Биотехнология в пищевой промышленности

Наиболее  значимой проблемой безопасности сырья  для производителей продуктов питания  является микробное заражение, которое  может возникнуть на любом этапе  движения продукта от фермы до стола  потребителя. Любой биотехнологический продукт, снижающий количество микроорганизмов  на продуктах животного и растительного  происхождения, существенно повышает безопасность сырья пищевой промышленности. Повышение безопасности продуктов  за счет снижения микробной контаминации начинается с фермы. Устойчивые к  вредителям и заболеваниям трансгенные сорта растений в значительно меньшей степени подвержены бактериальному заражению. Новые биотехнологические методы диагностики позволяют выявлять характер бактериальных заболеваний на ранних этапах и с высокой степенью точности, что позволяет изымать и уничтожать заболевших животных или инфицированные растения до того, как болезнь распространилась.

 Биотехнология  способствует повышению качества  сырья еще и за счет выявления  и удаления аллергенных белков, содержащихся в таких продуктах,  как арахис, соя и молоко. Хотя 95% аллергенов могут быть отнесены  к одной из восьми пищевых  групп, в большинстве случаев  мы не знаем, какой из тысяч  пищевых белков послужил причиной  запуска аллергической реакции.  Использование биотехнологических  методик привело к значительному  прогрессу в этой области. Кроме  того, биотехнологи разработали методы блокирования или удаления генов аллергенности из геномов арахиса, сои и креветок.[10]

 И,  наконец, биотехнология помогает  в повышении качества сельскохозяйственного  сырья путем снижения содержания  натуральных растительных токсинов, обнаруженных в некоторых культурах,  в том числе в картофеле  и маниоке.

Технология производства пищевых  продуктов.

Микроорганизмы  активно используются пищевой промышленностью  на протяжении многих тысячелетий. Они необходимы для производства хлеба и выпечки, пива, вина, крепких спиртных напитков, уксуса, кисломолочных продуктов, соленой рыбы, сыра и творога, соленых и маринованных овощей, копченой колбасы, какао, кофе, чая, мисо, соевого соуса, соевых лепешек темпе, соевого творога тофу и др. Они также являются богатым источником пищевых добавок, ферментов и других веществ, использующихся при производстве пищевых продуктов.

Усовершенствование  микроорганизмов-ферментеров. Важность ферментированных продуктов является причиной того, что исследователи  не прекращают работу по усовершенствованию важных для пищевой промышленности микроорганизмов. Многие из бактерий, использующиеся в производстве кисломолочных  продуктов, подвержены инфицированию  вирусом, периодически наносящим серьезный  финансовый урон пищевой промышленности. Метод рекомбинантных ДНК позволил ученым создать штаммы молочнокислых  и других ферментирующих бактерий, устойчивых к вирусным инфекциям.

 Уже  давно известна способность некоторых  бактерий, использующихся при ферментации  продуктов питания, синтезировать  соединения, губительные для микроорганизмов,  вызывающих порчу пищи и отравления. Биотехнологические подходы позволили  специалистам наделить такими  свойствами большинство используемых  в настоящее время бактерий-ферментеров.

Пищевые и технологические добавки. Микроорганизмы важны для пищевой промышленности не только благодаря своей способности к ферментации продуктов, но и в качестве источника пищевых и технологических добавок. Судя по всему, развитие биотехнологии будет продолжать способствовать дальнейшему повышению важности бактерий для пищевой промышленности.

 Пищевые  добавки используются для повышения  питательной ценности, удлинения  срока хранения, изменения консистенции  и усиления вкуса и аромата  продуктов. Используемые производителями  пищевые добавки, как правило, имеют растительное или бактериальное происхождение, например, синтезируемые бактериями ксантановая и гуаровая смолы. Многие аминокислотные добавки, усилители вкуса и витамины, добавляемые в пищевые продукты, производятся с помощью бактериальной ферментации. Со временем 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.

 Производители  продуктов питания используют  растительный крахмал в качестве  загустителя и заменителя жира  в низкокалорийных продуктах.  В настоящее время крахмал  выделяется из растительного  сырья и модифицируется с помощью  химических реагентов или энергоемких  механических процессов. Биотехнология  позволяет изменить характеристики  растительного крахмала и, таким  образом, избежать необходимости  его промышленной обработки.

 Ферменты, получаемые с помощью микробной  ферментации, играют для пищевой  промышленности важную роль в  качестве технологических добавок.  Первым коммерческим биотехнологическим  продуктом был фермент химозин,  используемый в сыроварении. До  внедрения биотехнологических методик  этот фермент приходилось извлекать  из желудков телят, ягнят или  козлят, а сегодня он синтезируется  бактериями, в геном которых встроен  соответствующий ген.

 Для  производства обогащенного фруктозой  кукурузного сиропа требуется  три фермента, которые важны также  для изготовления выпечки и  пива. Для производства фруктовых  соков, некоторых сортов конфет  и сыров также необходимы ферменты. На сегодняшний день в пищевой  промышленности используется уже  более 55 различных ферментов микробного  происхождения. По мере изучения  весьма впечатляющего разнообразия бактериального мира эта цифра будет продолжать увеличиваться.[16]

Тестирование  безопасности продуктов питания. Биотехнология  не только предоставляет множество  способов повышения безопасности продуктов  питания, но и вооружает нас множеством подходов к выявлению микроорганизмов  и синтезируемых ими токсинов. Разрабатываемые в настоящее  врем тесты на основе моноклональных антител, биосенсоры, методы полимеразной цепной реакции (ПЦР) и ДНК-пробы в скором времени обеспечат нам возможность быстрого и эффективного выявления присутствия в пищевых продуктах микроорганизмов, таких как Listeria и Clostridium botulinum, вызывающих порчу продуктов и пищевые отравления.

 Сегодня  мы в состоянии отличить штамм  E.coli 0157:H7, в результате заражения которым в течение нескольких последних лет произошло несколько смертей, от других, безвредных штаммов этого микроорганизма. Биотехнологические тесты компактны, не требуют много времени и, за счет высокой специфичности молекулярных методик, гораздо более чувствительны, чем использовавшиеся ранее наборы. Например, для выявления сальмонеллы с помощью нового диагностического теста требуется всего 36 часов, тогда как на постановку более старых методов уходит три-четыре дня.

 Уже  разработаны биотехнологические  диагностические тесты, позволяющие  выявлять некоторые токсины, в  том числе микотоксины, синтезируемые поражающими зерно грибками и плесенями, и наличие в продуктах питания случайных примесей потенциальных аллергенов, например, при добавлении в них арахиса.

1.1. Исторический очерк развития  пищевых биотехнологий

Человек стал пользоваться микробиологическими  процессами на ранних этапах цивилизации, применяя их как средство сохранения и консервирования продуктов питания. Примерно за 100 лет до н. э. технология пивоварения приобрела те черты, которые имеет сегодня.

Аналогична  история возникновения виноделия, хлебопечения и сыроварения. Древние  жители Европы и Азии освоили мастерство сыроварения за несколько столетий до нашей эры. Народы Древнего Востока  использовали микроорганизмы, подвергая  крахмалсодержащие продукты воздействию  микроскопических грибов. К той же эпохе относится получение кисломолочных  продуктов, квашеной капусты, медовых  алкогольных напитков и др.

Древние народы использовали способы приготовления  хлеба, пива, вина и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. Кризис охотничьего промысла (хозяйства) стал причиной революции в изготовлении продуктов питания. Эта революция началась около 8000 лет назад и привела к изобретению техники земледелия — началу производительного ведения хозяйства (неолит и бронзовый века). В это время формируются цивилизации Месопотамии, Египта, Индии и Китая. Первые жители Месопотамии (территория современного Ирака) шумеры создали цветущую в те времена цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. Б этом следовали им ассирийцы и вавилоняне, жившие также в Месопотамии, египтяне и древние индусы. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях, хотя о микробах — индукторах этого процесса мир узнал в 1868 г. благодаря работам Пастера.[20]

В те древние  времена продукты питания растительного  и животного происхождения использовались не только в пищу, но и для лечебных целей. Например, в ассирийской столице Ниневии (8—7 века до н. э.) была царская библиотека, насчитывавшая более 30 000 клинописных табличек, из которых в 33 имелись сведения о лекарственных средствах и их рецептуре, и в самом городе размещался сад лекарственных растений.

К тому же древнему периоду относятся: получение  кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков.

Длительное  накопление фактов происходило и  в области микологии. Сведения о  грибах можно найти в источниках древности, а Луций Лициний Лукулл (106 — 56 гг. до н. э.), славившийся богатством, роскошью и пирами("лукуллов пир"), предпочитал всем съедобным грибам кесарев гриб (Amanita cesarea, L.J. Древние народы хорошо знали ржавчину хлебных злаков и головню. В IV — I веках до н. э. были собраны интересные материалы о грибах, нашедшие отражение в работах Аристотеля, Диоскорида, Плиния Младшего, Теофраста.[19]

Современный этап развития пищевой биотехнологии  характеризуется широким использованием в различных отраслях пищевой  промышленности не только микроорганизмов, но и ферментных препаратов, а так  же добавок пищевых и биологически активных веществ; разработкой и  совершенствованием биотехнологических способов переработки сырья в  пищевые продукты и ферментационных  технологий; применением достижений молекулярной и генной инженерии; созданием  новых технологий получения функциональных продуктов питания; разработкой биосенсоров и экспресс-методов анализа качества пищевых продуктов, способов утилизации и обезвреживания отходов предприятия пищевой и перерабатывающей промышленности.

Всё это  свидетельствует о том, что пищевая  биотехнология является одним из ведущих направлений в развитии пищевой промышленности и биотехнологии  в мире.

1.2 Микроорганизмы, используемые в пищевой промышленности

Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих полезные для человека реакции, насчитывается  несколько сотен видов. Микроорганизмы, широко используемые в производстве пищевых продуктов, относятся к четырем группам: бактерии, актиномицеты (грамположительные бактерии, не образующие спор), дрожжи и плесени.

Из 500 известных  видов дрожжей первыми люди научились использовать Saccharomyces cerevisiae, этот вид наиболее интенсивно культивируется, и нашел самое широкое применение. Многочисленные штаммы S. сerevisiae находят применение в пивоварении, виноделии, производстве японской рисовой водки (сакэ) и других алкогольных напитков, а также в хлебопечении. К дрожжам, сбраживающим лактозу, относится вид Kluyveromyces fragilis, который используют для получения спирта из молочной сыворотки. Saccharomyces lipolitica деградирует углеводороды и употребляется для получения микробной биомассы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов. Другие полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием. Phaffia rhodozyma синтезирует астаксантин – каротиноид, который придает мякоти форели и лосося, выращиваемых на фермах, характерный оранжевый или розовый цвет.

Плесени (микроскопические грибы) вызывают многочисленные превра-щения в твердых средах, которые происходят перед брожением, их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве сакэ и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищевых продуктов, употребляемых в азиатских странах (мисо, темпе и др.). Плесени также продуцируют ферменты, используемые в пищевой промышленности (амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы), пищевые кислоты (лимонную, молочную, уксусную) и другие вещества. Микроскопические грибы рода Penicillium применяют в производстве сыров (например, Рокфора и Камамбера).

Полезные  бактерии относятся к эубактериям. Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту – в углекислый газ и воду. Род Bacillus относится к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры и имеют жгутики. B. subtilis – строгий аэроб, а B. thuringiensis может жить и в анаэробных условиях.

Анаэробные, образующие споры бактерии, представлены родом Clostridium. C. acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n–бутанол (ацетонобутаноловое брожение), другие виды могут сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения. К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Strеptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и не чувствительны к кислороду. Гетероферментативные молочнокислые бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ; гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Strеptococcus продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.[18]

 1.3 Генетически модифицированные источники пищи 

Возможности генетической инженерии позволяют  создавать генетически модифицированные источники пищи.

Растения, животные, микроорганизмы, полученные с помощью генно-инженерной биотехнологии, называются генетически измененными, а продукты их переработки – трансгенными пищевыми продуктами, или генетически модифицированными источниками (ГМИ).

Создание  генетически модифицированных источников растительного происхождения, являющихся сырьем для производства пищевых  продуктов, связано с возможностью придать сельскохозяйственным растениям  новые по-лезные свойства: повысить пищевую ценность, устойчивость растений к неблагоприятным погодным условиям, патогенам и вредителям и т.д. Техника рекомбинантных ДНК (генная инженерия) и ее применение к растениям способствует преодолению барьеров, препятствующих межвидовому скрещиванию. Она позволяет также увеличить генетическое разнообразие культивируемых растений.