Другие растения с повышенной питательной ценностью

Недовольство качеством доступных в продаже томатов вдохновляло на активные действия не одно поколение огородников. Поэтому томаты стали одной из первых культур, эксперименты с которой были направлены на повышение питательной ценности. Биоинженерный томат FlavrSavr стал первым коммерчески доступным растением с повышенной с помощью ГМ-технологии питательной ценностью. Он был доступен в течение длительного периода времени. Этот ГМ - томат модифицировали таким образом, что процесс созревания замедлялся. Так как плоды дольше оставались на ветке, они обладали лучшими вкусовыми качествами. Однако при разработке такого томата использовали разновидность, не обладающую устойчивостью к ряду факторов, что привело к полному провалу данного эксперимента. В настоящее время в разработке находятся разновидности томатов с повышенным содержанием ликопина (предшественника витамина А) и масло канолы с повышенным содержанием витамина Е.

Основная цель возделывания сельскохозяйственных культур связана с получением полноценных продуктов питания, сбалансированных по со­держанию белков, углеводов, жиров, минеральных элементов и витаминов. У любого вида растений особенности метаболизма и способность к запасанию определенных химических веществ сформировались в ходе эволюции и закреплены генетически. Изменения в метаболизме наблюдаются при воздействии различных факторов, в том числе и под воздействием мутагенов, в результате гибридизации и переноса генов. Это может послужить основой для создания новых сортов, новых генотипов растений, характеризующихся более высокой продуктивностью, лучшими показателями качества.

Биологическая питательная ценность белков. Определение белков и белковых фракций в растительной продукции связано с тем, что белки как компоненты пищи являются источниками аминокислот для человека и животных, в организмах которых отдельные аминокислоты не синтезируются. Это в первую очередь группа незаменимых аминокислот. Для того чтобы организм был обеспечен незаменимыми аминокислотами, необходимо в сутки потреблять определенное количество белков: человеку – 60 - 100 г полноценного белка, животным – 100 - 110 г такого белка в расчете на каждую кормовую единицу (одна кормовая единица - это питательная ценность 1 кг овса, 0,6 кг крахмала). В 100 г потребляемого белка должно содержаться сле­дующее количество незаменимых аминокислот (табл.)

Таблица Ориентировочная надежная и оптимальная потребность взрослого человека в незаменимых аминокислотах (г/100 г белка) (Воробейков Г.А., 1990)

Аминокислота	Надежный уровень	Оптимальный уровень
		Минздрав СССР (1983 г.)	ФАО/ВОЗ
Изолейцин	1,8	4,0	4,0
Лейцин	2,5	6,0	7,0
Лизин	2,2	5,0	5,5
Метионин + цистин	2,4	4,0	3,5
Фенилаланин + тирозин	2,5	4,0	6,0
Треонин	1,3	3,0	4,0
Триптофан	0,65	1,0	1,0
Валин	1,8	4,0	5,0

Способы улучшения питательной ценности белков за счет амино­кислот. Направленная селекция растений со строгим наблюдением за фракционным и аминокислотным составом белков проводится с целью улучшения качества растительных белков, определяемых, например, большим содержанием в них определенных незаменимых аминокислот. Еще в 60-е годы ученые приступили к работе над улучшением состава белков зерна кукурузы на генетической основе по созданию новых генотипов кукурузы, зеин которой изначально не содержит лизина и в нем очень мало триптофана. Американские исследователи Мертц и Нельсон вырастили мутанты кукурузы Опейк-2 и Флаури-2, в зерне которых по сравнению с обычной кукурузой содержится в два раза больше лизина и триптофана, на 50 % больше аргинина, аспарагиновой кислоты и глицина, а содержание аланина, глутаминовой кислоты, тирозина и фенилаланина снижено. В связи с этим мутанты имеют хорошо сбалансированный аминокислотный состав и биологическая питательная ценность их белков приближается к ценности белков молока.

В настоящее время во многих странах проводятся работы по скрещи­ванию этих мутантов с обычной кукурузой для получения новых форм высоколизиновой кукурузы, которые внедряются в производство. На основе высоколизинового ячменя Гипроли также проводятся работы по выведению новых сортов этой культуры, характеризующихся улучшенным аминокислотным составом.

Применение методов генетической инженерии для улучшения аминокислотного состава запасных белков растений

Решение проблемы создания новых форм растений подразумевает в первую очередь повышение качества синтезируемых растением продуктов, которые определяют его питательную и техническую ценность. В основном это касается запасных белков.

В большинстве случаев запасные белки растений имеют несба­лансированный для питания человека и животных аминокислотный состав. Так, запасные белки злаков - проламины - бедны лизином, триптофаном и треонином, что снижает их питательную и кормовую ценность. Улучшение аминокислотного состава белка путем традиционной селекции не дает желательных результатов, поскольку необходимые гены часто сцеплены с нежела­тельными признаками и наследуются вместе. Например, у мутантов кукурузы и ячменя повышение содержания лизина коррелировало с уменьшением синтеза основных запасных белков - зеина и гордеина, а также с уменьшением урожайности.

Генно-инженерные методы более перспективны для создания улучшенных сортов, так как позволяют избирательно вводить в геном растения-реципиента гены искомого признака. Операции по получению трансгенных растений с улучшенным аминокислотным составом белка разделены на ряд этапов:

1) клонирование генов запасных белков;

2) изучение механизмов тканеспецифичной и временной экспрессии белков и выявление последовательностей ДНК, определяющих данный механизм;

3) целенаправленное изменение последовательностей генов запасных белков для улучшения аминокислотного состава;

4) создание векторов, содержащих измененный ген;

5) введение модифицированных генов в растения.

В настоящее время клонированы 10 генов гордеинов ячменя, гены α- и β-глиадинов и глютенина пшеницы, зеинов кукурузы, легумина бобовых, пататина картофеля и ряд других. Имеются практические результаты трансформации растений. Так, введение в геном пшеницы модифицированного гена проламина привело к активному синтезу модифицированного белка, а также повлияло на состав и уровень соответствующих запасных белков. В итоге улучшилось хлебопекарное качество пшеничной муки.

Превращение отходов растительного и животного; происхождения в пищевые продукты. Лозунг «Война отходам!» химики и биохимики используют для расширения пищевых ресурсов. Понятие «отходы растительного и животного происхождения» меняется от страны к стране, оно разное в различных климатических зонах, В целом пока нет четкого различия в понятиях «отходы» и «субпродукты».

Существует две возможности превращения отходов в продукты питания: скармливание их животным и промышленная переработка. Большинство перерабатывающих заводов пищевой промышленности расположено в сельской местности, что облегчает простую и прямую утилизацию отходов.

Прямая утилизация отходов в качестве корма для скота.

Несмотря на значительную питательную ценность, многие отходы пищевой промышленности неприемлемы в качестве компонентов питания человека. Причина этого прежде всего в негативных органолептических свойствах, таких, как вкус, запах, текстура, а также в избыточном содержании балластных (целлюлоза) и антипитательных (фенолы, сапонины, гликозиды и т. д.) веществ. Часто экономически невыгодно удаление этого балласта физическими, химическими или биологическими методами, и тогда наиболее эффективный метод утилизации отходов - это превращение их в корм для животных. Осуществляя конверсию органических субстратов отходов в мясо, молоко или яйца, организм животного выполняет роль естественного фильтра для. антипитательных веществ.

Отходы классифицируют на мокрые и сухие. Мокрые отходы - это сыворотка в производстве сыра, стоки заводов по производству крахмала (где используют картофель, кукурузу - и т. д.); пульпа на предприятиях по производству фруктовых соков и т.д. Сухие отходы - это меласса с сахарных заводов, жмых и мука от переработки масличных семян, остатки от помола зерна (например, отруби) и т. д.

Мокрые отходы содержат много воды. Они быстро портятся, и поэтому их надо утилизировать в качестве корма безотлагательно. Для консервирования используют метод силосования, например, картофельной, свекловичной, фруктовой и овощной пульпы. Положительная сторона метода силосования -- ферментативная дезактивация многих антипитательных факторов, например гликозидов крестоцветных растений. Однако при силосовании может теряться^: часть питательных компонентов (до 20%), которые не покрываются приростом биомассы.

Утилизация сухих отходов не представляет проблемы. Сухие отходы часто содержат много лигноцеллюлозы, которую с трудом усваивают даже животные. С помощью физических, химических и микробиологических процессов специалисты пытаются повысить усвояемость и питательную ценность отходов. Установлено; что щелочная обработка повышает усвояемость материалов; содержащих лигноцеллюлозу (сахарный тростник и отходы после выжимки из него сахара, стебли и солома от масличных и зерновых культур).

До последнего времени соевую муку применяли в основном для кормления животных. Оказалось, что после небольшой , предварительной обработки, улучшающей качество, ее можно использовать в качестве компонента недорогих, высокобелковых питательных веществ и добавки к хлебу

Методы превращения растительных отходов в продукты питания подразделяются на физические, химические и биологические.

Физические и химические методы. Основные трудности: при утилизации, жидких: и мокрых отходов, образующихся на предприятиях пищевой промышленности, связаны с быстрой порчей отходов и высокой стоимостью транспортировки (много балласта - воды). Удаление избыточной воды проводят декаптацией (отстаивание и слив воды), центрифугированием,' прессованием, упариванием и другими методами выделения ценных компонентов из массы. Механическое удаление воды недорого, но оно не решает проблемы сточных вод. Это относится, например, к прессованию сахарной свеклы или фруктовой и овощной пульпы. Эффективность сушки зависит от стоимости энергии. Например, сушку отходов на барабанной сушилке обычно применяют редко из-за низкой цены готового продукта.

Перспективны рисовые отруби как исходный продукт для получения продуктов питания. При налаживании производства в размерах всей Земли из них можно получить около 4 млн. т белков и .5 млн. т съедобного растительного масла. Пока лишь минимальная часть рисовых отрубей идет на питание человеку: отруби с удаленным фитином и волокнами; белковые концентраты и т. д.

Большие надежды возлагаются на переработку, побочных продуктов и отходов с заводов, вырабатывающих пищевые растительные масла. Лецитин, который получают из отходов, образующихся при рафинации масла, уже поступает на рынок в различных видах, что зависит от степени очистки и химической обработки (гидрогенизация, гидроксилирование и т. д.). Наибольшим, опросом пользуется соевый лецитин, применяемый для уменьшения вязкости шоколада, как эмульгатор для; маргарина и майонезов, в качестве вещества, облегчающего приготовление смесей и обеспечивающего в течение, длительного времени свежесть хлеба, макаронных изделий и пирожных. Из различных отходов, образующихся после дезодорации, и соапстоков, содержащих мыла, методами молекулярной дистилляции можно получить ситостерины и токоферолы.

Ценные источники для, получения продуктов питания - отходи, накапливающиеся при переработке, фруктов и овощей: кожура, кожица, сердцевина, кочерыжки, обрезки и т. д. Отходы и пульпа, образующиеся при производстве; томатного сока, составляют 10 - 20% общего объема. После сушки и распыления их можно использовать при приготовлении соусов, супов и т. д.

Из отходов, образующихся при прессовании яблок (20 - 30%), лимонов, апельсинов и других фруктов после выщелачивания, путем экстракции получают низко- и высокометилированный пектин. Пектины обладают сильными желеобразующими свойствами, их применяют в производстве желе и мармелада.

При нейтрализации цитрусовых образуется нитрат кальция, который можно использовать в производстве лимонной кислоты. Экстракт из ананасовых корок применяют в производстве бромелина - фермента, способ­ствующего усвоению белка и используемого при приготовлении некоторых сортов пива, хлеба и средства для умягчения мяса.

При обработке фруктовой пульпы (из яблок, черной смородины, малины и т. п.) перегонкой с паром образуется концентрат, из которого могут быть экстрагированы душистые вещества. Правда, в промышленных мас­штабах трудно получить продукт, аромат которого соответствовал бы природному аромату данного продукта.

Переработку отходов с помощью биосинтеза можно проводить одним из двух способов:

1. На отходы воздействуют эндо- и экзоферментами. Затем используют смесь без, разделения на продукты.

2. Отходы подвергают действию, микробов, проводят биосинтез пищевых компонентов. Продукт, полученный под действием микробов, отделяют от исходного субстрата. Получают одноклеточный белок (ОБ).

По первому пути продукт получают силосованием и редко применяют, для: изготовления пищи. Один из немногих, примеров этого пути - способ приготовления рыбной приправы, популярного соуса у народов Восточной и Юго-Восточной Азии. Соус готовят из рыбных субпродуктов, мелкой, свежей рыбы, которую используют целиком, и креветок, смешанных с солью и подвергшихся, воздействию, ферментов рыбы и бактерий. После нескольких месяцев, выдерживания такого «адского месива» образуется автолизат, представляющий, собой смесь растворимого белка, пептидов и аминокислот. Этот пастообразный продукт (багунг) или отделенная от него прозрачная приправа (патис) обеспечивают около 5 - 7%. ежедневно потребляемого белка_: во многих странах Юго-Восточной Азии. Аналогичную продукцию получают путем ферментации спрессованной пульпы копры (бонг-крек) и арахисовой шелухи.

Отходы, содержащие органические компоненты, в частности углеводы, используют как сырье для биосинтеза различных органических соединений. В производство продуктов питания вовлекают следующие вещества:

пищевые дрожжи (ОБ), полученные ферментацией лактозы, оставшейся после удаления белка из сыворотки, или сахарозы, содержащейся в мелассе;

белковую биомассу, полученную при симбиотической ферментации стоков крахмального производства, когда крахмал сначала разлагается на ферментируемые сахара, служащие субстратами для выращивания биомассы дрожжей;

различные добавки, такие, как уксусная, молочная, лимонная кислоты, аминокислоты (прежде всего лизин и метионин), масла и т. д.

Биосинтез ОБ - перспективный процесс, ибо из 100 г углеводного субстрата можно получить 35 г микробного белка и 25 г дрожжевого или грибного белка. Получение пищевого ОБ из отходов пищевой промышленности в настоящее время - прекрасная альтернатива широкомасштабному извлечению ОБ из неочищенных парафинов нефти - способу, который не оправдал надежды по технологическим, экономическим и связанным со здоровьем факторами.

Одно из первых и интересных направлений применения дрожжей в питании человека - производство «дрожжей Торула»: Это так называемый Симба-процесс, базирующийся на симбиотической культуре двух рас дрожжей: Endomycopsis fibuliger (крахмал) и Candidada utilis (сахар). Такой процесс применяют для утилизации отходов тапиоки, сладкого картофеля, овощей, пшеницы, риса, кукурузы и маниока (крахмалосодержащих продуктов). Предприятие Симба-типа действует в Швеции в г. Эслове. Его мощность 2 тыс. т дрожжей в год. Сырье - пульпа, сыворотка, стоки молочных и крахмальных производств, стоки по переработке фруктов и овощей.

Пока мало утилизируется группа сырьевых материалов, содержащих целлюлозу; в то время как ресурсы таких отходов^: очень велики. Сегодня в мире производится (млн.т/год) выжатого сахарного тростника (богассо) - 90, пшеничных отрубей - 60, кукурузных початков - 35 и мелассы - 10. Разработан метод по превращению целлюлозы в глюкозу, которая затем сбра­живается в спирт. Из 100 кг отходов хвойных деревьев в Швеции получают 25 л спирта и 5 кг сухих дрожжей, содержащих около 50% белка. В переработке древесины имеется много сложностей. Древесные волокна и лигнин однолетних растений достаточно устойчивы к химическому и биохимическому гидролизу.

Может быть, более перспективным будет метод утилизации целлюлозы и гемицеллюлозы (отруби, шелуха семян, кукурузные початки, жмых, овощные и фруктовые остатки) с помощью высших грибов. Полученный таким образом мицелий может служить компонентом грибных супов и пиццы.

Основной метод выделения белка из биомассьг зaключается в ферментативном разрушении клеточных мембран и высвобождении белка. Возможно физическое разрушение мембран в щелочных растворах с последующим диализом, высушиванием или упариванием до пастообразной консистенции. Разрушать клеточные мембраны можно и с помощью мочевины. Большинство таких белковых продуктов представляют собой безвкусный, бесформенный порошок. Придание ему тканевой структуры путем термопластической обработки при прядении приводит к значительному увеличению стоимости продукта. Разработаны процессы повышения питательной ценности ОБ.

Биосинтез липидов пока серьезно не разрабатывают, ибо растительные масла и животные жиры имеются на Земле в достаточном количестве. К тому же стоимость натурального продукта значительно ниже, чем продукта полученного биосинтезом.

Сегодня человечество имеет в своем распоряжении методы, позволяющие производить из отходов пищевые продукты хорошего качества. К сожалению, пока во многих случаях они очень дороги. Это делает их эконо­мически невыгодными даже в том случае, если сырье бесплатное. Однако трудная ситуация с продуктами питания в мире в XXI в., а также усовершен­ствование методов переработки и повышение цен на сельскохозяйственную продукцию сделают более полное использование отходов растительного и животного происхождения в пищевых целях не только желаемым, но и возможным.