Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнология пищевых продуктов. Учебное пособие
.pdf
щей отрасли, относят Phaffia rhodozyma, которые размножаются
почкованием и синтезируют каротиноид – астаксантин, придающий
мякоти выращенных в искусственных условиях форели и лосося характерный оранжевый или розовый цвет.
Культивирование микроскопических грибов на твёрдых питательных средах сопровождается многочисленными биохимическими превращениями, которые происходят перед брожением. Их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве рисовой водки,
а также гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении традиционных азиатских блюд, таких как мисо, темпе и др. Дрожжи способны
в процессе метаболизма вырабатывать ферменты, которые используются в пищевой промышленности (пектиназы, протеазы, целлюлазы, амилазы), пищевые кислоты (лимонную, молочную, уксусную) и другие
вещества. Микроскопические грибы рода Penicillium применяют
в производстве сыров (например, Камамбера и Рокфора).
Из бактерий в основном используются эубактерии. Род Bacillus от-
носится к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры и имеют жгутики. B. subtilis – строгий аэроб,
а B. thuringiensis может существовать в анаэробных условиях. Наиболее
яркими представителями грамотрицательных бактерий, относящихся к
уксуснокислым бактериям рода Gluconobacter и Acetobacter, являются
те, которые в процессе культивирования синтезируют уксусную кислоту, а затем окисляют ее до углекислого газ и воды.
Анаэробные спорообразующие бактерии представлены родом
Clostridium. Вид C. acetobutylicum осуществляет ацетонобутаноловое брожение. Другие представители рода Clostridium могут сбраживать различные азотсодержащие соединения, крахмал и пектин.
К молочнокислым бактериям относятся представители родов
Leuconostoc, Lactobacillus и Strеptococcus. Они грамположительны,
не чувствительны к кислороду и не образуют спор. Превращают углеводы в молочную кислоту, а этанол и углекислый газ в гетероферментативные молочнокислые бактерии рода Leuconostoc. Гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Strеptococcus продуци-
11
руют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов [2, 7].
1.4. ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ
ИСТОЧНИКИ ПИЩИ
Возможности генетической инженерии позволяют создавать ге-
нетически модифицированные источники пищи (ГМИ).
Трансгенными пищевыми продуктами называют продукты пе-
реработки растений, животных, микроорганизмов, полученные с помощью методов генной инженерии.
В качестве сырья для производства пищевых продуктов могут
выступать генетически модифицированные источники растительного
и животного происхождения, которые придают сельскохозяйственным растениям новые полезные свойства: повышают пищевую ценность, устойчивость растений к вредителям, патогенным воздействиям, неблагоприятным погодным условиям и т. д. Применение методики р-ДНК и ее использование в растениеводстве позволяют преодолеть барьеры, препятствующие межвидовому скрещиванию и тем
самым увеличить генетическое разнообразие в селекции растений.
В 1994 г. первые ГМИ пищи, устойчивые при хранении, появились в США – это был томат сорта Flavr Savr. Испытание его проводили в течение 10 лет. С тех пор ГМИ, разрешенных для использования в США, Канаде, Японии, Австралии и странах Евросоюза, стало
значительно больше: это соя, кукуруза, картофель, тыква, сахарная
свекла, папайя.
В 1999 г. в России была зарегистрирована первая генетически
модифицированная соя линии 40-3-2. На настоящий момент созданы и
разрешены для использования в питании человека огромное количество
ГМИ, число которых с каждым днём продолжает увеличиваться.
В результате трансгенной модификации растения становятся устойчивыми к гербицидам, инсектицидам, вирусам, приобретают но-
12
вые потребительские свойства. При этом уменьшается количество
применяемых пестицидов, снижается их остаточное содержание
в продукции, сокращается время технологических операций при пе-
реработке, уменьшаются потери, повышается качество продукции,
экономятся средства и материальные ресурсы.
В настоящее время в США производится более 600 наименований
ГМИ. Наиболее распространенной является соя, картофель и мясо птицы, которая используется при производстве более 3000 пищевых продуктов: супов, детских каш, картофельных чипсов, маргаринов, салатных соусов, рыбных консервов и др. Из генетически модифицированного хлопка, рапса изготавливают масло, из ГМИ-картофеля – картофель фри, из томатов медленного созревания – кетчупы, из сои и горчицы – соусы и т. д.
Трансгенные продукты, не имеющие отличий в составе и свойствах
от традиционных продуктов-аналогов и не содержащие ДНК и белок,
разрешено использовать без проведения исследований их безопасности
как ГМИ-источников. Их относят к первому классу безопасности
и считают безвредными для здоровья потребителей. К таким продуктам
относят: ароматические и пищевые добавки, модифицированный
крахмал, рафинированные масла, сиропы глюкозы, декстрозы и др.
В условиях дефицита сырьевой базы большое значение приобретают новые технологии получения трансгенных сельскохозяйственных животных и птицы. Технологии генной инженерии направлены
на улучшение показателей продуктивности животных, оптимизацию
отдельных частей и тканей их туши, что оказывает положительное
влияние на качество и физико-химические показателей мяса, его
промышленную пригодность для переработки.
Возможности генной инженерии позволяют менять структуру и
цвет мышечной ткани, ее рН, жесткость, влагоудерживающую способность, степень и характер жирности (мраморность), а также консистенцию, вкусовые и ароматические свойства мяса после технологической переработки. Кроме того, с помощью генной инженерии
13
можно повысить приспосабливаемость животных и птицы к вредным
факторам окружающей среды, получить устойчивость к заболеваниям, направленно изменять наследственные признаки.
В области генной инженерии микроорганизмов большая часть
исследований направлена на отбор продуцентов ферментов, витаминов, антибиотиков, органических кислот и других полезных веществ.
Известны полученные с помощью генетически измененных бак-
терий ферменты, которые применяют при выпечке хлеба (мука при
этом осветляется, а хлеб становится более пышным). В Германии получены трансгенные пектиназы для производства соков, причем показано, что в готовых соках и винах эти пектиназы отсутствуют.
Во многих странах, например, странах ЕС, Австралии, Новой Зе-
ландии и других, регистрация продуктов, полученных с помощью таких «нетрадиционных» ферментов, является обязательной [2].
1.5. СЪЕДОБНЫЕ ВОДОРОСЛИ
С давних пор употребляют в пищу морские и океанские водоросли,
которыми богато тихоокеанское побережье островных государств. Они
отличаются высокой пищевой ценностью, а также макро- и микроэлементами. Например, жители Гавайских островов из более 100 видов водорослей, обитающих в местной океанской акватории, используют
в питании около 60 видов, а в Китае также высоко ценят сине-зеленые
водоросли Nostoc pruniforme, по внешнему виду напоминающие сливу и по вкусовым качествам причисленные к китайским лакомствам.
В кулинарных книгах Японии встречается более 300 рецептур блюд,
в состав которых входят водоросли. На Дальнем Востоке искусственно
выращивают съедобные водоросли для нужд пищевой промышленности и общественного питания. Для их культивирования специально
создаются бассейны с условиями, приближенными к природным. Выращивание аквакультур представляется одним из перспективных направлений развития пищевой биотехнологии. Одним из наиболее популярных видов водорослей, выращиваемых в искусственных условиях,
14
является ламинария, богатая дефицитным микроэлементом йодом.
Водоросли также используют в качестве сырья для промышленности,
в частности в биоэнергетике для создания биотоплив.
Не менее перспективными в плане культивирования являются
представители сине-зеленых водорослей – спирулина (Spirulina
platensis и Spirulina maxima), родиной является оз. Чад в центральной Африке и оз. Тескоко в Мексике. Для жителей этих районов спирулина является одним из основных продуктов питания, так как содержит много белка, витамины А, С, D и витаминов группы В. Биомасса спирулины приравнивается к лучшим стандартам пищевого
белка, установленным ФАО (продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН). Ее успешно выращивают в открытых
прудах или в замкнутых системах из полиэтиленовых труб, получая
высокие урожаи (примерно 20 г биомассы в пересчете на сухое вещество с 1 м3 в сутки) [7].
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Расскажите об основных направлениях развития пищевой биотехнологии.
2. Назовите биотехнологическую продукцию, используемую в пищевой про-
мышленности.
3. Расскажите о применении пищевых добавок и ингредиентов, полученных
биотехнологическим путем.
4. Назовите микроорганизмы, которые широко используют в пищевой про-
мышленности.
5. Дайте определение трансгенным продуктам.
6. Укажите, с какой целью создают генетические модифицированные растения.
7. Назовите, какие генетические модифицированные продукты растительного
происхождения разрешены к использованию в нашей стране и за рубежом.
8. Расскажите, какие трансгенные продукты считают безвредными для здоро-
вья потребителей.
9. Перечислите преимущества использования трансгенных сельскохозяйст-
венных животных и птицы.
10. Скажите, почему водоросли получили широкое применение в питании жи-
телей некоторых государств.
15
Глава 2. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО
ВЕЩЕСТВ И СОЕДИНЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ
В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Продуктами микробного брожения и метаболизма являются
первичные и вторичные метаболиты, ферменты и сама клеточная
биомасса. Рассмотрим более подробно получение полезных
для человека веществ с помощью биотехнологии.
2.1. ПОЛУЧЕНИЕ ПИЩЕВЫХ КИСЛОТ
С ПОМОЩЬЮ МИКРООРГАНИЗМОВ
Получение органических кислот с помощью микроорганизмов
началось в начале ХХ в. К пищевым органическим кислотам относят:
молочную, лимонную, винную, уксусную, яблочную и глутаминовую. С помощью микробного синтеза получают лимонную, молочную и уксусную кислоты. Винную кислоту также можно получать
биотехнологическим методом, однако с экономической точки зрения
ее выгодно синтезировать химическим путем из винного камня.
Пищевые кислоты ранее выделяли в ограниченном количестве
из источников естественного происхождения. Из сока лимона получали лимонную кислоту, а из отхода винодельческого производства –
винного камня – винную кислоту.
С помощью микроорганизмов возможно получение более
50 различных органических кислот: лимонной, уксусной, итаконовой,
глюконовой (аэробным способом), молочной и пропионовой (анаэробным способом). Все органические кислоты являются промежуточными или конечными продуктами катаболизма углеводов.
В настоящее время производство органических кислот основано на
использовании в качестве продуцентов различных штаммов плесневых грибов, чаще всего рода Aspergillus [1].
2.1.1. Получение лимонной кислоты
Лимонная кислота является одной из широко распространенных
кислот в природе, достаточно большое количество ее содержится
16
в фруктах (в цитрусовых до 5–10 %), а также в ягодах и вегетативных
органах некоторых растений.
Изначально ее выделяли из продуктов переработки стеблей ма-
хорки листьев хлопчатника, хвои ели, а также в значительных коли-
чествах из лимонов в виде лимоннокислого кальция. Однако подоб-
ного рода переработка является весьма дорогостоящей и имеющей
незначительный выход кислоты.
В настоящее время лимонная кислота по объему производства
является одним из главных продуктов микробного синтеза, ее общий
выпуск в разных странах достигает до 500 000 т/год.
В начале XXI в. группой ученых было отмечено, что некоторые
плесневые грибы обладают способностью биосинтеза органических
кислот. При этом их выход значительно больше по сравнению с
обычной переработкой растительного сырья. Так в последствии и бы-
ли выделены по средствам селекции продуценты, активно синтези-
рующие органические кислоты.
Для получения лимонной кислоты используют микроскопические
грибы родов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Ustina и др. В настоя-
щее время основными продуцентами лимонной кислоты являются
различные штаммы гриба Aspergillus niger, которые отличаются
большой скоростью роста, легкостью культивирования и высоким
выходом лимонной кислоты по отношению к массе окисляемого уг-
левода. Споры грибов для получения лимонной кислоты хранят толь-
ко в сухом виде.
Образование лимонной кислоты осуществляется в цикле Кребса в
результате конденсации оксалоацетата и ацетил-КоА при участии
фермента цитратсинтетазы (рис. 2.1).
Необходимые для реакции оксалоацетат и ацетил-КоА образуются
из двух молекул пирувата: одна молекула пирувата подвергается декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА, вторая – карбоксилируется, давая оксалоацетат. Пируват образуется по фруктозобифосфатному пути (пути гликолиза, Эмбдена, Майергофа-Парнаса).
Все ферменты этого пути, а также пируватдегидрогеназа, пируваткар-
17
боксилаза и цитрат-синтетаза обнаружены у Asp. niger. В результате
рассмотренной реакции одна молекула глюкозы (С6Н12О6) превращается в одну молекулу лимонной кислоты (С6Н8О7).
С6Н12О6
Глюкоза
СН3 СО СООН СН3 СО СООН
Пируват Пируват
СО2 + СО2
СН3 СО S КоА + НООС СН2 СО СООН
Ацетил-КоА Оксалоацетат
Н2С СООН
НО С СООН
Н2С СООН
Лимонная кислота
Рис. 2.1. Схема синтеза лимонной кислоты
Сверхсинтез лимонной кислоты происходит при лимитировании
роста грибов-продуцентов минеральными компонентами среды и одновременном избыточным содержанием источника углерода. После полного поглощения из среды железа и марганца рост биомассы Asp. niger
прекращается, однако продолжается потребление имеющийся в среде
источников углерода. При этом в клетках гриба начинает накапливаться лимонная кислота, которая в дальнейшем выделяется в среду.
Общая технологическая схема производства лимонной кислоты
включает следующие стадии.
Подготовка питательной среды. Мелассу загружают в варочный
котел и разбавляют водой до концентрации углеводов 16 %,
18
добавляют источники фосфора, азота и микроэлементы, необходимо
поддерживать значение рН-среды на уровне 6,8–7,2 с помощью
добавлением в питательную среду щелочи или кислоты. Раствор
мелассы обрабатывают гексацианоферрат (II) калия
(K4[Fe(CN)6]·3H2O) с целью осаждения солей тяжелых металлов
(железа, магния и т. д.). Затем питательную среду стерилизуют и
охлаждают до температуры ферментации.
В цехе чистой культуры выращивают Asp. niger. Размножают
продуцент в три стадии: в пробирках → колбах → кюветах. Продол-
жительность каждой стадии составляет от 2 до 4 суток при 32 С. Для
выращивания в пробирках используют твердую агаризованную питательную среду, а в колбах и кюветах – жидкую.
Культивирование можно осуществлять поверхностным или глубинным способом. Предприятия средней мощности используют поверхностный способ, при котором культивирование ведется в открытых металлических кислотоустойчивых кюветах высотой 7–20 см,
в которых мицелий продуцента развивается на поверхности среды.
На многоярусных стеллажах в специальных камерах с подводом кон-
диционированного воздуха при температуре 34–36 С размещают
кюветы. Брожение заканчивается через 8–9 сут.
Если мощность завода более 3000 т/год лимонной кислоты, то
экономически целесообразно использовать глубинный способ культивирования. При этом мицелий гриба погружен в питательную среду
биореактора, куда подают стерильный воздух. Длительность процесса
культивирования составляет 5–9 сут.
По окончании ферментации мицелий отделяют от культуральной
жидкости. При глубинной ферментации – фильтрованием на фильтрах, при поверхностной – вручную, предварительно необходимо убрать жидкость с кювет.
Мицелий промывают, высушивают и направляют для использования в качестве добавки к животным кормам. Фильтрованная культуральная жидкость (фильтрат) представляет собой водный раствор лимонной кислоты. В фильтрате содержится до 50 г/л лимонной кислоты.
19
Выделяют лимонную кислоту из культуральной жидкости в виде
плохо растворимой соли – цитрата кальция, которая образуется при
добавлении карбоната кальция. Перевод лимонной кислоты в свободное состояние достигается при добавлении строго определенного количества серной кислоты:
Са3(С6Н5О7)2 + 3Н2SO
цитрат кальция лимонная кислота
4 2С6Н8О7
+ 3СаSO4
Образующийся сульфат кальция удаляют с помощью фильтра-
ции, а раствор лимонной кислоты осветляют активным углем, упаривают, сливают в кристаллизаторы, в которых постепенно снижают
температуру. Образующиеся кристаллы центрифугируют, промы-
вают водой, сушат, фасуют и маркируют.
Лимонную кислоту используют для подкисления пастилы, кара-
мели и вафель в кондитерской промышленности, поскольку она хорошо подчеркивает фруктовый оттенок вкуса, а также при производстве мороженого, пищевых концентратов, маргарина, некоторых сортов колбас и сыра.
Для торможения образования меланоидинов лимонную кислоту
добавляют в сгущенное молоко с сахаром. С помощью раствора кислоты промывают и дезодорируют жировое сырье, а также обрабатывают перед холодным хранением рыбу, свежее мясо и фрукты с целью стабилизации их запаха, цвета и вкуса. Соли лимонной кислоты
используют для изготовления шампуней и других моющих средств,
так как они стимулируют вспенивание и обеспечивают механическую
устойчивость пен [7].
2.1.2. Получение молочной кислоты
Производство молочной кислоты является одним из старейших
биотехнологических производств (с 1881 г.). Ее получают промышленным способом с помощью продуцента молочнокислых бактерий.
Для промышленного изготовления ее пригодны только гомоферментативные бактерии, образующие до 98 % молочной кислоты. Приме-
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]