Занятие 1 промышленные способы биотрансформации органических соединений
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
Практическое занятие 3. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ДОБАВОК 1. Классификация пищевых добавок и БАД к пище. Гигиеническая регламентация применения пищевых добавок. 2. Получение пищевых красителей биотехнологическими методами на примере препаратов -каротина. 3. Биотехнологические процессы получения интенсивных подсластителей и сахарозаменителей, усилителей вкуса. 4. Биотехнология получения консервантов на примере низина и пропионовой кислоты. 1. Классификация пищевых добавок и БАД к пище. Гигиеническая регламентация применения пищевых добавок. В мире вопросами применения пищевых добавок занимается специализированная международная организации - Объединенный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам JECFA, который является совещательным органом Комиссии по CODEX ALIMENTARIUS. Комиссия по CODEX ALIMENTARIUS - межправительственный орган, включающий более 120 государств-членов. В рамках Европейского Сообщества действует аналогичная комиссия, а в России решение вопроса о применении пищевой добавки является прерогативой Министерства здравоохранения и Государственного комитета санитарно-эпидемиологического надзора. Министерством здравоохранения РФ совместно с ИП РАМН, Московской медицинской академией им И.М. Сеченова и другими научными центрами Минздрава РФ разработаны понятия и требования к пищевым и биологически активным добавкам (БАД) к пище. Список пищевых добавок (ПД), разрешенных к применению в пищевой промышленности РФ, представленный в дополнениях к «Медико-биологическим требованиям и санитарным нормам качества продовольственного сырья и пищевых продуктов» (Москва, 1994 г.) включает: 1. ПД, снижающие калорийность пищи: пищевые волокна, микрокристаллическая целлюлоза, пектиновые вещества и т.п.; 2. ПД, улучшающие внешний вид, вкус, запах, цвет: ароматизаторы, подслащивающие вещества, отбеливающие вещества, красители и т.п.; 3. ПД, улучшающие консистенцию пищи: загустители, поверхностно-активные вещества, стабилизаторы и т.п.; 4. ПД, удлиняющие сроки хранения пищи: консерванты, антиокислители; 5. Радиопротекторы и энтеросорбенты экологически вредных веществ: пектиновые вещества, хитин и хитозан, лигнин, полисорб и т.п.; 6. ПД, повышающие питательную ценность пищи: концентраты и изоляты белка, аминокислоты, витамины, микроэлементы и другие; 7. Лечебно-профилактические добавки. Первые четыре группы ПД используются в технологических целях, а составные части этих ПД не обладают биологической активностью. Пищевые добавки, объединенные в 6 и 7 группы, могут быть отнесены к БАД. Так, ПД, отнесенные к 6-й 26 группе, являются нутрицевтиками, а лечебно-профилактические добавки, согласно последней классификации, разделяются на пробиотики и парафармацевтики. Промежуточное положение между ПД и БАД занимают радиопротекторы и энтеросорбенты, объединенные в 5-ю группу. Биологически активные добавки к пище - композиции натуральных или идентичных натуральным биологически активных веществ, предназначенных для непосредственного приема с пищей или введения в состав пищевых продуктов с целью обогащения рациона отдельными пищевыми или биологически активными веществами и их комплексами. Таким образом, к числу БАД к пище (Food supplements) относятся природные, идентичные природным или синтетические вещества, характеризующиеся наличием либо пищевой ценности (нутрицевтики), либо обладающие выраженной биологической активностью (парафармацевтики), а также БАВ, обеспечивающие поддержание нормального состава и функциональной активности микрофлоры (эубиотики). Нутрицевтики - БАД к пище, применяемые для коррекции химического Состава пищи (дополнительные источники нутриентов: белка, аминокислот, ВОфОв, углеводов, витаминов, минеральных веществ, пищевых волокон). Эубиотики - БАД к пище, в состав которых входят живые микроорганизмы и (или) их метаболиты, оказывающие нормализующее действие на состав и биологическую активность микрофлоры пищеварительного тракта. Пробиотики - синоним понятия эубиотики. Парафармацевтики - БАД к пище, приметаемые для профилактики, вспомогательной терапии и поддержании в физиологических границах функциональной активности органов и систем. Федеральным Законом РФ № 29 «О качестве и безопасности пищевых продуктов» от 02.01.2000 г. БАД к пище отнесены к пищевым продуктам и определяются как «...природные (идентичные природным) биологически активные вещества, предназначенные для употребления одновременно с пищей или введения в состав пищевых продуктов». 2. Получение пищевых красителей биотехнологическими методами на примере препаратов -каротина. Из целевых продуктов биотехнологии, выпускаемых в условиях крупнотоннажного производства, в качестве натуральных пищевых красителей используются препараты рибофлавина (Е 101 – рибофлавин и натриевая соль рибофлавин-5-фосфата) и -каротин (Е 160а). Препараты рибофлафина в составе комбинированных продуктов питания в большинстве случаев рассматривают как БАД-нутрицевтики. Рассмотрим биотехнологию получения препаратов -каротина. Технология получения препаратов β-каротина. Наиболее активным продуцентом β-каротина является гриб Blakeslea trispora. В качестве перспективных продуцентов рассматривают фототрофные бактерии. Посевной материал спор гриба Bl. trispora инокулируют в среде, содержащей кукурузный экстракт, кукурузный крахмал, K 2 НРО 4 и тиамин, в течение 40 ч при 26 0 С и аэрации 8 м 3 /м 3 *ч. Для главной ферментации используют среду на основе спиртовой барды с добавлением кукурузного крахмала, этоксихинина, MnSO 4 , тиамина, изониазида, 27 керосина. Параметры ферментации: температура 22 0 С, рН около 6,3, аэрация 8 м 3 /м 3 *ч, продолжительность 185 ч, через 48 ч вносят 1 г/л β-ионона и 5 мл/л керосина и далее непрерывно до конца ферментации – раствор глюкозы (до 42 г/л). Мицелий гриба отделяют и высушивают под вакуумом, измельчают. Готовый концентрат содержит 5 г/кг β-каротина. Способностью синтезировать каротиноиды характеризуются дрожжи родов Rhodotorula и Sporobolomyces. Данные микроорганизмы эффективно утилизируют в качестве источника углерода молочную кислоту, в связи с чем сотрудниками института микробиологии АН РБ была исследована возможность направленного синтеза каротиноидов на творожной сыворотке. По результатам исследований была разработана технология получения беклово-каротиноидного концентрата, предусматривающая совместное культивирование молочнокислых микроорганизмов рода Lactobacillus и дрожжей родов Rhodotorula или Sporobolomyces. Технология концентрата предусматривает следующие опреации: - очистка молочной сыворотки от жира и казеиновой пыли, - депротеинизация методом термокислотной или кислотно-щелочной коагуляции; - пастеризация депротеинизированной сыворотки и охлаждение до температуры инокуляции молочнокислых палочек и дрожжей 30-32 о С; - внесение растворов питательных солей (сернокислого аммония – 0,8 %, фосфата калия однозамещенного – 0,3 %, сернокислого магния – 0,05 %); - приготовление закваски молочнокислых бактерий на пастеризованном обезжиренном молоке (доза внесения 0,5-1,0 %) и рабочей культуры дрожжей (доза внесения 10-50 %) на среде, состав которой аналогичен составу производственной питательной среды; - производственная ферментация при температуре 30-32 о С, рН 4,0-5,0, интенсивности аэрации 35-60 м 3 /м 3 *ч, максимальное накопление каротиноидов наблюдается за 96 часов культивирования; - сгущение и сушка концентрата. Сухой белково-каротиноидный концентрат содержит 40-42 % белка, каротиноиды (1,2 – 1,3 мг/л), витамины группы В. 3. Биотехнологические процессы получения интенсивных подсластителей и сахарозаменителей, усилителей вкуса. В настоящее время в мире освоено биотехнологическое производство четырех групп подслащивающих веществ: - сахаристые крахмалопродукты; - сиропы гидролизованной лактозы; - сахарозаменители; - интенсивные подсластители. 1) В пищевой промышленности получило распространение производство и использование сахаристых продуктов на основе частичного или полного гидролиза крахмала с использованием препаратов амилолитических ферментов, а также с модификацией отельных продуктов гидролиза. К первой группе традиционных продуктов гидролиза относят крахмальные патоки, состав которых варьируется в зависимости от 28 глубины гидролиза крахмала (мальтодекстирны, низко- и высокоосахаренные, мальтозные и глюкозо-мальтозные патоки). Продукты полного гидролиза крахмала с возможной их модификацией включают моногидратную или ангидридную глюкозу, фруктозу, глюкозные и глюкозо-фруктозные сиропы. Перспеткивным направлением является производство сахаристых крахмалопродуктов непосредственно из зернового сырья без выделения крахмала – зерновых сиропов, углеводных добавок. Наиболее распространенной по объемам производства в мире группой сахаристых крахмалопродуктов являются глюкозо-фруктозные сиропы. Исходным сырьем для производства сиропов служит глюкоза, получаемая при гидролизе кукурузного или картофельного крахмала. В промышленных биореакторах используют препараты глюкозоизомеразы, иммобилизованной на ионообменных смолах или неорганических носителях. Также отработаны процессы с иммобилизованными клетами Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Streptomyces phaeochromogenes, Streptomyces olivaceus, Streptomyces venezuelae, иммобилизованные путем включения в полимерные структуры (гранулы, шарики, полые волокна). Для получения глюкозо-фруктозных сиропов используют биореакторы колонного типа производительностью 6000 – 9000 кг глюкозо-фруктозного сиропа на 1 кг иммобилизованного фермента. Время полуинактивации ферментационной системы составляет 20-50 суток. Получаемый сироп содержит 42-45 % фруктозы, 51 % глюкозы, небольшое количество олигосахаридов. 2) Технология получения сиропов гидролизованной лактозы (глюкозо-галактозных сиропов) основана на ферментативном гидролизе дисахарида с использованием препаратов растворимой или иммобилизованной дрожжевой и грибной -галактозидазы. Иммобилизация лактазы осуществляется методами включения в полимерные структуры (полиакриламидные гели, сефадексы, полые волокна) и/или адсорбции на ионообменных смолах, активированных углях, цеолитах. Для производства сиропов гидролизованной лактозы используется депротеинизированная молочная сыворотка или ультрафильтрат (пермеат) молочной сыворотки или обезжиренного молока. Современные биокаталитические системы позволяют получить концентраты с регулируемым уровнем гидролиза лактозы от 60 до 90 %. В промышленных условиях процесс ферментативного гидролиза лактозы реализуется с использованием следующих типов биокаталитических систем: - биореакторы с однократным использованием препарата лактазы и ее последующей термической инактивацией; - блочная аппаратура типа «биореактор – ультрафильтрационный модуль» с многократным использованием ферментного препарата за счет рециркуляции ультраконцентрата; - проточные биореакторы колонного или тарельчатого типа; - каскады последовательно соединенных аппаратов с полыми волокнами (возможно совмещение гидролиза с процессом ультрафильтрации молочной сыворотки); - системы с инжекцией малых количеств стерильного растворимого фермента в асептических условиях в молочное сырье, подвергнутое УВТ-обработке, с последующим медленным протеканием гидролиза лактозы в молочных продуктах в процессе их хранения. 29 Перспективным направлением применения метода иммобилизации при получении гидролизатов лактозы является использование неразрушенных иммобилизованных клеток микроорганизмов с высокой лактазной активностью. В частности, проведены исследования ферментативного гидролиза лактозы с использованием иммобилизованных клеток Bacillus stearothermophilus, Kluyveromyces lactis, Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis, Escherichia coli. Принципиальная схема получения сиропа гидролизованной лактозы включает следующие технологические процессы: - приемка молочной сыворотки (подсырной или творожной), выделение жира и казеиновой пыли; - депротеинизация сыворотки или ультрафильтрационная обработка; - концентрирование осветленной сыворотки или пермеата до массовой доли СВ 15- 20 %; - ферментация при температуре 30-35 о С и рН 6,0-6,5 для дрожжевой лактазы или температуре 50-55 о С и рН 4,0-4,5 для грибного препарата, продолжительность периодической ферментации составляет 3 – 5 часов, при непрерывной ферментации поддерживается скорость протока питательной среды на уровне не менее 1,0 ч -1 ; - инактивация или отделение ферментного препарата при использовании растворимой лактазы; - деминерализация сиропа методами электродиализа или ионного обмена; - сгущение до массовой доли сухих веществ 40 или 60 %; - рафинация сиропа с использованием диатомита и активированного угля; - фасование и хранение. 3) Сахарозаменители-полиолы (сорбит, ксилит, манит, лактит) могут быть получены на основе реакций микробиологической трансформации восстановления соответствующих углеводов. Наибольшее распространение в практике биотехнологических производств получило производство ксилита (Е 967), рассмотренное ранее (см. тему «Микробиологические трансформации углеводов»). 4) Перспективным направлением получения интенсивных подсластителей биотехнологическими методами является направленный синтез сладких аминокислот и дипептидов. В настоящее время в ряде стран (Япония, США и др.) освоено биотехнологическое производство аспратама (Е 951). Технология получения аспартама включает следующие основные стадии: - микробиологическая трансформация фумарата аммония в L-аспарагиновую кислоту с использованием иммобилизованных клеток E. Coli с высокой активностью фермента аспартат-аммиак-лиазы; - получение кристаллической L-аспарагиновой кислоты при подкислении раствора до рН 2,8 и охлаждении до температуры 15 о С; - получение фенилаланина; - реакция конденсации L-аспарагиновой кислоты и метилового эфира L- фенилаланина под действием фермента термолизина иммобилизованных клеток Bacillus thermoproteolyticus, включенных в полиуретан. Наряду с подсластителями, в промышленных масштабах методами биотехнологии могут производиться пищевые добавки, усиливающие вкус и аромат пищевых продуктов: 30 глутаминовая кислота и глутамат натрия (Е 620 и Е 621), глицин (Е 640), L-лейцин (Е 641), лизина гидрохлорид (Е 642). 4. Биотехнология получения консервантов на примере низина и пропионовой кислоты. Из ассортимента консервантов, разрешенных к применению в РФ, методами биотехнологии получают уксусную кислоту (Е 260) и ее соли (ацетат калия – Е261, ацетат натрия – Е 262), пропионовую кислоту (Е 280) и ее соли (пропионат натрия – Е 281, пропионат кальция – Е 282, пропионат калия – Е 283), а также антибиотики низин (Е 234) и пирамицин (Е 235). Низин - антибиотик полипептидного строения с молекулярной массой 7000 Да (в состав молекулы низина входят аминокислоты лизин, гистидин, аспарагиновая кислота, лантионин, β-метиллантионин, пролин, глицин, аланин, валин, метионин, изолейцин, лейцин, дегидроаланин и β-метилдегидроаланин), получаемый на основе культивирования специально подобранных штаммов Lactococcus lactis. Например, штамм Lactococcus lactis ssp. lactis biovar. diacetylactis (UL 719), который был выделен из сыра. Наиболее благоприятной средой для биосинтеза низина является обезжиренное молоко. Низинообразующие культуры, не подвергавшиеся селекции, дают в обезжиренном молоке до 500 ед/мл низина. Отрицательно на выход низина влияют остатки в молоке моющих и дезифицирующих средств, попадание в него антибиотиков, молока от коров, больных маститом, чрезмерное размножение в молоке до стерилизации естественной микрофлоры. В сыворотке выход низина в два раза меньше, чем в молоке. Добавление к сыворотке 25% пепсинового гидролизата молочнокислых бактерий, картофельной патоки или глюкозы (2,5—5%) повышает выход низина до 90% от выхода, получаемого в обезжиренном молоке. Избыток глюкозы, пантотенат кальция, смесь минеральных солей увеличивают количество низина на синтетических питательных средах, но не влияют на его выход в обезжиренном молоке. Соли органических кислот (уксусной, яблочной, янтарной, пировиноградной) благоприятно влияют на прирост биомассы и только незначительно повышают количество образуемого низина. Аминный азот гидролизатов казеина, пептонов, дрожжевого автолизата стимулирует образование низина, а соли аммония (хлориды, сульфаты, нитраты, фосфаты) не усваиваются низинообразующими молочнокислыми стрептококками и не влияют на выход низина. В культуре, полученной непрерывным методом, выход антибиотика примерно на 20% выше, чем стационарным. Оптимальная температура для образования низина 24— 27°С, рН среды - 5,6—6,5, аэрация, разбавление или увеличение концентрации питательных веществ в среде уменьшает выход антибиотика. При раскислении среды и использовании высокопродуктивных штаммов получено до 8000 ед/мл низина в культуральной среде. Максимальная активность низина достигается после 8 часов ферментации. Помимо антимикробных агентов и антибиотиков, методами биотехнологии получают ряд целевых продуктов, выполняющих в пищевых продуктах функции антиокислителей: аксорбиновая кислота (Е 300), ее соли (аскорбат натрия – Е 301, аскорбат кальция – Е 302, аскорбат калия – Е 303), лактаты натрия (Е 325) и калия (Е 326), лимонная кислота (Е 330), глюкозооксидаза (Е 1102). |