Białko jednokomórkowe - Single-cell protein

Białka jednokomórkowe ( SCP ) lub białka drobnoustrojów odnoszą się do jadalnych mikroorganizmów jednokomórkowych . Biomasy lub ekstrakt białkowy z czystych lub mieszanych hodowli alg , drożdży , grzybów lub bakterii, mogą być stosowane jako składnik lub substytut bogatych w białko produktów spożywczych, i nadaje się do spożycia przez ludzi, lub paszy dla zwierząt. Rolnictwo przemysłowe charakteryzuje się dużym śladem wodnym , wysokim wykorzystaniem gruntów, niszczeniem bioróżnorodności, ogólną degradacją środowiska i przyczynia się do zmian klimatycznych poprzez emisję jednej trzeciej wszystkich gazów cieplarnianych , produkcja SCP niekoniecznie wykazuje którąkolwiek z tych poważnych wad. Na dzień dzisiejszy SCP jest powszechnie uprawiany na odpadach rolniczych i jako taki dziedziczy ślad ekologiczny i ślad wodny rolnictwa przemysłowego. Jednak SCP może być również wytwarzany całkowicie niezależnie od odpadów rolniczych poprzez wzrost autotroficzny . Dzięki dużej różnorodności metabolizmu drobnoustrojów autotroficzny SCP zapewnia kilka różnych trybów wzrostu, wszechstronne opcje recyklingu składników odżywczych i znacznie zwiększoną wydajność w porównaniu z uprawami. Publikacja z 2021 r. wykazała, że ​​produkcja białka mikrobiologicznego napędzana energią fotowoltaiczną może zużywać 10 razy mniej ziemi na równoważną ilość białka w porównaniu z uprawą soi.

Przy liczbie ludności na świecie wynoszącej 9 miliardów do 2050 r. istnieją mocne dowody na to, że rolnictwo nie będzie w stanie zaspokoić popytu i że istnieje poważne ryzyko niedoboru żywności. Autotroficzny SCP reprezentuje opcje bezawaryjnej masowej produkcji żywności, która może produkować żywność niezawodnie nawet w trudnych warunkach klimatycznych.

Historia

W 1781 r. powstały procesy otrzymywania wysoko skoncentrowanych form drożdży. Badania nad technologią białek jednokomórkowych rozpoczęły się sto lat temu, kiedy Max Delbrück i jego współpracownicy odkryli wysoką wartość nadwyżek drożdży piwnych jako suplementu diety dla zwierząt. Podczas I i II wojny światowej drożdże-SCP były stosowane na dużą skalę w Niemczech w celu przeciwdziałania niedoborom żywności podczas wojny. Wynalazki do produkcji SCP często stanowiły kamienie milowe dla biotechnologii w ogólności: na przykład w 1919 roku Sak w Danii i Hayduck w Niemczech wynaleźli metodę nazwaną „Zulaufverfahren” (podawanie wsadowe ), w której roztwór cukru był podawany w sposób ciągły do ​​napowietrzonej zawiesiny drożdży zamiast jednokrotnego dodawania drożdży do rozcieńczonego roztworu cukru ( wsad ). W okresie powojennym Organizacja Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) kładła nacisk na problem głodu i niedożywienia na świecie w 1960 roku i wprowadziła pojęcie luki białkowej, pokazując, że 25% światowej populacji miało niedobór spożycia białka w ich diecie. Obawiano się również, że produkcja rolna nie zaspokoi rosnącego zapotrzebowania ludzkości na żywność. W połowie lat 60-tych w różnych częściach świata produkowano prawie ćwierć miliona ton drożdży spożywczych, a sam Związek Radziecki wyprodukował około 900 000 ton do 1970 r. drożdży spożywczych i paszowych.

W latach sześćdziesiątych naukowcy z British Petroleum opracowali to, co nazwali „procesem białka z oleju”: technologię produkcji jednokomórkowego białka przez drożdże karmione woskowymi n-parafinami, produktem ubocznym rafinerii ropy naftowej. Wstępne prace badawcze zostały wykonane przez Alfreda Champagnata w rafinerii BP Lavera we Francji; mały zakład pilotażowy rozpoczął tam działalność w marcu 1963 r. i zatwierdzono tę samą budowę drugiego zakładu pilotażowego, w rafinerii ropy naftowej Grangemouth w Wielkiej Brytanii.

Termin SCP został ukuty w 1966 roku przez Carrolla L. Wilsona z MIT .

Idea „jedzenia z oleju” stała się dość popularna w latach 70. XX wieku, kiedy to w 1976 r. Szampagnat otrzymał Nagrodę Naukową UNESCO , a w wielu krajach zbudowano instalacje do produkcji drożdży parafinowych. Głównym zastosowaniem produktu była pasza dla drobiu i bydła.

W ZSRR były szczególnie entuzjastyczny Duży otwór „bvk” ( belkovo-vitaminny kontsentrat , czyli „białko witaminy koncentrat”) roślin przy ich rafineriach naftowych w Kstovo (1973) i Kiriszy (1974). Radzieckie Ministerstwo Przemysłu Mikrobiologicznego posiadało do 1989 r. osiem tego typu zakładów. Jednak ze względu na obawy o toksyczność alkanów w SCP i naciski ze strony ruchów ekologicznych, rząd zdecydował się je zamknąć lub przestawić na inne procesy mikrobiologiczne.

Quorn to gama wegetariańskie i wegańskie mięso zamienników wykonanych z Fusarium venenatum mycoprotein , sprzedawane w Europie i Ameryce Północnej.

Innym rodzajem analogu mięsa na bazie jednokomórkowego białka (w którym nie wykorzystuje się grzybów, lecz bakterie) jest Calysta .

Proces produkcji

Białka jednokomórkowe powstają, gdy drobnoustroje fermentują odpady (w tym drewno, słomę, konserwy i odpady z przetwórstwa żywności, pozostałości z produkcji alkoholu, węglowodory lub odchody ludzkie i zwierzęce). W procesach „elektrycznej żywności” wkładami są energia elektryczna, CO
2 oraz minerały śladowe i chemikalia, takie jak nawozy.

Problem z ekstrakcją białek jednokomórkowych z odpadów to rozcieńczenie i koszt. Występują w bardzo niskich stężeniach, zwykle poniżej 5%. Inżynierowie opracowali sposoby zwiększania stężeń, w tym wirowanie, flotację, wytrącanie, koagulację i filtrację lub stosowanie membran półprzepuszczalnych.

Białko jednokomórkowe musi zostać odwodnione do około 10% zawartości wilgoci i/lub zakwaszone, aby ułatwić przechowywanie i zapobiec psuciu się. Metody zwiększania stężeń do odpowiednich poziomów oraz proces odwadniania wymagają sprzętu, który jest drogi i nie zawsze nadaje się do operacji na małą skalę. Rozsądne ekonomicznie jest podawanie produktu lokalnie i wkrótce po jego wytworzeniu.

Mikroorganizmy

Wykorzystywane drobnoustroje obejmują:

Nieruchomości

Produkcja biomasy mikrobiologicznej na dużą skalę ma wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi metodami wytwarzania białek do żywności lub pasz.

  1. Mikroorganizmy mają znacznie szybsze tempo wzrostu (glony: 2–6 godzin, drożdże: 1–3 godziny, bakterie: 0,5–2 godziny). Pozwala to również na szybką i łatwą selekcję szczepów o wysokiej wydajności i dobrym składzie odżywczym w porównaniu do hodowli.
  2. Podczas gdy duże części upraw, takie jak łodygi, liście i korzenie nie są jadalne, mikroorganizmy jednokomórkowe mogą być wykorzystane w całości. Podczas gdy części jadalnej frakcji upraw są niestrawne, wiele mikroorganizmów jest strawnych w znacznie wyższej frakcji.
  3. Mikroorganizmy mają zwykle znacznie wyższą zawartość białka w suchej masie 30–70% niż warzywa czy ziarna. Profile aminokwasowe wielu mikroorganizmów SCP często mają doskonałą jakość odżywczą, porównywalną do jaja kurzego.
  4. Niektóre mikroorganizmy mogą wytwarzać witaminy i składniki odżywcze, których organizmy eukariotyczne, takie jak rośliny, nie są w stanie wyprodukować lub nie produkują w znacznych ilościach, w tym witamina B12.
  5. Mikroorganizmy mogą wykorzystywać szerokie spektrum surowców jako źródła węgla, w tym alkany, metanol, metan, etanol i cukry. To, co zostało uznane za „produkt odpadowy”, często może być odzyskiwane jako składniki odżywcze i wspomagać wzrost jadalnych mikroorganizmów.
  6. Podobnie jak rośliny, mikroorganizmy autotroficzne są zdolne do wzrostu na CO 2 . Niektóre z nich, takie jak bakterie ze ścieżką Wood-Ljungdahl lub redukcyjnym TCA, mogą wiązać CO
    2    od 2-3, do 10 razy wydajniej niż rośliny, biorąc również pod uwagę efekty fotoinhibicji .
  7. Niektóre bakterie, takie jak kilka homoacetogennych Clostridia, są zdolne do przeprowadzania fermentacji gazu syntezowego . Oznacza to, że metabolizują gazu syntezowego , mieszaniny gazowej CO, H 2 i CO 2 , którą można wytworzyć przez zgazowanie resztkowych trudnych bioodpadów, takie jak lignocelulozowy.
  8. Niektóre bakterie są diazotrophic, czyli można je naprawić N 2 z powietrza, a zatem są niezależne od N-chemicznego nawozu, którego produkcja, wykorzystanie i degradacja powoduje ogromne szkody dla środowiska naturalnego, zdrowia publicznego pogarsza się, a zmiana Fosters klimat.
  9. Wiele bakterii może wykorzystywać H 2 do dostarczania energii za pomocą enzymów zwanych hydrogenazami . Podczas gdy hydrogenazy są zwykle bardzo wrażliwe na O 2 , niektóre bakterie są zdolne do wykonywania zależnego od O 2 oddychania H 2 . Ta cecha pozwala autotroficznym bakteriom rosnąć na CO 2 bez światła z szybkim tempem wzrostu. Ponieważ H 2 mogą być efektywnie przez elektrolizę wody , w pewnym sensie, te bakterie mogą być „zasilany prądem”.
  10. Produkcja biomasy mikrobiologicznej jest niezależna od zmienności sezonowej i klimatycznej i może być łatwo chroniona przed ekstremalnymi zdarzeniami pogodowymi, które mogą powodować nieudane uprawy w związku z trwającą zmianą klimatu . Mikroorganizmy niezależne od światła, takie jak drożdże, mogą nadal rosnąć w nocy.
  11. Hodowla mikroorganizmów ma na ogół znacznie mniejszy ślad wodny niż rolnicza produkcja żywności. Podczas gdy globalny średni niebiesko-zielony ślad wodny (nawadnianie, woda powierzchniowa, gruntowa i deszczowa) upraw osiąga około 1800 litrów na kg uprawy z powodu parowania, transpiracji, drenażu i spływu, zamknięte bioreaktory wytwarzające SCP nie wykazują żadnej z tych przyczyn.
  12. Hodowla mikroorganizmów nie wymaga żyznej gleby i dlatego nie konkuruje z rolnictwem. Dzięki niskim zapotrzebowaniu na wodę uprawa SCP może odbywać się nawet w suchym klimacie o nieurodzajnej glebie i może stanowić sposób na bezpieczne zaopatrzenie w żywność w krajach suchych.
  13. Mikroorganizmy fotosyntetyczne mogą osiągnąć wyższą wydajność konwersji energii słonecznej niż rośliny, ponieważ w fotobioreaktorach dostarczanie wody, CO 2 i zrównoważony rozkład światła mogą być ściśle kontrolowane.
  14. W przeciwieństwie do produktów rolnych, które są przetwarzane w celu uzyskania pożądanej jakości, mikroorganizmom łatwiej jest ukierunkować produkcję na pożądaną jakość. Zamiast wydobywać aminokwasy z ziaren soi i wyrzucać w tym procesie połowę ciała rośliny, mikroorganizmy mogą być modyfikowane genetycznie, aby nadprodukować lub nawet wydzielać określony aminokwas. Jednakże, aby utrzymać dobrą akceptację konsumentów, zwykle łatwiej jest uzyskać podobne wyniki poprzez badanie przesiewowe pod kątem mikroorganizmów, które już mają pożądaną cechę lub wytrenowanie ich poprzez selektywną adaptację.

Chociaż SCP wykazuje bardzo atrakcyjne właściwości jako składnik odżywczy dla ludzi, istnieją jednak pewne problemy, które powstrzymują jego przyjęcie na skalę globalną:

  • Szybko rosnące mikroorganizmy, takie jak bakterie i drożdże, mają wysokie stężenie kwasu nukleinowego , zwłaszcza RNA. Poziomy muszą być ograniczone w dietach zwierząt monogastrycznych do <50 g na dzień. Spożycie związków purynowych powstających w wyniku rozpadu RNA prowadzi do zwiększonego poziomu kwasu moczowego w osoczu , co może powodować dnę moczanową i kamienie nerkowe . Kwas moczowy można przekształcić w alantoinę , która jest wydalana z moczem. Usuwanie kwasu nukleinowego nie jest konieczne z pasz zwierzęcych, ale pochodzi z żywności przeznaczonej dla ludzi. Utrzymanie temperatury na poziomie 64 °C dezaktywuje proteazy grzybowe i umożliwia . Problem ten można jednak zaradzić. Jedna z powszechnych metod polega na obróbce cieplnej, która zabija komórki, dezaktywuje proteazy i umożliwia endogennym RNazom hydrolizę RNA z uwolnieniem nukleotydów z komórki do bulionu hodowlanego.
  • Podobnie jak komórki roślinne, ściana komórkowa niektórych mikroorganizmów, takich jak algi i drożdże, zawiera niestrawne składniki, takie jak celuloza. Komórki pewnego rodzaju SCP powinny zostać rozbite w celu uwolnienia wnętrza komórki i umożliwienia całkowitego trawienia.
  • Jakiś rodzaj SCP wykazuje nieprzyjemny kolor i smak.
  • W zależności od rodzaju SCP i warunków hodowli, należy zachować ostrożność, aby zapobiegać i kontrolować skażenie innymi mikroorganizmami, ponieważ zanieczyszczenia mogą wytwarzać toksyny, takie jak mykotoksyny lub cyjanotoksyny. Ciekawe podejście do rozwiązania tego problemu zostało zaproponowane z grzybem Scytalidium acidophilum, który rośnie przy pH tak niskim, jak 1. Pozwala to na hydrolizę odpadów papierniczych do pożywki cukrowej i tworzy warunki aseptyczne przy niskich kosztach.
  • Niektóre białka drożdży i grzybów mają tendencję do niedoboru metioniny .

Zobacz też

Bibliografia