Несмотря на кажущуюся точность и воспроизводимость многочисленных методов ферментации, многие из них были разработаны эмпирически, без глубокого понимания лежащей в их основе микробиологии. Классифицируя виды ферментации, можно выделять «дикие» и инокулированные преднамеренно. В первом случае микробы появляются из субстрата или из окружающей среды, во втором — вводятся как заквасочные культуры или добавляются из предыдущей партии ферментации (добавление барды предыдущего брожения).
Эти различные методы в сочетании с человеческим влиянием на формирование условий ферментации путём выбора субстратов и регулирования доступности кислорода, концентрации соли и температуры используются для того, чтобы воздействовать на ферментирующие микробные сообщества.
Однако мы только сейчас начинаем понимать микробиологию и биохимию пищевой ферментации. Благодаря культивированию и секвенированию ДНК традиционных и новых ферментированных продуктов стало ясно, что ферментированные продукты обязаны своими качествами огромному биоразнообразию микроорганизмов. Традиционные ферментированные продукты часто содержат очень сложные, но при этом устойчивые сообщества микроорганизмов, в отличие от современных заквасочных культур, которые обычно требуют поддерживать определённые условия роста. Следовательно, научное исследование ферментации должно учитывать сложность природных микробных сообществ, чтобы в будущем появились более надёжные закваски.
Критическое значение для формирования вкуса, помимо разнообразия на уровне типов и видов, имеют штаммоспецифические вариации в ферментированных пищевых продуктах. Например, в ходе филогенетической кластеризации и геномного анализа 30 штаммов бактерии Streptococcus thermophilus, производящей йогурт, недавно обнаружены специфические мутации, связанные с повышенным производством уксусной кислоты и улучшением вкуса йогурта.
По мере углубления наших знаний о ферментирующих микробных сообществах становится возможным разрабатывать более сложные и специализированные виды ферментации. Например, учёные изучили, как функционирование популярных овощных ферментов, содержащихся в квашеной капусте, кимчи и маринованных огурцах, связано с изменением с течением времени уровня кислотности. Выбор определённой продолжительности ферментации может увеличить или определить уровень кислотности, влияя на вкус, срок годности и безопасность пищевых продуктов.
Ключевым параметром для управления процессом ферментации помимо времени является температура. Недавнее исследование, в ходе которого проводилось сравнение различных температур ферментации при производстве йогурта, показало, что для оптимизации питательной ценности йогурта лучше всего подходит температура 37°C (свободные аминокислоты, ненасыщенные жирные кислоты), а вкусовой профиль оптимален при 42°C, т. е. при обычной для промышленного изготовления йогурта температуре. Чтобы модифицировать закваски, можно использовать не только условия ферментации, но и, к примеру, обогащение традиционных заквасок бактериями, способными синтезировать для повышения пищевой ценности продуктов витамин B12.
До сих пор влияние различных заквасок и условий ферментации изучалось на отдельных ферментах и в скромных масштабах. Систематические исследования, база данных выявленных фактов и прогнозирование на основе искусственного интеллекта могли бы стать отличными инструментами для более лёгкого достижения при управлении процессами ферментации конкретных характеристик, таких как вкус, текстура, питательная ценность и оздоровительные эффекты (Рис. 1).
Улучшение натуральных пищевых микробиомов с помощью синтетической биологии
Выявление свойств микроорганизмов, оптимальных для производства пищевых продуктов, делает возможным улучшение этих характеристик. Одомашнивание, адаптивная лабораторная эволюция, селекция и скрининг естественной изменчивости, а также случайный мутагенез в сочетании с селекцией, являются общепризнанными методами, которые можно использовать для выявления штаммов с улучшенной функциональностью. Недавно сообщалось об успешном лабораторном одомашнивании для производства сыра нового вида Penicillium, что свидетельствует о пригодности данного подхода для улучшения или создания желаемых свойств микроорганизмов.
Генная инженерия позволяет придавать микробным пищевым продуктам совершенно новые свойства. Недавно это было продемонстрировано на пивных дрожжах Saccharomyces cervisiae: для производства линалоола и гераниола, двух основных детерминантов вкуса в охмелённом пиве, учёные применили CRISPR-Cas9-инженерию. Генетически модифицированные дрожжи позволяют обходиться без традиционно применяемого хмеля Humulus lupulus, экономя затраты пивоваров, снижая воздействие на окружающую среду и открывая новые возможности для точного контроля вкуса. Аналогичный подход к производству вкусовых компонентов может быть распространён на другие съедобные микробы для улучшения ферментации пищевых продуктов за счёт производства на месте ароматических и вкусовых соединений. Недавно оказались коммерчески привлекательными в качестве заменителей мяса на растительной основе создаваемые различными организмами гемоглобины. Их старт на данном поприще представляет значительный интерес, ибо их можно трансформировать в съедобную микробную биомассу или в ферменты на растительной основе78.
Удаление неприятных привкусов — ещё одна потенциальная область применения генной инженерии. Фотосинтезирующие цианобактерии питательны, растут на устойчивых ресурсах питательных веществ, однако из-за образования неприятных привкусов они пока что используются как микробная биомасса для производства продуктов питания весьма ограниченно. Применяя высокопроизводительную культивацию и метаболомический скрининг, пути возникновения привкусов можно успешно выявлять, а затем полностью устранять.
Кроме того, для решения глобальных проблем в продовольственной сфере генные инженеры обещают разработать программирование микробного содержания питательных веществ. Микробы будут конструироваться для увеличения содержания белка за счёт сверхэкспрессии ценных белков с идеальным балансом аминокислот. Вдобавок, чтобы добиться высокой производительности, можно сверхэкспрессировать рационально сконструированные белки с оптимальными пищевыми профилями. А ещё можно сконструировать микробы для производства таких питательных веществ, как предшественники каротиноидных витаминов, которые в настоящее время предполагается использовать для создания микробного корма для рыб или для производства полезных для здоровья веществ и лекарств. Учёные, возможно, совместят конструирование пробиотиков для лечения заболеваний и предоставления полезных для здоровья добавок in situ в желудочно-кишечном тракте с разработкой новых продуктов питания.
Вдобавок генная инженерия способна оказать помощь в воссоздании — по крайней мере частичном — таких неблагоприятно влияющих на экологию продуктов животного происхождения, как яйца и молочные продукты. Для этого нужно использовать микроорганизмы в качестве клеточных фабрик, где микробы генетически запрограммированы на перепроизводство белков или молекул, которые можно собирать из клеток или супернатантов в биореакторах. Данный подход традиционно применяется по отношению к ферментам и пищевым ингредиентам, но компании всё чаще прибегают к использованию этой технологии для производства заменителей экологически дорогостоящих продуктов, таких как молочные продукты, яичные белки и жиры.
В настоящее время наиболее важными являются молочные белки, такие как казеины и сыворотка, которые производятся в различных микробных хозяевах. Всё большее число компаний разрабатывает на основе этой технологии заменители молочных продуктов, и исходные продукты уже представлены на рынке США. Использование синтетической биологии позволяет нам переосмыслить традиционные продукты животного происхождения, поскольку теперь можно контролировать точный питательный состав и рецептуру этих продуктов, чтобы разрабатывать продукты, специально адаптированные к нашим потребностям в питании и здоровье, а также к нашим кулинарным предпочтениям.
Устойчивые субстраты для производства микробных продуктов питания
Микроорганизмы играют решающую роль в круговороте питательных веществ во всех экосистемах Земли. Частью этого круговорота является фиксация атмосферных газов, включая углекислый газ, метан и азот, а также разложение органики и даже неорганики. Метаболическую способность микроорганизмов расти на различных субстратах, включая метан, лигноцеллюлозу и углеводороды, можно использовать для того, чтобы сделать производство микробных пищевых продуктов ещё более устойчивым путём предоставления микробам возможности эффективно преобразовывать непищевые субстраты в человеческую пищу.
В Индонезии потоки отходов используются в качестве субстрата для микробной ферментации на протяжении столетий. Здесь побочные продукты производства соевого молока (соевая пульпа, или окара) и арахисового масла (арахисовый жмых) инокулируются съедобным нитчатым грибом Neurospora intermedia для производства онкома — микробного пищевого продукта, который в местной кухне либо жарят, либо добавляют в тушёное мясо. Приготовленный онком по вкусу напоминает мясной фарш и богат белком. Даже без учёта ферментации производство микробных белков из потоков отходов и CO2 интенсивно изучается и уже используется в промышленности. Развитие производства продуктов питания на основе таких потоков отходов может оказать существенное положительное влияние на общий выброс CO2 глобальной продовольственной системы.
Многие широко распространённые потоки отходов, такие как пивная дробина, кукурузная солома, рисовые и пшеничные отруби, имеют благоприятный питательный состав с высоким содержанием клетчатки и белка. Сами по себе эти потоки отходов нежелательны или недостаточно удобоваримы для человеческого желудка. Микробная ферментация питательных отходов может сделать питательные вещества более доступными, а также создать желаемую пищу. Помимо благоприятного влияния на устойчивость питания, такие богатые клетчаткой рационы, вероятно, окажут положительное воздействие и на здоровье человека, ибо клетчатка способствует увеличению микробного разнообразия кишечника и улучшению обмена веществ.
Заглядывая вперёд
Ферментированные продукты, микробная биомасса и производимые микробами ингредиенты имеют долгую историю безопасного потребления и обладают огромным потенциалом для обеспечения устойчивого, сытного и вкусного питания растущего населения планеты. Включение микробных пищевых продуктов в наш рацион имеет огромный потенциал для радикального снижения воздействия на окружающую среду, поскольку:
1) микробная биомасса оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем некоторые традиционно выращиваемые культуры;
2) пищевые отходы и другие источники углерода можно превращать во вкусную еду, повышая тем самым эффективность землепользования и сокращая отходы, а также выбросы углекислого газа;
3) пища, получаемая с помощью микробов, может полностью заменить экологически дорогостоящие пищевые продукты. Мало того, что микробные пищевые продукты оказывают весьма слабое воздействие на окружающую среду, — их, к тому же, можно массово производить из ограниченных ресурсов в биореакторах, т. е. независимо от климатических условий и природных катастроф, что позволит обеспечивать пищей уязвимые группы населения. Наша способность совершенствовать синтез микробов и пищевых ингредиентов открывает широкий простор для создания персонализированных, питательно и здравоохранительно оптимизированных видов диеты.
В настоящее время в сфере создания пищевых продуктов мы наблюдаем потрясающий воображение взрыв инноваций, при этом ключевую роль играет промышленность. Некоторые компании, специализирующиеся на ферментации, предприняли попытки создать восхитительные варианты вкуса (например, проекты Noma) и устойчивые альтернативы мясу (например, MATR Foods, Mediterranean Food Lab).
В таких компаниях, как MyForest food, исследуют натурально текстурированную микробную биомассу, получаемую в результате твёрдофазной ферментации. На основе микробной биомассы, создаваемой из глубинной культуры, удалось разработать производство различных заменителей мяса (например, Quorn, Mycorena). Новые подходы, предположительно с использованием поверхностной ферментации на жидких субстратах, изучаются, например, в компании Aqua Cultured Foods, чтобы создать альтернативу цельным морепродуктам. Помимо заменителей мяса, генерируются микробные белковые порошки, например, за счёт улавливания углерода (Air Protein, Solar Foods).
Сходным образом, для замены растительных масел могут использоваться выделенные из микробной биомассы липиды, что продемонстрировала, например, компания Zero Acre Farms, а компании Melt&Marble и Nourish Ingredients производят рекомбинантные животные жиры. Другие рекомбинантные продукты из клеточных фабрик — это кисломолочные продукты, которые производит растущий ряд компаний, в частности Perfect Day и Remilk.
Однако реализация потенциала микробных пищевых продуктов в больших масштабах потребует решения крупных проблем разного уровня.
Во-первых, следует тщательно оценить воздействие этих продуктов на устойчивость питания, чтобы определить, являются ли они более выгодными в данном отношении, чем существующие альтернативы. Это создаст фундамент для обоснования инвестиций в крупномасштабную инфраструктуру, разработку продуктов и маркетинг.
Во-вторых, микробные пищевые продукты должны быть питательными и безопасными для употребления, а также иметь привлекательный вкус, текстуру и внешний вид, чтобы конкурировать с продуктами, представленными на рынке в настоящее время. Хотя провести анализ питательной ценности пищи нетрудно, количественная оценка безопасности и органолептических свойств пищи до сих пор далека от идеала. Многие микроорганизмы продуцируют вторичные метаболиты, большинство из которых не охарактеризовано. Между тем, некоторые метаболиты могут оказаться токсичными.
Для выяснения степени безопасности определённых микробных пищевых продуктов важно разработать быстрые и надёжные тесты на производство микробами токсинов. Вдобавок, чтобы исключить токсические или аллергенные эффекты, следует тщательно тестировать на безопасность и микробную биомассу. При этом нам необходимо разработать систему простого и эффективного мониторинга долгосрочных последствий использования микробной биомассы в нашем рационе. Более того, органолептические свойства обычно оцениваются в рамках органолептического анализа или путём количественных измерений с помощью метаболомических или текстурных анализаторов. Органолептический анализ имеет качественный характер и зависит от ряда личных и ситуационных факторов, а количественные измерения очень трудно переводить на язык реальных ощущений. Следовательно, нам потребуется разработать новую систему, способную интегрировать количественные и качественные данные для оценки и описания пищевых продуктов.
В-третьих, микробиом и влияние нашего рациона на здоровье нуждаются в дополнительном изучении в рамках клинических исследований на тему интервенций в питание, а также в рамках фундаментальной молекулярной биологии, позволяющей выявить конкретные механизмы. Впоследствии, опираясь на полученные данные, необходимо соответствующим образом обновить рекомендации по питанию.
В-четвёртых, устойчивая продовольственная система должна быть равноправной, справедливой и повсеместно доступной. Многие традиционные процессы ферментации были разработаны или всё ещё практикуются на Глобальном Юге. Хотя наука может дополнительно оптимизировать эти методы для получения новых устойчивых продуктов питания, нам необходимо подумать о том, как отдать должное богатым традиционным знаниям. Кроме того, будущие разработки микробных пищевых продуктов должны учитывать технологическую доступность и возможность производства в различных контекстах.
В то время как традиционные методы ферментации развивались в местных условиях и хорошо адаптированы к местным материалам и климатическим условиям, современное микробное производство продуктов питания, включая получение биомассы и ферментацию с использованием определённых заквасочных культур, обычно осуществляется крупномасштабно, промышленно, в строго контролируемых условиях. В будущем для производства микробных пищевых продуктов в больших количествах потребуется разработать более технологичные решения, внедрение и эксплуатацию которых можно будет осуществлять везде.
Наконец, хотя, по прогнозам, развитие производства новых микробных пищевых продуктов зависит, в основном, от генной инженерии, широкое внедрение этих продуктов встречает на своём пути серьёзные преграды в виде существующих во многих частях мира ограничительных норм и скептицизма потребителей в отношении генетически модифицированных организмов. Если данные проблемы будут решены, микробные пищевые продукты могут радикально изменить нашу продовольственную систему уже в ближайшие годы.
Благодарности
Работа была поддержана грантом NNF NNF20CC0035580 Фонда Ново Нордиск (Novo Nordisk Foundation), Институтом хорошей еды (Good Food Institute), а также стипендией Института Миллера (Miller Institute) для фундаментальных научных исследований.
Первую часть статьи можно прочитать тут.
Авторы — Леони Ян (Leonie J. Jahn), Ваю М. Рекдал (Vayu M. Rekdal) и Мортен О. А. Зоммер (Morten O. A. Sommer), биологи из Датского технического университета (дат. Danmarks Tekniske Universitet, DTU).
Перевод — Александр Горлов, «XX2 ВЕК».
Источники: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.002.
Друзья! Если вам нравится то, что мы делаем, вы очень поможете нам, подписавшись на канал «XX2 век». Также мы будем рады вашим лайкам и комментариям. Поддержите распространение научного знания и научного взгляда на мир.