6.1. Роль водорослей в решении продовольственной проблемы

6.1.1. Водоросли как продукт питания (Н. П. Масюк)

Одна из наиболее острых проблем, стоящих в настоящее время перед человечеством, - недостаток продовольствия, в первую очередь пищевого и кормового белка. Согласно данным ФАО при ООН в развивающихся странах свыше 700 млн человек (из них 30% дети в возрасте до 10 лет) ведут полуголодный образ жизни. Нормального питания лишены более 30% людей в Латинской Америке, около 60% в Азии. Согласно прогнозу, к 2000 г., когда население Земли превысит 6 млрд человек, а производство продуктов питания удвоится, эта проблема решена не будет, ибо прирост производства пищи на одного человека не превысит 15% при увеличении ее стоимости по крайней мере в 2 раза [235]. Поэтому проблема продовольствия, обеспечения растущего населения планеты полноценным питанием стала важным экономическим, социальным и политическим фактором в современном мире. В связи с этим растет интерес к новым нетрадиционным источникам белков, жиров, углеводов, витаминов, ферментов и других физиологически активных веществ [275 и др.].

По своим пищевым качествам водоросли не только не уступают известным сельскохозяйственным культурам, но в некоторых отношениях даже превосходят их. Они содержат высокий процент белка (до 70% сухой массы), включающего все аминокислоты, необходимые для нормального питания человека, в том числе незаменимые [173, 174 и др.]. Благодаря этому белки водорослей могут дополнять белки продуктов, содержащих мало лизина и треонина. Выход белка на единицу площади за единицу времени при выращивании водорослей на 1-3 порядка превышает таковой по сравнению с другими традиционными источниками (бобовые, злаки, крупный рогатый скот и др.) [491].

Учитывая все возрастающий дефицит белков в продуктах питания (по данным Всемирной организации здравоохранения в 1980 г. он составлял 3,5 млн т, а к 2000 г. увеличится до 60 млн т) водоросли как дополнительный источник белковых веществ представляют большой интерес.

Водоросли - богатейший источник витаминов (тиамина, рибофлавина, фолиевой, никотиновой и аскорбиновой кислот, β-каротина), микроэлементов и других физиологически активных веществ [20, 173, 174, 195]. Содержание витаминов в 100 г зеленой водоросли Chlorella Beijer. превышает суточную потребность в них человека. Поэтому рекомендуют вводить водоросли в рацион больных сердечно-сосудистыми и желудочными заболеваниями.

Большим преимуществом водорослей является физиолого-биохимическое разнообразие и лабильность их химического состава, позволяющие осуществлять управляемый биосинтез ценных химических природных соединений. Так, в одной и той же культуре водорослей, в зависимости от условий выращивания, можно получить биомассу с содержанием белков 8-58%, углеводов - 6-37 и жиров - 4-85%. В зависимости от условий выращивания в значительной степени изменяется также содержание свободных аминокислот, пигментов, витаминов, микроэлементов [22, 195, 281].

Водоросли, особенно микроскопические, характеризуются наиболее высоким КПД усвоения световой энергии по сравнению с другими фотосинтезирующими организмами [22, 23]. Многие виды способны к миксотрофизму [169] и эффективной утилизации света низкой интенсивности. Это позволяет снизить энергетические затраты на единицу получаемой продукции.

Продуктивность водорослей, особенно микроскопических, приближается к потенциально возможной. В закрытых, полностью автоматизированных опытных установках (космического назначения) при искусственном освещении продуктивность хлореллы составляет 100-140 г сухого вещества на 1 м² в сутки [22, 23]. Это соответствует 1000-1400 кг/га (в сухой массе) в сутки или 360-500 т/га в год. Средняя продуктивность микроводорослей при их массовом культивировании в установках открытого типа при естественном освещении находится в пределах 14-35 г/м² (в сухой массе) в сутки, максимальная достигает 60 г/м² в сутки. Если исходить из средней суточной продуктивности 20 г/м² и продолжительности вегетационного периода 6 месяцев, среднегодовая продуктивность установок этого типа должна составить 72 т/га (в сухой массе) в год. Практически такая продуктивность (50-80 т/га в год) достигнута в разных странах в открытых культиваторах разного типа [3, 345, 617, 628]. Культивирование видов рода Spirulina Turp. позволяет получать 128 т белка на гектар в год [615]. Таким образом, продуктивность культуры микроводорослей на порядок выше по сравнению с продуктивностью пшеничного поля [3]. Продуктивность плантаций морских водорослей составляет 60-120 т/га (в сырой массе) в год.

Водоросли не являются конкурентами высших растений, поскольку их выращивание может осуществляться в водоемах и искусственных установках на площадях, не пригодных для земледелия; их культура менее зависима от климатических условий по сравнению с культурой наземных растений. Не следует забывать также об огромных ресурсах Мирового океана для получения пищи и кормов [235, 699].

Макроскопические морские и пресноводные водоросли используются человеком в качестве пищевых и кормовых продуктов еще с XIII ст. [564]. В настоящее время известно около 170 видов съедобных макроскопических водорослей, из них 81 вид красных, 54 бурых, 25 зеленых, 8 синезеленых [625]. Интенсивное использование морских водорослей-макрофитов в хозяйственных целях (в Калифорнии, например, в подводных "лесах" Масrоcystis Ag. ежегодно собирают до 150 тыс. т биомассы) исчерпало их природные запасы и привело к необходимости их искусственного выращивания [337, 699, и др.]. Поэтому в последние 30 лет значительное развитие получила аквакультура водорослей [298, 687 и др.]. В частности, в довольно больших количествах выращиваются виды родов Porphyra Ag., Laminaria Lamour., Undaria Suring., Macrocystis Ag., Gelidium Lamour., Gracilaria Grev., Pterocladia J. Ag., Monostroma Thur., Rhodymenia Grev., Eucheuma J. Ag., Chondrus Stack., Ulva L., Enteromorpha Link, Spirulina Turp. и др. [293]. Среди них наибольшее пищевое значение имеют виды рода Porphyra. Их начали выращивать в Японии еще в XVII ст., ив настоящее время по объему культивирования они занимают первое место в мире [625]. В 1945-1951 гг. урожай видов Porphyra составлял 3 тыс. т/год, в 1969-1970 гг. - около 18 тыс. т, в последующие - свыше 100 тыс. т [337]. Только в Японии ежегодная продукция водорослей в целом возросла с 310 тыс. т в 1960 г. до 690 тыс. т в 1978 г. Из 10 млн т морских продуктов, получаемых в этой стране ежегодно, 1 млн т поступает за счет аквакультуры. Уже сейчас в пищевом рационе японцев водоросли составляют почти 20%.

Предполагают, что в будущем доля водорослей в пищевом рационе человека будет неуклонно возрастать. Полученные в Японии штаммы и японские технологии аквакультуры широко используют в других странах: США, Канаде, Франции, Норвегии, Дании, Великобритании [293]. В нашей стране морские водоросли выращивают в дальневосточных морях, на Черном, Белом и Баренцевом морях [155, 298]. Их используют в качестве пищевого продукта как в свежем, так и в консервированном виде, а также при изготовлении хлебобулочных и кондитерских изделий.

Целесообразность использования морских водорослей в качестве пищевых и кормовых продуктов, а также источников промышленного сырья в настоящее время не вызывает сомнений [293, 600]. Разработаны технологии контролируемого получения спор водорослей, использования искусственных субстратов для их выращивания, методы хранения и переработки биомассы, механизируются работы по сбору урожая, проводится селекция продуктивных штаммов, оптимизируется минеральное питание [539]. Выращивание морских водорослей приобретает промышленный характер и становится все более рентабельной отраслью растениеводства, несмотря на некоторые экономические и экологические трудности [293]. В частности, при освоении шельфа под водорослевые плантации проявляется побочный негативный эффект от применения удобрений, особенно в мелководных лагунах: нарушается экологическое равновесие, уменьшается содержание кислорода в воде, развиваются токсические виды водорослей [687]. Возникают проблемы борьбы с болезнями и адвентивными растениями, засоряющими плантации промышленно ценных видов водорослей.

Значительно медленнее приобретают признание микроводоросли как источник продуктов питания и кормов. В течение сравнительно короткого периода (40 лет) неоднократно изменялись объем и направление научно- исследовательских работ, связанных с изучением возможностей использования микроводорослей в хозяйственной сфере. Так, после второй мировой войны в США, ЧССР и некоторых других странах микроводоросли усиленно изучали в качестве добавочного источника пищевых и кормовых продуктов. Однако, начиная с 60-х годов, внимание к ним как к объектам промышленного культивирования значительно снизилось, и лишь в Японии, КНР, Мексике и Советском Союзе исследования в этом направлении продолжались и дали практические результаты. Временное разочарование в перспективах использования культур микроводорослей можно объяснить недостаточностью научного обоснования, отсутствием предварительных селекционно-генетических исследований, несовершенством методов выращивания и переработки биомассы водорослей, высокой себестоимостью получаемых продуктов. Не всегда положительными были результаты потребления нативной биомассы водорослей. Низкая перевариваемость водорослей нередко обусловливалась наличием у них крепкой целлюлозной оболочки, нуждающейся в предварительной обработке и разрушении, или токсичностью отдельных объектов [293]. В 70-е годы число работ по массовому культивированию микроводорослей увеличилось.

В качестве объектов культивирования используют различные штаммы видов родов Chlorella Beijer., Scenedesmus Meyen, Ankistrodesmus Corda, Kirchneriella Schmid., Lagerheimia Chod., Coelastrum Näg., Chlamydomonas Ehr., Selenastrum Reinsch, Dunaliella Teod., Spirulina Turp., Synechococcus Näg., Microcystis Lem., Tolypothrix Kütz., Phormidium Kütz., Gloeothece Näg., Aphanothece Näg., Porphyridium Näg., Monochrysis Skuja, Isochrysis Parke, Tetraselmis Stein и др. Но в целом культивируемые виды составляют незначительную часть мировой альгофлоры, насчитывающей около 40 тыс. видов.

В настоящее время микроводоросли культивируют в значительных масштабах в ряде стран [107]. Так, на острове Тайвань массовая культура Chlorella насчитывает уже более 14 лет, давая ежегодно 1,5 тыс. т сухой биомассы; в Малайзии и на Филиппинах для пищевых целей ежегодно используют более 500 т хлореллы [625]. В Мексике за 9 лет культивирования Spirulina в водах рисовых полей получено свыше 3 тыс. т биомассы; предполагается увеличить урожай до 2 тыс. т в год [615]. В этой стране разработана технология получения из Spirulina бесцветного порошка, который в количестве 5-10% добавляют к хлебобулочным изделиям и другим пищевым продуктам. По данным мексиканских исследователей, белки этих водорослей хорошо усваиваются человеком, не вызывая побочных явлений. Некоторый опыт использования хлореллы и других микроводорослей накоплен в Японии, Канаде, США, Франции, Новой Зеландии, Австралии, Корее и других странах.