Vienšūnu proteīns ir ilgtspējīgs un alternatīvs olbaltumvielu avots, kas tiek iegūts fermentācijas procesā no baktēriju, raugu, pelējuma sēņu un mikroaļģu biomasas. Tehnoloģijas strauja attīstība sākās 20. gs. 60.–80. gados, kad Pārtikas un lauksaimniecības organizācija (Food and Agriculture Organization, FAO) paziņoja par globālu problēmu – nepietiekamu olbaltumvielu daudzumu iedzīvotāju uzturā. Tas lika meklēt alternatīvas tradicionālajiem olbaltumvielu avotiem. Vēsturiski nozīmīgi vienšūnu proteīnu produktu piemēri ir Pruteen® (Lielbritānija), Pekilo® (Somija) un Quorn® (Lielbritānija). Mūsdienās tehnoloģiju attīstība ietver metanotrofo baktēriju, mikroaļģu, raugu un pelējuma sēņu kultivēšanu, kā arī rūpniecības blakusproduktu un atkritumu substrātu izmantošanu, lai ražotu olbaltumvielas gan lopbarībai, gan pārtikai. Globālajā tirgū vadošie ražotāji ir Calysta, Unibio, Solar Foods, The Protein Brewery, Marlow Foods, Earthrise Nutritionals, Algatechnologies, Algalif, AlgaEnergy.

Vienšūnu proteīna radīšanas galvenais mērķis ir nodrošināt alternatīvu, ilgtspējīgu olbaltumvielu avotu, kas var mazināt spiedienu uz tradicionālajām olbaltumvielu ražošanas nozarēm (lopkopību, zvejniecību, lauksaimniecību). Vienšūnu proteīna ražošanai izmanto mikroorganismus, kuru biomasā ir augsts olbaltumvielu saturs (virs 40 %) ar sabalansētu neaizstājamo aminoskābju profilu, kā arī ar ogļhidrātiem, lipīdiem, minerālvielām un vitamīniem. Vienšūnu proteīns ir piemērots gan dzīvnieku (akvakultūras, mājputnu un mājlopu), gan cilvēku uzturam. Šis olbaltumvielu ieguves process ir videi draudzīgāks, patērē mazāk zemes platību un ūdens, turklāt ražošanas process nav atkarīgs no klimata vai sezonas, kā tas ir lauksaimnieciski iegūto olbaltumvielu gadījumā. Vienšūnu proteīna ražošanai veiksmīgi izmanto dažādu nozaru blakusproduktus, kas radušies no cukura un spirta ražošanas (melase), pārtikas pārstrādes (sūkalas, pārtikas atkritumi), koksnes un papīra rūpniecības (sulfīta šķīdumi, lignocelulozes hidrolizāti), alus darīšanas (alus drabiņas), lauksaimniecības (salmi, stublāji, klijas), kā arī enerģētikas un ķīmiskās rūpniecības (glicerīns, metāns, metanols, etanols, oglekļa dioksīds). Tādējādi vienšūnu proteīna ražošana sekmē ilgtspējīgu resursu izmantošanu, nodrošina efektīvāku blakusproduktu pārstrādi un samazina spiedienu uz tradicionālajiem olbaltumvielu avotiem pārtikas un barības sektorā.

Vienšūnu proteīna ražošanas priekšnoteikumi radās līdz ar mikrobioloģijas attīstību un fermentācijas tehnoloģiju pielietojumu 19. gs. otrajā pusē. 1860. gadā Austrijā tika aprakstīta tā sauktā Vīnes metode (Vienna process) – pirmā efektīvā rūpnieciskā tehnoloģija maizes rauga ražošanai, kurā Saccharomyces cerevisiae kontrolētos apstākļos tika audzēts uz melases barotnes. Šīs metodes ieviešana iezīmēja pāreju no amatnieciskas rauga ieguves uz industriālu mērogu, kas kļuva par pamatu vēlākām vienšūnu proteīnu ražošanas tehnoloģijām. 1879. gadā Anglijā tika izstrādāta nepārtrauktas aerācijas tehnoloģija, kas ļāva efektīvi kultivēt mikroorganismus lielos tilpumos ar kontrolētu gaisa padevi. Savukārt 1900. gadā Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV) ieviesa centrifugēšanas tehnoloģiju, kas nodrošināja ātru un efektīvu šūnu masas atdalīšanu no šķidruma fāzes. Šie inženiertehniskie risinājumi būtiski paātrināja un vienkāršoja mikroorganismu biomasas ieguvi, nodrošinot priekšnoteikumus fermentācijām rūpnieciskos mērogos un vēlākai vienšūnu proteīnu tehnoloģiju attīstībai.

Vienšūnu proteīna ražošanas mēģinājumi rūpnieciskā mērogā sākās Pirmā pasaules kara laikā Vācijā, kad mērķis bija iegūt olbaltumvielu piedevu karavīru uzturam. Raugus Saccharomyces cerevisiae un Candida utilis audzēja uz cukura ražošanas atkritumiem un uz koksnes pārstrādes sulfīta šķīduma. 20. gs. 20. gados Rietumvācijā uzsāka pelējuma sēnes Aspergillus fumigatus kultivēšanu uz salmu un neorganiskā slāpekļa bāzes, izmantojot iegremdēto fermentāciju (šķidrā vidē). Šajos gados būtiski uzlabojās fermentācijas sistēmas – izstrādāts Waldhof tipa fermentators ar uzlabotu aerāciju un maisīšanu kontrolētos apstākļos ļāva audzēt blīvāku mikroorganismu biomasu.

20. gs. 60. gados Pārtikas un lauksaimniecības organizācijas ziņojums par globālu olbaltumvielu deficītu kļuva par nozīmīgu stimulu intensīvākiem pētījumiem par alternatīviem olbaltumvielu avotiem, tostarp par vienšūnu proteīniem. Viena no nozīmīgākajām inovācijām tajā laikā bija franču pētnieka Alfreda Šampanjā (Alfred Champagnat) veiksmīgi demonstrētā mikroorganismu audzēšana uz naftas blakusproduktiem. 1963. gadā kompānija British Petroleum Francijā palaida pilotražotni, kurā Candida spp. raugus audzēja uz naftas gāzeļļas frakciju bāzes. Tajā laikā tika plaši pielietoti termini “mikrobiālais proteīns” (microbial protein) un “petroproteīns” (petroprotein), kas raksturoja olbaltumvielu izcelsmi, bet 1968. gadā parādījās jauns un precīzāks termins “vienšūnu proteīns”. Ar laiku naftas produktu izmantošana vienšūnu proteīna ražošanā izraisīja bažas par iespējamu galaprodukta piesārņojumu ar toksiskām vielām, un pēc 1973. gada naftas krīzes šādi procesi kļuva ekonomiski neizdevīgi. Tas veicināja pāreju uz alternatīvām pieejām, kur substrātam izmantoja atjaunojamus resursus un rūpniecības blakusproduktus.

1975. gadā Somijā tika atvērta pasaulē pirmā pelējuma sēņu jeb mikoproteīna (mycoprotein) rūpnīca, kas spēja saražot līdz 10 000 tonnām produkta (Pekilo®) gadā, audzējot Paecilomyces variotii uz papīra rūpniecības atlikumiem. Tomēr 1991. gadā ražošana tika pārtraukta, jo papīra rūpniecībā vairs neradās piemēroti blakusprodukti un tirgū ienāca lētāka importa soja. 2020. gadā Somijas pētnieki atjaunoja interesi par šo tehnoloģiju, nodibinot uzņēmumu Enifer, kas atsāka Pekilo® mikoproteīna kā ilgtspējīga olbaltumvielu avota attīstību un komercializāciju. 20. gs. 70. gados Lielbritānijas korporācija Imperial Chemical Industries uzsāka projektu Pruteen® – žāvētas baktēriju masas komerciālu ražošanu no Methylophilus methylotrophus. Produkts saturēja apmēram 72 % olbaltumvielu un bija pirmais rūpnieciski ražotais vienšūnu proteīns lopbarībai. Tomēr, līdzīgi kā Pekilo® gadījumā, 20. gs. 80. gadu beigās Pruteen® ražošana tika pārtraukta augsto un nestabilo ražošanas izmaksu dēļ. Vēlāk sadarbībā ar uzņēmumu Rank Hovis McDougall tika dibināts kopuzņēmums Marlow Foods un 1985. gadā uzsākta Quorn® mikoproteīna ražošana. Ar Quorn® zīmolu uzņēmums līdz pat mūsdienām ražo olbaltumvielām bagātus veģetārus un vegānus pārtikas produktus no Fusarium venenatum sēnes. 21. gs. sākumā Norvēģijas kompānija Norferm sadarbībā ar DuPont un Norsk Hydro uzņēmumiem uzsāka pirmo rūpniecisko vienšūnu proteīna ražošanu no metanotrofu baktērijām, izmantojot dabasgāzes metānu kā substrātu. Produkts tika tirgots ar zīmolu BioProtein® un galvenokārt izmantots lašu barībā, taču 2006. gadā ražošana tika pārtraukta ekonomisku iemeslu dēļ.

Mūsdienās vienšūnu proteīna ražošanas attīstība koncentrējas uz tehnoloģiju dažādošanu un ciešu sasaisti ar globālām ilgtspējas prioritātēm. Īpaši pēdējās desmitgades laikā novērojams straujš uzņēmumu un pētniecības projektu skaita pieaugums Eiropā, ASV un Āzijā, kur vienšūnu proteīni tiek uzskatīti par stratēģisku risinājumu pārtikas un barības drošumam. Mūsdienu konkurētspējīgās tehnoloģijas balstās uz baktēriju audzēšanu dabasgāzes vai metāna saturošos substrātos, mikroaļģu audzēšanu oglekļa dioksīda un ūdeņraža klātbūtnē, kā arī pelējuma sēņu audzēšanu uz rūpniecības blakusproduktiem. Pašlaik galvenie pētniecības virzieni ir saistīti ar fermentācijas energoefektivitātes uzlabošanu, celmu uzlabošanu ar gēnu inženierijas metodēm, ražošanas integrāciju aprites ekonomikā un galaproduktu uzturvērtības un drošuma paaugstināšanu. Tādējādi vienšūnu proteīns no eksperimentāliem projektiem 20. gs. otrajā pusē ir kļuvis par nozīmīgu tehnoloģiju lauku, kas cieši saistīts ar Apvienoto Nāciju Organizācijas (United Nations) ilgtspējīgas attīstības mērķiem, īpaši pārtikas nodrošinājuma un klimata neitralitātes jomā.

Vienšūnu proteīni parasti tiek iedalīti pēc izmantotā mikroorganisma grupas: baktēriju, sēņu (raugi un pelējuma sēnes) un mikroaļģu (ieskaitot cianobaktērijas). Katrai grupai atšķiras fermentācijas parametri, biomasas sastāvs, iznākums un proteīna koncentrācija. Vienšūnu proteīnus var iedalīt arī pēc izmantošanas mērķa kā barības vai pārtikas kvalitātes proteīnus. Vienšūnu proteīns, kas paredzēts cilvēku pārtikai, tiek ražots no nekaitīgiem mikroorganismiem ar GRAS (generally recognized as safe) statusu un no pārtikas ražošanas blakusproduktiem (ciete, piena sūkalas, biešu melase, augļu izspaidas). Savukārt barības vienšūnu proteīnu ražo no dažādu rūpnīcu pārstrādes blakusproduktiem, kā arī no lauksaimniecības atkritumiem.

Mikroorganismu sugas vienšūnu proteīna ražošanai atlasa pēc vairākiem kritērijiem: straujas augšanas un augstas biomasas ražas, augsta olbaltumvielu satura un sabalansēta aminoskābju sastāva, nekaitīguma (nav patogēni vai toksīnu producenti) un spējas fermentēt dažādus ražošanas blakusproduktus un atkritumus.

Baktērijas raksturo ātra šūnu dalīšanās (reizi 20–120 minūtēs), spēja izmantot plašu substrātu klāstu (cieti un cukuru saturošus blakusproduktus, notekūdeņus, metānu, metanolu u. c.) un augsts olbaltumvielu saturs sausnā (60–80 %). Tipiskie vienšūnu proteīna producenti ir Methylophilus methylotrophus, Methylomonas methylotrophus, Cupriavidus necator, Methylococcus capsulatus, Cellulomonas spp., Bacillus subtilis.

Sēnes ir tradicionāli nozīmīgi vienšūnu proteīna producenti, kurus raksturo salīdzinoši augsts biomasas iznākums rūpnieciskajos fermentācijas procesos, olbaltumvielu saturs 40–55 % sausnā, sabalansēts aminoskābju sastāvs un bagātīgs B grupas vitamīnu un minerālvielu saturs. Raugu kultivēšanai izmanto dažādus pārtikas rūpniecības blakusproduktus, piemēram, melasi, eļļu, siera sūkalas, augļu un dārzeņu atliekas u. c. Tipiskie vienšūnu proteīna producenti ir Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Kluyveromyces marxianus, Yarrowia lipolytica. Pelējuma sēnes spēj augt uz cietes, lignocelulozes saturošiem substrātiem, etanola, pienskābes un polisaharīdiem un veidot šķiedrainu biomasu, kas piešķir produktiem gaļai līdzīgu tekstūru. Tipiskie vienšūnu proteīna producenti ir Fusarium venenatum, Paecilomyces variotii, Aspergillus oryzae, Aspergillus niger, Kluyveromyces fragilis, Trichoderma viride.

Mikroaļģes spēj izmantot CO₂ un saules gaismu kā galvenos barības resursus, tām ir augsts olbaltumvielu saturs sausnā (30–80 %), kā arī bagātīgs bioaktīvo savienojumu (vitamīnu, pigmentu, nepiesātināto taukskābju) sastāvs. Tipiskie vienšūnu proteīna producenti, kas tiek plaši izmantoti pārtikā un barībā, ir Chlorella vulgaris un cianobaktērijas Arthrospira platensis un Arthrospira maxima, komerciāli pazīstamas kā spirulīna (Spirulina). Līdztekus šīm sugām rūpnieciskos mērogos audzē arī Dunaliella salina, Haematococcus pluvialis, Nannochloropsis spp. un Tetraselmis suecica, kuru biomasa kalpo par olbaltumvielu un funkcionālo savienojumu avotu, īpaši akvakultūras barībā.

Vienšūnu proteīna ražošanas pamatā ir fermentācija, kur mikroorganismus kultivē fermentācijas substrātā, kas mikroorganismus nodrošina ar visām nepieciešamajām vielām (oglekļa un slāpekļa avotiem, mikroelementiem un makroelementiem). Substrāta izvēli nosaka ekonomiskie un tehnoloģiskie apsvērumi: tam jābūt lētam, pieejamam, drošam (bez smago metālu vai toksīnu piesārņojuma), jānodrošina augsta mikroorganismu biomasas raža.

Vienšūnu proteīna ražošanā izmanto tādus fermentācijas procesus kā iegremdēto fermentāciju (submerged fermentation), puscietās fāzes fermentāciju (semisolid-state fermentation) un cietās fāzes fermentāciju (solid-state fermentation). Retāk izdala arī gāzu fermentāciju (gas fermentation). Visizplatītākā ir iegremdētā fermentācija, kur mikroorganismi aug šķidrā substrātā ar augstu ūdens saturu. Šī metode nodrošina augstu biomasas ražu, ir viegli mērogojama, taču prasa lielus kapitālieguldījumus un rada daudz notekūdeņu. Cietās fāzes fermentācijā mikroorganismi aug uz mitriem un cietiem substrātiem, piemēram, salmiem vai klijām. Šī metode ir energoefektīva un ar zemām izmaksām, bet to ir grūti kontrolēt un piemērot rūpnieciskā mērogā. Starpposms starp abām metodēm ir puscietās fāzes fermentācija, kur substrātā ir vairāk ūdens nekā cietās fāzes gadījumā, tādējādi uzlabojas barības vielu difūzija un skābekļa padeve. Atsevišķos gadījumos izmanto gāzu fermentāciju, kur substrāts ir gāzveida, piemēram, CO₂, H₂, CO vai CH₄. Šo tehnoloģiju izmanto metilotrofās un acetogēnās baktērijas, kas spēj pārvērst rūpniecības emisijas vai dabasgāzi biomasā, kas ir bagāta ar olbaltumvielām. Šī pieeja ir īpaši perspektīva klimata neitralitātes un aprites ekonomikas kontekstā.

Mikroorganismu kultivēšanai vienšūnu proteīna ražošanā izmanto fermentatorus jeb bioreaktorus. To pamata uzbūvi veido nerūsējoša tērauda cilindrisks trauks ar maisītāju, aerācijas un gāzu padeves sistēmām, temperatūras un pH regulācijas ierīcēm, kā arī devējiem, kas nodrošina automātisku procesa monitoringu un kontroli. Bioreaktora galvenās funkcijas ir nodrošināt optimālu barības vielu piegādi, gāzu apmaiņu, vienmērīgu kultūru sajaukšanu, nepieļaut barotnes kontamināciju ar nevēlamiem mikroorganismiem. Atkarībā no fermentācijas tipa un izmantotā mikroorganisma tiek pielietoti dažādi bioreaktoru veidi. Bioreaktori ar mehāniskajiem maisītājiem (lāpstiņu vai turbīnas tipa) ir visizplatītākie iegremdētās fermentācijas procesos, jo tie nodrošina intensīvu barotnes sajaukšanu un efektīvu skābekļa masas pārnesi. Tie tiek izmantoti rūpnieciskā mērogā, piemēram, Fusarium venenatum audzēšanai Quorn® mikoproteīna ražošanā. Pneimatiski darbināmie airlift tipa bioreaktori nodrošina šķidruma cirkulāciju ar gāzes plūsmas palīdzību un rada mazāku hidrodinamisko slodzi uz šūnām nekā maisītāju bioreaktori. Šī tipa bioreaktori tiek izmantoti galvenokārt laboratorijas un pilotmēroga pētījumos, tostarp pelējuma sēņu kultivācijā, taču rūpnieciskā vienšūnu proteīna ražošanā līdz šim nav plaši pielietoti. Cietās fāzes fermentācijās biežāk izmanto rotējošās bungas tipa vai plauktu fermentatorus, kas nodrošina kontrolētus apstākļus uz cietiem substrātiem. Šāda pieeja pārsvarā tiek izmantota pilotmērogā (daži desmiti līdz daži simti litru) vai nelielās industriālās iekārtās, kur iespējams efektīvi pārstrādāt lokāli pieejamus substrātus.

Fermentācijas procesus iespējams īstenot dažādos režīmos. Partijas fermentācijā (batch fermentation) viss substrāts tiek ievadīts sākumā. Mikroorganismi aug līdz barības vielu izsīkšanai. Partijas ar piebarošanu (fed–batch fermentation) ļauj pakāpeniski pievienot substrātu, tādējādi kontrolējot augšanas ātrumu un palielinot biomasas ražu; šis režīms ir visbiežāk izmantotais rūpnieciskajās vienšūnu proteīnu ražotnēs. Nepārtrauktajā fermentācijā (continuous fermentation) barotne tiek pastāvīgi pievadīta un kultūras šķidrums izvadīts, uzturot mikroorganismus eksponenciālās augšanas fāzē un nodrošinot nemainīgu produktivitāti ilgstošā laikā, taču šī metode ir tehnoloģiski sarežģītāka un prasa augstu procesa stabilitāti.

Mikroaļģu kultivēšanai izmanto līdzīgas tehnoloģiskās pieejas kā iegremdētajā fermentācijā, taču tām nepieciešams nodrošināt efektīvu gaismas piekļuvi, CO₂ piegādi un, vēlams, arī ūdens recirkulāciju. Rūpnieciskajā mērogā tiek izmantoti gan atklātie dīķi, gan slēgtie fotobioreaktori. Atklātie dīķi ir lētāki un ļauj saražot lielus biomasas apjomus, īpaši tādām sugām kā Arthrospira platensis un Chlorella vulgaris. Tomēr tie ir grūtāk kontrolējami, ar zemāku produktivitāti un augstu piesārņojuma risku. Slēgtie fotobioreaktori, piemēram, cauruļveida vai plākšņu sistēmas, konstrukcijas ziņā ir līdzīgi iegremdētajiem bioreaktoriem, bet to sieniņas ir caurspīdīgas un nodrošina kultūras apgaismojumu. Šādās sistēmās ir iespējams precīzāk kontrolēt apgaismojumu, temperatūru un CO₂ piegādi, kā arī samazināt piesārņojuma risku, kas nodrošina augstāku biomasas ražu un stabilu kvalitāti.

Fermentācijas beigās, kad mikrobiāla biomasa ir saaudzēta, nepieciešams to novākt un apstrādāt. Vispirms mikroorganismu šūnas tiek atdalītas no kultūras šķidruma ar centrifugēšanu, filtrāciju vai flokulāciju. Pēc tam biomasa tiek inaktivēta, piemēram, termiski apstrādājot ar 70˚ C, kas nogalina dzīvās mikroorganismu šūnas un samazina nukleīnskābju saturu tajās. Nukleīnskābju noārdīšana ir svarīga, lai novērstu urīnskābes vielmaiņas traucējumus cilvēkiem un dzīvniekiem, kas lieto vienšūnu proteīnu uzturā. Nākamais solis ir biomasas mazgāšana un žāvēšana līdz stabilam mitruma līmenim (< 10 %), iegūstot pulverveida vai granulu produktu ar ilgu uzglabāšanas termiņu. Dažiem mikroorganismiem ar grūti noārdāmām šūnu sienām, piemēram, raugam vai sporu veidojošām baktērijām, nepieciešama mehāniska vai enzimātiska apstrāde, kas uzlabo aminoskābju un citu uzturvielu sagremojamību. Dzīvnieku barības vajadzībām vienšūnu proteīnu bieži izmanto minimāli apstrādātā veidā, kā olbaltumvielu piedevu esošajās barības receptūrās vai kā galveno sastāvdaļu, piemēram, zivju barības granulās ar lielu vienšūnu proteīnu īpatsvaru. Pārtikas kvalitātes vienšūnu proteīns prasa papildu apstrādi, lai samazinātu nevēlamo komponentu saturu un uzlabotu uzturvērtību un galaprodukta sensorās īpašības. Šādā veidā no biomasas var iegūt proteīna koncentrātus vai izolātus ar augstu olbaltumvielu saturu, kurus izmanto funkcionālos pārtikas produktos un gaļas aizstājēju ražošanā. 

ASV ir vairāki nozīmīgi uzņēmumi, kas ražo vienšūnu proteīnus barības un pārtikas sektoram. Calysta ražo produktu FeedKind®, kas balstīts uz Methylococcus capsulatus kultivēšanu uz dabasgāzes metāna un kas tiek izmantots lašiem, forelēm un garnelēm paredzētā barībā. NovoNutrients izmanto Cupriavidus necator un gāzu substrātus, lai ražotu olbaltumvielas ar augstu aminoskābju un taukskābju saturu zivju barībai NovoMeal®. Kompānijas Heliae Development, Cellana, Cyanotech Corporation un Earthrise Nutritionals specializējas mikroaļģu audzēšanā pārtikai un barībai. Liela nozīme ir arī Alltech uzņēmumam, kas ražo raugu un mikroaļģu vienšūnu proteīnus dzīvnieku barības bagātināšanai.

Eiropā vadošie uzņēmumi ir Unibio (Dānija), kas ražo metanotrofu baktēriju biomasu UniProtein® lopbarībai. Solar Foods (Solein®, Somija) un Deep Branch (Proton™, Lielbritānijas un Nīderlandes uzņēmums) ražo pārtikai un barībai paredzētus baktēriju vienšūnu proteīnus uz CO₂ un H₂ substrātu bāzes. Kompānijas, kas nodarbojas ar mikroaļģu biomasas ražošanu, kas ir bagāta ar olbaltumvielām, taukskābēm un antioksidantiem, ir Allmicroalgae (Portugāle), Corbion (Nīderlande), AlgaeCytes (Lielbritānija), Algalife (Islande) un AlgaEnergy (Spānija). Pārtikas mikoproteīnu ražo The Protein Brewery (Nīderlande) un Marlow Foods (Lielbritānija), savukārt Enifer (Somija) ražo dzīvnieku barību. Arbiom (Francija) ražo rauga produktus SylPro® un Yusto®, kas paredzēti gan barībai (zivīm, cūkām, mājdzīvniekiem), gan cilvēku uzturam.

Āzijā vienšūnu proteīnu industriju pārstāv mikroaļģu ražotāji. Algatech (Izraēla) audzē Haematococcus pluvialis astaksantīna un olbaltumvielu ražošanai, Sophie’s Bionutrients (Singapūra) ražo pārtikas olbaltumvielas, savukārt Spirulina Company (Indija) audzē baktēriju Arthrospira platensis, kas tiek izmantota uztura bagātinātājos un dzīvnieku barībā.