От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день - Анастасия Волчок

Водоросли

Самый распространенный на сегодня белок одноклеточных – водоросли. В принципе в этом нет ничего удивительного. Обычные многоклеточные водоросли всегда входили в рацион у людей, живущих недалеко от морских побережий, не в виде котлет, а как закуска. Бурые водоросли Laminaria – не что иное, как морская капуста. В магазинах ее можно купить в консервированном виде, а в море выловить свежей – ее листья достигают нескольких метров в длину и имеют волнистый край. Красные водоросли Porphyra tenera едят в Японии, на Филиппинах, в Уэльсе и Новой Зеландии. А в Канаде и Норвегии водоросли Ascophyllum nodosum не просто ловят, а выращивают. Получаются настоящие огороды, только подводные.

Одноклеточные водоросли – тоже продукт не новый. Их разделяют на сине-зеленые (Spirulina, Anabaena, Aphanothece, Nostoc) и истинные (Chlorella, Oedogonium, Scenedesmus, Spirogyra, Dunaliella). При этом первые на самом деле водорослями не являются. Они относятся к цианобактериям, а их клетки не имеют ядра.

Наиболее востребованные одноклеточные водоросли – спирулина (Spirulina) и хлорелла (Chlorella). В таких странах, как Монголия, Китай, Таиланд, Бразилия или Перу, их едят уже много веков. Хлореллу успешно производят в Японии и на Тайване, а водоросли Scenedesmus – в Китае.

Питаются водоросли по большей части углекислым газом и светом, однако для некоторых подходят и органические источники углерода. Производить микроводоросли начали еще в 1940-х гг. в Германии. Позже коммерческие производственные системы были разработаны в Японии, на Тайване, в США, Мексике, Таиланде и Израиле.

Там для них либо строят открытые водоемы, например озера (тогда водоросли растут слоем в полметра, пока до них достает солнечный свет), либо создают закрытые системы из множества прозрачных трубок или покрытых куполом бассейнов, а в помещениях устанавливают чаны – фотобиореакторы с искусственным освещением.

Открытое выращивание гораздо дешевле и дает возможность собирать больше урожая, но с технологической точки зрения считается менее совершенным. В больших водоемах почти неизбежно начинают расти организмы разных видов (порой ядовитых), и сохранить монокультуру очень сложно. Иногда поверхность озер с водорослями накрывают пленкой, чтобы уменьшить риск заражения культуры посторонними видами, или ограничивают водоросли в питании, создавая среду, которая подходит только избранным. Так, азотфиксирующие виды Anabaena, способные захватывать азот из атмосферы, можно выращивать в средах без какого-либо другого источника азота.

Интересное решение по выращиванию водорослей предложил в свое время израильский исследовательский центр «Технион». Систему назвали High Rate Algal Pond (HRAP). Суть ее в том, чтобы использовать для выращивания каналы, оснащенные оборудованием для перемешивания и аэрации. При этом в среде с водорослями соседствуют бактерии, разлагающие органику. После завершения культивирования водоросли извлекают, обезвоживают и сушат, а стоки используют для полива сельскохозяйственных культур. Системы HRAP востребованы у многих современных производителей водорослей. Их выбрала для себя и команда проекта по реабилитации сточных вод Incover, реализованного в рамках европейской программы Horizon 2020.

Продукты из микроводорослей ценятся за содержание в них полезных веществ: омега–3 – жирных кислот, каротиноидов, витаминов и хлорофилла. В магазинах их можно встретить в виде биологически активных добавок (БАД), доступных в таблетках, капсулах или жидких формах, либо в качестве самостоятельных ингредиентов, которые могут быть включены в пасту или выпечку. Хлорелла – частый компонент функционального питания. Она положительно воздействует на иммунную систему, и в ней содержатся антиоксиданты. Спирулина тоже не отстает. В ней много витамина В12, железа и β-каротина – предшественника витамина А.

В последние годы производство водорослей совершило новый виток роста. Этим рынком заинтересовались пищевые «киты». Корпорация Nestle в 2019 г. с целью производства микроводорослей для питания начала сотрудничать с биохимической компанией Corbion. Есть и другие неплохие инициативы: Phycom и ее порошок из водорослей или заменители рыбы от стартапа Kuleana из США. В Китае морскую технологию активно развивает провинция Шаньдун. Там планируется создать «Синюю Кремниевую долину», где будут работать исследователи, увлеченные океаном. В России рынок водорослей пока развит слабо, но отдельные успешные начинания все же есть. Водорослевый комбинат в Архангельске делает лекарства, биологически активные лечебно-профилактические пищевые добавки, а также биодобавки для парфюмерии и косметики.

Бактерии

Бактерий, из которых можно получать белковые продукты, очень много. Среди них Methylophilus methylotrophus, Achromobacter delvaevate, Acinetobacter calcoaceticus, Aeromonas hydrophila, Bacillus megaterium, Bacillus subtilis,Lactobacillus species, Cellulomonas species, Pseudomonas fluorescens и т. д. Биологи экспериментируют с разными видами, выбирая наиболее продуктивные и простые в использовании.

Чтобы из бактерий получилась еда, их, так же как и водоросли, нужно вырастить на питательной среде, а после этого – выделить и высушить.

Культивирование обычно происходит в биореакторах – больших металлических емкостях, позволяющих регулировать температуру, концентрацию кислорода, кислотность и другие показатели среды так, чтобы их обитателям было комфортно расти. Среда для выращивания – обычно (но не всегда) жидкая и все время перемешивается. Она, как правило, содержит углеводы, какой-то источник азота и различные минеральные соли. Для каждого вида микроорганизмов подбирают те питательные вещества, которые он лучше усваивает.

Когда цикл выращивания заканчивается, микробную массу отделяют от раствора, например фильтрованием, и высушивают, получая порошок. В таком виде микробный белок удобно хранить и перевозить. К тому же клетки бактерий в процессе обработки часто разрушают, чтобы они лучше переваривались.

Бактерии хороши тем, что могут расти на очень разнообразных средах. Не только на углеводах (сахаре или крахмале), но и на различных спиртах: метаноле, этаноле, пропаноле. Есть и более интересные микробы – например, бактерии, способные усваивать метан. Это газ, который среди прочих выделяется как попутный при добыче нефти. В России такой газ просто сжигают, то есть он никак не используется. А между тем метан может служить питанием для метанотрофных организмов. Удобно, не правда ли?

Отечественные ученые поняли это давно; еще в советское время микробиологическая промышленность обеспечивала животноводство кормами на основе микробно-витаминных комплексов. Технологией производства белка из метанотрофов Methylococcus capsulatus раньше занимался институт ГосНИИсинтезбелок, им была зарегистрирована торговая марка белка гаприн, производство которого запускали на Светлоярском биозаводе[101]. Сейчас же компетенции нужно восстанавливать. Этим заняты многие, в том числе московский федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН.

За рубежом эта технология тоже активно развивается. В последние 20 лет можно наблюдать нечто вроде гонки, где призом станет лидерство в сфере получения белка из метана. В начале нулевых полный аналог гаприна в качестве кормовой добавки производила норвежская компания Norferm. Для выращивания своего штамма бактерий, найденного в Шотландии, норвежцы разработали уникальный петлевой реактор, который позволял смешивать газ и жидкость. Идея заключалась в создании окружающей атмосферы для бактерий,