단세포단백질

Single-cell protein

단세포 단백질(SCP) 또는 미생물 단백질은[1] 식용 단세포 미생물을 말한다. 조류, 효모, 곰팡이 또는 박테리아의 순수 또는 혼합 배양균에서 추출한 바이오매스 또는 단백질 추출물은 단백질이 풍부한 식품의 성분이나 대용으로 사용될 수 있으며, 인간의 소비나 동물 사료로서 적합하다. 산업 농업은 높은 물 발자국,[2] 높은 토지 이용,[3] 생물다양성 파괴,[3] 일반적인 환경 파괴로[3] 특징지어지며, 모든 온실 가스의 3분의 1을 방출함으로써 기후 변화에 기여하는데,[4] SCP의 생산은 반드시 이러한 심각한 단점들을 보여주지는 않는다. 현재 SCP는 농수산물에서 일반적으로 재배되고 있으며, 따라서 산업 농업의 생태적 발자취와 물 발자국을 계승하고 있다. 그러나 SCP는 또한 자생적 성장을 통해 농산폐기물 생산품과는 완전히 독립적으로 생산될 수 있다.[5] 미생물 대사의 높은 다양성 덕분에, 자생성 SCP는 몇 가지 다른 성장 모드, 영양소 재활용의 다목적 옵션, 그리고 작물에 비해 상당히 높은 효율을 제공한다.[5] 한 2021년 간행물에는 태양광 발전 미생물 단백질 생산량이 콩 재배에 비해 10배 적은 양의 단백질을 섭취할 수 있는 것으로 나타났다.[1]

2050년까지 세계 인구가 90억 명에 이르면서 농업이 수요를[6] 충족시키지 못할 것이라는 강력한 증거가 있고 식량 부족의 심각한 위험이 있다는 것이다.[7][8] 자가영양성 SCP는 혹독한 기후 조건에서도 안정적으로 식품을 생산할 수 있는 고장 안전 대량 생산 옵션을 나타낸다.[5]

역사

1781년에는 고농축 형태의 효모를 준비하는 과정이 수립되었다. 단일 세포 단백질 기술에 대한 연구는 1세기 전 막스 델브뤼크와 그의 동료들이 동물들의 영양 보충제로서 잉여 양조장의 효모가 높은 가치를 발견하면서 시작되었다.[9] 제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 동안, 효모-SCP는 전쟁 중의 식량 부족에 대처하기 위해 독일에서 대규모로 고용되었다. SCP 생산을 위한 발명은 일반적으로 생명공학의 이정표를 나타낸다. 예를 들어, 1919년 덴마크의 삭과 독일의 헤이덕은 설탕 용액을 희석 설탕 용액(배치)에 효모를 한 번 첨가하는 대신 효모의 에어로스톱에 지속적으로 공급하는 "줄라우프베르파흐렌"이라는 이름의 방법을 발명했다.[9] 전쟁 후 유엔식량농업기구(FAO)는 1960년 세계의 기아와 영양실조 문제를 강조하고 단백질 격차 개념을 도입해 세계 인구의 25%가 식단에서 단백질 섭취가 부족했음을 보여줬다.[9] 또한 농업 생산은 인류의 증가하는 식량 수요를 충족시키지 못할 것으로 우려되었다. 60년대 중반까지, 거의 25만 톤의 음식 효모가 세계 각지에서 생산되고 있었고, 1970년까지 소련에서만 약 90만 톤의 음식과 사료 효모가 생산되었다.[9]

1960년대에 브리티시 석유회사의 연구원들은 정유소의 부산물인 왁시 앤 파라핀이 공급한 효모에 의해 단세포 단백질을 생산하는 기술인 "단백질-기름 공정"을 개발했다. 초기 연구 작업은 프랑스에 있는 BP의 라베라 정유공장의 알프레드 챔파그나트에 의해 수행되었다; 그곳의 작은 시범공장은 1963년 3월에 가동을 시작했으며, 영국의 그란게머스 정유공장에 같은 두 번째 시범공장의 건설이 승인되었다.[10]

SCP라는 용어는 1966년에 Carroll L에 의해 만들어졌다. MIT의 윌슨.[11]

'석유에서 나온 음식' 아이디어는 1970년대에 이르러 꽤 인기를 끌게 되었는데, 1976년에 참패낫이 유네스코 과학상을 수상하였고,[12] 파라핀을 먹인 효모 시설이 여러 나라에 건설되었다. 그 제품의 주요 용도는 가금류와 소의 사료였다.[13]

소련은 특히 크스토보(1973년)[14][15][16]와 기리시(1974년)의 정유공장 옆에 대형 'BVK'(벨코보-비타민니 콘텐트라트, 즉 '단백질-비타민 농축액')[17] 공장을 열면서 열광했다. 소련의 미생물 산업부는 1989년까지 이런 종류의 8개의 공장을 가지고 있었다. 그러나 SCP에 있는 알칸의 독성이 우려되고 환경운동가들의 압력에 의해 정부는 알칸을 폐쇄하거나 다른 미생물학적 과정으로 전환하기로 결정했다.[17]

Quorn은 유럽과 북아메리카에서 판매되는 후사륨 venenatum mycoprotein으로 만든 채식주의자 및 채식주의자 육류 대체물질의 일종이다.

다른 종류의 단일 세포 단백질 기반 고기 아날로그(균류를 사용하지 않고 오히려 박테리아를[18] 사용한다)는 Calysta이다. 그 외 제작사로는 유니비오(덴마크)사이르스 바이오테크놀로지(오스트리아) 스트링바이오(인도) 등이 있다.

프로덕션 프로세스

단세포 단백질은 미생물이 노폐물(나무, 짚, 통조림, 음식물 처리 폐기물 포함), 알코올 생산 잔류물, 탄화수소 또는 사람과 동물의 배설물)을 발효시킬 때 발생한다.[19] '전기 식품' 공정에서 입력은 전기, CO2 및 미량 미네랄과 비료와 같은 화학 물질이다.[20]

폐기물에서 단세포 단백질을 추출하는 문제는 희석과 비용이다. 그것들은 보통 5% 미만인 매우 낮은 농도에서 발견된다. 기술자들은 원심분리, 부양, 강수량, 응고, 여과 등의 농도를 증가시키거나 반투과성 막의 사용을 증가시키는 방법을 개발했다.

단세포 단백질은 약 10%의 수분 함량까지 수분을 제거하거나 산성화하여 보관에 도움을 주고 변질을 방지해야 한다. 농도를 적절한 수준으로 높이는 방법과 탈수 공정에는 비용이 많이 들고 소규모 운영에 항상 적합하지 않은 장비가 필요하다. 현지에서, 그리고 생산 직후에 그 제품을 먹이는 것은 경제적으로 신중하다.

미생물

채택된 미생물에는 다음이 포함된다.

특성.

미생물 바이오매스의 대규모 생산은 기존의 식품이나 사료용 단백질 생산 방식에 비해 장점이 많다.

  1. 미생물은 성장률이 훨씬 높다(알개: 2~6시간, 효모: 1~3시간, 박테리아: 0.5~2시간). 이는 또한 번식에 비해 빠르고 쉽게 수율이 높고 영양성분이 좋은 균주를 선택할 수 있게 해준다.
  2. 줄기, 잎, 뿌리 등 작물의 큰 부분은 먹을 수 없는 반면, 단세포 미생물은 온전히 사용할 수 있다. 작물의 식용 분율의 일부는 소화가 불가능한 반면, 많은 미생물은 훨씬 더 높은 분율에서 소화가 가능하다.[5]
  3. 미생물은 보통 야채나 곡물보다 건조한 질량에서 30~70%의 단백질 함량이 훨씬 높다.[citation needed] 많은 SCP 미생물의 아미노산 프로필은 종종 암탉의 난자에 버금가는 뛰어난 영양 품질을 가지고 있다.
  4. 일부 미생물은 비타민 B12를 포함하여 식물과 같은 진핵생물이 대량으로 생산할 수 없거나 생산하지 못하는 비타민과 영양소를 만들 수 있다.
  5. 미생물은 알칸, 메탄올, 메탄, 에탄올, 설탕을 포함한 광범위한 원자재를 탄소원으로 활용할 수 있다. '폐기물'로 여겨졌던 것을 영양분으로 재활용할 수 있고 식용 미생물의 성장을 지원할 수 있다.
  6. 식물처럼 자가영양 미생물은 CO에서2 자랄 수 있다. 우드-중달 경로를 가진 박테리아나 환원 TCA와 같은 일부 박테리아는 광분화의 효과를 고려할 때 식물보다[24] 최대 10배까지 효율적으로2 CO를 2-3 사이로 고칠 수 있다.[23]
  7. 몇몇 호모아세토제인 클로스트리디아와 같은 몇몇 박테리아는 승라 발효를 할 수 있다. 이는 리그노셀룰로오스 등 잔류 난치성 생물화물의 기체화에 의해 만들어질 수 있는 CO, H2, CO의2 기체 혼합물인 합성가스를 대사시킬 수 있다는 것을 의미한다.
  8. 일부 박테리아는 공기로부터 N을2 고정시킬 수 있고 따라서 화학 물질인 N-페틸라이저와는 독립적이다. N-페틸라이저는 생산, 이용 및 저하가 환경에 엄청난 해를 끼치고, 공중 건강을 악화시키며, 기후 변화를 촉진한다.[25]
  9. 많은 박테리아가 수소화효소라는 효소를 사용하여 H를2 에너지 공급에 활용할 수 있다. 수소화합물은 일반적으로 O에 매우2 민감하지만, 일부 박테리아는 H의2 O에2 의존하는 호흡을 수행할 수 있다. 이 기능은 자생성 박테리아가 빠른 성장 속도로 빛 없이 CO에서2 자랄 수 있게 해준다. H는2 물 전기분해에 의해 효율적으로 만들어질 수 있기 때문에, 말하자면, 그 박테리아는 "전기로 움직인다"[5]고 할 수 있다.
  10. 미생물 바이오매스 생산은 계절적, 기후적 변동과는 무관하며, 지속적인 기후변화로 농작물 파동을 일으킬 것으로 예상되는 극한기상 사건으로부터 쉽게 보호받을 수 있다. 효모 등 빛에 독립적인 미생물이 야간에 계속 자랄 수 있다.
  11. 미생물의 재배는 일반적으로 농업용 식품 생산량보다 물발자국이 훨씬 낮다. 농작물의 전지구 평균 청녹수 발자국(소독, 표면, 지면, 빗물)이 증발, 증산, 배수, 유출로 인해 kg당[2] 약 1800리터에 이르는 반면, SCP를 생산하는 폐쇄형 생물반응기는 이러한 원인을 전혀 보이지 않는다.
  12. 미생물의 재배는 비옥한 토양을 필요로 하지 않기 때문에 농업과 경쟁하지 않는다. 낮은 물 요구 조건 덕분에, SCP 경작은 심지어 불임 토양이 있는 건조한 기후에서도 할 수 있고 건조한 국가에서 안전 식품을 공급할 수 있는 수단을 제공할 수 있다.
  13. 광합성 미생물은 식물에 비해 태양 에너지 변환 효율이 높을 수 있는데, 광생물 작용기의 수분 공급에서는 CO와2 균형 잡힌 광분포를 엄격하게 제어할 수 있기 때문이다.
  14. 원하는 품질로 가공되는 농산물과 달리 미생물이 있으면 원하는 품질로 생산을 유도하기가 더 쉽다. 콩에서 아미노산을 추출해 그 과정에서 식물체의 절반을 버리는 대신, 미생물은 유전적으로 변형되어 특정 아미노산을 과잉 생산하거나 분비할 수 있다. 그러나 소비자 수용을 잘 유지하기 위해서는 이미 원하는 성질을 갖고 있는 미생물을 선별하여 검사하거나 선택적 적응을 통해 양성함으로써 유사한 결과를 얻는 것이 보통 더 쉽다.

SCP는 인간에게 영양소로서 매우 매력적인 특징을 보이지만, 전세계적으로 채택을 저지하는 몇 가지 문제점이 있다.

  • 박테리아나 효모 같은 빨리 자라는 미생물은 핵산, 특히 RNA의 농도가 높다. 단성 동물들의 식습관에서는 그 수준이 <1일 50 g>로 제한되어야 한다. RNA파괴로 인한 퓨린 화합물의 섭취는 요산의 혈장수치를 증가시켜 통풍과 신장결석을 유발할 수 있다. 요산은 소변으로 배설되는 알란토인(Alantoin)으로 전환할 수 있다. 핵산 제거는 동물 사료에서 필요한 것이 아니라 인간의 음식에서 필요한 것이다. 64 °C에서 온도를 유지하면 곰팡이 보호제가 비활성화되며 가 허용된다. 그러나 이 문제는 해결할 수 있다.[citation needed] 한 가지 일반적인 방법은 세포를 죽이고, 보호를 불활성화하며, 세포에서 배양 육수로 뉴클레오티드가 방출되면서 내생 RNAS가 RNA를 가수분해하도록 하는 열처리에 있다.[26]
  • 식물 세포와 유사하게, 해조류나 효모 같은 일부 미생물의 세포 벽에는 셀룰로오스 같은 소화가 불가능한 성분이 들어 있다. 어떤 종류의 SCP의 세포는 세포 내부를 자유롭게 하고 완전한 소화를 가능하게 하기 위해 분해되어야 한다.[citation needed]
  • 어떤 종류의 SCP는 불쾌한 색과 맛을 보여준다.
  • SCP의 종류와 재배 조건에 따라 오염물질이 미코톡신이나 시아노톡신 등의 독소를 발생시킬 수 있으므로 다른 미생물에 의한 오염을 방지하고 통제할 수 있도록 주의를 기울여야 한다. 이 문제를 해결하기 위한 흥미로운 접근방식은 pH 1에서 자라는 sytalidium acidophilum과 함께 제안되었다. 이것은 종이 폐기물을 설탕 매질로 가수 분해할 수 있게 하고 저렴한 비용으로 무균 상태를 만들 수 있다.[21]
  • 일부 효모와 곰팡이 단백질은 메티오닌이 결핍되는 경향이 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b Leger, Dorian; Matassa, Silvio; Noor, Elad; Shepon, Alon; Milo, Ron; Bar-Even, Arren (2021-06-29). "Photovoltaic-driven microbial protein production can use land and sunlight more efficiently than conventional crops". Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (26): e2015025118. doi:10.1073/pnas.2015025118. ISSN 0027-8424. PMC 8255800. PMID 34155098.
  2. ^ a b Mekonnen, Mesfin M.; Hoekstra, Arjen Y. (2014-11-01). "Water footprint benchmarks for crop produ160X14002660". Ecological Indicators. 46: 214–223. doi:10.1016/j.ecolind.2014.06.013.
  3. ^ a b c Tilman, David (1999-05-25). "Global environmental impacts of agricultural expansion: The need for sustainable and efficient practices". Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (11): 5995–6000. Bibcode:1999PNAS...96.5995T. doi:10.1073/pnas.96.11.5995. ISSN 0027-8424. PMC 34218. PMID 10339530.
  4. ^ Vermeulen, Sonja J.; Campbell, Bruce M.; Ingram, John S.I. (2012-01-01). "Climate Change and Food Systems". Annual Review of Environment and Resources. 37 (1): 195–222. doi:10.1146/annurev-environ-020411-130608.
  5. ^ a b c d e Bogdahn, Ingvar (2015-09-17). "Agriculture-independent, sustainable, fail-safe and efficient food production by autotrophic single-cell protein". doi:10.7287/peerj.preprints.1279. {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  6. ^ Challinor, A. J.; Watson, J.; Lobell, D. B.; Howden, S. M.; Smith, D. R.; Chhetri, N. (2014-01-01). "A meta-analysis of crop yield under climate change and adaptation" (PDF). Nature Climate Change. 4 (4): 287–291. Bibcode:2014NatCC...4..287C. doi:10.1038/nclimate2153.
  7. ^ Godfray, H. Charles J.; Beddington, John R.; Crute, Ian R.; Haddad, Lawrence; Lawrence, David; Muir, James F.; Pretty, Jules; Robinson, Sherman; Thomas, Sandy M. (2010-02-12). "Food Security: The Challenge of Feeding 9 Billion People". Science. 327 (5967): 812–818. Bibcode:2010Sci...327..812G. doi:10.1126/science.1185383. ISSN 0036-8075. PMID 20110467.
  8. ^ Wheeler, Tim; Braun, Joachim von (2013-08-02). "Climate Change Impacts on Global Food Security". Science. 341 (6145): 508–513. Bibcode:2013Sci...341..508W. doi:10.1126/science.1239402. ISSN 0036-8075. PMID 23908229. S2CID 8429917.
  9. ^ a b c d Ugalde, U. O.; Castrillo, J. I. (2002). Applied mycology and biotechnology. Volume 2: agriculture and food production. pp. 123–149. ISBN 978-0-444-51030-3.
  10. ^ Bamberg, J. H. (2000). British Petroleum and global oil, 1950–1975: the challenge of nationalism. Volume 3 of British Petroleum and Global Oil 1950–1975: The Challenge of Nationalism, J. H. Bamberg British Petroleum series. Cambridge University Press. pp. 426–428. ISBN 978-0-521-78515-0.
  11. ^ H. W. Doelle (1994). Microbial Process Development. World Scientific. p. 205. ISBN 9789810215156.
  12. ^ "UNESCO Science Prize: List of prize winners". UNESCO. 2001. Archived from the original on February 10, 2009. Retrieved 2009-07-07. (May는 http://unesdoc.unesco.org/images/0011/001111/111158E.pdf으로 이동했을 수 있음 )
  13. ^ National Research Council (U.S.). Board on Science and Technology for International Development (1983). Workshop on Single-Cell Protein: summary report, Jakarta, Indonesia, February 1–5, 1983. National Academy Press. p. 40.
  14. ^ 1973년 11월 10일 뉴욕 타임즈, 11월 10일, 기름을 사료용 단백질로 변환하는 소련의 공장; 관련된 효모의 사용. 이스트의 사용.
  15. ^ 러스비닐 – 사회적[permanent dead link] 이슈 요약(EBRD)
  16. ^ Первенец микробиологической промышленности (Microbiological industry's first plant), in: Станислав Марков (Stanislav Markov) «Кстово – молодой город России» (Kstovo, Russia's Young City)
  17. ^ a b 키리시: 녹색 성공 스토리? 웨이백머신에 2009-08-07년 보관 (존슨의 러시아 목록, 2002년 12월 19일)
  18. ^ EOS, 2019년 4월, 52페이지
  19. ^ a b S. Vrati (1983). "Single cell protein production by photosynthetic bacteria grown on the clarified effluents of biogas plant". Applied Microbiology and Biotechnology. 19 (3): 199–202. doi:10.1007/BF00256454. S2CID 36659986.
  20. ^ Boffey, Daniel (29 June 2019). "Plan to sell 50m meals made from electricity, water and air".
  21. ^ a b Ivarson KC, Morita H (1982). "Single-Cell Protein Production by the Acid-Tolerant Fungus Scytalidium acidophilum from Acid Hydrolysates of Waste Paper". Appl Environ Microbiol. 43 (3): 643–647. Bibcode:1982ApEnM..43..643I. doi:10.1128/aem.43.3.643-647.1982. PMC 241888. PMID 16345970.
  22. ^ Jean Marx (ed.). A Revolution in Biotechnology (see Ch. 6 Litchfield). Cambridge University Press. pp. 1–227.
  23. ^ Boyle, Nanette R.; Morgan, John A. (2011-03-01). "Computation of metabolic fluxes and efficiencies for biological carbon dioxide fixation". Metabolic Engineering. 13 (2): 150–158. doi:10.1016/j.ymben.2011.01.005. PMID 21276868.
  24. ^ Bar-Even, Arren; Noor, Elad; Lewis, Nathan E.; Milo, Ron (2010-05-11). "Design and analysis of synthetic carbon fixation pathways". Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (19): 8889–8894. Bibcode:2010PNAS..107.8889B. doi:10.1073/pnas.0907176107. ISSN 0027-8424. PMC 2889323. PMID 20410460.
  25. ^ Galloway, James N.; Aber, John D.; Erisman, Jan Willem; Seitzinger, Sybil P.; Howarth, Robert W.; Cowling, Ellis B.; Cosby, B. Jack (2003-04-01). "The Nitrogen Cascade". BioScience. 53 (4): 341–356. doi:10.1641/0006-3568(2003)053[0341:TNC]2.0.CO;2. ISSN 0006-3568.
  26. ^ Halasz, Anna; Lasztity, Radomir (1990-12-07). Use of Yeast Biomass in Food Production. CRC Press. ISBN 9780849358661.
  27. ^ 지속 가능한 석유를 만드는 탄소 포획 과정
  28. ^ a b c 키버디는 NASA 기술을 이용해 CO2로 단백질, 어류 식품, 팜 오일을 만든다.
  29. ^ a b 키버디:정보
  30. ^ 키베르디의 공기 단백질
  31. ^ SCP의 일종으로 자주색 박테리아
  32. ^ Frost, Rosie (July 30, 2020). "Would you eat blue algae to save the planet?". Euronews.
  33. ^ 탄소 폐기물을 소비하는 미생물의 새로운 양식 영양소
  34. ^ Jones, Shawn W; Karpol, Alon; Friedman, Sivan; Maru, Biniam T; Tracy, Bryan P (2020). "Recent advances in single cell protein use as a feed ingredient in aquaculture". Current Opinion in Biotechnology. 61: 189–197. doi:10.1016/j.copbio.2019.12.026. PMID 31991311.
  35. ^ "Deep Branch Bio's Peter Rowe Wants to Save the Planet".
  36. ^ "BioCity invests in carbon recycling start-up, Deep Branch Biotechnology". 24 April 2019.