Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнологические основы хлебопекарного производства. Учебное пособие
.pdf
11
микроорганизмов для традиционных микробиологических процессов. Интенсивно развивается новое направление в биотехнологии – иммобилизация ферментов и клеток на специальных носителях, что обеспечивает многократное их использование.
Крупным международным событием стал конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», успешно прошедший в Москве в 2002 г. и приобретший статус постоянно действующего. Итоги I и II (2003 г.) Международных конгрессов по
проблемам биотехнологии показали явный прогресс в развитии
этой науки, которая все больше приобретает отраслевое значение.
1.3. Направления биотехнологии
В биотехнологической промышленности условно выделяют
четыре направления.
1) «Красная» биотехнология – производство биофармацев-
тических препаратов (протеинов, ферментов, антител для человека и др.).
2) «Зеленая» биотехнология – разработка и внедрение генетически модифицированных растений.
3) «Белая» биотехнология – производство биотоплива и
биоматериалов для различных отраслей промышленности.
4) Академические и правительственные исследования.
Микробиологический синтез – использование микроорганизмов, которые в процессе жизнедеятельности образуют необ ходимое вещество или продукт: антибиотики, ферменты, аминокислоты, органические кислоты, кормовые белки.
Технологии этих веществ хорошо отработаны в настоящее
время и экономически выгоды. Постоянно идет поиск новых
микроорганизмов, способных продуцировать различные соединения, например, ацетон. Также пытаются произвести топливо
вместо бензина. Одним из направлений является производство и
использование иммобилизованных ферментов (ферменты связывают с пористым гелем или фиксируют на поверхности твердой
подложки). Применяют в промышленном производстве полусинтетических пенициллинов, концентратов глюкозы из крахмала
зерновых культур и др.
12
Генная инженерия – совокупность приемов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выявление генов из организмов, осуществление манипуляций с ними введение
их в другие организмы. Рекомбинация – обмен генами между
двумя хромосомами. Рекомбинантными ДНК называют молекулы
ДНК, полученные вне живой клетки, в пробирке путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться (удваиваться в клетке). Этот
подход был разработан на бактериях, в частности на кишечной
палочке, в клетки которой вводили гены животных или человека.
Основная цель инженерии – получение специфических качеств у
измененного организма. Например, один из штаммов пенициллиума производил 60 мг/л пенициллина. После спонтанной мутации возник новых штамм с выходом пенициллина 150 мг/л.
После рентгеновского облучения был отобран мутант, дающий
300 мг/л. После нескольких циклов мутагенеза и селекции выведен высокопродуктивный штамм, который производит 7 г/л.
Клеточная инженерия – конструирование клеток нового
типа. Включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток; объединение целых клеток,
принадлежащих к разным видам (и даже относящихся к разным
царствам растений или животных) с образованием клетки, несущей генетический материал обеих клеток. Используется для решения теоретических проблем в биотехнологии, для создания
новых форм растений, обладающих, например, отдельными полезными свойствами и одновременно устойчивых к болезням.
Биогеотехнология (биотехнология металлов) – технология
извлечения металлов из руд горных пород и растворов с помощью микроорганизмов или продуктов их обмена при нормальном
давлении и температуре 5-80 °С. Бактериальное выщелачивание
металлов – это способность ряда ацидофильных бактерий, окисляющих железо и серу переводить нерастворимые металлы в растворимые. Используется для добычи меди, цинка, никеля из природных руд. В табл. 1 приведены основные направления применения биотехнологии в деятельности человека.
13
Таблица 1
Области применения биотехнологии
Область
применения
Сельское
хозяйство
Производство
химических веществ
Энергетика Увеличение потребления биогаза, крупномасштабное
Контроль
за состоянием
окружающей
среды
Пищевая
промышленность
Материаловедение Выщелачивание руд, дальнейшее изучение и контроль
Медицина Применение ферментов для усовершенствования ди-
Получение новых штаммов, новые методы селекции
растений и животных
Получение органических кислот, использование ферментов в составе моющих средств
производство этанола в качестве жидкого топлива
Улучшение методов тестирования и мониторинга,
прогнозирование превращений ксенобиотиков благодаря глубокому изучению биохимии микроорганизмов, усовершенствованию методов переработки отходов, особенно промышленных
Создание новых методов переработки и хранения пищевых продуктов, получение пищевых добавок (аминокислот), использование белка, синтезированного
одноклеточными микроорганизмами и ферментов при
переработке пищевого сырья
биоразложения
агностики, использование микроорганизмов и фер-
ментов при производстве сложных лекарств (стероидов) и т.д.
Примеры
Существует классификация направлений развития пищевой
биотехнологии по целевым продуктам.
1. Пищевой белок. Его можно получать с помощью микромицетов, водорослей и бактерий. Белки пивных дрожжей применяют в производстве продуктов детского питания. Снижение интереса к получению микробиологических белков в последние годы объясняется неприятием потребителей «микробиологической
пищи», данными о плохой усвояемости и аллергичности некоторых препаратов, а также ростом мирового производства генетически модифицированных растительных белков.
2. Продукты и препараты на основе чистых культур микроорганизмов для пищевых продуктов. С помощью методов, ука-
занных выше, создаются новые штаммы микроорганизмов, обладающих заданными свойствами (высокая кислотообразующая
способность, устойчивость к неблагоприятным факторам среды).
Например, выведен новый штамм Saccharo myces cerevisiae с вы-
14
соким выходом биомассы и повышенным содержанием трегалозы, повышающей устойчивость дрожжевых клеток при сушке.
3. Вещества, регулирующие вкус и аромат пищевых продуктов. Микробиологический способ их получения зачастую
оказывается более выгодным и производительным по сравнению
с химическим синтезом. Таким образом получают, например, ванилин из глюкозы с помощью генетически модифицированного
штамма Escherichia coli (кишечная палочка) и грибного фермента дегидрогеназы, причем аромат получаемого продукта в несколько раз интенсивнее.
Перспективным направлением является применение грибных культур микроорганизмов для получения ароматических веществ с ароматом сыра, грибов или рыбных продуктов. С помощью биотехнологических приемов получают вещества, имитирующие аромат земляники, малины, кокоса, миндаля. В последнее время большое внимание уделяют биологическому синтезу
ксилита, маннита и арабинозы.
К традиционным направлениям пищевой биотехнологии
относят получение различных органических кислот (лимонной,
молочной, уксусной, яблочной, янтарной), которые применяют в
качестве регуляторов кислотности.
Получение органических кислот с помощью микроорганизмов началось в 20-30 гг. ХХ в. Пищевые кислоты до этого выделяли в ограниченном количестве из естественных источников.
Лимонную кислоту – из сока лимонов, винную – из винного камня ( отхода винодельческого производства).
Современное производство органических кислот, существующее в большинстве развитых стран, основано на использовании в качестве продуцентов различных штаммов плесневых грибов, чаще всего рода Aspergillus. С помощью микроорганизмов
возможно получение более 50 различных органических кислот :
лимонной, уксусной, итаконовой, глюконовой (аэробной ферментацией), молочной и пропионовой (анаэробным способом). Все
органические кислоты являются промежуточными или конечными продуктами катаболизма углеводов.
4. Стабилизаторы консистенции пищевых продуктов. С
помощью биотехнологии получают, например, некоторые геле-
15
образователи, модифицированные глюканы. Так, например, гелеобразователь курдлан E424 вырабатывается из глюкозы непатогенными бактериями Alcaligenes faecalis.
5. Пищевые красители. Большинство их получают при по-
мощи химического синтеза, но некоторые натуральные пигменты
микроорганизмов могут быть выделены в качестве красителей
для пищевых продуктов. Так, например, получают натуральный
красный пищевой краситель, стойкость которого в несколько раз
выше, чем у химически полученного аналога. Как правило, такие
вещества безвредны для челов ека.
Например: из группы Моnаscus получают натуральный
красный пищевой краситель, стойкость которого в несколько раз
выше, чем у β-дециана. Красный пигмент из восточных Monascus
получают из риса и сои в качестве основного сырья по традиционной технологии и современной генной инженерии. Устойчив к
свету и теплу, адаптирован к широкому диапазону рH, хорошо
растворим в воде и спирте, не токсичен.
6. Вещества, способствующие продлению срока хранения
продукции. Методами биотехнологии и генной инженерии можно
получать ферменты, бактериальные пептиды и бактериоцины,
обладающие свойствами консервантов. Кроме того, получают
фермент хитиназу, разрушающий хитин в стенках клеток плесневых грибов, а также глюконазы, которые гидролизуют крахмал в
дрожжевых клетках и плесневых грибах.
7. Препараты микронутриентов. Микробиологическим
путем получен эргостерин, В12. Микроорганизмы используются
как селективный окислитель сорбита в сорбозу при получении
витамина С.
Эргостерин, провитамин D2, C28H44O, – природное соединение из группы стеринов. Обнаружен в дрожжах, плесневых и
других грибах. Источник – щелочные гидролизаты пекарских
дрожжей или мицелиальные отходы, остающиеся при производстве антибиотиков.
Витамин В
(цианокобаламин) – это единственный вита-
12
мин, синтезируемый почти исключительно микроорганизмами:
бактериями, актиномицетами и сине-зелёными водорослями.
16
Химик Роберт Бёрнс Вудворд в 1973 г. разработал схему
полного химического синтеза витамина B12, ставшую классикой
для химиков-синтетиков.
Из Sacch. сere visiae можно получить концентрат витамина
В. Кефирные грибки синтезируют практически всю группу витаминов группы В. Однако пока микроорганизмы не используются
для получения витаминов в промышленных масштабах.
Аминокислоты получают при помощи микроорганизмов в
доступной для усвоения L-форме. Много разработок посвящено
лизину, α-аланину и глютаминовой кислоте.
Существует несколько способов получения аминокислот.
При производстве аминокислот могут быть использованы отходы
мясоперерабатывающей промышленности (отходы обработки
животного сырья, кровь и т.д.), яичный белок, казеин молока,
клейковина пшеницы, соевый шрот и т.д. При переработке этого
сырья все аминокислоты переходят в гидролизат, и для выделения отдельных аминокислот необходима сложная многостадийная очистка. Кроме того, само сырье считается дефицитным и
дорогим, поэтому аминокислоты имеют высокую себестоимость.
Химический синтез аминокислот достаточно эффективен,
однако его недостатком является то, что в процессе синтеза образуется смесь из биологически активной L-формы и D-изомера
аминокислоты. D-форма является балластом, так как не усваивается животными и человеком, а некоторые D-формы аминокислот
обладают токсическими свойствами. Разделение изомеров – дорогая и трудоемкая процедура. Синтетически производится незаменимая аминокислота метионин.
В настоящее время большую часть аминокислот производят с помощью микробного синтеза, причем микроорганизмы
синтезируют только L-форму. Это значительно облегчает выделение и очистку аминокислот и позволяет получать препараты с
низкой себестоимостью. Микроорганизмы, образующие аминокислоты, не накапливают их в клетке, а постоянно выделяют в
питательную среду. Поэтому аминокислоты выделяют из фильтрата культуральной жидкости.
Глутаминовая кислота – первая аминокислота, полученная
микробным синтезом. Глутаминовая кислота относится к заме-
17
нимым кислотам, обладает приятными органолептическими
свойствами и находит самое широкое применение. Ее продуцентами являются бактерии, относящиеся к различным родам. В
промышленном производстве используют бактерии Corinebacte-
rium glutamicum, Brevibacterium flavum и др.
Условия сверхсинтеза глутамата натрия следующие. Когда
Corinebacterium glutamicum растет в среде с меньшей, чем оптимальная, концентрацей биотина (витамина Н), нарушается синтез
мембранных фосфолипидов, в результате чего глутамат натрия
проходит через мембрану и накапливается в культуральной жидкости. То же самое происходит при добавлении в питательную
среду пенициллина: этот антибиотик подавляет синтез клеточной
стенки и тем самым способствует выделению аминокислоты.
Лизин образуют многие микроорганизмы: бактерии, актиномицеты, сине-зеленые водоросли, некоторые виды микроскопических грибов. В нашей стране в качестве продуцентов лизина
используют бактерии родов Corinebacterium (C. glutamicum),
Micrococcus, Brevibacterium. Питательной средой является меласса или уксусная кислота.
Триптофан образуют микроорганизмы бактериального и
грибного происхождения: Aerobacter, Bacillus, Escherichia
(E. coli), Sacсharomyces (S. сerevisiae), Candida и др. Наиболее
активные продуценты L-триптофана – представители рода
Micrococcus, Candida utilis, Bacillus subtilis.
Основными потребителями аминокислот являются сельское
хозяйство и пищевая промышленность. Аминокислоты, чаще всего лизин, используют в качестве обогатителя кормов и пищевых
продуктов растительного происхождения для повышения их питательной ценности и для сбалансирования пищи по незаменимым аминокислотам. Использование 1 т лизина в комбикормовой
промышленности позволяет экономить 4 0-50 т фуражного зерна.
Некоторые аминокислоты используют в качестве приправ,
так как они обладают определенными вкусовыми свойствами и
могут сообщать продукту приятные аромат и вкус. Большое распространение имеет глутаминовая кислота и ее натриевая соль
(глутамат натрия), которая является эффективным усилителем
вкуса мясных и овощных блюд. Данную аминокислоту добавля-
18
ют во многие продукты при консервировании, замораживании и
длительном хранении. Растет спрос на глицин и аланин, которые
также применяют в качестве приправ.
Многие аминокислоты обладают оригинальным вкусом и
участвуют в образовании вкусовых особенностей пищевых продуктов. Например, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, кислые на вкус, в нейтральных растворах имеют очень приятный
оригинальный вкус, глицин обладает характерным вкусом «освежающей» сладости, которая по интенсивности близка к сахарозе.
Особый интерес представляет подсластитель аспартам, молекулу которого образуют 2 аминокислоты – фенилаланин и аспарагиновая кислота. Эти аминокислоты синтезируются микробиологическим путем, а аспартам из этих мономеров – с помощью ферментов. Сладость аспартама в 200 раз превышает сладость сахара.
Многие аминокислоты: лизин, аланин, пролин, валин и
другие могут снимать неприятные запахи и используются в качестве дезодорантов пищевых продуктов.
Для улучшения органолептических показателей мясных
продуктов, придания им специфического приятного вкуса и аромата используют цистин, лизин, гистидин. Цистеин и цистин с
глутаматом натрия создают имитацию запаха и вкуса мяса, что
используется при приготовлении приправ. Цистеин, кроме того,
используется для создания пористой структуры хлеба. Добавление к порошковому молоку гистидина и триптофана снимает неприятный «окисленный» привкус.
При температуре 100-120 °С и сильнощелочной реакции
некоторые аминокислоты взаимодействуют с сахарами и образуют пищевые красители, которые обладают антиокислительным
действием. Таким образом, самые различные аминокислоты находят широкое применение во многих отраслях пищевой промышленности, повышая питательную ценность пищевых продуктов, участвуя в улучшении их органолептических показателей и
повышая их стабильность при длительном хранении.
8. Получение липидов. Продуцируемые микроорганизмами
липиды накапливаются внутри клетки в виде запасных гранул.
Производство липидов с помощью микроорганизмов возможно
19
по двум направлениям: специализированное производство, основанное на направленном биосинтезе липидов микробной клеткой,
и получение отхода производства в виде микробного жира при
производстве кормовых дрожжей.
В производстве, где главным, целевым продуктом являются
микробные липиды, в качестве продуцентов используют дрожжи
родов Cryptococcus, Rhodotorula, Lypomyces, Candida. Среди этой
группы дрожжей наибольшей продуктивностью обладают следующие виды: Cryptococcus terricolus, Rhodotorula gracilis,
R. glutinis, Lypomyces starkeyi, L. lipoferus и др. Микроорганизмы
выращиваются при минимальном азотистом питании. В этом
случае они накапливают значительные количества (от 35 до 55 %
от сухой массы клетки) липидов, состав которых зависит от используемого источника углерода. В липидную фракцию входят
фосфолипиды, стерины, свободные жирные кислоты, моно-, ди- и
триглицериды, стериновые эфиры и воски. Липиды извлекают
экстракцией, а оставшуюся биомассу используют как белковую
добавку в корма животных, однако содержание белка в ней в 1,52,0 раза меньше, чем в обычных кормовых дрожжах.
Источником получения липидов может быть биомасса
дрожжей (в основном рода Candida), накапливаемая при произ-
водстве белковых веществ, но содержащая повышенное количество жиров, которые извлекают экстракцией растворителями.
9. Препараты пробиотиков, пребиотиков, синбиотиков.
Пробиотик – функциональный пищевой ингредиент в виде по-
лезных для человека непатогенных и нетоксикогенных живых
микроорганизмов, обеспечивающий при систематическом употреблении в пищу в виде препаратов или в составе пищевых продуктов благоприятное воздействие на организм человека в результате нормализации состава и/или повышения биологической
активности нормальной микрофлоры кишечника (Lactobacillus и
Вifidobacterium).
Пребиотик – функциональный пищевой ингредиент в виде
вещества или комплекса веществ, обеспечивающий при систематическом употреблении в пищу человеком в составе пищевых
продуктов благоприятное воздействие на организм человека в
результате избирательной стимуляции роста и/или повышения
20
биологической активности нормальной микрофлоры кишечника
(ди- и трисахариды; олиго- и полисахариды; многоатомные спирты; аминокислоты и пептиды; ферменты; органические низкомолекулярные и ненасыщенные высшие жирные кислоты; антиоксиданты; полезные для человека растительные и микробные экстракты и другие).
Синбиотик – функциональный пищевой ингредиент, представляющий собой комбинацию пробиотиков и пребиотиков,
в которой пробиотики и пребиотики оказывают взаимно усиливающее воздействие на физиологические функции и процессы
обмена веществ в организме челов ека.
10. Ферментные препараты, иммобилизированные
ферменты и клетки. Их получают только биотехнологическими
методами. Этому направлению биоконверсии растительного сырья уделяется самое большое внимание (липазы, глюкоамилазы,
глюкооксидазы, β- фруктозы, полигалактоуроназы и инвертазы).
Протеолитические ферменты продуцируются грибами рода
Aspergillus, Penicillium, бактериями рода Bacillus, дрожжами рода
Saccharomyces . Эти ферменты используют при переработке жи-
вотного сырья в мясной, молочной и рыбной промышленности
как размягчители мяса, ускорители созревания мяса и рыбы. При
проведении слабого протеолиза с использованием набора специфических ферментов происходит незначительное изменение
структуры мяса, но оно становится качественно лучше, значительно мягче. Особенно важным является действие ферментов на
белки соединительной ткани. В этом случае оказывается возможным значительно полнее использовать все части туши.
В пивоваренном производстве протеолитические ферменты
применяют для устранения белковых помутнений, а в хлебопечении – для сокращения времени замеса теста из пшеничной муки с
высоким содержанием клейковины. Протеолитические ферменты
используют как добавки к моющим средствам, что дает высокий
эффект при устранении белковых загрязнений.
Амилолитические ферменты продуцируют грибы рода As-
pergillus, Penicillium, Mucor и бактерии рода Bacillus. Самыми
большими потребителями являются спиртовая и пивоваренная
промышленности. Амилазы микробного происхождения добав-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]