Биотехнология в пищевой промышленности

Биотехнологии в пищевой промышленности

Статистические  данные ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства свидетельствуют  о том, что проблема обеспечения  населения нашей планеты продуктами питания внушает серьезные опасения. По этим данным, более половины населения  Земли не обеспечено достаточным  количеством продуктов питания, примерно 500 млн. людей голодают, а  около 2 млрд. питаются недостаточно или  неправильно.К концу XX в. население нашей планеты с учетом контроля рождаемости составило 7,5 млрд. человек. Следовательно, тяжелое уже сейчас положение с продуктами питания может принять в недалеком будущем для некоторых народов угрожающие масштабы.

Пища должна быть разнообразной и содержать белки, жиры, углеводы и витамины. Источники  энергии — жиры и углеводы в  определенных пределах взаимозаменяемы, причем их можно заменить и белками, но белки нельзя заменить ничем. Проблема питания людей в конечном счете  заключается в дефиците белка. Там, где сегодня люди голодают, не хватает  прежде всего белка. Установлено, что  ежегодный дефицит белка в  мире, по самым скромным подсчетам, оценивается в 15 млн. т. Наибольшую популярность как источники белка приобрели  семена масличных культур — сои, семян подсолнечника, арахиса и  других, которые содержат до 30 процентов  высококачественного белка. По содержанию некоторых незаменимых аминокислот  он приближается к белку рыбы и  куриных яиц и перекрывает  белок пшеницы. Белок из сои широко уже используется в США, Англии и  других странах как ценный пищевой  материал.

Эффективным источником белка могут служить водоросли. Увеличить количество пищевого белка  можно и за счет микробиологического  синтеза, который в последние  годы привлекает к себе особое внимание. Микроорганизмы чрезвычайно богаты белком — он составляет 70—80 процентов  их веса. Скорость его синтеза огромна. Микроорганизмы примерно в 10—100 тысяч  раз быстрее синтезируют белок, чем животные. Здесь уместно привести классический пример: 400-килограммовая  корова производит в день 400 граммов  белка, а 400 килограммов бактерий — 40 тысяч тонн. Естественно, на получение 1 кг белка микробиологическим синтезом при соответствующей промышленной технологии потребуется средств  меньше, чем на получение 1 кг белка  животного. Да к тому же технологический  процесс куда менее трудоемок, чем  сельскохозяйственное производство, не говоря уже об исключении сезонных влияний погоды — заморозков, дождей, суховеев, засух, освещенности, солнечной  радиации и т. д.

Применяя обычные  технологические линии по производству синтетических волокон, можно получать из искусственных белков длинные  нити, которые после пропитки их формообразующимн веществами, придания им соответствующего вкуса, цвета и  запаха могут имитировать любой  белковый продукт. Таким способом уже  получены искусственное мясо (говядина, свинина, различные виды птиц), молоко, сыры и другие продукты. Они уже  прошли широкую биологическую апробацию  на животных и людях и вышли  из лабораторий на прилавки магазинов  США, Англии, Индии, стран Азии и Африки. Только в одной Англии их производство достигает примерно 1500 тонн в год. Интересно, что белковую часть школьных обедов в США уже разрешено  на 30 процентов заменять искусственным  мясом, созданным на основе соевого  белка.

Используемое в  питании больных Ричмондского госпиталя (США) искусственное мясо получило высокую  оценку главного диетолога. Правда, когда  больным давали антрекот из искусственного мяса, они жаловались на его тестоватость, хотя и не знали и даже не догадывались о том, что получали не естественный продукт. А когда мясо подавалось в виде мелко нарезанных кусочков, нареканий не было. Обслуживающий  персонал также употреблял искусственное  мясо, не догадываясь о подделке. Они воспринимали его как натуральную  говядину. Врачи госпиталя отмечали также положительное влияние  рациона на здоровье пациентов и  особенно больных атеросклерозом. В  состав такого мяса обязательно включают специально обработанный искусственный  белок, небольшое количество яичного  альбумина, жиры, витамины, минеральные  соли, природные красители, ароматизаторы  и прочее, что дает возможность  «лепить» изделие с заданными  свойствами, учитывая при этом физиологические  особенности организма, для которого продукт предназначен. Это особенно важно в диете детей и людей  пожилого возраста, больных и выздоравливающих, когда необходимо лимитировать питание  по целому ряду пищевых компонентов, что весьма трудно сделать, используя  традиционные продукты.Такое мясо можно  резать, замораживать, консервировать, сушить или прямо использовать для  приготовления различных блюд.

Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, 8 аминокислот люди не могут синтезировать, и их относят  к незаменимым. Это изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Аминокислоты — это  не только питательные вещества, но также ароматические и вкусовые агенты, и потому они широко используются в пищевой промышленности.

Как питательную  добавку в пищу чаще всего вносят лизин и метионин. Глутамат натрия и глицин употребляют как ароматические  вещества для усиления и улучшения  вкуса пищи. У глицина освежающий, сладкий вкус. Его вводят в сладкие  напитки, и кроме того, он проявляет  там бактериостатическое действие. Цистеин предотвращает подгорание пищи, улучшает пекарские процессы и качество хлеба.Благодаря некоторым  бактериям удается получать около 100 г/л глутаминовой аминокислоты. Ежегодно в мире производят микробиологическим способом 270 000 т этой аминокислоты, основная часть которой идет в  пищевую промышленность. По объему продукции второе место после  глутаминовой кислоты занимает лизин  — 180 000 т в год. Другие аминокислоты производят в гораздо меньших  количествах.

Аминокислоты в  большом количестве применяют как  добавку к растительным кормам, которые  дефицитны по метионину, треонину, триптофану и особенно по лизину. Если в животных белках содержится 7—9 % лизина, то в  белках пшеницы — только около 3 %. Внесение в корма лизина до содержания 0,3 % позволяет сократить их расход больше чем на 20 %. За последние 8 лет  количество аминокислот, добавляемых  в корма, выросло в 14 раз.Во многих странах метионин добавляют к  соевой муке — белковой добавке  кормов. Главная область практического  применения аминокислот — обогащение кормов. Около 66 % общего количества аминокислот, получаемых в промышленности, используют в кормах, 31 % — в пище и 4 % —  в медицине, косметике и как  химические реактивы.На основе аминокислот  готовят искусственный подсластитель  — метиловый эфир L-аспартил-L-фенилаланина, который в 150 раз слаще, чем глюкоза.

Биотехнология молочных продуктов

Спектр продуктов  питания, получаемых при помощи микроорганизмов, обширен. Это продукты, получаемые в  результате брожения - хлеб, сыр, вино, пиво, творог и так далее. До недавнего  времени биотехнология использовалась в пищевой промышленности с целью  усовершенствования освоенных процессов  и более умелого использования  микроорганизмов, но будущее здесь  принадлежит генетическим исследованиям  по созданию более продуктивных штаммов  для конкретных нужд, внедрению новых  методов в технологии брожения.

Получение молочных продуктов в пищевой промышленности построено на процессах ферментации. Основой биотехнологии молочных продуктов является молоко. Молоко (секрет молочных желез) - уникальная естественная питательная среда. Она содержит 82-88% воды и 12-18% сухого остатка. В состав сухого молочного остатка входят белки (3,0-3,2%), жиры (3,3-6,0%), углеводы (молочный сахар лактоза - 4,7%), соли (0,9-1%), минорные компоненты (0,01%): ферменты, иммуноглобулины, лизоцим и т.д. Молочные жиры очень разнообразны по своему составу. Основные белки молока - альбумин, казеин. Благодаря такому составу молоко представляет собой прекрасный субстрат для развития микроорганизмов. В сквашивании молока обычно принимают участие стрептококки и молочнокислые бактерии. Путем использования реакций, которые сопутствуют главному процессу сбраживания лактозы получают и другие продукты переработки молока: сметану, йогурт, сыр и т.д. Свойства конечного продукта зависят от характера и интенсивности реакций ферментации. Те реакции, которые сопутствуют образованию молочной кислоты, определяют обычно особые свойства продуктов. Например, вторичные реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их сортов. В таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, находящиеся в молоке.

Все технологические  процессы производства продуктов из молока делятся на две части: 1) первичная  переработка - уничтожение побочной микрофлоры; 2) вторичная переработка. Первичная переработка молока включает в себя несколько этапов. Сначала  молоко очищается от механических примесей и охлаждается, чтобы замедлить  развитие естественной микрофлоры. Затем  молоко сепарируется (при производстве сливок) или гомогенизируется. После  этого проводят пастеризацию молока, при этом температура поднимается  до 80^оС, и оно закачивается в танки или ферментеры. Вторичная переработка молока может идти двумя путями: с использованием микроорганизмов и с использованием ферментов. С использованием микроорганизмов выпускают кефир, сметану, творог, простокваши, казеин, сыры, биофруктолакт, биолакт, с использованием ферментов - пищевой гидролизат казеина, сухую молочную смесь для коктейлей и т.д. При внесении микроорганизмов в молоко лактоза гидролизуется до глюкозы и галактозы, глюкоза превращается в молочную кислоту, кислотность молока повышается, и при рН 4-6 казеин коагулирует.

Молочнокислое брожение бывает гомоферментативным и гетероферментативным. При гомоферментативном брожении основным продуктом является молочная кислота. При гетероферментативном брожении образуются диацетил (придающий вкус сливочному маслу), спирты, эфиры, летучие  жирные кислоты. Одновременно идут протеолитические и липолитические процессы, что делает белки молока более доступными и  обогащает дополнительными вкусовыми  веществами.

Для процессов ферментации  молока используются чистые культуры микроорганизмов, называемые заквасками. Исключение составляют закваски для  кефиров, которые представляют естественный симбиоз нескольких видов молочнокислых  грибков и молочнокислых бактерий. Этот симбиоз в лабораторных условиях воспроизвести не удалось, поэтому  поддерживается культура, выделенная из природных источников. При подборе  культур для заквасок придерживаются следующих требований:

- состав заквасок  зависит от конечного продукта (например, для получения ацидофилина  используется ацидофильная палочка,  для производства простокваши  - молочнокислые стрептококки);

- штаммы должны  отвечать определенным вкусовым  требованиям; 

- продукты должны  иметь соответствующую консистенцию, от ломкой крупитчатой до вязкой, сметанообразной; 

- определенная активность  кислотообразования;

- фагорезистентность  штаммов (устойчивость к бактериофагам);

- способность к  синерезису (свойству сгустка отдавать  влагу);

- образование ароматических  веществ; 

- сочетаемость штаммов  (без антагонизма между культурами);

- наличие антибиотических  свойств, т.е. бактериостатическое  действие по отношению к патогенным  микроорганизмам; 

- устойчивость к  высушиванию. 

Культуры для  заквасок выделяются из природных источников, после чего проводится направленный мутагенез и отбор штаммов, отвечающих перечисленным выше требованиям. Биотехнологии  на основе молока включают, как правило, все основные стадии биотехнологического  производства, которые можно рассмотреть  на примере сыроварения.

Производство  сыра, или сыроделие (сыроварение) - один из древнейших процессов, основанных на ферментации. Сыры бывают самые разнообразные - от мягких до твердых. Мягкие сыры содержат много воды, 50-60%, а твердые - мало, 13-34%. На первом этапе идет подготовка молока (первичная обработка). На втором - готовится культура молочнокислых бактерий. Микроорганизмы подбираются в определенной пропорции, обеспечивающей наилучшее качество. Набор бактерий также зависит от температуры термообработки. Третья стадия - стадия ферментации, - в сыроварении в некоторых случаях происходит в 2 этапа, до и после стадии выделения. Сначала молоко инокулируют определенными штаммами микроорганизмов, приводящими к образованию молочной кислоты, а также добавляют сычужный фермент реннин. Реннин ускоряет превращение жидкого молока в сгусток (створаживание) в несколько раз. Эта реакция активируется молочной кислотой, вырабатываемой бактериями. Функции реннина могут выполнять и другие протеиназы, но реннин также участвует в процессах протеолиза, происходящих в сыре при созревании. После образования сгустка сыворотку отделяют, а полученную творожистую массу подвергают термообработке и прессуют в формах. Далее сгусток солят и ставят на созревание. Иногда полученная масса происходит дополнительную обработку, которая заключается в следующем: заражение спорами голубых плесневых грибов при производстве рокфора; нанесение на поверхность спор белых плесневых грибов при производстве камамбера и бри; нанесение бактерий, необходимых для созревания некоторых сыров. Некоторые сыры после выделения должны подвергнуться дальнейшей ферментации (стадия созревания). Микроорганизмы и ферменты в ходе этого процесса гидролизуют жиры, белки и некоторые другие вещества молодого сыра. В результате их распада образуются вещества, придающие сырам характерный вкус.

Процессы ферментации  при производстве многих молочных продуктов, таких как сметана, творог, многие сыры идут в ферментерах открытого  типа. Как правило, они занимают немного  времени. К одним из самых простых  относят производство кефира, простокваш, сметаны и масла. Например, при  производстве сметаны к сливкам  добавляют 0,5-1% закваски, используемой при производстве масла. Далее продукт  выдерживают, пока концентрация кислоты  не достигнет 0,6%. В заключение хотелось бы добавить, что процессы получения  молочнокислых продуктов весьма просты и доступны для воспроизводства  в домашних условиях. Они не требуют  строгих условий соблюдения стерильности, протекают, как правило, при комнатной  или чуть повышенной температуре. Собственно, изначально они были одними из первых "домашних" биотехнологий, которые  были позднее поставлены на промышленную основу.

Производство биомассы

В настоящее время  существуют следующие основные типы биопроцессов:

- производство биомассы (например, белок одноклеточных);

- клеточных компонентов  (ферменты, нуклеиновые кислоты и  т.д.)

- метаболитов (химические  продукты метаболической активности), включая первичные метаболиты, такие  как этанол, молочная кислота; 

- вторичные метаболиты ;

- односубстратные  конверсии (превращение глюкозы  во фруктозу);

- многосубстратные  конверсии (обработка сточных  вод, утилизация лигноцеллюлозных  отходов).

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. Выяснилось, что белки и жиры микроорганизмов  с успехом могут заменить белки  и жиры традиционного происхождения. Преимущества микроорганизмов как  продуцентов белка состоит в  высоком содержании белка в биомассе и высокой скорости роста микроорганизмов.

Термин белок  одноклеточных (БОК) был предложен  в 1966 г. для обозначения биомассы различных микроорганизмов (бактерий, дрожжей, грибов и водорослей). Кроме  высокого содержания белка микробная  биомасса содержит также жиры, нуклеиновые  кислоты, витамины и минеральные  компоненты. Источниками получения  пищевого белка могут стать также  белковые изоляты из различных видов  зеленой биомассы, в том числе  и из табака.

Для получения БОК  используют самые разнообразные  субстраты, включая парафины нефти, метан, водород, метанол, этанол, уксусную кислоту, углекислый газ, молочную сыворотку, мелассу, крахмал и целлюлозосодержащие  отходы промышленности и сельского  хозяйства.

Для промышленного  использования перспективными являются термофильные (растущие при высоких  температурах до 50^о С) микроорганизмы. Качество биомассы оценивается по высокому содержанию белка, низкому содержанию нуклеиновых кислот и отсутствию вредных веществ.

Как пример промышленного  производства биомассы можно привести получение хлебопекарных дрожжей. В производстве хлебопекарных дрожжей  используют специально отобранные расы Saccharomyces cerevisiae. При отборе культуры принимают во внимание способность дрожжей сбраживать тесто, они должны обладать хорошей подъемной силой и ферментативной активностью, хорошо расти на мелассной среде в условиях глубинной ферментации и давать высокий выход биомассы. Клетки дрожжей должны легко отделяться от культуральной жидкости сепарированием или фильтрацией и хорошо сохраняться в прессованном виде. Подъемную силу дрожжей выражают в минутах, в течение которых определенное количество дрожжей развиваясь в определенном количестве теста, увеличивает его объем на предусмотренную стандартом величину. Для хороших дрожжей подъемная сила не должна превышать 75 мин.

Хлебопекарные дрожжи обладают и бродильной активностью, но чтобы направить использование  углеводов субстрата только на образование  биомассы, спиртовое брожение ограничивают всеми доступными средствами. Это  достигается интенсивной аэрацией среды, а также поддержанием низкой концентрации сахара в ней (0,5—1,5%). При  высокой концентрации сахаров наблюдается  катаболитная репрессия ферментов  цикла Кребса и переключение энергетического  метаболизма преимущественно на брожение. Чтобы избежать этого, сахар  в среду подают непрерывно с постоянной или возрастающей скоростью притока.Чтобы  предотвратить чрезмерное размножение  побочной микрофлоры, особенно так  называемых диких дрожжей, удельная скорость роста которых выше, чем  у хлебопекарных дрожжей, процесс  ферментации обычно ведут по периодической  схеме в течение 10—20 ч.

Товарные дрожжи обычно получают в три этапа. Сначала  размножают первый посевной материал (задаточные дрожжи), затем вторые задаточные дрожжи и из них получают товарные дрожжи. Получение первых задаточных дрожжей идет без притока среды; длительность процесса 6—7 ч. На втором этапе стремятся полностью исключить  спиртовое брожение, поэтому дрожжи выращивают в условиях очень интенсивной  аэрации, лимитируя концентрацию сахара в среде, по проточному методу культивирования. Чаще всего длительность этого этапа 10 - 12 ч. Последний этап производства товарных дрожжей длится 10 - 24 ч. Биомассу дрожжей отделяют от культуральной  жидкости, используя сепарирование, в три этапа, при двукратной промывке суспензии клеток водой для удаления остатков среды, бактерий и примесей. Получают концентрат дрожжей, содержащий 80—120 г/л сухой биомассы. Его охлаждают  до 8—10°С, фильтруют на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах и получают дрожжевую пасту с 70—75%-ной влажностью. После кондиционирования пасты  водой до стандартной (75%) влажности, дрожжи фасуют в плитки массой 50, 100, 500, 1000 г и упаковывают. Хранят прессованные дрожжи при температуре 0 - 4°С до 10 суток. Хлебопекарные дрожжи можно высушивать при температуре 30—40°С до влажности 8% и хранить до 6 мес.

Кормовые дрожжи получают с помощью Candida и Trichosporon. Выбирая культуру, надо следить, чтобы скорость ее роста в соответствующей среде была максимальной, в состав биомассы входило бы много белков, витаминов, чтобы культура в определенных условиях была вирулентной (могла конкурировать с сопутствующей микрофлорой).Кормовые дрожжи получают из доступных, дешевых, содержащих углерод видов сырья:

• углеводсодержащее сырье (гидролизаты древесных и сельскохозяйственных отходов, меласса, сульфитный щелок целлюлозной промышленности);
• природные и синтетические субстраты, содержащие органические кислоты, спирты и другие окисленные соединения углерода (отходы спиртовой промышленности — барда, отходы производства синтетических моющих веществ и др.);
• углеводороды (нефть, парафины, природные газы).

При производстве кормового  белка не требуется получение  жизнеспособной микробной массы, поэтому  требования при выделении клеток более просты.

Живая биомасса молочнокислых  бактерий, которая широко используется в молочной промышленности, в пищевой  промышленности, в сельском хозяйстве  и в ветеринарии, называется молочнокислые закваски. Кроме этого, живые клетки микроорганизмов используются для получения бактериальных удобрений, микробных инсектицидов.

Производство аминокислот, органических кислот, витаминов

Производство аминокислот  относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического  синтеза или экстракцией из белковых гидролизатов.

Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем путем  химического синтеза, так как  при биологическом синтезе используемые микроорганизмы образуют аминокислоты в биологически активной L-форме. Как продуценты лизина изучаются Brevibacterium lactofermentum и бактерии рода Corynebacterium,также предложены способы биотехнологического получения изолейцина,треонина при использовании E. coli. Большинство исследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают L-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту,лейцин, валин, изолейцин, лизин.За рубежом 60% мощностей по производству аминокислот занимают глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. Глутаминовая кислота производится при участии в качестве продуцента штамма Corynebacterium.

С помощью микроорганизмов  можно получить до 60 органических кислот. Многие из них получаются в промышленном масштабе - итаконовая, молочная, уксусная, лимонная, яблочная, янтарная. Эти пищевые  кислоты используются как регуляторы кислотности и консерванты. Лимонную кислоту получают с помощью Yarrowia lipolytica, Aspergillus niger, молочную – Endomycopsis fibuligera, Rhisopus oryzae, 
Lactobacillus casei, янтарную – Anaerobiospirillum succiniproducens. Уксусную кислоту получают путем микробиологической конверсии водорода и углекислого газа бактериями Acetobacterium woodi и Clostridium aceticum.

Микроорганизмы  содержат много витаминов, которые  чаще всего входят в состав ферментов. Состав и количество витаминов в  биомассе зависят от биологических  свойств данной культуры микроорганизмов  и условий культивирования. Некоторые  витамины микроорганизмы синтезируют, другие напротив усваивают в готовом  виде из окружающей среды. Культура, способная  синтезировать какой-либо витамин, называется автотрофной по отношению  к нему, если культура не способна синтезировать  данный витамин, она является авто-гетеротрофной.

Витамины синтезируют  в основном химическим путем или  получают из естественных источников. Однако эргостерин, рибофлавин (В₂), витамин В₁₂ и аскорбиновую кислоту (микроорганизмы используются как селективные окислители сорбита в сорбозу при производстве витамина С) получают микробиологическим путем. Для синтеза витаминов В₁, В₂, В₆, В₁₂и аскорбиновой кислоты также используют кефирные грибки, а бифидобактерии – группы В, РР (никотиновая кислота) и Н, однако пока эти микроорганизмы не используются как продуценты витаминов в промышленных масштабах.

Изменяя условия  среды, содержание отдельных витаминов  можно увеличить. Так, количество рибофлавина  зависит от интенсивности аэрации  и содержания железа в среде. Количество витаминов в клетках, а также  их выделение из последних можно  изменить при помощи микроэлементов. Существует производство рибофлавина  на основе использования дрожжеподобных грибов Eremothecium ashbyii и Ashbia gossypii. Рибофлавин продуцируется также видами Clostridium и Ascomycetes. Микроводоросль Dunalieiia viridis культивируется с целью получения β-каротина.

Микроорганизмы  являются источником получения липидов  специального назначения с заранее  определенными свойствами. Микробные  жиры заменяют растительные (а в  ряде случаев и превосходят)и  могут использоваться в разных отраслях промышленности, с.-х., медицине.

Получение пищевых  ароматизаторов микробиологическим путем  может быть более выгодным и продуктивным, чем их химический синтез или другие традиционные способы. Так, в США  был разработан экологически безопасный биокаталитический способ синтеза  ванилина из глюкозы с 
использованием генетически модифицированного штамма E. coli и грибного фермента дегидрогеназы. Аромат ванилина при биотехнологическом его получении оказался в несколько раз интенсивнее обычного.

Весьма перспективно использование грибных культур  в качестве продуцентов сырных, грибных, рыбных ароматизаторов. Освоены биотехнологические способы получения веществ, имитирующих  ароматы земляники, малины, банана, кокоса, яблока, персика, миндаля.

Микроорганизмы  являются важным источником получения  полимерных материалов на основе полисахаридов. Ценным микробным полисахаридом  является декстран, образуемый бактериями рода Leucomonstoс. Декстран служит основой получения медицинских препаратов (кровезаменителей) и препаратов для биохимических исследований - сефадексов и др. молекулярных сит. Нуклеозиды, нуклеотиды и их производные также можно получать с помощью микроорганизмов.

Большинство пищевых  красителей синтезируют химическим путем, но некоторые натуральные  пигменты микроорганизмов могут  быть с успехом использованы в  качестве красителей для пищевых  продуктов. Так, из гриба Monascus получен натуральный красный пищевой краситель. Из бактерий с Канарских островов получен розовый краситель для мороженого, крема, мыла. Такие красители безвредны и придают стойкий цвет продуктам, что позволяет предположить, что в будущем микробиологическому производству красителей будет уделяться больше внимания, чем в настоящее время.