Микроорганизмы — продуценты белка

К микроорганизмам, широко используемым в микробиологической промышленности для получения микробной биомассы и продуктов метаболизма, относятся бактерии, микроскопические грибы, актиномицеты и дрожжи.

Практически все эти группы микроорганизмов могут быть использованы с большей или меньшей эффективностью в био-трансформации вторичного сельскохозяйственного сырья. Высокая эффективность целлюлолитических бактерий Calulommas отмечена при введении в состав растительных силосов совместно с соломой. При помощи молочнокислых бактерий рода Lactobacillus перспективна биотрансформация коричневого сока зеленых растений с целью стабилизации белковых веществ сока обогащения его органическими кислотами и пробиотическими свойствами. Ацидофильные бактерии выращиваются на навозной жиже с добавлением некоторых легкоусваиваюшихся источников углерода (меласса, метанол, глюкоза). Получаемая при этом биомасса содержит до 71% сырого белка.

Культивирование пропионовокислых бактерий на разбавленном свином навозе позволяет получить белковый препарат с содержанием сырого протеина 29.6—36,5%. При добавлении к разбавленному свиному навозу маточной сыворотки после ферментации пропионовокислых бактерий при температуре 20-30⁰С з течение 42-48 часов можно получить препарат, обогащенный белком и содержащий в то же время значительное количество витаминов В₁₂.

Наиболее интенсивно процесс протеинизации вторичного сельскохозяйственного сырья идет при активном перемешивании аэрации, повышенной температуре и использовании термофильных бактерий. Однако, такая интенсификация процесса биотрансформации неизбежно сопровождается значительным повышением затрат на его реализацию, что нередко заставляет использовать в практической жизни менее дорогостоящие технологии.

В последние годы одним из перспективных направлений утилизации сельскохозяйственных отходов признается переработка их путем выращивания бактерий в анаэробных условиях с получением биогаза и плотного остатка как ценного удобрения. В то же время обработка разжиженных отходов (1—4% сухого остатка) анаэробной ферментацией с производством биогаза становится реальной только при сгущении жидких экскрементов седиментацией. Высокая степень сгущения исходного навоза, например, позволяет повысить энергетический коэффициент анаэробной переработки. Однако сгущение обязательно будет сопровождаться формированием значительно большего количества малоконцентрированных стоков, которое выпадает из сферы деятельности процесса анаэробной ферментации.

Образование в современном агропромышленном комплексе огромных масс малоконцентрированных жидких отходов в значительной степени обусловило интерес к микроводорослям как к возможному фактору биотрансформации подобных отходов. Биомассу водорослей предполагается использовать не только как компонент кормов, но и как исходное сырье для производства пищевых продуктов, витаминов и других ценных веществ.

Недостатком микроскопических водорослей и большинства бактерий является их неспособность или весьма низкая способность потреблять такие полимеры, как целлюлоза, гемииеллюло-за, лигнин, которые составляют основную массу сухого остатка сельскохозяйственных отходов. В этом плане особую группу составляют микроскопические грибы, среди которых достаточно широко распространена способность парализовать и потреблять эти высокомолекулярные вещества.

Необходимость создания индустриальной технологии производства кормового и пищевого белка путем микробиологической конверсии растительного сырья стимулировала поиск микромицетов, разлагающих не только углеводный, но и лигниновый компонент субстратов. Был обнаружен ряд мииелиальных грибов, обладающих мощными комплексами целлюлолитических и лигнолитических ферментов. Мииелиальные грибы способны синтезировать как полный набор целлюлозосодержаших ферментов так и отдельные ферменты, например ксиланазы, разрушающие более доступную аморфную целлюлозу или гемицеллюлозу. Грибы синтезируют мацерируюшие ферменты, амилазы, которые также могут играть значительную роль в превращении вторичного сельскохозяйственного сырья в новые, более ценные продукты.

Синтез гидролитических ферментов и накопление биомассы гриба бывают в значительной степени обусловлены составом питательной среды, т.е. того вторичного сырья, которое подвергается трансформации. Целлюлазная, и в особенности целлюлазно-лигниназная, активность микроскопических грибов обеспечивает возможность их использования для прямой биоконверсии лигноцеллюлозных отходов агропромышленного комплекса. Грибы могут культивироваться на жидких средах, содержащих лиг-ноцеллюлозный компонент.

В настоящее время активно изучается твердофазная ферментация отходов с использованием мицелиальных грибов. Так, гриб Pkeurotus ostreatus выращивают на гидролизованном твердом осадке навоза, смешанном с резаной соломой. Целлюлолитический гриб Chaetomium cellulolyticum выращивается на твердой целлюло-зосодержашей среде, в которой в качестве источника минеральных элементов использованы минеральные удобрения или навоз; гриб Humicola культивируют на измельченной соломе с зерновыми добавками, быстрорастущие штаммы фузариев (Fusarium sambucinum, F. ntoniliforme, F. solani) успешно растут на разных иеллюлозолигнинсодержаших отходах.

При прямой бноконверсии плотных отходов агропромышленного комплекса сейчас все большее преимущество отдается термофильным микромицетам. Термофильные (термотолерантные) грибы по сравнению с мезофильными отличаются множественностью форм ферментов, что делает их более приспособленными к внешним термическим условиям. Наиболее перспективными продуцентами биомассы и белка могут оказаться термофильные микромицеты, обладающие к тому же способностью расти в сильнощелочной среде. При этом создаются избирательные условия для роста гриба, ингибируются бактерии и другая микрофлора, которые способны подавить рост большинства грибных культур, не обладающих такими преимущественными свойствами. Однако широкое использование этих микроорганизмов как инструмента прямой биотрансформации вторичного сельскохозяйственного сырья в значительной степени сдерживается. Это обусловлено малой конкурентоспособностью большинства мицелиальных грибов, необходимостью стерилизации трансформируемых субстратов и стерильного ведения процесса культивирования, который к тому же длится довольно долго.

Поиск более технологичных методов биотрансформации растительного сырья в ряде случаев заставляет исследователей переходить от использования мицелиальных грибов к дрожжеподобным грибам, имеющим короткую лаг-фазу, обладающим комплексом гидролитических ферментов и поэтому способным в значительной степени потреблять трудноусваиваемые полисахариды, растущим значительно быстрее по сравнению с мицелиальными грибами и несравненно более стабильными при росте в условиях микробных сообществ, т.е. в относительно стерильных или даже нестерильных условиях. Культуры дрожжеподобных грибов, выделенные из традиционных микробных заквасок Юго-Восточной Азии и переданные Тбилисскому государственному университету, резко изменили направленность работ исследователей этого вуза по биоконверсии растительных субстратов. Дрожжеподобные грибы оказались исключительно перспективными продуцентами биомассы и белка на негидролизованных растительных отходах как при глубинном, так и при твердофазном культи­вировании. Они способны к прямой биоконверсии отходов переработки винограда, плодоовощных отходов, ботвы овощных культур, отходов зернопроизводства и т.п.

Первые работы по изучению возможности культивирования дрожжей на животноводческих стоках в нашей стране проводились по традиционной схеме гидролизного производства. Однако дрожжи, обычно используемые в гидролизном производстве п качестве продуцентов белка, на гидролизатах навоза отличались крайней нестабильностью роста, что в конце концов привело к прекращению работ в этом направлении, которые проводились на свинооткормочном комплексе «Теленешты» (Молдавия). На кислотных гидролизатах плотной фракции навозных стоков выращивали дрожжи и в других странах.

Известна возможность выращивания дрожжей и на негидролизованном навозе. Например, суспензию из твердой и жидкой фракций навоза с различным содержанием твердой фазы засевают дрожжами рода Candida, способными ассимилировать азот из мочевины, аэрируют и перемешивают, поддерживая температуру 28—35°С при рН 4,0—6,5. В результате процесса ферментации образуется продукт, который можно использовать в качестве добавки к корму. Разработан также метод выращивания дрожжей Candida ingenes и Pichia membranofacrens на навозных стоках, предварительно обработанных методом анаэробной ферментации. Образующиеся на первом этапе переработки стоков летучие жирные кислоты служат источником питания дрожжей. Конечные результаты переработки животноводческих стоков — дрожжевая биомасса, очищенная жидкая фракция, используемая для полива сельскохозяйственных угодий, и стабилизированный лигноцеллюлозный остаток, применяемый как удобрение. Использование отходов производства кормовых дрожжей из свиного навоза в качестве удобрения способно повысить суммарный урожай кукурузы на 160-211%.

Сельскохозяйственные отходы, прошедшие процесс микробной ферментации, как органическое удобрение увеличивают прирост массы зеленого корма, содержание пигментов, витаминов и протеина в надземных частях растений. Продукты биоконверсии этих отходов могут успешно заменять минеральные удобрения.

Таким образом, дрожжеподобные грибы можно считать чрезвычайно перспективными продуцентами белка при прямой биотрансформации самых различных видов вторичного сельскохозяйственного сырья. Однако при биотрансформации трудноутилизируемых лигноцеллюлозных отходов наиболее успешно применение ассоциаций микроорганизмов, нередко относящихся к различным таксономическим подразделениям. Подобные закономерности могут быть обнаружены и у дрожжей. Увеличение выхода биомассы может быть достигнуто за счет культивирования ассоциации раз­ных дрожжей, засеянных одномоментно или последовательно. Повышенная эффективность в биосинтезе белка может быть отмечена и у ассоциаций дрожжей с мицелиальными грибами и бактериями, в которых, как правило, грибы и бактерии играют главную роль в подготовке субстрата, а дрожжи являются основными продуцентами микробной биомассы.

В последнее время наряду с вопросами количества микробной биомассы и ее химического состава поднимается также вопрос о технологичности дальнейшей переработки такой биомассы и ее усвояемости. Различными методами, в том числе и методами генетической инженерии, идет поиск культур, легко лизируемых под воздействием ординарных факторов (незначительно повышенная температура, воздействие определенных веществ и т.д.), характеризующихся образованием белков с незаменимыми аминокислотами.

Все эти данные свидетельствуют о чрезвычайно важной роли микроорганизма-продуцента в процессе биотрансформации вторичного сельскохозяйственного сырья и необходимости постоянного поиска все более совершенных продуцентов.