Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнология пищевых продуктов. Учебное пособие
.pdf
чально присущих характеристик токсичности и аллергенности пищевых продуктов могут произойти при нарушении в экспрессии генов
независимо от того, вызваны они традиционными методами селекции
растений или же методами генетической модификации.
Изменения состава пищевых продуктов могут быть вызваны:
• введением генов и их продуктов;
• косвенным или непреднамеренным влиянием экспрессии генов;
• непреднамеренными мутациями, произошедшими в результате
введения гена.
Введение в пищевые продукты нового генетического материала
само по себе не представляет опасности, так как все гены состоят из
одних и тех же структурных элементов ДНК. Генетическая модификация может изменить их порядок, но не химическую структуру. Генетическая модификация не увеличивает общего потребления генетического материала с пищей. Мы ежедневно съедаем несколько
граммов интактных генов из разнообразных сырых растений (например, в салатах), микроорганизмов (в «живых» йогуртах, некоторых
сырах и необработанных пищевых продуктах и напитках) и продуктов животного происхождения, не прошедших полную кулинарную
обработку. Во всех таких продуктах точно так же содержится рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК и РНК, не расщепленные в процессе технологической обработки пищевых продуктов, в значительной
степени расщепляются по завершении пищеварения, и нет никаких
данных о том, что генетическая модификация изменяет их устойчивость или переваримость. Для выявления потенциальной токсичности, аллергенности или измененной пищевой ценности продукта
нужно рассматривать не введенную ДНК как таковую, а белковые
продукты, кодируемые введенными генами. Поскольку при генетической модификации переносимый участок ДНК ограничен размерами,
обеспечивающими придание продукту желаемого свойства, то это позволит избежать введения ДНК с неизвестной функцией. В этом состоит отличие методов генетической модификации от методов традиционной селекции, при которой участки ДНК с неопределенными
121
свойствами, более крупные, чем при генетической модификации, переносятся от вида к виду и от рода к роду.
Любой метод, используемый для управления конкретным изменением в организации генетического материала организма, может
привести и к другим, незапланированным изменениям. Многие введенные гены кодируют синтез ферментов, которые выступают катализаторами биохимических реакций с целью увеличения количества
определенного продукта той или иной реакции. Однако если при этом
будет изменено прохождение путей обмена, это также может вызвать
непредсказуемое увеличение или уменьшение количества других
продуктов реакции. Это явление, называемое плейотропией, представляет практический интерес в тех случаях, когда оно может повлиять на безопасность или пищевую ценность продукта питания.
Механизмы, посредством которых регулируются биохимические пути обмена у растений и микроорганизмов, изучены не полностью,
между обычными сортами и даже между генеалогическими линиями
одних и тех же видов существуют огромные различия. В том случае,
когда ген переносится с помощью генетической модификации, биохимия этих продуктов более понятна, чем в случае большинства генов в программах традиционной селекции. Поскольку белок (или
белки), синтез которого кодируется введенной ДНК, известен, установить количественные характеристики изменений, которые происходят в результате введения известной последовательности ДНК,
легче, даже если нет возможности с полной определенностью обнаружить все изменения.
Неконтролируемое введение гена может инактивировать или изменить экспрессию уже имеющихся генов или активировать другие,
в нормальном состоянии «молчащие» гены. Например, «дикие» родственники многих культурных растений содержат токсичные вещества, массовая доля которых в съедобных частях растений была уменьшена на ранних этапах окультуривания данного растения, возможно,
посредством выключения генов, кодирующих токсины в этих частях
растений.
122
Поскольку механизмы, посредством которых происходит выключение генов, как правило, неизвестны, существует вероятность того,
что такие гены могут быть реактивированы либо при селекции растений обычными методами, либо с помощью генетической модификации. Таким образом, потенциальная опасность в результате неконтролируемого ведения или реаранжировки генов одинакова как при
генетической модификации, так и при традиционной селекции.
Многие международные организации, такие как ФАО (Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН) и ВОЗ
(Всемирная организация здравоохранения), пришли к выводу, что потенциально опасные факторы, связанные с технологией генетической
модификации, ничем не отличаются от опасных факторов, связанных
с методами, широко используемыми при традиционной селекции,
при условии детального изучения характеристик продукта генетической модификации на уровне молекулярной биологии.
Степень безопасности пищевого продукта, полученного из генетически модифицированного организма, определяется на основании
результатов сравнения данного продукта с наиболее сходным с ним
продуктом, безопасность использования которого доказана временем.
Такой подход получил название концепции существенной эквива-
лентности, которая является исходной точкой при оценке безопасности генетически модифицированного продукта. Эта концепция разработана совместно несколькими независимыми международными организациями, а также специально созданными группами экспертов.
Существенная эквивалентность или ее отсутствие устанавливаются для того, чтобы определить, по каким методикам необходимо
проводить оценку безопасности продукта. Такой подход подразумевает, что целью оценки не может быть установление абсолютной
безопасности. Важным является вывод, что если пищевой продукт,
полученный методом генетической модификации, является существенно эквивалентным, то он так же безопасен, как и соответствующий ему обычный пищевой продукт.
123
Чтобы установить, является ли новый вид пищевых продуктов существенно эквивалентным, необходимо провести подробное сравнение
этого пищевого продукта с его обычным аналогом, т. е. с наиболее
сходным существующим пищевым продуктом или ингредиентом. Для
этого, кроме общих характеристик, необходима информация о генетическом фоне организма, источнике переносимого гена (генов) и функции гена (генов), подвергшегося модификации. Например, для растений, культивируемых с целью получения белка или муки, основным
требованием будет определение аминокислотного состава белков, а для
масличных культур – идентификация жирных кислот. Поскольку
в масличном рапсе известными токсикантами являются некоторые
глюкозинолаты, минимальным требованием при определении существенной эквивалентности является сравнение четырех основных алкилглюкозинолатов, в то время как в сое необходимо определить содержание восьми других антипитательных веществ.
Кроме того, необходимо также учитывать способы технологической обработки, которым подвергали пищевой продукт, его роль
в рационе питания, а также те продукты, которые предполагается заменить, и вероятные уровни их потребления [16].
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите растения, которые называют трансгенными.
2. Приведите примеры зарегистрированных в РФ продуктов из генетически
модифицированной сои.
3. Перечислите учреждения, осуществляющие надзор за генетически модифи-
цированными продуктами питания.
4. Перечислите направления создания трансгенных растений.
5. Кратко охарактеризуйте распространенные методы внедрения чужеродных
ДНК в геном растений.
6. Укажите, в чем существенные отличия трансгенных продуктов питания
от натуральных.
7. Дайте характеристику лектинам.
8. Дайте характеристику пищевой аллергии. Какие типы иммунных реакций
вы знаете?
124
9. Назовите, чем могут быть вызваны изменения состава пищевых продуктов.
10. Определите, к чему могут привести неконтролируемое введение гена в рас-
тительную клетку.
11. Укажите, каким образом определяется степень безопасности пищевых про-
дуктов, полученных из ГМО.
Глава 9. БЕЛКОВЫЕ ПРОДУКТЫ
9.1. ТРАДИЦИОННЫЕ БЕЛКОВЫЕ ПРОДУКТЫ,
ПОЛУЧАЕМЫЕ ПУТЁМ ФЕРМЕНТАЦИИ
Микроорганизмы начали использовать в производстве белковых
продуктов задолго до возникновения микробиологии. Достаточно
упомянуть всевозможные разновидности сыра, а также продукты, получаемые путем ферментации соевых бобов. И в первом, и во втором
случае питательной основой является белок. При выработке их при
участии микробов происходит глубокое изменение свойств белоксодержащего сырья. В результате получают пищевые продукты, которые можно дольше хранить (сыр) или удобнее потреблять (соевый
творог). Микробы играют роль и в производстве некоторых мясных
продуктов, предназначенных для хранения. Так, при изготовлении
некоторых сортов колбасы (bologna, salami) используется кислотное
брожение, обычно при участии комплекса молочнокислых бактерий.
Образовавшаяся кислота способствует сохранности продукта и вносит вклад в формирование его особого вкуса. Кислотообразующие
бактерии используют и при засоле мяса – еще одном способе консервации. Ряд блюд восточной кухни получают путем ферментации рыбы: для этого применяют плесневые грибы и дрожжи.
Этим, пожалуй, и ограничивается использование микроорганизмов в переработке белков. Возможности современной биотехнологии
в этих производствах невелики, за исключением сыроделия. Другое
дело – выращивание и сбор микробной массы, перерабатываемой
в пищевые продукты: здесь биотехнология может проявить себя
во всей полноте [16].
125
9.2. БЕЛОК ОДНОКЛЕТОЧНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
По многим важным показателям биомасса микроорганизмов может обладать весьма высокой питательной ценностью. В немалой
степени эта ценность определяется белками: у большинства видов
они составляют значительную долю сухой массы клеток. На протяжении десятилетий активно обсуждаются и исследуются перспективы
увеличения доли белка микроорганизмов в общем балансе производимого во всем мире белка. Такое увеличение возможно как в косвенной форме, путем введения белковых добавок в корм животным
(что уменьшает потребность в таких продуктах, как соевая и рыбная
мука), так и в прямой, путем получения продуктов питания. Рассмотрим те случаи, когда биомасса микроорганизмов непосредственно
используется в пищу.
Чтобы отличать такой тип продуктов от белков высших многоклеточных животных и растений, для микробного белка придумано
специальное название – белок одноклеточных организмов (БОО).
Производство его связано с крупномасштабным выращиванием определенных микроорганизмов, которые собирают и перерабатывают
в пищевые продукты. В основе лежит технология ферментации –
ветвь бродильной промышленности и производства антибиотиков.
Чтобы осуществить возможно более полное превращение субстрата
в биомассу микробов, требуется многосторонний подход. Выращивание микроорганизмов в пищевых целях представляет интерес по двум
причинам. Во-первых, они растут гораздо быстрее, чем растения или
животные: время удвоения их численности измеряется часами. Это
сокращает сроки, нужные для производства определенного количества пищи. Во-вторых, в зависимости от выращиваемых микроорганизмов в качестве субстратов могут использовать разнообразные виды
сырья. Что касается субстратов, то здесь можно идти по двум главным направлениям: перерабатывать низкокачественные бросовые
продукты или ориентироваться на легкодоступные углеводы и получать за их счет микробную биомассу, содержащую высококачествен-
126
ный белок. И в том и в другом случаях технология ферментации играет ключевую роль. Важно подобрать оптимальный состав среды,
создать определенные условия для роста, разработать конструкции
ферментеров, правила их эксплуатации и системы контроля, выработать методы отделения биомассы от культуральной среды. Промышленное производство белка одноклеточных организмов всегда осуществляют методом глубинного культивирования в жидких средах;
применяют как одноэтапное, так и непрерывное культивирование.
Непрерывное культивирование сложнее, чем одноэтапное, но более
экономично: производительность ферментеров выше. Именно этот
метод был избран для промышленного производства БОО.
9.2.1. Непрерывное культивирование
Метод непрерывного культивирования основан на поддержании
в системе динамического равновесия. Для перемешиваемой глубинной культуры постоянного объема это означает постоянство скорости
роста микроорганизмов, которое обеспечивается путем равномерного
ее разбавления свежей питательной средой (при сохранении объема).
Среды, используемые при непрерывном культивировании, всегда составляют таким образом, чтобы один из субстратов (обычно это источник углерода) лимитировал рост, поэтому его содержание в культуральной жидкости минимально. Такой способ широко применяется
в экспериментах по физиологии микроорганизмов. Даже в микробиологических лабораториях, где работа с чистыми культурами в асептических условиях – обычное дело, опыты по непрерывному культивированию требуют особого внимания. Специальное устройство аппаратуры, строгое соблюдение правил работы – все направлено на то,
чтобы избежать загрязнения посторонней микрофлорой. Важность
асептики при непрерывном культивировании становится особенно
ясной, если учесть, что метод этот представляет интерес как для лабораторий, так и для промышленности только в том случае, если стационарное состояние культуры удается поддерживать в течение нескольких дней, недель или даже месяцев. Все это время культуру на-
127
до перемешивать, подавать непрерывно стерильную питательную
среду и воздух и часть ее постоянно удалять. Температуру поддерживать постоянной; обычно регулируют и рН среды. Нужно периодически отбирать пробы для контроля постоянства условий и чистоты
культуры. При промышленном производстве условия асептики могут
быть соблюдены только в специальных сложных установках. В их
конструкции должна быть учтена необходимость стерилизации перед
началом каждого производственного цикла. Это касается также работы любого датчика или пробоотборника, встроенного в ферментер
для непрерывного наблюдения и контроля всех параметров культуры.
9.2.2. Меры безопасности при производстве белка
одноклеточных организмов
Микроорганизмы, традиционно используемые в пищевой промышленности, часто входят в состав конечного продукта (хотя доля
их там обычно невелика). Как показывает опыт, безопасность этих
продуктов не вызывает сомнений. Особенность белка одноклеточных
организмов заключается в том, что этот продукт, во-первых, практически целиком состоит из микробной биомассы и, во-вторых, в его
производстве нередко принимают участие микробы, опыт использования которых мал и которые ранее в пище отсутствовали. Понятно,
что государственные учреждения, контролирующие качество пищевых продуктов, требуют, чтобы выходу на рынок БОО предшествовали испытания на безопасность нового продукта. Такие испытания
всегда дорогостоящи, и это сдерживает развитие производства,
в частности производства продуктов на основе БОО, особенно предназначенных в пищу. По этой причине крен в развитии производства
БОО был сделан в сторону выработки кормов для животных, а
не белков, непосредственно идущих в пищу. Правила оценки безвредности и способы тестирования продуктов, идущих на приготовление кормов, менее жесткие, а роль эстетического фактора не столь
значительна. По этой причине для производства таких белков можно
использовать более широкий круг субстратов, в том числе и органи-
128
ческие вещества отходов. К числу БОО-продуктов, производимых
Параметры
Маломасштабные
Крупномасштабные
Объем установки
100–1000 л
10000 л
Стоимость продукции
Высокая
Низкая
Тип продукции
Для медицины,
фармацевтической
промышленности,
высокоспециализированная
Предметы потребления,
малоспециализированная
Основные направления
биотехнологических
исследований и разработок
Генетические манипуляции
Технология
ферментации,
инженерия процессов
Стоимость научных
исследований и развития
Повышенная
Пониженная
промышленностью на корм животным, относятся биомасса бактерий,
выращенных на метаноле, дрожжи, выращенные на n-алканах, и
грибная масса. При ее производстве в качестве субстрата используется раствор, получаемый при сульфитной варке целлюлозы (сульфитный щелок), отход бумажной промышленности. Все эти БОО выпускаются в виде слабо окрашенных порошков.
БОО-продукты, предназначенные в пищу, немногочисленны. Из их
числа давно применяют дрожжевой экстракт (гидролизат пекарских
дрожжей). Вообще говоря, это не белковая пища, так как используется
он в небольшом количестве как вкусовая и витаминная приправа. Кроме того, это скорее побочный продукт бродильной промышленности, а
не главный продукт процесса производства БОО. Во время второй мировой войны в пищевых целях в Германии выращивали дрожжи
Сапdida, но это производство не получило дальнейшего развития. От-
носительно недавно стали выпускать на основе бактерий, растущих на
метаноле, продукт, содержащий 90 % белка. Он представляет собой одно из веществ, получаемых при фракционировании клеток выращенных
бактерий. Сообщалось, что этот белок обладает нужными функциональными свойствами и его можно использовать в пищу. Процесс позволяет получать ряд продуктов лишь на основе значительных вложений и поэтому относится скорее к группе маломасштабных биотехнологий по градации, используемой в табл. 9.1.
Таблица 9.1
Типы биотехнологических установок
129
Единственный новый официально разрешенный вид белковой
пищи микробного происхождения – это микопротеин, производство
которого налажено в Англии [16].
9.3. ГРИБНОЙ БЕЛОК (МИКОПРОТЕИН)
Микопротеин – это пищевой продукт, состоящий в основном
из мицелия гриба. При его производстве использует штамм Fusarium
graminearum, выделенный из почвы. И процесс, и продукт – это ре-
зультат осуществления программы по их интенсивному развитию,
изучению и испытанию. Микопротеин производят сегодня на опытной установке методом непрерывного выращивания. В качестве субстрата используются глюкоза и другие питательные вещества, а источниками азота служат аммиак и аммонийные соли. Общая схема
функционирования установки приведена на рис. 9.1. После завершения стадии ферментации культуру подвергают термообработке
для уменьшения содержания рибонуклеиновой кислоты, а затем отделяют мицелий методом вакуумного фильтрования.
Если сопоставить производство микопротеина с процессом синтеза белков животных, то выявится ряд его преимуществ. Помимо того что здесь выше скорость роста (это характерно для производства
всех БОО-продуктов), превращение субстрата в белок происходит несравненно эффективнее, чем при усвоении пищи домашними животными. Это отражено в табл. 9.2.
Нелишне напомнить, что корма для животных должны содержать
некоторое количество белка, до 15–20 % в зависимости от вида животных и способа их содержания. Положительным фактором является и
волокнистое строение выращенной культуры; текстура массы мицелия
близка к таковой у естественных продуктов, поэтому у продукта может
быть имитирована текстура мяса, а за счет добавок – его вкус и цвет.
Плотность продукта зависит от длины гиф выращенного гриба, которая
определяется скоростью роста. Для хранения его обычно замораживают, но иногда и высушивают до порошка путем распыления.
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]