БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 1 страница
К важнейшим отраслям биоиндустрии (рис. 1.1) следует отнести некоторые отрасли пищевой промышленности (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов, ферментов); сельское хозяйство (клонирование и селекция сортов растений, производство биоинсектицидов, выведение трансгенных животных и растений); фармацевтическую промышленность (разработка вакцин, синтез гормонов, антибиотиков, интерферонов, новых лекарственных препаратов); экологию — защиту окружающей среды и устранение загрязнений (очистка сточных вод, переработка хозяйственных отходов, изготовление компоста и др.).
Биотехнология призвана не только совершенствовать традиционные методы, широко используемые в пищевой промышленности при производстве молочнокислых продуктов, сыра, пищевых кислот, алкогольных напитков, но и создавать современные технологии для синтеза полимеров, искусственных приправ, сырья (текстильная промышленность), для получения метанола, этанола, биогаза и водорода, для извлечения некоторых металлов из руд.
1.1. ПРОИЗВОДСТВО КОРМОВОГО БЕЛКА
В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей 60 — 120 г полноценного белка; в рационе сельскохозяйственных животных на каждую кормовую единицу нужно не менее 110 г полноценного белка. Для поддержания жизненных функций организма, построения клеток и тканей необходим постоянный синтез различных белковых соединений. Если растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все белковые аминокислоты из углекислоты, воды, аммиака и минеральных солей, то человек и животные не могут синтезировать
Микроклональное
размножение
растений
Генетическая инженерия
Промышленное
получение
биопестицидов,
бактериального
удобрения,
стимуляторов
роста растений
Микробиологический синтез кормового белка, отдельных аминокислот, витаминов, гормонов
Создание научных основ диагностики, профилактики и лечения болезней с/хживотных
Ускоренное
размножение
ценных
Растениеводство и животноводство Снабжение человека пищей Продукция водоемов |
производителей
Переработка
пищевых
продуктов
Средства для борьбы с потерями пищевых продуктов
Использование моно- клональныхантител для определения токсических веществ или инфекции в пищевых продуктах
М икробиологически й синтез технических белков, липидов, приводящий к сокращению затрат пищевых продуктов на технические нужды
Микробиологический синтез пищевого белка, аминокислот, витаминов, углеводов, вкусовых добавок и других веществ для пищевой промышленности
Применение ферментов в пищевой промышленности (получение глюкозо- фруктозного сиропа)
Создание замкнутых систем жизнеобеспечения в космосе
Активное управление первичными производителями органики морей
Микробиологический синтез кормовых добавок для рыб
Рис. 1.1. Перспективные направления биотехнологии в снабжении человечества продовольствием
некоторые аминокислоты (валин, лейцин, изолейцин, лизин, ме- тионин, треонин, триптофан и фенилаланин), которые называют незаменимыми. Эти аминокислоты должны поступать в организм в готовом виде с пищей; их отсутствие вызывает тяжелые заболевания человека и снижение продуктивности сельскохозяйственных животных.
Для человека главные источники незаменимых аминокислот — белки животного и растительного происхождения, входящие в состав пищи, а для животных — в основном растительные белки. Все незаменимые аминокислоты должны содержаться в белках
пиши в определенных соотношениях, отвечающих потребностям данного организма.
Если содержание белков в растительном корме ниже нормы, то по избежание перерасхода кормов и повышения себестоимости животноводческой продукции количество белка в корме компенсируют введением белковых добавок в виде препаратов незаменимых аминокислот либо белковой массы с более высоким содержанием ряда аминокислот по сравнению с эталоном. Незаменимые аминокислоты наиболее сбалансированы в белках семян сои. Относительно высокую биологическую ценность имеют также белки зерна риса и гороха. В белках зерна пшеницы и ячменя очень мало лизина, метионина и изолейцина, а в белках кукурузы еще и триптофана. Для балансирования кормов (в которых основной компонент — зерно злаковых культур) по белку и незаменимым аминокислотам применяют концентрированные белковые добавки — комбикорма. Для их приготовления используют мясокостную и рыбную муку, отходы мясной и молочной промышленности, жмыхи масличных растений, отруби, шроты зернобобовых культур.
Особый интерес представляет использование микроорганизмов в качестве источника белка и витаминов при производстве пищевых продуктов. Перспектива и экономическая целесообразность употребления микроорганизмов в технологии производства пищевых продуктов диктуются рядом факторов:
1) возможностью использования самых разнообразных химических соединений, в том числе отходов производства, для культивирования микроорганизмов;
2) высокой интенсивностью синтеза белков;
3) относительно несложной технологией культивирования микроорганизмов, которое можно осуществлять круглосуточно и во все сезоны года;
4) относительно высоким содержанием белка и витаминов, а также углеводов, липидов и препаратов на основе микробов;
5) повышенным содержанием незаменимых аминокислот по сравнению с растительными белками (табл. 1.1);
6) возможностью направленного генетического влияния на химический состав микроорганизмов в целях совершенствования белковой и витаминной ценности продукта.
Использование белка микробного происхождения для изготовления пищевых продуктов позволяет экономить высокоценные животные и растительные белки, а также повышать биологическую ценность готового продукта.
Для промышленного производства пищевых продуктов и их использования на основе микроорганизмов необходимы тщательные медико-биологические исследования. Пищевые продукты, получаемые с добавлением микробных препаратов, должны пройти
Таблица 1.1
Содержание незаменимых аминокислот в белках некоторых микроорганизмов (в граммах на 100 г белка)
|
всестороннюю проверку для выявления канцерогенного, мутагенного, эмбриотропного действия на организм человека и животных. Токсикологические исследования, усвояемость продуктов микробного синтеза — основные критерии целесообразности технологии их производства.
В настоящее время мировой дефицит белка составляет около 15 млн т. Наиболее перспективен микробиологический синтез, что следует из представленных ниже данных. Если для крупного рогатого скота требуется 5 лет для удвоения белковой массы, для свиней — 4 мес, для цыплят — 1 мес, то для бактерий и дрожжей — 1—6 ч. Мировое производство пищевых белковых продуктов за счет микробного синтеза составляет более 15 тыс. т в год.
В качестве источников кормового белка чаще используют различные виды дрожжей и бактерий, микроскопические грибы, одноклеточные водоросли, белковые коагуляты травянистых растений.
1.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРОЖЖЕЙ И БАКТЕРИЙ
Дрожжевые клетки в качестве источника углерода для роста способны использовать неразветвленные углеводороды с числом от 10 до 30 углеродных атомов в молекуле. В основном они представлены жидкими фракциями углеводородов нефти с температурой кипения 200 — 320 °С. Эти фракции углеводородов нефти могут быть получены низкотемпературной кристаллизацией, карбо- мидной депарафинизацией и адсорбцией на молекулярных ситах (цеолитах). В России первый завод по производству кормовых дрожжей из жидких парафинов нефти вступил в действие в 1971 г. В нашей стране и других странах СНГ из н-парафинов нефти производят большое количество кормовых дрожжей (свыше 1 млн т). При выращивании дрожжей на н-парафинах нефти в приготовленную из них питательную среду добавляют макро- и микроэлементы, необходимые витамины и аминокислоты. Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-вита- минный концентрат (БВК), содержащий до 50 — 60% белковых вешеств, для кормления сельскохозяйственных животных.
Хорошим субстратом для выращивания кормовых дрожжей является молочная сыворотка — производственный отход при переработке молока. В 1 т молочной сыворотки содержится около 10 кг белка и 50 кг лактозы. Разработана эффективная технология выделения из молочной сыворотки белков методом ультрафильтрации низкомолекулярных веществ через мембраны. Эти белки используют для приготовления сухого обезжиренного молока. Жидкие отходы, остающиеся после отделения белков (пермеат), могут быть переработаны путем культивирования дрожжей в обогащенные белками кормовые продукты.
В качестве источников углерода дрожжевые клетки могут использовать и низшие спирты — метанол и этанол, получаемые в биотехнологии из природного газа или растительных отходов. Дрожжевая масса, полученная после культивирования дрожжей на спиртах, содержит больше белков (56 — 62 % от сухой массы) и меньше вредных примесей, чем кормовые дрожжи, выращенные на н-па- рафинах нефти, такие, как производные бензола, D-аминокисло- ты, аномальные липиды, токсины и канцерогенные вещества. Кроме того, кормовые дрожжи имеют повышенное содержание нуклеиновых кислот — 3 — 6% от сухой массы, которые в этой концентрации вредно воздействуют на организм животных. В результате их гидролиза образуется много пуриновых оснований, превращающихся затем в мочевую кислоту и ее соли, которые могут быть причиной мочекаменной болезни, остеохондроза и лругих заболеваний. Тем не менее кормовые дрожжи хорошо усваиваются и перевариваются в организме животных, а по содержанию таких аминокислот, как лизин, треонин, валин и лейцин, значительно превышают многие растительные белки. Вместе с тем белки дрожжей частично не сбалансированы по метионину, в них мало цистеина и селенцистеина. Оптимальная норма добавления Дрожжевой массы в корм сельскохозяйственных животных обычно составляет не более 5 —10 % от сухого вещества.
Наряду с технологией использования дрожжевых белков в качестве кормовой добавки в рационы сельскохозяйственных животных разработаны технологии получения из них пищевых белков. В некоторых странах пивные и пищевые дрожжи (Saccharomyces cerevisiae, Candida arborea, С. utilis) широко используют в качестве белковых добавок к различным пищевым продуктам. Дрожжевой белок позволяет повысить питательную и витаминную ценность пищевых продуктов, улучшить их вкус и аромат. Так, разработана рецептура приготовления сосисок из мяса индейки с добавлением 25 % белка, дрожжевого хлеба и лапши с частичной заменой муки — до 5 % (США). В результате ферментации дрожжевыми клетками глюкозы, получаемой из кукурузного крахмала, синтезирован белковый продукт мукопротеин, используемый при производстве колбас в качестве замены основного сырья (Великобритания).
Очень полезными продуктами являются ацидофильно-дрожже- вое молоко и творог, сделанный из него. Технология получения творога включает следующие этапы. В цельное молоко с 2 % сахара вносят 3 % суточной культуры дрожжей и выдерживают 14— 17 ч при температуре 32—33 °С. Полученную закваску добавляют в молоко и выдерживают до свертывания при температуре 33 °С еще 5 —6 ч. Такой творог богат витаминами В,, В2, С и др. Представители 14 видов дрожжей рода Candida утилизируют молочную сыворотку для получения биомассы, богатой витаминами и белком. Способность некоторых видов дрожжей (Rhodotorula glutimis) продуцировать каро- тиноиды нашла применение в производстве пищевых красителей.
Колбасные изделия с добавлением микропротеина рекомендованы больным, страдающим диабетом и другими хроническими заболеваниями.
Фирмой «Amoco Foods» (США) налажено производство сухи;* дрожжей Candida utilis под названием торутеин, который добавляют в продукты питания. В штате Оклахома (США) разработан?, технология получения ряда диетических продуктов, обогащенные дрожжевым белком «Provesten Т» (фирма «Provesta») с высокие содержанием протеина. Напитки, в которые добавлен препарат, имеют оригинальный вкус.
Важный резерв пищевого белка и витаминов — остаточные пивные дрожжи Saccharomyces carlsbergensis. Организм человека усваивает свыше 90 % всех питательных веществ, содержащихся в них. Е составе этих дрожжей обнаружено около 14 витаминов, причек на долю витамина В, приходится 10 мг%, витамина В2 — 3 мг% они характеризуются хорошей сбалансированностью незаменимы; аминокислот, белка (не менее 48 %). Пивные дрожжи могут с ус пехом применяться при производстве колбас в качестве замени теля казеина; они повышают биологическую и витаминную ценность колбас, улучшают их вкус, аромат и другие показатели. Пивные дрожжи применяют в пищевой промышленности для «ароматизации» мяса, творога и изделий из них. Как правило, биомасса- дрожжей при переработке в пищевой белок тщательно очищаю-:
Сначала разрушают стенки дрожжевых клеток путем механической, щелочной, кислотной или ферментативной обработки с последующей экстракцией гомогенной дрожжевой массы подходящим органическим растворителем. После такой очистки от органических и минеральных примесей дрожжевой продукт обрабатывают щелочным раствором для растворения белков. Далее белковый раствор, отделенный центрифугированием от оставшейся массы дрожжей, подвергают диализу. Очищенные от низкомолекулярных примесей белки осаждают, высушивают и используют в качестве белковых добавок в различные пищевые продукты: сосиски, паштеты, мясные и кондитерские начинки. Белки дрожжей применяют также при получении искусственного мяса. Для этого их нагревают с последующим быстрым охлаждением или продавливанием белковой пасты через отверстия малого диаметра. В белковую пасту добавляют полисахариды и другие компоненты.
Известно более 30 видов бактерий, которые могут быть применены в качестве источников полноценного кормового белка. Бактериальные белковые концентраты с содержанием сырого белка 60 — 80% (от сухой массы) — ценные препараты в кормопроизводстве. Следует отметить, что бактерии значительно быстрее, чем дрожжевые клетки, наращивают биомассу и, кроме того, белки бактерий содержат больше цистеина и метионина, что позволяет отнести их в разряд белков с высокой биологической ценностью. Источником углерода при культивировании бактерий могут служить природный и попутный газы, водород, а также спирты — метанол, этанол, пропанол. Чаще всего на газовых питательных средах выращивают бактерии рода Methylococcus, способные утилизировать до 85 — 90% метана в специальных ферментерах. Однако производство кормового белка из газообразных продуктов довольно сложно и дорогостояще. Более широко применяется технология выращивания бактерий на метаноле, который легко получают путем окисления метана. При культивировании на питательной среде с метанолом наиболее часто используют бактерии родов Methylomonas, Pseudomonas, Methylophillus. Масштабное производство кормовых белков на основе использования метанола впервые было организовано в Великобритании. Концерном «Ай-Си-Ай» выпускается кормовой белковый препарат прутин (коммерческое название). В России также разработана технология получения препарата из метанола под названием меприн. В этом препарате содержится до 74 % белков (от сухой массы), до 5 % липидов, 10% минеральных веществ, 10 —13 % нуклеиновых кислот. В настоящее время разрабатывается технология получения кормового белка из этанола на основе культивирования бактерий рода Acinetobacter (препарат эприн).
К числу бактерий с высокой интенсивностью синтеза белков следует отнести и водородокисляющие бактерии, способные накапливать в клетках до 80% сырого белка (в расчете на сухую массу). Для их культивирования в составе газовой среды обычно содержится 70 — 80 % водорода, 20—30 % кислорода и 3 — 5 % С02. Производство кормового белка на основе использования водоро- докисляющих бактерий может быть организовано вблизи химических предприятий.
Кормовой белок бактериального происхождения добавляют в комбикорма в количестве 2,5 — 7,5% от белка рациона сельскохозяйственных животных, а при кормлении взрослых свиней — до 15 %.
1.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОСЛЕЙ И МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ГРИБОВ
Для получения кормового белка используют одноклеточные водоросли Chlorella и Scenedesmus, синезеленые водоросли из рода Spirulina, способные синтезировать белки из диоксида углерода, воды и минеральных веществ за счет энергии солнечного света. Водоросли для своего развития нуждаются в определенных режимах освещения и температуры и в больших объемах воды. Обычно их выращивают в естественных условиях южных регионов в бассейнах открытого типа. Водоросли хлорелла и сценедесмус нуждаются в нейтральной среде, их клетки имеют довольно плотную целлюлозную стенку, вследствие чего они хуже перевариваются в организме животных, чем спирулина, которую выращивают в щелочных озерах (рН 10 — 11). При выращивании водорослей в культиваторах открытого типа с 1 га водной поверхности можно получать до 70 т сухой биомассы в год, что превышает выход биомассы при возделывании пшеницы, риса, сои, кукурузы.
Содержание белков в клетках Clorella и Scenedesmus составляет около 55 % (в расчете на сухую массу), а в клетках Spirulina — 65 %. Белки водорослей хорошо сбалансированы по содержанию незаменимых аминокислот, за исключением метионина. В клетках водорослей, кроме того, синтезируется довольно много полиненасыщенных жирных кислот и (3-каротина (до 150 мг%).
Белковая масса из клеток водорослей поступает в производство в виде суспензии, сухого порошка или пастообразного препарата. Процесс отделения клеток водорослей от массы воды чрезвычайно трудоемкий. Суточная норма суспензии хлореллы при кормлении молодняка крупного рогатого скота — 3 — 6 л, взрослых животных — 8—10 л. В связи с тем, что биомасса Spirulina характеризуется высоким содержанием белков (до 70 % сухой массы), хорошо сбалансированных по аминокислотному составу, ее используют для приготовления продуктов питания и кондитерских изделий. Добавление этой водоросли в корм тутового шелкопряда (листья шелковицы) значительно увеличивает выход шелка и его качество.
В биомассе многих микроскопических грибов хорошо сбалансированы по аминокислотному составу белки; они включают также витамины и липиды. По своим питательным свойствам белки грибов приближаются к белкам сои и мяса, что позволяет использовать их не только для приготовления кормовых концентратов, но и как добавку в пищу человека. Источником углерода для промышленного выращивания микроскопических грибов служат растительные отходы, содержащие клетчатку, гемицеллюлозы, лигнин, а также торф и навоз. Образцы колбас, выработанные с применением микроскопических грибов, характеризуются высокой степенью перевариваемости белковых веществ in vitro за счет активных пепсина и трипсина. Обычно микробная биомасса добавляется в изделия из рубленого мяса в количестве 5 — 15%. Такой гриб, как Penicillium roqueforti, широко используется при производстве сыров, в частности сыра рокфор; он применяется свыше 100 лет. В Великобритании создан пищевой продукт, основным компонентом которого является белок грибного происхождения (Ftisarium graminearum) — микопротеин на дешевом глюкозном сиропе, полученном путем гидролиза пшеничного или кукурузного крахмала. Микопротеин — это аналог мяса, но по сравнению с белками животного происхождения лучшего качества по содержанию белка (44 %), минеральных веществ, витаминов и липидов. Хорошая перевариваемость грибной белковой массы в организме животных, а также низкий уровень содержания нуклеиновых кислот позволяют использовать ее в качестве кормовой добавки в большей концентрации, чем кормовые дрожжи. При кормлении взрослых животных возможна замена в корме 50 % растительного белка на грибной.
В зависимости от способа подготовки растительного сырья для культивирования микроскопических грибов применяют и соответствующие технологии их выращивания. Более высокий коэффициент использования сырья достигается при выращивании грибов на гидролизатах растительных отходов и жидких отходах деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности по сравнению с их культивированием на твердой питательной среде. Содержание белков в грибной массе при использовании метода глубинного культивирования составляет 50 —60 % от сухой массы. Для более полного использования сырья практикуется совместное культивирование грибов и бактерий.
Глава 2
ПРИМЕНЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
2.1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЕЕ ЗАДАЧИ
Специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких, как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии. Экологическая биотехнология — это новейший подход к охране и сохранению окружающей среды при совместном использовании достижений биохимии, микробиологии, генетической инженерии и химических технологий.
Круг проблем, решаемых экобиотехнологией, чрезвычайно широк — от разработки и совершенствования методологии комплексного химико-биологического исследования экосистем вблизи источников техногенных воздействий до разработки технологий и рекомендаций по рекультивации почвы, биологической очистке воды и воздуха и биосинтезу препаратов, компенсирующих вредное влияние изменения окружающей среды на людей и животных. В процессе круговорота загрязняющих веществ в экосистемах огромную роль играют микроорганизмы. Помимо использования деятельности микроорганизмов в пищевой, фармацевтической, химической промышленности и в генной инженерии появилась возможность их применения для переработки отходов жизнедеятельности человека. В связи с ростом городов и развитием промышленности возникли серьезные экологические проблемы: загрязнение водоемов, накопление ядовитых веществ, в том числе канцерогенных, бытового мусора и отходов, загрязнение воздуха. Однако многие из созданных человеком низкомолекуляр-' ных соединений (ядохимикаты, детергенты) и высокомолекулярных полимеров оказались устойчивыми и не разлагаются микроорганизмами, т.е. требуется разработка более усовершенствованных технологий.
Обычно для утилизации отходов применяют комплексы микроорганизмов и специальные приборные устройства. Многие из созданных человеком химических веществ проявляют биологи-
Таблица 2.1
Перечень веществ, опасных для жизнедеятельности человека
|
ческую активность: обладают мутагенными, канцерогенными, тератогенными свойствами, нарушают структуру клетки. В табл. 2.1 представлен ряд веществ, обладающих опасным для человека действием.
Некоторые загрязняющие биосферу вещества по своему происхождению являются природными соединениями. Например, компонент древесины лигнин, образующийся в значительных количествах как отход целлюлозно-бумажной промышленности, — опасный поллютант. К числу загрязняющих биосферу веществ природного происхождения принадлежат и многие ароматические и галогенсодержащие углеводороды.
2.2. БИОТРАНСФОРМАЦИЯ КСЕНОБИОТИКОВ И ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ВЕЩЕСТВ
Чужеродные вещества (ксенобиотики), попадая в организм человека и животных, претерпевают различную биотрансформа- пию: окисление, восстановление, гидролиз, конъюгацию и другие процессы с участием ферментных систем.
Так, в реакциях окисления чужеродных веществ особое место занимают микросомальные монооксигеназы, а также комплексы мембранно-связанных ферментов с участием цитохромов Р-450. Биотрансформация чужеродных веществ под воздействием микроорганизмов и ферментов протекает в воде и почвах. Изучение '■этих реакций в почвах в немалой степени затруднено гетероген-
( Б! 6 ЛI ОТЕКА | 17
ностью среды и адсорбцией ксенобиотиков, микроорганизмов и ферментов на частицах и коллоидах почв. Устойчивость многих ксенобиотиков в биосфере довольно высока. Например, ДДТ не исчезает из почвы до 30 лет; альдрин и хлордан — до 15 лет; ди- эльдрин — до 25 лет; гептахлор — до 14 лет. Некоторые поллютан- ты, подвергаясь распаду или трансформации, могут образовывать более устойчивые или токсичные продукты.
Процессы биотрансформации некоторых ксенобиотиков и загрязняющих веществ показаны на рис. 2.1 — 2.5.
1 С1
I н |
N^N Н5С2-N ^N ^ N-C2H5
I
н
С1 N^N
ha-N-^ANC02"5 I
Н5С2 \ н,с/ |
Н5С2Х |
NH + NO, |
н,с |
N-NO + ОН
CCL + ё |
Y |
ХС13+ С Г Липид —V—„ ь- СНС13
Scopulariopsis |
As,О, |
brevicaulis 3 |
Липид-радикал СН3
Н,С—As—СН3
Рис. 2.1. Биотрансформация некоторых ксенобиотиков и загрязняющих
веществ:
1 — окисление симазина с образованием канцерогена; 2 — окисление диэтилами- на с образованием канцерогенного продукта в желудке млекопитающих; 3— окисление (эпоксидация) апьдрина с образованием токсичного эпоксидадиэльдрина (реакция протекает в организме позвоночных, а также осуществляется многими почвенными организмами из 8 родов); 4 — восстановление четыреххлористого углерода в печени с образованием промежуточного трихлорметильного радикала, способного вступать в реакции окисления и переводить другие молекулы в перекис- ные соединения, вызывающие повреждение печени; 5 — трансформация оксида мышьяка с образованием триметилированного производного мышьяка
ДДТ
R2HC—СС13 ^
г. |
Дю о2 +н 7ci |
V |
-нс-^Ьс.
Дата добавления: 2016-02-09; просмотров: 3647;