М. Л. Доморощенкова

Всероссийский научно-исследовательский институт жиров (печатается с разрешения автора и редакции журнала "Пищевая промышленность")

Создание промышленных технологий производства концентрированных белковых продуктов из растительного сырья, в частности сои, - одно из основных направлений увеличения ресурсов продовольствия и кормов, совершенствования структуры питания населения.

В большинстве промышленно развитых стран (США, Японии, Бельгии, Дании и др.) уже накоплен практический опыт по переработке сои с получением соевых белков и разнообразного ассортимента высококачественных пищевых продуктов на их основе. Как правило, эти производства работают по экологически чистой безотходной технологии, выпуская помимо пищевых высококонцентрированных белков также высококачественные корма и биологически активные препараты.

Особое внимание к белкам сои обусловлено следующими факторами:

1. Доступность сырья (посевы сои в мире занимают более 70 млн га, общий объем производства семян сои составляет около 160 млн т, с 1 га можно получить до 731 кг белка).
2. Уникальный химический состав семян сои (содержание белка 40%, липидов 20%), обеспечивающий ренельность промышленной переработки.
3. Высокая биологическая и пищевая ценность и хорошие функциональные свойства соевых белковых продуктов.
4. Большой исторический опыт использования продуктов переработки сои в питании.

Современные технологии получения белковых продуктов из растительного сырья строятся на двух основных технологических подходах:

1. Глубокое фракционирование макронутриентов сырья с максимизацией выхода белков, их очистка, концентрированно и при необходимости модификация функциональных и медико-биологических характеристик.
2. Оптимальное фракционирование макро- и микронутриентов сырья с получением белково-липидных и белково-углеводных композитов заданного состава с максимальным сохранением фитохимического потенциала сопутствующих микронутриентов.

Хотя употребление сои в пищу известно уже несколько тысячелетий, в основном оно приходилось на продукты из полножирной сои - соевое молоко, тофу, темпе и т. д. Только в XX в. стали развиваться технологии производства концентрированных соевых белков. В начале века появилась соевая мука, которую получали из целых семян, прессовых жмыхов, а позднее из обезжиренных соевых шротов. Сильный бобовый привкус ограничивал рост рынка соевой муки, поэтому значительные усилия были предприняты для разработки технологий "удаления плохого вкуса".

Для российской пищевой промышленности наибольший интерес представляют белковые продукты из соевого шрота (изоляты, концентраты, обезжиренная мука, текстурированные белки). Технологии их производства можно отнести к первому подходу, так как при их получении ставилась задача достижения максимального выхода белкового компонента после исчерпывающего извлечения липидов.

Обезжиренные соевые продукты можно разделить на три основные группы, которые различаются по содержанию протеина.

Обезжиренная мука и крупа - 52-59%, Концентраты белка - 65-72%, Изоляты белка - 90-92% (сырой протеин в пересчете на сухое вещество).

Изоляты и концентраты - более очищенные формы соевых белков. Они используются в питании без каких-либо ограничений и в совокупности с другими пищевыми компонентами могут служить основным источником белка в рационе человека.

Качество семян сои

Основное сырье для производства соевых белков - семена сои, или точнее, соевый шрот, получаемый после экстракции масла из семян. При выработке всех видов соевых белков необходимо использовать только тщательно очищенные, здоровые, зрелые, желтые семена, калиброванные по размеру. Качество получаемых соевых белков зависит в первую очередь от качества исходных семян сои. Их качество должно быть не ниже, чем у сорта US N2, по американским стандартам и спецификациям на соевые бобы.

Анализ технических предложений инофирм показал, что к семенам сои как к сырью для производства пищевого белка зарубежные фирмы дополнительно предъявляют следующие требования:

Для масличных растений одним из основных биохимических критериев, связанных с качеством белкового комплекса семян, служит изменение кислотного числа масла семян (ядра). При возрастании его выше 1,5-2,0 мг КОН уменьшается общее содержание сырого протеина в семенах, усиливаются процессы гидролитического расщепления белков, что приводит к уменьшению содержания переваримого и усваиваемого протеина.

Показатель влажности семян установлен на уровне 10-13%. Этот показатель в определенной степени гарантирует сохранность качества белковой части семян при хранении, а также сравнительно низкий уровень развития микрофлоры, которая может быть причиной микробиологической порчи ценных компонентов семян и источником заражения пищевых белковых продуктов токсинами. При низком содержании посторонних (сорных) примесей (1,0-2,0%) и битых семян (3,0-10%) также снижается возможность заражения семян микрофлорой и устраняется благоприятная среда для их развития. Кроме того, в этом случае есть возможность получить пищевые продукты с хорошими органо-лептическими характеристиками вследствие снижения в сырье количества окисленных липидов и продуктов их взаимодействия с белками, уменьшения содержания некоторых вредных метаболитов.

Характеристика семян сои US N2

В настоящее время при поставках семян сои в России действует ГОСТ 17109-88 "Соя. Требования при заготовках и поставках". Учитывая, что в него не включен ряд важнейших показателей, которые могут существенно влиять на качество и эффективность производства концентрированных соевых белков, ВНИИЖ разработал специальные требования к соевым семенам как к сырью для производства концентратов и изолятов.

Технологии получения соевых белков

В промышленных технологиях получения соевых белков существуют свои "ноу-хау. Количество комбинаций способов выработки различных продуктов безгранично. Даже при производстве одного вида продукта технологии и оборудование у разных производителей отличаются, что обусловливает небольшие отличия продуктов. Обычно пищевые соевые белки производят на отдельных технологических линиях, а не на тех же линиях, которые используются для производства масла и кормовых шротов, когда из колотых и недостаточно качественных соевых семян в процессе экстракции получают кормовой шрот. Некоторые производители промывают сою для удаления грязи и маленьких камешков.

До настоящего времени большинство соевых белковых продуктов в мире производят из белого лепестка (БЛ -обезжиренный гексаном лепесток, полученный из пищевых сортов очищенных от оболочки соевых семян).

Для производства лепестка с высоким значением PDI/NSI обычно используют систему отгонки растворителя в газовой трубе (флеш) или в перегретых парах растворителя, которую иногда называют "системой получения белого лепестка". Ни на одном из отечественных предприятий таких систем отгонки растворителя из шрота нет.

В России соевый шрот на заводах получают в основном по схеме форпрес-сование-экстракция, когда на прессах производят предварительный съем масла перед экстракцией. Отгонку растворителя из шрота ведут на тостерах-испарителях чанного типа. Продукты экстракции имеют NSI 50 и ниже вследствие денатурации соевого белка под действием влаги и высоких температур. По этим схемам на имеющемся оборудовании в России можно получить только тестированный соевый шрот и из него только тестированную соевую муку.

В настоящее время на территории РФ действует ГОСТ на шрот соевый пищевой, применяемый для производства пищевой соевой муки - ГОСТ 8056-96 "Шрот соевый пищевой. Технические условия". ВНИИЖ разработал специальные требования к соевому шроту для получения концентратов и изолятов соевых белков.

Изоляты соевых белков

Существует много технологических процессов получения изолятов соевых белков. Более предпочтительны технологии, которые основаны на дальнейшей переработке шрота, получаемого после экстракции масла из семян. При этом качество получаемых изолятов оптимально и соответствует ожиданиям потребителей.

Большинство изолятов, поступающих на рынок, производят экстракцией, осаждением и нейтрализацией, проводимыми при заданных значениях рН, и последующей распылительной сушкой полученного продукта. Затем они могут быть обогащены кальцием, если предназначены для использования в качестве заменителя молочных продуктов. Их можно гранулировать, чтобы увеличить плотность, либо лецитинировать для улучшения диспергируемости.

Традиционный процесс производства изолятов

В некоторых технологиях нерастворимый остаток шрота промывают дважды, чтобы увеличить выход протеина. Для производства изолятов следует использовать деионизированную технологическую воду вместо типовой "жесткой" или щелочной воды. Иногда целью является получение изолята, имеющего растворимость при определенных значениях рН, а не просто оптимизация суммарного выхода белка. В этих случаях один продукт выделяют при заданных значениях, а другой продукт - при pH изоэлектрической точки белков.

Другими способами получения, основанным на разнице в молекулярных массах, являются ультрафильтрация (УФ) и обратный осмос (00). УФ обычно используют для удержания на фильтре или, наоборот, пропускания через фильтр молекул в соответствии с размером выбранных пор, а 00 применяют для обезвоживания и концентрирования.

Нет публикаций о практике использования мембранных технологий для производства соевых белковых концентратов и изолятов в США, сообщается только об их применении в Японии и Европе.

Функциональные свойства соевых концентратов и изолятов могут быть модифицированы перед окончательной сушкой продукта путем подведения рН натриевой или кальциевой щелочью и применением механических нагрузок, химической модификацией боковых групп белка, а также с использованием гидролиза протеолитическими ферментами.

Под физическими способами подразумевается нагрев и/или мягкая щелочная обработка, в результате которой происходят структурные изменения во вторичной и в третичной структуре белка без разрыва ковалентных связей. Такие физические изменения могут быть охарактеризованы как денатурация белка. Денатурация в щелочной зоне рН приводит к диссоциации и раскручиванию спирали с образованием вязких растворов или гелей в зависимости от концентрации белка в растворе. Щелочные условия могут приводить также к разрыву дисульфидных связей.

Химические способы предполагают модификацию боковых групп белка путем ацилирования, фосфорилирования, диамидирования для улучшения функциональных характеристик. Более изучен способ модификации ацилированием с использованием ангидрида уксусной кислоты. Эти процессы пока используют только в фундаментальных научных исследованиях.

Промежуток процесса между стадией экстракции белка и его сушкой представляет прекрасные возможности для проведения ферментативной модификации.

Сейчас в промышленных масштабах производят большое количество протеолитических ферментов растительного, микробного и животного происхождения. Они различаются по субстратной специфичности, избирательности гидролиза пептидных связей в зависимости от вида аминокислот, образующих пептидную связь, а также оптимальными условиями, влияющими на скорость реакции (рН, температура, ингибиторы).

Пенообразующие ферментативно модифицированные соевые белки - пример белков для специальных областей использования . Нехватка яичного альбумина стала причиной появления на рынке трех видов пенообразователей (аэрирующих агентов): соевых альбуминов, ферментативных гидролизатов, получаемых на основе сырого соевого изолята и ферментативных гидролизатов, вырабатываемых непосредственно из соевой муки.

Производство соевых белков. Потребности и рынок.

Производство высококонцентрированных соевых белков (изолятов и концентратов) сосредоточено на заводах нескольких фирм в США, Западной Европе, Японии и Израиле, ведущими из которых являются Central Soya и ADM (США), Central Soya Aarhus (Дания), ADM (Голландия), Protein Technology International - РП (США), РTI (Бельгия), Sogip (Франция), Solbar Hatzor (Израиль), Fuji-PTI (Япония), Sanbra (Бразилия).

Данные по объемам производства соевых белковых продуктов в мире отрывочны и практически не публикуются. Считаем, что наиболее достоверные данные по объемам производства изолятов и концентратов приводятся D. Chaiuss , который оценивает объем производства концентратов в мире на уровне 284 тыс. т в год, а объем изолятов 138 тыс. т в год.

Эти данные не учитывают объемов производства соевых белков в развивающихся странах. В последние годы собственное производство концентратов и изолятов соевых белков активно развивается в Индии, Китае. Однако конкретных данных об объемах производства и характеристиках белков, выпускаемых в этих странах, не имеется.

В настоящее время стремительное развитие получили функциональные концентраты, которые в основном производят из концентратов, полученных методом спиртовой экстракции с последующей физической модификацией. Более высокий выход концентратов (48%) из исходного сырья по сравнению с выходом изолятов (26%) при сравнимых функциональных характеристиках позволяет формировать уровень цен на функциональные концентраты ниже, чем на изоляты.

В России соевый белок в виде концентратов и изолятов не вырабатывают. Текстурированную соевую муку производят, используя в качестве исходного сырья импортную соевую муку. Для удовлетворения потребности промышленности и населения в концентратах, изолятах и в текстурированной муке и концентратах их ввозят из других стран: 48% соевых концентратов ввозят в Россию из Дании, 31% из США, 7% из Германии и 6% из Нидерландов. Наибольшие объемы изолятов импортируют из Бельгии - 44%, далее идут Нидерланды (24%) и США (14%).

Согласно экспертной оценке Института потребительского рынка и маркетинга годовая потребность в пищевых растительных белках в России оценивается в 400-450 тыс. т при выпуске продуктов с использованием растительных белков в объеме примерно 10 млн т. Реальная потребность пищевой промышленности России в соевых белках в настоящее время оценивается в 40 тыс. т в год. К 2010 г. эта потребность, по оценкам специалистов, резко возрастет и достигнет 85-100 тыс. т в год.

В настоящее время имеется свыше 300 наименований продукции с использованием соевых белков. Разработанные рецептуры пищевых продуктов прошли соответствующие испытания и рекомендованы к применению Министерством здравоохранения. Большую часть соевых белковых продуктов потребляет мясоперерабатывающая промышленность. Кроме того, соевые белки широко используют в молочной, масложировой, кондитерской, хлебопекарной промышленности, в общественном питании, а также в детском, лечебно-профилактическом, лечебном и диетическом питании.

Использование соевых белков в продуктах питания обеспечивает следующие основные эффекты.

Особое внимание к сое с начала 1990 г. обусловлено тем, что она была отнесена к "функциональным" продуктам питания, т. е. ее добавление в продукты питания рассматривается не просто, как "мясной заменитель или наполнитель", а как компонент, который имеет профилактическое или терапевтическое действие при ряде заболеваний. Все большее внимание в мире уделяется соевому белку как профилактическому средству для предупреждения таких болезней века, как сердечно-сосудистые заболевания, ожирение, диабет, болезни почек и др.

10 ноября 1998 г. Администрация по контролю за продуктами питания и лекарствами США (FDA) официально объявила о соевом белке, как о продукте группы "здоровье". Чтобы продукт относился к этой категории, необходимо, чтобы он содержал, по крайней мере, 6,25 г соевого белка на порцию. Эта цифра основана на том факте, что потребление 25 г соевого белка в день значительно снижает уровень холестерина в крови, а рекомендуется принимать пищу 4 раза в день.

Аминокислотами называются карбоновые кислоты, в углеводородном радикале которых один или несколько атомов водорода замещены аминогруппами. В зависимости от взаимного расположения карбоксильной и аминогрупп различают a -, b -, g - и т.д. аминокислоты. Например ,

Чаще всего термин "аминокислота" применяют для обозначения карбоновых кислот, аминогруппа которых находится в a - положении, т.е. для a - аминокислот. Общую формулу a - аминокислот можно представить следующим образом :

H 2 N–

CH–COOH I R

В зависимости от природы радикала (R ) – аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические.

В таблице представлены важнейшие - аминокислоты, входящие в состав белков.

Таблица. Важнейшие a - аминокислоты

Аминокислота	Сокращенное (трехбуквенное) название аминокислотного остатка в макромолекулах пептидов и белков.	Строение R
		Алифатические
Глицин		H –
Аланин		CH 3 –
Валин*		(CH 3) 2 CH–
Лейцин*		(CH 3) 2 CH–CH 2 –
Изолейцин*		CH 3 –CH 2 –CH– I CH 3
Серин		HO–CH 2 –
Треонин*		CH 3 –CH(OH)–
Аспарагиновая		HOOC – CH 2 –
Глутаминовая		HOOC – CH 2 – CH 2 –
Аспарагин		NH 2 CO – CH 2 –
Глутамин		NH 2 CO–CH 2 –CH 2 –
Лизин*		NH 2 –(CH 2) 3 –CH 2 –
Аргинин		NH 2 –C–NH–(CH 2) 2 –CH 2 – II NH
Цистеин		HS – CH 2 –
Метионин*		CH 3 –S–CH 2 –CH 2 –
		Ароматические
Фенилаланин*
Тирозин
		Гетероциклические
Триптофан*
Гистидин
		Иминокислота
Пролин

*Незаменимые a - аминокислоты

Изомерия

Наряду с изомерией, обусловленной строением углеродного скелета и положением функциональных групп, для a - аминокислот характерна оптическая (зеркальная) изомерия. Все a - аминокислоты, кроме глицина, оптически активны. Например , аланин имеет один асимметрический атом углерода (отмечен звездочкой),

H 2 N –

H I C*–COOH I CH 3

а значит, существует в виде оптически активных энантиомеров:

L - аланин

Все природные a - аминокислоты относятся к L – ряду.

Получение

1)Важнейший источник аминокислот – природные белки, при гидролизе которых образуются смеси a - аминокислот. Разделение этой смеси – довольно сложная задача, однако по обыкновению одна или две аминокислоты образуются в значительно больших количествах, чем все другие, и их удается выделить достаточно просто.

2)Синтез аминокислот из галогенозамещенных кислот действием аммиака

3)Микробиологический синтез. Известны микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности продуцируют a - аминокислоты белков.

Физические свойства

Аминокислоты представляют собой кристаллические вещества с высокими (выше 250° С) температурами плавления, которые мало отличаются у индивидуальных аминокислот и поэтому нехарактерны. Плавление сопровождается разложением вещества. Аминокислоты хорошо растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях, чем они похожи на неорганические соединения. Многие аминокислоты обладают сладким вкусом.

Химические свойства

1)Некоторые свойства аминокислот, в частности высокая температура плавления, объясняется своеобразным их строением. Кислотная (– COOH ) и основная (– NH 2 ) группы в молекуле аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя внутренние соли (биполярные ионы). Например , для глицина

2)Вследствие наличия в молекулах аминокислот функциональных групп кислотного и основного характера a - аминокислоты являются амфотерными соединениями, т.е. они образуют соли как с кислотами, так и со щелочами.

3)В реакции со спиртами образуются сложные эфиры.

Этиловый эфир аланина

4)a - Аминокислоты можно ацилировать, в частности, ацетилировать, действуя уксусным ангидридом или хлористым ацетилом. В результате образуются N - ацильные производные a - аминокислот (символ " N " означает, что ацил связан с атомом азота).

N – ацетил аланин

5)a - Аминокислоты вступают друг с другом в реакцию поликонденсации, приводя к амидам кислот. Продукты такой конденсации называются пептидами. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид:

При конденсации трех аминокислот образуется трипептид и т.д.

Связь –

O II C – NH – называется пептидной связью.

Пептиды. Белки

Пептиды и белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков a - аминокислот, соединенных между собой пептидными связями.

Ни один из известных нам живых организмов не обходится без белков. Белки служат питательными веществами, они регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов – катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д. Как видно, функции белков в природе универсальны. Белки входят в состав мозга, внутренних органов, костей, кожи, волосяного покрова и т.д. Основным источником a - аминокислот для живого организма служат пищевые белки, которые в результате ферментативного гидролиза в желудочно-кишечном тракте дают a - аминокислоты. Многие a - аминокислоты синтезируются в организме, а некоторыенеобходимые для синтеза белков a - аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин, треонин, метионин, триптофан и др. (см.таблицу). При некоторых заболеваниях человека перечень незаменимых аминокислот расширяется.

Пептиды и белки различают в зависимости от величины молекулярной массы. Условно считают, что пептиды содержат в молекуле до 100 (соответствует молекулярной массе до 10000), а белки - свыше 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10000 до нескольких миллионов). При этом в пептидах различают олигопептиды, содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, содержащие до 100 аминокислотных остатков.

Конструкция полипептидной цепи одинакова для всего многообразия пептидов и белков. Эта цепь имеет неразветвленное строение и состоит из чередующихся метиновых (CH ) и пептидных (CONH ) групп. Различия такой цепи заключаются в боковых радикалах, связанных с метиновой группой, и характеризующих ту или иную аминокислоту. Один конец цепи со свободной аминогруппой называется N – концом, другой, на котором находится аминокислота со свободной карбоксильной группой, называется C – концом. Пептидные и белковые цепи записываются с N – конца. Иногда пользуются специальными обозначениями: на N – конце пишется NH – группа или только атом водорода – H , а на C – конце - либо карбоксильная COOH – группа, либо только гидроксильная OH – группа.

Для полипептидов и белков характерны четыре уровня пространственной организации, которые принято называть первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами.

Первичная структура белка - специфическая аминокислотная последовательность, т.е. порядок чередования a - аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Вторичная структура белка - конформация полипептидной цепи, т.е. способ скручивания цепи в пространстве за счет водородных связей между группами NH и CO . Одна из моделей вторичной структуры – a - спираль.

Третичная структура белка - трехмерная конфигурация закрученной спирали в пространстве, образованная за счет дисульфидных мостиков – S – S – между цистеиновыми остатками и ионных взаимодействий.

Четвертичная структура белка - структура, образующаяся за счет взаимодействия между разными полипептидными цепями. Четвертичная структура характерна лишь для некоторых белков, например гемоглобина.

Химические свойства

1)Денатурация. Утрата белком природной (нативной) конформации, сопровождающаяся обычно потерей его биологической функции, называется денатурацией . С точки зрения структуры белка – это разрушение вторичной и третичной структур белка, обусловленное воздействием кислот, щелочей, нагревания, радиации и т.д. Первичная структура белка при денатурации сохраняется. Денатурация может быть обратимой (так называемая, ренатурация) и необратимой. Пример необратимой денатурации при тепловом воздействии – свертывание яичного альбумина при варке яиц.

2)Гидролиз белков – разрушение первичной структуры белка под действием кислот, щелочей или ферментов, приводящее к образованию a - аминокислот, из которых он был составлен.

3)Качественные реакции на белки:

a)Биуретовая реакция – фиолетовое окрашивание при действии солей меди (II ) в щелочном растворе. Такую реакцию дают все соединения, содержащие пептидную связь.

b)Ксантопротеиновая реакция – появление желтого окрашивания при действии концентрированной азотной кислоты на белки, содержащие остатки ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина).

КОНЕЦ РАЗДЕЛА

Получение дрожжевого белка

С технологической точки зрения наилучшими продуцентами кормового и пищевого белка являются дроожжи. Их преимущество заключается прежде всего в «технологичности»: дрожжи легко выращивать в условиях производства. Клетки дрожжей крупнее, чем бактерий, и легче отделяются от жидкости при центрифугировании. Они характеризуются высокой скоростью роста, устойчивостью к посторонней микрофлоре, способны усваивать любые источники питания, легко отделяются, не загрязняют воздух спорами. Клетки дрожжей содержат до 25 % сухих веществ. Наиболее ценный компонент дрожжевой биомассы – белок, который по составу аминокислот превосходит белок зерна злаковых культур и лишь немного уступает белкам молока и рыбной муки. Биологическая ценность дрожжевого белка определяется наличием значительного количества незаменимых аминокислот. По содержанию витаминов дрожжи превосходят все белковые корма, в том числе и рыбную муку. Кроме того, дрожжевые клетки содержат микроэлементы и значительное количество жира, в котором преобладают ненасыщенные жирные кислоты. При скармливании кормовых дрожжей коровам повышаются удои и содержание жира в молоке, а у пушных зверей улучшается качество меха.

Культивирование дрожжевой биомассы на углеводном сырье. Исторически одним из первых субстратов, используемых для получения кормовой биомассы, были гидролизаты растительных отходов, предгидрализаты и сульфитный щелок – отходы целлюлозно-бумажной промышленности.

В связи с тем, что гидролизаты представляют собой сложный субстрат, состоящий из смеси гексоз и пентоз, среди промышленных штаммов-продуцентов получили распространение виды дрожжей C. utilis, C. scottii и C. tropicalis , способные наряду с гексозами усваивать пентозы, а также переносить наличие фурфурола в среде.В гидролизатах и сульфитных щелоках имеются в небольшом количестве практически все необходимые для роста дрожжей микроэлементы. Недостающие количества азота, фосфора и калия вводятся в виде общего раствора солей аммофоса, хлорида калия и сульфата аммония.Процесс культивирования дрожжей осуществляется в непрерывном режиме при рН 4,2 – 4,6. Оптимальная температура от 30 до 40 о С.Кормовые дрожжи, полученные при культивировании на гидролизатах растительного сырья и сульфитных щелоках, имеют следующий состав (%): белок 43 – 58; липиды 2,3 – 3,0; углеводы 11 – 23; зола – до 11.Культивирование дрожжевой биомассы на низших спиртах. Культивирование на метаноле. Основное преимущество этого субстрата – высокая чистота и отсутствие канцерогенных примесей, хорошая растворимость в воде, высокая летучесть позволяющая легко удалять его остатки из готового продукта. Биомасса, полученная на метаноле, не содержит нежелательных примесей, что дает возможность исключить из технологической схемы стадии очистки. Однако, необходимо учитывать при проведении процесса и такие особенности метанола, как горючесть и возможность образования взрывоопасных смесей с воздухом.В качестве продуцентов, использующих метанол в конструктивном обмене, были изучены как дрожжевые, так и бактериальные штаммы. У дрожжей были рекомендованы в производство Candid boidinii, Hansenula polymorpha и Piehia pastoris , оптимальные условия для которых (Т 34 – 37 о C, рН 4,2 – 4,6) позволяют проводить процесс с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,40 при скорости протока в интервале 0,12 – 0,16 ч. На стадии выделения для всех видов продуцентов предусмотрено отделение грануляции с целью получения готового продукта в гранулах.Культивирование на этаноле. Кроме метанола, в качестве высококачественного сырья используют этанол, который имеет малую токсичность, хорошую растворимость в воде, небольшое количество примесей.В качестве микроорганизмов – продуцентов белка на этиловом спирте как единственном источнике углерода могут использоваться дрожжи Candida utilis, Sacharomyces lambica, Hansenula anomala .Кормовые дрожжи, полученные на спиртах, имеют следующий процентный состав: сырой протеин 56 – 62; липиды 5 – 6; зола 7 – 11.

Культивирование дрожжевой биомассы на углеводородном сырье. Дрожжевые клетки в качестве источника углерода для роста способны использовать неразветвленные углеводороды с числом от 10 до 30 углеродных атомов в молекуле. В основном они представлены жидкими фракциями углеводородов нефти с температурой кипения 200 – 320 °С (нормальные парафины и дистилляты нефти, природный газ, спирты, растительные гидролизаты и отходы промышленных предприятий).

При выращивании дрожжей на парафинах нефти в приготовленную из них питательную среду добавляют макро- и микроэлементы, необходимые витамины и аминокислоты. Выход биомассы может достигать при их использовании до 100 % от массы субстрата. Качество продукта зависит от степени чистоты парафинов. Дрожжи, выращенные на недостаточно очищенных парафинах, содержат неметаболизированные компоненты. При использовании парафинов достаточной степени очистки, полученная дрожжевая масса может успешно применяться в качестве дополнительного источника белка в рационах животных.

Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК), содержащий до 50 – 60 % белковых веществ, для кормления сельскохозяйственных животных.

Оптимальная норма добавления дрожжевой массы в корм сельскохозяйственных животных обычно составляет не более 5 -10 % от сухого вещества.

Наряду с технологией использования дрожжевых белков в качестве кормовой добавки в рационы сельскохозяйственных животных разработаны технологии получения из них пищевых белков. В некоторых странах пивные и пищевые дрожжи (Saccharomyces cerevisiae, Candida arborea, C. utilis) широко используют в качестве белковых добавок к различным пищевым продуктам. Так, разработана рецептура приготовления сосисок из мяса индейки с добавлением 25 % белка. В результате ферментации дрожжевыми клетками глюкозы, получаемой из кукурузного крахмала, синтезирован белковый продукт мукопротеин, используемый при производстве колбас в качестве замены основного сырья (Великобритания).

Получение автолизата дрожжей. Ценные компоненты биомассы дрожжей – аминокислоты белков, витамины, и др. – могут бытьиспользованы для приготовления натуральных и полусинтетических сред, применяемых как в лабораториях, так и для нужд промышленного микробиологического синтеза. Однако большинство ценных компонентов клетки находится в виде различных белковых комплексов, поэтому добавление к среде нативных дрожжей не дает эффекта.

Гидролиз белков можно провести ферментативно или используя кислоты и щелочи. При щелочном гидролизе белков возможно разрушение некоторых аминокислот или их изомеризация в. D-формы, которые в биологических системах используются не полностью. Надо отметить, что в щелочной среде инактивируются некоторые витамины. При кислотном гидролизе белков разрушаются незаменимая аминокислота – триптофан и некоторые витамины группы В. Гидролиз белков можно осуществить, используя препараты протеолитических ферментов. Кроме того, в самих клетках дрожжей есть активные протеолитические ферменты, которые при определенных условиях в среде могут разрушать клеточные белки (автолиз).

Для приготовления дрожжевого автолизата сначала получают дрожжевую пасту влажностью 65 – 76 %. В реакторе из дрожжевой пасты и воды (50 °С) в соотношении 1:1 готовят суспензию, которую выдерживают 1 – 2 сут при температуре 45 °С. В это время идет автолиз клеток. Активировать процесс автолиза можно добавлением фосфатов или добавляя к суспензии дрожжей в воде 2,5 % хлорида натрия (на сухую массу дрожжей).

Полученную жидкую массу подкисляют, добавляя на каждые 100 л автолизата 0,25 л концентрированной серной кислоты, которую предварительно разбавляют в 4 раза. После этого автолизат кипятят 15 – 20 мин. После охлаждения он готов к употреблению.

После автолиза 10 – 12 % (по сухой массе) суспензии дрожжей в течение 24 ч при 45 °С в жидкой фракции автолизата содержится до 5 % сухих веществ. Из общего количества азота фильтрата 50% приходится на аминный азот аминокислот тирозина, триптофана, метионина, цистеина, аргинина, гистидина и др. Кроме того, в фильтрат переходят витамины группы В.

Выпаривая в вакууме и затем лиофилизируя или высушивая в распылительной сушилке жидкий дрожжевой автолизат, можно получить сухой препарат, который удобно хранить. Особо обработанный автолизат можно использовать в медицине при парентеральном питании как источник аминокислот и витаминов.

БЕЛКИ И ПОЛИПЕПТИДЫ

Белки играют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различных по строению и функциям белков. Белки - это биополимеры сложного строения, мак­ромолекулы (протеины) которых, состоят из остатков аминокислот, соединен­ных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей, построенных из остатков аминокислот (полипептидных цепей), в макромолекулу белка могут входить также остат­ки или молекулы других органических соединений. На одном кольце каждой пептидной цепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом - свободная или амидированная карбоксильная группа.

Конец цепи с аминогруппой называется М-концом, конец цепи с карбоксильной группой - С-концом пептидной цепи. Между СО-груп­пой одной пептидной группировки и NH-группой другой пептидной группировки могут легко образовываться водородные связи.

Группы, входящие в состав радикала R аминокислот, могут вступать во вза­имодействие друг с другом, с посторонними веществами и с сосед­ними белковыми и иными молекулами, образуя сложные и разнооб­разные структуры.

В макромолекулу белка вхо­дит одна или несколько пептид­ных цепей, связанных друг с другом поперечными химически­ми связями, чаще всего через се­ру (дисульфидные мостики, обра­зуемые остатками цистеина). Химическую структуру пептидных цепей принято назы­вать первичной структу­рой белка или секвенцией.

Для построения простран­ственной структуры бел­ка пептидные цепи должны при­нять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, ко­торая закрепляется водородными связями, возникающими между пептидными группировками от­дельных участков молекулярной цепи. По мере образования водо­родных связей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремясь к образованию максималь­ного числа водородных связей и соответственно к энергетически наиболее выгодной конфигурации.

Впервые та­кая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шер­сти-кератина Полингом американским физиком и химиком... Ее наз­вали а-структурой или а-спиралью. На один виток спирали приходится по 3,6-3,7 остатков аминокислот. Рас­стояние между витками около 0,54 миллиардной доле метра. Строение спирали стабилизируется внут­римолекулярными водородными связями.

При растяжении спираль мак­ромолекулы белка превращается в дру­гую структуру, напоминающую линей­ную.

Но образованию правильной спирали часто мешают силы отталкива­ния или притяжения, возникающие между группами аминокислот, или стерические препятствия, например, за счет образования пирролидиновых колец пролина и оксипролина, которые заставляют пептидную цепь резко изгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далее отдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая в некоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутую пространственную структуру.

Пространственная структура закреплена вследствие взаимодействия радикалов R и аминокислот с образованием дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяет хими­ческие и биологические свойства белков.

В зависимости от пространственной структуры все белки делятся на два больших класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).

Полипептидные цепи фибриллярных белков имеют форму спи­рали, которая закреплена расположенными вдоль цепи внутримоле­кулярными водородными связями. В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидные цепи расположены параллельно оси волокна, они как бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидные структу­ры и имеют высокую степень асимметрии. Фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворы высокой вязкости. К фибриллярным белкам относятся белки, входящие в состав тканей и покровных образований. Это мио­зин-белок мышечных тканей; коллаген, являющийся основой седиментационных тканей и кожных покровов; кератин, входящий в со­став волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этому же классу белков относится белок натурального шелка - фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, за­твердевающая на воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеет вытянутые по­липептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярными водородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическую прочность натурального шелка.

Пептидные цепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жестких шариков-глобул. Молекулы глобу­лярных белков обладают низкой степенью асимметрии, они хорошо растворимы в воде, причем вязкость их растворов невелика. Это прежде всего белки крови-гемоглобин, альбумин, глобулин и др.

Следует отметить условность деления белков на фибриллярные и глобулярные, так как существует большое число белков с проме­жуточной структурой.

Свойства белка могут сильно изменяться при за­мене одной аминокислоты другой. Это объясняется изменением кон­фигураций пептидных цепей и условий образования пространствен­ной структуры белка, которая в конечном счете определяет его функ­ции в организме.

СОСТАВ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно: в инсулине 51, в миоглобине - около 140. Поэтому и относительная молекулярная масса белков колеблется в очень широких пределах - от 10 тысяч до многих миллионов На основе определения относительной молекулярной массы и элементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы - гемоглобина крови (C 738 H 1166 O 208 S 2 Fe) 4 Меньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная масса гормона инсулина около 6500, а белка вируса гриппа - 320 000 000. Вещества белковой природы (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имею­щие относительно меньшую молекулярную массу и меньшую сте­пень пространственной организации макромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу между белками и полипептидами трудно. В большинстве случаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала, целлюлозы), тем, что чистый инди­видуальный белок содержит только молекулы одинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, в составе которой входят макромолекулы с молекулярной массой 12 000- 70000.

Строением белков объясняются их весьма разнообразные свой­ства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие - в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (например, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть вы­делены в виде кристаллов (белок куриного яйца, гемоглобина крови).

Белки играют важней­шую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварении белковые молекулы перевариваются до аминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наи­большая часть аминокислот расходуется на синтез белков различ­ных органов и тканей, часть-на синтез гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служат как энергетический материал. Т.е. белки выполняют каталитические (фермен­ты), регуляторные (гормоны), транспорт­ные (гемоглобин, церулоплазмин и др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции

Белки - важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Совокупность непрерывно протекающих химищеский превращений белков зани­мает ведущее место в обмене веществ орга­низмов. Скорость обновления белков у живых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологической ценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот

Белки растений беднее белков животного происхождения по содержа­нию незаменимых аминокислот, особен­но лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля по аминокислотному со­ставу наиболее близки белкам животных. Отсутствие в корме незаменимых аминокислот при­ходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена. Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышение качества белкового состава зерна.

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Белки подразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды.

При гидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а-аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме амино­кислот и вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми.

Протеины.

Альбумины хорошо растворяются в воде. Встречаются в моло­ке, яичном белке и крови.

Глобулины в воде не растворяются, но растворимы в разбавлен­ных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин.

Глутелины растворяются только в разбавленных растворах ще­лочей. Встречаются в растениях.

Склеропротеины - нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей колла­ген, белок натурального шелка фиброин.

Протеиды построены из протеинов, соединенных с молекулами другого типа (простетическими группами).

Фосфопротеиды содержат молекулы фосфорной кислоты, свя­занные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокисло­ты серина. К ним относится вителлин-белок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин.