stringtranslate.com

Одноклеточный белок

Одноклеточные белки ( ОКП ) или микробные белки [1] относятся к съедобным одноклеточным микроорганизмам . Биомасса или белковый экстракт из чистых или смешанных культур водорослей , дрожжей , грибов или бактерий может использоваться в качестве ингредиента или заменителя продуктов, богатых белком, и подходит для потребления человеком или в качестве корма для животных . Промышленное сельское хозяйство отличается большим водным следом , [2] интенсивным землепользованием, [3] разрушением биоразнообразия, [3] общей деградацией окружающей среды [3] и способствует изменению климата за счет выбросов трети всех парниковых газов ; [4] Производство SCP не обязательно имеет какой-либо из этих серьезных недостатков. На сегодняшний день SCP обычно выращивается на сельскохозяйственных отходах и, как таковой, унаследовал экологический и водный след промышленного сельского хозяйства. Однако SCP также может производиться совершенно независимо от сельскохозяйственных отходов посредством автотрофного роста. [5] Благодаря высокому разнообразию микробного метаболизма автотрофные SCP обеспечивают несколько различных способов роста, универсальные возможности переработки питательных веществ и существенно повышенную эффективность по сравнению с сельскохозяйственными культурами. [5] Публикация 2021 года показала, что для производства микробного белка с помощью фотоэлектрической энергии можно использовать в 10 раз меньше земли для эквивалентного количества белка по сравнению с выращиванием сои. [1]

Поскольку к 2050 году население мира достигнет 9 миллиардов человек, существуют убедительные доказательства того, что сельское хозяйство не сможет удовлетворить спрос [6] и что существует серьезный риск нехватки продовольствия. [7] [8] Автотрофный SCP представляет собой вариант безотказного массового производства продуктов питания, который может надежно производить пищу даже в суровых климатических условиях. [5]

История

В 1781 году были налажены процессы приготовления высококонцентрированных форм дрожжей. Исследования технологии одноклеточного белка начались сто лет назад, когда Макс Дельбрюк и его коллеги обнаружили высокую ценность излишков пивных дрожжей в качестве кормовой добавки для животных. [9] Во время Первой и Второй мировых войн дрожжевые SCP-объекты широко применялись в Германии для борьбы с нехваткой продовольствия во время войны. Изобретения по производству SCP часто представляли собой вехи в биотехнологии в целом: например, в 1919 году Сак в Дании и Хейдук в Германии изобрели метод под названием «Zulaufverfahren» (« подпитка» ), при котором сахарный раствор непрерывно подавался в аэрированную суспензию. дрожжей вместо однократного добавления дрожжей в разбавленный раствор сахара ( замес ). [9] В послевоенный период Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) в 1960 году подчеркнула проблемы голода и недоедания в мире и представила концепцию дефицита белка, показав, что 25% населения мира страдает от дефицита белка. потребления белка в своем рационе. [9] Были также опасения, что сельскохозяйственное производство не сможет удовлетворить растущие потребности человечества в продовольствии. К середине 60-х годов в разных частях мира производилось почти четверть миллиона тонн пищевых дрожжей, а только в Советском Союзе к 1970 году было произведено около 900 тысяч тонн пищевых и кормовых дрожжей. [9]

В 1960-х годах исследователи из British Petroleum разработали то, что они назвали «процессом получения белков из нефти»: технологию производства одноклеточного белка с помощью дрожжей, питаемых восковыми н-парафинами, побочным продуктом нефтеперерабатывающих заводов. Первоначальную исследовательскую работу провел Альфред Шампанья на нефтеперерабатывающем заводе Лавера компании BP во Франции; небольшой пилотный завод начал работу в марте 1963 года, и было разрешено строительство второго пилотного завода на нефтеперерабатывающем заводе Грейнджмут в Великобритании. [10]

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

Идея «пищи из масла» стала довольно популярной к 1970-м годам: в 1976 году Шампанья было удостоено Научной премии ЮНЕСКО [12] , а в ряде стран были построены предприятия по производству парафиновых дрожжей. В основном продукт использовался в качестве корма для птицы и крупного рогатого скота. [13]

Советы проявили особый энтузиазм, открыв крупные заводы «БВК» ( белково-витаминный концентрат , т. е. «белково-витаминный концентрат») рядом со своими нефтеперерабатывающими заводами в Кстово (1973 г.) [14] [15] [16] и Киришах (1974 г.). ). [17] К 1989 году в Министерстве микробиологической промышленности СССР было восемь таких заводов. Однако из-за опасений токсичности алканов в SCP и под давлением движений защитников окружающей среды правительство решило закрыть их или перевести на какой-либо другой микробиологический завод. процессы. [17]

Quorn — это линейка вегетарианских и веганских заменителей мяса, изготовленных из микопротеина Fusarium venenatum , продаваемых в Европе и Северной Америке.

Другой тип аналога мяса на основе одноклеточного белка (в котором, однако, используются не грибы, а бактерии [18] ) — это Calysta . Другими производителями являются Unibio (Дания), Circe Biotechnologie (Австрия) и String Bio (Индия).

Утверждается, что SCP является источником альтернативной или устойчивой пищи. [19] [20]

Производственный процесс

Одноклеточные белки образуются, когда микробы ферментируют отходы (включая древесину, солому, отходы консервных и пищевых предприятий, остатки производства алкоголя, углеводороды или экскременты человека и животных). [21] В процессах производства «электрических продуктов питания» исходными материалами являются электричество, CO 2 и микроэлементы и химические вещества, такие как удобрения. [22] Также возможно получить SCP из природного газа и использовать его в качестве устойчивой пищи. [23] Аналогичным образом, SCP можно получить из пластиковых отходов путем вторичной переработки . [24]

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

Одноклеточный белок должен быть обезвожен до содержания влаги примерно 10% и/или подкислен, чтобы облегчить хранение и предотвратить порчу. Методы повышения концентрации до адекватного уровня и процесс обезвоживания требуют дорогостоящего оборудования, которое не всегда подходит для мелкомасштабных операций. Экономически целесообразно скармливать продукт на месте и вскоре после его производства.

Микроорганизмы

Используемые микробы включают:

Характеристики

Крупномасштабное производство микробной биомассы имеет множество преимуществ перед 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 быстрее и проще отбирать штаммы с высокой урожайностью и хорошим питательным составом по сравнению с селекцией.
  2. Хотя большие части сельскохозяйственных культур, такие как стебли, листья и корни, несъедобны, одноклеточные микроорганизмы можно использовать целиком. В то время как часть съедобной фракции сельскохозяйственных культур непереваривается, многие микроорганизмы перевариваются в гораздо более высоких фракциях. [5]
  3. Микроорганизмы обычно имеют гораздо более высокое содержание белка — 30–70% в сухой массе, чем овощи или зерновые. [27] Аминокислотный профиль многих микроорганизмов SCP часто имеет превосходную питательную ценность, сравнимую с куриными яйцами.
  4. Некоторые микроорганизмы могут вырабатывать витамины и питательные вещества, которые эукариотические организмы, такие как растения, не могут производить или не производят 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-Люнгдала или восстановительной ТСА, могут связывать CO 2 с эффективностью от 2-3 раз [28] до 10 раз эффективнее, чем растения [29] , если также учитывать эффекты фотоингибирования. .
  7. Некоторые бактерии, такие как некоторые гомоацетогенные клостридии, способны осуществлять ферментацию синтез-газа . Это означает, что они могут метаболизировать синтез-газ , газовую смесь CO, H 2 и CO 2 , которую можно получить путем газификации остаточных трудноперерабатываемых биологических отходов, таких как лигноцеллюлоза.
  8. Некоторые бактерии диазотрофны, т.е. способны связывать N 2 из воздуха и, таким образом, независимы от химических азотных удобрений, производство, использование и разложение которых наносит огромный вред окружающей среде, ухудшает здоровье населения и способствует изменению климата. [30]
  9. Многие бактерии могут использовать H 2 для получения энергии, используя ферменты, называемые гидрогеназами . Хотя гидрогеназы обычно высокочувствительны к O 2 , некоторые бактерии способны осуществлять O 2 -зависимое дыхание H 2 . Эта особенность позволяет автотрофным бактериям расти на CO 2 без света с высокой скоростью роста. Поскольку H 2 можно эффективно производить электролизом воды , можно сказать, что 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, приведут к неурожаю в условиях продолжающегося изменения климата . Светонезависимые микроорганизмы, такие как дрожжи, могут продолжать расти ночью.
  11. Культивирование микроорганизмов обычно требует гораздо меньшего расхода воды, чем сельскохозяйственное производство продуктов питания. В то время как глобальный средний водный след (орошение, поверхностные, грунтовые и дождевые воды) 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. Культивирование микроорганизмов не требует плодородной почвы и поэтому не конкурирует с сельским хозяйством. Благодаря низкой потребности в воде выращивание SCP можно осуществлять даже в сухом климате с неплодородной почвой и может обеспечить надежное снабжение продовольствием в засушливых странах.
  13. Фотосинтезирующие микроорганизмы могут достигать более высокой эффективности преобразования солнечной энергии, чем растения, поскольку в фотобиореакторах можно жестко контролировать подачу воды, CO 2 и сбалансированное распределение света.
  14. В отличие от сельскохозяйственной продукции, которая перерабатывается для достижения желаемого качества, с помощью микроорганизмов легче направить производство на достижение желаемого качества. Вместо того, чтобы извлекать аминокислоты из соевых бобов и при этом выбрасывать половину тела растения, микроорганизмы можно генетически модифицировать, чтобы производить или даже секретировать определенную аминокислоту. Однако, чтобы сохранить хорошее признание потребителей, обычно легче получить аналогичные результаты путем скрининга микроорганизмов, уже обладающих желаемым признаком, или дрессировки их посредством селективной адаптации.

Хотя SCP демонстрирует очень привлекательные свойства в качестве питательного вещества для человека, существуют некоторые проблемы, которые сдерживают его внедрение в глобальном масштабе:

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Леже Д., Матасса С., Нур Э., Шепон А., Майло Р., Бар-Эвен А. (июнь 2021 г.). «Производство микробного белка с помощью фотоэлектрической энергии может использовать землю и солнечный свет более эффективно, чем традиционные культуры». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 118 (26): e2015025118. Бибкод : 2021PNAS..11815025L. дои : 10.1073/pnas.2015025118 . ПМЦ  8255800 . ПМИД  34155098.
  2. ^ аб Меконнен М.М., Хоекстра А.Ю. (01.11.2014). «Показатели водного следа для растениеводства160X14002660». Экологические показатели . 46 : 214–223. дои : 10.1016/j.ecolind.2014.06.013 .
  3. ^ abc Тилман Д (май 1999 г.). «Глобальные экологические последствия расширения сельского хозяйства: необходимость устойчивых и эффективных методов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (11): 5995–6000. Бибкод : 1999PNAS...96.5995T. дои : 10.1073/pnas.96.11.5995 . ПМК 34218 . ПМИД  10339530. 
  4. ^ Вермюлен С.Дж., Кэмпбелл Б.М., Ингрэм Дж.С. (1 января 2012 г.). «Изменение климата и продовольственные системы». Ежегодный обзор окружающей среды и ресурсов . 37 (1): 195–222. doi : 10.1146/annurev-environ-020411-130608 .
  5. ^ abcde Богдан I (17 сентября 2015 г.). «Независимое от сельского хозяйства, устойчивое, надежное и эффективное производство продуктов питания с использованием автотрофного одноклеточного белка». Препринты PeerJ . doi : 10.7287/peerj.preprints.1279 .
  6. ^ Чаллинор А.Дж., Уотсон Дж., Лобелл Д.Б., Хауден С.М., Смит Д.Р., Четри Н. (01.01.2014). «Метаанализ урожайности сельскохозяйственных культур в условиях изменения климата и адаптации» (PDF) . Природа Изменение климата . 4 (4): 287–291. Бибкод : 2014NatCC...4..287C. дои : 10.1038/nclimate2153.
  7. ^ Годфрей Х.К., Беддингтон Дж.Р., Крут И.Р., Хаддад Л., Лоуренс Д., Мьюир Дж.Ф. и др. (февраль 2010 г.). «Продовольственная безопасность: задача накормить 9 миллиардов человек». Наука . 327 (5967): 812–818. Бибкод : 2010Sci...327..812G. дои : 10.1126/science.1185383 . ПМИД  20110467.
  8. ^ Уиллер Т., фон Браун Дж. (август 2013 г.). «Изменение климата влияет на глобальную продовольственную безопасность». Наука . 341 (6145): 508–513. Бибкод : 2013Sci...341..508W. дои : 10.1126/science.1239402. PMID  23908229. S2CID  8429917.
  9. ^ abcd Угальде У.О., Кастрилло Дж.И. (2002). Прикладная микология и биотехнология. Том 2: Сельское хозяйство и производство продуктов питания . Эльзевир Наука. стр. 123–149. ISBN 978-0-444-51030-3.
  10. ^ Бамберг Дж. Х. (2000). British Petroleum и мировая нефть, 1950–1975: вызов национализма. Том 3 журнала British Petroleum and Global Oil 1950–1975: Проблема национализма, серия JH Bamberg British Petroleum. Издательство Кембриджского университета. стр. 426–428. ISBN 978-0-521-78515-0.
  11. ^ Доэль HW (1994). Развитие микробных процессов. Всемирная научная. п. 205. ИСБН 9789810215156.
  12. ^ «Научная премия ЮНЕСКО: Список лауреатов» . ЮНЕСКО. 2001. Архивировано из оригинала 10 февраля 2009 года . Проверено 7 июля 2009 г.
  13. ^ Национальный исследовательский совет (США). Совет по науке и технологиям в целях международного развития (1983). Семинар по одноклеточному белку: краткий отчет, Джакарта, Индонезия, 1–5 февраля 1983 г. Издательство Национальной академии наук. п. 40.
  14. ^ Шабад Т (10 ноября 1973 г.). «Советский завод по переработке нефти в белок для кормов; использование дрожжей». Нью-Йорк Таймс .
  15. ^ «РусВинил - Краткое изложение социальных проблем» (PDF) . Европейский банк реконструкции и развития . 14 февраля 2008 г. Архивировано (PDF) из оригинала 27 сентября 2022 г.
  16. ^ Первенец микробиологической промышленности. Архивировано 27 марта 2019 г. на Wayback Machine (первый завод микробиологической промышленности), в: Станислав Марков (Станислав Марков) «Кстово – молодой город России» ( Кстово, молодой город России ).
  17. ^ ab КИРИШИ: ЗЕЛЕНАЯ ИСТОРИЯ УСПЕХА? Архивировано 7 августа 2009 г. в Wayback Machine (Российский список Джонсона, 19 декабря 2002 г.).
  18. ^ EOS, апрель 2019 г., стр. 52.
  19. ^ Линдер Т. (апрель 2019 г.). «Обоснование того, что съедобные микроорганизмы являются неотъемлемой частью более устойчивой и устойчивой системы производства продуктов питания». Продовольственная безопасность . 11 (2): 265–278. дои : 10.1007/s12571-019-00912-3 . ISSN  1876-4525. S2CID  255611995.
  20. ↑ Ритала А., Хаккинен С.Т., Тойвари М., Вибе М.Г. (1 марта 2017 г.). «Одноклеточный белок: современное состояние, промышленный ландшафт и патенты 2001–2016 гг.». Границы микробиологии . 8 : 2009. doi : 10.3389/fmicb.2017.02009 . ПМК 5645522 . ПМИД  29081772. 
  21. ^ аб Врати С (1983). «Продуцирование одноклеточного белка фотосинтезирующими бактериями, выращенными на осветленных стоках биогазовой установки». Прикладная микробиология и биотехнология . 19 (3): 199–202. дои : 10.1007/BF00256454. S2CID  36659986.
  22. ↑ Боффи Д. (29 июня 2019 г.). «Планируем продать 50 миллионов блюд, приготовленных из электричества, воды и воздуха».
  23. ^ Гарсиа Мартинес Дж. Б., Пирс Дж. М., Труп Дж., Кейтс Дж., Лакнер М., Денкенбергер, округ Колумбия (2022). «Метановый одноклеточный белок: потенциал для обеспечения глобальных поставок белка от катастрофических продовольственных потрясений». Границы биоинженерии и биотехнологии . 10 : 906704. дои : 10.3389/fbioe.2022.906704 . ПМЦ 9358032 . ПМИД  35957636. 
  24. ^ Шерер Л.Г., Ву Р., Путман Л.И., Пирс Дж.М., Лу Т., Шоннард Д.Р. и др. (февраль 2023 г.). «Убить двух зайцев одним выстрелом: химическая и биологическая переработка полиэтилентерефталатных пластиков в продукты питания». Тенденции в биотехнологии . 41 (2): 184–196. дои : 10.1016/j.tibtech.2022.06.012 . PMID  36058768. S2CID  252034899.
  25. ^ аб Иварсон К.К., Морита Х (март 1982 г.). «Продуцирование одноклеточного белка кислототолерантным грибом Scytalidium acidophilum из кислых гидролизатов макулатуры». Прикладная и экологическая микробиология . 43 (3): 643–647. Бибкод : 1982ApEnM..43..643I. дои : 10.1128/aem.43.3.643-647.1982. ПМК 241888 . ПМИД  16345970. 
  26. ↑ Личфилд Дж. Х. (16 марта 1989 г.). «Одноклеточные белки». У Маркса Дж.Л. (ред.). Революция в биотехнологии . Издательство Кембриджского университета. стр. 71–81. ISBN 978-0-521-32749-7.
  27. ^ «Что такое одноклеточный белок (SCP)? Определение и свойства» . Официальные VDS .
  28. ^ Бойл Н.Р., Морган Дж.А. (март 2011 г.). «Расчет метаболических потоков и эффективности биологической фиксации углекислого газа». Метаболическая инженерия . 13 (2): 150–158. дои : 10.1016/j.ymben.2011.01.005. ПМИД  21276868.
  29. ^ Бар-Эвен А., Нур Э., Льюис Н.Э., Майло Р. (май 2010 г.). «Проектирование и анализ путей фиксации синтетического углерода». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (19): 8889–8894. Бибкод : 2010PNAS..107.8889B. дои : 10.1073/pnas.0907176107 . ПМЦ 2889323 . ПМИД  20410460. 
  30. ^ Галлоуэй Дж.Н., Абер Дж.Д., Эрисман Дж.В., Зейтцингер С.П. , Ховарт Р.В., Коулинг Э.Б., Косби Б.Дж. (1 апреля 2003 г.). «Азотный каскад». Бионаука . 53 (4): 341–356. doi : 10.1641/0006-3568(2003)053[0341:TNC]2.0.CO;2 . ISSN  0006-3568. S2CID  3356400.
  31. ^ аб Халас А, Лаштити Р (1990-12-07). Использование дрожжевой биомассы в производстве продуктов питания. ЦРК Пресс. ISBN 9780849358661.
  32. ^ Баич Б., Вучурович Д., Васич Д., Евтич-Мучибабич Р., Додич С. (декабрь 2022 г.). «Биотехнологическое производство устойчивых микробных белков из отходов и побочных продуктов агропромышленного производства». Еда . 12 (1): 107. doi : 10.3390/foods12010107 . ПМЦ 9818480 . ПМИД  36613323. 
  33. ^ abcde «Высокотехнологичные устойчивые пищевые решения». ALLFED – Альянс по спасению Земли от стихийных бедствий . Архивировано из оригинала 23 сентября 2023 г. Проверено 15 декабря 2023 г.
  34. ^ «Процесс улавливания углерода делает нефть экологически безопасной». Программа НАСА по передаче технологий . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.
  35. ^ abc Lamb C (2 августа 2019 г.). «Киверди использует технологию НАСА для производства белка, корма для рыб и пальмового масла из CO2». Ложка .
  36. ^ аб «О программе». Киверди . Эйр Протеин Инк.
  37. ^ "Воздушный белок Киверди". Киверди . Эйр Протеин Инк.
  38. ^ "Белок". Юнибио . Архивировано из оригинала 25 марта 2023 г. Проверено 15 декабря 2023 г.
  39. ^ Circe.at. «Одноклеточные белки». Цирцея.at . Архивировано из оригинала 31 октября 2023 г. Проверено 15 декабря 2023 г.
  40. ^ «Представляем постбиотический культивированный белок Superbrewed Food» . Fi Global Insights . 21 июня 2022 г. Архивировано из оригинала 22 сентября 2023 г. Проверено 15 декабря 2023 г.
  41. ^ Спанохе Дж. «Фиолетовые бактерии как тип SCP». Университет Антверпена. Архивировано из оригинала 12 декабря 2019 года.
  42. ↑ Фрост Р. (30 июля 2020 г.). «Стали бы вы есть синие водоросли, чтобы спасти планету?». Евроньюс .
  43. ↑ Райт Дж. (12 февраля 2018 г.). «Новое питательное вещество для аквакультуры из микробов, потребляющих углеродные отходы». Глобальный альянс морепродуктов .
  44. ^ Джонс С.В., Карполь А., Фридман С., Мару Б.Т., Трейси Б.П. (февраль 2020 г.). «Последние достижения в использовании одноклеточного белка в качестве кормового ингредиента в аквакультуре». Современное мнение в области биотехнологии . 61 : 189–197. дои : 10.1016/j.copbio.2019.12.026 . ПМИД  31991311.
  45. ↑ Терри М (13 мая 2019 г.). «Питер Роу из Deep Branch Bio хочет спасти планету» . BioSpace.com .
  46. ^ «BioCity инвестирует в стартап по переработке углерода, Deep Branch Biotechnology» . BioCity Group Ltd. 24 апреля 2019 г. Архивировано из оригинала 28 марта 2020 г.

Внешние ссылки