Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
2 Производство молочных продуктов. В пищевой промышленности ферментацию применяют главным образом для получения молочных продуктов. В сквашивании молока обычно принимают участие стрептококки и молочнокислые бактерии; лактоза при этом превращается в молочную кислоту. Путем использования иных реакций, которые сопутствуют главному процессу или идут при последующей обработке, получают и другие продукты переработки молока: сметану, йогурт, сыр и др. Свойства конечного продукта зависят при этом от характера и интенсивности 201 реакций ферментации. В молоке при ферментации могут протекать шесть основных реакций, и в результате образуются молочная, пропионовая или лимонная кислота, спирт, масляная кислота или же происходит газообразование. Главная цель этих реакций – образование молочной кислоты. На ней основаны все способы ферментации молока. Лактоза молока гидролизуется при этом с образованием галактозы и глюкозы. Обычно галактоза превращается в глюкозу еще до сквашивания. Имеющиеся в молоке бактерии преобразуют глюкозу в молочную кислоту. Различные процессы ферментации молока проводятся в контролируемых условиях. В течение многих тысячелетий они осуществлялись при участии бактерий, исходно присутствующих в молоке. В наше время для этого используют разнообразные закваски, позволяющие получать молочные продукты нужного качества и типа. Применяющиеся при этом культуры бактерий могут представлять либо один какой-то штамм определенного вида, либо несколько штаммов или видов. Коммерческие культуры-закваски состоят из бактерий, образующих молочную кислоту и пахучие вещества (табл.1). Один из древнейших способов ферментации молока – сыроварение. При производстве сыра сохраняется питательная ценность молока. Известны самые разнообразные сыры – от очень мягких до твердых. Различия между ними определяются тем, что все натуральные мягкие сыры содержат много воды (50-60%), а твердые – всего лишь 13-34%. Хотя свойства сыров разнообразны, в процессе выработки всех их есть много общего. Первый этап – это подготовка культуры молочнокислых бактерий и засев ею молока. Затем молоко створаживают, для чего обычно применяют фермент ренин. После отделения водянистой жидкости (сыворотки) полученную творожную массу подвергают термообработке и прессуют в формах. Далее сгусток солят и ставят на созревание. Древним продуктом, получаемым путем ферментации является йогурт. После термообработки молоко заквашивают добавлением 2- 3% закваски йогурта. Главную роль здесь играют бактерии Streptococcus thermophillus и Lactobacillus bulgaricus. Для получения желаемой консистенции продукта, вкуса и запаха эти организмы должны содержаться в культуре приблизительно в равных количествах. Кислоту в начале заквашивания образует в основном Streptococcus thermophillus. Смешанные закваски нужно часто 202 обновлять, поскольку повторные пересевы неблагоприятно сказываются на соотношении видов и штаммов бактерий. Из молочных продуктов проще всего получать масло. В зависимости от сорта производимого масла используют сливки с концентрацией от 30 до 40 %. При их сбивании образуется масло. Таблица 1. Функциональная роль некоторых бактерий, используемых при переработке молока Культура Функция Использование 1 2 3 Propionlbacterium Р. shermanii Р. petersonii Формирование вкуса, образование глазков Производство швейцар ского сыра Lactobacillus L. easel L. helveticus L. bulgaricus L. lactis Образование молочной кислоты Созревание, закваска, для швейцарского сыра, производство сыров типа швейцарского Leuconostoc L. dextranicum L. citrouorum Образование вкусовых веществ из лимонной кислоты (главным об- разом диацетила) Производство сметаны, сливочного масла, заквасок Streptococcus S. thermophilus S. lactis S. cremoris Образование молочной кислоты Производство йогурта и швейцарского сыра; закваски для сыров При производстве масла для улучшения вкуса и лучшей сохранности используют особые культуры бактерий. Улучшение вкуса было достигнуто путем создания специальных штаммов бактерий, отобранных по способности синтезировать нужные вещества, влияющие на вкус. Первыми для этой цели были использованы штаммы Streptococcus lactis и близких видов, а затем – смешанные культуры. 3 Производство хлебопродуктов. Для производства хлеба применяют в основном дрожжи Saсcharomyces cerevisiae. Обычно их растят в ферментерах периодического действия. В простейшем случае готовят тесто, смешивая при комнатной 203 температуре муку, воду, дрожжи и соль. При замесе слои теста перемешиваются, создаются условия для образования пузырьков газа и подъема теста. Замешанному тесту дают возможность «подойти», а затем режут на куски нужного веса, формуют и выдерживают во влажной атмосфере. При выдержке образовавшиеся газовые пузырьки заполняются углекислым газом. Он выделяется в ходе анаэробного сбраживания глюкозы и мальтозы муки. Помимо углекислого газа при анаэробном брожении образуются разнообразные органические кислоты, спирты и эфиры. Все они влияют на формирование вкуса хлеба. Поднявшееся тесто выпекают. В ходе этого термического процесса крахмал желатинизируется, дрожжи погибают и тесто частично обезвоживается. При выпечке некоторых сортов хлеба из пшеничной муки к тесту добавляют предварительно сброженную смесь ржаной муки и воды, заквашенную смешанной культурой лактобактерий. Содержащаяся в этой закваске кислота придает хлебу особый вкус. 4 Бродильные производства, получение белковых продуктов, пищевых добавок и ингредиентов. Одно из древнейших бродильных производств – получение напитков путем спиртового брожения. Первыми из таких напитков были вино и пиво. Алкогольные напитки получают путем сбраживания сахарсодержащего сырья, в результате которого образуются спирт и углекислый газ. Сбраживание осуществляется дрожжами рода Saсcharomyces. В одних случаях используется природный сахар (например, содержащийся в винограде, из которого делают вино), в других сахара получают из крахмала (например, при переработке зерновых культур в пивоварении). Наличие свободных сахаров обязательно для спиртового брожения при участии Saсcharomyces, так как эти виды дрожжей не могут гидролизовать полисахариды. Пиво Для осуществления спиртового брожения прежде всего необходимо, чтобы в пивоваренном сырье образовался сахар. Традиционным источником нужных для этого полисахаридов всегда был ячмень, но в качестве дополнительных используются и другие виды углеводсодержащего сырья. Ячмень и другие компоненты измельчают и смешивают с водой при температуре 67 0 С. В ходе перемешивания природные ферменты ячменного солода разрушают углеводы зерна. Краткая схема процесса пивоварения представлена на рисунке 3. На заключительной стадии раствор, называемый суслом, 204 отделяют от нерастворимых остатков. Добавив хмель, его кипятят в медных котлах. Для производства пива с определенным содержанием алкоголя сусло после кипячения доводят до нужной плотности. Удельная плотность сусла определяется содержанием экстрагированных сахаров, подлежащих сбраживанию. По истечении определенного времени брожение заканчивается, дрожжи отделяют от пива и выдерживают его некоторое время для созревания. После фильтрации и других необходимых процедур пиво готово. Вина Рис. 3. Операции, лежащие в основе пивоварения 205 В производстве вина используется сахар виноградного сока. Почти все вино в мире делают из винограда одного вида, Vitis vinifera. Сок этого винограда – прекрасное сырье для производства вина. Он богат питательными веществами, служит источником образования приятных запаха и вкуса, содержит много сахара; его природная кислотность подавляет рост нежелательных микроорганизмов. Виноделие в отличие от пивоварения до самого последнего времени было основано на использовании диких местных дрожжей. Единственная обработка, которой подвергали виноград до отжима – окуривание его сернистым газом, чтобы сок не темнел. Кроме того, сернистый газ подавляет деятельность невинных дрожжей, это позволяет винным дрожжам осуществлять брожение без помех. При изготовлении красного вина гребни, косточки и кожица до конца брожения находятся в виноградном сусле, а белое вино делают из чистого сока. Различные вкусовые оттенки появляются при выдержке вина; хорошо известно, что свой вклад вносит взаимодействие с древесиной и воздухом при хранении в деревянных бочках. После завершения спиртового брожения молодое вино хранят в особых условиях, чтобы оно не испортилось. Если вино не предполагается подвергать яблочно-молочнокислому дображиванию, его обрабатывают сернистым газом, что подавляет окислительные процессы, вызывающие его потемнение. До этого из вина удаляют дрожжи, чтобы прекратить брожение. Первосортные вина подвергают выдержке разного рода в зависимости от типа вина, а более дешевые разливают, как правило, в тот же год, когда они получены. Трудности при выработке дешевых вин обычно связаны с их склонностью к вторичному, яблочно- молочнокислому брожению, которое развивается ко времени разлива. Если вино склонно к такому брожению, его искусственно вызывают до разлива, а если нет, то подавляют. При производстве первосортных красных вин такое брожение даже желательно. Оно составляет естественную часть процесса и происходит при хранении. Этот тип брожения осуществляется молочнокислыми бактериями. Некоторые особые сорта вин получают при участии гриба Botrytis cinerea. Его развитие на ягодах приводит к их обезвоживанию и повышению содержания сахара, что определяет сладкий вкус вина. При этом заражение должно происходить только перед сбором винограда. Белковые продукты Микроорганизмы начали использовать в производстве белковых 206 продуктов задолго до возникновения микробиологии. Это всевозможные разновидности сыра, а также продукты, получаемые путем ферментации соевых бобов. И в первом, и во втором случае питательной основой является белок. При выработке данных продуктов с помощью микробов происходит глубокое изменение свойств белоксодержащего сырья. В результате получают пищевые продукты, которые можно дольше хранить (сыр). Микробы играют роль и в производстве некоторых мясных продуктов, предназначенных для хранения. Например, при изготовлении некоторых сортов колбасы (salami) используется кислотное брожение, обычно при участии молочнокислых бактерий. Образовавшаяся кислота способствует сохранению продукта и вносит вклад в формирование его особого вкуса. Кислотообразующие бактерии используются и при засоле мяса. Ряд блюд восточной кухни получают путем ферментации рыбы. Для этого применяют плесневые грибы и дрожжи. В целом использование микроорганизмов в переработке белков ограничено. Исключением является сыроделие и выращивание микробной массы, перерабатываемой в пищевые продукты. По многим важным показателям биомасса микроорганизмов может обладать весьма высокой питательной ценностью. В немалой степени эта ценность определяется белками: у большинства видов он составляет значительную долю сухой массы клеток. Для микробного белка придумано специальное название – белок одноклеточных организмов (БОО). Производство его связано с крупномасштабным выращиванием определенных микроорганизмов, которые собирают и перерабатывают в пищевые продукты. В основе лежит технология ферментации – ветвь бродильной промышленности и производства антибиотиков. Чтобы осуществить, возможно, более полное превращение субстрата в биомассу микробов, требуется многосторонний подход. Выращивание микробов в пищевых целях представляет интерес по двум причинам: 1. Они растут гораздо быстрее, чем растения или животные: время удвоения их численности измеряется часами. Это сокращает сроки, необходимые для производства определенного количества продукта. 2. В зависимости от выращиваемых микроорганизмов в качестве субстратов могут использоваться разнообразные виды сырья. Что касается субстратов, то здесь можно идти по двум главным направлениям: перерабатывать низкокачественные бросовые 207 продукты или ориентироваться на легкодоступные углеводы и получать за их счет микробную биомассу, содержащую высококачественный белок. И в том, и в другом случае технология ферментации играет ключевую роль. Особенность БОО заключается в том, что этот продукт, во- первых, практически целиком состоит из микробной биомассы, и, во- вторых, в его производстве нередко принимают участие микробы, опыт использования которых мал и которые ранее в пище отсутствовали. Государственные учреждения, контролирующие качество пищевых продуктов, требуют, чтобы выходу на рынок БОО предшествовали испытания на безопасность нового продукта. Такие испытания всегда дорогостоящи, и это сдерживает развитие производства, в частности производства продуктов на основе БОО, особенно предназначенных в пищу. По этой причине уклон в развитии производства БОО был сделан в сторону выработки кормов для животных, а не белков, непосредственно идущих в пищу. Единственный официально разрешенный вид белковой пищи микробного происхождения – это микопротеин. Микопротеин – это пищевой продукт, состоящий в основном из мицелия гриба. При его производстве используется штамм Fusarium graminearum, выделенный из почвы (рис.4). Пищевые добавки и ингредиенты Подкислители. Применяются в основном как вкусовые добавки для придания продуктам «острого» вкуса. В практику они вошли скорее всего в результате широкого использования органических кислот для сохранения пищи. Самым популярным подкислителем в пищевой промышленности является лимонная кислота. Сначала этот продукт получали отжимая сок из лимонов, сегодня лимонную кислоту получают сбраживая содержащие глюкозу гидролизаты. 208 Рис. 4. Схематическое изображение производства микопротеина Аминокислоты. В мире производится примерно 200 тыс. тонн аминокислот в год; их используют главным образом как добавки к кормам и пищевым продуктам. Главными продуктами, получаемыми по технологии ферментации является глутаминовая кислота и лизин. Витамины и пигменты. Основные потребности промышленности в этих соединениях удовлетворяются за счет природных источников и химического синтеза, но два из них β- каротин и рибофлавин, получают методами биотехнологии. Усилители вкуса. Главным усилителем вкуса считается натриевая соль глутаминовой кислоты: ее можно получить при помощи Micrococcus glutamicus. Пионером использования усилителей вкуса является Япония, но сам принцип применялся при создании рецептов многих блюд во всем мире. Ключевые слова и понятия аминокислоты белок одноклеточных организмов брожение витамины Ренин культура-закваска микопротеин пигменты ферментация ферментеры 209 ЛЕКЦИЯ 7. МЕДИЦИНА И БИОТЕХНОЛОГИЯ 1 Производство и применение антибиотиков. 2 Производство и применение гормонов. 3 Ферменты. 4 Иммунологический анализ. 1 Производство и применение антибиотиков. Можно считать, что клиническая биотехнология зародилась с начала промышленного производства пенициллина в 40-х годах ХХ века и его использования в терапии. Применение этого природного пенициллина повлияло на снижение заболеваемости и смертности больше, чем какого-либо другого препарата, но, с другой стороны, поставило ряд новых проблем, которые удалось решить опять таки с помощью биотехнологии. Во-первых, успешное применение пенициллина вызвало большую потребность в этом лекарственном препарате, и для ее удовлетворения нужно было резко повысить выход пенициллина при его производстве. Во-вторых, первый пенициллин действовал главным образом на грамположительные бактерии, а нужно было получить антибиотики с 210 более широким спектром действия, поражающие и грамотрицательные бактерии. В-третьих, поскольку антибиотики вызывают аллергические реакции, необходимо было иметь целый набор антибактериальных средств, с тем чтобы можно было выбрать из равноэффективных препаратов такой, который не вызывал бы у больных аллергию. В-четвертых, пенициллин нестабилен в кислой среде желудка и его нельзя назначать для приема внутрь. Наконец, многие бактерии приобретают устойчивость к антибиотикам. Классический пример тому – образование стафилококками фермента пенициллиназы, который образует фармакологически неактивную пенициллоиновую кислоту. Антибиотики продуцируются плесневыми грибами, актиноми- цетами, эубактериями и другими микроорганизмами. Некоторые из них способны продуцировать большое количество антибиотиков. Тем не менее, большинство известных в настоящее время высокопродуктивных штаммов продуцентов антибиотиков получено традиционными методами мутагенеза и селекции. Так, увеличить выход пенициллина при его производстве удалось в основном благодаря последовательному использованию серии мутантов исходного штамма Penicillium chrysogenum, а также путем изменения условий выращивания. Биосинтез антибиотиков, как и любых других вторичных мета- болитов, возрастает в фазе замедленного роста клеточной популяции (конец трофофазы) и достигает максимума в стационарной фазе (идиофазе). Считают, что в конце трофофазы изменяется энзи- матический статус клеток, появляются индукторы вторичного ме- таболизма, освобождающие гены вторичного метаболизма из-под влияния катаболитной репрессии. Поэтому любые механизмы, тор- мозящие клеточную пролиферацию и активный рост, стрессовые ситуации, активируют процесс образования антибиотиков. Процесс культивирования продуцентов антибиотиков проходит в две фазы (двухступенчатое культивирование). На первой фазе происходит накопление достаточного количества биомассы, которая выращивается на среде для роста микроорганизма. Эта фаза должна быть быстрой, а питательная среда дешевой. На второй фазе осуществляются запуск и активный синтез антибиотика. На этой фазе ферментацию ведут на продуктивной среде. Образование антибиотика контролируется условиями культивирования микроорганизмов. Поэтому оптимизация питательной среды является главным фактором в повышении выхода продукта. 211 К настоящему времени выделены антибиотики, эффективные в отношении грамотрицательных бактерий: стрептомицин, цефалоспорин. Получено также множество полусинтетических антибиотиков с новыми свойствами: с широким спектром действия, чувствительностью к пенициллиназе и содержимому желудочно- кишечного тракта. Так, ампициллин является полусинтетическим производным бензилпенициллина, отличающимся наличием добавочной аминогруппы в боковой цепи (рис. 5). Он активен при пероральном введении и действует на широкий круг бактерий, в том числе на некоторые грамотрицательные, вызывающие заболевания органов дыхания, пищеварения и выделения. Бензилпенициллин Ампициллин |