Биотехнология в пищевой промышленности

Бродильные производства

 

 

Получение напитков путем  спиртового брожения – одно из древнейших бродильных производств. Первым из таких  напитков были, видимо, вино и пиво. До появления работ Пастера в  конце XIX в. о сути протекающих при брожении процессов и их механизмах было известно очень мало. Пастер показал, что брожение без доступа воздуха осуществляется живыми клетками дрожжей, при этом сахар превращается в спирт и углекислый газ. Тогда же было показано, что брожение осуществляется под действием каких-то вещесств, находящихся внутри дрожжевых клеток. Одно из главных нововведений в области микробиологии брожения было предложено Хансеном, работавшим в исследовательском центре Карлсберг в Копенгагене с дрожжами дикого типа. При производстве пива эти дрожи доставляли массу неудобств. Хансен выделил чистые культуры дрожжей и использовал их в пивоварении; тем самым он стал экспертом применения таких культур при производстве пива.

Алкогольные напитки получают путем сбраживания сахаросодержащего  сырья, в результате которого образуются спирт и углекислый газ. Сбраживание  осуществляется дрожжами рода Saccharomyces. В одних случаях используется природный сахар (например, содержащийся в винограде, из которого делают вино), в других сахара полусают из крахмала (например, при переработке зерновых культур в пивоварении). Наличие свободных сахаров обязательно для спиртового брожения при участии Saccharomyces, так как эти виды дрожжей не могут гидролизировать полисахариды. Образование этилового спирта из глюкозы происходит по схеме Эмбдена – Мейергофа – Парнаса, представленной на рис. 1.

В производстве спиртных напитков применяют штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae или S. carlsbergensis. Различие между ними заключается в том, что S. carlsbergensis могут полностью сбраживать раффинозу, а S. cerevisiae к этому не способны.

Рисунок 1: схема Эмбдена – Мейергофа – Парнаса

 

 

Биотехнология белковых продуктов

 

 

Микроорганизмы начали использовать в производстве белковых продуктов  задолго до возникновения микробиологии. Достаточно упомянуть всевозможные разновидности сыра, а также продукты, получаемые путем ферментации соевых брбов. И в первом, и во втором случае питательной средой является белок. При переработки этих продуктов, при участии микробов происходит глубокое изменение свойств белок содержащего сырья. В результате получают пищевые продукты, которые можно дольше хранить (сыр) или удобнее потреблять (соевый творог). Микробы играют роль в производстве некоторых мясных продуктов, предназначенных для хранения. Так, при изготовлении некоторых сортов колбасы используют кислотное брожение, обычно при участии комплекса молочнокислых бактерий. Образовавшаяся кислота способствует сохранности продукта и вносит вклад в формировании его особого вкуса. Кислотообразующие бактерии используются и при засоле мяса – еще одном сособе консервации.

Белок одноклеточных  организмов

По многим важным показателям  биомаси микроорганизмов может  обладать весьма высокой питательной  ценностью. В немалой степени  эта ценность определяется белками: у большинства видов они составляют значительную долю сухой массы клеток. На протяжении десчтилетий вктивно  обсуждаются и иследуются перспективы  увеличения доли белка микроорганизмов  в общем балансе производимого  во всем мире белка. Такое увеличение возможно как в косвенной форме, путем введения белковых добавок  в корм животным (что уменьшает потребность в таких продуктах, как соевая и рыбная мука), так и в прямой, путем получения продуктов питания.

Чтобы отличать такой тип  продуктов от белка высших многоклеточных животных и растений, для микробного белка придумано специаальное название – белок одноклеточных организмов (БОО). Производство его связано с  крупномвсштабным выращиванием определенных микроорганизмов, которые собирают и перерабатывают в пищевые продукты. В основе лежит технология ферментации  – ветвя бродильной промышленности и производства антибиотиков. Чтобы  осуществить возможно более полное превращение субстрату в биомассу микробов, требуется многосторонний подход. Выращивание микробов в пищевых целях прсдставляет интерес по двум причинам. Во-первых, они растут гораздо быстрее, чем растения или животные: время удвоения их численности измеряется часами. Это сокращает сроки, нужные для производства определенного количества пищи. Во-вторых, в зависимости от выращиваемых микроорганизмов в качестве субстратов могут использоваться разнообразные виды сырья. Что касается субстратов, то здесь можно идти двумя главными направлениям: перерабатывать низкокачественные бросовые продукты или ориентироваться на легкодоступные углеводы и получать за их счет микробную биомасу, содержащюю высококачественный белок. И в том и другом случае технология ферментации играет ключевую роль. Здесь важно подобрать оптемальный состав среды, создать определенные условия для роста, разобрать конструкции ферментов, правила их эксплуатации и системы коетроля, выбрать методы отделения биомассы от культуральной среды. Промышленное производство белка одноклеточных организмов всегда осущесвляется методом глубинного культивирования в жидких средах; применяются как одноэтапное культивирование. Непрерывное культивирование сложнее, чем одноэтапное, но более экономично: производитель ферментов фыше. Именно этот метод был избран для промышленного производства БОО.

 

 

Пищевые и технологические  добавки 

 

Микроорганизмы важны  для пищевой промышленности не только благодаря своей способности  к ферментации продуктов, но и в качестве источника пищевых и технологических добавок. Судя по всему, развитие биотехнологии будет продолжать способствовать дальнейшему повышению важности бактерий для пищевой промышленности.

Пищевые добавки используются для повышения питательной ценности, удлинения срока хранения, изменения  консистенции и усиления вкуса и  аромата продуктов. Используемые производителями  пищевые добавки, как правило, имеют  растительное или бактериальное  происхождение, например, синтезируемые  бактериями ксантановая и гуаровая смолы. Многие аминокислотные добавки, усилители вкуса и витамины, добавляемые  в пищевые продукты, производятся с помощью бактериальной ферментации. Со временем 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.

Производители продуктов  питания используют растительный крахмал  в качестве загустителя и заменителя жира в низкокалорийных продуктах. В настоящее время крахмал  выделяется из растительного сырья  и модифицируется с помощью химических реагентов или энергоемких механических процессов. Биотехнология позволяет  изменить характеристики растительного  крахмала и, таким образом, избежать необходимости его промышленной обработки.

Ферменты, получаемые с помощью  микробной ферментации, играют для  пищевой промышленности важную роль в качестве технологических добавок. Первым коммерческим биотехнологическим продуктом был фермент химозин, используемый в сыроварении. До внедрения биотехнологических методик этот фермент приходилось извлекать из желудков телят, ягнят или козлят, а сегодня он синтезируется бактериями, в геном которых встроен соответствующий ген.

Для производства обогащенного фруктозой кукурузного сиропа требуется  три фермента, которые важны также  для изготовления выпечки и пива. Для производства фруктовых соков, некоторых сортов конфет и сыров  также необходимы ферменты. На сегодняшний  день в пищевой промышленности используется уже более 55 различных ферментов микробного происхождения. По мере изучения весьма впечатляющего разнообразия бактериального мира эта цифра будет продолжать увеличиваться.

 

 

Тестирование  безопасности продуктов питания  

 

Биотехнология не только предоставляет  множество способов повышения безопасности продуктов питания, но и вооружает  нас множеством подходов к выявлению  микроорганизмов и синтезируемых  ими токсинов. Разрабатываемые в  настоящее врем тесты на основе моноклональных антител, биосенсоры, методы полимеразной цепной реакции (ПЦР) и ДНК-пробы в скором времени обеспечат нам возможность быстрого и эффективного выявления присутствия в пищевых продуктах микроорганизмов, таких как Listeria и Clostridium botulinum, вызывающих порчу продуктов и пищевые отравления.

Сегодня мы в состоянии  отличить штамм E.coli 0157:H7, в результате заражения которым в течение  нескольких последних лет произошло  несколько смертей, от других, безвредных штаммов этого микроорганизма. Биотехнологические тесты компактны, не требуют много  времени и, за счет высокой специфичности  молекулярных методик, гораздо более  чувствительны, чем использовавшиеся ранее наборы. Например, для выявления  сальмонеллы с помощью нового диагностического теста требуется  всего 36 часов, тогда как на постановку более старых методов уходит три-четыре дня.

Уже разработаны биотехнологические диагностические тесты, позволяющие  выявлять некоторые токсины, в том  числе микотоксины, синтезируемые  поражающими зерно грибками и  плесенями, и наличие в продуктах питания случайных примесей потенциальных аллергенов, например, при добавлении в них арахиса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОД

 

 

Биотехнология позволяет  улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения, составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья.

Кроме того, биотехнология  предоставляет массу 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; и даже биоразрушаемую пластиковую упаковку, уничтожающую бактерии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛБЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

1. Бич Г., Бест Д. Брайерли К., и др. Биотехнология. Принцыпы и применения: Пер. с англ./Под ред. И. Хиггина, Д. Беста и Дж. Джонса. – М.:Мир, 1988 – 480с.
2. Бирюков В. В. Основы промышленной биотехнологии. – М.: КолосС, 2004 г. – 296с.
3. Быков В. А., Манаков М. Н., Панфилов В. И. Производство белковых веществ 5 Т. – М.: «Высшая школа» 1987 г. – 173с.
4. Крусь, Г.Н. Методы исследования молока и молочных продуктов [Текст] / Г.Н. Крусь, А.М. Шалыгина, З.В. Волокитина. - М.: КолосС, 2000 г. - 368 с.
5. Еминов Н. П. Основы биотехнологии. Изд. фирма «Наука» СПБ 1995 г. 600с.