Контрольные вопросы

1. Дайте определение биотехнологии.

2. Перечислите основные разделы современной биотехнологии.

3. В чем отличия биотехнологических и химических процессов?

4. В каких отраслях используются современные биотехнологические методы?

5. В чем заключается основная задача любого биотехнологического процесса?

3.2. Новые направления биотехнологии

Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передние позиции научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровнях привели к появлению принципиально новых технологий и получению новых продуктов. Традиционные биотехнологические процессы, основанные на брожении, дополняются новыми эффективными процессами получения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, органических кислот. Наступила эра новейшей биотехнологии, связанная с получением вакцин, гормонов, интерферонов. Важнейшими задачами, стоящими перед биотехнологией сегодня, приняты: повышение продуктивности сельскохозяйственных растительных культур и животных, создание новых пород культивируемых в сельском хозяйстве видов, защита окружающей среды и утилизация отходов, создание новых экологически чистых процессов преобразования энергии и получения минеральных ресурсов.

Характеризуя перспективы и роль биотехнологии в человеческом обществе, уместно прибегнуть к высказыванию на одном из симпозиумов по биотехнологии японского профессора К. Сакагучи, который говорил следующее: «... ищите все что пожелаете у микроорганизмов, и они не подведут вас... Изучение и применение в промышленности культур клеток млекопитающих и растений, иммобилизация не только одноклеточных, но и клеток многоклеточных организмов, развитие энзимологии, генетической инженерии, вмешательство в сложный и недостаточно изученный наследственный аппарат растений и животных все больше расширят области применения существующих направлений биотехнологии и создадут принципиально новые направления» [40].

В определении оптимального направления развития биологических технологий, независимо от области их применения, большую роль играет международное сотрудничество, которое обеспечивает выбор той или иной технологии с учетом экономико-социальных условий отдельных стран. Примером региональной кооперации в биотехнологии может служить Центрально-Американский институт промышленных исследований (ICAITI), созданный в 1955 году. Этот институт, расположенный в Гватемале, содействует промышленному развитию региона, который может обеспечить достаточный уровень биопромышленности с учетом имеющихся территорий, климатогеографических условий и огромного количества побочных продуктов и отходов сельскохозяйственного производства. В рамках ICAITI в 1970 году был создан биотехнологический отдел, являющийся штаб-квартирой Международного центра по исследованию микробных ресурсов (MIRCEN) данного региона, субсидируемого ЮНЕСКО. Исследовательские проекты института сосредоточились в двух направлениях, связанных с основными видами сельского хозяйства региона: переработкой кофейных зерен и получением сахара. Накапливающиеся в огромных количествах отходы данных технологий были использованы в качестве субстратов для производства биогаза и микробной биомассы. Были разработаны также процессы получения спирта из соков тропических фруктов, а на основе иммобилизованных ферментов созданы производства осахаривания фруктозных сиропов из сахарного тростника, разработаны новые технологии ферментации овощей под воздействием чистых культур лактобацилл. Таким образом, наличие этого института сформировало фронт биотехнологических работ, внедрение которых способствовало экономическому развитию региона.

С целью переноса новейших технологий из развитых стран в развивающиеся ООН создан Международный центр генной инженерии и биотехнологии. Под эгидой Организации промышленного развития ООН (UNIDO) создана комиссия для изучения мнения государств-членов по взаимодействию с Международным центром. На базе совместных исследований центром запланировано создать школу для подготовки специалистов из развивающихся стран. В качестве направлений совместных исследований комиссией UNIDO рекомендованы: использование энергии биомассы, добыча нефти из истощающихся скважин, усовершенствование методов ферментации, синтез лекарств против тропических болезней, получение эффективных вакцин для человека и домашних животных, селекция высокоурожайных и устойчивых к болезням сортов культурных растений.

Биотехнология в селекции и растениеводстве. Важнейшее место биотехнологии и биоинженерии принадлежит в современной селекции растений на устойчивость и качество продукции, создание нового поколения сортовых ресурсов страны и мира. Основные исследования биотехнологов направлены на создание улучшенных и принципиально новых генотипов сельскохозяйственных растений, обладающих единичной, групповой или комплексной устойчивостью к биотическим или абиотическим стрессовым факторам среды при сохранении и повышении их продуктивности и качества.

Биотехнология в животноводстве. Ученые-биотехнологи России совестно с селекционерами, ветврачами и другими специалистами решают приоритетные проблемы животноводства. Важнейшей из них является получение трансгенных животных: крупного рогатого скота, овец, свиней, кроликов и птицы, отличающихся устойчивостью к опасным вирусным и другим инфекциям. На очереди получение трансгенных животных, устойчивых к лейкозу, туберкулезу, бруцеллезу и другим болезням.

Биотехнология и ветеринарная медицина. Наибольших результатов в ветеринарной биотехнологии и медицине добились в микробиологии при решении профилактических и терапевтических задач по защите различных видов скота и птицы от болезней, обеспечении условий для ветеринарной безопасности животноводства. Совместно с ветеринарными специалистами разработаны методы получения и организовано промышленное производство одновалентных и поливалентных сывороток профилактического и препаратов терапевтического действия, полученных генно-инженерными методами.

Разработаны также способы массового культивирования клеток и вирусов на биофабриках, что позволяет выпускать более 40 вирус-вакцин против наиболее опасных вирусных инфекций — бешенства, инфекционного ринотрахеита, чумы и других заболеваний, в том числе вызываемых бактериальными и грибковыми возбудителями.

Биотехнология в переработке и хранении сельскохозяйственной продукции. Биотехнологические методы и приемы направлены на сохранение и улучшение вкусовых и других качеств продукции, основанных на применении биологических компонентов-добавок – консервантов и пищевкусовых соединений растительного и синтетического происхождения; мембранной технологии, трансгенных микроорганизмов, обеспечивающих надежную и длительную сохранность продукции. Современная промышленность, производящая витамины, аминокислоты, кормовые и пищевые добавки, почти полностью основана на современных методах биотехнологии.

Современное состояние пищевой биотехнологии. В настоящее время биотехнология является динамично развивающейся отраслью во всем мире и в России. Неслучайно по решению ООН XXI век объявлен веком биотехнологии. Учёные считают, что именно с её помощью можно будет решить глобальные экологические проблемы, стабилизировать промышленность, создать новые конкурентоспособные рынки. Биотехнология относится к числу так называемых высоких технологий, и инвестиции, вкладываемые в ее развитие, все более возрастают. Предполагается, к 2013 г. объём мирового биотехнологического сектора будет составлять 4 трлн евро.

Учёные России: А.Н. Богатырев, О.В. Большаков, Л.Н. Крикунова, О.А. Маслённикова, А.П. Нечаев, В.А. Панфилов, И.А. Рогов, В.Н. Сергеев, Е.И. Сизенко, В.И. Тужилкин – сделали глубокий анализ состояния и перспектив развития биотехнологии [41].

Во всем мире основные направления развития биотехнологии обусловлены потребностью в определенных продуктах и энергии при одновременно имеющейся необходимости использовать сырьевые отходы.

Для удовлетворения потребностей в пищевых продуктах непрерывно растущего населения планеты, численность которого свыше 6 млрд человек, необходимо увеличивать эффективность растениеводства и животноводства. На решение этой проблемы в первую очередь направлены усилия биотехнологов.

Ресурсы растительного и животного белка не могут удовлетворить возрастающие потребности в нем. Запасы белка ограничены урожайностью сельскохозяйственных культур, размерами посевных площадей, продуктивностью животных, возможностями добычи продуктов Мирового океана и многими другими условиями.

Один из путей получения белковых веществ – микробный синтез. Сырье, которое непосредственно не может быть использовано на изготовление пищевых продуктов, с помощью микроорганизмов превращается в богатую белками биомассу. Микроорганизмы способны накапливать до 60-70 % белка от сухой биомассы, образовывать также углеводы, липиды, витамины, минеральные ве­щества; их продуктивность превышает продуктивность растений и сельскохозяйственных животных во много раз. Получаемую биомассу можно непосредственно применять в качестве обогатителя кормов или направлять на получение очищенных белковых препаратов для пищевых целей.

Полноценность пищи и кормов определяется содержанием не только белков, но и незаменимых аминокислот, поэтому весьма перспективно использовать для обогащения кормов и пищи отдельные аминокислоты или их сбалансированную смесь.

Аминокислоты можно получать в процессе трансформации их предшественников с помощью микроорганизмов или вырабатываемых ими ферментов, а также путем гидролиза природных белков и микробного синтеза.

В настоящее время значительное количество растительных и животных жиров расходуется на технические нужды. Замена пищевых жиров микробными даст заметный экономический эффект. Выработка липидов с помощью микроорганизмов возможна по двум направлениям: специализированное производство, основанное на направленном биосинтезе липидов микробной клеткой, и получение отхода в виде микробного жира при выращивании кормовых дрожжей. Синтезируемые микроорганизмами биологически активные вещества могут быть обогатителями пищи человека, а также кормов сельскохозяйственных животных.

При использовании методов генной инженерии открываются широкие возможности дальнейшего развития биотехнологии, включая создание новых биотехнологических процессов.

Все более пристальное внимание исследователей привлекают термофильные и термотолерантные процессы, характеризующиеся высокой биоэнергетикой и позволяющие эффективнее решать проблемы теплоотвода, проводить биокаталитические реакции с высокой скоростью, снизить опасность загрязнения среды культивирования или биокатализа посторонней микрофлорой.

Эффективность любой промышленной биотехнологии определяется себестоимостью целевого продукта, которая зависит от его выхода, конверсии субстрата и от удельного расхода энергии. Применяя энергосберегающие технологии, можно выявить резервы снижения себестоимости продуктов микробного синтеза.

Одна из важнейших задач биотехнологии – необходимость организации переработки возобновляемых нерастворимых видов растительного сырья: крахмала и целлолигнинового комплекса с выбором наиболее эффективного способа его конверсии (гидролиз, прямое культивирование микроорганизмов, газификация и др.).

При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицеллюлоз можно получать этиловый спирт и сырье для химической промышленности: фурфурол, фенолы, крезолы. Методами генной инженерии можно создать штаммы, которые будут лучше адаптированы к этим типам конверсии, и получить большой выход продукции.

Переработка побочных продуктов сельского хозяйства и отходов пищевой промышленности микроорганизмами зависит от того, насколько рентабелен этот процесс по сравнению с употреблением других субстратов. Необходимо также учитывать последствия для окружающей среды. Биотехнологические процессы также вызывают химическое и биологическое загрязнение окружающей среды, но с помощью микроорганизмов можно удалять существенную часть органических загрязнений, содержащихся в сточных водах различных производств, уменьшать количество остаточною шлама, снимать неприятные запахи.

Важную роль в экологически безопасном и устойчивом развитии тех стран, которые используют широкие возможности биотехнологии, может сыграть выполнение основных положений программы:

– увеличение продуктов питания, кормов и возобновляемых источников сырья;

– улучшение здоровья населения;

– улучшение охраны окружающей среды;

– биобезопасность и международное сотрудничество;

–содействие процессу передачи и использования биотехнологии.

Биотехнология рассматривается как приоритетное направление в большинстве высокоразвитых стран.

Перспективы использования продуктов биотехнологии в пищевой промышленности очень большие. С помощью микроорганизмов и культур рас­тительных клеток можно получить для пищевой промышленности ценные метаболиты и добавки в продукты, отличающиеся от синтетических продуктов своим естественным составом и отсутствием вредных примесей.

В настоящее время насчитывается более 50 групп вторичных метаболитов, продуцируемых культурами клеток растений. К таким метаболитам относятся структурный белок, аминокислоты, липиды, масла, душистые вещества, органические кислоты, пигменты, пищевые добавки, специи, сахара, подсластители, ферменты.

В культурах клеток растений целевой продукт может накапливаться в значительно больших количествах, чем в соответствующих интактных растениях.

В будущем при накоплении фундаментальных биохимических и генетических знаний можно будет увеличить выход желаемого продукта и эта отрасль биотехнологии сможет иметь большой коммерческий успех.

Одно из перспективных направлений в пищевой биотехнологии – обогащение хорошо известных пищевых продуктов белком и создание новых видов пищи, где важная роль отводится белковым добавкам на основе белка одноклеточных, прежде всего дрожжей, бактерий, грибов и водорослей. Как потенциальный источник белка наиболее полно изучены дрожжи. Высокомолекулярные белковые изоляты содержат не менее 80 % белка, не более 1 % липидов, 2 % нуклеиновых кислот и 5 % углеводов.

Белковые изоляты микробного происхождения можно добавлять в следующие продукты:

• концентраты типа питательных кубиков, паст, таблеток и брикетов;

• массового фабричного производства, например специальные сорта хлеба, хлебобулочные изделия и макаронные изделия, питательные напитки, молочные продукты;

• изготовленные на предприятиях общественного питания, например из мясного фарша [42].

Введение микробного белка в эти продукты особой сложности не представляет, так как их просто замешивают вместе с традиционными компонентами и при наличии необходимых функциональных свойств добавок получают хорошие результаты.

Наибольший интерес представляет собой выработка искусственных мясопродуктов, имитирующих традиционные изделия из рубленого мяса или нерубленые мясопродукты волокнистой структуры. Для получения аналогов изделий из рубленого мяса в раствор или дисперсию белкового или полисахаридного структурообразователя вводят тонкоизмельченные пищевые вещества, например белок дрожжей, вкусовые и ароматические вещества, а также кра­сители.

Для производства искусственных мясопродуктов волокнистой структуры обычно используют белковые волокна, полученные методом мокрого прядения растворов белка. Волокна затем склеивают пищевым связующим веществом, содержащим различные пищевые компоненты и красители.

Первые искусственные белковые волокна были изготовлены на основе казеина, сои, арахиса, но возможно и применение белка дрожжей. Такие исследования проводили у нас в стране, разработана технология [43].

Ценный источник пищевого белка – съедобные шляпочные грибы. Производство спорофоров и мицелия базируется на двух совершенно различных технологиях. Шляпочные грибы выращивают в питомниках, а мицелий вырабатывают промышленным спо­собом ферментации.

Шляпочные грибы используют непосредственно как пищевой продукт или вкусовую приправу к различным блюдам. В последнем случае приемлемы мицелиальные формы грибов. Мировое производство съедобных грибов в промышленных условиях со­ставляет сейчас 1,2-1,3 млн т в год, в основном базидиальных грибов, при этом на долю шампиньонов приходится примерно 70-75 %.

Пищевая промышленность – один из главных потребителей аминокислот. В наибольшем количестве выпускают L-глутаминовую кислоту, применяемую в качестве вкусового и консервирующего агента в пищевой промышленности. Натриевая соль глутаминовой кислоты – эффективный усилитель вкуса, и ее используют при изготовлении мясных и овощных блюд, добавляют во все продукты при консервировании, замораживании и длительном хранении. Многие аминокислоты обладают оригинальным вкусом и участвуют в образовании вкусовых особенностей тех или иных пищевых продуктов.

Отбор высокопродуктивных бактериальных штаммов и создание совершенных процессов ферментации обеспечили Японии лидирующее положение в этой области, она обладает патентами, описывающими производство 20 аминокислот с помощью микробной ферментации. В последние годы в Японии для обогаще­ния пищевых продуктов начали применять лизин [39-42].

Недостаток лизина в пище особенно отрицательно сказывается на здоровье детей, при введении его вместе с треонином в пищу повышаются умственные способности. В результате добавления лизина улучшается внешний вид пищевых продуктов, увеличивается их водоудерживающая способность, устраняются неприятные запахи консервированной рыбы, улучшаются процесс брожения и физические свойства теста и хлеба.

В США несколько крупных фирм в качестве компонента белковых диетических продуктов используют триптофан. Во Франции запатентован заменитель сахара, получаемый на основе D-триптофана. Аминокислотный подсластитель аспартам, получаемый из фенилаланина и аспарагиновой кислоты, в 900 раз слаще сахара и не имеет горького привкуса, свойственного сахарину. При замене сахара аспартамом на 95 % снижается калорийность ряда пищевых продуктов без изменения вкусовых качеств (например, жевательной резинки, конфет и напитков). Широко используют в пищевой промышленности цистеин: для улучшения качества хле­бобулочных изделий, в качестве имитатора вкуса и аромата мяса, для усиления действия антиоксидантов и консервантов, замедле­ния аутоокисления жиров.

Свойствами антиокислителей обладают также метионин, лизин, триптофан, аргинин, аспарагин, норлейцин и глицин.

При температуре 100-200 °С и сильно щелочной реакции среды глицин, аланин, лизин, орнитин, аргинин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты взаимодействуют с глюкозой и другими сахарами и образуют прекрасные пищевые красители, которые об­ладают антиокислительным действием и ингибируют действие липоксидазы.

В нашей стране для пищевой промышленности разработаны технологические процессы получения с помощью микроорганиз­мов лизина, глутаминовой кислоты и треонина.

В пищевой промышленности микробные ферменты все активнее применяют вместо растительных и животных ферментов. Так, микробные амилазы заменили аналогичные ферменты из пшеничного и ячменного солода в спиртовом и пивоваренном производстве, хлебопечении и производстве сухого печенья; микробные протеазы – животные и растительные протеазы, употребляемые для размягчения мяса: микробный ренин заменил сычужный фермент из желудка телят в сыроварении. В консервной промышленности при использовании микробных ферментных препаратов увеличивается выход сока, особенно из ягод с большим содержанием пектина, повышается стойкость против инфицирования и удлиняется срок хранения продукции. В виноградном и плодово-ягодном виноделии благодаря ферментным препаратам можно получать новые марки вин, а также повысить качество традиционных. С помощью ферментных препаратов также возможно увеличить стойкость к белковым помутнениям пива и вин.

Около 20 % населения нашей страны страдает не усвоением лактозы, поэтому актуальным является получение молочных про­дуктов, в которых лактоза ферментативно гидролизована в глюкозу и галактозу. Перспективно и производство различных пищевых продуктов из компонентов молочной сыворотки, которую во всем мире в основном (48-88 %) направляют на корм скоту. Путем фракционирования молочной сыворотки и непрерывного гидролиза лактозы можно эффективно использовать ее в пищевой промышленности.

Тенденции развития биотехнологических методов на примере одной из перерабатывающих отраслей – мясной промышленности – показывают, насколько широкие возможности рас­пространения их практически на все этапы технологического процесса возникают, начиная с ферментативной обработки сырья до очистки сточных вод, включая процессы получения новых видов мясных продуктов общего, специального и лечебного назначения, пищевых и кормовых гидролизатов, синтеза ароматизаторов, красителей, биологически активных веществ, а в будущем – белков для питания человека.

Большие перспективы использования методов биотехнологии открываются для стимулирования процесса созревания мяса, способов осветления крови, обезволашивания и обработки шкур, удаления с костей мясной ткани, остающейся после обвалки.

Биотехнологическим методам отводится значительная роль и в переработке побочного сырья мясной промышленности в полноценные продукты питания. Перспективно также направление технологий продуктов лечебного и профилактического питания, которое можно выделить в самостоятельную отрасль пищевой биотехнологии.

Поскольку слияние принципов пищевой биотехнологии и фармакологии является на сегодняшний день свершившимся фактом, во всем мире большое внимание уделяется проблеме изучения лекарственных свойств пищевых ингредиентов и отдаленных последствий их воздействия на организм человека.

В современной экологической обстановке возрастает роль профилактического питания, направленного на укрепление защитных систем организма, снижение риска воздействия вредных веществ.

Уже сегодня с определенной степенью достоверности посредством рационального использования пищевых ингредиентов, в том числе растительного происхождения, можно улучшить обменные процессы и нормализовать метаболизм тканей. В связи с этим предметом исследований будут медико-биологические аспекты, а именно: выявление механизма действия и обобщение основных нарушений метаболизма, изучение иммунитета и гормонального гомеостаза организма человека, характеризующих различные патологии при антисклеротическом, антиканцерогенном и радиопротекторном действии в процессе диетической коррекции растительными пищевыми компонентами.

Значительный интерес для использования в отраслях пищевой промышленности, медицине, ветеринарии имеют биологически активные полимерные материалы (БАМ), представляющие собой комплексную систему (пленки, волокна, гранулы и др.), состоящую из полимерной матрицы и связанного с ней биологически активного соединения, и обладающие уникальными свойствами.

При получении БАМ в качестве полимерной основы используют синтетические и природные высокомолекулярные соединения, наиболее перспективным носителем которых является поливиниловый спирт (ПВС), что обусловлено наличием большого числа реакционно-способных групп, гидрофильностью, жиростойкостью, высокими прочностными характеристиками пленок на его основе [44].

Применение активных пленочных материалов на основе ПВС и различных классов биологически активных соединений – ферментов животного и микробного происхождения, антибиотиков, консервантов, бактерицидных красителей – открывает широкие перспективы создания нового поколения упаковочных многофункциональных материалов с уникальным комплексом защитных свойств (бактерицидность, протеолитическая активность, широкий спектр барьерных свойств, жиростойкость, высокие прочностные показатели), что позволяет обеспечить сохранение пищевой ценности и длительную защиту пищевых продуктов от окислительной и микробиальной порчи, токсических и других агрессивных факторов внешней среды.

В Японии около 95 компаний разработали планы выпуска продуктов, полученных с помощью микробного синтеза. Среди но­вых продуктов 23 % должны найти применение в пищевой или химической промышленности.

В США биотехнологические пищевые продукты составляют 0,3 % от всей пищевой продукции, стоимость их около 500 млн дол., из них половину составляют ферментированные продукты пищевой промышленности.

Во Франции пищевая промышленность и сельское хозяйство производят с помощью биотехнологических методов зерновые культуры, аминокислоты, органические кислоты, ферменты на сумму свыше 2,5 млрд евро в год.

Новейшие исследования, проводимые в высокоразвитых странах в области биотехнологии для пищевой промышленности, посвящены:

• разработке акустических биосенсоров для обнаружения некачественных пищевых продуктов;

• идентификации и оценке противомикробных систем как нового средства повышения степени безопасности и улучшения качества пищи;

• разработке сенсоров для улучшения контроля за чистотой процессов приготовления пищевых продуктов в герметично закрытом оборудовании.

Исходя из экономической значимости биотехнологии и сегодня, и в перспективе правительства почти всех стран мира утвердили национальные программы по развитию биотехнологии и, в первую очередь, биоинженерии, и обеспечили высокий уровень их государственной поддержки и, прежде всего бюджетного финансирования.

Из вышеизложенного следует, что все европейские страны и Россия в достаточной мере оценили значение биотехнологии, бурное развитие и применение которой зависит от финансовых возможностей государства.