– это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве.
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.
Пищевая биотехнология является новым и перспективным направлением в перерабатывающей промышленности (мясная, молочная, рыбная и др.).
Пищевая биотехнология изучает биотехнологический потенциал сырья животного происхождения и пищевых добавок, в качестве которых используются ферментные препараты, продукты микробиологического синтеза, новые виды биологически активных веществ и многокомпонентные добавки.
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.
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.
-
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.
1875 г. Разработан метод получения чистых культур
Техногенные побочные продукты промышленности как сырьё для производства ...
... Техногенные побочные продукты промышленности как сырьё для производства стройматериалов Шлаки – продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов – топлива, руды, плавней и газовой среды. Это сырье имеет ... Доменные гранулированные шлаки – основной вид сырья при производстве шлаковых цементов. Их получают в качестве побочного продукта при выплавке чугуна из железной руды ...
В 1893 г. установлена способность плесневых грибов синтезировать лимонную кислоту (К. Вемер).
1894 г. Создан первый ферментный
1917 г. Венгерским инженером Карлом Эреки был применен термин «биотехнология».
В 1923 г. было организовано первое микробиологическое промышленное производство лимонной кислоты, а затем молочной, глюконовой и других органических кислот.
В 30-е годы в СССР было организовано производство микробиологическим способом технических препаратов ферментов и витаминов (рибофлавина, эргостерина).
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).
-
Основные направления в биотехнологии
В некоторых отраслях биотехнология способна заменить традиционную технологию (например, при длительном хранении продуктов, в производстве пищевых приправ, полимеров, при извлечении некоторых металлов из бедных руд).
В некоторых отраслях промышленности биотехнология играет ведущую роль (таблица 1).
Таблица 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).
Синтез новых антибиотиков. Применение ферментов (пищеварительных ферментов: фестала, мезима, энзистала) и препаратов микроорганизмов (лактобактерий, бифидобактерий) в терапии. |
|
Продолжение таблицы 1 |
|
|
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. |
-
Современное состояние пищевой биотехнологии
В современной пищевой биотехнологии можно выделить два направления: применение веществ и соединений, полученных биотехнологическим способом (например, органических кислот, аминокислот, витаминов), и интенсификация биотехнологических процессов в производстве пищевых продуктов.
В настоящее время в пищевой промышленности широко используется продукция, полученная биотехнологическим способом. Расширяется область применения пищевых добавок, в том числе полученных с помощью микробных клеток: органических кислот, ферментных препаратов, подсластителей, ароматизаторов, загустителей и т.д. (таблица 2).
На продовольственном рынке растет ассортимент функциональных пищевых продуктов. Для их производства применяют витамины, аминокислоты и другие соединения, полученные биотехнологическим способом.
Таблица 2 — Использование продукции биотехнологии в пищевой промышленности
|
Продукция биотехнологии |
Использование в пищевой промышленности |
|
Аминокислоты: |
|
|
Цистеин, метионин, лизин |
Повышение пищевой (биологической) ценности белоксодержащих продуктов |
|
Глутаминовая кислота (глутамат натрия) |
Усиление аромата мясных, рыбных и других изделий |
|
Глицин, аспартат |
Придание кондитерским изделиям, безалкогольным напиткам кисло-сладкого вкуса |
|
Олигопептиды: |
|
|
Аспартам, тауматин, монеллин |
Производство низкокалорийных сладких продуктов |
|
Ферменты: |
|
|
α-Амилаза |
Производство спирта, вин, пива, хлеба, кон- дитерских изделий и продуктов детского питания |
|
Глюкоамилаза |
Получение глюкозы, удаление декстринов из пива |
|
Инвертаза |
Производство кондитерских изделий |
|
Пуллуланаза |
Выработка мальтазных (в сочетании с β-амилазой) или глюконовых (с глюкоамилазой) фруктовых сиропов из крахмала |
|
β-Галактозидаза |
Освобождение молочной сыворотки от лактозы, приготовление мороженого и др. |
|
Целлюлазы |
Приготовление растворимого кофе, морковного джема, улучшение консистенции грибов и овощей, обработка плодов цитрусовых |
|
Пектиназа |
Осветление вин и фруктовых соков, обработка цитрусовых плодов |
|
Микробная протеиназа |
Сыроварение, ускорение созревания теста, производство крекеров, улучшение качества мяса |
|
Реннин |
Свертывание молока |
|
Пепсин, папаин |
Осветление пива |
|
Фицин, трипсин, бромелаин |
Ускорение процесса маринования рыбы, отделение мяса от костей |
|
Липазы |
Придание специфического аромата сыру, шоколаду, молочным продуктам, улучшение качества взбитых яичных белков |
|
Глюкозооксидаза, каталаза |
Удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, фруктовых соков для их улучшения и продления сроков хранения |
|
Витамины: |
|
|
Продолжение таблицы 2 |
|
|
А, В1 , В2 , В6 , В12 , С, D, Е, β-каротин |
Повышение пищевой ценности продуктов |
|
С, Е В2, β-каротин |
Антиоксиданты Красители, усилители цвета |
|
Органические кислоты: |
|
|
Уксусная, лимонная, бензойная, молочная, глюконовая, яблочная |
Консерванты, ароматизаторы, подкислители |
|
Терпены и родственные соединения: |
|
|
Гераниол, нерол |
Ароматизаторы |
|
Полисахариды: |
|
|
Ксантаны |
Загустители и стабилизаторы кремов, джемов |
Подкислители. Подкислители применяют в основном как вкусовые добавки для придания продуктам «острого» вкуса. Самый популярный подкислитель – лимонная кислота, которую получают при участии Aspergillus niger, сбраживая мелассу и содержащие глюкозу гидролизаты. Ее широко используют в производстве безалкогольных напитков и кондитерских изделий. При консервировании помидоров широко используют яблочную кислоту, ее образует A. flavus. К числу других кислот, широко применяемых в пищевой промышленности, относятся уксусная, молочная, итаконовая (продуцент – A. terreus), глюконовая, используемая в форме глюконолактона (продуцент — A. niger), и фумаровая (микроскопический гриб рода Rhizopus).
Усилители вкуса. Вещества, усиливающие оттенки вкуса, содержатся в природных пищевых продуктах. Главным усилителем вкуса считается натриевая соль глутаминовой кислоты (глутамат натрия): ее можно получать при помощи Micrococcus glutamicus.
Расщепляя с помощью фермента нуклеазы микроскопического гриба Penicillium citrinum нуклеиновые кислоты, в промышленном масштабе получают 5´-нуклеотиды (содержащие главным образом инозин и гуанин), которые находят применение как усилители вкуса.
Красители. Основные потребности в этих соединениях удовлетворяются за счет природных источников и продуктов химического синтеза, но два из них традиционно получают методами биотехнологии. В качестве красителей и усилителей цвета используются некоторые витамины, такие как В2(рибофлавин), β-каротин, окрашивающие пищевые продукты в оранжево-желтые цвета. b-каротин применяют при изготовлении колбас с целью замены нитрита натрия, кондитерских изделий, сливочного масла, макаронных изделий.
Некоторые аминокислоты при температуре 100-120 °С и сильнощелочной реакции взаимодействуют с сахарами с образованием красителей.
Загустители. Ксантан был первым микробным полисахаридом, который начали производить в промышленном масштабе (1967 г.).
Синтезируется микроорганизмами Xanthomonas campestris при выращивании на глюкозе, сахарозе, крахмале, кукурузной декстрозе, барде, творожной сыворотке. Это вещество обладает высокой вязкостью в широком диапазоне рН, не зависящей от температуры и присутствия солей. Ксантаны безопасны для человека, вследствие чего с 1969 г. используются в пищевой промышленности для производства консервированных и замороженных пищевых продуктов, приправ, соусов, продуктов быстрого приготовления, заправок, кремов и фруктовых напитков.
Широко используется в кондитерской промышленности и при производстве мороженого в качестве стабилизатора полисахарид декстран (α-D-глюкан) из Leuconostoc mesenteroides, выращиваемого на сахарозе.
