Получение пищевых добавок биотехнология
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
ЛЕКЦИЯ 1 (2ч.)
ТЕМА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ
План
1. Цель, задачи, основные понятия
2. Биотехнология в пищевой промышленности
3. Биотехнология молочных продуктов
Цель, задачи, основные понятия биотехнологии
Цель дисциплины: формирование базовых теоретических знаний и практических профессиональных навыков в области пищевой биотехнологии о современном состоянии и перспективах развития биотехнологии как области науки и производства.
Задачи дисциплины:
•изучениесовременной биотехнологии, как научной и производственной области деятельности;
• формирование уменияориентироваться в различных областях современной биотехнологиии в разнообразии биотехнологической продукции, выделять перспективные направления развития биотехнологии.
Биотехнология – от греч. bio(s) – жизнь; techne– искусство, мастерство; logos– учение. Впервые термин «биотехнология» предложил в 1917 г. венгерский инженер Карл Эрике. Он предложил процесс крупномасштабного промышленного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. При этом Эрике рассматривал превращение сырья (свеклы) в целевой продукт (свинину) как ряд биотехнологических этапов. Этот процесс был назван им биотехнологией, так как целевой продукт получался в результате жизнедеятельности биологических систем. Второе рождение и популярность термин «биотехнология» приобрел после того, как в 1961 г. шведский микробиолог Карл ГеренХеден предложил заменить название на-учного журнала «Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии» на «Биотехнология и Биоинженерия». Этот журнал публиковал работы по при-кладной микробиологии и промышленной ферментации. С этого момента биотехнология оказалась связанной с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов». Именно эти представления и начали вкладываться в термин «биотехнология».
Биотехнология – это совокупность промышленных методов, в которых используют живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов. Биотехнология тесно связана с такими науками как молекулярная биология, микробиология, ветеринария, генетика, инженерные технологии, биохимия, физиология растений, микробиология, генная инженерия.
Промышленная микробиологиясоставляет основную часть
биотехнологии. Это наука о важнейших микробиологических процессах и их
практическом применении для получения промышленным способом ценных
продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, их биомассы как белкового
продукта, о получении отдельных полезных веществ или препаратов,
используемых в различных отраслях народного хозяйства.
Пищевая биотехнологияявляется одним из важнейших разделов
биотехнологии. В течение тысячелетий люди успешно получали сыр, уксус,
спиртные напитки и другие продукты, не зная о том, что в основе лежит
метод микробиологической ферментации. С помощью пищевой
биотехнологии в настоящее время получают такие пищевые продукты, как
пиво, вино, спирт, хлеб, уксус, кисломолочные продукты, сырокопченые и
сыровяленые мясные продукты и многие другие. Кроме того, пищевая
биотехнология используется для получения веществ и соединений,
используемых в пищевой промышленности: это лимонная, молочная и
другие органические кислоты; ферментные препараты различного действия –
протеолитические, амилолитические, целлюлолитические; аминокислоты и
другие пищевые и биологически активные добавки.
Важность пищевой биотехнологии для специалистов в области
пищевой промышленности определяется тем, что использование
микроорганизмов или ферментных препаратов, биотехнологических
процессов при производстве пищевых продуктов оказывает существенное
влияние на потребительские свойства и показатели качествапродуктов питания. Знание о биотехнологических процессахпозволит определить причины порчипродуктов и возникновения дефектов, приводящих к
существенным количественным потерям. Например, неправильное
применение заквасок может привести к ухудшению качества и
возникновению дефектов кисломолочной продукции. С другой стороны,
использование новых штаммов микроорганизмов может придать продукту –
пиву, вину и другим пищевым продуктам, – новые оригинальные оттенки
вкуса и аромата. Применение ферментных препаратов и других соединений,
полученных биотехнологическим способом, будет способствовать
оптимизации и интенсификации технологических процессов производства
пищевых продуктов, улучшению их свойств и продлению сроков хранения.
Биотехнология в пищевой промышленности
Разные виды дрожжей применяются в технологии производства спирта, вина, пива, кваса, хлебобулочных изделий. Различные микроорганизмы в виде заквасок применяют для получения кисломолочные продукты. Биотехнологическим путем также получают пищевые подкислители: лимонная, яблочная, молочная и другие кислоты. Микроорганизмами синтезируется глутаминовая кислота (глутамат), которая используется для усиления аромата мясных, рыбных, грибных изделий. В пищевой промышленности используют витамины, получаемые биотехнологическим путем. Например, бета-каротин (провитамин А) применяют как пищевой краситель (оранжевого цвета). Возможно получение пищевого белка из микроорганизмов. Так, пищевой продукт микопротеин получают на основе биомассы мицелиальных грибов рода Fusarium. Для вкуса и цвета в него вводят специальные пищевые добавки. Стало возможным культивировать мицелий высших съедобных грибов (вешенки, опят, маслят и др.) глубинным способом, т.е. в ферментере. Для получения сырокопченых колбас в фарш вводят закваски на основе молочнокислых микроорганизмов, которые способствуют созреванию и приданию продукту специфического приятного вкуса. Ферменты микробного происхождения находят широкое применение в пищевой промышленности. Так, целлюлаза применяется при приготовлении растворимого кофе, для улучшения консистенции грибов и овощей; глюкозооксидаза – для удаления кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, соков; протеаза – для размягчения мяса; бета-галактозидаза – для получения «безлактозного» молока; пектиназа – для осветления соков и др. Микроорганизмы или изолированные клетки высших грибов используют для получения пищевых красителей ярко-желтого, красного, синего цвета. Такие красители безопасны в использовании для пищевых целей. В качестве пищевых загустителей биотехнология предлагает использовать полиса-хариды микробного происхождения. Например, декстран – стабилизатор припроизводстве мороженого. Пищевые консерванты – это вещества, которые добавляют в пищевые продукты для увеличения срока их хранения. Известны консерванты биотехнологического происхождения. Например, низин – выделяется специальными штаммами молочнокислых бактерий.
Биотехнология пищевых продуктов представляет любое технологическое применение которое использует биологические системы, живые организмы и их производные для производства или изменения продуктов и процессов для конкретного использования.
Биотехнология пищевых продуктов использует микроорганизмы для их сохранения или для производства ряда продуктов с добавленными элементами, такими как ферменты, вкусовые соединения, витамины, микробные культуры и различные ингредиенты.
Таким образом, применение биотехнологии в пищевой промышленности направлено на отбор и манипулирование микроорганизмами с целью улучшения управления процессом, качества продукции, безопасности, консистенции и выхода при одновременном повышении эффективности процесса.
Методы биотехнологии
Биотехнологические процессы, применимые для улучшения микробных культур для использования в пищевой промышленности, включают традиционные методы генетического улучшения (“традиционная биотехнология”), такие как классический мутагенез (внесение изменений в ДНК) и конъюгация (генетический обмен). Эти методы, как правило, направлены на улучшение качества еды.
Гибридизация также используется для улучшения дрожжей, участвующих в выпечке, пивоварении и производстве напитков. Например, штаммы пекарских дрожжей применяются для улучшения способности к ферментации, обработке и биоконсервации, а также для повышения полезности и сенсорного качества вина.
Биотехнология также широко используется в качестве инструмента для мониторинга безопасности продуктов, поиска причины проблем с пищеварением, профилактики и диагностики болезней пищевого происхождения и проверки происхождения еды.
Методы, применяемые для обеспечения безопасности пищевых продуктов, сосредоточены на выявлении и мониторинге опасных факторов, будь то биологические, химические или физические.
Биопроцесс заквашивания главное биотехнологическое применение в пищевой промышленности.
Биообработка использует микробные инокулянты (живые микроорганизмы) для улучшения таких свойств, как вкус, аромат, срок годности, безопасность, текстура и питательная ценность пищевых продуктов. Микробы, связанные с сырьем и обрабатываемой средой, служат инокулянтами при спонтанных ферментациях, в то время как содержащие высокие концентрации живых микроорганизмов, называемые заквасочными культурами, используются для инициирования и ускорения скорости процессов ферментации (брожения) в непроизвольных или контролируемых процессах.
Биотехнология пищевых продуктов документирует объемы научных отчетов по характеристике микробов, связанных с производством традиционных ферментированных продуктов питания. Развитие микробных заквасочных культур является движущей силой инноваций в разработке оборудования, пригодного для гигиенической обработки традиционных перебродивших пищевых продуктов в контролируемых условиях.
Совершенствование заквасочной культуры, наряду с совершенствованием и развитием биореакторной технологии для управления процессами ферментации, сыграло ключевую роль в производстве ценных веществ, таких как ферменты, микробные культуры и функциональные пищевые ингредиенты. Эти продукты все чаще производятся в качестве сырья для операций по переработке продуктов.
Пищевые и технологические добавки
Ферменты, аминокислоты, витамины, органические кислоты, полиненасыщенные жирные кислоты и некоторые сложные углеводы и ароматизаторы, например вкус умами, используемые в рецептурах в настоящее время производятся с использованием микроорганизмов.
Ферменты встречаются во всех живых организмах и катализируют биохимические реакции, необходимые для поддержания процесса.
Использование биотехнологии пищевых продуктов позволило получить новые ферменты, адаптированные к конкретным условиям при производстве еды.
Альфа-амилазы с повышенной термостабильностью, например, были разработаны для использования в производстве высокофруктозных кукурузных сиропов. Эти улучшения были достигнуты путем внесения изменений в аминокислотные последовательности α-амилазы посредством модификации последовательности ДНК генов α-амилазы . Бычий химозин, используемый в производстве сыра, был первым рекомбинантным ферментом, одобренным для использования. Ген фосфолипазы используется в молочной промышленности при производстве сыра для повышения эффективности процесса и выхода сыра.
Значительный прогресс биотехнологии пищевых продуктов был достигнут в последнее время в направлении улучшения микробных штаммов, используемых в производстве ферментов.
Ферменты, используемые в пищевой промышленности, исторически считались нетоксичными. Однако некоторые характеристики, обусловленные их химической природой и источником, такие как аллергенность, связанная с активностью токсичность, остаточная микробиологическая активность и химическая токсичность, вызывают озабоченность. Вместе с тем эти вызывающие озабоченность факторы необходимо учитывать в свете растущей сложности и изощренности методологий, используемых при производстве пищевых ферментов.
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности
Г.А. Гореликова
ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ
ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Кемерово 2004
УДК: 664.573 (075)
Печатается по решению Редакционно-издательского совета
Кемеровского технологического института пищевой промышленности
в авторской редакции
Рецензенты:
Доцент Кемеровского института (филиала) РГТЭУ,
канд. техн. наук О.С. Габинская,
Доцент Института повышения квалификации,
канд. биол. наук А.Ю. Игнатова.
Гореликова Г.А.
Основы современной пищевой биотехнологии: Учебное пособие. —
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2004. – 100 с.
ISBN 5-89289-292-1
Учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Основы современной пищевой биотехнологии» и предназначено для студентов специальности 351100 — «Товароведение и экспертиза товаров» дневной и заочной форм обучения, а также может использоваться студентами специальности 271500 — «Пищевая биотехнология». В нем даны основные термины и понятия в области биотехнологии, описаны процессы получения полезных веществ с помощью клеток микроорганизмов. Более подробно рассмотрены вопросы, касающиеся одной из наиболее перспективных и развивающихся отраслей данной науки – пищевой биотехнологии.
Ил. — 6, библ. назв. — 16
4001000000
У 50 (03)-04
© Кемеровский технологический институт
ISBN 5-89289-292-1 пищевой промышленности, 2004
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. Содержание теоретического курса по
«Основам современной пищевой биотехнологии». . . . . . . . . . . . . . 6
Тема 1. Цель изучения дисциплины, основные понятия.
Этапы развития и направления биотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1. Цель изучения дисциплины, ее место в
образовательной программе студентов специальности
«Товароведение и экспертиза товаров» . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2. Основные термины и определения биотехнологии.
Требования, предъявляемые к микроорганизмам-продуцентам . . . . . 7
1.3. Этапы развития биотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
1.4. Основные направления в биотехнологии. . . . . . . . . . . . . . 11
Тема 2. Теоретические основы биотехнологии. . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1. Стадии и кинетика роста микроорганизмов . . . . . . . . . . . . 14
2.2. Продукты микробного брожения и метаболизма. . . . . . . . . . 15
2.3. Сырье и состав питательных сред для
биотехнологического производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4. Способы культивирования микроорганизмов . . . . . . . . . . . 19
2.5. Культивирование животных и растительных клеток . . . . . . . .24
Тема 3. Общая биотехнологическая схема
производства продуктов микробного синтеза . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1. Приготовление питательной среды . . . . . . . . . . . . . . . . .27
3.2. Получение посевного материала. . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
3.3. Ферментация (культивирование). . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
3.4. Выделение целевого продукта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
3.5. Очистка целевого продукта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
Тема 4. Биотехнологическое производство веществ и
соединений, используемых в пищевой промышленности. . . . . . . . . 33
4.1. Получение пищевых кислот с помощью микроорганизмов. . . . 33
4.2. Получение и использование аминокислот . . . . . . . . . . . . . 38
4.3. Получение липидов с помощью микроорганизмов . . . . . . . . 40
4.4. Получение витаминов и их применение . . . . . . . . . . . . . . 41
Тема 5. Получение ферментных препаратов
и их применение в пищевой промышленности. . . . . . . . . . . . . . . 44
5.1. Понятие ферменты и ферментные препараты.
Характеристика активности ферментных препаратов . . . . . . . . . 44
5.2. Получение ферментных препаратов
из сырья растительного происхождения . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3. Получение ферментных препаратов
из сырья животного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.4. Получение ферментных препаратов с помощью микроорганизмов.
Номенклатура микробных ферментных препаратов . . . . . . . . . 47
5.5. Применение ферментных препаратов
в пищевой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Тема 6. Получение биомассы микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . 51
6.1. Получение биомассы микроорганизмов
в качестве источника белка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2. Производство хлебопекарных дрожжей и их экспертиза . . . . .55
Тема 7. Современное состояние пищевой биотехнологии . . . . . . . . 58
7.1. Современное состояние пищевой биотехнологии. . . . . . . . . 68
7.2. Применение пищевых добавок и ингредиентов,
полученных биотехнологическим путем . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.3. Микроорганизмы, используемые
в пищевой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.4. Генетически модифицированные источники пищи . . . . . . . .62
7.5. Съедобные водоросли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Тема 8. Пищевая биотехнология продуктов
из сырья животного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.1. Получение молочных продуктов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.2. Биотехнологические процессы в производстве
мясных и рыбных продуктов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Тема 9. Пищевая биотехнология продуктов
из сырья растительного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.1. Бродильные производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.2. Хлебопечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
9.3. Применение ферментов при выработке фруктовых соков . . . . 89
9.4. Консервированные овощи и другие продукты . . . . . . . . . . 90
9.5. Продукты из сои. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.6. Микромицеты в производстве продуктов
растительного происхождения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.7. Продукты гидролиза крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.8. Перспективы развития пищевой биотехнологии . . . . . . . . . 93
2. Требования к выполнению контрольных заданий по
дисциплине «Основы современной пищевой биотехнологии» . . . . . 95
3. Варианты контрольных заданий для студентов по
«Основам современной пищевой биотехнологии» . . . . . . . . . . . . 95
4. Вопросы к экзамену по «Основам современной
пищевой биотехнологии». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5. Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
1. Лекция 16. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ДОБАВОК.
ЛЕКЦИЯ 16. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ДОБАВОК.
1. Классификация пищевых добавок и БАД к пище.
Гигиеническая регламентация применения пищевых
добавок.
2. Получение пищевых красителей биотехнологическими методами на примере препаратов
-каротина.
3.
Биотехнологические
процессы
получения
интенсивных подсластителей и сахарозаменителей,
усилителей вкуса.
4. Биотехнология получения консервантов на примере
низина и пропионовой кислоты.
2. Классификация пищевых добавок и БАД к пище
1. ПД, снижающие калорийность пищи: пищевые волокна,
микрокристаллическая целлюлоза, пектиновые вещества и т.п.;
2. ПД, улучшающие внешний вид, вкус, запах, цвет:
ароматизаторы,
подслащивающие вещества, отбеливающие вещества,
красители и т.п.;
3. ПД, улучшающие консистенцию пищи: загустители,
поверхностно-активные вещества, стабилизаторы и т.п.;
4. ПД, удлиняющие сроки хранения пищи: консерванты,
антиокислители;
5. Радиопротекторы и энтеросорбенты экологически вредных
веществ: пектиновые вещества, хитин и хитозан, лигнин,
полисорб и т.п.;
6. ПД, повышающие питательную ценность пищи: концентраты
и изоляты белка, аминокислоты, витамины, микроэлементы и
другие;
7. Лечебно-профилактические добавки.
3. Технология получения препаратов β-каротина.
Технология концентрата предусматривает следующие операции:
— очистка молочной сыворотки от жира и казеиновой пыли,
— депротеинизация методом термокислотной или кислотно-щелочной
коагуляции;
— пастеризация депротеинизированной сыворотки и охлаждение до
температуры инокуляции молочнокислых палочек и дрожжей 30-32
оС;
— внесение растворов питательных солей (сернокислого аммония –
0,8 %, фосфата калия однозамещенного – 0,3 %, сернокислого магния
– 0,05 %);
приготовление
закваски
молочнокислых
бактерий
на
пастеризованном обезжиренном молоке (доза внесения 0,5-1,0 %) и
рабочей культуры дрожжей (доза внесения 10-50 %) на среде, состав
которой аналогичен составу производственной питательной среды;
— производственная ферментация при температуре 30-32 оС, рН 4,05,0, интенсивности аэрации 35-60 м3/м3*ч, максимальное накопление
каротиноидов наблюдается за 96 часов культивирования;
— сгущение и сушка концентрата.
4. Биотехнологические процессы получения интенсивных подсластителей и сахарозаменителей
В настоящее время в мире освоено биотехнологическое
производство четырех групп подслащивающих веществ:
— сахаристые крахмалопродукты;
— сиропы гидролизованной лактозы;
— сахарозаменители;
— интенсивные подсластители.
5. Технология получения сиропов гидролизованной лактозы
В промышленных условиях процесс ферментативного гидролиза
лактозы реализуется с использованием следующих типов
биокаталитических систем:
— биореакторы с однократным использованием препарата лактазы
и ее последующей термической инактивацией;
— блочная аппаратура типа «биореактор – ультрафильтрационный
модуль» с многократным использованием ферментного препарата
за счет рециркуляции ультраконцентрата;
— проточные биореакторы колонного или тарельчатого типа;
— каскады последовательно соединенных аппаратов с полыми
волокнами (возможно совмещение гидролиза с процессом
ультрафильтрации молочной сыворотки);
— системы с инжекцией малых количеств стерильного
растворимого фермента в асептических условиях в молочное
сырье, подвергнутое УВТ-обработке, с последующим медленным
протеканием гидролиза лактозы в молочных продуктах в процессе
их хранения.