Главная \ 6. Микробная биотехнология

Промышленная или «Белая» биотехнология

БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПОТЕНЦИАЛ МИКРОБНЫХ КЛЕТОК

работа ферментёра импеллеры

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Промышленное получение и использование микробной биомассы и метаболитов 


Примечание редактора:

Данная страница не претендует на последовательное и методическое изложение информации по теме биотехнологии. Учебно-методический материал можно найти в дополнительной информации  в конце страницы будут аккумулироваться ссылки на соответствующие УМП, статьи и обзоры, в т.ч. по нашему профилю, т.е. посвященные практике использования биотехнологичесого потенциала пробиотических микроорганизмов. Особый акцент будет делаться на пропионовокислых бактериях (ПКБ).

пропионибактерии Последний поисковый запрос статей (в базе PubMed), посвященных биотехнологическому потенциалу ПКБ, показал, что список имеющихся работ весьма невелик (в сотни раз меньше, чем, например, такой же список по бифидобактериям). Между тем потенциал ПКБ очень высок и не использован в полной мере. Важность вопроса ранее подтверждалась тем фактом, что летом 2001 г. пропионовокислые бактерии оказались в центре внимания III Международного симпозиума "Propioni-bacteria", проходившего с 8 по 11 июля в Цюрихе (Швейцария). Он начался с присуждения награды российскому биологу Лене Ивановне Воробьевой за выдающийся вклад в развитие науки об уникальной форме жизни, которую представляют эти микроорганизмы. Начиная с 1960 г. их практическое применение значительно расширилось и теперь включает производство витамина В12 и пропионовой кислоты, выпечку хлеба, закваску для силосования и некоторые фармацевтические препараты. Также появляются новые перспективы их дальнейшего использования, основанные на недавно обнаруженных полезных свойствах. Однако даже ранее обнаруженные свойства ПКБ до сих пор мало используются в промышленности, в т.ч. из-за такого фактора как неосведомленность.

Структура молекулы
Трегалозы
Структура молекулы
витамина В12
1,4-Дигидрокси-2-нафтойная кислота (DHNA)
Трегалоза — дисахарид, сохраняющий жизнь
цианокобаламин
1,4-Дигидрокси-2-нафтойная кислота

Прочие метаболиты ПКБ, которые также представляют большой интерес: бактериоцины, конъюгированная линолевая кислота, трегалоза, бифидогенные стимуляторы роста (DHNAACNQ), кормовой белок и кормовой витамин В12, фолат и рибофлавин, полифосфаты, аминокислоты...


ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИОТЕХНОЛОГИИ

Считается, что термин «биотехнология» был придуман и введен в обиход в 1919 году венгерским инженером-агрономом Карлом Эреки (Károly Ereky) и определяется в соответствии с Конвенцией ООН о биологическом разнообразии как «любое технологическое приложение, использующее биологическую систему или живые организмы для создания или модификации процесса или продуктов для конкретного использования».

Биотехнология – это единственная дисциплина, объединяющая фундаментальную и прикладную науку, а также производство.

К промышленной биотехнологии относят производства, базирующиеся на использовании биологических агентов: микроорганизмов, культур клеток и тканей многоклеточных организмов, составных частей клеток, а также ферментов и их комплексов.

направления биотехнологии В мировом сообществе принята следующая «цветовая» классификация биотехнологии: «КРАСНАЯ» биотехнология связана с производством биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, моноклональных антител) и обеспечением здоровья человека; «ЗЕЛЁНАЯ» биотехнология направлена на создание генетически модифицированных растений и определяет современные методы ведения сельского и лесного хозяйства; «БЕЛАЯ» – это промышленная биотехнология, связанная с производством кормовых препаратов аминокислот, ферментов, белка, а также бактериальных удобрений, средств защиты растений, биотоплива, пищевых продуктов и т. д.; «СЕРАЯ» биотехнология ориентирована на природоохранную деятельность: очистку сточных вод и газовоздушных выбросов, биоремедиацию почв и загрязненных акваторий; «СИНЯЯ» биотехнология направлена на использование морских организмов и сырьевых ресурсов.

В традиционном, классическом, понимании биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Методы и достижения биотехнологии используются для получения множества ценных продуктов, прежде всего лекарственных веществ (антибиотиков, ферментных препаратов, витаминов, гормонов, вакцин, пробиотиков), а также органических кислот, кормовых белков, средств биологической защиты растений, биоудобрений. В настоящее время биотехнология — это не только научная дисциплина, но и производственная сфера, в которой применяются специфические технологии и аппаратурное оформление. С этой точки зрения можно сказать кратко:


БИОТЕХНОЛОГИЯ - производственное использование биологических агентов для получения полезных продуктов и осуществления целевых превращений.


Если говорить о биотехнологии как о науке, то биотехнология - это прежде всего прикладная наука, т.е. наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. Название ее происходит от греческих слов bios - жизнь, teken - искусство, logos - слово, учение, наука. В соответствии с определением Европейской федерации биотехнологов (ЕФБ, 1984) биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Уже в самом определении предмета отражено его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фундаментальных исследований в области биологических, химических и технических дисциплин приобретают выраженное прикладное значение.

Биотехнология относится к междисциплинарной области знаний, и в XXI в. она займет ключевые позиции в цикле естественных наук. Исходя из определения, данного выше, современным биотехнологам необходимо хорошо знать не только биологию, но и молекулярную генетику и цитологию, генетику и молекулярную медицину, вирусологию, микробиологию и биохимию, технологию производства ферментных препаратов и других биотехнологических производственных процессов. С биоинформатикой и системной биологией тесно связаны компьютерные и информационные технологии. Поэтому неудивительно, что до сих пор не существует кратких и содержательных учебных пособий по биотехнологии, которые охватывали бы эту дисциплину во всем ее многообразии.

gif
днк gif бактерии и сыр

Перечень технологий, которые могут рассматриваться как биотехнологии, включает следующие разновидности:
  1. ДНК/РНК: геномика, фармакогеномика, ген зондов, генная инженерия, ДНК/РНК последовательности, синтез, усиление, профилирование экспрессии генов, а также использование антисмысловых технологий;
  2. белки и другие молекулы: инженерные белки и пептиды (в том числе большие молекулы гормонов), улучшение методов доставки препаратов для крупных молекул; протеомика белка, выделение и очистка, сигнализация, идентификация клеточных рецепторов;
  3. клеточные и тканевые культуры и техники: тканевая инженерия (в том числе и биомедицинская инженерия), клеточный синтез, вакцины, иммунные стимуляторы, эмбрион манипуляции;
  4. процессы на основе биотехнологических методов: брожение, использование биореакторов, биовыщелачивание, биоремедиация, биофильтрация и фиторемедиация и др.;
  5. гены и РНК-вектора: генная терапия, вирусные вектора;
  6. биоинформатика: создание баз данных о геномах, белковых последовательностях; моделирование сложных биологических процессов, в том числе системной биологии;
  7. нанобиотехнологии: применение инструментов и процессов, нано-, микротехнологий к созданию приборов для изучения биосистем и приложений для доставки лекарств, диагностики и т. д.


Одно из направлений работы ООО "Пропионикс" - пищевая биотехнология 

ПИЩЕВАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ на заметку

злаковые культуры и кисломолочные биопродукты

Биотехнология пищевая (пищевая биоиндустрия) - раздел биотехнологии, занимающийся разработкой теории и практики создания пищевых продуктов общего, лечебно-профилактического назначения и специальной ориентации.

liniya.png

Пивоварение было одним из первых применений биотехнологии.История биотехнологии. Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов, обеспечивающих технологический процесс, известно издревле, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии. Люди выступали в роли биотехнологов с незапамятных времен: занимались хлебопечением и сыроделием, производили другие кисломолочные продукты и варили пиво, используя различные микроорганизмы даже не подозревая об их существовании. Сам термин "биотехнология" появился в нашем языке недавно, ранее его заменяли словами "промышленная микробиология" или "техническая биохимия". Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.

По видимому, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. Об этом свидетельствует описание способа приготовления пива, обнаруженное на дощечке, найденной при раскопках Вавилона, которая датируется 6-м тысячелетием до н. э. Известно, что в третьем тысячелетии до н. э. шумеры могли изготовлять уже около двадцати сортов пива. Не менее древними являются и такие процессы, как виноделие, получение кисломолочных продуктов и выпекание хлеба. Иными словами, биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов. И это есть ее традиционное, классическое понимание…

Пищевая биотехнология в Древнем ЕгиптеНесведущий в микробиологии видит практическое значение микроорганизмов в первую очередь во вреде, который они причиняют человеку, животным и растениям. Этими болезнетворными (патогенными) микроорганизмами и их специфическими особенностями занимаются такие науки, как медицинская и ветеринарная микробиология, а также фитопатология. Хотя микроорганизмы и в других сферах природы, и в промышленности выступают иногда в роли вредителей, их роль как полезных организмов существенно преобладает. Они уже давно завоевали себе прочное место в домашнем хозяйстве, а в промышленности они совершенно необходимы. Их используют в самых различных отраслях от первичной переработки сельскохозяйственных продуктов до катализа сложнейших этапов химических синтезов.

nature Biotechnology Классические микробиологические производства: Как было уже отмечено выше, на примере пивоварения и виноделия с использованием различных дрожжей, выпечки хлеба и приготовления молочных продуктов с помощью молочнокислых бактерий, а также получения пищевого уксуса при участии уксуснокислых бактерий становится очевидным, что микроорганизмы относятся к старейшим культурным «растениям». В Японии и Индонезии соевые бобы издавна перерабатываются с помощью мицелиальных грибов, дрожжей и молочнокислых бактерий. Если не считать получения этанола, в промышленном производстве индивидуальных веществ микроорганизмы начали использовать лишь в последние шестьдесят лет. Уже в период первой мировой войны с помощью управляемого дрожжевого брожения получали глицерин. Молочная и лимонная кислоты, в больших количествах необходимые для пищевой промышленности, производятся с помощью молочнокислых бактерий и гриба Aspergillus niger соответственно. Из дешевых, богатых углеводами отходов путем брожения, осуществляемого клостридиями и бациллами, можно получать ацетон, бутанол, 2-пропанол, бутандиол и другие важные химические соединения.

Новые микробные производства

пищевая биотехнология

Классические виды брожения дополняются новыми применениями микробов в химических производствах. Из грибов получают каротиноиды и стероиды. Когда выяснилось, что Corynebacterium glutamicum из сахара и соли аммония с большим выходом синтезирует глутаминовую кислоту, были выделены бактерии и разработаны методы, с помощью которых можно в больших масштабах производить многие аминокислоты, нуклеотиды и реактивы для биохимических исследований.

Микроорганизмы используются химиками в качестве катализаторов для осуществления некоторых этапов в длинной цепи реакций синтеза; микробиологические процессы по своей химической специфичности и по выходу продукта превосходят химические реакции; ферменты, применяемые в промышленности, - амилазы для гидролиза крахмала, протеиназы для обработки кож, пектиназы для осветления фруктовых соков и другие - получают также из культур микроорганизмов. Все это и многое другое показывает огромный потенциал т.н. прикладной микробиологии и биохимии.

Пищевая и сельскохозяйственная биотехнологии

биотехнологии Применительно к сфере деятельности компании ООО "Пропионикс" следует отметить три важных направления "белой" биотехнологии, раскрытые в комплексной программе развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года, которая действует по ряду задач до 2030 года. (утв. Правительством РФ от 24 апреля 2012 г. N 1853п-П8): - промышленную (практическую ветвь, связанную с получением ферментов, аминокислот, полисахаридов и т.п.), - пищевую и - сельскохозяйственную. Сегодня, анализируя программу, можно прийти к выводу, что указанные направления значительно пересекаются, что создает некоторую путаницу в терминологии, определениях и системе классификации. Поэтому со своей стороны рекомендуем использовать также ГОСТы*, например ГОСТ Р 57095—2016 + ГОСТ Р 57079-2016. (*стандарты не распространяется на термины и определения, применяемые в области медицинской биотехнологии и биомедицины - ред.).

Стратегической целью программы является выход России на лидирующие позиции в области разработки биотехнологий, в том числе по отдельным направлениям биомедицины, агробиотехнологий, промышленной биотехнологии и биоэнергетики, и создание глобально конкурентоспособного сектора биоэкономики, который наряду с наноиндустрией и информационными технологиями должен стать основой модернизации и построения постиндустриальной экономики.

Долгосрочной целью реализации Программы является выход в 2030 году на объем биоэкономики в России в размере не менее 3% ВВП.


Направления биотехнологии (программа)
Направления биотехнологии (ГОСТ)
  1. Биофармацевтика
  2. Биомедицина
  3. Промышленная биотехнология
  4. Биоэнергетика
  5. Сельскохозяйственная
  6. Пищевая биотехнология
  7. Лесная биотехнология
  8. Природоохранная (экологическая) биотехнология
  9. Морская биотехнология

Пункты прогарммы (по профилю PROPIONIX)

3. Промышленная биотехнология

Fed-batch reactor symbol (символ биореактора периодической ферментации с подпиткой)

Биологический синтез позволяет создавать огромное разнообразие новых продуктов с заданными свойствами. Речь идет как о традиционных областях (например, продукты питания для человека, корма для животных и так далее), так и принципиально новых областях (таких как производство биополимеров, производство биоразлагаемых продуктов, биотопливо).

3.1 "Производство ферментов"

Ферментные препараты применяются в процессе производства пищевых продуктов, спиртовом, кожевенном производстве, в производстве моющих средств. Создание благоприятных условий для развития конкурентоспособных крупнотоннажных производств ферментов является приоритетной задачей развития промышленной биотехнологии в России.

3.2 "Биотехнологическое производство аминокислот"

Аминокислоты (прежде всего лизин, метионин, треонин, триптофан) используют как компоненты приготовления кормов для сельскохозяйственных животных и птиц, а так же в различных отраслях промышленности. В России, несмотря на активный рост продовольственного рынка и рост животноводства, производство аминокислот промышленного назначения пока ведется в незначительных масштабах (за исключением метионина).

3.4 "Производство полисахаридов"

Полисахариды в основном используются как добавка, улучшающая качество самых различных продуктов и технологических операций (урожайности, пищевая, фармацевтическая и косметическая промышленность, сельское хозяйство и так далее). В России производство полисахаридов промышленного назначения пока ведется в незначительных масштабах.


Пищевая биотехнология

пищевая биотехнология


О пищевых аспектах биотехнологии вполне доступно изложено в учебном пособии (начиная с 70-й стр.): Голубев В.Н., Жиганов И.Н. Пищевая биотехнология. – М. ДеЛи принт, 2001. – 123 с.

Также см.: Основы пищевой биотехнологии: Учебное пособие для аграрных вузов - Уфа: ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, 2014. - 184 с.

Современная пищевая биотехнология представляет собой индустрию пищевых ингредиентов - вспомогательных технологических добавок, вводимых в пищевые продукты в процессе их изготовления для повышения их полезных свойств. Огромное количество пищевых ингредиентов в настоящее время импортируется, в связи с чем организация их производства в России является актуальной, социально востребованной задачей.

6.1. "Пищевой белок"

Человек традиционно получает белки, жиры и углеводы (основные компоненты пищи) из животных и растительных источников. Уже сегодня эти источники не покрывают все увеличивающиеся потребности человечества.

Современные методы биотехнологий в сочетании с применением ультра- и нанофильтрационных систем делают экономически обоснованным извлечение пищевого белка из широкого класса сырьевых продуктов и отходов пищевой промышленности. Таким образом, комплекс мероприятий направлен на распространение технологий, превращающих малоценные отходы в белковые продукты и компоненты с высокой добавленной стоимостью.

6.2. "Ферментные препараты"

Ферменты, применяемые в пищевых производствах, являются продуктами с высокой добавленной стоимостью, в России практически не производятся. Развитие данного направления позволит создать компактный по масштабам, но высокоэффективный сектор, являющийся с одной стороны базой развития всех направлений пищевой отрасли, направленных на глубокую переработку сырья, с другой стороны, производство пищевых ферментов обладает высоким экспортным потенциалом.

6.3. "Пребиотики, пробиотики, синбиотики"

Развитие производства и пищевого инжиниринга продуктов данной группы является необходимым элементом для формирования в России рынка здорового питания. Задачей данного комплекса мероприятий является создание пробиотических продуктов, расширение исследований и практики внедрения в ассортимент предприятий новых продуктов и комплексных решений.

6.4. "Функциональные пищевые продукты, включая лечебные, профилактические и детские"

К функционально пищевым продуктам относят пищевые продукты систематического употребления, сохраняющие и улучшающие здоровье и снижающие риск развития заболеваний благодаря наличию в их составе функциональных ингредиентов. Они не являются лекарственными средствами, но препятствуют возникновению отдельных болезней, способствуют росту и развитию детей, тормозят старение организма. В соответствии с мировой практикой продукт считается функциональным, если регламентируемое содержание микронутриентов в нем достаточно для удовлетворения (при обычном уровне потребления) 25 - 50% от среднесуточной потребности в этих компонентах. Развитие направления является важной социальной задачей, снижающей нагрузку на сектор медицины и социально-экономический ущерб от болезней.

6.5. "Пищевые ингредиенты, включая витамины и функциональные смеси"

Пищевые ингредиенты используются для повышения питательной ценности, удлинения срока хранения, изменения консистенции и усиления вкуса и аромата продуктов. Используемые производителями пищевые ингредиенты, как правило, имеют растительное или бактериальное происхождение. Многие аминокислотные добавки, усилители вкуса и витамины, добавляемые в пищевые продукты, производятся с помощью бактериальной ферментации. В результате реализации комплекса мероприятий 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.

6.6. "Глубокая переработка пищевого сырья"

Биотехнология предоставляет множество 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.

Современные технологии глубокой переработки пищевого сырья строятся на принципах безотходного производства: продукты переработки либо возвращаются в производственный цикл, либо используются в других отраслях (прежде всего в производстве парфюмерно-косметических средств, фармацевтике, сельскохозяйственном производстве). Внедрение таких технологических схем в значительной степени обусловлено достижениями современной биотехнологии, сделавшей доступным и экономически обоснованным извлечение из пищевого сырья широкой гаммы новых продуктов. В рамках комплекса мероприятий будут созданы условия для распространения технологий глубокой переработки пищевого сырья и радикального снижения отходов пищевой промышленности. В результате реализации Программы в России будет развернуто производство широкой гаммы пищевых ингредиентов, включая витамины и функциональные смеси, достигнуты высокие показатели переработки продовольственного сырья, обеспечено импортозамещение по большинству импортируемых в настоящее время ингредиентов для производства пищевых продуктов.


5. Сельскохозяйственная биотехнология

пробиотики в животноводствеи птицеводстве

Примечание PROPIONIIX: Здесь актуальным для ООО "Пропионикс" являются направления Сельскохозяйственной биотехнологии, отмеченные в программе под пп 5.7., 5.8 и 5.9 (кормовой белок и биологические компоненты кормов и премиксов):

5.7. "Кормовой белок"

Согласно терминологии указанной программы, кормовой микробиологический белок (кормовые дрожжи)* - это сухая концентрированная биомасса дрожжевых клеток, специально выращиваемая на корм сельскохозяйственным животным, птице, пушным зверям, рыбе. Добавление кормового белка в корма резко улучшает их качество и способствует повышению производительности в животноводстве. Комплексом мероприятий будет предусмотрено развитие производства кормового белка в России и создание новых научно-технических заделов, совершенствующих технологии его производства и виды использования.


*Примечание PROPIONIX: Следует отметить, что использование бактерий в качестве продуцента белкового корма является более эффективным, так как бактерии образуют до 75% белка по массе, в то время как дрожжи - не более 60%. Например, использование различных штаммов пропионовокислых бактерий (Propionibacterium freudenreichii), позволяет получать  кормовой белок со значительными технологическими и качественными преимуществами. Пропионовокислые бактерии производят витамин В12 (очень важный в животноводстве), что делает их универсальными кандидатами для использования по напрвлениям 5.8, и 5.9.


5.8 "Переработка сельскохозяйственных отходов"

В переработке отходов сельского хозяйства и органических отходов пищевой промышленности в последнее время все чаще применяется технология микробиологической конверсии. Технология микробиологической конверсии поистине "всеядна" и использует самые разнообразные органические отходы. В качестве изначального сырья могут быть использованы отходы, остающиеся при сборе сельскохозяйственных культур, отходы пивоварения, отходы, получающиеся при переработке зерна, молока, фруктов и овощей, отходы мясопереработки, отходы виноделия и сахарной промышленности, отходы, получающиеся в результате консервирования различных продуктов, в процессе производства растительного масла и растительных жиров в целом и т.д.

5.9. "Биологические компоненты кормов и премиксов"

Современный уровень технологий кормления сельскохозяйственных животных опирается на широкое применение биологичских компонентов (ферменты, аминокислоты, БВК, пробиотики и другие). В результате развития животноводства в России, которое в основном опирается на импорт технологий и поголовья, сформировался емкий рынок этих продуктов биотехнологии. Однако формирование рынка не привело пока к развитию производственной и технологической базы, появлению новых продуктов, созданных на основе научных достижений российских ученых.

В 2010 году в животноводстве в качестве кормов было использовано 45 млн. т зерна, что говорит о крайне низкой эффективности кормопроизводства в стране. Доля зерна в комбикормах составляет 70% (в странах Европейского Союза - 40-45%), кроме того, в непереработанном виде было использовано более половины из общего количества зерна предназначенного для кормов.

Важно отметить, что производство комбикормов и премиксов в значительной степени ведется без использования биопрепаратов (ферментов, ветеринарных и кормовых антибиотиков, пробиотиков и так далее). При таком кормлении конверсия корма в получение животноводческой продукции существенно отстает от мировых показателей, что снижает конкурентоспособность российского животноводства. Комплексом мероприятий будут созданы условия для развития производственной и технологической базы биотехнологических компонентов кормов и премиксов.

Реализация указанных комплексов мероприятий позволит решить вопросы создания высокоэффективного сельского хозяйства и обеспечения населения полноценным сбалансированным питанием.


Некоторые направления в пищевой биотехнологии:

Ферментация в пищевой промышленности

внесение стартовых культур в колбасный фарш


Дополнение к разделу о заквасках

ВВЕДЕНИЕ. Процессы ферментации с использованием микроорганизмов нашли широкое применение в производстве пищевых продуктов. Реакции, осуществляемые микроорганизмами, используются при консервировании, рН среды понижается в результате молочнокислого брожения (в квашеной капусте), после частичного гидролиза в присутствии микроорганизмов (хлебная закваска, колбасные изделия, темпех) продукты лучше усваиваются организмом, для улучшения вкуса (кисломолочные продукты), а также для получения соусов (соевый соус, мисо из риса). В развитых странах примерно треть всех продуктов питания получают путем ферментации, осуществляемой определенными штаммами микроорганизмов.

СТАРТОВЫЕ КУЛЬТУРЫ. В пищевой промышленности используются самые разнообразные микроорганизмы. Они служат в качестве стартовых культур при приготовлении кисломолочных продуктов, различных сортов хлеба (закваски), выпечки (пекарские дрожжи), в пивоварении (пивные дрожжи) и виноделии. Стартовая культура может содержать только один штамм микроорганизмов, различные микроорганизмы одного вида и смешанные культуры. Наиболее важным критерием качества культуры является высокая скорость ферментации и получение желаемого продукта, например обладающего устойчивостью к антибиотикам или фаговой инфекции. Объем рынка стартовых культур в мире составляет сотни миллионов долларов США.

ПРОИЗВОДСТВО КОЛБАС. Сырокопченые колбасы (они могут храниться вне холодильной камеры) готовят со стартовой культурой стафилококковых бактерий (Staphylococcus carnosus) и лактобактерий, а также бактерий рода Penicillium. Гликоген мышечной ткани перерабатывается микроорганизмами с образованием молочной кислоты, это позволяет снизить уровень рН ниже 5 и предотвратить рост многих других микроорганизмов. В кислой среде белок мышечной ткани (изоэлектрическая точка 5,3) переходит в желеобразное состояние. Продукты ферментативных превращений жиров и белков обеспечивают специфический вкус колбасного изделия. При изготовлении соленых колбас (поваренная соль, нитраты и нитриты в качестве консервантов) используют стафилококковые бактерии или лактобактерии, устойчивые к повышенному содержанию соли.

СЫРОВАРЕНИЕ. В 1994 г. мировое производство сыра достигло 14,6 млн т в год, при этом около 6 млн т сыра было произведено в странах Европейского союза (ЕС). В Европе производится более 1000 сортов сыра. Чтобы приготовить сыр, молоко сбраживают, добавляя в него сычужный фермент или рекомбинантный химозин. Спровоцированная стартовыми культурами ферментация приводит к образованию молочнокислого сгустка, из которого вызревает сыр. В производстве сыров используют самые разные микроорганизмы, чаще всего Penicillum (камамбер, рокфор), Streptococcus, Propionibacterium freudenreichii (эмменталь) и Lactococcus (гарцер). Разнообразие сортов сыра объясняется различным происхождением молока (коровье, козье или овечье), технологией производства (аэробные, анаэробные или смешанные условия роста бактериальной культуры), а также методами введения стартовых культур (поверхностное нанесение или внутреннее впрыскивание).

ФЕРМЕНТИРОВАННЫЕ ПРОДУКТЫ ИЗ НЕ ЕВРОПЕЙСКИХ СТРАН. В китайской кухне традиционно используется так называемый красныйрис (ang-kak). Его получают, добавляя к влажному рису споры Monascus purpureus. Благодаря антимикробным свойствам красный рис получил широкое распространение в качестве приправы, его также применяют при нарушениях пищеварения. В восточной кухне готовят кишк (kishk), для этого набухшие зерна пшеницы подвергают ферментации бактериями, обитающими в кислом молоке. Японская приправа мисо получается в результате добавления к пропаренному рису грибов Aspergillus oryzae. По очень древнему рецепту китайской кухни до сих пор готовятсоевый соус – белковый гидролизат, обладающий сильным ароматом. Для этого в смесь соевой муки пшеничных отрубей впрыскивают культуры грибов Aspergillus oryzae; в условиях повышенной влажностипри температуре 35°С образуется поверхностная культура. После добавления равного объема водного раствора соли смесь подвергают ферментации молочнокислыми бактериями или дрожжами в течение года при комнатной температуре. Путем ферментации соевых бобов или пропаренного риса под действием грибов Rhizopus oligosporus готовят темпех (tempeh) – основную пищу населения Индонезии и Малайзии.

Получение стартовых культур

Производство сыра и производство соевого соуса

Традиционные продукты, получаемые путем ферментации в незападноевропейских странах

Молочнокислое брожение

молочнокислоте брожение и пищевые продукты

На заметку

История использования человеком процессов молочнокислого брожения молока (кисломолочные продукты), овощей (квашеная капуста) и кормов для скота (силос) насчитывает сотни, а для некоторых процессов и тысячи лет. Луи Пастер, впервые выделивший молочнокислые бактерии в 1856 г., заложил основы для понимания биохимии этого важного процесса. Продукты, получаемые в результате молочнокислого брожения, обладают хорошими вкусовыми качествами и долго хранятся, так как снижение pH, происходящее в процессе брожения, препятствует развитию других микроорганизмов.

МОЛОЧНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ. Группа молочнокислых бактерий весьма гетерогенна по морфологии клеток, однако физиология ее представителей описана достаточно однозначно: все молочнокислые бактерии окрашиваются по методу Грама и являются облигатными аэробами, т. е. они не синтезируют гемсодержащие белки (каталазы), однако могут расти в присутствии кислорода. Молочнокислые бактерии расщепляют лактозу до глюкозы и галактозы, а затем превращают их в лактат. При «гомоферментативном» молочнокислом брожении (также называемом гликолизом), которое осуществляют Streptococcus pyogenes, Lactobacillus casei и Lactococcus lactis, из 1 моль глюкозы образуется 2 моль лактата, а при «гетероферментативном» брожении, осуществляемом Leuconostoc mesenteroides и Lactobacillus brevis, – только 1 моль лактата. От наличия лактатрацемазы в клетках бактерий зависит образуется ли L-(+)-молочная кислота (обычно выход 50–90%), D-(–)-молочная кислота или их рацемат. Физиологическую ценность кисломолочных продуктов трудно переоценить: в них нет лактозы и они содержат белки, уже подвергшиеся мягкому гидролизу.

КИСЛОМОЛОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ. Среди кисломолочных продуктов в Европе наиболее распространены простокваша, сметана, йогурт, кефир и пахта (<1% жира). Эти продукты получаются при бактериальном заражении сырого молока в естественных условиях хранения. В йогурте содержание L-(+)-молочной кислоты более 95%. Этот продукт производят, используя Lactobacillus acidophilus или облигатно анаэробный штамм L. bifidus, обнаруженный в кишечной флоре грудных младенцев. Йогурты особенно хорошо усваиваются организмом и оказывают стимулирующее действие на иммунную систему. В результате реакций, осуществляемых бактериальными протеазами и липазами, кисломолочные продукты приобретают своеобразный вкус. Наиболее важными микроорганизмами для производства молочных продуктов являются стрептококки, лактобактерии, Leuconostoc и дрожжи.

ЗАКВАШИВАНИЕ ОВОЩЕЙ И ОВОЩНЫХ СОКОВ. В Германии особой популярностью пользуются квашеная капуста и соленые огурцы (заготавливаются иреализуются через торговую сеть около 200 000 т в год). Для заквашивания обычно используют белокочанную капусту, которую помещают в бочки вместимостью до 100 т. Как правило, процесс брожения осуществляется разнообразными микроорганизмами (бактериями, дрожжами и грибами) в результате спонтанного заражения, однако в некоторых случаях брожение инициируют добавлением закваски (стартовых культур). В качестве других примеров использования в пищу овощей, подвергшихся молочнокислому брожению, можно привести квашеную свеклу (Польша и Россия) и кимчи (кислая китайская капуста или редька, Корея). Овощные соки, подвергшиеся ферментации молочнокислыми бактериями, особенно богаты витаминами и минеральными веществами,хорошо усваиваются организмом и хранятся продолжительное время (например, морковный и томатный соки).

ЗАКВАСКА. В отличие от пшеничной муки, используемой для приготовления дрожжевого теста, ржаная мука закисает при рН<4,3; это позволяет получать своеобразную корочку при выпекании хлеба из ржаной муки. В закваске для теста при рН 4,2 наряду с молочнокислыми бактериями содержатся дрожжи.

СИЛОСОВАНИЕ – распространенный способ заготовки сочных кормов, в частности, кормовой свеклы. Силосную культуру измельчают, а затем помещают в специальные хранилища с ограниченным доступом воздуха. В таких условиях осуществляется процесс молочнокислого брожения. Если молочная кислота образуется в недостаточных количествах, силос может оказаться зараженным маслянокислыми бактериями, в том числе представителями клостридий. В этом случае бактерии могут попасть в молоко коров, которые питались зараженным силосом. Как правило, в силосе присутствует психотрофный патоген Listeria monocytоgenes, который в случае несоблюдения правил пастеризации может активно размножаться на пищевых продуктах (в мягких сырах, мясном фарше и зеленом салате) при длительном хранении в холодильнике.

Молочнокислое брожение

Кислое тесто

Квашеная капуста, йогурт, силос

На заметку:

Перечень объектов (интересов) биотехнологии уже был приведен ранее в программе развития биотехнологий. Однако его стоит конкретизировать, и это можно сделать самостоятельно, используя доступные источники информации. Ниже, для примера, приведен перечень разделов из популярного справочного издания, автором которого является известный немецкий биотехнолог профессор Рольф Шмид (Наглядная биотехнология и генетическая инженерия / Р. Шмид ; пер. с нем. — 3-е изд. — М. : БИНОМ Лаборатория знаний, 2019. — 324 с.).

Для примера представлены сновные разделы справочника «Наглядная биотехнология и генетическая инженерия»:

Биотехнологическое производство пищевых продуктов
Алкогольные напитки
Пивоварение
Ферментация в пищевой промышленности
Пищевые продукты и молочнокислое брожение
Спирты, кислоты и аминокислоты
Этиловый спирт
1-Бутанол, ацетон
Уксусная кислота
Лимонная кислота
Молочная и глюконовая кислоты
Аминокислоты
L-Глутаминовая кислота
D,L-Метионин, L-лизин и L-треонин
Аспартам, L-фенилаланин и L-аспарагиновая кислота
Получение L-аминокислот в процессе ферментативной трансформации
Антибиотики
Антибиотики: источники, применение и механизмы действия
Антибиотики: получение. Устойчивость к антибиотикам
β-Лактамные антибиотики: структура, биосинтез и механизм действия
β-Лактамные антибиотики: промышленное получение
Пептидные антибиотики и антибиотики – производные аминокислот
Гликопептидные, полиэфирные и нуклеозидные антибиотики
Аминогликозидные антибиотики
Тетрациклины, хиноны, хинолоны и другие ароматические антибиотики
Поликетидные антибиотики
Получение новых антибиотиков
Специальные продукты
Витамины
Нуклеозиды и нуклеотиды
Биодетергенты и биокосметика
Микробные полисахариды
Биоматериалы
Биотрансформация
Биотрансформация стероидов
Ферменты
Ферменты
Ферментативный катализ
Ферменты в клинических анализах
Тесты с помощью ферментов
Применение ферментов в промышленных технологиях
Ферменты в производстве моющих средств
Ферменты, расщепляющие крахмал
Ферментативное расщепление крахмала в промышленности
Ферментативное превращение сахаров
Утилизация целлюлозы и полиозы
Использование ферментов в целлюлозно-бумажной промышленности
Пектиназы
Ферменты в производстве молочных продуктов
Использование ферментов в хлебобулочной и мясоперерабатывающей промышленности
Ферменты в кожевенной и текстильной промышленности
Перспективы получения ферментов для промышленных технологий
Белковая инженерия
Пекарские и кормовые дрожжи
Пекарские и кормовые дрожжи
Белки и жиры из одноклеточных организмов
Биотехнология в медицине
Инсулин
Гормон роста и другие гормоны
Гемоглобин, сывороточный альбумин и лактоферрин
Факторы свертывания крови
Антикоагулянты и тромболитики
Ингибиторы ферментов
Иммунная система
Стволовые клетки
Тканевая инженерия
Интерфероны
Интерлейкины
Эритропоэтин и другие факторы роста
Другие белки, имеющие медицинское значение
Вакцины
Рекомбинантные вакцины
Антитела
Моноклональные антитела
Рекомбинантные и каталитические антитела
Методы иммуноанализа
Биосенсоры
Биотехнология и окружающая среда
Аэробная очистка сточных вод
Анаэробная очистка сточных вод и переработка ила
Биологическая очистка газовых выбросов
Биологическая очистка почв
Микробиологическое выщелачивание руд и биокоррозия
Биотехнология в сельском хозяйстве
Животноводство
Перенос эмбрионов и клонирование животных
Картирование генов
Трансгенные животные
Генетическая ферма и ксенотрансплантация
Растениеводство
Культивирование растительных клеток: поверхностные культуры
Культивирование растительных клеток: суспензионные культуры
Трансгенные растения: методы получения
Трансгенные растения: устойчивость к неблагоприятным воздействиям
Трансгенные растения
Основы микробиологии
Вирусы
Бактериофаги
Микроорганизмы
Бактерии
Некоторые бактерии, важные для биотехнологии
Грибы
Дрожжи
Микроорганизмы: выделение и хранение штамма. Техника безопасности
Усовершенствование штаммов микроорганизмов
Основы биотехнологических методов
Микроорганизмы: рост в искусственных условиях
Кинетика образования продуктов метаболизма и биомассы в культуре микроорганизмов
Периодическая ферментация с добавлением субстрата и непрерывная ферментация
Технология ферментации
Промышленные процессы ферментации
Культивирование животных клеток
Биореакторы для культивирования животных клеток
Биореакторы с иммобилизованными ферментами и клетками
Очистка биотехнологических продуктов (БП)
Очистка БП: хроматографические методы
Экономические аспекты биотехнологического производства
Методы генетической инженерии
Структура ДНК
Функции ДНК
Эксперимент в генетической инженерии
Методы выделения ДНК
Ферменты, модифицирующие ДНК
ПЦР: метод и его практическое применение
ПЦР: лабораторная практика
ДНК: химический синтез и определение размера молекул
Секвенирование ДНК
Введение ДНК в живые клетки (трансформация)
Идентификация и клонирование генов
Экспрессия генов
Выключение генов
РНК
Геномные библиотеки и картирование генома
Геном прокариот
Геном эукариот
Геном человека
Функциональный анализ генома человека
ДНК-анализ
Белковые и ДНК-чипы
Маркерные группы
Тенденции развития
Генная терапия
Поиск биологически активных веществ
Протеомика
Биоинформатика
Обмен веществ
Метаболомика и метаболическая инженерия
Системная биология
«Белая» биотехнология
Техника безопасности, этические и экономические аспекты
Техника безопасности при проведении генно-инженерных манипуляций
Сертификация биотехнологической продукции
Этические аспекты генетической инженерии
Патентование в биотехнологии

Дополнительно:

Общая информация (страницы)
Использование конкретных пробиотиков (акцент на ПКБ)
Этот сайт использует файлы cookie и метаданные. Продолжая просматривать его, вы соглашаетесь на использование нами файлов cookie и метаданных в соответствии с Политикой конфиденциальности.
Продолжить