Пищевая Биотехнология
CHOOSING A PROPIONIX — FOOD BIOTECHNOLOGY
БИОТЕХНОЛОГИЯ
БИОТЕХНОЛОГИЯ — производственное использование биологических агентов (в частности микроорганизмов) для получения полезных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы как белки — чаще всего ферменты, рибонуклеиновые кислоты.
Биотехнология – междисциплинарная область знания, и в XXI в. она займет ключевые позиции в цикле естественных наук. Исходя из определения, данного выше, современным биотехнологам необходимо хорошо знать не только биологию, но и молекулярную генетику и цитологию, генетику и молекулярную медицину, вирусологию, микробиологию и биохимию, технологию производства ферментных препаратов и других биотехнологических производственных процессов. С биоинформатикой и системной биологией тесно связаны компьютерные и информационные технологии. Поэтому неудивительно, что до сих пор не существует кратких и содержательных учебных пособий по биотехнологии, которые охватывали бы эту дисциплину во всем ее многообразии. В дополнительном материале в кратком описательном перечне указаны некоторые популярные направления (+ необходимые знания) из большого многообразия задач научно-прикладной дисциплины XXI века.
Основным направлением компании ООО «Пропионикс» является пищевая биотехнология
ПИЩЕВАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ 
Биотехнология пищевая (пищевая биоиндустрия) — раздел биотехнологии, занимающийся разработкой теории и практики создания пищевых продуктов общего, лечебно-профилактического назначения и специальной ориентации.
История биотехнологии. Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов, обеспечивающих технологический процесс, известно издревле, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии. Люди выступали в роли биотехнологов с незапамятных времен: заним ались хлебопечением и сыроделием, производили другие кисломолочные продукты и варили пиво, используя различные микроорганизмы даже не подозревая об их существовании. Сам термин «биотехнология» появился в нашем языке недавно, ранее его заменяли словами «промышленная микробиология» или «техническая биохимия». Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.
По видимому, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. Об этом свидетельствует оп исание способа приготовления пива, обнаруженное на дощечке, найденной при раскопках Вавилона, которая датируется 6-м тысячелетием до н. э. Известно, что в третьем тысячелетии до н. э. шумеры могли изготовлять уже около двадцати сортов пива. Не менее древними являются и такие процессы, как виноделие, получение кисломолочных продуктов и выпекание хлеба. Иными словами, биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов. И это есть ее традиционное, классическое понимание…
Несведущий в микробиологии видит практическое значение микроорганизмов в первую очередь во вреде, который они причиняют человеку, животным и растениям. Этими болезнетворными (патогенными) микроорганизмами и их специфическими особенностями занимаются такие науки, как медицинская и ветеринарная микробиология, а также фитопатология. Хотя микроорганизмы и в других сферах природы, и в промышленности выступают иногда в роли вредителей, их роль как полезных организмов существенно преобладает. Они уже давно завоевали себе прочное место в домашнем хозяйстве, а в промышленности они совершенно необходимы. Их используют в самых различных отраслях от первичной переработки сельскохозяйственных продуктов до катализа сложнейших этапов химических синтезов.
* Применительно к направлению деятельности ООО «Пропионикс» см. также:
Классические микробиологические производства: Как было уже отмечено выше, на примере пивоварения и виноделия с использованием различных дрожжей, выпечки хлеба и приготовления молочных продуктов с помощью молочнокислых бактерий, а также получения пищевого уксуса при участии уксуснокислых бактерий становится очевидным, что микроорганизмы относятся к старейшим культурным «растениям».
В Японии и Индонезии соевые бобы издавна перерабатываются с помощью мицелиальных грибов, дрожжей и молочнокислых бактерий. Если не считать получения этанола, в промышленном производстве индивидуальных веществ микроорганизмы начали использовать лишь в последние шестьдесят лет.
Уже в период первой мировой войны с помощью управляемого дрожжевого брожения получали глицерин. Молочная и лимонная кислоты, в больших количествах необходимые для пищевой промышленности, производятся с помощью молочнокислых бактерий и гриба Aspergillus niger соответственно. Из дешевых, богатых углеводами отходов путем брожения, осуществляемого клостридиями и бациллами, можно получать ацетон, бутанол, 2-пропанол, бутандиол и другие важные химические соединения.
Новые микробные производства
Классические виды брожения дополняются новыми применениями микробов в химических производствах. Из грибов получают каротиноиды и стероиды. Когда выяснилось, что Corynebacterium glutamicum из сахара и соли аммония с большим выходом синтезирует глутаминовую кислоту, были выделены бактерии и разработаны методы, с помощью которых можно в больших масштабах производить многие аминокислоты, нуклеотиды и реактивы для биохимических исследований.
Микроорганизмы используются химиками в качестве катализаторов для осуществления некоторых этапов в длинной цепи реакций синтеза; микробиологические процессы по своей химической специфичности и по выходу продукта превосходят химические реакции; ферменты, применяемые в промышленности, — амилазы для гидролиза крахмала, протеиназы для обработки кож, пектиназы для осветления фруктовых соков и другие — получают также из культур микроорганизмов. Все это и многое другое показывает огромный потенциал т.н. прикладной микробиологии и биохимии.
Пищевая и сельскохозяйственная биотехнологии
Применительно к профилю компании ООО «Пропионикс» следует отметить два важных направления биотехнологии: пищевую и сельскохозяйственную. Данные направления хорошо раскрыты в комплексной программе развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года (утв. Правительством РФ от 24 апреля 2012 г. N 1853п-П8)
Стратегической целью Программы является выход России на лидирующие позиции в области разработки биотехнологий, в том числе по отдельным направлениям биомедицины, агробиотехнологий, промышленной биотехнологии и биоэнергетики, и создание глобально конкурентоспособного сектора биоэкономики, который наряду с наноиндустрией и информационными технологиями должен стать основой модернизации и построения постиндустриальной экономики.
Долгосрочной целью реализации Программы является выход в 2020 году на объем биоэкономики в России в размере около 1% ВВП и в 2030 году — не менее 3% ВВП
В программе выделены основные приоритетные направления развития биотехнологий в России. К ним относятся:
6. Пищевая биотехнология
Современная пищевая биотехнология представляет собой индустрию пищевых ингредиентов — вспомогательных технологических добавок, вводимых в пищевые продукты в процессе их изготовления для повышения их полезных свойств.
Огромное количество пищевых ингредиентов в настоящее время импортируется, в связи с чем организация их производства в России является актуальной, социально востребованной задачей.
6.1. «Пищевой белок»
Человек традиционно получает белки, жиры и углеводы (основные компоненты пищи) из животных и растительных источников. Уже сегодня эти источники не покрывают все увеличивающиеся потребности человечества.
Современные методы биотехнологий в сочетании с применением ультра- и нанофильтрационных систем делают экономически обоснованным извлечение пищевого белка из широкого класса сырьевых продуктов и отходов пищевой промышленности. Таким образом, комплекс мероприятий направлен на распространение технологий, превращающих малоценные отходы в белковые продукты и компоненты с высокой добавленной стоимостью.
6.2. «Ферментные препараты»
Ферменты, применяемые в пищевых производствах, являются продуктами с высокой добавленной стоимостью, в России практически не производятся. Развитие данного направления позволит создать компактный по масштабам, но высокоэффективный сектор, являющийся с одной стороны базой развития всех направлений пищевой отрасли, направленных на глубокую переработку сырья, с другой стороны, производство пищевых ферментов обладает высоким экспортным потенциалом.
6.3. «Пребиотики, пробиотики, синбиотики»
Развитие производства и пищевого инжиниринга продуктов данной группы является необходимым элементом для формирования в России рынка здорового питания. Задачей данного комплекса мероприятий является создание пробиотических продуктов, расширение исследований и практики внедрения в ассортимент предприятий новых продуктов и комплексных решений.
6.4. «Функциональные пищевые продукты, включая лечебные, профилактические и детские»
К функционально пищевым продуктам относят пищевые продукты систематического употребления, сохраняющие и улучшающие здоровье и снижающие риск развития заболеваний благодаря наличию в их составе функциональных ингредиентов. Они не являются лекарственными средствами, но препятствуют возникновению отдельных болезней, способствуют росту и развитию детей, тормозят старение организма. В соответствии с мировой практикой продукт считается функциональным, если регламентируемое содержание микронутриентов в нем достаточно для удовлетворения (при обычном уровне потребления) 25 — 50% от среднесуточной потребности в этих компонентах. Развитие направления является важной социальной задачей, снижающей нагрузку на сектор медицины и социально-экономический ущерб от болезней.
6.5. «Пищевые ингредиенты, включая витамины и функциональные смеси»
Пищевые ингредиенты используются для повышения питательной ценности, удлинения срока хранения, изменения консистенции и усиления вкуса и аромата продуктов. Используемые производителями пищевые ингредиенты, как правило, имеют растительное или бактериальное происхождение. Многие аминокислотные добавки, усилители вкуса и витамины, добавляемые в пищевые продукты, производятся с помощью бактериальной ферментации. В результате реализации комплекса мероприятий 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.
6.6. «Глубокая переработка пищевого сырья»
Биотехнология предоставляет множество возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты: 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.
Современные технологии глубокой переработки пищевого сырья строятся на принципах безотходного производства: продукты переработки либо возвращаются в производственный цикл, либо используются в других отраслях (прежде всего в производстве парфюмерно-косметических средств, фармацевтике, сельскохозяйственном производстве). Внедрение таких технологических схем в значительной степени обусловлено достижениями современной биотехнологии, сделавшей доступным и экономически обоснованным извлечение из пищевого сырья широкой гаммы новых продуктов. В рамках комплекса мероприятий будут созданы условия для распространения технологий глубокой переработки пищевого сырья и радикального снижения отходов пищевой промышленности. В результате реализации Программы в России будет развернуто производство широкой гаммы пищевых ингредиентов, включая витамины и функциональные смеси, достигнуты высокие показатели переработки продовольственного сырья, обеспечено импортозамещение по большинству импортируемых в настоящее время ингредиентов для производства пищевых продуктов.
Ответственный за разработку и реализацию комплекса мер по направлению — Минсельхоз России.
5. Сельскохозяйственная биотехнология
Примечание от PROPIONIIX: Здесь актуальным для ООО «Пропионикс» являются направления Сельскохозяйственной биотехнологии, отмеченные в программе под пп 5.7. и 5.9 (кормовой белок и биологические компоненты кормов и премиксов):
«Кормовой белок»
Согласно терминологии указанной программы, кормовой микробиологический белок (кормовые дрожжи)* — это сухая концентрированная биомасса дрожжевых клеток, специально выращиваемая на корм сельскохозяйственным животным, птице, пушным зверям, рыбе. Добавление кормового белка в корма резко улучшает их качество и способствует повышению производительности в животноводстве. Комплексом мероприятий будет предусмотрено развитие производства кормового белка в России и создание новых научно-технических заделов, совершенствующих технологии его производства и виды использования.
Примечание от PROPIONIX: Однако здесь следует отметить, что использование бактерий в качестве продуцента белкового корма является более эффективным, так как бактерии образуют до 75% белка по массе, в то время как дрожжи — не более 60%. Например, использование различных штаммов пропионовокислых бактерий ( Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii ), позволяет получать кормовой белок со значительными технологическими и качественными преимуществами.
«Биологические компоненты кормов и премиксов»
Современный уровень технологий кормления сельскохозяйственных животных опирается на широкое применение биологичских компонентов (ферменты, аминокислоты, БВК, пробиотики и другие). В результате развития животноводства в России, которое в основном опирается на импорт технологий и поголовья, сформировался емкий рынок этих продуктов биотехнологии. Однако формирование рынка не привело пока к развитию производственной и технологической базы, появлению новых продуктов, созданных на основе научных достижений российских ученых.
В 2010 году в животноводстве в качестве кормов было использовано 45 млн. т зерна, что говорит о крайне низкой эффективности кормопроизводства в стране. Доля зерна в комбикормах составляет 70% (в странах Европейского Союза — 40-45%), кроме того, в непереработанном виде было использовано более половины из общего количества зерна предназначенного для кормов.
Важно отметить, что производство комбикормов и премиксов в значительной степени ведется без использования биопрепаратов (ферментов, ветеринарных и кормовых антибиотиков, пробиотиков и так далее). При таком кормлении конверсия корма в получение животноводческой продукции существенно отстает от мировых показателей, что снижает конкурентоспособность российского животноводства. Комплексом мероприятий будут созданы условия для развития производственной и технологической базы биотехнологических компонентов кормов и премиксов.
Реализация указанных комплексов мероприятий позволит решить вопросы создания высокоэффективного сельского хозяйства и обеспечения населения полноценным сбалансированным питанием.
Некоторые направления в пищевой биотехнологии:
Ферментация в пищевой промышленности
ВВЕДЕНИЕ . Процессы ферментации с использованием микроорганизмов нашли широкое применение в производстве пищевых продуктов. Реакции, осуществляемые микроорганизмами, используются при консервировании, рН среды понижается в результате молочнокислого брожения (в квашеной капусте), после частичного гидролиза в присутствии микроорганизмов (хлебная закваска, колбасные изделия, темпех) продукты лучше усваиваются организмом, для улучшения вкуса (кисломолочные продукты), а также для получения соусов (соевый соус, мисо из риса). В развитых странах примерно треть всех продуктов питания получают путем ферментации, осуществляемой определенными штаммами микроорганизмов.
СТАРТОВЫЕ КУЛЬТУРЫ . В пищевой промышленности используются самые разнообразные микроорганизмы. Они служат в качестве стартовых культур при приготовлении кисломолочных продуктов, различных сортов хлеба (закваски), выпечки (пекарские дрожжи), в пивоварении (пивные дрожжи) и виноделии. Стартовая культура может содержать только один штамм микроорганизмов, различные микроорганизмы одного вида и смешанные культуры. Наиболее важным критерием качества культуры является высокая скорость ферментации и получение желаемого продукта, например обладающего устойчивостью к антибиотикам или фаговой инфекции. Объем рынка стартовых культур в мире составляет сотни миллионов долларов США.
ПРОИЗВОДСТВО КОЛБАС . Сырокопченые колбасы (они могут храниться вне холодильной камеры) готовят со стартовой культурой стафилококковых бактерий (Staphylococcus carnosus) и лактобактерий, а также бактерий рода Penicillium. Гликоген мышечной ткани перерабатывается микроорганизмами с образованием молочной кислоты, это позволяет снизить уровень рН ниже 5 и предотвратить рост многих других микроорганизмов. В кислой среде белок мышечной ткани (изоэлектрическая точка 5,3) переходит в желеобразное состояние. Продукты ферментативных превращений жиров и белков обеспечивают специфический вкус колбасного изделия. При изготовлении соленых колбас (поваренная соль, нитраты и нитриты в качестве консервантов) используют стафилококковые бактерии или лактобактерии, устойчивые к повышенному содержанию соли.
СЫРОВАРЕНИЕ . В 1994 г. мировое производство сыра достигло 14,6 млн т в год, при этом около 6 млн т сыра было произведено в странах Европейского союза (ЕС). В Европе производится более 1000 сортов сыра. Чтобы приготовить сыр, молоко сбраживают, добавляя в него сычужный фермент или рекомбинантный химозин. Спровоцированная стартовыми культурами ферментация приводит к образованию молочнокислого сгустка, из которого вызревает сыр. В производстве сыров используют самые разные микроорганизмы, чаще всего Penicillum (камамбер, рокфор), Streptococcus, Propionibacterium freudenreichii (эмменталь) и Lactococcus (гарцер). Разнообразие сортов сыра объясняется различным происхождением молока (коровье, козье или овечье), технологией производства (аэробные, анаэробные или смешанные условия роста бактериальной культуры), а также методами введения стартовых культур (поверхностное нанесение или внутреннее впрыскивание).
ФЕРМЕНТИРОВАННЫЕ ПРОДУКТЫ ИЗ НЕ ЕВРОПЕЙСКИХ СТРАН . В китайской кухнетрадиционно используется так называемый красныйрис (ang-kak). Его получают, добавляя к влажному рису споры Monascus purpureus. Благодаря антимикробным свойствам красный рис получил широкое распространение в качестве приправы, его также применяют при нарушениях пищеварения. В восточной кухне готовят кишк (kishk), для этого набухшиезерна пшеницы подвергают ферментации бактериями, обитающими в кислом молоке. Японская приправа мисо получается в результате добавления к пропаренному рису грибов Aspergillus oryzae. По очень древнему рецепту китайской кухни до сих пор готовятсоевый соус – белковый гидролизат, обладающийсильным ароматом. Для этого в смесь соевой муки пшеничных отрубей впрыскивают культуры грибов Aspergillus oryzae; в условиях повышенной влажностипри температуре 35°С образуется поверхностнаякультура. После добавления равного объема водногораствора соли смесь подвергают ферментации молочнокислыми бактериями или дрожжами в течениегода при комнатной температуре. Путем ферментации соевых бобов или пропаренного риса под действием грибов Rhizopus oligosporus готовят темпех (tempeh) – основную пищу населения Индонезии и Малайзии.
Пищевые продукты и молочнокислое брожение
ВВЕДЕНИЕ . История использования человеком процессов молочнокислого брожения молока (кисломолочные продукты), овощей (квашеная капуста) и кормов для скота (силос) насчитывает сотни, а для некоторых процессов и тысячи лет. Луи Пастер, впервые выделивший молочнокислые бактерии в 1856 г., заложил основы для понимания биохимии этого важного процесса. Продукты, получаемые в результате молочнокислого брожения, обладают хорошими вкусовыми качествами и долго хранятся, так как снижение pH, происходящее в процессе брожения, препятствует развитию других микроорганизмов.
МОЛОЧНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ . Группа молочнокислых бактерий весьма гетерогенна по морфологии клеток, однако физиология ее представителей описана достаточно однозначно: все молочнокислые бактерии окрашиваются по методу Грама и являются облигатными аэробами, т. е. они не синтезируют гемсодержащие белки (каталазы), однако могут расти в присутствии кислорода. Молочнокислые бактерии расщепляют лактозу до глюкозы и галактозы, а затем превращают их в лактат. При «гомоферментативном» молочнокислом брожении (также называемом гликолизом), которое осуществляют Streptococcus pyogenes, Lactobacillus casei и Lactococcus lactis, из 1 моль глюкозы образуется 2 моль лактата, а при «гетероферментативном» брожении, осуществляемом Leuconostoc mesenteroides и Lactobacillus brevis, – только 1 моль лактата. От наличия лактатрацемазы в клетках бактерий зависит образуется ли L-(+)-молочная кислота (обычно выход 50–90%), D-(–)-молочная кислота или их рацемат. Физиологическую ценность кисломолочных продуктов трудно переоценить: в них нет лактозы и они содержат белки, уже подвергшиеся мягкому гидролизу.
КИСЛОМОЛОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ . Среди кисломолочных продуктов в Европе наиболее распространены простокваша, сметана, йогурт, кефир и пахта (
ЗАКВАШИВАНИЕ ОВОЩЕЙ И ОВОЩНЫХ СОКОВ . В Германии особой популярностью пользуются квашеная капуста и соленые огурцы (заготавливаются иреализуются через торговую сеть около 200 000 т в год). Для заквашивания обычно используют белокочанную капусту, которую помещают в бочки вместимостью до 100 т. Как правило, процесс брожения осуществляется разнообразными микроорганизмами(бактериями, дрожжами и грибами) в результатеспонтанного заражения, однако в некоторых случаях брожение инициируют добавлением закваски (стартовых культур). В качестве других примеров использования в пищу овощей, подвергшихся молочнокислому брожению, можно привести квашеную свеклу(Польша и Россия) и кимчи (кислая китайская капуста или редька, Корея). Овощные соки, подвергшиесяферментации молочнокислыми бактериями, особенно богаты витаминами и минеральными веществами,хорошо усваиваются организмом и хранятся продолжительное время (например, морковный и томатныйсоки).
ЗАКВАСКА . В отличие от пшеничной муки, используемой для приготовления дрожжевого теста, ржаная мука закисает при рН
СИЛОСОВАНИЕ – распространенный способ заготовки сочных кормов, в частности, кормовой свеклы. Силосную культуру измельчают, а затем помещают в специальные хранилища с ограниченным доступом воздуха. В таких условиях осуществляется процесс молочнокислого брожения. Если молочная кислота образуется в недостаточных количествах, силос может оказаться зараженным маслянокислыми бактериями, в том числе представителями клостридий. В этом случае бактерии могут попасть в молоко коров, которые питались зараженным силосом. Как правило, в силосе присутствует психотрофный патоген Listeria monocytоgenes, который в случае несоблюдения правил пастеризации может активно размножаться на пищевых продуктах (в мягких сырах, мясном фарше и зеленом салате) при длительном хранении в холодильнике.
Приведем упрощенный перечень необходимых областей знаний и наиболее востребованных направлений деятельности в прикладной биотехнологии:
Источник
