Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с одноклеточного белка )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Одноклеточные белки ( SCP ) или микробные белки [1] относятся к съедобным одноклеточным микроорганизмам . Биомасса или белок , экстракт из чистых или смешанных культур водорослей , дрожжей , грибов или бактерий могут быть использованы в качестве ингредиента или замены богатых белком продуктов, и подходит для потребления человеком или в качестве корма для животных. Промышленное сельское хозяйство характеризуется большим объемом водных ресурсов , [2] интенсивным землепользованием, [3] разрушением биоразнообразия, [3] общей деградацией окружающей среды [3]и вносит вклад в изменение климата путем эмиссией трети всех парниковых газов , [4] производство SCP не обязательно проявляет какое - либо из этих серьезных недостатков. На сегодняшний день SCP обычно выращивают на сельскохозяйственных отходах и, как таковой, наследуют экологический след и водный след промышленного сельского хозяйства. Однако SCP может также производиться полностью независимо от сельскохозяйственных отходов посредством автотрофного роста. [5] Благодаря большому разнообразию микробного метаболизма автотрофные SCP обеспечивают несколько различных режимов роста, универсальные варианты рециркуляции питательных веществ и значительно повышенную эффективность по сравнению с культурами. [5]

Поскольку к 2050 году численность населения мира достигнет 9 миллиардов, есть убедительные доказательства того, что сельское хозяйство не сможет удовлетворить спрос [6] и что существует серьезный риск нехватки продовольствия. [7] [8] Автотрофные SCP представляют собой варианты отказоустойчивого массового производства продуктов питания, которые могут надежно производить пищу даже в суровых климатических условиях. [5]

История [ править ]

В 1781 году были созданы процессы приготовления высококонцентрированных форм дрожжей. Исследования технологии одноклеточного белка начались столетие назад, когда Макс Дельбрюк и его коллеги обнаружили высокую ценность излишков пивных дрожжей в качестве пищевой добавки для животных. [9] Во время Первой и Второй мировых войн дрожжи-SCP широко использовались в Германии для борьбы с нехваткой продовольствия во время войны. Изобретения для производства SCP часто представляли собой вехи для биотехнологии в целом: например, в 1919 году Сак в Дании и Хайдук в Германии изобрели метод под названием «Zulaufverfahren» ( периодическая загрузка ), при котором раствор сахара непрерывно подавался в аэрированную суспензию. дрожжей вместо однократного добавления дрожжей к разбавленному раствору сахара (партия ). [9] В послевоенный период Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) в 1960 году акцентировала внимание на мировых проблемах голода и недоедания и представила концепцию белкового дефицита, показав, что 25% населения мира испытывает дефицит. потребления белка в их рационе. [9] Также опасались, что сельскохозяйственное производство не сможет удовлетворить растущие потребности человечества в продуктах питания. К середине 60-х годов в разных частях света производилось почти четверть миллиона тонн пищевых дрожжей, а к 1970 году только Советский Союз произвел около 900 000 тонн пищевых и кормовых дрожжей. [9]

В 1960-х годах исследователи British Petroleum разработали то, что они назвали «процессом получения белков из масла»: технологию производства одноклеточного белка дрожжами, питаемыми восковыми н-парафинами, побочным продуктом нефтеперерабатывающих заводов. Первоначальные исследовательские работы были выполнены Альфредом Шампаньятом на нефтеперерабатывающем заводе BP в Лавере во Франции; небольшая опытная установка начала работу там в марте 1963 года, и было санкционировано строительство второй опытной установки на нефтеперерабатывающем заводе Grangemouth в Великобритании. [10]

Термин SCP был придуман в 1966 году Кэрроллом Л. Уилсоном из Массачусетского технологического института . [11]

Идея «еды из масла» стала довольно популярной к 1970-м годам, когда Champagnat была удостоена премии ЮНЕСКО в области науки в 1976 году [12], а в ряде стран были построены предприятия по производству парафиновых дрожжей. Преимущественно продукт использовался в качестве корма для домашней птицы и крупного рогатого скота. [13]

В Советах были особенно энтузиазмом, открывая большие «БКИ» ( белково-Витаминного kontsentrat , то есть, «белок-витаминный концентрат») растения рядом с их нефтеперерабатывающими заводами в Кстово (1973) [14] [15] [16] и Кириши (1974 ). [17] К 1989 году у Министерства микробиологической промышленности СССР было восемь таких заводов. Однако из-за опасений по поводу токсичности алканов в SCP и давления со стороны экологических движений правительство решило закрыть их или преобразовать в другие микробиологические установки. процессы. [17]

Quorn - это ассортимент вегетарианских и веганских заменителей мяса, изготовленных из микопротеина Fusarium venenatum , который продается в Европе и Северной Америке.

Другой тип аналога мяса на основе одноклеточного белка (который, однако, использует не грибы, а бактерии [18] ) - это Calysta .

Производственный процесс [ править ]

Одноклеточные белки образуются, когда микробы сбраживают отходы (включая древесину, солому, отходы консервных заводов и пищевой промышленности, остатки производства алкоголя, углеводороды или экскременты человека и животных). [19] В процессах «электрическое питание» в качестве ресурсов используются электричество, CO2 и микроэлементы и химические вещества, такие как удобрения. [20]

Проблема с извлечением одноклеточных белков из отходов заключается в их разбавлении и стоимости. Они обнаруживаются в очень низких концентрациях, обычно менее 5%. Инженеры разработали способы увеличения концентраций, включая центрифугирование, флотацию, осаждение, коагуляцию и фильтрацию или использование полупроницаемых мембран.

Одноклеточный белок необходимо обезвоживать до содержания влаги приблизительно 10% и / или подкислять, чтобы способствовать хранению и предотвратить порчу. Методы увеличения концентраций до адекватных уровней и процесс обезвоживания требуют оборудования, которое является дорогим и не всегда пригодным для малых предприятий. Экономически целесообразно скармливать продукт на месте и вскоре после его производства.

Микроорганизмы [ править ]

Используемые микробы включают:

  • Дрожжи
    • Saccharomyces cerevisiae
    • Pichia pastoris
    • Candida utilis
    • Торулопсис коралловый
    • Геотрихум кандидум
  • Грибы ( микопротеин )
    • Aspergillus oryzae
    • Fusarium venenatum
    • Sclerotium rolfsii
    • Полипор
    • Триходермия
    • Scytalidium acidophilum [21]
  • Бактерии
    • Rhodobacter capsulatus [19]
  • Водоросли
    • спирулина (пищевая добавка)
    • Хлорелла [22]

Свойства [ править ]

Крупномасштабное производство микробной биомассы имеет много преимуществ по сравнению с традиционными методами производства белков для пищевых продуктов или кормов.

  1. Микроорганизмы имеют гораздо более высокую скорость роста (водоросли: 2–6 часов, дрожжи: 1–3 часа, бактерии: 0,5–2 часа). Это также позволяет быстро и легко отбирать сорта с высокой урожайностью и хорошим питательным составом по сравнению с селекцией.
  2. В то время как большие части сельскохозяйственных культур, такие как стебли, листья и корни, не съедобны, одноклеточные микроорганизмы можно использовать полностью. В то время как часть съедобной фракции сельскохозяйственных культур неперевариваема, многие микроорганизмы усваиваются при гораздо более высокой фракции. [5]
  3. Микроорганизмы обычно имеют гораздо более высокое содержание белка - 30–70% в сухой массе, чем овощи или зерно. [ необходима цитата ] Аминокислотные профили многих SCP-микроорганизмов часто имеют отличные питательные качества, сравнимые с куриным яйцом.
  4. Некоторые микроорганизмы могут вырабатывать витамины и питательные вещества, которые эукариотические организмы, такие как растения, не могут производить или не вырабатывают в значительных количествах, включая витамин B12.
  5. Микроорганизмы могут использовать широкий спектр сырья в качестве источников углерода, включая алканы, метанол, метан, этанол и сахара. То, что считалось «отходами», часто можно использовать в качестве питательных веществ и поддерживать рост съедобных микроорганизмов.
  6. Как и растения, автотрофные микроорганизмы способны расти на CO 2 . Некоторые из них, такие как бактерии с путем Вуда – Люнгдаля или восстановительная TCA, могут связывать CO2 от 2–3, [23] до 10 раз эффективнее, чем растения [24], если также учитывать эффекты фотоингибирования .
  7. Некоторые бактерии, такие как несколько гомоацетогенных клостридий, способны осуществлять ферментацию синтез-газа . Это означает, что они могут метаболизировать синтез-газ , газовую смесь CO, H 2 и CO 2, которая может быть получена путем газификации остаточных труднообрабатываемых биологических отходов, таких как лигноцеллюлоза.
  8. Некоторые бактерии являются диазотрофными, то есть они могут связывать N 2 из воздуха и, таким образом, не зависят от химических азотных удобрений, производство, использование и разложение которых наносят огромный вред окружающей среде, ухудшают здоровье населения и способствуют изменению климата. [25]
  9. Многие бактерии могут использовать H 2 в качестве источника энергии, используя ферменты, называемые гидрогеназами . В то время как гидрогеназы обычно очень чувствительны к O 2 , некоторые бактерии способны выполнять O 2 -зависимое дыхание H 2 . Эта функция позволяет автотрофным бактериям расти на CO 2 без света с высокой скоростью роста. Так как H 2 может быть эффективно получен электролизом воды , эти бактерии могут "питаться электричеством". [5]
  10. Производство микробной биомассы не зависит от сезонных и климатических изменений и может быть легко защищено от экстремальных погодных явлений, которые, как ожидается, вызовут неурожаи в связи с продолжающимся изменением климата . Независимые от света микроорганизмы, такие как дрожжи, могут продолжать расти ночью.
  11. Выращивание микроорганизмов обычно имеет гораздо меньший водный след, чем производство сельскохозяйственных продуктов питания. В то время как средний глобальный сине-зеленый водный след (орошение, поверхность, почва и дождевая вода) сельскохозяйственных культур достигает около 1800 литров на кг урожая [2] из-за испарения, транспирации, дренажа и стока, закрытые биореакторы, производящие SCP, не проявляют ни одной из этих причин. .
  12. Выращивание микроорганизмов не требует плодородной почвы и поэтому не конкурирует с сельским хозяйством. Благодаря низким требованиям к воде, выращивание SCP может производиться даже в засушливом климате с неплодородной почвой и может стать средством бесперебойного снабжения продуктами питания в засушливых странах.
  13. Фотосинтезирующие микроорганизмы могут достигать более высокой эффективности преобразования солнечной энергии, чем растения, потому что в фотобиореакторах можно строго контролировать подачу воды, CO 2 и сбалансированное распределение света.
  14. В отличие от сельскохозяйственных продуктов, которые обрабатываются для достижения желаемого качества, с помощью микроорганизмов легче направить производство на желаемое качество. Вместо того, чтобы извлекать аминокислоты из соевых бобов и выбрасывать при этом половину растительного тела, микроорганизмы можно генетически модифицировать, чтобы производить избыточное производство или даже выделять определенную аминокислоту. Однако для того, чтобы сохранить хорошее признание потребителей, обычно легче получить аналогичные результаты путем скрининга микроорганизмов, которые уже обладают желаемым признаком, или обучить их посредством селективной адаптации.

Хотя SCP обладает очень привлекательными свойствами в качестве питательного вещества для людей, существуют некоторые проблемы, которые препятствуют его распространению в глобальном масштабе:

  • Быстрорастущие микроорганизмы, такие как бактерии и дрожжи, имеют высокую концентрацию нуклеиновой кислоты , особенно РНК. Уровни в рационах животных с однокамерным желудком должны быть ограничены до <50 г в день. Проглатывание пуриновых соединений, возникающих в результате распада РНК, приводит к повышению уровня мочевой кислоты в плазме , что может вызвать подагру и камни в почках . Мочевая кислота может превращаться в аллантоин , который выводится с мочой. Удаление нуклеиновой кислоты не обязательно из кормов для животных, а из пищи человека. Поддержание температуры на уровне 64 ° C инактивирует грибковые протеазы.и позволяет. Однако эту проблему можно исправить. [ необходима цитата ] Один из распространенных методов состоит в тепловой обработке, которая убивает клетки, инактивирует протеазы и позволяет эндогенным РНКазам гидролизовать РНК с высвобождением нуклеотидов из клетки в культуральный бульон. [26]
  • Подобно клеткам растений, клеточная стенка некоторых микроорганизмов, таких как водоросли и дрожжи, содержит неперевариваемые компоненты, такие как целлюлоза. Клетки какого-то типа SCP должны быть разрушены, чтобы освободить внутреннюю часть клетки и обеспечить полное пищеварение. [ необходима цитата ]
  • Какой-то SCP-объект имеет неприятный цвет и аромат.
  • В зависимости от типа SCP и условий культивирования необходимо принимать меры для предотвращения и контроля заражения другими микроорганизмами, поскольку загрязнители могут производить токсины, такие как микотоксины или цианотоксины. Интересный подход к решению этой проблемы был предложен с грибком Scytalidium acidophilum, который растет при таком низком pH, как 1. Это позволяет гидролизовать бумажные отходы до сахарной среды и создавать асептические условия с низкими затратами. [21]
  • В некоторых дрожжевых и грибковых белках наблюдается дефицит метионина .

См. Также [ править ]

  • Солеин : одноклеточный белок, производимый компанией Solar Foods Ltd.
  • Kiverdi, Inc [27] [28] [29] [30]
  • Пурпурные бактерии : тип одноклеточного белка [31]
  • Кианос [32]
  • НовоНутриенты [33] [34] [28]
  • Глубокая отраслевая биотехнология [28] [35] [36]
  • Производство ферментативного водорода
  • Гидрогенотрофы [29]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Микробный белок как другой термин для SCP
  2. ^ a b Mekonnen, Mesfin M .; Хоэкстра, Арьен Ю. (01.11.2014). «Ориентиры водного следа для растениеводства 160X14002660» . Экологические показатели . 46 : 214–223. DOI : 10.1016 / j.ecolind.2014.06.013 .
  3. ^ a b c Тилман, Дэвид (1999-05-25). «Глобальные экологические последствия расширения сельского хозяйства: необходимость в устойчивых и эффективных методах» . Труды Национальной академии наук . 96 (11): 5995–6000. DOI : 10.1073 / pnas.96.11.5995 . ISSN 0027-8424 . PMC 34218 . PMID 10339530 .   
  4. ^ Vermeulen, Соня Дж .; Кэмпбелл, Брюс М .; Ингрэм, Джон SI (2012-01-01). «Изменение климата и продовольственные системы» . Ежегодный обзор окружающей среды и ресурсов . 37 (1): 195–222. DOI : 10.1146 / annurev-environment-020411-130608 .
  5. ^ a b c d e Богдан, Ингвар (2015-09-17). «Независимое от сельского хозяйства, устойчивое, отказоустойчивое и эффективное производство продуктов питания с помощью автотрофного одноклеточного протеина» . DOI : 10,7287 / peerj.preprints.1279 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  6. ^ Чаллинор, AJ; Watson, J .; Лобелл, ДБ; Howden, SM; Смит, Д.Р .; Чхетри, Н. (01.01.2014). «Мета-анализ урожайности сельскохозяйственных культур в условиях изменения климата и адаптации» (PDF) . Изменение климата природы . 4 (4): 287–291. DOI : 10.1038 / nclimate2153 .
  7. ^ Годфрей, Х. Чарльз Дж .; Беддингтон, Джон Р .; Crute, Ian R .; Хаддад, Лоуренс; Лоуренс, Дэвид; Мьюир, Джеймс Ф .; Милашка, Джулс; Робинсон, Шерман; Томас, Сэнди М. (12 февраля 2010 г.). «Продовольственная безопасность: проблема накормить 9 миллиардов человек» . Наука . 327 (5967): 812–818. DOI : 10.1126 / science.1185383 . ISSN 0036-8075 . PMID 20110467 .  
  8. ^ Уиллер, Тим; Браун, Иоахим фон (2 августа 2013 г.). «Влияние изменения климата на глобальную продовольственную безопасность». Наука . 341 (6145): 508–513. DOI : 10.1126 / science.1239402 . ISSN 0036-8075 . PMID 23908229 . S2CID 8429917 .   
  9. ^ а б в г Угальде, ЮАР; Кастрильо, JI (2002). Прикладная микология и биотехнология. Том 2: сельское хозяйство и производство продуктов питания . С. 123–149. ISBN 978-0-444-51030-3.
  10. Перейти ↑ Bamberg, JH (2000). Бритиш петролеум и мировая нефть, 1950–1975: вызов национализму. Том 3 British Petroleum и Global Oil 1950–1975: Вызов национализма, серия JH Bamberg British Petroleum . Издательство Кембриджского университета. С. 426–428. ISBN 978-0-521-78515-0.
  11. ^ HW Doelle (1994). Развитие микробного процесса . World Scientific. п. 205. ISBN 9789810215156.
  12. ^ «Премия ЮНЕСКО по науке: Список лауреатов» . ЮНЕСКО. 2001. Архивировано из оригинала на 10 февраля 2009 года . Проверено 7 июля 2009 .(Возможно, переехал на http://unesdoc.unesco.org/images/0011/001111/111158E.pdf )
  13. ^ Национальный исследовательский совет (США). Совет по науке и технике для международного развития (1983 г.). Практикум по одноклеточного белка: краткий доклад, Джакарта, Индонезия, 1-5 февраля 1983 года . Национальная академия прессы. п. 40.
  14. ↑ Советский завод по переработке масла в белок для кормов; Использование дрожжей , ТЕОДОР ШАБАД. The New York Times, 10 ноября 1973 г.
  15. ^ RusVinyl - Обзор социальных вопросов [ постоянная мертвая ссылка ] (ЕБРР)
  16. ^ Первенец микробиологической промышленности (Первое предприятие микробиологической промышленности), в: Станислав Марков (Станислав Марков) « Кстово - молодой город России» ( Кстово, молодой город России)
  17. ^ a b КИРИШИ: ЗЕЛЁНАЯ ИСТОРИЯ УСПЕХА? Архивировано 7 августа 2009 г. в Wayback Machine (Johnson's Russia List, 19 декабря 2002 г.).
  18. ↑ EOS, апрель 2019, стр.
  19. ^ а б С. Врати (1983). «Производство одноклеточного белка фотосинтезирующими бактериями, выращенными на очищенных стоках биогазовой установки». Прикладная микробиология и биотехнология . 19 (3): 199–202. DOI : 10.1007 / BF00256454 . S2CID 36659986 . 
  20. ^ Boffey, Daniel (29 июня 2019). «Планируйте продавать 50 миллионов блюд, приготовленных из электричества, воды и воздуха» .
  21. ^ а б Иварсон KC, Морита H (1982). «Производство одноклеточного белка кислотоустойчивым грибком Scytalidium acidophilum из кислотных гидролизатов макулатуры» . Appl Environ Microbiol . 43 (3): 643–647. DOI : 10.1128 / aem.43.3.643-647.1982 . PMC 241888 . PMID 16345970 .  
  22. ^ Жан Маркс (ред.). Революция в биотехнологии (см. Гл. 6 Личфилд) . Издательство Кембриджского университета. С. 1–227.
  23. ^ Бойл, Nanette R .; Морган, Джон А. (2011-03-01). «Расчет метаболических потоков и эффективности биологической фиксации углекислого газа». Метаболическая инженерия . 13 (2): 150–158. DOI : 10.1016 / j.ymben.2011.01.005 . PMID 21276868 . 
  24. ^ Бар-Эвен, Аррен; Нур, Элад; Льюис, Натан Э .; Майло, Рон (11.05.2010). «Дизайн и анализ синтетических путей фиксации углерода» . Труды Национальной академии наук . 107 (19): 8889–8894. DOI : 10.1073 / pnas.0907176107 . ISSN 0027-8424 . PMC 2889323 . PMID 20410460 .   
  25. ^ Галлоуэй, Джеймс Н .; Абер, Джон Д .; Эрисман, Ян Виллем; Зейтцингер, Сибил П .; Ховарт, Роберт В .; Каулинг, Эллис Б.; Косби, Б. Джек (2003-04-01). «Азотный каскад» . Биология . 53 (4): 341–356. DOI : 10,1641 / 0006-3568 (2003) 053 [0341: УЧПУ] 2.0.CO; 2 . ISSN 0006-3568 . 
  26. ^ Halasz, Anna; Ластиты, Радомир (07.12.1990). Использование биомассы дрожжей в производстве пищевых продуктов . CRC Press. ISBN 9780849358661.
  27. ^ Процесс улавливания углерода делает нефть устойчивой
  28. ^ a b c Киверди использует технологию НАСА для производства белка, корма для рыбы и пальмового масла из CO2
  29. ^ a b Киверди: о нас
  30. ^ Air Protein Kiverdi в
  31. ^ Фиолетовые бактерии как тип SCP
  32. ↑ Фрост, Рози (30 июля 2020 г.). "Вы бы съели голубые водоросли, чтобы спасти планету?" . Евроньюс .
  33. ^ Новое питательное вещество для аквакультуры из микробов, потребляющих углеродные отходы
  34. ^ Джонс, Шон W; Карпол, Алон; Фридман, Сиван; Мару, Биниам Т; Трейси, Брайан П. (2020). «Последние достижения в использовании одноклеточного белка в качестве кормового ингредиента в аквакультуре» . Текущее мнение в области биотехнологии . 61 : 189–197. DOI : 10.1016 / j.copbio.2019.12.026 . PMID 31991311 . 
  35. ^ «Питер Роу из Deep Branch Bio хочет спасти планету» .
  36. ^ «BioCity инвестирует в стартап по переработке углерода, Deep Branch Biotechnology» .