Получение пищевых добавок биотехнологическими методами

Значение пищевой биотехнологии в современном мире

Пищевая биотехнология является новым и перспективным направлением в перерабатывающей промышленности (мясная, молочная, рыбная и др.). Пищевая биотехнология изучает биотехнологический потенциал сырья животного происхождения и пищевых добавок, в качестве которых используются новые ферментные препараты. продукты микробиологического синтеза, новые виды биологически активных веществ и много компонентные добавки.

Биотехнология используется для изготовления продуктов питания уже на протяжении более 8000 лет. Наличию на полках магазинов и в холодильнике хлеба, алкогольных напитков, уксуса, сыра, йогурта и многого другого мы обязаны ферментам, вырабатываемым различными микроорганизмами. Современная биотехнология постоянно оказывает влияние на пищевую промышленность посредством создания новых продуктов, а также снижения себестоимости и усовершенствования бактериальных процессов, с незапамятных времен используемых в производстве продуктов питания.

Биотехнология позволяет улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения. составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья.

Кроме того, биотехнология предоставляет массу возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты и повышения качества самой продукции. Сюда относятся натуральные ароматизаторы и красители: новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы: заквасочные культуры: новые средства для утилизации отходов: экологически чистые производственные процессы: новые средства для обеспечения сохранения безопасности продуктов в процессе изготовления; биоразрушающаяся пластиковая упаковка, уничтожаемая бактериями.

ПИЩЕВЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ

Микроорганизмы важны для пищевой промышленности не только благодаря своей способности к ферментации Продуктов, но и как источники пищевых и технологических добавок. Судя по всему, развитие биотехнологии будет продолжать способствовать дальнейшему повышению важности бактерий для пищевой промышленности.

Пищевые добавки используются для повышения питательной ценности, удлинения срока хранения, изменения консистенции и усиления вкуса и аромата продуктов. Используемые производителями пищевые добавки, как правило, имеют растительное или бактериальное происхождение: например, синтезируемые бактериями ксантановая и гуаровая смолы. Многие аминокислотные добавки, усилители вкуса и витамины, добавляемые в пищевые продукты, производятся с помощью бактериальной ферментации. Со временем биотехнология должна обеспечить производителям пищевых продуктов возможность синтеза большого количества пищевых добавок, которые в настоящее время слишком дороги либо малодоступны из-за ограниченности природных источников этих соединений.

Производители продуктов питания используют растительный крахмал в качестве загустителя и заменителя жира в низкокалорийных продуктах. В настоящее время крахмал получают из растительного сырья и модифицируют с помощью химических реагентов или энергоемких механических процессов. Биотехнология позволяет изменить характеристики растительного крахмала и таким образом избежать необходимости его Промышленной обработки.

Ферменты, получаемые с помощью микробной ферментации, играют для пищевой Промышленности важную роль в качестве технологических добавок. Первым коммерческим биотехнологическим продуктом был фермент Химозин, используемый в сыроварении. До внедрения биотехнологических методик этот фермент приходилось извлекать из желудков телят, ягнят или козлят, а сегодня он синтезируется бактериями, в геном которых встроен соответствующий ген.

Для производства обогащенного фруктозой кукурузного сиропа требуется три фермента, которые важны также для изготовления выпечки и пива. Для производства фруктовых соков, некоторых сортов конфет и сыров также необходимы ферменты. На сегодняшний день в пищевой Промышленности используется уже более 55 различных ферментов микробного происхождения. По мере изучения весьма впечатляющего разнообразия бактериального мира эта цифра будет продолжать увеличиваться.

ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКОВЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Пищевые белковые продукты (микробный белок, смеси аминокислот и низкомолекулярных белковых продуктов), содержащие белковые вещества в высоких концентрациях, получают из биомассы микроорганизмов с применением ферментативной обработки и химического разделения ферментолизатов. В качестве продуцентов микробного белка используют культуры дрожжей (родов Candida, Endomycopsis), несовершенных грибов (Penicillium, Trichoderma) и базидиомицетов.

Применение необработанной биомассы дрожжей для пищевых целей ограничено высоким содержанием нуклеиновых кислот (6-12). В биомассе некоторых видов дрожжей находят п-линоленовую кислоту в количестве 11-28 от суммы жирных кислот. В организме животных п-линоленовая кислота ингибирует метаболизм у-линоленовой кислоты – предшественника арахидоновой кислоты, участвующей в регуляции ряда физиологических функций.

В мицелии несовершенных грибов уровень содержания сырого протеина достигает 55-57. в мицелии базидиомицетов – 42.5-48.5. Грибной белок хорошо усваивается. Так. степень усвояемости белка Fusarium culmorum составляет 84. а биологическая ценность по отношению к казеину – 50-70.

Грибной белок имеет хорошие структурные свойства, что важно при использовании его в пищевых продуктах, кулинарных изделиях. Белковые концентраты из биомассы несовершенных грибов имеют высокую жироудерживающую способность – около 400, и могут давать при соединении с жирами однородные продукты. Водоудерживающая способность белковых концентратов в отсутствие солей составляет около 100, она возрастает до 200-223 при увеличении ионной силы до 0.3-1 (ионная сила 0.3 соответствует 0.3 М поваренной соли, или концентрации ее раствора 1,75).

Биомасса грибов привлекает внимание не только как источник белка. Липидная фракция грибов (содержание липидов в биомассе грибовпродуцентов белка не более 6) богата полиненасыщенными жирными кислотами. Наиболее благоприятный жирнокислотный состав у представителей класса фикомицел он. которые синтезируют полиненасыщенные жирные кислоты по у-линоеновому типу.

Этапы развития пищевой биотехнологии

Историю развития пищевой биотехнологии можно условно разделить на пять этапов:

1. Древнейший период. В условиях природных катаклизмов – землетрясения, потопы, оледенения, пожары – происходили мутации растений и животных. Люди отбирали лучшие из них и научились сохранять семена и потомство мутагенных животных и растений, таким образом, повышая урожайность и продуктивность.
2. В 60-х годах 19 века Грегор Мендель открыл законы расщепления признаков и независимого расщепления генов. Он проводил опыты с растениями и животными. Мендель развил теорию доминирования наследственных признаков.
3. 70-е годы 20 века. Мюллер облучил рентгеном мушку дрозофилу и получил бескрылое потомство. Было доказано, что радиация, излучение – сильнейший мутаген (Чернобыль). Мутанты стали с успехом использоваться в растениеводстве для повышения урожайности.
4. 80-е годы – новые растения стали выращивать с помощью культур клеток. В животноводстве были достигнуты большие успехи – самкам вводили гормоны, которые вызывали созревание большого количества яйцеклеток.
5. Связан с развитием молекулярной биологии. Преодолен барьер видовой, половой несовместимости видов – новые виды животных, а также химеры. Доказана возможность конструирования ДНК.

В последние годы все большее влияние на здоровье населения планеты оказывает качество и структура питания. В 2009 г. опубликованы данные, что ежегодно в мире от недоедания и белково-калорийной недостаточности погибает 15 млн. человек.

Структура питания населения России характеризуется продолжающимся снижением потребления наиболее ценных в биологическом отношении пищевых продуктов.

Как следствие, на первый план выходят следующие параметры нарушения пищевого статуса.

Пищевая биотехнология – это отраслевая наука, которая на основании знаний микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии использует микроорганизмы и другие бактерии для производства молочнокислых пищевых продуктов и их сертификацию.

Задачи пищевой биотехнологии:

1. Получение пищевых и технологических добавок.
2. Использование биологического потенциала сырья животного происхождения с целью получения новых пищевых компонентов.
3. Получение новых пищевых продуктов белкового происхождения.
4. Широкое использование молочно-кислых продуцентов в пищевой биоиндустрии.
5. Использование генно-модифицированного сырья для производства новых ферментных препаратов пищевого происхождения.
6. Использование для пищевых целей продуктов микробного синтеза.
7. Получение высококачественных продуктов в процессах брожения и ферментации.
8. Создание продуктивных штаммов, микроорганизмов и внедрение новых методов в пищевой биотехнологии.

Пищевой статус и его значение

1. Дефицит животных белков, достигающий 15-20% от рекомендуемых величин:
2. Выраженный дефицит большинства витаминов, выявляющийся повсеместно у более половины населения 35%);
3. Проблема недостаточности макро- и микроэлементов, таких как кальций, железо, фтор, селен, цинк, медь, йод.

В международном научном обществе существует четкое понимание того, что в связи с ростом народонаселения Земли, которое по прогнозам ученых должно достичь к 2050 г. 9-11 млрд. человек, необходимо удвоение и даже утроение мирового производства сельскохозяйственной продукции, что невозможно без применения трансгенных растений, создание которых многократно ускоряет процесс селекции культурных растений, увеличивает урожайность, удешевляет продукты питания, а также позволяет получить растения с такими свойствами, которые не могут быть получены традиционными методами. Принципы создания трансгенных растений и животных схожи. И в том и в другом случае в ДНК искусственно вносят чужеродные последовательности, которые встраивают, интегрируют генетическую информацию вида.

Путем генной инженерии возможно повышение урожайности на 40 – 50%. За последние 5 лет в мире земельной площади, используемые под трансгенные растения, увеличились с 8 млн. га до 50 млн. га и выше.

Нужно отметить, что ни одна новая технология не была объектом такого пристального внимания ученых всего мира. Это обусловлено тем что мнения ученых о безопасности генетически модифицированных источников питания расходятся. Нет ни одного научного факта против использования трансгенных продуктов. В тоже время некоторые специалисты считают, что существует риск выпуска нестабильного вида растений, передача заданных свойств сорнякам, влияние на биоразнообразие планеты, и главное потенциальная опасность для биологических объектов, для здоровья человека путем переноса встроенного гена в микрофлору кишечника или образования из модифицированных белков под воздействием нормальных ферментов, так называемых минорных компонентов, способных оказывать негативное влияние.

Сейчас ученые всего мира разделились на два лагеря по поводу трансгенных продуктов.

Первые считают, что 1) именно искусственное повышение урожайности поможет избежать голода. 2) искусственные растения способствуют сбережению природных ресурсов, например, пресной воды – выведен вид картофеля, который в случае нехватки воды светится в темноте (ввели ген медузы), это позволит фермерам следить за ходом созревания овоща и более экономно использовать воду при поливе. 3) В США трансгенными культурами засеяно свыше 50 млн га. и для этой продукции требуются рынки сбыта и др. К таким странам относятся США, Канада, Австралия, Мексика, Бразилия, Аргентина, Россия.

Вторые считают, что 1) искусственно созданные растения выйдут из-под контроля человека и быстро вытеснят природные формы, причем навсегда. 2) Эти растения совсем не изучены, требуют к себе осторожного и даже опасливого отношения. 3) Вал такой продукции, которая станет в будущем дешевой, подорвет экономику местных производителей. 4) Как быть с пищевыми запретами? Сможет ли мусульманин есть картофель, который содержит гены свиньи, а постящийся христианин – помидоры с генами коровы?

Ферментированные продукты из сырья растительного и животного происхождения:

• алкогольные напитки
• чай
• кофе
• хлеб
• квашеная капуста
• мясо и продукты
• соевое молоко и др.
• рыбные продукты
• молочные продукты
• различные консервы.

В настоящее время получили распространение два метода использования ферментов в технологии пищевых продуктов: ферментов, содержащихся в самом перерабатываемом сырье, или ферментов, вносимых в перерабатываемый материал.

Первый метод использовался с древнейших времен. Введение ферментов в обрабатываемый материал относится к более позднему периоду: здесь преследуется цель либо обусловить ферментативную реакцию, совершенно необходимую в получении целевого продукта, либо ускорить или дополнить действие уже содержащихся в материале ферментов.

В пищевой промышленности ферменты используются в виде ферментных препаратов, которые отличаются от ферментов тем что помимо активного белка они содержат различные балластные вещества. Ферментные препараты готовят из сырья растительного и животного происхождения, содержащего ферменты уже в готовом виде. В настоящее время производство ферментных препаратов ведется на промышленной основе с использованием микроорганизмов – активных продуцентов соответствующих ферментов. Большое число ферментных препаратов вырабатывается из поверхностных и глубинных культур микроскопических грибов, бактерий, дрожжей.

В технологии пищевых продуктов особенно велико значение карбогидраз и протеаз. Технологические операции, приемы в получении продукта в основном определяются действием этих ферментов: они обусловливают выход и качество продукта.

Не было никаких доказательств, что какие-либо ферменты, применяемые в технологии пищевых продуктов, вредны сами по себе, тем более, что в большинстве случаев ферменты в процессе обработки инактивируются. Однако необходимо учитывать возможность образования токсинов во время роста микроорганизмов, используемых для биосинтеза ферментов. Промышленность должна обеспечить гарантии против образования микотоксинов посредством надлежащей селекции штаммов, а против загрязнения патогенными микроорганизмами – посредством обычных микробиологических методов контроля.

Участие микроорганизмов в ферментировании продуктов осуществляется с помощью дрожжей, плесневых грибов, бактерий и их клеток. Целью ферментирования является придание обычной пище питательной ценности, лучшей усвояемости организмом, улучшения внешнего вида, увеличения срока ее хранения. Бактерии, которые добавляют в пишу, размножаясь в ней, выделяют ферменты которые изменяют, улучшают вкус и запах пиши и делают ее более полезной. Пример. Мечников начал пить ацидофильное молоко в возрасте 60 лет и говорил, если бы он начал его пить раньше, то прожил бы 200 лет. Доказано, что продукты, выделяемые лакто- и бифидобактериями, обновляют микрофлору кишечника животных и человека, вытесняют гнилостные, условно-патогенные и патогенные бактерии и продлевают жизнь.

В настоящее время многие ферментированные продукты производят в промышленном масштабе. Особый интерес проявляется к генетической модификации микроорганизмов, используемых в производстве хлеба и пива.

Огромный интерес ученых привлекают дрожжи, несмотря на то, что они хорошо изучены. В отношении дрожжей осуществляются следующие разработки:

Разработки, связанные с генетической модификацией пивных дрожжей:

1. Включение в штаммы промышленных пивных дрожжей генов, кодирующих выработку фермента глюкоамилазы, для того, чтобы отказаться от добавления экзогенных ферментов в процессе пивоварения (солод, хмель).
2. Включение в штаммы промышленных пекарских дрожжей более эффективной системы метаболизма мальтозы с целью сокращения времени на приготовление теста.
3. Включение в штаммы промышленных дрожжей генов, кодирующих синтез белков лекарственного назначения (антител, интерферона, ферментов – пепсина, трипсина) и др.

В молочной промышленности проводятся работы по генетической модификации штаммов молочно-кислых бактерий в целях придания им способности вырабатывать антибиотики (бактериоцин) и ароматические вещества (молоко с запахом клубники, малины и др.).

Выпускаемые ферментные препараты представляют собой либо жидкости с концентрацией сухих веществ не менее 50%, либо порошки белого, серого или желтого цвета с определенной стандартной активностью.

Ферментные препараты позволяют значительно ускорять технологические процессы, увеличивать выход готовой продукции, повышать ее качество, экономить ценное сельскохозяйственное сырье, улучшать условия труда на производстве.

Факты, свидетельствующие в пользу создания трансгенных растений методом генной инженерии:

1. Трансплантация генов позволяет создать продукты с повышенным содержанием белка.
2. Устранить вредные для организма компоненты.
3. Повысить урожайность и устойчивость выше, чем у обычных сельскохозяйственных культур, к вредителям и болезням.
4. Созданы растения, содержание целлюлозы в которых во много раз больше обычного, что позволит выпускать бумагу, не вырубая леса и не загрязняя среду токсичными отходами.

Пищевые добавки, продуцируемые микроорганизмами, имеют следующие преимущества перед пищевыми добавками сырья животного и растительного происхождения:

1. Продукт производится непрерывно, независимо от погоды, климата и др.
2. Выделение и очистка конечного продукта очень проста (фильтрация).
3. Продукт получается дешевле и доступнее.