Egy sejt fehérje Single-Cell Protein (SCP) (Hallgatói jegyzet)
Nagy mennyiségű sejttömeg előállítása a cél, ezt a sejttömeget használják később fel. Az emberiség élelmiszerigénye nő, a mezőgazdaság nem biztos, hogy mennyiségileg és minőségileg fedezni tudja ezt a kívánt igényt. Minőségileg kérdéses, hogy mennyi esszenciális aminosav van benne. Ezek az élőlény számára nélkülözhetetlenek, és mesterségesen nem biztos, hogy gazdaságos előállítani. Esszenciális aminosavak
Fenti ábrán a növényi és állati fehérjetartalom összehasonlítása látható kontinensekre lebontva. Vegetáriánus étrend esszenciális aminosavakban hiányos.
SCP-MIT 1966- mikrobiális fehérje (takarmány-élelmiszer) 800.000t/év, 600.000t/év pékélesztő. Konvencionális fehérje források: esszenciális aminosavak Emberi élelmiszer- fehérje lánc; 100M ember szenved fehérje hiányban, számuk nő.
1
Fehérje termelés útja
SCP út, „új” lehetőség II.vh. : Németországban és Oroszországban :emberi táplálkozásra használták, Afrika, Ázsia : alga, penész fogyasztása Miért jó az SCP? Előnyök: SCP összetétele jó, fehérje tartalma nagy, zsírsav tartalma kicsi, és ezen belül is kevés a nehezen emészthető telített zsírsav, kevés rost, só van benne, jó a tápértéke, kicsi generációs idő.
% fehérje zsírsavak nukleinsavak ásványi sók aminosavak nedvességtartalom
élesztő 60.0 9.0 5.0 6.0 54.0 4.5
metanolbaktérium 83.0 7.4 15.0 8.6 65.0 2.8
tisztított fehérje 80.0 8.0 1.0 8.0
gombák 42.0 13.0 9.7 6.6
algák 70.0 5.0 4.0 7.0
4.0
13.0
6.0
szójaliszt 45.0 1.8
tejpor 34.0 1.0
6.0 40.0 12.0
8.0 5.0
Fehérjetartalmak összehasonlítása Miért nem jó az SCP? Hátrányok: 1.) nagy a nukleinsav tartalma: 5-15%, nukleinsav lebontásból húgysav keletkezik, a húgysavból urikáz enzim hatására albantoin lesz, és ez lerakódhat az izületekben ami reumát, köszvényt okozhat. 2.) toxikus vagy karcinogén anyag kerülhet bele a szubsztrátból, pl.: toxin 3.) lassú emészthetőség alakulhat ki, ha a sejt nincs feltárva, emiatt felhalmozódhat, illetve allergia alakulhat ki Baktériumok Gram+ fala (NAG-NAM) Élesztők mannánok fala Penészek kitin vagy cellulóz tartalmú fala ezeket az ember nem tudja lebontani 4.) aminosav spektrum nem ideális: Met, Cys szint alacsony SCP ára a szubsztrát árától függ 2
SCP lehetséges szubsztrátjai: CO2 hasznosítók: algák, olcsó, napenergiát használnak, autotrófok Szénhidrátokat hasznosítók: algák, gombák, élesztők, baktériumok, heterotrófok, szénforrást használnak Szénhidrogéneket hasznosítók: baktériumok (metanogén baktérium), gombák, élesztők. heterotrófok, szénforrást használnak Nitrogén források: NO3-, NH3, NH4+
ideális diéta átlagos diéta minimum marha hús csirke hús szója (WHO) (UK) Ile Leu Lys Met+Cys Phe+Tyr Thr Trp Val
4.0 7.0 5.5 3.5 6.0 4.0 1.0 5.0
4.7 8.0 6.3 3.8 8.2 4.1 1.3 5.6
4.4 7.3 7.8 2.6 7.9 4.9 1.4 5.3
5.0 7.7 8.8 3.9 8.3 4.3 1.3 5.1
4.6 7.5 9.0 3.7 8.0 4.1 1.1 4.8
4.5 7.1 7.4 3.0 8.0 4.0 1.3 5.0
Esszenciális aminosavak
1. SCP termelés CO2-on autotróf +fény kell hozzá, napenergia a) Cianobacteria- Spirklina genus: Kékmoszatok, Mexikóban szabadtéri, 60cm mély tavakban fél folytonos eljárás, 10ha-on Kistó, bikarbonátban gazdag víz + levegő CO2 + NO3 . 56% fehérjetartalma miatt takarmánynak, élelmiszeradaléknak árulják. b) Algatenyésztés valódi algák = zöldalgák b1) Beton vagy műanyag lagúnában, csatornában. Napfényes helyen :Izrael, Florida. Folytonos tenyésztés – CO2+ kevés O2 – ülepedés miatt + N forrás, 20-50cm mély tavak, baktériumos befertőződés felléphet. Befektetés:20.000USD/ha, Terméknek 40-50% fehérjetartalma van, nukleinsav tartalma kicsi, mindössze 4-6%. Sejtkinyerés: flokkulaltatással Ca(OH)2 adagolással, mert a centrifugálás drága. Előállítási költség: 4-10USD/kg (ekkor a szója csak 3 USD/kg) b2) Japán: folytonos, aszeptikus eljárás, melaszon, heterotróf tenyésztés. Chlonella termelés 3.000 t/év, előállítási költsége: 10-15USD/kg, felhasználás: speciális élelmiszer adalék.
3
2. SCP termelés szénhidrátokon Ideális szubsztrát, megújuló, heterotróf szervezeteknek jó, polimereket le kell bontani
Kb miből mennyi van x106 tonna/év cukor melasz 9.3 tejsavó 1.5 (USA) szulfit szennylúg (papíripar maradéka) 12 glükóz gyümölcs feldolgozási maradék keményítő zöldség feldolgozás maradéka cellulóz bagasz 106 búzakorpa 58 búzaszalma 193 rizsszalma 152 kukorica maradék 61 városi hulladékok (papír) faipari és erdészeti maradék Szénhidrátok mennyisége a Földön A cellulóz tartalmú anyagok felhasználása nem egyszerű, nem volt megoldott még a II. vh-ban sem, sok hemicellulóz van benne, és azt nehéz elbontani.
a.) SCP termelés melaszon: 35-50% cukor, hígítás 4-6%- sterilezés C. utilis, S. cerevisiae, folytonos szaporítás D=0,2-0,3 P nagy, olcsó, centrifugálás, Tiarman, Dél-Afrika, Oroszország: élelmiszer kiegészítő+ takarmány, (háborús időszak) Kuba: Vogelbusch reaktor Pékélesztő gyártás 600.000t/év b.) SCP termelés savón: 5%laktóz +1%F, BOD:70.000mg O2/l ultraszűrés: F mentesítés: élelmiszer iparban adalékanyag S. lactis, C utilis, S tragilis, Kluyveromyces lactis
4
c.) SCP termelés szulfitlúgon: Papír ill. cellulóz gyártás szennyvize, 20% cukor (5,6 szénatomos) + 6% ecetsav BOD:50.000mgO2/l Folytonos eljárás, C. utilis, (cseh közt.) 3x800m3-es fermentor, 25.000tSCP/év Paecilomyces varioti (Finnország) Pecilo eljárás 10.000 t/év, 360m3-es keverős fermentor, pentózt és ecetsavat jobban hasznosítja F=55-60% D=0.2 d.) SCP termelés glükózon: Mycoprotein eljárás F. graminearu: folytonos tenyésztés glükózon + NH3 gáz; D=2; ciklonos sűrítés Hőkezelés: 20 percig 64°C-on; hőstabil RN-áz lebontja az RNS-t 10%-ról 2%-ra. Proteázok inaktiválódnak, ezáltal stabil termék. Szűrés, szárítás, 45%fehérjetartalom. + tojás fehérje textúra 10 év állati és humán kísérletek, 1985-ben engedélyezték, vegetáriánusok. e.) SCP termelés keményítő hulladékon: Sumba eljárás Keményítő hulladékon, keményítő gyártásból, burgonya szelet Svéd eljárás: 1. lépcső: Endomycopisis fibuliger (amiláz)+ NH3 2. lépcső: Candida utilis Folytonos eljárás, BOD- 1000mg O2/l Solid substrate fermentation: szilárd fázisú fermentáció: szilárd hulladék+ NH3 + só + mikroba, Fehérjetartalom10-15% 5
f.) SCP termelés Cellulózon, Hemicellulózon Óriási erőfeszítés: C/HC kémiai/fizikai előkezelés + celluláz glükóz + 5szénatomos cukrok keletkeznek, még nincs áttörés Trichoderma viriade (Pen, Asp.) Minimum 3 enzim kell a komplex szerkezet lebontásához: Endo ß1,4-glükanáz, endocelluláz, Cx enzim, oldható cellulóz-ból Cx hatására lesz cellobióz és oligomerek Exo-ß1,4-glükanáz, cellobiohidroláz, c1 enzim, Trichoderma viriade 80%-a ez. Kristályos cellulózból c1 hatására lesz cellobióz ß-1,4-glükozidáz, cellobiáz ez a cellobiózból 2db glükózra hasítja SSF: Trichoderma + NH3 (szalma) takarmány 15% fehérjetartalom
6
3. SCP termelés szénhidrogéneken (-származékokon) Sok mikroba képed szénhidrogéneket hasznosítani. a.) n-alkánon (gázolajon) C10-C17 tartalmú gázolajból molekula szűréssel vonják ki Éesztők: C. tropicalis, C. lipolytica, C. guilliermondii n-alkán rosszul óldódik: felületaktív anyag + mikroba is termeli, 1-100µm cseppek 0.01-0.5 µm lesz, jól hasznosul. Élesztőkben a passzív diffúziót elősegíti a sok zsír. Nagy az O2 igénylés a hőfejlődés: „redukált vegyület” 1kg SCP-hez 1-1,2 kg alkán, 2,2 kg O2 hőfejlődés, 27000 kJ airlift, túlnyomásos, mély reaktor, nagy térfogat, : Large scale biotechnology µm:0,28 y=0.98 n-alkán; µm: 0.62 y=0.51 glükóz
BP technológia, Sandina, Japán Kapacitás 200.000t/év; 1973-banbezárták, társadalmi nyomáshatására, noha engedélyezett a termék-Oroszország: tömegtermelés: C.guilliermondii; Románia 60.000t/év; árrobbanás követte
7
Katabolizmus
Terminális oxidáció - monokarboxilsav (alkohol, aldehid,), ß-oxidáció, AcetilCoA-val; -néha mindkét végén –COOH (ω-oxidáció) Szubterminális oxidáció: -keton (alkohol intermedier), α-oxidációval,-COOH, dekarboxilezés -ß-oxidáció
b.) etanolon Etilén szintetikus/erjesztéses etanol lesz O2 hatására SCP USA: 7.000t/év, C .utilis: élelmiszer kiegészítő, y=0.7 Csehország: nagyüzem volt, takarmánynak hasznosították. (üzemel még?) c.) Metanolon (esettanulmány) CH4 1960! A népesség exp. növekszik, mezőgazdaság nem tudja fehérjével ellátni, Európa: fehérjét importál: szóját az USA-ból, hallisztet D-Amerikából. 1971 1973 1980
Halliszt 200 USD/t Halliszt 550 USD/t Halliszt
Szója Szója Szója
100 USD/t 300 USD/t 190 USD/t
UK: északi tenger gázmezők felfedezése és megnyitása
8
ICI: óriási R+D projekt, megbukott, de fantasztikus tudományos és technikai eredményeket értek el. - Törzsfejlesztések- megállapították a metanol hasznosítók rendszertanát és biokémiáját - Technológia – fermentorok, lépték növelés, 3000m3 - Engedélyeztetések - Szabadalmaztatás Metanol hasznosít mikrobák, baktériumok : Nagyon sok metanol hasznosító van Methylophilus methylotrophus: µm=0.53, y=0.5-0.53, ICI törzs Metanol hasznosító mikroorganizmusok Obligát metanogén baktériumok: Methylobacter, Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus, Methylocystis Fakultatív metanogén baktériumok: Arthrobacter, Bacillus, Klebsiella, Micrococcus, Protaminobacter, Pseudomonas, Streptomyces, Rhodopseudomonas, Vibrio Fakultatív metanogén élesztők: Candida boidinii, Hansenula capsulata, Pichia haplophila, Torulopsis glabrata Fakultatív metanogén gombák: Paecilomyces, Trichoderma
Katabolizmus, Anabolizmus CH3-OH [metanol dehidrogenáz hatására] HCOH [ formaldehid dehidrogenáz hatására NAD-3ATP] HCOOH [formiát dehidrogenáz hatására NAD-3ATP] CO2
9
Asszimiláció a.) Ribulóz monofoszfát út (Quayle-ciklus) Hexulóz foszfát szintáz a kulcsenzim, µm=0.55, y=0.5
b.) Szerin út Szerin transzhidroxi metiláz a kulcsenzim, y=0.3, rózsaszín pigmentje van, AS termelés!
10
Technológia: folytonos, 100 nap: fertőződés, pH=7, 37°C, folyadék visszatáplálás (szennyvíz, MeOH, sótartalom), 3000m3 fermentor, 70.000 t/év (1980) Probléma, hogy y=0.3 lett az üzemben, MeOH ciklikus változás miatt, sok helyen van a MeOH betáplálás. Gazdaságosság: 600 USD/t A sejtet savas közegben 70°C-on kezelik, így az RNS szám csökken, steril centrifugálás, a vizet visszatáplálják, a sejteket szárítják. Törzsfejlesztés, szabadalmaztatás, majd engedélyeztetés, állati és humán kísérletezés. SCP összetétel változás: zsírsavak. Erre az emlős reakció: részletes toxiológiai vizsgálat, allergiás vizsgálatok. Ráfordítás 150M £, nagy bukás követte, de Queens’s Award! Ma Fusarium SCP van humán célra. Engedélyeztetés: szigorú előírások mind takarmány, mind élelmiszer felhasználás szempontjából SCP konferencia 1967 MIT nem volt ajánlás, előírás, 1970 PAG, IUPAC, WHO is foglalkozik már az engedélyeztetésekkel. Takarmány: Toxikológiai vizsgálatok: sertés, csirke, patkány, kutya, hal Teratogén, mutagén, rákkeltő hatás, vegyszer maradványok Táplálkozási kísérletek, emésztés, lebontás Engedélyezték: Toprina ( BP paraffin ) és Pruteen (ICI metanol) Humán élelmiszer: ugyanazok a vizsgálatok, mint a takarmányozásnál, + klinikai vizsgálatok PAG konferencia Brüsszel 1976, Milano 1979, Engedélyezik: Toprina (élesztő BP,) Francia, Skót paraffin Pruteen (bakt ICI) Anglia, metanol Liquipron (élesztő, Olasz paraffin) Mycoprotein ( Fusarium ICI) Anglia, glükóz Szulfitlúgon, keményítőn, savón Saccharomyces, Kluyverimyces, Candida törzseket engedélyeztek. Emészthetőség: 52-80%, ami azonos más növényi fehérjék emészthetőséggel. 1 g RNS-ből 100-150 mg húgysav képződik,
11
12
