Лимонную кислоту давно делают не из лимонов — её производят грибы

Один из самых привычных ингредиентов еды оказался продуктом промышленной микробиологии

Лимон в названии остался, а лимоны почти исчезли

На упаковке мармелада, газированного напитка, соуса или конфет можно встретить знакомое обозначение E330 — лимонная кислота. Название почти автоматически вызывает в воображении лимон.

Исторически эта ассоциация совершенно справедлива.

В 1784 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле выделил лимонную кислоту из цитрусового сока. В XIX веке её действительно производили из лимонов, а цитрусовые оставались важным промышленным источником вещества вплоть до начала XX века.

Но современная лимонная кислота в пакетике совсем не обязательно когда-либо находилась внутри лимона.

Промышленность нашла гораздо более эффективного производителя.

Им оказался гриб.

Aspergillus niger превратился в живую химическую фабрику

Основной промышленный микроорганизм для производства лимонной кислоты — Aspergillus niger.

Его название можно перевести как «аспергилл чёрный». Это микроскопический нитчатый гриб, колонии которого из-за тёмных спор действительно могут выглядеть как чёрная плесень.

И здесь возникает естественная реакция: неужели пищевую добавку делают из плесени?

В определённом смысле — да. Но точнее сказать: плесневый гриб используют как биологическую фабрику, которая превращает сахар в нужное человеку вещество.

Разница принципиальна.

Мы не едим выращенный гриб. Он участвует в производственном процессе, после которого биомассу отделяют, а целевой продукт очищают.

Это примерно та же логика, по которой микроорганизмы используют для производства ферментов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и множества других веществ.

Почему гриб вообще производит лимонную кислоту

Самое интересное в этой истории — лимонная кислота вовсе не является каким-то необычным «грибным веществом».

Цитрат — нормальный участник клеточного энергетического обмена. Цикл трикарбоновых кислот, известный также как цикл Кребса, работает в клетках огромного числа живых организмов, включая человека.

Обычно промежуточные вещества этого цикла образуются и тут же используются дальше.

Но Aspergillus niger обладает особенностью, которой научилась пользоваться промышленная биотехнология: при определённых условиях его метаболизм можно заставить накапливать исключительно много лимонной кислоты.

Для этого грибу создают весьма специфическую среду.

Ему дают много легко доступного углеводного сырья — например глюкозу, сахарозу или богатую сахарами мелассу. Одновременно тщательно контролируют кислотность, содержание микроэлементов, доступ кислорода, температуру и состав питательной среды.

Получается своеобразная метаболическая ловушка.

Углерод интенсивно поступает внутрь клетки, перерабатывается, а значительная его часть в итоге превращается в цитрат, который накапливается и выделяется в окружающую среду.

Именно поэтому промышленный процесс гораздо точнее сравнивать не с появлением плесени на хлебе, а с управляемой ферментацией.

Как плесень победила миллионы лимонов

В конце XIX века исследователи уже знали, что некоторые грибы способны образовывать лимонную кислоту. Но решающий шаг произошёл в начале XX века.

В 1917 году американский исследователь Джеймс Карри показал, что определённые штаммы Aspergillus niger способны давать высокие выходы лимонной кислоты на сахарной среде.

Открытие оказалось промышленно чрезвычайно привлекательным.

Чтобы получать кислоту из лимонов, необходимо выращивать деревья, ждать урожая, собирать и перевозить плоды, отжимать сок, а затем выделять из него нужное вещество. Производство зависит от сельскохозяйственных площадей, климата, сезона и стоимости фруктов.

Грибу нужен прежде всего источник сахара и контролируемая ферментационная установка.

К началу XX века это изменило экономику продукта. В 1919 году в Бельгии уже заработало промышленное производство лимонной кислоты с использованием Aspergillus niger.

Биотехнология постепенно вытеснила лимоны.

Что происходит внутри современного производства

Современные технологии могут различаться, но общий принцип выглядит примерно одинаково.

Сначала готовят питательную среду с источником углерода. В качестве сырья могут использоваться очищенные сахара или более дешёвые богатые углеводами материалы, включая мелассу.

Затем в контролируемых условиях выращивают производственный штамм Aspergillus niger.

Начинается ферментация. Гриб потребляет сахар, а специально подобранные условия заставляют его метаболизм направлять значительную часть углерода в образование лимонной кислоты.

В результате получают не кристаллы, а ферментационную жидкость — сложную смесь воды, кислоты, остатков питательной среды и грибной биомассы.

И только после этого начинается вторая половина технологии.

Биомассу отделяют. Лимонную кислоту извлекают из раствора и очищают. В классических технологиях широко применялось осаждение в форме цитрата кальция с последующим повторным высвобождением кислоты; существуют и другие методы выделения и очистки.

После концентрирования и кристаллизации получается знакомое белое кристаллическое вещество.

То есть цепочка выглядит так:

• сахарное сырьё;
• контролируемая ферментация;
• Aspergillus niger;
• накопление лимонной кислоты;
• отделение грибной биомассы;
• очистка раствора;
• концентрирование;
• кристаллизация;
• готовая лимонная кислота.

Именно поэтому выражение «лимонную кислоту делают из плесени» одновременно и верно, и немного вводит в заблуждение.

Гриб её производит, но гриб не является конечным продуктом.

А как же «чёрная плесень» и токсины

Словосочетание «чёрная плесень» здесь особенно легко превращается в страшилку.

Цвет плесени сам по себе ничего не говорит о безопасности конкретного промышленного процесса. Кроме того, бытовое выражение «чёрная плесень» используется для разных грибов и не является точным обозначением одного опасного организма.

Aspergillus niger действительно способен образовывать чёрные споры. Некоторые штаммы грибов рода Aspergillus при определённых условиях также могут синтезировать нежелательные вторичные метаболиты. Именно поэтому промышленная микробиология работает не с произвольной плесенью, найденной в окружающей среде, а с отобранными производственными штаммами и контролируемым процессом.

Но есть ещё более важный момент.

Безопасность конечной лимонной кислоты определяется характеристиками очищенного продукта и соблюдением требований к производству, а не эмоциональным впечатлением от микроорганизма, который использовался на одном из этапов.

Лимонная кислота давно применяется в пищевой промышленности. Объединённый комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам установил для неё ADI «not limited» — то есть не счёл необходимым устанавливать числовое допустимое суточное потребление при обычном использовании в пищевых продуктах.

В США лимонная кислота также относится к веществам, признанным безопасными для предусмотренных пищевых применений.

E330 — это не «искусственная версия» кислоты из лимона

Есть ещё один распространённый источник путаницы.

Иногда пищевые ингредиенты делят на «натуральные» и «химические» так, словно речь идёт о двух разных веществах.

Для лимонной кислоты это особенно бессмысленно.

Молекула лимонной кислоты, выделенная из лимонного сока, и молекула лимонной кислоты, произведённая Aspergillus niger из сахара, имеют одну и ту же химическую структуру.

Организм не располагает отдельным метаболическим маршрутом для «лимонной» и «грибной» лимонной кислоты.

Различается происхождение продукта, а не сама молекула.

Поэтому маркировка E330 сообщает прежде всего о том, какое вещество присутствует в продукте и какую технологическую функцию оно выполняет, а не о том, был ли рядом с производством настоящий лимон.

Зачем лимонная кислота вообще нужна продуктам

Кислый вкус — только самая очевидная её функция.

Лимонная кислота помогает регулировать pH продукта, связывать некоторые ионы металлов, влиять на стабильность и взаимодействовать с другими компонентами рецептуры. Благодаря этим свойствам она используется не только в напитках и сладостях.

Её можно встретить в пищевых продуктах, фармацевтических и косметических составах, бытовой химии и множестве промышленных процессов.

Поэтому спрос давно вышел далеко за пределы того количества вещества, которое было бы рационально получать из цитрусовых.

И здесь история лимонной кислоты становится историей не столько о плесени, сколько о масштабах современной биотехнологии.

Мы окружены продуктами микробных фабрик и почти этого не замечаем

Человечество использовало микроорганизмы задолго до того, как узнало об их существовании.

Хлеб поднимается благодаря дрожжам. Йогурт появляется благодаря бактериям. Многие лекарства, ферменты и пищевые ингредиенты производятся с участием микроорганизмов.

Промышленная биотехнология сделала следующий шаг: она научилась выбирать организм, который особенно эффективно синтезирует нужную молекулу, и создавать для него условия, при которых производство становится экономически выгодным.

Aspergillus niger оказался исключительно удачной «клеточной фабрикой».

То, что когда-то требовало огромного количества цитрусовых, сегодня можно получать в ферментационных установках из относительно дешёвого углеводного сырья.

Именно поэтому история E330 — хороший пример того, как биология незаметно встроилась в промышленность задолго до нынешней эпохи синтетической биологии.

Что полезно помнить, увидев E330 на этикетке

• E330 — это лимонная кислота.
• Наличие E330 не означает, что ингредиент получили из лимонов.
• Современную лимонную кислоту преимущественно производят микробной ферментацией, а главным промышленным организмом служит Aspergillus niger.
• Гриб используется как производственная система, а его биомассу затем отделяют от продукта.
• «Чёрная плесень» — эффектное, но слишком грубое бытовое описание технологии: промышленная ферментация принципиально отличается от случайного роста плесени на продуктах или стенах.
• Лимонная кислота из ферментации и лимонная кислота из лимона — химически одно и то же соединение.
• Происхождение вещества само по себе не определяет его безопасность: значение имеют свойства конечного продукта, чистота, дозировка и контроль производства.