Получение лимонной кислоты 5 страница

- независимость производства от погодных и сезонных условий: биомассу микроорганизмов можно получать круглогодично;

- возможность выращивания биомассы на различных непищевых субстратах и на отходах ряда производств;

- возможность организации производства микробного белка индустриальными методами с применением автоматизации.

Использование того или иного продуцента при производстве белковых препаратов определяется составом питательной среды и назначением белка. Требования менее строги, если белок предназначен для кормовых целей и должны быть высокими, если белковые препараты используются в пищу.

Эффективность применения микроорганизма-продуцента для производственных целей определяется, с одной стороны, скоростью его роста, с другой - степенью использования питательных веществ среды. Продуценты белков должны отвечать следующим требованиям:

s накапливать 40-70 % белка от своей биомассы;

s максимально усваивать питательные вещества среды;

s не являться болезнетворными и не выделять в среду токсических продуктов;

s обладать высокой устойчивостью и выживаемостью в нестерильных условиях выращивания;

s иметь высокую скорость размножения и роста;

s легко отделяться от среды.

Промышленные культуры, используемые для биосинтеза белковых веществ, должны отвечать медико-биологическим требованиям.

Преимуществом дрожжей перед другими микроорганизмами является их технологичность: устойчивость к инфекциям, легкость отделения от среды благодаря крупным размерам клеток по сравнению с бактериями, способность усваивать различные источники углерода, азота и способность расти на простых средах, высокие питательные свойства и приятный запах биомассы. Дрожжевая биомасса представляет собой полноценный белковый продукт с высоким содержанием витаминов, который может найти применение как для кормовых, так и для пищевых целей.

Преимуществом бактерий является высокая скорость роста, бόльшее, чем у других микроорганизмов, содержание белка и незаменимаой аминокислоты метионина в биомассе. По составу аминокислот бактериальный белок приближается к животному и поэтому имеет бόльшую ценность в качестве кормового препарата. Однако при использовании бактерий должен быть тщательно изучен состав их липидов, так как у некоторых из них в липидах могут содержаться токсины. Недостатком бактерий являются маленькие размеры клеток и плотность, близкая к плотности воды, что затрудняет их выделение из культуральной жидкости.

Кроме того, биомасса дрожжей и бактерий имеет высокое содержание нуклеиновых кислот (до 12 % и до 16 % соответственно), что ведет к образованию нежелательных продуктов распада в животном организме.

Водоросли, как и все другие микроорганизмы, водоросли являются перспективным источником получения белка. Они легко отделяются от субстрата, медленнее растут, чем дрожжи и поэтому содержат меньше нуклеиновых кислот в биомассе. Общее содержание белка в водорослях может достигать 70 %. Причем эти белки полноценны по аминокислотному составу.

Грибы. Для получения кормового и пищевого белка можно использовать промышленное выращивание различных видов низших и высших грибов. Некоторые виды микроскопических грибов способны накапливать до 50 % белка.

По содержанию незаменимых аминокислот белок грибов приближается к белку животного происхождения, биомасса богата витаминами, особенно, группы В, содержание нуклеиновых кислот низкое (2,5 %), клеточные стенки тонкие и легко перевариваются в желудочно-кишечном тракте животных.

При выращивании микроскопических грибов на жидкой питательной среде, как правило, на первой стадии культивирования происходит интенсивное образование биомассы. В условиях глубинного культивирования в первые 5-6 часов происходят сложные внутриклеточные преобразования в конидиях, они набухают, и появляются первые гифы. Далее идет быстрое развитие и рост мицелиальной массы гриба. Мицелий может формироваться в виде шариков или кашеобразной массы.

Промышленное производство микробного белка

Независимо от вида используемого сырья, технологический процесс производства микробных белковых препаратов состоит из следующих основных стадий (рис. 6.1): подготовка сырья и приготовление питательных сред для выращивания микроорганизмов; культивирование микроорганизмов; выделение биомассы продуцента из культуральной жидкости; плазмолиз клеток; сушка

		Сырье
Пар		Подработка сырья (измельчение, гидролиз, освобождение от токсических веществ и т.д.)
Воздух
Кислоты, щелочи и другие химические агенты
Воздух		Приготовление питательной среды
Пар
Питательные вещества
Чистая культура продуцента		Культивирование микроорганизмов
Вода
Пар
Воздух
Вода		Отделение биомассы продуцента от жидкой фазы и ее промывка
Пар		Концентрирование биомассы и плазмолиз клеток
Нагретый воздух		Высушивание микробной пасты до влажности 8-10%
		Фасовка и упаковка готового препарата
		Готовый микробный белковый препарат

Рис. 6.1. Основные стадии процесса производства

микробных белковых препаратов

биомассы; фасовка и упаковка готового препарата.

В качестве питательной среды для производства белковых препаратов в промышленных масштабах используют молочную сыворотку. Более подробно химический состав и свойства молочной сыворотки описаны в разделе 2.3. На молочной сыворотке хорошо растут и накапливают значительное количество белка дрожжи Kluyveromyces и Candida. Большое значение имеет и то обстоятельство, что применение молочной сыворотки не требует специальной сложной подготовки, а культуральная жидкость после выращивания микроорганизмов может быть использована в пищевых и кормовых целях без обработки.

При всестороннем исследовании микробной массы, полученной на молочной сыворотке, была выявлена ее высокая технологическая и экономическая эффективность для мясного и молочного животноводства, птицеводства и целого ряда других направлений.

Для получения белка на гидролизатах растительного сырья наиболее часто используют дрожжи рода Candida, реже - дрожжи рода Trichosporon. Также дрожжи рода Candida способны к синтезу белка на сульфитных щелоках и жидких углеводородах. Газообразные углеводороды хорошо потребляются бактериями родов Mycobacterium и Pseudomonas.

Применение биомассы микроорганизмов в качестве белковой добавки в корма требует всестороннего изучения ее состава и свойств, в частности перевариваемости и усвояемости. Испытанию на токсичность должны подвергаться не только живые клетки, но и продукты их метаболизма, а также готовые белковые продукты. Обязательным условием должно быть отсутствие в них живых клеток штамма-продуцента, чтобы не происходил вторичный рост.

Наиболее эффективным путем использования микробного белка для ликвидации белкового дефицита в питании человека является его применение непосредственно для пищевых целей. Микробный белок используется в пищевой промышленности для изготовления различных продуктов и полуфабрикатов, начиная с 1985 г.

В производстве пищевых продуктов рассматриваются 3 основные формы использования микробного белка:

1. Цельная биомасса (без специального разрушения клеточных стенок).

2. Частично очищенная биомасса (разрушение клеточных стенок и удаление нежелательных компонентов).

3. Выделенные из биомассы белки.

Выделенные белки (изоляты) являются наиболее приемлемыми формами использования белковых препаратов. Однако недостаток их применения связан с тем, что при их выделении используются кислоты и щелочи, высокая температура, давление, что приводит к частичному разрушению аминокислот.

При микробном синтезе белка следует подбирать культуры, у которых состав белка по незаменимым аминокислотам был бы близок к эталону, установленному Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) - яичный белок, белок женского молока.

ВОЗ сделала заключение, что белок микроорганизмов может использоваться в продуктах питания, но допустимое количество нуклеиновых кислот вводимых вместе с микробным белком в диету взрослого человека не должно превышать 2 г в сутки. Испытания на добровольцах показали, что введение микробного белка в пищевой рацион не вызывает отрицательных последствий, но встречается проявление аллергических реакций, желудочные заболевания и т.д.

6.2. Производство хлебопекарных дрожжей и их экспертиза

Дрожжи – постоянный спутник человека, они используются в разных микробиологических процессах. Хлебопекарные дрожжи в России начали выращивать в монастырях еще 14-15 вв. Прессованные дрожжи начали производить в 1972 г. в Германии.

Биомассу дрожжей, как источник пищевого белка, человек применяет только в экстремальных условиях (во время голода или в качестве компонента сухого пайка для альпинистов, мореплавателей). Одной из причин малой популярности дрожжевых блюд является сравнительно толстая клеточная оболочка дрожжей, которая затрудняет их усвоение организмом.

Наши представления о питательной ценности дрожжей постепенно меняются. Человек хорошо овладел искусством выращивания дрожжей в промышленных условиях, биотехнологи освоили технологию выращивания богатой белками биомассы хлебопекарных дрожжей Saccharomyces cerevisiae на простых синтетических средах (например, на этиловом спирте микробного или химического происхождения), а химики разработали способы выделения из дрожжевой биомассы очищенных белковых концентратов. Хлебопекарные дрожжи могут метаболизировать этиловый спирт благодаря наличию в клетках алкогольдегидрогеназы, но рост дрожжей на этаноле имеет множество особенностей. Стимулирующее действие на этанольные дрожжи в синтетической среде оказывают минимальные добавки аминокислот.

При выращивании хлебопекарных дрожжей на синтетической этанольной среде в лабораторном ферментере при непрерывном режиме с добавкой 0,5 % дрожжевого экстракта достигнута концентрация биомассы в пересчете на сухие вещества 8-9 г/л при выходе 70-75 % от использованного субстрата. Вместо дрожжевого экстракта можно применять кукурузный экстракт или депротеинизированный сок картофеля.

Промышленное производство хлебопекарных дрожжей

Обычно для промышленного производства дрожжей используют питательную среду, основным компонентом которой является меласса – отход сахарного производства (свекловичная или из сахарного тростника). Дрожжи выращивают в биореакторах (ферментерах) периодического действия аэробным глубинным способом при рН 4,4-4,5 по так называемому приточному методу. В чистый аппарат вводят 70-80 % теплой воды от необходимого конечного разведения мелассы (1 : 17 – 1 : 30, в зависимости от первоначальной концентрации сахаров), добавляют 10 % мелассы и растворы солей, устанавливают оптимальные рН среды и температуру и начинают умеренную аэрацию (1 об/ (об · мин)). В такую среду вносят посевной материал. В течение 1-го часа среду не добавляют, а в последующие 10 ч ее вводят непрерывным потоком в количествах 5; 6; 7,2; 8,2; 9,2; 10,2; 12,8; 11,0 и 9 % в час от общего количества питательной среды. Аэрация в течение всего процесса ферментации также меняется. В первый и последний час культивирования она меньше (1 : 1), а в период интенсивного размножения дрожжей достигает 1,5 – 2,0 об / (об · мин). В таких условиях дрожжи проходят все стадии развития. В стационарной фазе роста культуру выдерживают до полного прекращения интенсивного почкования.

Во время ферментации незначительно возрастает концентрация среды (от 0,9 до 2,2 по сахариметру) и титруемая кислотность (от 0,3 до 0,8 мл 1 н раствора кислоты на 100 мл среды). В таких условиях выход прессованных дрожжей составляет 150 % от количества использованного сахара (или 37,5 % сухой биомассы).

После ферментации дрожжи отделяют от среды путем центрифугирования или фильтрации на фильтр-прессе, затем биомассу тщательно промывают водой. Товарные дрожжи могут быть сухими и прессованными.

Прессованные дрожжи хранят при пониженной температуре (4-6 ^оС), так как при комнатной температуре бактерии и микромицеты быстро повреждают дрожжевые клетки. В биомассе дрожжей содержится около 50 % белков, свободные аминокислоты и витамины. Для длительного хранения хлебопекарные дрожжи высушивают до содержания влаги 8-9 %.

Экспертиза хлебопекарных дрожжей

При экспертизе товарных дрожжей определяют: органолептические показатели (внешний вид, цвет, запах и вкус, консистенцию); влажность дрожжей (для прессованных дрожжей, согласно ГОСТ 171-81, массовая доля влаги не должна превышать 75 %); содержание мертвых клеток (не более 5 %); способность дрожжей к размножению (доля почкующихся клеток должна составлять 40-70 % от общего количества); биологическую чистоту (годными для производства считаются дрожжи, содержащие не более 1 % бактерий и не более 0,5 % диких дрожжей); подъемную силу. Подъемная сила дрожжей характеризуется временем, прошедшим с момента внесения теста в форму до подъема теста до 70 мм. Подъемная сила дрожжей должна быть не более 70 мин.

Хлебопекарные дрожжи широко используются в различных отраслях пищевой промышленности: хлебопекарной, пивоваренной, при получении этилового спирта, вин и т.д.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы преимущества микробного белка перед другими источниками?

2. Требования к продуцентам белка.

3. Достоинства и недостатки получения белка с помощью дрожжей, микроскопических грибов, бактерий, водорослей.

4. Основные стадии процесса производства микробных белковых препаратов.

5. Использование молочной сыворотки в качестве питательной среды при производстве белковых препаратов.

6. Основные формы использования микробного белка.

7. Состав питательной среды при промышленном производстве хлебопекарных дрожжей.

8. Какие способы культивирования используются при производстве хлебопекарных дрожжей ?

9. В чем суть приточного метода ?

10. Отделение биомассы дрожжей от культуральной жидкости.

11. Назовите товарные формы хлебопекарных дрожжей.

12. По каким показателям проводят экспертизу качества хлебопекарных дрожжей ?

13. Что такое биологическая чистота дрожжей ?

14. Что такое подъемная сила хлебопекарных дрожжей ?

ТЕМА 7. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

7.1. Современное состояние пищевой биотехнологии

В современной пищевой биотехнологии можно выделить два направления: применение веществ и соединений, полученных биотехнологическим способом (например, органических кислот, аминокислот, витаминов), и интенсификация биотехнологическия процессов в производстве пищевых продуктов.

В настоящее время в пищевой промышленности широко используется продукция, полученная биотехнологическим способом. Расширяется область применения пищевых добавок, в том числе полученных с помощью микробных клеток: органических кислот, ферментных препаратов, подсластителей, ароматизаторов, загустителей и т.д. (табл. 7.1). На продовольственном рынке растет ассортимент функциональных пищевых продуктов. Для их производства применяют витамины, аминокислоты и другие соединения, полученные биотехнологическим способом.

Таблица 7.1

Использование продукции биотехнологии

в пищевой промышленности

Продолжение таблицы 7.1

Более подробно применение биотехнологической продукции в пищевой промышленности рассмотрено в разделах 4-6, посвященных получению полезных для человека веществ и соединений (пищевых кислот, аминокислот, витаминов, ферментных препаратов) с помощью микробных клеток.

Второе направление пищевой биотехнологии - интенсификация биотехнологических процессов в производстве пищевых продуктов – будет подробно рассмотрено в следующих темах.

7.2. Применение пищевых добавок и ингредиентов,

полученных биотехнологическим путем

Подкислители

Подкислители применяют в основном как вкусовые добавки для придания продуктам «острого» вкуса. Самый популярный подкислитель – лимонная кислота, которую получают при участии Aspergillus niger, сбраживая мелассу и содержащие глюкозу гидролизаты. Ее широко используют в производстве безалкогольных напитков и кондитерских изделий. При консервировании помидоров широко используют яблочную кислоту, ее образует A. flavus. К числу других кислот, широко применяемых в пищевой промышленности, относятся уксусная, молочная, итаконовая (продуцент – A. terreus), глюконовая, используемая в форме глюконолактона (продуцент - A. niger), и фумаровая (микроскопический гриб рода Rhizopus).

Усилители вкуса

Вещества, усиливающие оттенки вкуса, содержатся в природных пищевых продуктах. Главным усилителем вкуса считается натриевая соль глутаминовой кислоты (глутамат натрия): ее можно получать при помощи Micrococcus glutamicus.

Расщепляя с помощью фермента нуклеазы микроскопического гриба Penicillium citrinum нуклеиновые кислоты, в промышленном масштабе получают 5´-нуклеотиды (содержащие главным образом инозин и гуанин), которые находят применение как усилители вкуса.

Красители

Основные потребности в этих соединениях удовлетворяются за счет природных источников и продуктов химического синтеза, но два из них традиционно получают методами биотехнологии. В качестве красителей и усилителей цвета используются некоторые витамины, такие как В₂(рибофлавин), β-каротин, окрашивающие пищевые продукты в оранжево-желтые цвета. b-каротин применяют при изготовлении колбас с целью замены нитрита натрия, кондитерских изделий, сливочного масла, макаронных изделий.

Некоторые аминокислоты при температуре 100-120 °С и сильнощелочной реакции взаимодействуют с сахарами с образованием красителей.

Загустители

Ксантан был первым микробным полисахаридом, который начали производить в промышленном масштабе (1967 г.). Синтезируется микроорганизмами Xanthomonas campestris при выращивании на глюкозе, сахарозе, крахмале, кукурузной декстрозе, барде, творожной сыворотке. Это вещество обладает высокой вязкостью в широком диапазоне рН, не зависящей от температуры и присутствия солей. Ксантаны безопасны для человека, вследствие чего с 1969 г. используются в пищевой промышленности для производства консервированных и замороженных пищевых продуктов, приправ, соусов, продуктов быстрого приготовления, заправок, кремов и фруктовых напитков. В сочетании с растительным полисахаридом из семян лжеакации водные растворы ксантана образуют стабильные гели, что используется в производстве кормов, например, консервированных кормов для домашних животных.

Широко используется в кондитерской промышленности и при производстве мороженого в качестве стабилизатора полисахарид декстран (α-D-глюкан) из Leuconostoc mesenteroides, выращиваемого на сахарозе.

Альгинаты из растительных источников широко используются в пищевой промышленности в качестве загустителей или гелеобразующих агентов. Их применяют для стабилизации йогурта, для предотвращения образования кристаллов льда при получении мороженого и т.д. Источником альгинатов служат морские водоросли (например, Laminaria spp.), однако по своей природе этот источник непостоянен. В промышленном масштабе получают альгинаты, выращивая бактерии Azotobacter в условиях избытка углерода. Причем тип получаемого альгината можно изменять, варьируя различные параметры культивирования (содержание фосфора, кальция).

7.3. Микроорганизмы, используемые в пищевой промышленности

Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих полезные для человека реакции, насчитывается несколько сотен видов. Микроорганизмы, широко используемые в производстве пищевых продуктов, относятся к четырем группам: бактерии, актиномицеты (грамположительные бактерии, не образующие спор), дрожжи и плесени.

Из 500 известных видов дрожжей первыми люди научились использовать Saccharomyces cerevisiae, этот вид наиболее интенсивно культивируется, и нашел самое широкое применение. Многочисленные штаммы S. сerevisiae находят применение в пивоварении, виноделии, производстве японской рисовой водки (сакэ) и других алкогольных напитков, а также в хлебопечении. К дрожжам, сбраживающим лактозу, относится вид Kluyveromyces fragilis, который используют для получения спирта из молочной сыворотки. Saccharomyces lipolitica деградирует углеводороды и употребляется для получения микробной биомассы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов. Другие полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием. Phaffia rhodozyma синтезирует астаксантин – каротиноид, который придает мякоти форели и лосося, выращиваемых на фермах, характерный оранжевый или розовый цвет.

Плесени (микроскопические грибы) вызывают многочисленные превращения в твердых средах, которые происходят перед брожением, их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве сакэ и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищевых продуктов, употребляемых в азиатских странах (мисо, темпе и др.). Плесени также продуцируют ферменты, используемые в пищевой промышленности (амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы), пищевые кислоты (лимонную, молочную, уксусную) и другие вещества. Микроскопические грибы рода Penicillium применяют в производстве сыров (например, Рокфора и Камамбера).

Полезные бактерии относятся к эубактериям. Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту – в углекислый газ и воду. Род Bacillus относится к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры и имеют жгутики. B. subtilis – строгий аэроб, а B. thuringiensis может жить и в анаэробных условиях.

Анаэробные, образующие споры бактерии, представлены родом Clostridium. C. acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n–бутанол (ацетонобутаноловое брожение), другие виды могут сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения. К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Strеptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и не чувствительны к кислороду. Гетероферментативные молочнокислые бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ; гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Strеptococcus продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.

7.4. Генетически модифицированные источники пищи

Возможности генетической инженерии позволяют создавать генетически модифицированные источники пищи.

Растения, животные, микроорганизмы, полученные с помощью генно-инженерной биотехнологии, называются генетически измененными, а продукты их переработки – трансгенными пищевыми продуктами, или генетически модифицированными источниками (ГМИ).

Создание генетически модифицированных источников растительного происхождения, являющихся сырьем для производства пищевых продуктов, связано с возможностью придать сельскохозяйственным растениям новые полезные свойства: повысить пищевую ценность, устойчивость растений к неблагоприятным погодным условиям, патогенам и вредителям и т.д. Техника рекомбинантных ДНК (генная инженерия) и ее применение к растениям способствует преодолению барьеров, препятствующих межвидовому скрещиванию. Она позволяет также увеличить генетическое разнообразие культивируемых растений.