Кемеровский технологический институт пищевой промышленности
Г.А. Гореликова
ОСНОВЫСОВРЕМЕННОЙ
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
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие к выполнению самостоятельной и контрольных работ по курсу «Основы современной пищевой биотехнологии» предназначено для студентов специальности 351100 – «Товароведение и экспертиза товаров» всех форм обучения. Целью изучения данной дисциплины является приобретение студентами теоретических знаний и формирование навыков и умений в области современной пищевой биотехнологии.
Данная дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами при изучении курсов «Основы микробиологии», «Биохимия», «Анатомия пищевого сырья», «Товароведение и экспертиза однородных групп товаров» и других. Объектом изучения курса являются: растительные и животные клетки, а также клетки микроорганизмов-продуцентов, чистые культуры клеток, биологически активные и химические соединения, полученные с их помощью; пищевые добавки, в частности ферментные препараты, применяемые в процессе производства продуктов питания; пищевые продукты, в производстве которых используются биотехнологические процессы.
В теоретической части пособия рассмотрены термины и определения, этапы и направления современной биотехнологии, более подробно изложены вопросы, касающиеся таких отраслей данной науки, как промышленная микробиология и пищевая биотехнология. Изложены процессы получения полезных для человека веществ и соединений с помощью растительных, животных и микробных клеток; традиционные биотехнологические процессы, используемые в различных областях пищевой промышленности, и их роль в формировании потребительских свойств продовольственных товаров; современные достижения пищевой биотехнологии и основные направления ее развития.
В результате освоения дисциплины студенты должны знать биотехнологические способы получения полезных для человека соединений; традиционные биотехнологические процессы, используемые в пищевой промышленности; приобрести навыки работы с целевыми продуктами; научиться применять полученные знания на практике.
Учебным планом по данному курсу предусмотрены лекции, практические занятия и самостоятельная работа студентов. В процессе ознакомления с теоретическим материалом студенты заочной формы обучения выполняют 1 контрольную работу. По окончании изучения дисциплины студенты сдают экзамен.
Данное учебное пособие включает теоретический материал, который могут использовать студенты всех форм обучения; контрольные вопросы по каждой теме; практическое руководство к выполнению самостоятельной и контрольной работ для студентов заочной формы обучения; задание по контрольной работе и указания по его выполнению.
Кроме того, теоретический материал данного учебного пособия может использоваться студентами специальности 271500 - «Пищевая биотехнология» при изучении дисциплин «Введение в специальность», «Общая биотехнология» и других.
СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО КУРСА
ПО «ОСНОВАМ СОВРЕМЕННОЙ
ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ»
В первом разделе излагается основное содержание программы курса по «Основам современной пищевой биотехнологии» для студентов специальности 351100 «Товароведение и экспертиза товаров» очной и заочной форм обучения. Для удобства усвоения дисциплины весь теоретический материал разделен на несколько тем, посвященных этапам и направлениям развития биотехнологии; теоретическим аспектам дисциплины; биотехнологическому производству веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности; пищевой биотехнологии. В конце каждой темы даются вопросы для самостоятельной проверки знаний.
ТЕМА 1. ЦЕЛЬ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.
ЭТАПЫРАЗВИТИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ
1.1. Цель изучения дисциплины, ее место
в образовательной программе студентов специальности
«Товароведение и экспертиза товаров»
Данная дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами при изучении таких общеобразовательных дисциплин, как «Основы микробиологии», «Биохимия», «Анатомия пищевого сырья», «Теоретические основы товароведения и экспертизы», «Товароведение и экспертиза однородных групп товаров» и других.
Целью изучения данной дисциплины является приобретение студентами теоретических знаний и формирование навыков и умений в области современной пищевой биотехнологии.
Биотехнология – это наука, которая изучает методы получения полезных для человека веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клеток биологические структуры.
Промышленная микробиология составляет 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 биотехнология является 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 товароведения и экспертизы определяется тем, что использование микроорганизмов или ферментных препаратов, биотехнологических процессов при производстве пищевых продуктов оказывает существенное влияние на потребительские свойства и показатели качества продовольственных товаров. Знание о биотехнологических процессах позволит товароведу-эксперту определить причины порчи продовольственных товаров и возникновения дефектов, приводящих к существенным количественным потерям товаров. 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.
1.2. Основные термины и определения биотехнологии.
Требования, предъявляемые к микроорганизмам-продуцентам
В биотехнологии обычно используются чистые культуры микроорганизмов-продуцентов, так как это позволяет получить продукт с заранее известными свойствами. Применяются штаммы микроорганизмов – микроорганизмы одного вида, выращенные в определенных условиях, вследствие чего обладающие определенными свойствами, которые отличаются от других чистых культур данного вида.
Не все микроорганизмы могут быть использованы в промышленных условиях, а лишь те микроорганизмы-продуценты, обладающие способностью под воздействием внешних факторов (состава среды, условий культивирования, температуры, рН среды и т.д.) образовывать в больших количествах преимущественно то соединение, которое является главным (целевым) продуктом данного производства.
К микроорганизмам-продуцентам предъявляется ряд обязательных требований. Микроорганизмы должны:
- расти на дешевых и доступных питательных средах;
- максимально усваивать питательные вещества среды;
- обладать высокой скоростью роста биомассы и давать высокий выход целевого продукта;
- проявлять синтетическую активность, направленную в сторону получения желаемого продукта; образование побочных продуктов должно быть незначительным;
- быть генетически однородными, стабильными в отношении продуктивности, требований к питательному субстрату и условиям культивирования;
- быть устойчивыми к фагам и другой посторонней микрофлоре;
- быть безвредными для людей (не обладать патогенными свойствами) и для окружающей среды;
- обладать хорошей способностью выделения.
Сверхсинтез, то есть способность микроорганизма синтезировать определенный продукт в количествах, превосходящих физиологические потребности, часто встречается в природе. Микроорганизмы с такими свойствами первыми были использованы в хозяйственной деятельности человека, и таким образом был проведен стихийный отбор наиболее продуктивных форм.
В промышленности применяют три вида штаммов: природные штаммы, нередко улучшенные естественным или искусственным отбором; штаммы, измененные в результате индуцированных мутаций; штаммы культуры, полученные методами генной или клеточной инженерии.
Часто путем отбора не удается получить высокоактивные продуценты, поэтому возникает задача изменения природы организма в нужном направлении. Для этого используют методы селекции.
Селекция – это направленный отбор мутантов, то есть микроорганизмов, наследственные признаки которых претерпели изменения в нужном для человека направлении.
Природные штаммы микроорганизмов не обладают способностью выделять и накапливать в питательной среде такое количество нужного продукта, которое обеспечило бы низкую его стоимость и требуемый объем производства. Поэтому задачей селекции является не только усиление природной способности микроорганизмов продуцировать определенное вещество (ферменты, антибиотики, аминокислоты и т.д.), но во многих случаях и создание продуцента «заново» из штамма дикого типа, способного синтезировать вещество, но не способного его продуцировать. Эти задачи осуществляются получением у природных штаммов наследственных изменений – мутаций, влияющих на фенотип (физиологические и морфологические признаки) клетки. Спонтанные (происходящие случайным образом) мутации помогают микробным популяциям приспосабливаться к новым условиям существования. Мутации приводят к усилению природной способности микроорганизмов синтезировать и продуцировать определенное вещество, а также к появлению новой способности – синтезировать вещество в избытке (сверх своих потребностей) и продуцировать его. Для ускорения селекции используют индуцированный мутагенез, применяя мутагенные факторы физической, химической и биологической природы. К универсальным физическим мутагенам относятся ультрафиолетовое облучение (УФО), рентгеновские лучи и др.; химические факторы мутагенного воздействия - азотистый иприт, нитрозамины, четыреххлористый углерод и другие химикаты; биологическими мутагенами являются фаги (вирусы микроорганизмов).
Таким образом, селекционированные штаммы микроорганизмов обладают определенными ценными наследственно закрепленными свойствами.
Однако мутации образуются случайным образом, поэтому более широко используется генная или генетическая инженерия – генетическая рекомбинация in vitro (в пробирке). Рекомбинация - это обмен генами между двумя хромосомами. Рекомбинантными ДНК называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки, в пробирке, путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться (удваиваться) в клетке. Этот подход был разработан на бактериях, в частности на кишечной палочке, в клетки которой вводили гены животных и человека и добивались их репликации. Метод рекомбинации in vitro заключается в выделении ДНК из разных видов, получении гибридных молекул ДНК и введении рекомбинантных молекул в живые клетки с целью проявления нового признака, например, синтеза специфического белка.
Возможности получения новых штаммов микроорганизмов, обладающих способностью к сверхсинтезу целевого продукта, рассмотрим на примере продуцента антибиотика пенициллина. Изначально штамм Penicillium chrysogenum (NRRL-1951) производил 60 мг/л пенициллина. После спонтанной мутации возник новый штамм (NRRL-1951ּВ25) с выходом пенициллина 150 мг/л. После рентгеновского облучения был отобран мутант (Х-1612), дающий 300 мг/л пенициллина. После нескольких циклов мутагенеза и селекции, в которых помимо УФО применяли иприт, удалось вывести высокопродуктивный штамм (Е-15ּ1), который производил 7 г/л пенициллина. Таким образом, 21 цикл мутагенеза и селекции в течение более двух десятков лет позволил увеличить выход пенициллина в 55 раз. В настоящее время новые штаммы микроорганизмов-продуцентов дают выход более 20 г/л пенициллина.
1.3. Этапы развития биотехнологии
В начале XIX в. русский академик К.С. Киргоф впервые получил жидкий ферментный препарат амилазы из проросшего ячменя и описал ферментный процесс.
В 1857 г. Луи Пастер установил, что микробы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные виды микроорганизмов. Его исследования послужили основой развития в конце XIX и начале XX вв. бродильного производства органических растворителей (ацетона, бутанола и других), в том числе этилового спирта.
1875 г. Разработан метод получения чистых культур микроорганизмов, гарантирующий содержание в посевном материале клеток только определенного вида (Р. Кох).
В 1893 г. установлена способность плесневых грибов синтезировать лимонную кислоту (К. Вемер).
1894 г. Создан первый ферментный препарат, полученный из плесневого гриба, выращенного на влажном рисе (И. Такамине).
В 1923 г. было организовано первое микробиологическое промышленное производство лимонной кислоты, а затем молочной, глюконовой и других органических кислот. Наиболее широко используется лимонная кислота – ее применяют при производстве безалкогольных напитков, кондитерских изделий и многих других пищевых продуктов.
1925 г. Установлена возможность искусственного мутагенеза микроорганизмов (грибов) под влиянием рентгеновского облучения (Г.А. Надсон, Г.С. Филиппович).
В 30-е годы в СССР было организовано производство микробиологическим способом технических препаратов ферментов и витаминов (рибофлавина, эргостерина).
Следующий важный этап – организация промышленного производства антибиотиков, основанного на открытии химиотерапевтической активности пенициллина в 1940 г. (Флемминг, Флори и Чейни).
В военные годы (1941-1945 гг.) возросла потребность в дрожжах как источнике белковых веществ. Изучалась способность дрожжей накапливать белоксодержащую биомассу на непищевом сырье (древесные опилки, гороховая, овсяная шелуха). В блокадном Ленинграде, Москве были созданы установки, на которых производили пищевые дрожжи. В военной Германии биомассу дрожжей добавляли в колбасу и супы.
В 1948 г. советским ученым Букиным с помощью микроорганизмов был получен витамин В12, который не способны синтезировать ни растения, ни животные.
В 1961 г. установлена способность мутантов бактерий к сверхсинтезу аминокислот (С. Киносита, К. Накаяма, С. Китада). В 1961-1975 гг. было налажено промышленное производство микробиологическим путем аминокислот: глутаминовой, лизина и др.
Еще в 60-х годах ряд нефтяных и химических компаний начали исследования и разработки по созданию биотехнологических процессов получения белка одноклеточных организмов, предназначенного для добавления в пищу животным и людям. Одной из причин этого был недостаток белковой пищи в мире. Наиболее конкурентоспособными оказались процессы на основе метанола и крахмала. На основе углеводородного сырья (жидких и газообразных углеводородов) в 70-х годах в СССР впервые было создано многотоннажное производство кормовых дрожжей.
В конце 60-х годов начали применяться иммобилизованные формы микробных ферментов, которые нашли широкое применение в пищевой промышленности.
В 1972 г. разработана технология клонирования ДНК (П. Берг).
В 1975 г. с возникновением генной инженерии появилась возможность направленно создавать для промышленности микроорганизмы с заданными свойствами.
В 1981 г. проведена микрохирургическая трансплантация эмбрионов животных с целью быстрого размножения высокопродуктивных экземпляров (Вилландсон).
1.4. Основные направления в биотехнологии
В некоторых отраслях биотехнология способна заменить традиционную технологию (например, при длительном хранении продуктов, в производстве пищевых приправ, полимеров, сырья для текстильной промышленности, метанола, этанола, биогаза и водорода, а также при извлечении некоторых металлов из бедных руд). В некоторых отраслях промышленности биотехнология играет ведущую роль (табл. 1.1). Здесь, прежде всего, имеются в виду следующие области применения: производство продуктов питания (широкомасштабное выращивание микроорганизмов для получения белков, аминокислот и органических кислот, витаминов, ферментов); повышение продуктивности сельскохозяйственных культур (клонирование и отбор разновидностей растений на основе тканевых культур in vitro, использование биоинсектицидов); фармацевтическая промышленность (производство вакцин, биосинтез антибиотиков, гормонов и других соединений); уменьшение загрязнения окружающей среды (очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности) и многое другое.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое биотехнология?
2. Какие пищевые продукты получают в настоящее время с применением пищевой биотехнологии?
3. В чем заключается важность пищевой биотехнологии для специалистов в области товароведения и экспертизы?
4. Что такое сверхсинтез?
5. В чем отличие селекции от мутации?
6. Приведите примеры мутагенных факторов.
7. Что такое генетическая инженерия?
8. Перечислите требования, предъявляемые к микроорганизмам продуцентам.
9. В каком году начато промышленное производство лимонной кислоты с помощью микроскопических грибов?
10. Когда было начато производство пищевых дрожжей?
11. С какого года началось развитие генетической инженерии?
12. Перечислите основные направления биотехнологии.
13. Каковы области применения биотехнологии в пищевой промышленности?
Таблица 1.1
Основные направления биотехнологии в различных отраслях
промышленности и практической деятельности человека
| Отрасль | Области применения |
| Сельское хозяйство | Получение новых штаммов микроорганизмов-продуцентов биомассы, используемой в качестве белковых и белково-витаминных концентратов. Новые методы селекции растений и животных, получение генетически модифицированного сырья, клонирование. Использование антибиотиков (в том числе полученных биотехнологическим путем) для профилактики и лечения заболеваний сельскохозяйственных животных и птиц; получение вакцин. Применение гормонов и других стимуляторов роста. |
| Производство химических веществ и соединений | Производство органических кислот (лимонной, итаконовой). Получение витаминов, антибиотиков и других веществ. Использование ферментов в составе отбеливателей и моющих средств. |
| Контроль за состоянием окружающей среды | Улучшение методов тестирования и мониторинга загрязнения окружающей среды. Прогнозирование превращений ксенобиотиков благодаря более глубокому пониманию биохимии микроорганизмов. Усовершенствование методов переработки отходов, бытовых и промышленных, с использованием микроорганизмов, разлагающих пластмассу и другие соединения. |
| Медицина | Применение ферментов для усовершенствования диагностики, создание датчиков на основе ферментов. Использование микроорганизмов и ферментов при создании сложных лекарств (например, стероидов). |
Продолжение таблицы 1.1.
| Синтез новых антибиотиков. Применение ферментов (пищеварительных ферментов: фестала, мезима, энзистала) и препаратов микроорганизмов (лактобактерий, бифидобактерий) в терапии. | |
| Энергетика | Увеличение потребления биогаза – продукта жизнедеятельности микроорганизмов. Крупномасштабное производство этанола как жидкого топлива. |
| Материаловедение | Выщелачивание руд. Дальнейшее изучение и контроль биоразложения. |
| Пищевая промышленность | Создание новых методов переработки и хранения пищевых продуктов. Применение пищевых добавок (продуцируемых микроорганизмами аминокислот, органических кислот, полимеров и др.). Использование белка, синтезируемого одноклеточными микроорганизмами. Применение ферментов при переработке пищевого сырья. Использование микроорганизмов в бродильных производствах. Применение микроорганизмов в качестве заквасок. |
ТЕМА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫБИОТЕХНОЛОГИИ
2.1. Стадии и кинетика роста микроорганизмов
Как известно, микроорганизмы, попав в свежую полноценную питательную среду, начинают размножаться не сразу. Этот период называют лаг-фазой - I фаза (рис. 2.1). В этот период культура как бы привыкает к новым условиям обитания. Активируются ферментные системы, если необходимо, синтезируются новые ферментные системы, клетка готовится к синтезу нуклеиновых кислот и других соединений. Продолжительность этой фазы зависит от физиологических особенностей микроорганизмов, состава питательной среды и условий культивирования. Чем эти различия меньше и чем больше посевного материала, тем короче эта фаза.