Белковые концентраты из биомассы микроорганизмов

Специалисты Института питания РАМН считают наиболее применимыми для массового неконтролируемого питания высокоочищенные препараты, такие, как белковые концентраты и изоляты. При этом по химическому составу белковые концентраты из биомассы микроорганизмов должны содержать не менее 60 % белка, не более 1 % липидов и не более 2 % нуклеиновых кислот, углеводы не нормируются.

Белковые изоляты должны содержать не менее 80 % белка, не более 1 % липидов, не более 2 % нуклеиновых кислот и небо- лее 5 % углеводов.

Технологические различия при производстве белковых концентратов и изолятов сводятся к тому, что при получении концентратов частично разрушают клеточную оболочку и извлекают нежелательные компоненты, в первую очередь нуклеиновые кислоты и липиды, белок и углеводы остаются в клетке. При получении белковых изолятов обычно полностью разрушают клеточную оболочку и экстрагируют белок и большинство внутриклеточных компонентов, затем проэкстрагированиый белок освобождают от сопутствующих веществ.

Необходимость получения очищенных белковых продуктов обусловлена предъявляемыми к ним требованиями. Во-первых, очистка белка должна обеспечивать необходимую продолжительность хранения. В этом отношении важно удалить реакционноспособные и легкоокисляемые компоненты, прежде всего липиды. Взаимодействие продуктов окисления липидов и белков приводит к падению питательно-физиологических показателей продукта, а именно растворимости, интенсивному развитию окраски, снижению пищевой ценности (в основном за счет деструкции остатков лизина и метионина в белках). Другой причиной ограничения содержания микробного жира в готовых продуктах является то, что липиды микроорганизмов отличаются по химическому составу от липидов традиционных продуктов питания растительного и животного происхождения и, как показали медико-биологические испытания, могут проявлять токсичность. Во-вторых, белковые продукты должны быть очищены от токсических компонентов, например нуклеиновых кислот, неконтролируемое поступление которых в организм человека может способствовать возникновению заболеваний» связанных с отложением уреатов во внутренних органах. Однако нуклеиновые кислоты в небольших количествах содержатся во многих продуктах, напри­мер в сыре, мясе, рыбе, горохе, и способствуют усилению вкуса определенных продуктов и устранению неприятного запаха.

В процессе обработки биомассы может происходить ухудшение качества белка в результате следующих процессов:

уменьшения содержания незаменимых аминокислот;

снижения доступности аминокислот;

образования D-изомеров аминокислот;

      • образования неспецифических аминокислот.

 Известно, что потребность организма человека в отдельных аминокислотах весьма различна и в принципе существует соотношение аминокислот, наилучшим образом отвечающее его конст­руктивным и функциональным потребностям. Это соотношение рассматривается как оптимальное, его еще называют идеальной аминограммой.

В нативном состоянии белок биомассы микроорганизма обычно хорошо сбалансирован, за исключением лишь серосодержащих аминокислот, аминокислотный скор которых составляет 70— 80%. Поэтому их называют первыми лимитирующими аминокислотами.

Наиболее чувствительны к условиям обработки биомассы цистеин, метионин, тирозин, фенилаланин и триптофан. При этом серосодержащие и ароматические аминокислоты разрушаются в сильнощелочных условиях, а триптофан — в сильнокислых.

Обработка дрожжевой биомассы при рН > 10, температуре 40*С в течение 1 ч приводит к снижению аминокислотного скора по серосодержащим практически до 0, а по ароматическим — до 20 %.

Частным случаем снижения содержания незаменимых аминокислот является снижение их доступности. В первую очередь это относится к лизину.

Практически показано, что обработка белка в сильнощелочных условиях при повышенных температурах приводит к блокированию е-аминогруппы лизина и снижению его доступности. При этом в бактериальной биомассе содержится меньше доступного лизина, чем в дрожжевой.

Обработка микробной биомассы в сильнощелочных условиях наряду с уменьшением содержания незаменимых аминокислот приводит к образованию неспецифических аминокислот, таких, как лизиноаланин. При обработке белка дрожжей при рН 12 образуется около 5 % неидентифицируемых аминокислот, являющихся продуктами химической трансформации наиболее неустойчивых в щелочной среде аминокислот: лизина, фенилаланина, тирозина, цистеина и метионина.

Известно, что реакция рацемизации катализируется как гидроксильной группой, так и ионами водорода. Однако гидроксильная группа в качестве катализатора на порядок более эффективна. В результате этого 3-часовая экспозиция микробного белка при рН 12 приводит к образованию от 10 до 30% D-изомеров. При этом по степени рацемизации аминокислоты располагаются в следующий ряд: Аsр > Аlа > Рhе > Glu > Меt. Вопрос о специфической токсичности D-аминокислот изучался многими авторами. Показано, что наибольшей токсичностью обладают белки, содержащие D-аспарагиновую кислоту или более чем одну D-амино- кислоту.

Таким образом, для сохранения нативного аминокислотного состава биомассу микроорганизмов следует обрабатывать или в слабощелочных условиях при рН 7—10, или в кислой среде.

Стадия экстракции липидов. Эта стадия одинакова для процессов получения белковых концентратов и изолятов.

Принципиальная возможность использования того или иного способа отделения белковой системы от липидов в значительной степени определяется фракционным составом последних и состоянием в системе. Так, липиды молока имеют достаточно простой состав (97% триглицеридов), находятся в эмульгированном состоянии и могут быть отделены простым сепарированием.

Растительные липиды, например входящие в состав соевых бобов, имеют более сложный фракционный состав и более прочно связаны с белками. Поэтому основные принципы обезжиривания соевой муки основаны на обработке органическими растворителями, например гексаном или пищевым бензином.

Микроорганизмы имеют очень сложный фракционный состав липидов, в том числе могут содержать до 50 % наиболее реакционноспособных фосфолипидов. Поэтому дня экстракции микробных липидов используют в основном полярные органические растворители, такие, как метанол, этанол, изопропанол.

Разработано несколько способов разделения белков и липидов без использования органических растворителей. Очень перспективной, в частности, является экстракция сжиженными газами, например диоксидом углерода или хладонами. Эти вещества негорючи и разрешены к применению в пищевой промышленности.

При экстракции белка из микробной биомассы липиды обычно соэкстрагируются с ним в солюбилизированном состоянии. При добавлении в полученную водно-белковую систему мочевины и комплексонов, подавляющих ассоциацию молекул белка и белково-липидные взаимодействия которых опосредованы катионами металлов, липиды, концентрируемые в верхней части системы, удаляют путем сепарирования.

Способы удаления нуклеиновых кислот. Способы, используемые при производстве белковых концентратов, могут быть разделены на две группы: химические и ферментативные.

Химические способы денуклеинизации основаны на кислотном или щелочном гидролизе нуклеиновых кислот клетки, переходе продуктов гидролиза в водную среду и дальнейшем отделении.

Кислотную обработку биомассы обычно проводят при рН 0,5 —5, температуре 20...50*С в течение от 20 мин до 2 ч, иногда в присутствии спирта, тогда как щелочная обработка осуществляется при Ph 7—10,5, температуре 25...65*С в течение 10—16 ч.

Наиболее известный ферментативный способ денуклеинизации — метод так называемого теплового шока, основанный на выдерживании суспензии биомассы при повышенной температуре 70*С) в течение от 30 мин до 3—4 ч, в ходе которого нуклеиновые кислоты разрушаются, а продукты их распада переходят в буферную(?) среду, которую затем отделяют. Механизм этого процесса состоит в том, что при такой выдержке активируются эндонуклеазы и в начальный момент обработки происходит развертывание нуклеиновых кислот внутри клетки, в результате чего они стано­вятся более реакционноспособными по отношению к ферментам. Конечное содержание нуклеиновых кислот в концентрате при та­кой обработке не превышает 1,5%. Известны и иные методы, в частности обработка биомассы экзонуклеазами позволяет полу­чить продукт с остаточным содержанием нуклеиновых кислот не более 0,5 %.

Наиболее известным процессом получения белкового концент­рата из биомассы микроорганизмов является процесс, разработан­ный фирмой «Уде-Хехст» (Германия) (рис. 22.7).

Полученный по этой схеме готовый продукт содержит до 90 % белка, не более 0,5 — 3,5 % липидов, 0,5 —4,5 % нуклеиновых кислот.

Представленная схема является комплексной, поскольку наряду с белковым концентратом в едином процессе получают биолипиды (после выпарки) и препарат, представляющий смесь пептидов к нуклеотидов.

Неполным вариантом получения белкового концентрата является процесс получения денуклеинизированной биомассы бактерий Methyliphilus methylotrophus предложенный фирмой ICI (Великобритания) (рис. 22.8). Согласно схеме биомассу бактерий подвергают водной обработке, в результате чего получают денуклекнизированную биомассу с содержанием нуклеиновых кислот не более 3 % и экстракт РНК. После сепарации концентрат подается на сушку, а из водной фазы выделяется РНК (преципитат 70—90%-й чистоты). РНК гидролизуется ферментами (например, фосфодиэстеразой) для получения 5'-нуклеотидов (интенсификаторы вкуса) для фармацевтической и косметической промышленности.