Proteína de célula única - Single-cell protein

Proteínas de célula única ( SCP ) ou proteínas microbianas referem-se a microrganismos unicelulares comestíveis . O extrato de biomassa ou proteína de culturas puras ou mistas de algas , leveduras , fungos ou bactérias pode ser usado como ingrediente ou substituto de alimentos ricos em proteínas e é adequado para consumo humano ou como ração animal. A agricultura industrial é marcada por uma grande pegada hídrica , alto uso da terra, destruição da biodiversidade, degradação ambiental geral e contribui para as mudanças climáticas pela emissão de um terço de todos os gases de efeito estufa , a produção de SCP não apresenta necessariamente qualquer uma dessas desvantagens sérias. A partir de hoje, SCP é comumente cultivado em produtos residuais agrícolas e, como tal, herda a pegada ecológica e a pegada hídrica da agricultura industrial. No entanto, o SCP também pode ser produzido totalmente independente de resíduos agrícolas por meio do crescimento autotrófico . Graças à alta diversidade do metabolismo microbiano, o SCP autotrófico fornece vários modos diferentes de crescimento, opções versáteis de reciclagem de nutrientes e uma eficiência substancialmente aumentada em comparação com as culturas. Uma publicação de 2021 mostrou que a produção de proteína microbiana movida a fotovoltaica poderia usar 10 vezes menos terra para uma quantidade equivalente de proteína em comparação com o cultivo de soja.

Com a população mundial atingindo 9 bilhões em 2050, há fortes evidências de que a agricultura não será capaz de atender à demanda e que existe um sério risco de escassez de alimentos. O SCP autotrófico representa opções de produção em massa de alimentos à prova de falhas, que podem produzir alimentos de maneira confiável, mesmo em condições climáticas adversas.

História

Em 1781, foram estabelecidos os processos de preparação de formas altamente concentradas de levedura. A pesquisa sobre a tecnologia de proteína de célula única começou há um século, quando Max Delbrück e seus colegas descobriram o alto valor do excedente de levedura de cerveja como suplemento alimentar para animais. Durante a Primeira Guerra Mundial e a Segunda Guerra Mundial, a levedura-SCP foi empregada em grande escala na Alemanha para combater a escassez de alimentos durante a guerra. As invenções para a produção de SCP muitas vezes representavam marcos para a biotecnologia em geral: por exemplo, em 1919, Sak na Dinamarca e Hayduck na Alemanha inventaram um método chamado "Zulaufverfahren", ( fed-batch ) em que a solução de açúcar era alimentada continuamente a uma suspensão aerada de fermento em vez de adicionar fermento à solução de açúcar diluída uma vez ( lote ). No período do pós-guerra, a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e Agricultura (FAO) enfatizou os problemas de fome e desnutrição do mundo em 1960 e introduziu o conceito de gap protéico, mostrando que 25% da população mundial tinha deficiência de proteína. em sua dieta. Temia-se também que a produção agrícola deixasse de atender à crescente demanda de alimentos pela humanidade. Em meados dos anos 60, quase um quarto de milhão de toneladas de fermento alimentar eram produzidos em diferentes partes do mundo e a União Soviética sozinha produzia cerca de 900.000 toneladas em 1970 de fermento alimentar e forrageiro.

Na década de 1960, pesquisadores da British Petroleum desenvolveram o que chamaram de "processo de proteínas do óleo": uma tecnologia para a produção de proteína unicelular por levedura alimentada por n-parafinas cerosas, um subproduto das refinarias de petróleo. O trabalho de pesquisa inicial foi feito por Alfred Champagnat na Refinaria de Petróleo Lavera da BP, na França; uma pequena planta piloto iniciou suas operações em março de 1963, e a mesma construção da segunda planta piloto, na refinaria de petróleo de Grangemouth, na Grã-Bretanha, foi autorizada.

O termo SCP foi cunhado em 1966 por Carroll L. Wilson do MIT .

A ideia do "alimento a partir do óleo" tornou-se bastante popular na década de 1970, com Champagnat recebendo o Prêmio UNESCO de Ciências em 1976, e instalações de levedura alimentada com parafina sendo construídas em vários países. O uso principal do produto era na alimentação de aves e gado.

Os soviéticos estavam particularmente entusiasmados, abrindo grandes fábricas "BVK" ( belkovo-vitaminny kontsentrat , ou seja, "concentrado de proteína-vitamina") ao lado de suas refinarias de petróleo em Kstovo (1973) e Kirishi (1974). O Ministério Soviético da Indústria Microbiológica tinha oito fábricas desse tipo em 1989. No entanto, devido a preocupações com a toxicidade dos alcanos no SCP e pressionado pelos movimentos ambientalistas, o governo decidiu fechá-las ou converter para algum outro processo microbiológico.

Quorn é uma linha de substitutos de carne vegetarianos e veganos feitos da micoproteína Fusarium venenatum , vendida na Europa e na América do Norte.

Outro tipo de análogo de carne à base de proteína de célula única (que não usa fungos, mas sim bactérias) é Calysta .

Processo de produção

As proteínas de uma única célula se desenvolvem quando os micróbios fermentam os resíduos (incluindo madeira, palha, enlatados e resíduos do processamento de alimentos, resíduos da produção de álcool, hidrocarbonetos ou excrementos humanos e animais). Com processos de 'alimentação elétrica', as entradas são eletricidade, CO
2 e traços de minerais e produtos químicos, como fertilizantes.

O problema de extrair proteínas de uma única célula dos resíduos é a diluição e o custo. Eles são encontrados em concentrações muito baixas, geralmente menos de 5%. Os engenheiros desenvolveram maneiras de aumentar as concentrações, incluindo centrifugação, flotação, precipitação, coagulação e filtração, ou o uso de membranas semipermeáveis.

A proteína unicelular deve ser desidratada até atingir um teor de umidade de aproximadamente 10% e / ou acidificada para auxiliar no armazenamento e evitar a deterioração. Os métodos para aumentar as concentrações para níveis adequados e o processo de desidratação requerem equipamentos caros e nem sempre adequados para operações de pequena escala. É economicamente prudente alimentar o produto localmente e logo após sua produção.

Microorganismos

Micróbios empregados incluem:

Propriedades

A produção em grande escala de biomassa microbiana tem muitas vantagens em relação aos métodos tradicionais de produção de proteínas para alimentos ou rações.

  1. Os microrganismos têm uma taxa de crescimento muito maior (algas: 2–6 horas, fermento: 1–3 horas, bactérias: 0,5–2 horas). Isso também permite selecionar linhagens com alto rendimento e boa composição nutricional de forma rápida e fácil em comparação com o melhoramento genético.
  2. Enquanto grandes partes da cultura, como caules, folhas e raízes não são comestíveis, os microrganismos unicelulares podem ser usados ​​inteiramente. Enquanto partes da fração comestível das safras contém não é digerível, muitos microrganismos são digeríveis em uma fração muito maior.
  3. Os microrganismos geralmente têm um teor de proteína muito mais alto, de 30 a 70% na massa seca, do que os vegetais ou grãos. Os perfis de aminoácidos de muitos microrganismos SCP geralmente têm excelente qualidade nutricional, comparável a um ovo de galinha.
  4. Alguns microrganismos podem construir vitaminas e nutrientes que os organismos eucarióticos, como as plantas, não podem produzir ou não produzem em quantidades significativas, incluindo a vitamina B12.
  5. Os microrganismos podem utilizar um amplo espectro de matérias-primas como fontes de carbono, incluindo alcanos, metanol, metano, etanol e açúcares. O que foi considerado "produto residual" muitas vezes pode ser recuperado como nutrientes e apoiar o crescimento de microorganismos comestíveis.
  6. Assim como as plantas, os microrganismos autotróficos são capazes de crescer a partir de CO 2 . Alguns deles, como bactérias com a via Wood-Ljungdahl ou o TCA redutor podem corrigir CO
    2    entre 2-3, até 10 vezes mais eficiente do que as plantas, considerando também os efeitos da fotoinibição .
  7. Algumas bactérias, como vários clostrídios homoacetogênicos, são capazes de realizar a fermentação do gás de síntese . Isso significa que eles podem metabolizar o gás de síntese , uma mistura de gases de CO, H 2 e CO 2 que pode ser feita pela gaseificação de biorresíduos intratáveis ​​residuais, como a lignocelulose.
  8. Algumas bactérias são diazotróficas, ou seja, podem fixar o N 2 do ar e, portanto, são independentes do N-fertilizante químico, cuja produção, utilização e degradação causa enormes danos ao meio ambiente, deteriora a saúde pública e promove as mudanças climáticas.
  9. Muitas bactérias podem utilizar H 2 para fornecimento de energia, usando enzimas chamadas hidrogenases . Considerando hidrogenases são normalmente altamente O 2 sensel, algumas bactérias são capazes de realizar ó 2 dependente de respiração de H 2 . Esta característica permite que bactérias autotróficas cresçam em CO 2 sem luz a uma taxa de crescimento rápida. Como o H 2 pode ser produzido com eficiência pela eletrólise da água , por assim dizer, essas bactérias podem ser "alimentadas por eletricidade".
  10. A produção de biomassa microbiana é independente das variações sazonais e climáticas e pode ser facilmente protegida de eventos climáticos extremos que podem causar quebras de safra com a mudança climática em curso . Microrganismos independentes de luz, como leveduras, podem continuar a crescer à noite.
  11. O cultivo de microrganismos geralmente tem uma pegada hídrica muito menor do que a produção de alimentos agrícolas. Considerando que a pegada hídrica azul-verde média global (irrigação, superfície, solo e água da chuva) das lavouras atinge cerca de 1.800 litros por kg de safra devido à evaporação, transpiração, drenagem e escoamento, biorreatores fechados que produzem SCP não apresentam nenhuma dessas causas.
  12. O cultivo de microrganismos não requer solo fértil e, portanto, não compete com a agricultura. Graças aos baixos requisitos de água, o cultivo de SCP pode até mesmo ser feito em climas secos com solo infértil e pode fornecer um meio de abastecimento de alimentos à prova de falhas em países áridos.
  13. Os microrganismos fotossintéticos podem atingir uma maior eficiência de conversão de energia solar do que as plantas, porque no fornecimento de água aos fotobiorreatores, o CO 2 e uma distribuição de luz equilibrada podem ser rigidamente controlados.
  14. Ao contrário dos produtos agrícolas que são processados ​​para uma qualidade desejada, é mais fácil com os microrganismos direcionar a produção para uma qualidade desejada. Em vez de extrair aminoácidos dos grãos de soja e jogar fora metade do corpo da planta no processo, os microrganismos podem ser geneticamente modificados para produzir em excesso ou mesmo secretar um determinado aminoácido. No entanto, para manter uma boa aceitação do consumidor, geralmente é mais fácil obter resultados semelhantes por meio da triagem de microrganismos que já têm a característica desejada ou treiná-los por meio de adaptação seletiva.

Embora SCP mostre características muito atraentes como um nutriente para humanos, no entanto, existem alguns problemas que impedem sua adoção em uma base global:

  • Microorganismos de crescimento rápido, como bactérias e leveduras, têm uma alta concentração de ácido nucléico , notadamente RNA. Os níveis devem ser limitados nas dietas de animais monogástricos a <50 g por dia. A ingestão de compostos de purina decorrentes da degradação do RNA leva ao aumento dos níveis plasmáticos de ácido úrico , que pode causar gota e cálculos renais . O ácido úrico pode ser convertido em alantoína , que é excretada na urina. A remoção do ácido nucléico não é necessária na alimentação animal, mas na alimentação humana. Uma temperatura mantida em 64 ° C inativa as proteases fúngicas e permite. No entanto, esse problema pode ser corrigido. Um método comum consiste em um tratamento térmico que mata as células, inativa as proteases e permite que as RNases endógenas hidrolisem o RNA com a liberação de nucleotídeos da célula para o caldo de cultura.
  • Semelhante às células vegetais, a parede celular de alguns microrganismos, como algas e leveduras, contém componentes não digeríveis, como a celulose. As células de algum tipo de SCP devem ser quebradas para liberar o interior da célula e permitir a digestão completa.
  • Algum tipo de SCP exibe cores e sabores desagradáveis.
  • Dependendo do tipo de SCP e das condições de cultivo, deve-se tomar cuidado para prevenir e controlar a contaminação por outros microrganismos, pois os contaminantes podem produzir toxinas como micotoxinas ou cianotoxinas. Uma abordagem interessante para resolver este problema foi proposta com o fungo Scytalidium acidophilum que cresce a um pH tão baixo quanto 1. Isso permite hidrolisar resíduos de papel em um meio de açúcar e cria condições assépticas a baixo custo.
  • Algumas leveduras e proteínas fúngicas tendem a ser deficientes em metionina .

Veja também

Referências