Міністерство сільського господарства Російської Федерації
ФГТУ ВПО Рязанський Державний агротехнологічний Унівепсітет імені П.А. Костичева
Кафедра Товарознавства
Контрольна робота з біотехнології
Біотехнології та харчова промисловість
Варіант 1
Виконала
студентка 5 курсу технологічного факультету
Дяченко Катерина
Перевірила: Шашурін Є.А.
Рязань, 2010
Біотехнологія на службі харчової промисловості
Статистичні дані ООН з питань продовольства і сільського господарства свідчать про те, що проблема забезпечення населення нашої планети продуктами харчування вселяє серйозні побоювання. За цими даними, більше половини населення Землі не забезпечене достатньою кількістю продуктів харчування, приблизно 500 млн. людей голодують, а близько 2 млрд. харчуються недостатньо або неправильно. До кінця XX ст. населення нашої планети з урахуванням контролю народжуваності склало 7,5 млрд. чоловік. Отже, важке вже зараз становище з продуктами харчування може прийняти в недалекому майбутньому для деяких народів загрозливі масштаби.
Їжа повинна бути різноманітною і містити білки, жири, вуглеводи і вітаміни. Джерела енергії - жири і вуглеводи в певних межах взаємозамінні, причому їх можна замінити і білками, але білки не можна замінити нічим. Проблема харчування людей в кінцевому рахунку полягає в дефіциті білка. Там, де сьогодні люди голодують, не вистачає перш за все білка. Встановлено, що щорічний дефіцит білка в світі, за найскромнішими підрахунками, оцінюється в 15 млн. т. Найбільшу популярність як джерела білка придбали насіння олійних культур - сої, насіння соняшника, арахісу та інших, які містять до 30 відсотків високоякісного білка. За змістом деяких незамінних амінокислот він наближається до білка риби та курячих яєць і перекриває білок пшениці. Білок з сої широко вже використовується в США, Англії та інших країнах як цінний харчовий матеріал.
Ефективним джерелом білка можуть служити водорості. Збільшити кількість харчового білка можна і за рахунок мікробіологічного синтезу, який в останні роки привертає до себе особливу увагу. Мікроорганізми надзвичайно багаті білком - він становить 70-80 відсотків їх ваги. Швидкість його синтезу величезна. Мікроорганізми приблизно в 10-100 тисяч разів швидше синтезують білок, ніж тварини. Тут доречно навести класичний приклад: 400-кілограмова корова виробляє на день 400 грамів білка, а 400 кілограмів бактерій - 40 тисяч тонн. Природно, на одержання 1 кг білка мікробіологічного синтезу при відповідній промислової технології потрібно коштів менше, ніж на одержання 1 кг білка тварини. Та до того ж технологічний процес куди менш трудомісткий, ніж сільськогосподарське виробництво, не кажучи вже про виключення сезонних впливів погоди - заморозків, дощів, буревіїв, посух, освітленості, сонячної радіації і т. д.
Застосовуючи звичайні технологічні лінії з виробництва синтетичних волокон, можна отримувати з штучних білків довгі нитки, які після просочення їх формообразующімн речовинами, надання їм відповідного смаку, кольору і запаху можуть імітувати будь-який білковий продукт. Таким способом вже отримані штучне м'ясо (яловичина, свинина, різні види птахів), молоко, сири та інші продукти. Вони вже пройшли широку біологічну апробацію на тваринах і людях і вийшли з лабораторій на прилавки магазинів США, Англії, Індії, країн Азії і Африки. Тільки в одній Англії їх виробництво досягає приблизно 1500 тонн на рік. Цікаво, що білкову частину шкільних обідів в США вже дозволено на 30 відсотків замінювати штучним м'ясом, створеним на основі соєвого білка.
Використовуване в харчуванні хворих Річмондського госпіталю (США) штучне м'ясо отримало високу оцінку головного дієтолога. Правда, коли хворим давали антрекот з штучного м'яса, вони скаржилися на його тестоватость, хоча і не знали і навіть не здогадувалися про те, що отримували не природний продукт. А коли м'ясо подавалося у вигляді дрібно нарізаних шматочків, нарікань не було. Обслуговуючий персонал також вживав штучне м'ясо, не здогадуючись про підробку. Вони сприймали його як натуральну яловичину. Лікарі госпіталю відзначали також позитивний вплив раціону на здоров'я пацієнтів і особливо хворих атеросклерозом. До складу такого м'яса обов'язково включають спеціально оброблений штучний білок, невелика кількість яєчного альбуміну, жири, вітаміни, мінеральні солі, природні барвники, ароматизатори та інше, що дає можливість «ліпити» виріб із заданими властивостями, враховуючи при цьому фізіологічні особливості організму, для якого продукт призначений. Це особливо важливо в дієті дітей і людей похилого віку, хворих і видужуючих, коли необхідно лімітувати харчування з цілого ряду харчових компонентів, що досить важко зробити, використовуючи традиційні продукти. Таке м'ясо можна різати, заморожувати, консервувати, сушити або прямо використовувати для приготування різних страв.
З 20 амінокислот, що входять до складу білків, 8 амінокислот люди не можуть синтезувати, і їх відносять до незамінних. Це ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан, валін, фенілаланін. Амінокислоти - це не лише поживні речовини, але також ароматичні та смакові агенти, і тому вони широко використовуються в харчовій промисловості.
Як живильне добавку в їжу найчастіше вносять лізин і метіонін. Глутамат натрію і гліцин вживають як ароматичні речовини для посилення і поліпшення смаку їжі. У гліцину освіжаючий, солодкий смак. Його вводять в солодкі напої, і крім того, він виявляє там бактеріостатичну дію. Цистеїн запобігає подгораніе їжі, покращує пекарські процеси і якість хліба. Завдяки деяким бактеріям вдається одержувати близько 100 г / л глутамінової амінокислоти. Щорічно у світі виробляють мікробіологічними способом 270 000 т цієї амінокислоти, основна частина якої йде в харчову промисловість. За обсягом продукції друге місце після глутамінової кислоти займає лізин - 180 000 т на рік. Інші амінокислоти виробляють в набагато менших кількостях.
Амінокислоти у великій кількості застосовують як добавку до рослинним кормів, які дефіцитні за метіонін, треонін, триптофану і особливо по лізину. Якщо у тваринних білках міститься 7-9% лізину, то в білках пшениці - лише близько 3%. Внесення до корму лізину до змісту 0,3% дозволяє скоротити їх витрати більше ніж на 20%. За останні 8 років кількість амінокислот, які додаються до корму, зросла в 14 разів. У багатьох країнах метіонін додають до соєвому борошні - білкової добавці кормів. Головна область практичного застосування амінокислот - збагачення кормів. Близько 66% загальної кількості амінокислот, одержуваних у промисловості, використовують у кормах, 31% - в їжі і 4% - в медицині, косметиці і як хімічні реактиви. На основі амінокислот готують штучний підсолоджувач - метиловий ефір L-аспартил-L-фенілаланіну, який в 150 разів солодше, ніж глюкоза.
Шляхи обміну речовин у мікроорганізмів
При порівняно бідних морфологічних ознаках мікроорганізми відрізняються великою різноманітністю здійснюваних ними у природі перетворень речовин. Мікроорганізми в сукупності з іншими групами мікроорганізмів виконують колосальну хімічну роботу. За їх участі відбувається розкладання складних органічних речовин - рослинних і тваринних залишків - до простих мінеральних сполук: вуглекислоти, аміаку, нітратів, сульфатів і ін, - які знову асимілюються рослинами, а потім надходять в організм тварини. Таким чином, на Землі здійснюється в колосальному масштабі кругообіг життєво необхідних елементів: вуглецю, азоту, сірки, фосфору, заліза та ін, і мікроорганізми є найважливішою ланкою в цьому процесі.
Перетворюючи різні сполуки, мікроорганізми отримують необхідну для їх життєдіяльності енергію і поживні речовини. Процеси обміну речовин, способи добування енергії та потреби в матеріалах для побудови речовин свого тіла у бактерій надзвичайно різноманітні.
Одні з бактерій потребують готових органічних речовинах - амінокислотах, вуглеводах, вітамінах, - які повинні бути присутніми в середовищі, тому що самі не можуть їх синтезувати. Такі мікроорганізми називаються гетеротрофами. Інші мікроорганізми всі потреби в вуглеці, необхідному для синтезу органічних речовин тіла, задовольняють виключно за рахунок вуглекислоти. Вони називаються автотрофами.
За своїм потребам гетеротрофи дуже різноманітні: деякі з них мають потребу у великій наборі амінокислот, вітамінів, вуглеводів і т. д.; інші вимагають наявності в середовищі лише невеликого числа готових амінокислот, потреби у вітамінах у них можуть бути обмежені. Є й такі форми, які можуть самі синтезувати всі речовини: білки, цукру, жири і т. д., якщо в середовищі, де відбувається їх розвиток, є всього одне або декілька простих органічних сполук. Такі гетеротрофні організми ближче стоять до автотрофів.
Кожен організм для підтримки життя та здійснення процесів, сукупність яких становить обмін речовин, потребує постійного і безперервному притоці енергії. Гетеротрофні мікроорганізми отримують енергію при окисленні органічних речовин киснем або при зброджуванні (без участі кисню).
Типи окислювальних процесів у світі бактерій виключно різноманітні. Ці мікроорганізми можуть окисляти будь-які наявні в природі органічні речовини. Якби в природі існувало якесь органічна речовина (продукт тваринного або рослинного походження), яке не могло б бути окислено яких-небудь мікробом, то воно неминуче накопичувалося б на поверхні Землі, а цього не відбувається. Тільки в надрах, ізольованих від кисню, можуть зберігатися органічні речовини - нафта, вугілля. Проти мікробного окислення не можуть встояти навіть штучно отримані синтетичні речовини, які відсутні в природі. Але не кожен вид бактерій може розкладати всі органічні речовини.
Є форми, пристосовані до використання лише невеликого числа речовин, є і більш універсальні.
Більш того, мікроорганізми здатні окислювати не тільки органічні, але й неорганічні сполуки. Окислення бактеріями неорганічних речовин - сірки, аміаку, нітратів, сполук заліза, водню та інші, в процесі якого відбувається синтез органічних речовин з вуглекислоти, називається хемосинтезом, а мікроорганізми, що здійснюють цей процес, - хемосинтетики.
Різні речовини можуть окислюватися не тільки киснем повітря, але і з'єднаннями, багатими киснем: нітратами, сульфатами і карбонатами. Денітрифікуючі і такі спеціалізовані мікроорганізми, як десульфатірующіе і метанові, в анаеробних умовах можуть окисляти органічні, а також неорганічні речовини за допомогою цих сполук, які при цьому відновлюються відповідно до азоту, аміаку, водню і метану.
Особливістю окислення органічних речовин бактеріями, як і іншими мікробами, є те, що воно не обов'язково йде до кінця як дихання, тобто до утворення вуглекислого газу і води, і в середовищі залишаються продукти неповного окислення.
Механізми окислювальних процесів у мікроорганізмів часто включають ті чи інші стадії дихання. Величезна різноманітність окисляються, припускає існування різних механізмів окислення.
Основні напрямки застосування біотехнологічних процесів в пивоварінні
Отримання напоїв шляхом спиртового бродіння - одне з найдавніших бродильних виробництв. Першими з таких напоїв були, мабуть, вино і пиво. До появи робіт Пастера в кінці XIX ст. про суть протікають при бродінні процесів та їх механізми було відомо дуже мало. Пастер показав, що бродіння без доступу повітря здійснюється живими клітинами дріжджів, при цьому цукор перетворюється на спирт і вуглекислий газ. Тоді ж було показано, що бродіння здійснюється під дією якихось речовин, що знаходяться всередині дріжджових клітин.
Одне з головних нововведень у галузі мікробіології бродіння було запропоновано Хансеном, що працював у дослідницькому центрі Карлсберг в Копенгагені з дріжджами дикого типу. При виробництві пива ці дріжджі доставляли масу незручностей. Хансен виділив чисті культури дріжджів і використовував їх у пивоварінні, тим самим він став піонером застосування таких культур при виробництві пива.
Алкогольні напої отримують шляхом зброджування сахарсодержащего сировини, в результаті якого утворюються спирт і вуглекислий газ. Зброджування здійснюється дріжджами роду Saccharomyces. В одних випадках використовується природний цукор (наприклад, що міститься у винограді, з якого роблять вино), в інших цукру отримують із крохмалю (наприклад, при переробці зернових культур в пивоварінні). Наявність вільних цукрів обов'язково для спиртового бродіння за участю Saccharomyces, так як ці види дріжджів не можуть гідролізувати полісахариди. У виробництві спиртних напоїв застосовують штами дріжджів Saccharomyces cerevisiae або S. carlsbergensis. Різниця між ними полягає в тому, що S. carlsbergensis можуть повністю зброджувати раффинозу, a S. cerevisiae до цього не здатні.
Для здійснення спиртового бродіння при пивоварінні перш за все необхідно, щоб в пивоварному сировину утворився цукор. Традиційним джерелом потрібних для цього полісахаридів завжди був ячмінь, але в якості додаткових використовуються і інші види вуглевод-яке містить сировини. І сьогодні ячмінний солод складає основу пива.
Ячмінний солод і інші компоненти подрібнюють і змішують з водою при температурі до 67 ° С. У ході перемішування природні ферменти ячмінного солоду руйнують вуглеводи зерна. На заключній стадії розчин, званий суслом, відокремлюють від нерозчинних залишків. Додавши хміль, його кип'ятять в мідних казанах. Для виробництва пива з певним вмістом алкоголю сусло після кип'ятіння доводять до потрібної густини. Питома щільність сусла визначається змістом екстрагованих цукрів, що підлягають сбраживанию. Після закінчення певного часу бродіння закінчується, дріжджі відокремлюють від пива і витримують його деякий час для дозрівання. Після фільтрації та інших необхідних процедур пиво готове.
Розпочате за ініціативою Хансена використання індивідуальних штамів дріжджів у пивоварінні сьогодні стало нормою: це культури S. cerevisiae і S. carlsbergensis. Перші є дріжджі поверхневого та глибинного бродіння: вони застосовуються у виробництві елю. Другі - дріжджі глибинного бродіння, їх використовують у виробництві легкого пива. Хоча генетика дріжджів розвивається вже протягом багатьох років, ми лише нещодавно навчилися здійснювати селекцію дріжджів, що використовуються у виробництві пива. У міру поглиблення наших знань про властивості дріжджів і ті якості, які вони надають кінцевому продукту, все успішніше йде робота по виведенню нових штамів пивних дріжджів. У кінцевому рахунку ми зможемо створити штам, що дозволяє отримати ідеальний пивний продукт. Вимоги до таких ідеальним дріжджам будуть, природно, залежатиме від способу зброджування і бажаних якостей пива.
До числа найбільш важливих властивостей дріжджів відносяться продуктивність, здатність формувати осад, зброджувати мальтотріозу і т. д. Приймаються до уваги і смакові якості получающегося пива, тобто утворення речовин, відповідальних за їх формування. Раніше основним способом отримання штамів, що дають продукт потрібної якості, був їх відбір з існуючих пивних дріжджів. Вести відбір було вигідніше, ніж займатися гібридизацією, почасти через малу здібності пивних дріжджів до спороутворення і низькою життєздатності аскоспор. У кожному аске утворюється від однієї до чотирьох суперечка, але не всі вони звільняються при дозріванні. Дріжджі з роду Sacharomyces розмножуються в основному вегетативно. При цьому за рахунок множинного латерального брунькування формуються сферичні, еліпсоїдні або рідше циліндричні дочірні клітини.
Оскільки для розвитку технології пивоваріння можуть знадобитися штами дріжджів, що відрізняються за властивостями від зазвичай використовуються, доведеться вдатися до гібридизації. Основним внеском біотехнології в пивоварну промисловість буде створення штамів дріжджів, здатних давати пиво з бажаними властивостями.
Список використаної літератури
«Сільськогосподарська біотехнологія» за ред. В.С. Шевелуха, Москва: Вища школа, 2003
«Основи біотехнології», Дроздова Т.Ю., Іванова Є.П., Москва: МГОУ, 2001
«Біотехнологія», Т.Г. Волова, Новосибірськ: Изд-во Сибірського відділення Російської Академії наук, 1999