- •О. Ю. Сартакова
- •Учебное пособие
- •Содержание
- •1 Основы микробиологии ................................................... 7
- •2 Основы биотехнологии ................................................... 42
- •3 Типовая схема и основные стадии
- •4 Основные понятия биокатализа и53
- •5 Ферментация....................................................................... 65
- •6 Области применения биотехнологии........................... 69
- •Введение
- •1 Основы микробиологии
- •1.1 Общие сведения о микроорганизмах
- •1.2 Распространение микроорганизмов в природе
- •1.3 Морфологическая характеристика отдельных групп микроорганизмов
- •1.3.1 Структура эукариотической клетки
- •Ской мембраны
- •1.3.2 Структура прокариотической клетки
- •1.3.3 Ультрамикробы
- •1.3.4 Бактерии
- •1.3.4.1 Спорообразование у бактерий
- •1.3.4.2 Движение бактерий
- •1.3.4.3 Размножение бактерий
- •1.3.4.4 Питание бактерий
- •1.3.4.5 Типы питания
- •1.3.4.6 Систематика бактерий
- •1.3.5 Актиномицеты
- •1.3.6 Грибы
- •1.3.7 Водоросли
- •1.3.8 Простейшие
- •1.3.9 Коловратки
- •2 Основы биотехнологии
- •2.1 Объекты биотехнологии
- •2.2 Прошлое и настоящее биотехнологии
- •2.3 Перспективы развития биотехнологии
- •2.4 Основные виды биотехнологической деятельности микроорганизмов
- •2.5 Преимущества биотехнологических процессов
- •3 Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств
- •4 Основные понятия биокатализа и биотрансформации
- •4.1 Основные группы биотрансформаций
- •4.2 Основные виды реакций биокатализа
- •4.3 Классификация ферментов
- •4.4 Преимущества и недостатки биокаталитических процессов
- •4.5 Основные понятия иммобилизации ферментов
- •4.6 Методы иммобилизации ферментов
- •Го связывания с носителем
- •«Сшивки»
- •4.7 Оценка качества иммобилизованных ферментов и метода иммобилизации
- •4.8 Примеры использования ферментов
- •5 Ферментация
- •5.1 Классификация процессов ферментации
- •Ферментация бывает:
- •5.2 Основные параметры периодической ферментации
- •5.3 Понятие скорости роста
- •5.4 Фазы периодической ферментации
- •5.5 Преимущества и недостатки периодической ферментации
- •6 Области применения биотехнологии
- •6.1 Биотехнологические процессы в решении экологических задач
- •6.2 Примеры блок-схем микробиологической очистки стоков
- •6.3 Биохимические методы очистки воды
- •6.3.1 Микробная ассоциация и технологические условия ме-
- •6.3.2 Очистка воды в аэротенках
- •6.3.3 Очистка воды в биофильтрах
- •6.3.4 Комбинированные сооружения аэробной биохимической очистки воды
- •6.3.5 Процессы нитрификации и денитрификации
- •6.3.6 Методы обработки осадка
- •6.3.7 Аэробная стабилизация осадка
- •6.3.8 Метановое брожение (биометаногенез)
- •6.3.8.1 Этапы метанового брожения
- •Биогаз (сн4, co2 )
- •6.3.8.2 Химизм процесса метанового брожения
- •6.3.8.3 Микробная ассоциация биометаногенеза
- •6.3.8.4 Сырье биометаногенеза
- •6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное оформление процесса метанового брожения
- •6.4 Биоценозы как индикаторы сапробности водоемов
- •6.5 Применение биотехнологии в медицине
- •6.5.1Антибиотики
- •6.5.2. Гормоны
- •6.5.3 Вакцины, иммунные сыворотки и иммуноглобулины
- •6.5.4 Ферменты
- •6.5.5 Биодатчики в медицине
- •6.6 Применение биотехнологии в энергетике
- •6.6.1 Законы биоэнергетики
- •6.6.2 Биологические мембраны, как преобразователи энергии
- •6.6.3 Характеристика растительного сырья как источника энергии
- •6.6.4 Альтернативные источники энергии и их получение
- •6.7 Производство пищевых продуктов и напитков
- •6.7.1 Биотехнологические процессы в хлебопекарном производстве
- •6.7.2 Биотехнология приготовления пива
- •6.7.3 Производство вина и спиртсодержащих продуктов
- •6.7.4 Биотехнология приготовления кисломолочных продуктов и сметаны
- •6.7.5 Биотехнологические процессы в сыроделии
- •6.7.6 Биотехнология приготовления маргарина
- •6.8 Химическая промышленность и биотехнология
- •6.9 Сельское хозяйство и биотехнология
- •6.10 Биогеотехнология
- •6.10.1Биогидрометаллургия
- •6.10.2 Выщелачивание куч и отвалов
- •6.10.3 Бактериальное выщелачивание in situ
- •6.10.4 Выщелачивание минеральных концентратов
- •6.10.5 Микробиологический способ извлечения золота
- •6.10.6 Биосорбция металлов из растворов
- •6.10.7 Обогащение руд
- •6.10.8 Извлечение нефти
- •6.11 Безопасность биотехнологических процессов
- •Глава 1
- •Главы 2, 3
- •Глава 4
- •Глава 5
- •Глава 6
6.7 Производство пищевых продуктов и напитков
Основой современного пищевого производства является биотех- нология, базирующаяся на достижениях микробиологии, биохимии, химической технологии, молекулярной биологии, генной инженерии и генетики. Пищевая промышленность, в настоящее время, представляет собой совокупность базовых технологий, которые существуют уже столетия (выпечка хлеба, заквашивание молока, сыроделие, виноделие
и т.д.) и современных научных разработок, которые становятся все со- вершеннее. Благодаря этому заметно улучшается качество продукции, появляется возможность влиять на тот или иной процесс в зависимости от заданных параметров продукта, вследствие чего давно знакомые нам продукты приобретают новые свойства. Так, например, молочные продукты становятся не только разнообразнее и вкуснее, но и приобре- тают массу полезных для организма человека свойств, которые обеспе- чиваются введением в сырье полезной микрофлоры.
Главным звеном биотехнологического процесса является клетка - миниатюрный химический завод, работающий с колоссальной произ- водительностью, предельной согласованностью и по заданной про- грамме. Новые перспективы для исследователей и работников пи- щевой промышленности возникают в теоретических и практических аспектах биотехнологии в результате выяснения механизмов регуля- ции метаболизма живой клетки и возможности управлять ходом фер- ментативных процессов, как в самой клетке, так и вне ее организма. Применение новых видов ферментных препаратов позволяет с наи- большим эффектом осуществлять все производственные процессы, наиболее правильно регулировать их направленность, получать совер- шенные виды пищевой продукции высокого качества с заданными свойствами.
Традиционно использование микроорганизмов при производстве различных продуктов совершенствовались тысячелетиями. Сегодня еще трудно говорить о том, каких успехов удастся достичь в этой об-
120
ласти с помощью биотехнологии, но самые общие тенденции вырисо-
вываются довольно ясно.
Во-первых, на смену традиционным способам приготовления пищи постепенно придут биореакторы, в которых будут расти клетки животных или растений и микроорганизмов. Дело в том что, выход
продукции при использовании ферментеров или биореакторов может
быть существенно выше, чем в сельском хозяйстве: идущие в них про- цессы гораздо более интенсивны. Развитию этого направления способ- ствуют и все возрастающая конкуренция за земельные ресурсы. Во- вторых, эта альтернативная технология будет становиться все более производительной благодаря использованию методов генной инжене- рии, которые позволяют получать улучшенные линии клеток и штам- мы микроорганизмов. В основе всех этих производств лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов.
Из пищевых продуктов большое значение приобретают получен- ные биотехнологией заменители сахара - фруктоза и мультимер ас- партама (слаще сахарозы в 10000 раз). Другие подсластители - саха- рин, сорбит, ксилит, маннит, стевозид, тауматин и др. Биотехнологиче- скими процессами получают ценные пищевые добавки. Наиболее яр- кий пример - производство лимонной кислоты. Сегодня ее получают главным образом микробиологическим методом, а не из цитрусовых. В результате земельные площади не приходится занимать посадками ли- монных деревьев. Производство уксусной кислоты, являющейся пер- вым продуктом, полученным с помощью иммобилизованных клеток. В большом количестве вырабатывается глутамат натрия, который слу- жит усилителем вкусом, и лизин, который используют как пищевую добавку.
Биотехнология активно внедряется в производство кормов необ- ходимых в животноводстве. Микроорганизмы могут превращать растительную биомассу с низким содержанием белка в пищевые про-
дукты с высоким его содержанием. У нас в стране первые исследова-
ния в этом направлении начались в 30-е годы. Были построены первые заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древеси- ны, сельскохозяйственных отходах. В 1963 г. создан Всесоюзный НИИ биосинтеза белковых веществ. Началось крупномасштабное производ- ство белкововитаминного концентрата (БВК). В 60-х годах ряд неф- тяных компаний начали исследования и разработки по созданию новых процессов получения БВК, в зарубежной промышленности чаще упот- ребляют термин белок одноклеточных организмов (БОО), предназна-
121
ченного для употребления в пищу животных и людей. В качестве суб- страта использовали нефть, метан, метанол, крахмал. Процессы на ос- нове крахмала и метанола оказались наиболее конкурентоспособными.
В крупных промышленных масштабах этот процесс использовался в Германии: там, в ходе первой мировой войны выращивали дрожжи Sacchromyces cerevisiae, которые добавляли главным образом в колба- су и супы. Таким путем удалось компенсировать около 60 % довоенно- го импорта пищевых продуктов. Один из немногих высококачествен- ных продуктов из БВК, пригодных для человека производится в Анг- лии фирмой Rank Hovis McDougal. Его вырабатывают из гриба, выра- щиваемого на содержащем углеводы сырье. Основные принципы по- лучения белка в пищу людям те же, что и для производства кормового белка для животных, однако круг допустимых субстратов ограничен, а требования к продукту более жесткие. Необходимы предварительные медико-биологические исследования и клинические испытания пище- вых препаратов биомассы. Психологический барьер производства мик- робной пищи связан не только с риском интоксикации, но и с сомни- тельными вкусовыми достоинствами этой пищи. Эксперт по пробле- мам питания заметил: "Пища имеет все те свойства, которыми должна обладать новая человеческая пища: не имеет ни запаха, ни цвета, ни структуры, ни вкуса". Поэтому в такую пищу необходимо вводить вкусовые, ароматизирующие и структурирующие добавки. Перспек- тивным является культивирование грибов Fusarium, цианобактерий Spirulina, зеленых водорослей Chlorella имеющих консистенцию и дру- гие органолептические свойства более привычные для человека.
В производстве важных продуктов современной пищевой про- мышленности важное место занимают процессы брожения. Различают следующие типы брожения: спиртовое, молочнокислое (гомо- и гете-
роферментативное), масляное, уксуснокислое, пропионовокислое,
бутиленгликолевое, ацетонобутиловое. Химизм процессов в началь-
ной стадии одинаков для всех типов брожения. Он начинается с разло- жения моносахаридов, среди которых ведущее значение отводится глюкозе. Процесс начального этапа брожения называется гликолиз
(греческое ”glicus“ – сладкий и латинское “lizis” – разложение, распад). Это очень сложный, многостадийный процесс, протекающий в ана- эробных условиях. Выделяют 10 стадий гликолиза, которые катализи-
руются различными ферментами. Продукт реакции каждого предыду-
щего фермента является субстратом для последующего. Конечным продуктом гликолиза служит пировиноградная кислота или пируват. Реакции гликолиза сопровождаются высвобождением энергии, которая
122
аккумулируется в АТФ. Далее пути брожений расходятся, названия различных типов брожений даны по конечным продуктам. Представим химизм основных типов брожений, которые инициируются различны- ми микроорганизмами.
Спиртовое брожение:
С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + 94 кДж (28ккал).
Глюкоза Этанол
При доступе кислорода спиртовое брожение вытесняется пол- ным окислением углеводов до диоксида углерода и воды с выделением значительного количества энергии:
С6Н12О6 + ЗО2 = 6Н2О + 6СО2 + 2830,8 кДж.
Глюкоза
Гомоферментативное молочнокислое брожение:
С6Н12О6 = 2СН3СНСООН.
Глюкоза Молочная кислота
Гетероферментативное молочнокислое брожение:
С6Н12О6 = СН3СНСООН + СООНСН2СН2СООН +
-
Глюкоза
Молочная
Янтарная
кислота
кислота
+ СН3СООН + СН3СН2ОН + СO2+ H2.
Уксусная Этиловый
кислота спирт
Маслянокислое брожение:
С6Н12О6 = СН3СН2СН2СООН + 2СО2 + 2Н2 + Дж.
Глюкоза Масляная кислота
Пропионовое брожение:
С6Н12О6 = 4СН3СН2СООН+2СН3СООН+2СО2+2Н2О+Дж.
Глюкоза Пропионовая Уксусная
кислота кислота
123
Бутиленгликолевое брожение:
С6Н12О6 = CH3CH2OHCH2OHCH3 + HCOOH +
Глюкоза 2,3-бутиленгликоль Муравьиная
кислота
+ CH3COOH + C2H5OH + COOHCH2CH2COOH + CH3CHCOOH. Уксусная Этиловый Янтарная кислота Молочная кислота спирт кислота
Ацетонобутиловое брожение:
3 С6Н12О6 = CH3COCH3 + CH3CH2CH2CH2OH +
Глюкоза Ацетон Бутиловый спирт
+ CH3CH2OH + CH3CHOHCH3 + H2 + 6CO2 + 2H2O.
Этиловый Изопропиловый
спирт спирт
Наибольшую востребованность в пищевой промышленности на- шли молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое и маслянокислое бро- жение, эти процессы лежат в основе производства важнейших продук- тов питания.
Традиционные пивоварение, виноделие, хлебопечение, получение кисломолочных продуктов до сих пор остаются наиболее важными производствами, приносящими отрасли хороший доход. Представим некоторые технологические аспекты указанных производств.