Медико-биологические аспекты биотехнологии

В Федеральном Законе «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» № 52-ФЗ от 30.03.99 предусматривается, что пищевые продукты, пищевые добавки, продовольственное сырье, а также контактирующие с ними материалы и изделия в процессе их производства, хранения, транспортировки и реализации должны соответствовать санитарным правилам. Пункт первый статьи 43-й Закона определяет следующие объекты необходимой государственной регистрации веществ и продукции:

- впервые внедряемые в производство и ранее не использовавшиеся химические, биологические вещества и изготовленные на их основе препараты, потенциально опасные для человека;

- отдельные виды продукции, в т.ч. числе пищевые продукты, впервые ввозимые на территорию Российской Федерации.

Процедура государственной регистрации включает: оценку опасных для человека и среды его обитания веществ и отдельных видов продукции; установление гигиенических и иных нормативов содержания веществ, отдельных компонентов продукции в среде обитания; разработку защитных мер по предотвращению вредного воздействия веществ и отдельных видов продукции на человека и среду его обитания, в т.ч. условий утилизации и уничтожения.

Медико-биологические аспекты биотехнологии в производстве продуктов питания должны предусматривать разработку нормативной документации на производство биомассы микроорганизмов или препаратов на их основе. Это обеспечит необходимый уровень стандартизации исходного сырья, а также химического состава и функциональных свойств готовых микробных препаратов.

Под безопасностью пищевого продукта понимают состояние обоснованной уверенности в том, что пищевые продукты при обычном их использовании не являются вредными и не предоставляют опасности для здоровья нынешнего и будущих поколений. Безопасность любого продукта - главный аргумент возможности его использования в производстве продуктов, а также основание для изучение его биологической ценности и усвояемости. Цель этих исследований заключается в достоверной оценке безопасности и полноценности новых аналогов традиционных продуктов.

В Институте питания РАМН разработаны соответствующие методические подходы и медико-биологические критерии оценки качества продуктов, полученных с использованием принципов и приемов биотехнологии, в том числе - продуктов или компонентов пищи, полученных из генетически модифицированных источников. Отметим, что Федеральный Закон «О качестве и безопасности пищевых продуктов» № 29-ФЗ от 02.01.2000 не выделяет пищевые продукты и продовольственное сырье, полученные из генетически модифицированных источников, в самостоятельную группу, требующую индивидуального подхода к оценке качества и безопасности для здоровья человека.

Ключевым моментом является детальное изучение химического состава новой пищевой продукции, которое должно включать как показатели пищевой ценности, так и санитарно-химические показатели безопасности. Поскольку продукты, полученные из новых нетрадиционных источников или с использованием новых технологий, могут содержать неизвестные компоненты, возникает необходимость проведения токсикологических исследований на лабораторных животных: включение в их рацион нового продукта в максимально возможном количестве, с изучением интегральных показателей состояния животных, биохимических показателей крови, мочи и внутренних органов, гематологических показателей периферической крови, морфологических исследований органов, а также с изучением иммунного статуса организма. При проведении таких экспериментов необходимо соблюдение сбалансированности рационов или использование, кроме опытной, двух контрольных групп животных: первой группе дают обычный для данного вида животных рацион, второй - рацион, содержащий продукт, полученный традиционным способом, аналогичный тестируемому и в том же количестве.

Оценка пищевой и биологической ценности продуктов, выработанных с применением биомассы микроорганизмов и препаратов на их основе, должна предусматривать наряду с расчетом содержания пищевых веществ экспериментальные исследования усвояемости на животных с последующим испытанием продукта на людях с их добровольного согласия. На основании результатов всех проведенных исследований рассматривается вопрос о регистрации и разрешении широкого использования продукта или компонента пищи.

Производство продуктов биотехнологии связано, как правило, с применением специальных приемов обработки биомассы: применение кислот, щелочей, высоких температур, давления и т.д. Это приводит к разрушению или появлению недоступных пищевых веществ. В этой связи возникает необходимость в определении пищевой и биологической ценности продукции, а также их усвояемости и, кроме того, поиска новых щадящих технологий производства. Исходя из этого, можно отметить преимущество использования цельной биомассы микроорганизмов в технологии производства продуктов при условии доказательства безвредности комбинированного продукта. Следует также учитывать степень доступности и величину усвояемости нутриентов на фоне реального рациона человека, а также учитывать потребительские достоинства и экономические аспекты его производства.

Продукты, выработанные с использованием микроорганизмов и ферментных препаратов, должны пройти всестороннюю оценку для выявления канцерогенного, мутагенного, терратогенного и эмбриотропного действия. Из таких продуктов должны быть удалены вещества, обладающие антигенным и аллергизирующим эффектами, необходима их стерильность, гарантирующая отсутствие живых клеток патогенной микрофлоры.

Изучение безвредности биомассы микроорганизмов и препаратов на их основе проводят на лабораторных животных в несколько этапов. На первом этапе исследуют возможность острого токсического действия - вводят в корм животным большое количество продуктов микробного синтеза (в 1,5-2,0 раза превышающее норму). Такой подход позволяет выявить токсикологическую направленность, определить характер возможной патологии и органы-мишени. Для изучения кумулятивных и отдаленных эффектов является проведение хронического эксперимента (до двух лет) с различным уровнем введения в корм животных исследуемых образцов.

У людей и некоторых приматов, в отличие от других млекопитающих, отсутствует фермент уратоксидаза. Он метаболизирует продукт деградации нуклеиновых кислот - мочевую кислоту в растворимое соединение - алантоин, которое выводится из организма. При высоком содержании в пище нуклеиновых кислот может наблюдаться нарушение пуринового обмена, в частности, накопление уратов и мочевой кислоты. Последняя откладывается в виде солей в тканях организма и вызывает ряд нежелательных изменений. В связи с этим нельзя рекомендовать потребление большого количества пищевых продуктов, содержащих нуклеиновые кислоты. Потребление нуклеиновых кислот с пищей, согласно данным А.А. Покровского, не должно превышать 2 г в день.

Контрольные вопросы и задания

1. Что изучает биотехнология?

2. Приведите классификацию этапов становления биотехнологии.

3. Что такое фермент? На какие группы подразделяются ферменты?

4. Чем фермент отличается от ферментного препарата?

5. От каких факторов зависит активность фермента?

6. Чем отличаются ферментативные реакции нулевого и первого порядков?

7. От каких факторов зависит константа Микаэлиса-Ментена?

8. Для чего используют иммобилизацию ферментов?

9. Какое уравнение используют для описания кинетики роста микроорганизмов?

10. От каких факторов зависит интенсивность развития бактерий?

11. Чем отличаются белковые изоляты и концентраты?

12. Какой фермент используют для регулирования концентрации лактозы в молоке? Какие продукты гидролиза при этом образуются?

13. Приведите примеры прикладного использования ферментных препаратов в технологии продуктов питания.

14. Приведите примеры прикладного использования микроорганизмов в технологии продуктов питания.

15. Назовите микроорганизмы-продуценты основных пищевых веществ.

16. Оцените перспективы развития биотехнологии.

17. Раскройте основные положения Федерального Закона «О качестве и безопасности пищевых продуктов».

18. Как проводят оценку безопасности новых видов продуктов питания?

19. Как получают трансгенные продукты питания?

Общие вопросы консервированния

Пищевых продуктов

Известно, что большинство пищевых продуктов потребляется в свежем виде. Однако, как правило, они не могут длительно храниться в нативном состоянии, при этом производство многих продуктов носит сезонный и региональный характер. Для более равномерного распределения продуктов питания между регионами, а также по сезонам года сырье и готовую продукцию подвергают консервированию. При этом главной целью процесса консервирования является перевод нестойкого сырья в пищевые продукты, отличающиеся достаточной степенью устойчивости. Консервирование (от лат. consirvare - сохранять, хранить) - специальная обработка пищевых продуктов для увеличения продолжительности их хранения. Впервые консервированные продукты получены при использовании естественных (природных) процессов. К ним можно отнести, например, производство сыра (если рассмотреть с позиции консервирования белков молока). Давно известны такие способы консервирования, как, например, копчение, соление, брожение. Все методы консервирования подразделяют на физические, физико-химические, биохимические и комбинированные.

Использование консервирования для сохранения пищевых продуктов от порчи было известно на ранних стадиях развития человечества, когда оно сталкивалось с необходимостью продлить использование добытых или произведенных продуктов питания (мяса, рыбы, молока, плодов). Так появились простейшие способы консервирования пищевых продуктов: сушка, засолка, квашение, охлаждение, которые сохранились до нашего времени. И только в начале XIX в. появились консервы в современном понимание этого слова, т.е. продукты, укупоренные в герметичную тару и подвергнутые высокотемпературной обработке (стерилизации). Впервые этот метод предложил Николай Аппер (1810 г.)

Производство консервов имеет большое значение для населения и народного хозяйства практически любой страны. Консервированные продукты позволяют в значительной степени сократить затраты труда и времени на приготовление пищи в домашних условиях, обеспечить круглогодичное бесперебойное питание, а также создавать текущие, сезонные и страховые запасы. Современные технологии переработки и консервирования пищевых продуктов, использование подходящей тары и транспорта позволяют уменьшить разницу в степени удовлетворения потребностей населения различных регионов в пищевых продуктах и обеспечить равномерное снабжение по качеству и количеству продуктами питания.

Сдерживающими факторами устойчивого хранения большинства пищевых продуктов являются ферментные системы микрофлоры (микробиальная порча) и нативные ферменты самих продуктов (созревание мяса при автолизе, появление прогорклого вкуса у молока, богатого липазами).

Попадая в биологический материал, микроорганизмы начинают размножаться. При этом они потребляют питательные вещества с образованием различных соединений, в т.ч. - ядовитых. Типичным примером микробиальной порчи является сбраживание плесенями и дрожжами сахаров.

С₆Н₁₂О₆ ® 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН + 2820 кДж (4.1)

глюкоза углекислый этиловый

газ спирт

Приведенное уравнение показывает, что сахар превращается в спирт, который фактически является ядом для растительной клетки, а углекислый газ рассеивается. При этом ухудшаются пищевые и технологические свойства сырья. С другой стороны, процесс дыхания растительного сырья протекает без участия микроорганизмов. Если учесть, что биологическое сырье не способно к потреблению питательных веществ извне, то естественный биохимический процесс дыхания, связанный с потреблением кислорода из атмосферы, приводит исключительно к расходованию пищевых веществ самого сырья с потерей его массы. Дополнительное негативное влияние на эти факторы оказывают воздух, температура, свет. В зависимости от характера сырья, причин его порчи и продукта, который необходимо получить, применяются соответствующие технологические процессы, а также принципы и методы консервирования.

Любой способ консервирования включает в себя ряд отдельных технологических процессов, вид и параметры которых зависят от состава и свойств сырья, степени готовности консервов к употреблению, которая определяется характером технологической обработки: транспортированием, разделением на фракции, теплообменными операциями, смешиванием, диспергированием, дезинтегрированием, формованием, покрытием, упаковкой, фасовкой, укупоркой, этикетированием, затариванием.

Порча продуктов питания обусловлена, главным образом, действием ферментных систем микроорганизмов и собственного продуктов питания. Растительные и животные ткани биологических объектов являются хорошей питательной средой для развития микробов. Гниение, прокисание, брожение являются микробиологическими процессами. Считают, что проблема консервирования является биологической. Для того чтобы предотвратить биологические материалы от порчи, необходимо создать такие условия их хранения либо так изменить их свойства, чтобы попавшие в них микробы были уничтожены или не могли развиваться и чтобы ферменты, регулирующие биохимические процессы, были инактивированны.

В основу всех способов предохранения биологической ткани от порчи положена биологическая особенность сырья, которая связана с защищенностью от всякого рода внешних воздействий рядом механических, физико-химических и химических барьеров. Однако практически все сырье уже лишено от поступления пищевых веществ, поэтому протекающие в таком сырье биохимические процессы приводят только к потреблению, расходованию ценных питательных веществ, и таким образом запасы этих веществ истощаются без возобновления. При этом масса сырья уменьшается, теряется его пищевая ценность. Следовательно, проблема консервирования сводится к регулированию жизненных процессов, лежащих в основе порчи, т.е. имеются ввиду биологические процессы, протекающие в сырье, так и жизнедеятельность микробов. Изменяя состав и условия биологической среды, воздействуя на сырье или на микроорганизмы теми или иными физическими и химическими факторами, можно добиться уничтожения или подавления жизни возбудителя порчи (микроорганизма) и сохранения жизни сырья. Можно прекратить все жизненные процессы в сырье, не разрушая его пищевых качеств, и, устранив возбудителя порчи, сохранить сырье как пищевой продукт.

Исходя из этого, все способы консервирования по принципу воздействия на жизнь возбудителя или объекта порчи подразделяют на три группы (классификация профессора Я.Я. Никитинского).

1. Принцип биоза - поддержание жизненных процессов в сырье и использование его естественного иммунитета - невосприимчивости к действию микроорганизмов. Биоз представляет собой систему мер, связанных с управлением нормальными процессами в сырье и некоторое ограничение их интенсивности без специальной обработки (рациональное складирование). Биоз не является в обычном понимании методом консервирования, а лишь системой мер, обеспечивающей кратковременное сохранение, главным образом, растительных объектов в свежем виде. В консервном производстве принцип биоза используется как способ кратковременного сохранения сырья на первом этапе технологического процесса в основном на сырьевых площадках до переработки.

Прежде всего, следят за тем, чтобы при укладке сырья на нем не было физических повреждений, удаляют экземпляры с механическими дефектами, поскольку в поврежденном участке нарушены естественные барьеры иммунитета, а процесс порчи, начавшийся на поврежденном участке одного вещества, может перейти на другие образцы и даже поразить все хранилище.

Интенсивность процессов дыхания сильно возрастает с повышением температуры, поэтому нельзя хранить объекты под открытым небом или в укрытии, куда проникают прямые солнечные лучи или в которых кровля и стены не обладают изоляционными по отношению к теплу свойствами. При накоплении в атмосфере хранилища избытка углекислоты, образовавшейся в процессе дыхания плодов, также происходит нарушение нормального дыхания.

Скорость влагоиспарения зависит от влажности окружающего воздуха. При низкой влажности будут излишние потери влаги, ткани будут засыхать, терять массу. Это диктует необходимость следить за газовым состоянием окружающей среды.

Принцип биоза используется, как правило, при хранении плодов и овощей. Сырье укладывают не очень высоким слоем, чтобы доступ воздуха к отдельным образцам не был затруднен, иначе процесс нормального дыхания нарушается и наступает так называемое интрамолекулярное дыхание, заключающееся в бескислородном разложении сахаров на спирт и углекислый газ по уравнению (4.1), стр. 256. Образующийся спирт является ядом для цитоплазмы, отравляет растительные клетки и приводит к их гибели, поэтому сырье, особенно с нежной тканью, укладывают в ящики-клетки, оставляя между отдельными штабелями ящиков проходы. При таком хранении имеется достаточный доступ воздуха, и дыхание протекает нормально.

В том случае, если хранению подвергают твердые плоды, и хранение запланировано на относительно небольшой срок, измеряемый часами, то можно поступиться принципом хорошего доступа воздуха ради механизации процессов загрузки и разгрузки сырья

2. Принцип анабиоза - замедление, подавление жизнедеятельности микроорганизмов и ферментов сырья при помощи различных физических, химических, физико-химических и биохимических факторов. При этом микроорганизмы всегда переводятся в анабиотическое состояние. Наибольшее промышленное значение имеет:

- использование холода (охлаждение и замораживание);

- создание высоких концентраций осмотических давлений;

- хранение в регулируемой атмосфере;

- биохимические способы обработки (маринование, спиртование, квашение).

Особо следует отметить принцип ценоанабиоза (биохимический способ консервирования), который основан на том, что при хранении создаются благоприятные условия для определенной группы микроорганизмов, подавляющих размножение других микроорганизмов, вызывающих порчу продукта. Типичным примером ценоанабиоза является квашение, при котором биохимические процессы протекают при помощи субстрата сырья (сахаров) и ферментов микроорганизмов, присутствующих на сырье (дрожжей и молочнокислых бактерий). Это позволяет накопить в продукте собственные консерванты: молочную кислоту и спирт. Они, в свою очередь, подавляют жизнедеятельность нежелательной микрофлоры, прежде всего гнилостной, а также вызывающей маслянокислое и уксуснокислое брожение.

3. Принцип абиоза - полное прекращение всех биологических процессов (стерилизация, использование антисептиков и антибиотиков, стерилизующее фильтрование, ионизирующее излучение).

В целом в консервном производстве используются разнообразные технологии, обусловленные многообразием состава и свойств сырья и готовой продукции, подвергаемых консервированию. Следовательно, сохранение пищевых продуктов возможно за счет физических (применение высоких и низких температур, микроволновой энергии, излучений, ультрафиолетовой радиации, обеспложивающего фильтрования, обезвоживания), химических (использование антисептиков и антибиотиков), физико-химических (применение осмотически активных веществ) и биохимических (квашение, засол, спиртовое брожение) факторов.