Как можем да произвеждаме храна устойчиво, като същевременно задоволяваме нарастващото търсене и без да причиняваме допълнителни щети на околната среда? Част от отговора може да се крие в използването на зелените листа на люцерна.

люцерна

От Youngmi Kim, за Прогресивен фураж - Университет на Уисконсин - Ривър Фолс

Какво (конкретно) подтикна този изследователски проект?
Технологичният напредък и модернизацията в селското стопанство позволиха на селскостопанското производство да се увеличава по-бързо от нарастването на населението в миналото. Но светът сега е изправен пред нови заплахи и сложни проблеми, които изискват иновативни решения: бързо променящ се глобален климат, съчетан с нарастващо търсене на енергия и храна. Прогнозира се, че световното население ще нарасне с 2,5 милиарда души до 2050 г.

Организацията за прехрана и земеделие на ООН (FAO) проектира, че световното производство на храни и фуражи трябва да се увеличи с 25 до 70 процента, за да отговори на хранителните нужди на повече от 10 милиарда души. Средно хората ще бъдат по-богати от хората днес, което предполага не само увеличаване на общата консумация на калории, но и по-голямо търсене на протеини от животински произход. Производството на животински протеини изисква значително повече ресурси от растителните протеини, като земя, вода и изкопаеми горива, които са тясно свързани с изменението на климата.

Изследването се породи от доста широкия въпрос, който имах предвид отдавна: „Как можем да произвеждаме храна по устойчив начин, като същевременно отговаряме на нарастващото търсене и без да причиняваме допълнителни щети на околната среда?“ За това може да има много подходи и решения. Предизвикателството е спешно; но съм се интересувал особено от алтернативни протеини, особено протеини от растителен произход.

Едно от разследванията, върху които съм работил, докато в университета Пърдю като изследователски инженер, се фокусира върху увеличаването на стойността на зърната на дестилаторите чрез извличане на компоненти (протеини, влакна, масла) и превръщането им в други химикали и материали с добавена стойност. Дестилационните зърна, които са страничен продукт от процеса на царевица до етанол, съдържат високо съдържание на протеини и обикновено се използват като протеинова добавка за животни от рода на добитъка. Проектът породи идея за изследване на алтернативен растителен източник за консумация от човека.

Докато проучванията в миналото са се фокусирали предимно върху суроватка или соеви протеини, листното зелено е широко игнорирано като потенциален източник на протеини за консумация от човека. Листата на люцерна са един от най-важните източници на сурови белтъчини поради високото съдържание на суров протеин (260 грама на килограм сухо вещество или 2600 килограма протеин на хектар) и балансираното съотношение на аминокиселинен състав, което е в съответствие с аминокиселина за възрастни, препоръчана от FAO. Прилагането на протеини от люцерна за консумация от човека обаче е ограничено от нежелани сензорни качества като цвят, вкус и текстура.

Основната цел на моето проучване е да използвам комбинация от ензими не само за увеличаване на капацитета за извличане на протеини от листата на люцерна, но и за подобряване на разтворимостта и сензорните свойства на извлечените белтъци от люцерна, като ги хидролизира в антиоксидантни пептиди. Антиоксидантните пептиди са полипептиди с ниско молекулно тегло, съдържащи от два до 20 аминокиселинни остатъка, които проявяват различни физиологични функции. Антиоксидантните пептиди, произведени от листа от люцерна, могат да се използват като функционални храни, хранителни добавки, хранителни добавки и съставни части на фармацевтичните продукти.

Нашият подход има за цел да разработи ензимна смес, която може ефективно да разхлаби и изложи матриците на клетъчната стена, за да подобри способността за екстракция на протеин в следващите стъпки при възможно най-ниската доза ензим. Минимизирането на натоварването с ензими е важно изискване за намаляване на общите разходи за преработка, тъй като цената на ензимите често е основният разходен фактор при биопреработката.

Какви предизвикателства са възникнали и какъв напредък е постигнат от началото на разследването?
Тъй като изследването официално започна през май 2019 г., в момента сме в началния етап на проекта, като се фокусираме главно върху реколтата от пресни листа от люцерна и подготовката на пробите за изследването. В това проучване ще извлечем протеин директно от пресни листа, вместо от изсушени листа. Докато изсушените листа са по-лесни за транспортиране и съхранение, отколкото пресните листа, извличането на протеин от изсушени листа изисква по-сурови химикали или условия на реакция, отколкото пресните листа, което може да повлияе отрицателно на качеството на протеините в аминокиселинен профил и смилаемост.

Протеините са по-лабилни в сравнение с други компоненти в растителните клетки. Някои аминокиселини, като лизин, цистеин и глицин, са особено чувствителни към екстремно рН и високи температури и могат да бъдат необратимо повредени по време на процес, включващ такива условия. Следователно, по-висококачествени протеинови концентрати могат да бъдат получени от пресни листа, отколкото от суха биомаса.

Освен това, меките условия, прилагани за ензимно лечение, са от полза за запазване на качеството на извлечените протеини. Предизвикателството е да се смилат пресните листа на частици, по-малки от 1 милиметър, като същевременно се минимизират загубите или увреждането на компонентите на растителната тъкан. Използването на течен азот по време на процеса на смилане ни позволява да запазим качеството на протеина в листата на люцерна. Въпреки че това може да е трудно да се приложи в широкомащабна система, горепосоченият процес на подготовка на пробата е необходим в процеса на изследователския мащаб, за да се сведат до минимум външните и вътрешните вариации във фуражните суровини и ни позволява научно да оценим въздействието на ензимните смеси върху добив на протеини и получения аминокиселинен профил на извлечените протеини.

Идентифицирането на оптимална комбинация от ензими, която максимизира капацитета за извличане на протеини от листата на люцерна, е критичната част от това проучване. Налични са множество търговски ензимни смеси, които са насочени към въглехидратите на растителните клетъчни стени за различни индустриални приложения. Често обаче е предизвикателство да се намери специфичен продукт, който съдържа всички необходими ензими, насочени към различни видове и структури на въглехидратите, открити в растителните материали.

Търговските клетки, използвани за различни приложения, като производството на захари за горива или други биопродукти чрез ферментация, съдържат предимно ензими, които разграждат целулозата и често им липсват други ензимни дейности, необходими за разграждането на ксилан и пектин, другите два основни компонента на матрица на растителната клетъчна стена. Основното предизвикателство на това изследване ще бъде да се формулира оптимална ензимна смес от търговски ензимни продукти, които съдържат необходимите ензимни дейности за ефективно разграждане на листата от люцерна. В момента сме идентифицирали и придобили пет различни ензима, които ще бъдат допълнително изследвани и смесени за извличане на протеини от люцерна.

Кога производителите могат да очакват да видят крайните резултати?
Разследването ще приключи на 30 април 2020 г. Повечето от експериментите ще бъдат завършени до края на тази година, а анализът на данните и докладът ще бъдат завършени през април 2020 г.