мяса. В самые последние годы ГП Pleurotus ostreatus рекомендован в виде добавок к крупяным и овощным изделиям.

Кроме ГП все шире начинают использовать в кулинарии плодовые тела базидиальных грибов. На Востоке для этих целей популярен L.edodes (шиитаке).

В основе интенсивного культивирования грибов (например, вешенки) находится использование целлюлозосодержащих отходов сельского хозяйства и промышленности. Традиционным субстратом является солома различных злаковых культур, лесосечные отходы: щепки, опилки, кора., листья (хвойных или лиственных пород деревьев).

После сбора урожая грибов, первой и второй волн, остается неиспользованный блок субстрата, богатый разросшимся мицелием (белком), который используют как белковый концентрат в животноводстве.

Важный резерв пополнения ресурсов кормового и пищевого белка - производство его за счет глубинного выращивания грибного мицелия. Для такого производства белка характерна высокая скорость производства, способность грибов усваивать различные отходы - углеводы, органические кислоты, крахмал, целлюлозу и т.д. Выращивание грибного мицелия в глубинных условиях является регулируемым и управляемым процессом получения белка и других метаболитов.

Владельцы патента RU 2281656:

Изобретение относится к биотехнологии. Биомассу личинок насекомых измельчают. Экстракцию белка из 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, подкисляя экстракт кислотой. Осевший белок отделяют. Белковый препарат отличается большим содержанием высокоценного белка. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к биотехнологии, касается получения белка из биомассы насекомых мухи и может быть использовано в пищевой и комбикормовой промышленности.

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 (1).

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает получения высокобелкового продукта, содержание протеина в сухом продукте не более 26%.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к достигаемому результату является способ получения белкового препарата из растительного сырья (2-прототип), включающий экстракцию сырья, отделение экстракта и выделение из него белка путем подкисления и центрифугирования.

Недостатками этого способа являются:

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.

Известно, что белковые препараты, полученные из растительного сырья, содержат ряд антипитательных соединений (тиогликозиды, сапонины, танины и др.).

Сущностью 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 изобретения - 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 известном способе, предусматривающем экстракцию растительного сырья, отделение экстракта и осаждение из него белка соляной кислотой, согласно изобретению в качестве исходного сырья используют биомассу личинок насекомых, экстракцию белка из гомогенизированной биомассы проводят 0,01-0,5% - раствором щелочи, при соотношении 1:3-1:11, температуре 20°С-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, а именно проведение процесса извлечения белка при повышенной температуре до 100°С. Предлагаемый температурный 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.

В таблице 1 приведены данные, характеризующие достижение поставленной цели по предлагаемому способу в сравнении с прототипом.

Предложенный способ за счет использования в качестве сырья для получения протеина личинок различных насекомых дает сверхсуммарный результат по содержанию незаменимых аминокислот в белковом концентрате и выходу протеина. Способ позволяет расширить сырьевую базу, рационально использовать дешевый вторичный продукт переработки производственных стоков и отходов - личинки насекомых, удешевить белок, рационально использовать стоки молочного производства, утилизировать молочную сыворотку.

Выход белка зависит от его общего содержания в сырье. Использование в качестве сырья личинок насекомых позволяет достичь более высоких значений параметров технологического процесса, так как их биомасса содержит более 58% белка. Из биомассы личинок извлекается до 62,0% протеина.

Повышение качества белкового концентрата достигается за счет использования высокобелкового сырья - личинок насекомых, увеличения содержания в концентрате протеина и незаменимых аминокислот (табл.2).

Результаты исследований свидетельствуют, что заявляемый способ позволяет получить белок улучшенного состава. Использование в качестве сырья для получения белка, дешевого вторичного продукта, высвобождающегося в процессе переработки сельскохозяйственных и промышленных отходов и стоков, снижает стоимость целевого продукта, т.е. обеспечивает решение поставленной задачи.

Пример 1. 1 кг измельченной в блендере биомассы личинок комнатной мухи Musca domestica экстрагировали в 3 л 0,01% раствора NaOH при t 20°C при постоянном перемешивании в течение 110 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,0, центрифугировали при 2000 об/мин в течение 5 мин.

Белковый препарат имеет вид темно-серого, рассыпчатого порошка, содержит 78%, сумма незаменимых аминокислот белка 49,5%.

Пример 2. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок комнатной мухи Musca domestica экстрагировали в 9 л 0,5% раствора NaOH при температуре 60°С при постоянном перемешивании в течение 60 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 5,0, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Белковый препарат имеет вид серого, рассыпчатого порошка, содержит 86% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,0%.

Пример 3. 1 кг измельченной в блендере биомассы личинок комнатной мухи Musca domestica экстрагировали в 11 л 0,5% раствора NaOH при температуре 100°С при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли введением молочной сыворотки кислотностью 200°Т до рН 5,0, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.

Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 89% протеина, сумма незаменимых аминокислот 50,2%.

Пример 4. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок термитов Cryptotermes domesticus экстрагировали в 8 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 50 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли введением 10% молочной сыворотки кислотностью 200°Т до рН 5,0, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.

Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,4%.

Пример 5. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок мучного червя Tenebrio molitor экстрагировали в 9 л 0,4% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 60 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.

Пример 6. 1 кг измельченной в блендере биомассы личинок саранчи Locusta migratoria экстрагировали в 9 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 60 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,5%.

Пример 7. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок зеленых мясных мух Lucilia sericata экстрагировали в 8 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.

Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,5%.

Пример 8. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок синей мясной мухи Calliphora vicina экстрагировали в 8 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Белковый препарат имеет вид темно-серого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,5%.

Литература

1. Патент РФ, №2075944, С1, А 23 J 1/2, БИ №9, 27.03.97.

2. AC СССР, №1177966, А 23 J 1/12. Способ получения белка из отрубей. БИ №29, 07.08.86.

1. Способ получения белка, предусматривающий экстракцию сырья, отделение экстракта и выделение из него белка, отличающийся тем, что в качестве источника сырья используют измельченную биомассу личинок насекомых, экстракцию белка проводят 0,01-0,5%-ным раствором щелочи при соотношении биомассы и экстрагента 1:3-1:11, температуре 20-100°С и постоянном перемешивании 10-60 мин, удаляют нерастворившиеся частицы, осаждают белок из экстракта добавлением осаждающего агента.