Масло из водорослей и дрожжей

Микроскопические фабрики масел

Чем больше на Земле людей, тем больше требуется еды. Стремительный рост населения планеты в последние десятилетия привел к резкому росту спроса на дешевое питание, и одним из главных ингредиентов стало пальмовое масло. С ним чипсы более хрустящие, мороженое меньше тает, крем лучше мажется, а мыло сильнее пенится.

Универсальное и дешевое, пальмовое масло быстро захватило рынок. К сожалению, в ответ на мировой спрос растущие поля масличных пальм (Elaeis guineenеsis) в Юго-Восточной Азии начали вытеснять тропические леса. C 1995 по 2015 годы ежегодное производство пальмового масла увеличилось в четыре раза, с 15,2 до 62,6 миллиона тонн. Тогда ученые начали искать альтернативные источники жиров — и нашли их в микроорганизмах.

Масличные микроорганизмы (oleaginous microorganisms) — микробы, способные накапливать более 20% своей сухой массы в форме жиров. Такие миниатюрные «фабрики масел» встречаются среди грибов, дрожжей и микроводорослей.

Масличные микроорганизмы, вероятно, никогда не смогут коммерчески конкурировать с популярными растительными маслами в промышленных масштабах, но у них формируется своя ниша — редкие и ценные масла.

Водоросли: фабрики омега-3

Водоросли — первичные производители полиненасыщенных жирных кислот омега-3 и омега-6. Человеку необходимы эти элементы для нормального функционирования мозга, нервной и сердечно-сосудистой системы. Но наш организм (как и у всех позвоночных на Земле) не способен их синтезировать. Человек получает омега-3 и омега-6 из рыбы и морепродуктов, а те в свою очередь накапливают их, поедая микроводоросли. Так почему бы нам тогда не выращивать сами водоросли?

Самые распространенные методы разведения микроводорослей: фотобиореакторы, где водоросли разводятся на свету, и ферментационные установки, где света нет, а микроорганизмы питаются органическими источниками углерода, обычно из отходов сельскохозяйственных производств.

Процесс разведения состоит из двух фаз:

1. Фаза активного роста. Оптимальные условия и богатая питательными веществами среда. В этот период водоросли активно размножаются, биомасса стремительно растет.

2. Фаза стресса. Недостаток питательных веществ (в ферментационных установках) или агрессивная среда, например, повышенная соленость (в фотобиореакторах). Для водорослей это повод запастись липидами.

На сегодня ферментационные установки — самый простой, дешевый и легко масштабируемый способ разведения масличных водорослей. Но в них можно выращивать только водоросли, которые не требуют света. Именно так разводят три самых популярных растительных источника омега-3: водоросли Schizochytrium sp., Ulkenia sp. и Crypthecodinium cohnii.
​​

По данным аналитического центра CFI, в ближайшие пять лет мировое производство «водорослевого масла», богатого омега-3, вырастет с 20 тысяч тонн в 2025 году до 36 тысяч тонн в 2030 году. 

По сравнению с ферментаторами, фотобиореакторы требуют больших затрат на запуск и поддержание работы, но у них есть ряд уникальных преимуществ:

• Контроль за условиями среды позволяет исключить попадание ненужных микроорганизмов и получить более качественный и чистый продукт. Такие масла востребованы в косметике.

• Нет зависимости от поставок питательной среды с сельскохозяйственных производств.

• Широкий выбор водорослей для разведения.

• Экологичное производство: водоросли поглощают углекислый газ, и берут энергию из солнечного света.

Сегодня фотобиореакторы используют для производства актиоксиданта астаксантина, пигмента бета-каротина и разведения спирулины. Все три вещества востребованы в косметологии, медицине и спортивном питании. Также развивается культивация водорослей под производство биодизеля.

Дрожжи: питательный бульон для «дизайнерского масла»

Дрожжи — самые перспективные производители альтернативы пальмового масла. Большинство масличных дрожжей синтезируют триглицериды — соединения глицерина с жирными кислотами. Это основной компонент животного жира и растительных масел. Триглицериды универсальны: их используют в производстве биодизеля, косметических продуктов и продуктов питания.

Дрожжи, как и водоросли, разводят в ферментационных установках в питательном «бульоне», который чаще всего содержит отходы других производств. Процесс состоит из двух фаз: активного роста и стресса.

Самые популярные масличные дрожжи: Yarrowia lipolytica, Rhodosporidium toruloides и Cutaneotrichosporon curvatum.  Из более чем 600 известных видов дрожжей пока удалось найти только 30 масличных.

Человечество знакомо с дрожжами с доисторических времен, наверное, поэтому культивирование масличных дрожжей более развито, чем разведение водорослей. Такое производство дешевле организовать и проще масштабировать, к тому же дрожжи растут быстрее водных микроорганизмов. Но главное их преимущество заключается в том, что их легко контролировать.

Дрожжи хорошо изучены, поэтому у науки есть множество инструментов управления их обменом веществ (метаболизмом). Ученые добавляют гены, усиливающие производство нужного соединения, или отключают производство ферментов, которые мешают процессу. Внедряя гены других организмов, можно даже «научить» дрожжи производить вещества, которые те обычно не производят. Так например с помощью генной инженерии из дрожжей сейчас получают незаменимые омега-3 жирные кислоты EPA и DHA, которые в природе содержатся в рыбьем жире.

Помимо жирных кислот, дрожжи используются для производства спирта, органических кислот, белков и других соединений вроде каротиноидов и полисахаридов, используемых, например, как красители и загустители в пищевой промышленности и косметике.

Что получится, если смешать масличные водоросли и дрожжи?

Теоретически, масличные микроводоросли и дрожжи могут развиваться в одном фотобиореакторе. При этом водоросли будут производить кислород, необходимый для роста дрожжей, а дрожжи — синтезировать углекислый газ для водорослей.

В эксперименте с дрожжами Rhodotorula glutinis и водорослями Scenedesmus obliquus количество синтезированных липидов (жиров) при «сожительстве» было на 60-70% выше, чем при выращивании по отдельности. А в долгосрочном эксперименте с дрожжами Yarrowia lipolytica и водорослями Chlorella vulgaris ученые получили массу микроорганизмов с 50,7% липидов, 35,5% белков и 13,8% углеводов.

На практике контролировать благоприятные условия для двух микроорганизмов значительно сложнее, чем для одного. Более того, большинство микроорганизмов крайне требовательны к условиям содержания, и эти параметры не пересекаются. Поэтому вряд ли такие пары станут распространенной практикой, но для них может найтись ниша в переработке отходов.

«Зеленое фермерство»: вклад масличных водорослей и дрожжей в экологию

Требуется меньше ресурсов. Водорослям и дрожжам не нужны огромные сельхозугодья, удобрения и пестициды. Они также используют меньше воды.

Сокращение органических отходов. Питательный «бульон» для дрожжей и водорослей в ферментационных установках состоит нередко из отходов или побочных продуктов других производств.

Частичное снижение углеродного следа за счет переработки отходов и поглощения водорослями CO₂. Конечно, водоросли тоже выделяют CO₂, но его можно улавливать и использовать, тогда производство не будет загрязнять атмосферу.

Замена рыбьего жира. По данным аналитического центра CFI, «рыбий жир» из водорослей — это полноценная замена традиционного рыбьего жира, а значит за счет расширения водорослевых ферм можно значительно снизить нагрузку на рыбную отрасль.