Як ми можемо виробляти їжу стабільно, задовольняючи зростаючий попит і не завдаючи додаткової шкоди навколишньому середовищу? Частина відповіді може полягати у використанні зеленого листя люцерни.

допомогою

Янгмі Кім для Прогресивного корму - Університет Вісконсіна - Річковий водоспад

Що (конкретно) спонукало цей дослідницький проект?
Технологічні досягнення та модернізація сільського господарства дозволили сільськогосподарському виробництву збільшуватися швидше, ніж ріст населення в минулому. Але світ зараз стикається з новими загрозами та складними проблемами, що вимагають інноваційних рішень: глобальний клімат, що швидко змінюється, разом із зростаючим попитом на енергію та їжу. За прогнозами, до 2050 року населення світу зросте на 2,5 мільярда людей.

Продовольча та сільськогосподарська організація ООН (ФАО) проектує, що глобальне виробництво продуктів харчування та кормів має зрости на 25 - 70 відсотків, щоб задовольнити потреби у харчуванні понад 10 мільярдів людей. У середньому люди будуть багатшими за людей сьогодні, що передбачає не лише збільшення загального споживання калорій, але й більший попит на тваринний білок. Виробництво білків тваринного походження вимагає значно більших ресурсів, ніж білків рослинного походження, таких як земля, вода та викопне паливо, які тісно пов'язані зі зміною клімату.

Дослідження виросло з досить широкого питання, яке я довго думав: "Як ми можемо виробляти їжу стабільно, задовольняючи зростаючий попит і не завдаючи додаткової шкоди навколишньому середовищу?" Для цього може бути багато підходів та рішень. Виклик нагальний; але мене особливо цікавив альтернативний білок, особливо білок рослинного походження.

Одне з розслідувань, над яким я працював, працюючи в університеті Пердью в якості інженера-дослідника, зосереджувалося на збільшенні цінності зерен дистилятора шляхом вилучення компонентів (білків, волокон, олій) та перетворення їх в інші хімічні речовини та матеріали. Дистиляційні зерна, які є побічним продуктом процесу кукурудзи до етанолу, містять багато білка і зазвичай використовуються як білкова добавка для худоби. Проект породив ідею про дослідження альтернативного рослинного джерела для споживання людиною.

Хоча в минулому дослідження були зосереджені головним чином на сироватці або білках на основі сої, листяний зелений широко ігнорували як потенційне джерело білка для споживання людиною. Листя люцерни є одним з найважливіших джерел білка в сирому листі завдяки високому вмісту сирого білка (260 грамів на кілограм сухої речовини або 2600 кілограмів білка на гектар) та збалансованому співвідношенню амінокислотного складу, що відповідає амінокислота для дорослих, рекомендована ФАО. Однак застосування білків люцерни для споживання людиною було обмежене небажаними сенсорними якостями, такими як колір, смак і текстура.

Основною метою мого дослідження є використання комбінації ферментів не лише для збільшення здатності білка до вилучення листя люцерни, але також для поліпшення розчинності та сенсорних властивостей вилучених білків люцерни шляхом гідролізу їх в антиоксидантні пептиди. Антиоксидантні пептиди - це низькомолекулярні поліпептиди, що містять від двох до 20 залишків амінокислот, які проявляють різні фізіологічні функції. Антиоксидантні пептиди, вироблені з листя люцерни, можна використовувати як функціональну їжу, нутрицевтики, дієтичні добавки та складові фармацевтичних препаратів.

Наш підхід спрямований на розробку ферментної суміші, яка може ефективно послабити та оголити матриці клітинних стінок для поліпшення здатності до екстракції білка на наступних етапах при найменшій дозі ферменту. Мінімізація завантаження ферментів є важливою вимогою для зниження загальних витрат на переробку, оскільки вартість ферментів часто є основним фактором витрат у біообробці.

Які проблеми виникли та який прогрес відбувся з початку розслідування?
Оскільки дослідження офіційно розпочато у травні 2019 року, ми зараз перебуваємо на початковій стадії проекту, зосереджуючись головним чином на врожаї свіжого листя люцерни та підготовці зразків для дослідження. У цьому дослідженні ми будемо витягувати білок безпосередньо зі свіжого листя замість сухого листя. Хоча висушене листя легше транспортувати та зберігати, ніж свіже листя, для вилучення білка з висушеного листя потрібні більш жорсткі хімічні речовини або умови реакції, ніж свіже листя, що може негативно вплинути на якість білків за амінокислотним профілем та перетравності.

Білки більш лабільні в порівнянні з іншими компонентами рослинних клітин. Деякі амінокислоти, такі як лізин, цистеїн та гліцин, особливо чутливі до екстремальних значень рН та високих температур і можуть бути безповоротно пошкоджені під час процесу, що включає такі умови. Отже, білі концентрати вищої якості можна отримати зі свіжого листя, ніж із сухої біомаси.

Крім того, м’які умови, що застосовуються для лікування ферментами, корисні для збереження якості екстрагованих білків. Проблема полягала в подрібненні свіжого листя на частинки менше 1 міліметра, мінімізуючи втрати або пошкодження компонентів рослинної тканини. Використання рідкого азоту в процесі помелу дозволяє зберегти якість білка в листі люцерни. Хоча це може бути важко застосувати у широкомасштабній системі, згаданий процес підготовки зразків необхідний у процесі досліджень, щоб мінімізувати зовнішні та внутрішні зміни в кормових матеріалах і дозволяє нам науково оцінити вплив ферментних сумішей на вихід білка та отриманий амінокислотний профіль екстрагованих білків.

Визначення оптимальної комбінації ферментів, яка максимізує здатність білка до вилучення листя люцерни, є найважливішою частиною цього дослідження. Існує безліч комерційних ферментних сумішей, спрямованих на вуглеводи клітинної стінки рослин для різних галузей промисловості. Однак часто важко знайти конкретний продукт, який містить усі необхідні ферменти, спрямовані на різні типи та структури вуглеводів, що містяться в рослинних матеріалах.

Комерційні клітини, що використовуються для різних застосувань, таких як виробництво цукру для палива або інших біопродуктів шляхом ферментації, містять головним чином ферменти, що розкладають целюлозу і часто не мають інших ферментативних активностей, необхідних для деградації ксилану та пектину, інших двох основних компонентів матрикс клітинної стінки рослини. Основною проблемою цього дослідження буде скласти оптимальну ферментну суміш із комерційно доступних ферментних продуктів, що містять необхідну ферментативну активність для ефективного розщеплення листя люцерни. В даний час ми виявили та придбали п’ять різних ферментів, які будуть додатково досліджені та змішані для вилучення білків з люцерни.

Коли виробники можуть розраховувати побачити кінцеві результати?
Розслідування завершиться 30 квітня 2020 року. Більшість експериментів буде завершено до кінця цього року, а аналіз даних та звіт - у квітні 2020 року.