|
|
Получение лимонной кислоты 1 главаКемеровский технологический институт пищевой промышленности
Г.А. Гореликова ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Кемерово 2004 УДК: 664.573 (075)
Печатается по решению Редакционно-издательского совета Кемеровского технологического института пищевой промышленности в авторской редакции
Рецензенты: Доцент Кемеровского института (филиала) РГТЭУ, канд. техн. наук О.С. Габинская, Доцент Института повышения квалификации, канд. биол. наук А.Ю. Игнатова.
Гореликова Г.А. Основы современной пищевой биотехнологии: Учебное пособие. - Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2004. – 100 с. ISBN 5-89289-292-1 Учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Основы современной пищевой биотехнологии» и предназначено для студентов специальности 351100 - «Товароведение и экспертиза товаров» дневной и заочной форм обучения, а также может использоваться студентами специальности 271500 - «Пищевая биотехнология». В нем даны основные термины и понятия в области биотехнологии, описаны процессы получения полезных веществ с помощью клеток микроорганизмов. Более подробно рассмотрены вопросы, касающиеся одной из наиболее перспективных и развивающихся отраслей данной науки – пищевой биотехнологии.
Ил. - 6, библ. назв. - 16
У 50 (03)-04 © Кемеровский технологический институт ISBN 5-89289-292-1 пищевой промышленности, 2004 ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. Содержание теоретического курса по «Основам современной пищевой биотехнологии». . . . . . . . . . . . . . 6 Тема 1. Цель изучения дисциплины, основные понятия. Этапы развития и направления биотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1. Цель изучения дисциплины, ее место в образовательной программе студентов специальности «Товароведение и экспертиза товаров» . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2. Основные термины и определения биотехнологии. Требования, предъявляемые к микроорганизмам-продуцентам . . . . . 7 1.3. Этапы развития биотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.4. Основные направления в биотехнологии. . . . . . . . . . . . . . 11 Тема 2. Теоретические основы биотехнологии. . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1. Стадии и кинетика роста микроорганизмов . . . . . . . . . . . . 14 2.2. Продукты микробного брожения и метаболизма. . . . . . . . . . 15 2.3. Сырье и состав питательных сред для биотехнологического производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4. Способы культивирования микроорганизмов . . . . . . . . . . . 19 2.5. Культивирование животных и растительных клеток . . . . . . . .24 Тема 3. Общая биотехнологическая схема производства продуктов микробного синтеза . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1. Приготовление питательной среды . . . . . . . . . . . . . . . . .27 3.2. Получение посевного материала. . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 3.3. Ферментация (культивирование). . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 3.4. Выделение целевого продукта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 3.5. Очистка целевого продукта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 Тема 4. Биотехнологическое производство веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности. . . . . . . . . 33 4.1. Получение пищевых кислот с помощью микроорганизмов. . . . 33 4.2. Получение и использование аминокислот . . . . . . . . . . . . . 38 4.3. Получение липидов с помощью микроорганизмов . . . . . . . . 40 4.4. Получение витаминов и их применение . . . . . . . . . . . . . . 41 Тема 5. Получение ферментных препаратов и их применение в пищевой промышленности. . . . . . . . . . . . . . . 44 5.1. Понятие ферменты и ферментные препараты. Характеристика активности ферментных препаратов . . . . . . . . . 44 5.2. Получение ферментных препаратов из сырья растительного происхождения . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.3. Получение ферментных препаратов из сырья животного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.4. Получение ферментных препаратов с помощью микроорганизмов.
Номенклатура микробных ферментных препаратов . . . . . . . . . 47 5.5. Применение ферментных препаратов в пищевой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 Тема 6. Получение биомассы микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . 51 6.1. Получение биомассы микроорганизмов в качестве источника белка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6.2. Производство хлебопекарных дрожжей и их экспертиза . . . . .55 Тема 7. Современное состояние пищевой биотехнологии . . . . . . . . 58 7.1. Современное состояние пищевой биотехнологии. . . . . . . . . 68 7.2. Применение пищевых добавок и ингредиентов, полученных биотехнологическим путем . . . . . . . . . . . . . . . . 60 7.3. Микроорганизмы, используемые в пищевой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 7.4. Генетически модифицированные источники пищи . . . . . . . .62 7.5. Съедобные водоросли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64 Тема 8. Пищевая биотехнология продуктов из сырья животного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 8.1. Получение молочных продуктов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 8.2. Биотехнологические процессы в производстве мясных и рыбных продуктов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Тема 9. Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 9.1. Бродильные производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 9.2. Хлебопечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 9.3. Применение ферментов при выработке фруктовых соков . . . . 89 9.4. Консервированные овощи и другие продукты . . . . . . . . . . 90 9.5. Продукты из сои. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 9.6. Микромицеты в производстве продуктов растительного происхождения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 9.7. Продукты гидролиза крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 9.8. Перспективы развития пищевой биотехнологии . . . . . . . . . 93 2. Требования к выполнению контрольных заданий по дисциплине «Основы современной пищевой биотехнологии» . . . . . 95 3. Варианты контрольных заданий для студентов по «Основам современной пищевой биотехнологии» . . . . . . . . . . . . 95 4. Вопросы к экзамену по «Основам современной пищевой биотехнологии». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5. Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие к выполнению самостоятельной и контрольных работ по курсу «Основы современной пищевой биотехнологии» предназначено для студентов специальности 351100 – «Товароведение и экспертиза товаров» всех форм обучения. Целью изучения данной дисциплины является приобретение студентами теоретических знаний и формирование навыков и умений в области современной пищевой биотехнологии. Данная дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами при изучении курсов «Основы микробиологии», «Биохимия», «Анатомия пищевого сырья», «Товароведение и экспертиза однородных групп товаров» и других. Объектом изучения курса являются: растительные и животные клетки, а также клетки микроорганизмов-продуцентов, чистые культуры клеток, биологически активные и химические соединения, полученные с их помощью; пищевые добавки, в частности ферментные препараты, применяемые в процессе производства продуктов питания; пищевые продукты, в производстве которых используются биотехнологические процессы. В теоретической части пособия рассмотрены термины и определения, этапы и направления современной биотехнологии, более подробно изложены вопросы, касающиеся таких отраслей данной науки, как промышленная микробиология и пищевая биотехнология. Изложены процессы получения полезных для человека веществ и соединений с помощью растительных, животных и микробных клеток; традиционные биотехнологические процессы, используемые в различных областях пищевой промышленности, и их роль в формировании потребительских свойств продовольственных товаров; современные достижения пищевой биотехнологии и основные направления ее развития. В результате освоения дисциплины студенты должны знать биотехнологические способы получения полезных для человека соединений; традиционные биотехнологические процессы, используемые в пищевой промышленности; приобрести навыки работы с целевыми продуктами; научиться применять полученные знания на практике. Учебным планом по данному курсу предусмотрены лекции, практические занятия и самостоятельная работа студентов. В процессе ознакомления с теоретическим материалом студенты заочной формы обучения выполняют 1 контрольную работу. По окончании изучения дисциплины студенты сдают экзамен. Данное учебное пособие включает теоретический материал, который могут использовать студенты всех форм обучения; контрольные вопросы по каждой теме; практическое руководство к выполнению самостоятельной и контрольной работ для студентов заочной формы обучения; задание по контрольной работе и указания по его выполнению. Кроме того, теоретический материал данного учебного пособия может использоваться студентами специальности 271500 - «Пищевая биотехнология» при изучении дисциплин «Введение в специальность», «Общая биотехнология» и других. СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО КУРСА ПО «ОСНОВАМ СОВРЕМЕННОЙ ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ» В первом разделе излагается основное содержание программы курса по «Основам современной пищевой биотехнологии» для студентов специальности 351100 «Товароведение и экспертиза товаров» очной и заочной форм обучения. Для удобства усвоения дисциплины весь теоретический материал разделен на несколько тем, посвященных этапам и направлениям развития биотехнологии; теоретическим аспектам дисциплины; биотехнологическому производству веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности; пищевой биотехнологии. В конце каждой темы даются вопросы для самостоятельной проверки знаний.
ТЕМА 1. ЦЕЛЬ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ
1.1. Цель изучения дисциплины, ее место в образовательной программе студентов специальности «Товароведение и экспертиза товаров»
Данная дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами при изучении таких общеобразовательных дисциплин, как «Основы микробиологии», «Биохимия», «Анатомия пищевого сырья», «Теоретические основы товароведения и экспертизы», «Товароведение и экспертиза однородных групп товаров» и других. Целью изучения данной дисциплины является приобретение студентами теоретических знаний и формирование навыков и умений в области современной пищевой биотехнологии. Биотехнология – это наука, которая изучает методы получения полезных для человека веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клеток биологические структуры. Промышленная микробиология составляет основную часть биотехнологии. Это наука о важнейших микробиологических процессах и их практическом применении для получения промышленным способом ценных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, их биомассы как белкового продукта, о получении отдельных полезных веществ или препаратов, используемых в различных отраслях народного хозяйства. 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. 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. Важность пищевой биотехнологии для специалистов в области товароведения и экспертизы определяется тем, что использование микроорганизмов или ферментных препаратов, биотехнологических процессов при производстве пищевых продуктов оказывает существенное влияние на потребительские свойства и показатели качества продовольственных товаров. Знание о биотехнологических процессах позволит товароведу-эксперту определить причины порчи продовольственных товаров и возникновения дефектов, приводящих к существенным количественным потерям товаров. Например, неправильное применение заквасок может привести к ухудшению качества и возникновению дефектов кисломолочной продукции. С другой стороны, использование новых штаммов микроорганизмов может придать продукту – пиву, вину и другим пищевым продуктам, – новые оригинальные оттенки вкуса и аромата. Применение ферментных препаратов и других соединений, полученных биотехнологическим способом, будет способствовать оптимизации и интенсификации технологических процессов производства пищевых продуктов, улучшению их свойств и продлению сроков хранения. 1.2. Основные термины и определения биотехнологии. Требования, предъявляемые к микроорганизмам-продуцентам В биотехнологии обычно используются чистые культуры микроорганизмов-продуцентов, так как это позволяет получить продукт с заранее известными свойствами. Применяются штаммы микроорганизмов – микроорганизмы одного вида, выращенные в определенных условиях, вследствие чего обладающие определенными свойствами, которые отличаются от других чистых культур данного вида. Не все микроорганизмы могут быть использованы в промышленных условиях, а лишь те микроорганизмы-продуценты, обладающие способностью под воздействием внешних факторов (состава среды, условий культивирования, температуры, рН среды и т.д.) образовывать в больших количествах преимущественно то соединение, которое является главным (целевым) продуктом данного производства. К микроорганизмам-продуцентам предъявляется ряд обязательных требований. Микроорганизмы должны: - расти на дешевых и доступных питательных средах; - максимально усваивать питательные вещества среды; - обладать высокой скоростью роста биомассы и давать высокий выход целевого продукта; - проявлять синтетическую активность, направленную в сторону получения желаемого продукта; образование побочных продуктов должно быть незначительным; - быть генетически однородными, стабильными в отношении продуктивности, требований к питательному субстрату и условиям культивирования; - быть устойчивыми к фагам и другой посторонней микрофлоре; - быть безвредными для людей (не обладать патогенными свойствами) и для окружающей среды; - обладать хорошей способностью выделения. Сверхсинтез, то есть способность микроорганизма синтезировать определенный продукт в количествах, превосходящих физиологические потребности, часто встречается в природе. Микроорганизмы с такими свойствами первыми были использованы в хозяйственной деятельности человека, и таким образом был проведен стихийный отбор наиболее продуктивных форм. В промышленности применяют три вида штаммов: природные штаммы, нередко улучшенные естественным или искусственным отбором; штаммы, измененные в результате индуцированных мутаций; штаммы культуры, полученные методами генной или клеточной инженерии. Часто путем отбора не удается получить высокоактивные продуценты, поэтому возникает задача изменения природы организма в нужном направлении. Для этого используют методы селекции. Селекция – это направленный отбор мутантов, то есть микроорганизмов, наследственные признаки которых претерпели изменения в нужном для человека направлении. Природные штаммы микроорганизмов не обладают способностью выделять и накапливать в питательной среде такое количество нужного продукта, которое обеспечило бы низкую его стоимость и требуемый объем производства. Поэтому задачей селекции является не только усиление природной способности микроорганизмов продуцировать определенное вещество (ферменты, антибиотики, аминокислоты и т.д.), но во многих случаях и создание продуцента «заново» из штамма дикого типа, способного синтезировать вещество, но не способного его продуцировать. Эти задачи осуществляются получением у природных штаммов наследственных изменений – мутаций, влияющих на фенотип (физиологические и морфологические признаки) клетки. Спонтанные (происходящие случайным образом) мутации помогают микробным популяциям приспосабливаться к новым условиям существования. Мутации приводят к усилению природной способности микроорганизмов синтезировать и продуцировать определенное вещество, а также к появлению новой способности – синтезировать вещество в избытке (сверх своих потребностей) и продуцировать его. Для ускорения селекции используют индуцированный мутагенез, применяя мутагенные факторы физической, химической и биологической природы. К универсальным физическим мутагенам относятся ультрафиолетовое облучение (УФО), рентгеновские лучи и др.; химические факторы мутагенного воздействия - азотистый иприт, нитрозамины, четыреххлористый углерод и другие химикаты; биологическими мутагенами являются фаги (вирусы микроорганизмов). Таким образом, селекционированные штаммы микроорганизмов обладают определенными ценными наследственно закрепленными свойствами. Однако мутации образуются случайным образом, поэтому более широко используется генная или генетическая инженерия – генетическая рекомбинация in vitro (в пробирке). Рекомбинация - это обмен генами между двумя хромосомами. Рекомбинантными ДНК называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки, в пробирке, путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться (удваиваться) в клетке. Этот подход был разработан на бактериях, в частности на кишечной палочке, в клетки которой вводили гены животных и человека и добивались их репликации. Метод рекомбинации in vitro заключается в выделении ДНК из разных видов, получении гибридных молекул ДНК и введении рекомбинантных молекул в живые клетки с целью проявления нового признака, например, синтеза специфического белка. Возможности получения новых штаммов микроорганизмов, обладающих способностью к сверхсинтезу целевого продукта, рассмотрим на примере продуцента антибиотика пенициллина. Изначально штамм Penicillium chrysogenum (NRRL-1951) производил 60 мг/л пенициллина. После спонтанной мутации возник новый штамм (NRRL-1951ּВ25) с выходом пенициллина 150 мг/л. После рентгеновского облучения был отобран мутант (Х-1612), дающий 300 мг/л пенициллина. После нескольких циклов мутагенеза и селекции, в которых помимо УФО применяли иприт, удалось вывести высокопродуктивный штамм (Е-15ּ1), который производил 7 г/л пенициллина. Таким образом, 21 цикл мутагенеза и селекции в течение более двух десятков лет позволил увеличить выход пенициллина в 55 раз. В настоящее время новые штаммы микроорганизмов-продуцентов дают выход более 20 г/л пенициллина. 1.3. 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. Его исследования послужили основой развития в конце XIX и начале XX вв. бродильного производства органических растворителей (ацетона, бутанола и других), в том числе этилового спирта. 1875 г. Разработан метод получения чистых культур микроорганизмов, гарантирующий содержание в посевном материале клеток только определенного вида (Р. Кох). В 1893 г. установлена способность плесневых грибов синтезировать лимонную кислоту (К. Вемер). 1894 г. Создан первый ферментный препарат, полученный из плесневого гриба, выращенного на влажном рисе (И. Такамине). В 1923 г. было организовано первое микробиологическое промышленное производство лимонной кислоты, а затем молочной, глюконовой и других органических кислот. Наиболее широко используется лимонная кислота – ее применяют при производстве безалкогольных напитков, кондитерских изделий и многих других пищевых продуктов. 1925 г. Установлена возможность искусственного мутагенеза микроорганизмов (грибов) под влиянием рентгеновского облучения (Г.А. Надсон, Г.С. Филиппович). В 30-е годы в СССР было организовано производство микробиологическим способом технических препаратов ферментов и витаминов (рибофлавина, эргостерина). Следующий 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).
1.4. Основные направления в биотехнологии
В некоторых отраслях биотехнология способна заменить традиционную технологию (например, при длительном хранении продуктов, в производстве пищевых приправ, полимеров, сырья для текстильной промышленности, метанола, этанола, биогаза и водорода, а также при извлечении некоторых металлов из бедных руд). В некоторых отраслях промышленности биотехнология играет ведущую роль (табл. 1.1). Здесь, прежде всего, имеются в виду следующие области применения: производство продуктов питания (широкомасштабное выращивание микроорганизмов для получения белков, аминокислот и органических кислот, витаминов, ферментов); повышение продуктивности сельскохозяйственных культур (клонирование и отбор разновидностей растений на основе тканевых культур in vitro, использование биоинсектицидов); фармацевтическая промышленность (производство вакцин, биосинтез антибиотиков, гормонов и других соединений); уменьшение загрязнения окружающей среды (очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности) и многое другое. Вопросы для самопроверки 1. Что такое биотехнология ? 2. Какие пищевые продукты получают в настоящее время с применением пищевой биотехнологии ? 3. В чем заключается важность пищевой биотехнологии для специалистов в области товароведения и экспертизы ? 4. Что такое сверхсинтез ? 5. В чем отличие селекции от мутации ? 6. Приведите примеры мутагенных факторов. 7. Что такое генетическая инженерия ? 8. Перечислите требования, предъявляемые к микроорганизмам продуцентам. 9. В каком году начато промышленное производство лимонной кислоты с помощью микроскопических грибов ? 10. Когда было начато производство пищевых дрожжей ? 11. С какого года началось развитие генетической инженерии ? 12. Перечислите основные направления биотехнологии. 13. Каковы области применения биотехнологии в пищевой промышленности ?
Таблица 1.1
Основные направления биотехнологии в различных отраслях промышленности и практической деятельности человека
Продолжение таблицы 1.1.
ТЕМА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
2.1. Стадии и кинетика роста микроорганизмов Как известно, микроорганизмы, попав в свежую полноценную питательную среду, начинают размножаться не сразу. Этот период называют лаг-фазой - I фаза (рис. 2.1). В этот период культура как бы привыкает к новым условиям обитания. Активируются ферментные системы, если необходимо, синтезируются новые ферментные системы, клетка готовится к синтезу нуклеиновых кислот и других соединений. Продолжительность этой фазы зависит от физиологических особенностей микроорганизмов, состава питательной среды и условий культивирования. Чем эти различия меньше и чем больше посевного материала, тем короче эта фаза. 
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
