Удивительный мир органической химии

9.1. Белки из нефти

Итак, в пище человека, не считая воды, должны содержаться белки, жиры и углеводы. Необходимы также витамины и минеральные соли. Все эти компоненты очень важны, так как выполняют различную функцию в организме человека. Жиры и углеводы, как известно, обеспечивают организм человека энергией, а белки являются «строительным» материалом.

Если жиры и углеводы, как источники энергии, «сгорают» в организме, теряя при этом свою индивидуальность, то белки являются единственными «поставщиками» азота для организма. Созданные из аминокислотных остатков, белки распадаются в пищевом тракте на аминокислоты — структурные «кирпичики» для создания собственных белков организма. Поэтому человек и животные должны постоянно получать белки с пищей. Но если белки в организме распадаются на аминокислоты, из которых снова синтезируются белки, то нельзя ли питаться не белками, а аминокислотами? Ведь составить питательный рацион из необходимых аминокислот не так уж и трудно!

Но не все так просто. Полученная нами смесь аминокислот невкусна, неаппетитна. Мы не привыкли к такой пище. Поэтому необходимые аминокислоты мы получаем в основном с мясной пищей. Однако тут возникает другая проблема: где же брать белки животного происхождения? «Как где? — удивитесь вы. — Ведь для этого существует животноводство».

Но, как известно, такой путь получения белка очень долгий и малопродуктивный (если его пересчитать на выход аминокислот). Для этого необходимо годами растить животных, откармливая их растительными белками. Приведем такой пример. Теленок весом 300 кг при хорошем корме дает привес в сутки около 300 г. Происходит это потому, что теленок использует всего лишь 8% съеденной пищи для производства белка. Все же остальное — потери на движение, на испарение, на непереваренные стебли, листья, на несъедобные копыта, рога, шкуру...

Так выгодно ли получать белок таким образом? Не совсем.

Теперь вернемся к нашей идее — использовать в питании непосредственно аминокислоты. Но тут опять возникает проблема: как получать эти кислоты? Сегодня мы знаем, что для этого есть две возможности — органический синтез и микробиологический процесс. При химическом способе получения обычно используют предельные или непредельные углеводороды, которые содержатся в нефти. Если эти углеводороды ввести в реакцию с аммиаком, то можно получить аминокислоты. Второй же путь — микробиологический синтез белка — наиболее перспективен. Поэтому расскажем о нем подробнее.

Есть, оказывается, такие организмы, которые способны производить белок гораздо эффективнее, чем животные. Это — микроорганизмы, имеющие белковую плазму (бактерии, водоросли). Они способны размножаться с огромной скоростью. Одни из них поглощают в качестве корма отходы сахарного производства (мелассу), другие способны развиваться на обычных углеводородах. Так, известны микробы, которые «пожирают» метан или другие алканы, содержащиеся в нефти. При этом 500 кг микроорганизмов могут дать ежедневно почти 1000 кг белка! В качестве «корма» обычно используют тяжелые фракции нефти с добавлением калийных, азотных и фосфорных удобрений. Добавляют и микроэлементы. Образующийся «нефтяной» белок по аминокислотному составу очень сходен с обычным животным белком. В его состав входят даже витамины группы В. В то же время себестоимость такого белка почти в 10 раз ниже, чем белков мяса. Работы по изучению «нефтяного» белка начались еще в 1963 г. в Институте «ВНИИсинтезбелок». Полученный таким способом белок с успехом идет на корм домашних животных. Его может использовать в своей пище и человек. Но для этого белку необходимо придать соответствующий вкус, запах и привычный вид. Такой белок необходимо также очистить от избытка нуклеиновых кислот, которыми микроорганизмы гораздо богаче, чем ткани животных.

Существует еще одна возможность получения белковых продуктов. Она состоит в прямой переработке белка природного происхождения (чаще — растительного) в разнообразные продукты — молочные и мясные. Источником пищевого белка могут служить семена масличных, бобовых и зерновых культур, биомасса трав, дрожжей, а также отходы пищевой и мясо-молочной промышленности. При этом очень важно, чтобы биологическая ценность белка была максимально высокой. Для этого пищевые белки смешивают в таком сочетании, чтобы аминокислотный состав смеси отвечал составу идеального белка. Таким «сочетанием» мы занимаемся неосознанно каждый день. Например, готовя бутерброд, мы на хлеб кладем ломтик сыра или колбасы. При этом уверены, что делается это для вкуса. Однако если разобраться, то мы в пищу добавляем лизин и треонин (аминокислоты) с помощью сыра. В некоторых странах лизин добавляют даже в тесто при выпечке хлеба. Такой хлеб дают на школьных завтраках. Ведь растущий организм особенно чувствителен к сбалансированной пище. Конечно, такие продукты можно делать только в промышленных условиях. Кроме того, растительный белок нуждается в переработке в привычные для человека продукты: синтетические крупяные и макаронные изделия, волокнообразные продукты при приготовлении мясных блюд, студнеобразные капельки зернистой икры... Поэтому химикам, биологам и физикам предстоит в этом отношении большая работа. Но они уже сейчас знают, как построены волокнистые и студнеобразные структуры, и уверенно работают над созданием из пищевого белка волокнистой структуры мяса, тонковолокнистой — рыбы, полужидкой с тонкой оболочкой структуры икры и т. д. Например, много лет тому назад в Институте элементорганических соединений Академии наук СССР под руководством академика Александра Николаевича Несмеянова (1899-1980) была создана искусственная икра, отведав которую дегустаторы не смогли отличить от натуральной. Более того, они перепутали ее с натуральной!

Но и это не предел. Чистый белок сои или пшеницы можно «прясть», как прядут искусственный шелк, и получать волокнистый продукт, Если эти волокна склеить, придать им соответствующий запах, вкус и цвет, то можно получить самую разнообразную пищу — от макарон до отбивных. По вкусу эти продукты неотличимы от естественной пищи, а по цене — гораздо дешевле.

А можно ли получать белок только из травы и листьев? Оказывается, можно. Пища из травы — еще один вариант упрощения кормовой цепи («трава — теленок — человек»). Обычно мы «поручаем» самим телятам перерабатывать траву в съедобную телятину. Но, как было сказано выше, телята в этом отношении «работают» нерационально. Помимо мяса, они выращивают еще рога и копыта, кости и шкуру... Чтобы получить белок из травы или листьев, зеленую массу измельчают и подвергают давлению. Целлюлоза спрессовывается, а большая часть белка переходит в сок. Он достаточно питателен, но «загрязнен» хлорофиллом, который не нужен человеку. Хлорофилл удаляют, растворяя его в спирте, а белковый сок остается. Выходит, что травой и листьями можно питаться? Но что же тут удивительного? Ведь салат, щавель, крапива, капуста — те же листья, а зеленый лук — стебель.

Все, о чем мы говорили, — не фантастика. Однако синтетические продукты питания станут входить в нашу жизнь постепенно, начиная с аминокислотно-белкового комплекса. Сначала они будут «облагораживать» естественную пищу и восполнять недостаток незаменимых аминокислот. Потом приобретут самостоятельное значение как дополнительный источник белков. Но уже сейчас во всем мире налажено производство кормовых дрожжей для животных из очищенных углеводородов нефти. Полученные из них продукты отвечают всем требованиям сельского хозяйства и здравоохранения. По биологической ценности, по содержанию белка и витаминов эти продукты не уступают кормам животного и растительного происхождения.

9.2. Запах и вкус из пробирки

Как уже говорили, одной из проблем создания синтетической пищи является придание ей не только необходимой структуры, но и определенных свойств (запаха, вкуса, цвета и т. д.). Эту роль могут выполнять специальные органические добавки. Ими могут быть как натуральные, так и синтетические продукты. При этом синтетические вещества могут быть индивидуальными или представлять собой сложные смеси.

Носителями запаха натуральных продуктов могут быть эфирные масла, сложные эфиры, некоторые спирты, альдегиды и кетоны, а также углеводороды. Приведем примеры таких соединений, которые обладают соответствующим запахом и способны имитировать запахи натуральных продуктов.

Интересные изменения запаха наблюдаются в зависимости от характера замещения в γ-лактонах.

Установлено, что запах углеводородов существенно зависит от длины углеводородной цепи. Так, метан не имеет запаха, н-пентан пахнет жидкостью для заправки зажигалок, а октан и нонан — носители запаха бензина.

Часто запах какого-то вещества является суммой запахов многих химических соединений. Например, чтобы получить запах черной икры, необходимо присутствие не менее двух десятков аминов, особенно таких, как пиридин, пиперидин и триметиламин. А. Н. Несмеяновым были «синтезированы» запахи куриного бульона, говядины и других блюд.

Однако многие органические вещества обладают не только определенным запахом, но и вкусом. Например, среди них есть такие, которые проявляют сладкие свойства. В основном это — сахара. Кстати, обычный сахар (сахароза) не является самым сладким веществом. Например, фруктоза слаще его на 73%, ксилит — вдвое, а сахарин — в 500 раз!

Ксилит и сахарин относятся к веществам с обманчивой сладостью. Они придают продуктам сладкий вкус, но не усваиваются организмом. Поэтому такие вещества рекомендованы больным диабетом. Для них обычный сахар вреден (он повышает содержание глюкозы в крови), а ксилит и сахарин выделяются из организма в неизмененном виде. Правда, в настоящее время так и не доказана полностью безвредность сахарина.

Обманчивой сладостью обладают также сорбит и особенно 2-амино-4-нитрофенилпропиловый эфир, который в 400 раз слаще сахара.

Фруктоза также идеальный продукт для диабетиков, так как для ее усвоения не нужен инсулин. Но чистая фруктоза — продукт довольно дорогой. Кроме того, она быстро поглощает влагу из воздуха и превращается в твердый комковатый продукт.

Химики-органики хорошо знакомы с таким интересным фактом: соединение, обладающее сладким вкусом, нелегко «перестроить», сохранив при этом его сладкий вкус. Например, сахарин — сладкое вещество, но его N-алкилпроизводные — совершенно безвкусны. Или такой пример. Соли щелочных металлов циклогексиламиносульфата (цикломаты) обладают сладким вкусом, в то же время такие же соли анилинсульфата почти безвкусны.

Вкус алкилнитроанилинов очень сильно изменяется в зависимости от характера замещения.

Однако вывести какую-нибудь связь между структурой органического соединения и его вкусом пока не удается. И все же ученые работают над этой проблемой.