LV15626B - Paņēmiens mikroorganismu proteīnu ar zemu malondialdehīda koncentrāciju iegūšanai no izlietotām cepšanas eļļām - Google Patents

Abstract

Izgudrojums attiecas uz zivju, lauksaimniecības dzīvnieku un mājdzīvnieku barības izejvielu iegūšanas paņēmieniem. Paņēmiens paredz mikroorgansimu proteīnu iegūšanu no izlietotām cepšanas eļļām ar zemu malondialdehīda koncentrāciju. To panāk izlietotās eļļas, fermentējot ar mikroorganismiem un lipāzēm, līdz stacionārās fāzes sasniegšanai.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

[001] Izgudrojums attiecināms uz zivsaimniecības, lopkopības nozari un mājdzīvnieku barībām, konkrēti uz akvakultūras zivīm, lauksaimniecības un mājdzīvniekiem nepieciešamo barības izejvielu (proteīnu) iegūšanas paņēmieniem. Izgudrojuma paņēmiens ir mikroorganismu proteīnu, kas ir ar proteīniem bagāta barības izejviela, izgatavošana fermentācijas procesā no izlietotām cepšanas eļļām. Mikroorganismu proteīnu paredzēts izmantot kā izejvielu zivju, lauksaimniecības un mājdzīvnieku barībās. Paņēmiens nodrošina zemas toksiskā malondialdehīda koncentrācijas galaproduktā.

Zināmais tehnikas līmenis

[002] Augu eļļas plaši izmanto kulinārijā visā pasaulē. Augu eļļas tiek izmantotas mājsaimniecībās, ēdnīcās un pārtikas ražošanā rūpnieciskā mērogā. Cepšanas laikā eļļās veidojas kaitīgi savienojumi [1], tāpēc cepamās eļļas nepieciešams regulāri mainīt. Šīs izmantotās cepamās eļļas sauc par izlietotām cepšanas eļļām (ICE). Katru gadu pasaulē tiek saražoti aptuveni 10 miljoni tonnu ICE [1], No liela daudzuma ICE atbrīvojas tās iepriekš atbilstoši neapstrādājot. Teorētiski viens litrs eļļas var piesārņot līdz pat 1 miljonam litru ūdens [2], un ICE ir raksturīgas ļoti augstas ķīmiskā skābekļa (ĶSP) un bioloģiskā skābekļa patēriņa (BSP5) vērtības, tāpēc ICE apstrāde ir ļoti svarīga, lai samazinātu šo atlikumu negatīvo ietekmi uz vidi. Turklāt vairāk nekā 80 % augu eļļas tiek patērētas mājsaimniecībās [3, 4], tāpēc tas arī rada ievērojamu slodzi uz sadzīves notekūdeņu attīrīšanas sistēmām, tās aizdambē cauruļvadus un rada ūdens piesārņojumu, ja šīs eļļas netiek pienācīgi apstrādātas. Lai neradītu papildu izmaksas radītās ICE apstrādē, laba pieeja ir izmantot šīs eļļas kā izejvielu jaunu produktu ražošanā, tādējādi ne tikai gūstot papildu ienākumus, bet ari pārstrādājot ICE, kas savukārt samazina negatīvo ietekme uz vidi. ICE ir divas līdz trīs reizes lētākas nekā augu eļļas, tāpēc to izmantošana sniedz ievērojamus ekonomiskos ieguvumus [5]. ICE pašlaik izmanto kā izejvielu dzīvnieku barībā, ziepju ražošanā, naftas ķīmijas rūpniecībā un biodīzeļdegvielas ražošanā [4, 6, 7], Tomēr ICE kā piedevas izmantošana dzīvnieku barībā Eiropas Savienībā ir aizliegta kopš 2002. gada, jo pastāv risks, ka ICE esošie kaitīgie savienojumi nonāks dzīvnieku izcelsmes produktos un līdz ar to arī cilvēku uzturā [8, 9], Šis aizliegums ir pamatots, jo cepšanas laikā augu eļļas hidrolizējas, oksidējas un polimerizējas. Oksidācijas rezultātā eļļā veidojas hidroperoksīdi, aldehīdi, karbonskābes, alkāni un alkēni [10]. īpaši kaitīgi ir dažādi aldehīdu galaprodukti, kas karsēšanas laikā rodas cepamajās eļļās. Tie var izraisīt dažādas veselības problēmas, piemēram, aterosklerozi [11], išēmisko sirds slimību, perifero asinsvadu slimības utt. [12], ICE var attīrīt, izmantojot esošos tehnoloģiskos risinājumus, kurus plaši izmanto svaigi spiestu augu eļļu rafinēšanai, piemēram, apstrāde ar aktivētajiem iežiem [13], balināšana, attaukošana un dezodorēšana [1, 14], Izmantojot šīs metodes, ir iespējams atbrīvoties no lielākās daļas oksidācijas produktu, tomēr daži kaitīgi savienojumi, piemēram, malondialdehīds, paliek eļļā arī pēc iepriekšminētajiem attīrīšanas pasākumiem [1, 15],

[003] Karsēšanas laikā eļļās esošās polinepiesātinātās taukskābes oksidējas, veidojot hidroperoksīdus, kas, turpinoties oksidācijai, veido sekundārus oksidēšanās produktus, piemēram, malondialdehīdu (MDA) [16, 17], MDA spēj veidot aduktus ar olbaltumvielām un DNS molekulām, tāpēc MDA tiek uzskatīts par spēcīgu mutagēnu cilvēkiem [16, 1820]. MDA koncentrācijas noteikšanu zivīs un gaļas produktos bieži izmanto, lai noteiktu lipīdu oksidēšanās pakāpi [16], MDA koncentrācijas parasti nosaka, izmantojot violetā adukta spektrofotometrisko mērījumu, kas veidojas, reaģējot MDA ar 2-tiobarbitūrskābi (TBA) [16, 21], šo testu sauc par TBARS testu. Šo metodi bieži kritizē tās reakcijas nespecifiskuma dēļ, jo analizētajos produktos esošie savienojumi, piemēram, Maijāra reakcijas produkti, cukuru sadalīšanās produkti un olbaltumvielas, arī reaģē ar TBA [1], tādējādi palielinot mērījumu kļūdu [16, 22, 23], Šī iemesla dēļ ir piedāvāts aizstāt TBARS testu ar specifiskākiem augstas veiktspējas šķidruma hromatogrāfijas (HPLC) analīzes paņēmieniem [1, 16, 24], Lai arī precīzāki, HPLC testi ir daudz dārgāki, laikietilpīgāki un sarežģītāki nekā klasiskie kolorimetriskie testi [16]. Šī iemesla dēļ ir veikti salīdzinājumi starp TBARS testu un HPLC analīzi [16], Šajos pētījumos netika novērotas būtiskas atšķirības starp TBARS testu un HPLC analīzes rezultātiem tādiem produktiem kā eļļa, neapstrādāta, nevārīta gaļa un zivju produkti, savukārt pārstrādātiem produktiem, piemēram, riekstiem, gaļai, zivju produktiem un sieram, MDA koncentrācija izmantojot TBARS testu bija ievērojami augstāka kā izmantojot HPLC analīzi [16], Līdz ar to, TBARS analīze ir piemērota un precīza, ja MDA mēra neapstrādātos produktos un eļļās. Šajā paņēmienā MDA tika mērīta, izmantojot TBARS testu eļļās un neapstrādātā mikroorganismu biomasā, kas pēc makromolekulārā sastāva ir līdzīga gaļas produktiem. Pārtikas produktos maksimālā pieļaujamā MDA vērtība ir 3,7 mg MDA/kg [25-27], [004] Eļļu enerģētiskā ietilpība ir aptuveni divas reizes lielāka nekā glikozei, padarot ICE par ļoti piemērotu substrātu tādu mikroorganismu kultivēšanai, kuri spēj efektīvi izmantot šādus substrātus [28], Pateicoties lielajai enerģijas ietilpībai, zemajai pašizmaksai un plašajai pieejamībai, ICE izmantošana mikrobioloģiskajās fermentācijās ir perspektīva alternatīva dažādu pievienotās vērtības produktu ražošanai. Turklāt ICE izmantošana fermentācijās nodrošina arī izlietotu cepšanas eļļu apstrādi, tādējādi samazinot arī negatīvo ietekmi uz vidi. Līdz šim ir ziņots par ICE izmantošanu kā substrātu mikrobioloģiskajās fermentācijās, lai ražotu mikroorganismu eļļas [2, 29-32] mikroorganismu proteīnus [32, 33], virsmaktīvas vielas [13], karotīnus [4], eritriolu [28, 34] lipāzi [32-36] un citronskābi [28, 37],

[005] Mikroorganismu proteīni (VSP) ir zināmi kā uzturā lietojami vienšūnu mikroorganismi, kuru biomasa vai proteīnu ekstrakti ir iegūti no tīrām vai jauktām mikroskopisko aļģu, raugu, sēnīšu, baktēriju, protistu, vienšūnu vai citu vienšūnu organismu kultūrām [38]. Šos mikroorganismus var izmantot kā proteīniem bagātu pārtiku, pārtikas izejvielu vai uztura bagātinātājus [39], tos galvenokārt izmanto kā pārtiku cilvēku un dzīvnieku uzturam [40], VSP ir laba alternatīva lauksaimniecības izcelsmes proteīnu aizstāšanai, jo VSP ražošanai nav raksturīgs liels ūdens patēriņš [41], nav nepieciešamas lielas zemes platības, neapdraud vides daudzveidību [42], neveicina klimata pārmaiņas un nerada lielas siltumnīcefekta gāzu emisijas [42], kā tas ir lauksaimniecībā. Lai samazinātu VSP ražošanas izmaksas, ir svarīgi izmantot bioloģiski noārdāmus agroindustriālos blakusproduktus un atlikumus, kā barības vielu avotu VSP ražojošo mikroorganismu audzēšanai. Paņēmiena autori jau iepriekš ir apzinājuši visus mikroorganismu proteīnu un eļļu ražošanai potenciāli piemērotos agroindustriālos blakusproduktus [43^46].

[006] Lai gan ICE var potenciāli izmantot mikrobioloģiskajās fermentācijās, eļļas esošie oksidēšanās produkti, piemēram, peroksīdi, hidroperoksīdi, aldehīdi un ketoni var negatīvi ietekmēt mikroorganismu metabolismu un samazināt fermentācijas produktu ražu [13]. Tāpēc, lietojot ICE kā substrātu vienšūnu proteīnu ražošanā, jāpārbauda nevēlamo savienojumu koncentrācijas. Ja ICE fermentē, lai iegūtu VSP, pastāv risks, ka MDA uzkrāsies kultivēto mikroorganismu biomasā un tādējādi arī pašā galaproduktā. Tādēļ VSP, kas iegūts, fermentējot ICE, jāpārbauda, vai tajā esošā MDA koncentrācija nepārsniedz pieļaujamo normu (3,7 mg MDA/kg).

[007] Lielu skaitu baktēriju, raugu, sēnīšu, mikroskopisko aļģu, protistu, vienšūnu un citu vienšūnu organismu sugas ir iespējams kultivēt, par galveno barības izejvielu izmantojot dažādākos agroindustriālos blakusproduktus [43^46], Daudz mazāks skaits mikroorganismu sugu spēj efektīvi izmantot hidrofobus barības avotus, tādu kā eļļas. Lai mikroorganisms spētu efektīvi izmantot eļļas, kā substrātu, tam ir jāspēj izdalīt ārpusšūnu lipāzes, kas sašķeļ lipīdus brīvajās taukskābēs un tās pēc tam tiek uzņemtas mikroorganismu šūnās. Papildus tam mikroorganismam ir arī jāspēj sintezēt un izdalīt ārpusšūnas emulgatorus, kas palielina hidrofobo substrātu emulsificēšanās pakāpi un tādējādi padara attiecīgās barības vielas vieglāk pieejamas. Izmantojot lipāzes un emulgatorus sintezējošus mikroorganismu celmus ne tikai ļauj efektīvi izmantot ICE kā galveno izejvielu, bet arī nodrošina, ka barotnes sagatavošana rada mazākas izmaksas, jo barotnē esošās eļļas nav nepieciešams emulsificēt, izmantojot polisorbātus vai ultrasonifikāciju.

[008] Ir iepriekš ziņots par mēģinājumiem ražot VSP par galveno barības izejvielu izmantojot ICE [32, 33], tomēr šajā paņēmienā pirmo reizi tiek ziņots par MDA koncentrācijas samazinājumu gala produktā (VSP) līdz drošam līmenim (<3,7 mg MDA/kg) izmantojot mikrobioloģiskās fermentācijas, kas ir paņēmiena lielākā inovācija.

[009] Izgudrojumam tuvākais paņēmiens ir mikroorganismu proteīnu iegūšana kultivējot mikroorganismus, izmantojot augu izcelsmes cukurus [47], Šīs paņēmiens pieņemts par prototipu. Prototipa paņēmiens ietver šādus secīgus soļus: substrāta pirmsapstrāde, mikroorganismu kultivēšana, filtrēšana, biomasas apstrāde, kvalitātes kontrole. Prototipa paņēmienā tiek izmantotas dārgas izejvielas (augu izcelsmes cukuri), līdz ar to šim paņēmienam ir trūkumi: dārgas izejvielas [48]; izejvielu ieguve konkurē pār ierobežotajām aramzemju platībām [48-51],

[010] Saistībā ar kaitīgo lipīdu oksidācijas produktu samazināšanu, kas attiecas uz prototipa pirmo soli - substrāta pirmsapstrādi, izgudrojumam tuvākais paņēmiens ir eļļu rafinēšana, izmantojot apstrādi ar aktivētajiem iežiem (angļu vai. activated earth), balināšanu (angļu vai. bleaching), attaukošanu (angļu vai. degumminģ) un dezodorēšanu (angļu vai. deodorizing). Šīs metodes nespēj atbrīvot eļļas no malondialdehīda, savukārt, izgudrojumā izmantotā mikrobiālā fermentācija nodrošina zemas malondialdehīda koncentrācijas gala produktā. Paņēmienā pirmo reizi tiek ziņots par malondialdehīda koncentrācijas samazināšanos izmantojot ICE par izejvielu mikrobioloģiskajās fermentācijās. Patenta pieteikuma autori pirmo reizi par malondialdehīda samazināšanos, izmantojot mikrobiālās fermentācijas, ziņoja zinātniskajā publikācija [52],

Izgudrojuma mērķis un būtība

[011] Izgudrojuma mērķis ir izstrādāt ražošanas paņēmienu mikroorganismu proteīnu iegūšanai no izlietotām cepšanas eļļām, nodrošinot zemas malondialdehīda koncentrācijas gala produktā.

[012] Izgudrojuma mērķis ir sasniegts prototipa paņēmienā (mikroorganismu proteīnu ražošana, izmantojot augu izcelsmes cukurus) augu izcelsmes cukurus aizstājot ar izlietotām cepšanas eļļām un izmantojot mikrobioloģisko fermentāciju malondialdehīda koncentrācijas samazināšanai līdz drošam līmenim (<3,7 mg MDA/kg mikroorganismu proteīna).

[013] Veicot mikrobioloģisko fermentāciju oglekļa avots sastāda ap 60 % no kopējām produkta ražošanas izmaksām [48], līdz ar to izmantojot izlietotas cepšanas eļļas ir iespējams ievērojami samazināt ražošanas izmaksas. Izlietoto cepšanas eļļu izmantošana proteīnu ražošanā arī ļauj samazināt negatīvo ietekmi uz vidi, jo mikrobioloģiskā ICE fermentēšana ievērojami samazina bioloģiskā skābekļa patēriņa (BSP) un ķīmiskā skābekļa patēriņa (KSP) vērtības attiecīgajās eļļās. Pēc fermentācijas ICE atlikumi ir daudz mazāk kaitīgi apkārtējai videi, kā, ja tie nokļūtu vidē iepriekš neapstrādāti [2-5].

[014] Karsēšanas laikā eļļās esošās polinepiesātinātās taukskābes oksidējas, veidojot virkni kaitīgu savienojumu. Izlietotu cepšanas eļļu var attīrīt no tās atdalot lielāko daļu tajā esošo kaitīgo savienojumu. Attīrīšanu var veikt izmantojot standarta eļļu rafinēšanas metodes, tādas kā apstrāde ar aktivētajiem iežiem [13], balināšana, attaukošana un dezodorēšana [1, 14], Tomēr malondialdehīds saglabājas eļļā pat pēc iepriekšminēto attīrīšanas metožu izmantošanas [1, 15]. Šī problēma paņēmienā ir atrisināta izmantojot izlietotas cepšanas eļļas mikrobiālajā fermentācijā, kur iegūtais mikroorganismu proteīns satur drošas malondialdehīda koncentrācijas (<3,7 mg MDA/kg).

Izgudrojuma detalizēts izklāsts

[015] Izgudrojuma paņēmiens mikroorganismu proteīnu iegūšanai no izlietotām cepšanas eļļām ietver šādus secīgus soļus: (i) substrāta pirmsapstrāde, (ii) substrāta fermentācija ar mikroorganismu kultivēšanu bioreaktorā, (iii) mikroorganismu biomasas filtrēšana, (iv) biomasas apstrāde, (v) kvalitātes kontrole.

[016] Pirmais solis (i) substrāta pirmsapstrāde, kurā zināmajos paņēmienos tiek veikta eļļu rafinēšana, izmantojot apstrādi ar aktivētajiem iežiem, balināšanu, attaukošanu un dezodorēšanu. Šīs metodes nespēj atbrīvot eļļas no malondialdehīda, savukārt izgudrojumā izmantotā mikrobiālā fermentācija nodrošina zemas malondialdehīda koncentrācijas gala produktā.

[017] Otrais solis (ii) ir substrāta fermentācija jeb kultivēšana. Kultivēšanas laikā barotne ir bagāta ar barības vielām (ar oglekli un slāpekli bagāti savienojumi, mikroelementi), kuras veicina šūnu vairošanos [48]. Kultivēšanas laikā par galveno oglekļa avotu tiek izmantotas izlietotas cepšanas eļļas. Saskaņā ar izgudrojumu kultivēšanu veic šādos apstākļos: izmantojot lipāzes un emulgatorus sintezējošus mikroorganismu celmus, partijas, papildinātās partijas vai nepārtrauktās kultivēšanas režīmā, kultivēšanai ilgstot līdz stacionārās fāzes sasniegšanai.

[018] Trešais solis (iii) ir šūnu masas atdalīšana no šķidrās barotnes, ko veic ar filtrēšanu: cietās daļiņas (mikroorganismu biomasa) atdala no šķidrās frakcijas (barotne) [48], Flokulācija, izmantojot pārtikas klases līdzekļus, var uzlabot kopējo filtrēšanas efektivitāti.

[019] Ceturtais solis (iv) ir biomasas apstrāde. Tā kā paņēmienu galvenokārt paredzēts izmantot, lai ražotu ar proteīnu bagātu izejvielu akvakultūras zivju, lauksaimniecības un mājdzīvnieku barībām, biomasas apstrāde ir atkarīga no patērētāja prasībām. Atkarībā no patērētāja prasībām biomasu ir iespējams apstrādāt trīs dažādos veidos: slapja biomasa; žāvēta biomasa; žāvēta un malta biomasa. Slapja biomasa ir mikroorganismu biomasa, kuru pēc filtrēšanas tālāk neapstrādā un pēc iespējas ātrāk izbaro attiecīgajiem dzīvniekiem. Slapjai biomasa ir lētāka, bet augstās mitruma koncentrācijas dēļ tai ir ļoti īss derīguma termiņš (24^-8 stundas). Žāvēta biomasa ir mikroorganismu biomasa, kurai ir samazināts mitruma sastāvs (<15 %), tai ir raksturīgs garš derīguma termiņš (4^48 mēneši) un to var izmantot dažādāko dzīvnieku barību sagatavošanā. Žāvēta un malta biomasa ir mikroorganismu biomasa, kurai ir samazināts mitruma sastāvs un tā ir pulverizēta atbilstoši patērētāja prasībām. Pulverveida biomasu izmanto specifisku dzīvnieku barības maisījumu pagatavošanai, kuru sastāvā ir liels skaits sastāvdaļu.

[020] Kvalitātes kontrole (v) var tikt veikta pēc biomasas apstrādes (iii) vai arī pēc filtrēšanas (ii). Kvalitātes kontroles laikā tiek paņemts paraugs no sagatavotās produkcijas partijas, lai noteiktu malondialdehīda koncentrāciju paraugā. Malondialdehīda koncentrāciju var noteikt ar TBARS testu, augstas veiktspējas šķidruma hromatogrāfijas (HPLC) metodēm vai jebkuru citu analītisko metodi, kas ļauj noteikt malondialdehīda koncentrāciju paraugā. TBARS tests ir atbilstošs eļļu un biomasas paraugu analīzēm [16], TBARS tests ir lētāks un vienkāršāks nekā alternatīvās metodes [16], Pārtikas produktos maksimālā pieļaujamā malondialdehīda koncentrācija ir 3,7 mg/kg [25-27],

[021] Mikroorganismu proteīni ir olbaltumvielas, kas iegūtas no proteīnus ražojošiem mikroorganismiem, kas spēj izmantot izlietotas cepšanas eļļas kā substrātu. Mikroorganismu proteīni ir olbaltumvielas saturošs vielu maisījumus, kuru molekulas galvenokārt sastāv no aminoskābēm, brīvajām aminoskābēm, albumīniem, globulīniem, histoniem, skleroproteīniem, fosfoproteīniem, nukleoproteīdiem, glikoproteīdiem, lipoproteīniem u.c. Šī izgudrojuma ietvaros būtiskākās aminoskābes ir treonīns, metionīns, triprofans un lizīns.

[022] Mikroorganismu proteīnu no izlietotām cepšanas eļļām ir iespējams iegūt no baktērijām, cianobaktērijām, sēnēm (raugi, mikroskopiskās micēlijsēnes), arhejiem, mikroskopiskajām aļģēm, protistiem, vienšūņiem un citiem vienšūnu organismiem. Mikroorganismi var būt gan dabīgi, gan mutanti, gan ģenētiski modificēti, lai uzlabotu to proteīnu akumulācijas un izlietotas cepšanas eļļas izmantošanas spēju. Mikroorganismu proteīnus no izlietotām cepšanas eļļām var ražot izmantot mikroorganismus no ģintīm Achlya, Acinetobacter, Apiotrichum, Aspergillus, Brachiomonas, Candida, Chaetomium, Chlorella, Cladosphora, Cladosporium, Cladosposridium, Claviceps, Crypthecodinium, Cryptococcus, Cunninghamella, Deparyomyces, Dunaliella, Emiricella, Fusarium, Galactomyces, Geotrichum, Glomus, Gordonia, Hansenula, Hantzschia, Humicola, Yarrowia, Labyrinthula, Leucosporidium, Lipomyces, Malbranchea, Mortierella, Mucor, Mycobacterium, Nannochloropsis, Nanochloris, Neochloris, Nitzschia, Nocardia, Pachysolen, Parietochloris, Pythium, Protoheca, Pseudozyma, Rhizopus, Rhodococcus, Rhodosporidium, Rhodotorula, Scenedesmus, Schizochytrium, Sirodotia, Sporidiobolus, Sporobolomyces, Streptomyces, Traustrochytrium, Tremella, Trichosporon, Ulkenia,

Umbelopsis, Waltomyces, Zygorhychus uc. [48, 53] mikroorganismus, kuri spēj sintezēt un izdalīt ārpusšūnas lipāzes un emulgatorus.

[023] Izlietotas cepšanas eļļas ir taukus saturošs vielu maisījums, kuros molekulas galvenokārt sastāv no alifatiskājiem ogļūdeņražiem, kas šķīst nepolāros organiskajos savienojumos, bet slikti šķīst ūdenī. Lipīdi ir tauki, eļļas, vaski, vaska esteri, sterīni, terpenoīdi, izoprenoīdi, karotinoīdi, polihidroksialkanoāti, nukleīnskābes, taukskābes, tauku spirti, tauku aldehīdi, taukskābju esteri, fosfolipīdi, glikolipīdi, sfmgolipīdi un acilglicerīni. Izlietotas cepšanas eļļa var būt augu, dzīvnieku, mikroorganismu, fosilo ogļūdeņražu u.c. izcelsmes. Izlietotas cepšanas eļļas ir atkritumprodukts, kas rodas pēc ilgstošas lipīdu karsēšanas paaugstinātās temperatūrās. Karsēšanas laiks un temperatūra krasi atšķiras atkarībā no lipīdu sastāva. Piemēram, polinepiesātinātās taukskābes sāk oksidēties jau 30-40 °C temperatūrā, kamēr rafinētu ogļūdeņražu eļļu darba temperatūra ir virs 315 °C. Šī izgudrojuma ietvaros izlietotas cepšanas eļļas nāk no ēdiena gatavošanas, bet arī citi ilgstoši karsēti lipīdi var tikt izmantoti šajā paņēmienā - kosmētikas, krāsu, motoreļļu, izolāciju, termoregulācijas, lubrikantu, ķīmisko izejvielu produktu ražošanā un ekspluatācijā izmantotie lipīdi.

[024] Mikroorganismu kultivēšana ir process, kura laikā tiek veicināta vai atļauta mikroorganismu augšana un attīstība. Mikroorganismi kultivēšanas laikā fermentē barotnē esošās barības vielas un akumulē šūnas iekšienē vai barotnē proteīnus, kurus ir iespējams ekstrahēt vai savākt. Šī izgudrojuma ietvaros mikroorganismi tiek kultivēti aerobos apstākļos, kas nozīmē to, ka kultivēšanas laikā mikroorganismi izmanto skābekli kā elektronu akceptoru enerģijas ražošanas procesos. Parasti kultivēšanas laikā aerobiskā kultivēšana tiek nodrošināta aktīvi aerējot barotni, to maisot vai atsevišķi pievadot skābekli, vai gāzu maisījumu kura sastāvā ir skābeklis. Kultivēšanas process var tikt veikts, izmantojot jebkuru piemērotu mikroorganismu kultivēšanas paņēmienu, tajā skaitā partiju (angļu vai. batch), papildināto partiju (angļu vai. fed batch) un nepārtraukto (angļu vai. continuous) kultivēšanu. Kultivēšana ar mērķi iegūt mikroorganismu proteīnu var notikt gan sterilos, gan nesterilos apstākļos. Sterili apstākļi mikroorganismu kultivēšanas kontekstā ir tādi apstākļi, kuros kultivēšanas trauki, iekārtas, barotne un citi rīki, kas nonāks kontaktā ar mikroorganismiem kultivēšanas laikā, ir pirms tam nosterilizēti, lai nodrošinātu, ka kultivēšanas laikā barotnē neattīstītos kādas citas nevēlamas mikroorganismu kultūras [54], Mikroorganismu kultūru augšanu var iedalīt četrās fāzēs:

lag fāze, log fāze, stacionārā fāze un miršanas fāze. Lag fāzes laikā mikroorganismi adaptējas esošajiem kultivēšanas apstākļiem, šajā fāzē netiek novērota šūnu augšana un vairošanās. Log fāze tiek arī dēvēta par eksponencionālo fāzi, jo šīs fāzes laikā notiek strauja mikroorganismu augšana un vairošanās, patērējot barotnē esošās barības vielas. Stacionārajā fāzē barības vielas sāk izsīkt vai arī mikroorganismi sasniedz tādu šūnu blīvumu, kurā mikroorganismi pārstāj dalīties, pat ja barotnē vēl ir pieejamas barības vielas pietiekošā daudzumā. Stacionārajā fāzē mikroorganismi pārstāj dalīties, šūnas var turpināt augt un nobriest, bet izteikts biomasas pieaugums vairs netiek novērots. Mikroorganismu kultivēšana tiek pabeigta, kad tiek sasniegts lielākais iespējamais mikroorganismu šūnu blīvums barotnē, kas notiek stacionārajā fāzē. Šādā veidā tiek nodrošināts, ka tiks iegūts arī lielākais mikroorganismu proteīnu iznākums.

[025] Pēc kultivēšanas tiek veikta šūnu masas atdalīšana no šķidrās barotnes, ko ir iespējams veikt ar preses, vakuuma, centrifugēšanas, skrūvpreses vai ar citām filtrēšanas metodēm, kurās cietās daļiņas (mikroorganismu biomasa) tiek atdalītas no šķidrās frakcijas (barotne). Flokulācija, izmantojot pārtikas klases līdzekļus, var uzlabot kopējo filtrēšanas efektivitāti.

[026] Pēc biomasas filtrēšanas atkarībā no patērētāja prasībām biomasu var apstrādāt to žāvējot un samaļot. Žāvēšanu var veikt izmantojot mehāniskās (spiežot, filtrējot, centrifugējot), fizikāli ķīmiskās (mitruma saistīšana ar higroskopiskām vielām) un siltuma (izgarošana, iztvaikošana, iztvaicēšana, kondensācija, sublimācija, konvektīvā, kontakta u.c.) žāvēšanas metodes. Biomasas malšanu var veikt izmantojot saberšanu, saspiešanu vai sagriešanu smalkākās frakcijās. Biomasas malšanai izmantojamās metodes ir ar dažādākajiem enerģijas avotiem (elektroenerģija, iekšdedzes dzinēji, vējš, ūdens, dzīvnieki, viļņi, u.c.) darbinātas lodīšu, stieņu, autogēnās, pusautogēnās, oļu, augstspiediena slīpējošās, akmens (angļu vai. buhrstone) un vertikālās dzirnavas.

Izgudrojuma realizācijas piemēri

1. piemērs: mikroorganismu proteīnu iegūšanas paņēmiens no izlietotas rafinētas rapšu eļļas

[027] Izmantotais mikroorganisms: Rhodococcus opacus (savvaļas tips).

Barotne: 5 g/1 rauga ekstrakts; 10 g/1 triptons; 10 g/1 nātrija hlorīds; 12.5 g/1 izlietota rafinēta rapšu eļļa; destilēts ūdens.

(i) Kultivēšanas apstākļi: 37 °C temperatūra; 800 apgr/min maisīšanas ātrums; papildināto partiju kultivēšana (ik pēc 12 stundām pievieno papildus 10 g/1 izlietotu cepšanas eļļu); pH 6,5 (regulēts ar 1M NaOH); 96 stundas kultivēšanas ilgums līdz stacionārās fāzes sasniegšanai; aerāciju saglabāja ap 0,8 1 minūtes'¹.

(ii) Filtrācija: vakuuma filtrēšana caur 0,45 pm celulozes filtru.

(iii) Biomasas apstrāde: izžāvēšana 70 °C temperatūrā.

Iegūtais biomasas daudzums (grami uz litru barotnes): 22.84 g/1 (biomasu noteica gravimetriski). Proteīnu koncentrācija biomasā: 32,2 % (proteīnu koncentrāciju noteica izmantojot spektrofotometrisko proteīna noteikšanas metodi (angļu vai. micro Lowry assay, Peterson modification).

(iv) Kvalitātes kontrole: malondialdehīda koncentrācijas tika noteiktas gan sākotnējos izlietotās cepšanas eļļas paraugos, gan iegūtajā mikroorganismu biomasā izmantojot TBARS testu.

Sākotnējā malondialdehīda koncentrācija izlietotā rapšu eļļā: 32,31 mg MDA/kg. Malondialdehīda koncentrācija iegūtajā mikroorganismu proteīnā: 2,42 mg MDA/kg (pieļaujamā robeža<3,7 mg MDA/kg). Malondialdehīda samazinājums: 92,51 %.

2. piemērs: mikroorganismu eļļas iegūšanas paņēmiens no izlietotas palmu eļļas [028] Izmantotais mikroorganisms: Umbelopsis isabellina (savvaļas tips).

Barotne: 10 g/1 rauga ekstrakts; 10 g/1 peptons; 8 g/1 nātrija hlorīds; 0,12 g/1 karbamīds; 35 g/1 izlietota cepšanas eļļa; destilēts ūdens.

(i) Kultivēšanas apstākļi: 25 °C temperatūra; 150 apgr/min maisīšanas ātrums; partiju kultivēšana; pH 6 (regulēts ar 1M NaOH); 120 stundas kultivēšanas ilgums līdz stacionārās fāzes sasniegšanai; aerāciju saglabāja ap 0,6 1 minūtes'¹.

(ii) Filtrācija: preses filtrēšana caur 0,5 pm celulozes filtru.

(iii) Pirmsekstrakcijas apstrāde: izžāvēšana 37 °C temperatūrā un mehāniska saberšana izmantojot lodīšu dzirnaviņas.

Iegūtais biomasas daudzums (grami uz litru barotnes): 8,4 g/1 (biomasu noteica gravimetriski). Proteīnu koncentrācija biomasā: 24,56 % (proteīnu koncentrāciju noteica izmantojot spektrofotometrisko proteīna noteikšanas metodi (angļu vaL micro Lowry assay, Peterson modification).

(iv) Kvalitātes kontrole: malondialdehīda koncentrācijas tika noteiktas gan sākotnējos izlietotās cepšanas eļļas paraugos, gan iegūtajā mikroorganismu biomasā izmantojot TBARS testu.

Sākotnējā malondialdehīda koncentrācija izlietotā palmu eļļā: 6,32 mg MDA/kg. Malondialdehīda koncentrācija iegūtajā mikroorganismu proteīnā: 0,14 mg MDA/kg (pieļaujamā robeža<3,7 mg MDA/kg). Malondialdehīda samazinājums: 97,78 %.

3. piemērs: mikroorganismu proteīnu iegūšanas paņēmiens no izlietotas saulespuķu eļļas [029] Izmantotais mikroorganisms: Yarrowia lipolytica (savvaļas tips).

Barotne: 2 pg/l biotīns; 400 pg/l kalcija pantotenāts; 2 pg/l folijskābe; 400 pg/l niacīns; 200 pg/l p-aminobenzoskābe; 400 pg/l piridoksīna hidrohlorīds; 200 pg/l riboflavīns; 400 pg/l tiamīna hidrohlorīds; 2 mg/1 inositols; 500 pg/l borskābe; 40 pg/l vara sulfāts; 100 pg/l kālija jodīds; 200 pg/l dzelzs hlorīds; 400 pg/l mangāna sulfāts; 200 pg/l nātrija molibdāts; 400 pg/l cinka sulfāts; 1 g/1 kālija fosfāts; 0,5 g/1 magnija sulfāts; 5 g/1 nātrija hlorīds; 0,1 g/1 kalcija hlorīds; 27,5 g/1 izlietota saulespuķu eļļa no kartupeļu čipšu ražotnes; 7,212 g/1 karbamīds; destilēts ūdens.

(i) Kultivēšanas apstākļi: 28 °C temperatūra; 200 apgr/min maisīšanas ātrums; partiju kultivēšana; pH 6,0 (regulēts ar 1M NaOH); 5 dienas kultivēšanas ilgums līdz stacionārās fāzes sasniegšanai; aerācija no maisīšanas.

(ii) Filtrācija: preses filtrēšana caur 2 pm celulozes filtru.

(iii) Biomasas apstrāde: izžāvēšana 40 °C temperatūrā un mehāniska saberšana izmantojot lodīšu dzirnaviņas.

Iegūtais biomasas daudzums (grami uz litru barotnes): 57,37 g/1 (biomasu noteica gravimetriski). Proteīnu koncentrācija biomasā: 12,6 % (proteīnu koncentrāciju noteica izmantojot spektrofotometrisko proteīna noteikšanas metodi (angļu vai. micro Lowry assay, Peterson modification).

(iv) Kvalitātes kontrole: malondialdehīda koncentrācijas tika noteiktas gan sākotnējos izlietotās cepšanas eļļas paraugos, gan iegūtajā mikroorganismu biomasā izmantojot TBARS testu.

Sākotnējā malondialdehīda koncentrācija izlietotā saulespuķu eļļā: 30,87 mg MDA/kg. Malondialdehīda koncentrācija iegūtajā mikroorganismu proteīnā: 2,32 mg MDA/kg (pieļaujamā robeža<3,7mg MDA/kg). Malondialdehīda samazinājums: 92,48 %.

Izmantotie literatūras avoti

1. Wei, Z., Li, X., Thushara, D., Liu, Y. Determination and removal of malondialdehyde and other 2-thiobarbituric acid reactive substances in waste cooking oil. Journal of Food Engineering 2011:107:379-384.

2. Kumar, S., Negi, S. Transformation of waste cooking oil into C-18 fatty acids using a novel lipase produced by Penicillium chrysogenum through solid state fermentation. Biotech 2015:5:847-851.

3. Mandolesi de Araujo, C.D., Andrade, C.C., Silva, E.S., Dupas, F.A. Biodiesel production from used cooking oil: a review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2013:27:445-452

4. Nanou, K., Roukas, T. Waste cooking oil: A new substrate for carotene production by Blakeslea trispora in submerged fermentation. Bioresource Technology 2016:203:198-203.

5. Phan, A.N., Phan, T.M. Biodiesel production from waste cooking oils. Fuel 2008:87:3490-6.

6. Talebian-Kiakalaieh, A., Amin, N.A.S., Mazaheri, Η. A review on novel processes of biodiesel production from waste cooking oil. Appl Energy 2013;104:683-710.

7. Sheinbaum-Pardo, C., Calderon-Irazoque, A., Ramirez-Suarez, M. Potential of biodiesel from waste cooking oil in Mexico. Biomass Bioenergy 2013:56:230-238.

8. Cvengros, J., Cvengrosova, Z. Used frying oils and fats and their utilization in the production of methyl esters of higher fatty acids. Biomass Bioenergy 2004:27: 173181.

9. Kulkami, M.G., Daļai, A.K. Waste cooking oil - An economical source for biodiesel: a review. Ind Eng Chem Res 2006:45:2901-13.

10. Choe, E., Min, D.B. Chemistry of deep-fat frying oils. Journal of food Science 2007:72(5).

11. Steinberg, D., Witztum, J.L. Lipoproteins and atherogenesis: current concepts. J. Amer. Med. Assoc. 1990:246:3047-3052.

12. Grootveld, M., Silwood, C.J.L., Addis, P., Claxson, A. Health effects of oxidized heated oils. Foodservice Research International 2001:41-55.

13. Maddikeri, G.L., Gogate, P.R., Pandit A.B. Improved synthesis of sophorolipids from waste cooking oil using fed batch approach in the presence of ultrasound. Chemical Engineering Journal 2015:263:479^-87.

14. Bailey, A.E., 2005. Bailey’s Industrial Oil and Fat Products. John Wiley & Sons, New York.

15. Torun, M., Yardim, S., Gonenc, A., Sargin, H., Menevse, A., Simsek, B. Serum betacarotene, vitamin-E, vitamin-C and malondialdehyde Ievels in several types of cancer. Journal of Clinical Pharmacy and Therapeutics 1995:20(5): 259-263.

16. Papastergiadis, a., Mubiru, E., Van Langenhove, H., De Meulenaer, B. Malondialdehyde Measurement in Oxidized Foods: Evaluation of the Spectrophotometric Thiobarbituric Acid Reactive Substances (TBARS) Tēst in Various Foods. Journal of agricultural and food chemistry 2012: 60:9589-9594.

17. Frankel, N.E. Lipid Oxidation; The Oily Press: Bridgwater, U.K., 2005.

18. Esterbauer, H., Schaur, R.J., Zollner, H. Chemistry and biochemistry of 4hydroxynonenal, malonaldehyde and related aldehydes. Free Radical Biol. Med. 1991:11(1):81-128.

19. Uchida, K. Histidine and lysine as targets of oxidative modification. Amino Acids 2003:25(3-4):249-257.

20. Giera, M., Lingeman, H., Niessen, W.M. Recent advancements in the LC- and GCbased analysis of malondialdehyde (MDA): A brief overview. Chromatographia 2012:75(9-10):433-440.

21. Botsoglou, N.A., Fletouris, D.J., Papageorgiou, G.E., Vassilopoulos, V.N. Mantis, A.J., Trakatellis, A.G. Rapid, sensitive, and specific thiobarbituric acid method for measuring lipidperoxidation in animal tissue, food, and feedstuff samples. J. Agrie. FoodChem. 1994:42(9):1931-1937.

22. Guillen-Sans, R., Guzman-Chozas, M. The thiobarbituric acid (TBA) reaction in foods: A review. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 1998:38(4):315-330.

23. Du, Z., Bramlage, W.J. Modified thiobarbituric acid assay for measuring lipid oxidation in sugar-rich plant tissue extracts. J. Agrie. Food Chem. 1992:40(9):1566-1570.

24. Devasagayam, T.P.A., Boloor, K.K., Ramasarma, T. Methods for estimating lipid peroxidation: An analysis of mērīts and demerits. Indian Journal of Biochemistry & Biophysics 2003:40:300-308.

25. Jacobson, M., Koehler, H.H. Development of rancidity during short-time storage of cooked poultry meat. J. Agrie. Food Chem. 1970:18(6):1069-1072.

26. Kerth, C.R., Legako, J. Flavor Development and Relating Volatile compounds to Sensory Evaluation. 2015.

27. Khidhir, Z., Kh, Z., Bahrouz, M., Bahrouz A.J., Saleh, H. Lipid oxidation as a quality indicator in meats for Five local Fresh Fish. Ist Scientific Conference for Food Sciences, At Tikrit university - Iraq, 2013.

28. Liu, Χ.Υ., Lv, J.S., Xu, J.X. Effects of osmotic pressure and pH on citric acid and erythritol produetion from waste cooking oil by Yarrowia lipolytica. Eng Life Sci 2018:18(6):344-52.

29. Patel, A., Matsakas, L. A comparative study on de novo and ex novo lipid fermentation by oleaginous yeast using glucose and sonicated waste cooking oil. Ultrasonics - Sonochemistry 2019:52:364-374.

30. Katre, G., Joshi, C., Khot, M., Zinjarde, S., Kumar, A.R. Evaluation of single celi oil (SCO) from a tropical marinē yeast Yarrowia lipolytica 3589 as a potential feedstock for biodiesel. AMB Express 2012:2:36.

31. Katre, G., Raskar, S., Zinjarde, S., Kumar R.V., Kulkami B.D., RaviKumar A. Optimization of the in situ transesterification step for biodiesel produetion using biomass of Yarrowia lipolytica NCIM 3589 grown on waste cooking oil. Energy 2018:142:944-952

32. Papanikolaou, S., Chevalot, L, Galiotou-Panayotou, M., Komaitis, M., Marc, I., Aggelis, G. Industrial derivative of tallow: a promising renewable substrate for microbial lipid, single-cell protein and lipase produetion by Yarrowia lipolytica. Electronic Journal of Biotechnology 2007:10(3):426-435.

33. Yan, J., Han, B., Giu, X., Wang, G., Xu, L., Yan, Y., Madzak, C., Pan, D., Wanf, Y., Zha, G., Jiao, L. Engineering Yarrowia lipolytica to Simultaneously Producē Lipase and Single Celi Protein from Agroindustrial Wastes for Feed. Scientific reports 2018:8:758.

34. Liu, X., Xinjun, Y., Jinshun, L., Jiaxing, X., Jun, X., Zhen, W., Tong, Z., Yuanfang, D. A cost-effective process for the coproduction of erythritol and lipase with Yarrowia lipolytica M53 from waste cooking oil. Food and Bioproducts Processing 2017:103:86-94.

35. Dominguez, A., Deive, F.J., Angeles Sanroman, M., Longo, M.A. Biodegradation and utilization of waste cooking oil by Yarrowia lipolytica CECT 1240. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 2010:112,:1200-1208.

36. Sūci, M., Arbianti, R., Hermansyah, H. Lipase production from Bacillus subtilis with submerged fermentation using waste cooking oil. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 2018:105:012126.

37. Liu, X., Lv, J., Xu, J., Zhang, T., Deng, Y., He, J. Citric Acid Production in Yarrowia lipolytica SWJ-lb Yeast When Grown on Waste Cooking Oil. Appl Biochem Biotechnol 2014:175(5).

38. Anupama., Ravindra, P. Value-added food: single celi protein. Biotech. Adv. 2000:18:459—479.

39. Ritala, A., Hakkinen, S.T., Toivari, M., Wiebe, M.G. Single Celi Protein—State-ofthe-Art, Industrial Landscape and Patents 2001-2016. Front. Microbiol. 2017:8:2009.

40. Ugalde, U.O., Castrillo, J.I. Applied mycology and biotechnology. Agriculture and food production. 2002:2:123-149.

41. Mekonnen, M.M., Howkstra, Α.Υ. Water footprint benchmarks for crop production: A first global assessment. Ecological Indicators 2014:46:214-223.

42. Tilman, D. Global environmental impacts of agricultural expansion: the need for sustainable and efficient practices. Proc. Nati. Acad. Sci. 1999:96(11):5995-6000.

43. Spalvins, K., Ivanovs, K., Blumberga, D. Single celi protein production from waste biomass: review of various agricultural by-products. Agronomy Research 2018:16(S2):1493-1508.

44. Spalvins, K., Zihare, L., Blumberga, D. Single celi protein production from waste biomass: comparison of various industrial by-products. Energy Procedia 2018:147:409 418.

45. Spalvins, K., Blumberga, D. Single celi oil production from waste biomass: review of applicable agricultural by-products. Agronomy Research 2019:17(3):833-849.

46. Spalvins, K., Vamža, I., Blumberga, D. Single celi oil production from waste biomass: review of applicable industrial by-products. Environmental and Climate Technologies 2019:23(2):325-337.

47. Ritala, A., Hakkinen, S., Toivari, M., Wiebe, M. Single celi protein - State-of-the-art, industrial landscape and patents 2001-2016. Frontiers in Microbiology (8):2009.

48. Finco MA, Daniel DO, Mamani L, Vinicius G, et al. (2016). Critical Reviews in Biotechnology Technological trends and marķēt perspectives for production of microbial oils rich in omega-3, 8551(August). https://doi.org/10.1080/07388551.2016.1213221

49. Tacon, A. G. J., & Metian, M. (2016). Feed Matters: Satisfying the Feed Demand of Aquaculture, 8249. https://doi.org/10.1080/23308249.2014.987209

50. FAOSTAT Land Use modulē. Food and Agriculture Organization. 2016.

51. Arable Land Area. The Helgi Library. 2014.

52. Spalvins, K., Geiba, Z., Kusnere, Z., Blumberga, D. Waste cooking oil as substrate for single celi protein production by yeast Yarrowia lipolytica. Environmental and Climate Technologies 2019 (accepted).

53. Huang C, Chen X, Xiong L, Chen X, Ma L, Chen Y. 2013. Single celi oil production from low-cost substrates: The possibility and potential of its industrialization. Biotechnology Advances 31:129-139.

54. A. Dobrowolski, P. Mitula, W. Rymowicz, and A. M. Mironczuk. 2016. Efficient conversion of crude glycerol from various industrial wastes into single celi oil by yeast Yarrowia lipolytica. Bioresour. Technol. 207:237-243.

Claims (1)

1. Mikroorganismu proteīnu ieguves paņēmiens, kas ietver šādus secīgus soļus: (i) substrāta pirmsapstrāde, (ii) substrāta fermentācija ar mikroorganismu kultivēšanu bioreaktorā, (iii) filtrēšana, (iv) biomasas apstrāde un (v) kvalitātes kontrole, kas atšķiras ar to, ka par substrātu izmanto izlietotas cepšanas eļļas, solī (i) substrāta pirmsapstrādi veicot ar mikrobiālo fermentāciju, savukārt soli (ii) veicot šādos apstākļos: izmantojot lipāzes un emulgatorus sintezējošus mikroorganismu celmus, partijas, papildinātās partijas, vai nepārtrauktās kultivēšanas režīmā, kultivēšanai ilgstot līdz stacionārās fāzes sasniegšanai.