Proteina unicellulare - Single-cell protein

Le proteine ​​unicellulari ( SCP ) o le proteine ​​microbiche si riferiscono a microrganismi unicellulari commestibili . La biomassa o l'estratto proteico di colture pure o miste di alghe , lieviti , funghi o batteri può essere utilizzato come ingrediente o sostituto di alimenti ricchi di proteine ​​ed è adatto al consumo umano o come mangime per animali. L'agricoltura industriale è caratterizzata da un'elevata impronta idrica , elevato utilizzo del suolo, distruzione della biodiversità, degrado ambientale generale e contribuisce al cambiamento climatico mediante l'emissione di un terzo di tutti i gas serra , la produzione di SCP non presenta necessariamente nessuno di questi gravi inconvenienti. Ad oggi, SCP viene comunemente coltivato su prodotti di scarto agricolo e come tale eredita l' impronta ecologica e l'impronta idrica dell'agricoltura industriale. Tuttavia, SCP può anche essere prodotto in modo completamente indipendente dai prodotti di scarto agricoli attraverso la crescita autotrofica . Grazie all'elevata diversità del metabolismo microbico, l'SCP autotrofico fornisce diverse modalità di crescita, opzioni versatili di riciclaggio dei nutrienti e un'efficienza sostanzialmente maggiore rispetto alle colture. Una pubblicazione del 2021 ha mostrato che la produzione di proteine ​​microbiche grazie al fotovoltaico potrebbe utilizzare 10 volte meno terreno per una quantità equivalente di proteine ​​rispetto alla coltivazione della soia.

Con la popolazione mondiale che raggiunge i 9 miliardi entro il 2050, vi sono prove evidenti che l'agricoltura non sarà in grado di soddisfare la domanda e che esiste un serio rischio di carenza di cibo. SCP autotrofi rappresenta opzioni di produzione alimentare di massa a prova di errore che può produrre cibo in modo affidabile anche in condizioni climatiche difficili.

Storia

Nel 1781 furono stabiliti i processi per la preparazione di forme altamente concentrate di lievito. La ricerca sulla tecnologia delle proteine ​​unicellulari è iniziata un secolo fa, quando Max Delbrück ei suoi colleghi hanno scoperto l'alto valore del lievito di birra in eccesso come integratore alimentare per gli animali. Durante la prima e la seconda guerra mondiale, il lievito-SCP è stato impiegato su larga scala in Germania per contrastare la carenza di cibo durante la guerra. Le invenzioni per la produzione di SCP hanno spesso rappresentato pietre miliari per la biotecnologia in generale: ad esempio, nel 1919, Sak in Danimarca e Hayduck in Germania inventarono un metodo chiamato "Zulaufverfahren", ( fed-batch ) in cui la soluzione zuccherina veniva alimentata continuamente a una sospensione aerata di lievito invece di aggiungere il lievito alla soluzione di zucchero diluita una volta ( batch ). Nel dopoguerra, l' Organizzazione delle Nazioni Unite per l' alimentazione e l'agricoltura (FAO) ha enfatizzato i problemi della fame e della malnutrizione nel mondo nel 1960 e ha introdotto il concetto di gap proteico, dimostrando che il 25% della popolazione mondiale aveva una carenza di assunzione di proteine nella loro dieta. Si temeva anche che la produzione agricola non riuscisse a soddisfare le crescenti richieste di cibo da parte dell'umanità. Entro la metà degli anni '60, quasi 250.000 tonnellate di lievito alimentare venivano prodotte in diverse parti del mondo e la sola Unione Sovietica produceva circa 900.000 tonnellate entro il 1970 di lievito alimentare e da foraggio.

Negli anni '60, i ricercatori della British Petroleum svilupparono quello che chiamarono "processo delle proteine ​​dal petrolio": una tecnologia per la produzione di proteine ​​unicellulari da lieviti alimentati da n-paraffine cerose, un sottoprodotto delle raffinerie di petrolio. Il lavoro di ricerca iniziale è stato svolto da Alfred Champagnat presso la raffineria di petrolio Lavera di BP in Francia; un piccolo impianto pilota lì iniziò ad operare nel marzo 1963, e fu autorizzata la stessa costruzione del secondo impianto pilota, presso la Grangemouth Oil Refinery in Gran Bretagna.

Il termine SCP è stato coniato nel 1966 da Carroll L. Wilson del MIT .

L'idea del "cibo dall'olio" è diventata molto popolare negli anni '70, con Champagnat che ha ricevuto il Premio della scienza dell'UNESCO nel 1976 e impianti di lievito alimentati con paraffina sono stati costruiti in un certo numero di paesi. L'uso principale del prodotto era come mangime per pollame e bestiame.

I sovietici furono particolarmente entusiasti, aprendo grandi impianti "BVK" ( belkovo-vitaminny kontsentrat , cioè "concentrato di proteine-vitamine") accanto alle loro raffinerie di petrolio a Kstovo (1973) e Kirishi (1974). Il ministero sovietico dell'industria microbiologica aveva otto impianti di questo tipo nel 1989. Tuttavia, a causa delle preoccupazioni sulla tossicità degli alcani in SCP e delle pressioni dei movimenti ambientalisti, il governo decise di chiuderli o convertirli ad altri processi microbiologici.

Quorn è una gamma di sostituti della carne vegetariani e vegani a base di Fusarium venenatum mycoprotein , venduti in Europa e Nord America.

Un altro tipo di analogo della carne a base di proteine ​​unicellulari (che tuttavia non utilizza funghi ma piuttosto batteri) è Calysta .

Processo produttivo

Le proteine ​​unicellulari si sviluppano quando i microbi fermentano i materiali di scarto (inclusi legno, paglia, conserve e rifiuti di lavorazione degli alimenti, residui della produzione di alcol, idrocarburi o escrementi umani e animali). Con i processi di "cibo elettrico" gli input sono elettricità, CO
2 e tracce di minerali e sostanze chimiche come fertilizzanti.

Il problema con l'estrazione di proteine ​​unicellulari dai rifiuti è la diluizione e il costo. Si trovano in concentrazioni molto basse, generalmente inferiori al 5%. Gli ingegneri hanno sviluppato modi per aumentare le concentrazioni, tra cui centrifugazione, flottazione, precipitazione, coagulazione e filtrazione o l'uso di membrane semipermeabili.

La proteina unicellulare deve essere disidratata a circa il 10% di umidità e/o acidificata per favorire la conservazione e prevenire il deterioramento. I metodi per aumentare le concentrazioni a livelli adeguati e il processo di disidratazione richiedono attrezzature costose e non sempre adatte ad operazioni su piccola scala. È economicamente prudente alimentare il prodotto localmente e subito dopo la sua produzione.

microrganismi

I microbi impiegati includono:

Proprietà

La produzione su larga scala di biomassa microbica presenta molti vantaggi rispetto ai metodi tradizionali per la produzione di proteine ​​per alimenti o mangimi.

  1. I microrganismi hanno un tasso di crescita molto più elevato (alghe: 2-6 ore, lieviti: 1-3 ore, batteri: 0,5-2 ore). Ciò consente anche di selezionare ceppi con un'elevata resa e una buona composizione nutrizionale in modo rapido e semplice rispetto all'allevamento.
  2. Mentre gran parte della coltura, come steli, foglie e radici non sono commestibili, i microrganismi unicellulari possono essere utilizzati interamente. Mentre parti della frazione commestibile delle colture contenute sono indigeribili, molti microrganismi sono digeribili in una frazione molto più elevata.
  3. I microrganismi di solito hanno un contenuto proteico molto più alto del 30-70% nella massa secca rispetto alle verdure o ai cereali. I profili aminoacidici di molti microrganismi SCP hanno spesso un'eccellente qualità nutrizionale, paragonabile a un uovo di gallina.
  4. Alcuni microrganismi possono costruire vitamine e sostanze nutritive che gli organismi eucarioti come le piante non possono produrre o non producono in quantità significative, inclusa la vitamina B12.
  5. I microrganismi possono utilizzare un ampio spettro di materie prime come fonti di carbonio, inclusi alcani, metanolo, metano, etanolo e zuccheri. Ciò che era considerato "prodotto di scarto" spesso può essere recuperato come nutriente e sostenere la crescita di microrganismi commestibili.
  6. Come le piante, i microrganismi autotrofi sono in grado di crescere con CO 2 . Alcuni di essi, come i batteri con la via Wood-Ljungdahl o il TCA riduttivo, possono fissare la CO
    2    tra 2-3, fino a 10 volte più efficiente delle piante se si considerano anche gli effetti della fotoinibizione .
  7. Alcuni batteri, come diversi clostridi omoacetogeni, sono in grado di svolgere la fermentazione del syngas . Ciò significa che possono metabolizzare il gas di sintesi , una miscela di gas di CO, H 2 e CO 2 che può essere prodotta dalla gassificazione di rifiuti organici residui non trattabili come la lignocellulosa.
  8. Alcuni batteri sono diazotrophic, cioè possono fissare N 2 dall'aria e sono quindi indipendenti di prodotti chimici fertilizzanti azotati, la cui produzione, l'utilizzo e la degradazione provoca enormi danni all'ambiente, si deteriora la salute pubblica, e il cambiamento climatico promuove.
  9. Molti batteri possono utilizzare H 2 per l'approvvigionamento energetico, utilizzando enzimi chiamati idrogenasi . Mentre le idrogenasi sono normalmente altamente sensibili all'O 2 , alcuni batteri sono in grado di eseguire la respirazione O 2 dipendente dell'H 2 . Questa caratteristica consente ai batteri autotrofi di crescere su CO 2 senza luce a un tasso di crescita rapido. Poiché l'H 2 può essere prodotto in modo efficiente dall'elettrolisi dell'acqua , per così dire, quei batteri possono essere "alimentati dall'elettricità".
  10. La produzione di biomassa microbica è indipendente dalle variazioni stagionali e climatiche e può essere facilmente protetta da eventi meteorologici estremi che si prevede possano causare danni alle colture con il cambiamento climatico in corso . I microrganismi indipendenti dalla luce come i lieviti possono continuare a crescere di notte.
  11. La coltivazione di microrganismi ha generalmente un'impronta idrica molto inferiore rispetto alla produzione agroalimentare. Considerando che l'impronta idrica blu-verde media globale (irrigazione, superficie, suolo e acqua piovana) delle colture raggiunge circa 1800 litri per kg di raccolto a causa di evaporazione, traspirazione, drenaggio e deflusso, i bioreattori chiusi che producono SCP non mostrano nessuna di queste cause.
  12. La coltivazione di microrganismi non richiede terreno fertile e quindi non è in concorrenza con l'agricoltura. Grazie al basso fabbisogno idrico, la coltivazione di SCP può essere effettuata anche in climi secchi con terreno sterile e può fornire un mezzo di approvvigionamento alimentare sicuro nei paesi aridi.
  13. I microrganismi fotosintetici possono raggiungere una maggiore efficienza di conversione dell'energia solare rispetto alle piante, perché nei fotobioreattori l'approvvigionamento di acqua, CO 2 e una distribuzione equilibrata della luce possono essere strettamente controllati.
  14. A differenza dei prodotti agricoli che vengono lavorati verso una qualità desiderata, è più facile con i microrganismi dirigere la produzione verso una qualità desiderata. Invece di estrarre amminoacidi dai semi di soia e gettare via metà del corpo della pianta nel processo, i microrganismi possono essere modificati geneticamente per produrre in eccesso o addirittura secernere un particolare amminoacido. Tuttavia, per mantenere una buona accettazione da parte dei consumatori, di solito è più facile ottenere risultati simili effettuando uno screening per i microrganismi che hanno già il carattere desiderato o addestrandoli tramite un adattamento selettivo.

Sebbene SCP mostri caratteristiche molto interessanti come nutriente per gli esseri umani, tuttavia ci sono alcuni problemi che ne scoraggiano l'adozione su base globale:

  • I microrganismi a crescita rapida come batteri e lieviti hanno un'alta concentrazione di acido nucleico , in particolare RNA. I livelli devono essere limitati nelle diete degli animali monogastrici a <50 g al giorno. L'ingestione di composti purinici derivanti dalla degradazione dell'RNA porta ad un aumento dei livelli plasmatici di acido urico , che può causare gotta e calcoli renali . L'acido urico può essere convertito in allantoina , che viene escreta nelle urine. La rimozione dell'acido nucleico non è necessaria dai mangimi animali, ma avviene dagli alimenti umani. Un mantenimento della temperatura a 64 °C inattiva le proteasi fungine e consente. Tuttavia, questo problema può essere risolto. Un metodo comune consiste in un trattamento termico che uccide le cellule, inattiva le proteasi e consente alle RNasi endogene di idrolizzare l'RNA con rilascio di nucleotidi dalla cellula al brodo di coltura.
  • Simile alle cellule vegetali, la parete cellulare di alcuni microrganismi come alghe e lieviti contiene componenti non digeribili, come la cellulosa. Le cellule di qualche tipo di SCP dovrebbero essere frantumate per liberare l'interno della cellula e consentire la completa digestione.
  • Alcuni tipi di SCP mostrano colori e sapori sgradevoli.
  • A seconda del tipo di SCP e delle condizioni di coltivazione, occorre prestare attenzione per prevenire e controllare la contaminazione da altri microrganismi perché i contaminanti possono produrre tossine come micotossine o cianotossine. Un approccio interessante per affrontare questo problema è stato proposto con il fungo Scytalidium acidophilum che cresce a un pH fino a 1. Ciò consente di idrolizzare i rifiuti di carta in un mezzo zuccherino e crea condizioni asettiche a basso costo.
  • Alcune proteine ​​del lievito e dei funghi tendono a essere carenti di metionina .

Guarda anche

Riferimenti