Биологические консерванты, их получение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный университет пищевых производств»

 

 

 

Кафедра «Биотехнология и технология

продуктов биоорганического синтеза»

 

 

 

Реферат

на тему «Биологические консерванты, их получение».

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент

группы 11-АТ-21

Залевская В.Н.

Преподаватель

доц. Шипарева Д.Г.

 

 

 

Москва – 2015

 

 

Содержание

Ведение………………………………………………………………………………….3

1. Низин……………………………………………………………………………..5
2. Натамицин……………………………………………………………………….6
3. Другие бактериоцины…………………………………………………………...7
4. Ферментаты………………………………………………………………………8
5. Биозащитные культуры…………………………………………………………9
6. Бактериофаги…………………………………………………………………...10

Контрольные вопросы………………………………………………………………...11

Список используемой литературы…………………………………………………...12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Использование биоконсервантов  не является новой концепцией. Биотехнологические процессы для сохранения пищи использовались уже на протяжении тысяч лет, хотя основные механизмы не были поняты. Сегодня, биоконсервирование продуктов так же актуально, как никогда раньше, потому что это один из немногих возможных ответов  на совершенно противоречивые, казалось бы, нынешние тенденции и требования:

• тенденции в состоянии здоровья:

концентрация соли сахара и жира в продуктах питания должна быть сокращена. Эти изменения являются полезными для здоровья человека, но они также предполагают увеличение активности воды, что обеспечивает благоприятную среду для микроорганизмов.

• вкусовые предпочтения:

во многих продуктах, тенденции к более мягким (т.е. менее кислым) вкусам, что приводит к понижению pH и, опять таки, благоприятно для микроорганизмов.

• предпочтение '' естественного '':

приветствуется более мягкая или минимальная обработка, что приводит к более свежему внешнему виду пищи, но и меньшей инактивации нежелательных микроорганизмов. Кроме того, данная тенденция повышает спрос на продукты без консервантов.

• тенденция удобства ('' практически домашнее ''):

есть два основных риска, связанных с этой тенденцией, а именно, более обширная обработка, что приводит к большему числу этапов, на которых возможно загрязнение вредными микроорганизмами, и необходимость правильной обработки потребителем (например, достаточного нагрева), которой можно пренебречь.

• Качество и срок хранения:

доступ к рынку и экономически жизнеспособная логистика требует длительного срока хранения товара. Кроме того, продолжительный срок хранения является привлекательным для покупателя

Таким образом, существует сильная потребность рынка в решениях для защиты натурального питания, которое может обеспечить как продовольственную безопасность так и пищевую годность (т.е. с задержкой развития патогенной микрофлоры). 

Одно из немногих возможных решений – биоконсервация на основе концепции использования пищевых микроорганизмов.

Пищевые микроорганизмы могут образовывать множество различных веществ, которые ингибируют другие микроорганизмы. Эти механизмы являются частью естественного баланса в сложных микробных экосистемах. Эксплуатируя приспособленных из встречающихся в природе микроорганизмов в органолептически привлекательных пищевых продуктах.

Можно предположть и разработать систему, обеспечивающую адекватную безопасность и сроки хранения при сохранении требуемого качества пищевого продукта. Принципы биоконсервации  пищевыми микроорганизмами могут быть классифицированы в соответствии с их антимикробными соединениями (например, бактериоцины, другие метаболиты, бактериофаги, ферменты), а также формат продукта (очищенный антимикробный ферментат, защитные культуры), как показано на рис. 1.

                                                                                                           

                                                                                    

                                                                  

          

                                                                                       

 

Рис. 1. Основные категории биоконсервантов, получаемых с использованием молочнокислой бактерии либо других подходящих микроорганизмов в качестве «клеточной фабрики».

Не все микробные тормозные механизмы полностью поняты, и не все антимикробные метаболиты микроорганизмов обнаружены. Вполне вероятно, что ближайшее будущее принесет новые знания и открытия, которые будут способствовать дальнейшему расширению свойств натуральных пищевых биоконсервантов. При исследовании биоконсервированной системы, не следует искать '' серебряную пулю''. Антибактериальные составы, в природе редко функционируют в изоляции [3].

Рассмотрим основные соединения, используемые как биоконсерванты, в настоящее вермя.

 

1. Низин

Низин - амфифильный пептид, получают с помощью различных штаммов Lactococcus Lactis, который имеет относительно широкий целевой спектр, который ингибирует широкий спектр грам-положительных бактерий. Противомикробное свойство низина было впервые обнаружено в 1928 году, когда стало известно, что ингибирование молочной закваски вызвано не фагом, а штаммом L. Lactis (прежнее название молочнокислых стрептококков). Ингибирующее соединение дополнительно изучали в следующие годы и получили название низин, намекая на его происхождение как группы N стрептококков.

Применение низина для сохранения молочных продуктов, уже было предложено в 1951 г, для использования в производстве сыра типа швейцарского.  В 1953 году использование низина в качестве пищевого консерванта было одобрено Продовольственной и сельскохозяйственной организацией, Организацией Объединенных Наций и Всемирного здравоохранения (ВОЗ) в 1969 году, Европейским Союзом (ЕС) в 1983 году (E 234), признан безопасным в США продуктом питания и медикаментом в 1988 году.

Таким образом, низин имеет долгую историю безопасного употребления в пищу. Это очищенный бактериоцин, который широко одобрен в качестве пищевой добавки - факт, который, возможно, также отражает его раннее обнаружение.  

  Низин принадлежит к лантионин-содержащим бактериоцинам, которые обозначены как класс I бактериоцинов. Производство бактериоцинов, содержащих лантионин-остатки, которые образуются путем посттрансляционных модификаций, не редкость среди молочнокислых бактерий: представлены линейные, шаровидные и два-пептидные варианты. Низин представляет собой линейный лантибиотик, чем показывает свое антибактериальное действие путем ингибирования образования клеточной стенки, а также формирования поры мембраны; это, кроме того, действует против спор. Несколько вариантов низина встречаются в природе; два, которые в настоящее время доступны в качестве коммерческих продуктов, низина А и низина Z, отличаются одной аминокислотой, которая придает разницу заряда и растворимости.

Испытания и фактические применения низина многочисленны. Первоначально, низин был использован в сочетании с термообработкой, чтобы предотвратить порчу плавленого сыра от термостойких спор. С тех пор, эффективное использование низина было продемонстрировано, как для увеличения срока годности, так и для обеспечения безопасности различных видов пищи, в том числе, молочных продуктов и обработки мяса и овощей [1, 2]. Низин является особенно эффективным в обработанных теплом продуктах с низким рН.

2. Натамицин

Натамицин был обнаружен в 1950 году. Новый кристаллический антибиотик, пимарицин, был выделен из культуральной жидкости бактерии вида Streptomyces. Этот организм был назван «Streptomyces Natalensis». Оригинальное название « pimaracin» в более ранних публикациях не найдено [4].  

Натамицин имеет низкую растворимость в воде (примерно 40 частей на миллион), но активность нейтральных водных суспензий является очень стабильной. Натамицин устойчив к нагреванию известно, что процесс нагревания в течение нескольких часов при температуре 100 C° приводит лишь к незначительным потерям деятельности. Натамицин активен в отношении почти всех пищевых дрожжей и плесневых грибов, но не дает никакого эффекта на бактерии или вирусы. 

 Натамицин действует путем необратимого связывания эргостерина и других стеринов, которые присутствуют в клеточных мембранах дрожжей и растительного мицелия плесени. Это разрушает клеточные мембраны и увеличивает проницаемость клеток, что в конечном итоге приводит к гибели клеток [5]. Из-за его взаимодействия с эргостерином, который является основным компонентом грибковых клеток, выработка устойчивости грибов маловероятна. До сих пор, по прошествии многих десятилетий использования, не было зарегистрировано ни одного развитие резистентности. 

Натамицин в основном используется для поверхностных применений, особенно для обработки поверхностей твердых сыров и колбасы. Натамицин можно наносить распылением на поверхность (например, сыра), окунанием, нанесением покрытий с помощью натамицин-эмульсий или путем непосредственного добавления.

Коммерческие препараты получают путем ферментации сахара на основе субстратов Streptomyces Natalensis. Натамицин, затем, извлекают путем экстракции, фильтрации и сушки распылением. Высушенный порошок можно хранить в течение многих лет без потери активности.

3. Другие бактериоцины

Микроорганизмы производят широкий спектр микробных молекул защиты, в том числе классических антибиотиков, многочисленных видов белковых экзотоксинов, литических агентов, продуктов метаболизма, и бактериоцинов [6]. Последняя группа получила особое внимание в связи с предполагаемым высоким потенциалом в производстве консервов.

Рибосомальные бактериоцины, синтезированные внеклеточно, выпускают антимикробные пептиды, которые оказывают бактерицидное или бактериостатическое действие на другие микроорганизмы.

Первым обнаруженным бактериоцином был низин, как было описано ранее, и затем было подсчитано, что до 99% всех бактерий производят, по меньшей мере, один бактериоцин.  Таким образом, стало очевидно, что естественное присутствие бактериоцинов в микробных экосистемах (например, ферментированные продукты) является довольно распространенным явлением. Позже, была разработана и предложена их классификация.

Класс I - лантибиотики (в том числе низина), и класс II - немодифицированные бактериоцины (в том числе класс IIa - педиоцины), представляют собой наиболее распространенные, лучше всего охарактеризованные, и, вероятно, также самымые полезные из пищевых бактериоцинов.

Бактериоцины IIa класса - маленькие, термостабильные модифицированные пептиды. Их часто называют педиоцины, это отражает, что некоторые из первых охарактеризованных бактериоцинов IIa были произведены педиококками.  

IIa бактериоцины производятся с помощью различных молочнокислых бактерий в дополнение к Pediococcus включая Lactobacillus, Enterococcus, Carnobacterium, Leuconostoc, Streptococcus и Weissella. 

В отличие от низина, бактериоцины класса IIa имеют относительно узкий целевой спектр. Они, как правило, активны в отношении листерий и против некоторых видов Clostridium, Enterococcus, arnobacterium, Lactobacillus, Pediococcus а иногда и Streptococcus и Leuconostoc. 

 

4. Ферментаты.

Ферментаты могут быть получены из различных исходных материалов (как правило, молоко, сахар) посредством ферментации с использованием пищевых микроорганизмов, таких как молочнокислые или пропионовокислые бактерии.

Ферментация предназначена для обеспечения высокого выхода антимикробных метаболитов, которые могут содержать органические кислоты (молочную, уксусную или пропионовую кислоту), диацетил, бактериоцины и другие вторичные метаболиты, в зависимости от свойств штамма, используемого для ферментации.  Таким образом, ферментаты - сложные продукты, которые по своей сути не имеют четко определенного состава. Ферментаты обычно поставляются в виде сухого, не содержащего клеток, порошка.

В настоящее время известны такие коммерчески доступные ферментаты для использования в пищевых продуктах как MicroGARD (DuPont), DuraFresh (Керри).

5. Биозащитные культуры

Еда, ферментированная с использованием микробной закваски, является одним из старейших известных продуктов биотехнологии. Сбраживание скоропортящегося сырья для обеспечения более устойчивых продуктов было использовано человеком примерно с 10 000 г. до н.э. С тех пор, кисломолочные продукты питания и напитки являются важной частью рациона человека и составляют, по оценкам, 20-40% мировых поставок продовольствия.

Основные функциональные процессы ферментации, следующие: (1) улучшение прочности за счет формирования антимикробных метаболитов (например, органические кислоты, бактериоцины, этанол), часто в сочетании со снижением активности воды (сушка и / или регенерация); (2) повышение безопасности за счет снижения уровня либо патогенных микроорганизмов, либо их токсинов в момент потребления; (3) повышение питательной ценности; и (4) повышение органолептических качеств [7]. 

Кроме того, существуют различные вредные свойства, которые, очевидно, нежелательны и неприемлемымы в пищевых культурах, в том числе, свойство вирулентности, токсичности и устойчивости к антибиотикам. Инвентарный список используемых в настоящее время микробных культур пищевого назначения включает 195 видов бактерий и 69 вида грибов. 

Микробные культуры, используемые в производстве продуктов питания, часто называют либо заквасками (улучшают питательную ценность и органолептические характеристики), либо защитными культурами (стойкость и безопасность). Тем не менее, эти свойства изначально связаны таким образом, что стойкость повышается за счет образования органических кислот, которые также способствуют характерному вкусу и текстуре многих ферментированных пищевых продуктов. Все закваски сами по себе,- защитные культуры, но не все защитные культуры могут называться заквасками. Четкое различие между заквасками  и биозащитными культурами не является ни возможным, ни необходимым.

Коммерческие продукты защитных культур, получают таким же образом, как и закваски: периодической ферментацией, последующей концентрации центрифугированием, и в конечном составе - это замороженные гранулы, либо лиофилизированные порошки. 

 Несмотря на это, защитные культуры впервые были введены около 10-15 лет назад, сейчас они хорошо зарекомендовали себя в пищевой промышленности и признаются в качестве эффективного инструмента для обеспечения безопасности и стойкости продуктов питания. 

6. Бактериофаги

Фаги являются наиболее распространенными живыми существами на планете: по оценкам, общее число фагов 1031. В качестве примера, один миллилитр морской воды содержит около 1000000 бактерий, но 10000000 фагов. Фаги также широко распространены в пищевых продуктах различного происхождения [ 8 ]. Сегодня признается, что взаимодействие между фагами и бактериями играет важную роль в поддержании природного баланса в нашей экосистеме.

Краткое наименование «фаг» происходит от древнегреческого и означает '' есть ''. Таким образом, бактериофаг означает '' бактерия-ед ''. Бактериофаги специфичны. Специфичность связана с тем, что фаг может распространяться только на определенные виды бактерий; фаг признает свою специфическую клетку-хозяина. Таким образом, они безвредны для человека, животных и растений.

Фаги известны в молочной промышленности нападением на закваски в процессе брожения, и, тем самым, нарушая производство йогурта. Напротив, фаги, которые могут инактивировать патогенные бактерии могут быть полезны в пищевой промышленности.

Резистентные бактерии стали глобальной проблемой, призывающей к скорейшей разработке альтернативных стратегий управления во избежание стимуляции их роста при сохранении или повышении качества и безопасности пищевых продуктов. 

Бактериофаги отличаются от многих бактерий в том отношении, что фаги неподвижны. Таким образом, способ применения должен гарантировать, что фаги хорошо распределены в продукте, так что клетки-мишени приходят в контакт с подходящим количеством фагов. Кроме того, фаги, как правило, выводятся или связываются пищевой матрицей, то есть они будут иметь первоначальный эффект в уничтожении их целевого организма, но часто, по-видимому, не смогут предотвратить возобновление роста выживших клеток. Важно учитывать эти факторы для разработки успешного применения фагов, например, путем использования их с другими барьерами, которые обеспечивают ингибирование роста или в многофакторных системах.

Основной лимитирующий фактор для промышленного применения бактериофагов в пищевых продуктах - высокие затраты на производство. Вероятно, этот вопрос будет решен также рядом компаний вкладывающих средства в развитие производственных мощностей, и ,вполне вероятно, мы увидим новые биозащитные решения, основанные на бактериофагах, в качестве альтернативных мер для борьбы с пагубными бактериями в производстве пищевых продуктов в ближайшие годы

 

 

 

Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные виды биоконсервантов.
2. Какие цели достигаются применением биологических консервантов?
3. При помощи каких бактерий вырабатывают лантибиотик низин?
4. Вызывает ли продолжительное  применение биологических консервантов резистентность патогенных микроорганизмов?
5. Дайте определение ферментатам.
6. Перечислите основные стадии производства биозащитных культур.
7. В борьбе против каких видов патогенной микрофлоры эффективен натамицин?

 

 

 

 

 

Список используемой литературы:

1. Гальвез A, Лопес РЛ, Абрюэл H, Вальдивия E, Омар НБ/ Применение бактериоцинов в контроле патогенных и гнилостных бактерий пищевого происхождения/ Crit Rev Biotechnol, 2008 –152

2. Cеттани Л, Корсетти А /Применение бактериоцинов в продовольственном биосохранении овощей/Int J Food Microbiol, 2008 –138

3. Роллле С / Естественные антибактериальные препараты для минимальной обработки продуктов/ Woodhead Publishing Ltd, Кембридж, 2003, стр 1–10.

4. Делвс-Бротон Д, Томас ЛВ, Доан Ч, Дэвидсон ПМ / Натамицин, антибактериальные препараты в еде/ CRC Press, Бока-Ратон, 2005, стр 275–289.

5. Котлер-Бротбург Д, Медофф  Г, Кобаяши ГС, Боггс С, Шлессингер Д/ Классификация полиеновых антибиотиков согласно химической структуре и

биологическим эффектам/ Antimicrob Agents Chemother–722.

6. Райли МА, Вёц ДE / Бактериоцины: развитие, экология и применение/ Annu Rev Microbiol, 2002 –137

7. Бурдичон Ф, Касарегола  С, Фэррох C, Фрисвад ДС, Гедс МЛ, Хамс ВП, Хант Д, Хайс Д, Лулунд С, Авехенд А, Пауэлл ИБ, Праджапати ДБ, Сето Ю, Те СЕ, Ван БА, Фанкеркховен V, Згода A, Тьюджелас С, Хансен ЭБ/ Пищевое брожение:

микроорганизмы с технологически выгодным использованием/Int J Food Microbiol, 2012 –97.

8. Брюсов H, Катер E /Экология фага.Бактериофаги: биология и значение/ CRC Press, Бока-Ратон, 2005, стр 129–163.