Биотехнологические основы культивирования микроорганизмов. 2 page

2. Метод модификации генов, кодирующих ферменты того или иного метаболического пути. Одним из наиболее распространенных веществ, загрязняющих почву и воду, является трихлорэтилен, широко использующийся в качестве растворителя и обезжиривающего средства. Он длительное время сохраняется в окружающей среде и относится к канцерогенам. Анаэробные почвенные бактерии способны его дегалогенировать, превращая в еще более токсичное соединение винилхлорид. Некоторые штаммы P. putida, разрушающие ароматические соединения (толуол), разрушают также и трихлорэтилен. Для разрушения трихлорэтилена из набора ферментов деградации толуола требуется лишь толуолдиоксигеназа. Гены толуолдиоксигеназы ввели в E. coli и получили штамм, способный превращать трихлорэтилен до безвредных продуктов.

Утилизация целлюлозы является важным биотехнологическим процессом, поскольку каркас почти всех наземных растений состоит из полимеров: лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы. Объединяясь в разных пропорциях, они образуют лигноцеллюлозный материал, на долю которого приходится основная часть биомассы, остающейся в огромном количестве в виде отходов сельского хозяйства, деревообрабатывающей промышленности и других отраслей народного хозяйства.

Лигнин – глобулярный нерегулярный нерастворимый полимер (мол. масса >10000), состоящий из остатков фенилпропана. Лигнин обусловливает ригидность растений, их устойчивость механическим и микробным повреждениям. Гемицеллюлозы – это короткоцепочечные гетерогенные полимеры, состоящие из гексозных и пентозных единиц. Все гемицеллюлозы делят на три типа: 1) ксиланы, остов которых состоит из молекул поли-β-1,4-ксилана с присоединенными к ним арабинозой, глюкуроновой и арабиноглюкуроновыми кислотами; 2) маннаны, состоящие из глюкоманнанов и галактоманнанов; 3) арабиногалактаны. Целлюлоза состоит из длинных цепей, состоящих из остатков D-глюкозы, соединенных β-1,4-гликозидными связями.

Лигноцеллюлозные материалы делят на три класса:

- сами растения, специально выращиваемые для получения целлюлозы, строительных материалов или корма для скота (хлопок, древесина, сено);

- растительные отходы, остающиеся после сбора и переработки урожая и после обработки древесины (солома, рисовая шелуха, древесная щепа и др.);

- бытовые отходы (использованные бумага, картон и др.).

Многие бактерии и грибы способны расщеплять целлюлозу благодаря совместному действию нескольких ферментов, называемых целлюлазами (эндоглюканаза, экзоглюканаза, целлобиогидролаза, целлобиаза). Расщепление целлюлозы с помощью целлюлолитических микроорганизмов происходит медленно и часто не до конца. Предприняты попытки создать с помощью генной инженерии микроорганизмы, обладающие более высокой целлюлазной активностью. Для этого выделяли про- и эукариотические гены, кодирующие отдельные ферменты целлюлазного комплекса. Так называемые целлюлазные гены экспрессируют в E. coli или других микроорганизмах для получения этанола из целлюлозы. Для этого бумажные отходы частично расщепляют целлюлазами и затем проводят ферментацию высвободившейся глюкозы с помощью S. cerevisiae. Этот подход позволит получить 400 л этанола из 1 т бумажных отходов. В США за год образуется 100 млн. т бумажных отходов и при такой переработке их можно получить топливный этанол, эквивалентный 16% расходуемого бензина. Введение целлюлазных генов в винные дрожжи позволяет усилить аромат вина.

Питание сельскохозяйственных животных. Получение силоса. Для хранения растительных кормов в течение многих месяцев используют молочнокислые бактерии (растительный материал служит субстратом при синтезе молочной и уксусной кислот). Эти кислоты подавляют рост других микроорганизмов, способствуя сохранению кормовой растительной массы (силоса). Если молочнокислые бактерии присутствуют на свежем растительном материале в небольшом количестве, нужно добавить бактериальный посевной материал (обычно Lactobacillus plantarum). Оптимально растительное сырье, содержащее достаточное количество водорастворимых углеводов.

Для создания бактерии, способной осуществлять эффективную ферментацию растительного материала, встроили ген α-амилазы «не силосного» штамма L. аmylovorus в хромосомный ген конъюгированной гидролазы желчных кислот одного из штаммов L. рlantarum. Этот ген кодирует фермент, который активируется при попадании бактерии в кишечник животного и, следовательно, не нужен при образовании силоса. Предполагается создание штаммов L. рlantarum, способствующих более эффективному образованию силоса из сельскохозяйственных культур, содержащих много крахмала (люцерна).

Некоторые виды биомассы (например, сыворотка, целлюлозные отходы) и продукты переработки нефти могут служить субстратом при культивировании микроорганизмов. Предполагалось, что эти чистые культуры, а также их продукты (белок одноклеточных организмов, БОО) можно будет использовать в качестве пищевых добавок или корма для скота. К сожалению, вследствие дороговизны получаемых продуктов, их невысоких вкусовых качеств, а иногда и токсичности производство БОО оказалось экономически нецелесообразным. Технологичность этого процесса может быть оптимизирована путем введения генетически модифицированных микроорганизмов применительно к виду перерабатываемых отходов.

Разработан новый подход, с помощью которого можно будет обеспечивать крупный рогатый скот белком, обогащенным незаменимыми аминокислотами. Простое добавление белков в корм – дорогостоящий и не эффективный способ, поскольку белки и аминокислоты разрушаются бактериями рубца еще до того, как животное успеет их использовать. Кроме того, основное количество белка они получают не с кормом; его поставляют присутствующие в рубце микроорганизмы. Рацион животных можно обогатить, если направленно модифицировать эти бактерии. Для этого был синтезирован белок из 100 аминокислот, 57 из которых незаменимые. По программе белка синтезировали ген и экспрессировали его в E. coli. Если бактерии окажутся способными продуцировать такой белок в рубце животных, будет создан способ непрерывного обеспечения их незаменимыми аминокислотами.

Получение ферментативных препаратов. Технология ферментных препаратов микробного происхождения более сложная, так как дополнительно включает этапы культивирования микроорганизмов-продуцентов ферментов. Выделение и очистка фермента как из культуры микроорганизма (выращенного любым способом), так из других природных источников трудоемкая и многоэтапная процедура. Поэтому, если фермент может использоваться в виде неочищенного препарата, его не очищают. В промышленности широко применяют коммерческие препараты ферментов, чистота которых составляет всего 0,1% (99,9% - примеси). К таким отраслям относятся спиртовая, кожевенная, текстильная промышленность, а также сельское хозяйство. В большинстве отраслей пищевой промышленности, в медицине, фармации требуются высокоочищенные ферменты. На рисунке 15 представлена схема получения ферментных препаратов из культур микроорганизмов. В производственных условиях активность получаемого ферментного препарата оценивают количеством субстрата, преобразованного 1 мг (1 кг) препарата при оптимальных условиях за 1 мин, и измеряют в Е/мг, моль/мг или катал/кг белка.

Схема очистки включает отделение клеток микроорганизма по выходе их из ферментера от культуральной жидкости посредством центрифугирования и последующее разрушение клеток в гомогенизаторе высокого давления. Для освобождения белков от нуклеиновых кислот полученный гомогенат обрабатывают сульфатом марганца до конечной концентрации этой соли в смеси, равной 0,05 М. Осадок нуклеиновых кислот отделяется с помощью ротационной вакуум-фильтрации, а в образовавшийся фильтрат добавляют сульфат аммония до 45% от его насыщения. Возникший осадок белков, содержащий бета-галактозидазу, собирают с помощью центрифугирования или вакуум-фильтрации. Вся процедура очистки фермента от начала подачи бактерий в систему до момента получения осадка бета-галактозидазы занимает всего 60 мин.

Рис. 15. Схема получения ферментных препаратов из культур микроорганизмов (Егорова Т.А. и соавт., 2003).

На рисунке 16 представлено получение частично очищенного препарата бета-галактозидазы из мутанта E.coli.

Рис. 16. Технологическая схема непрерывного получения бета-галактозидазы (Егорова Т.А. и соавт., 2003): 1 – стерилизатор среды; 2 – ферментер; 3,7 – центрифуги; 4 – гомогенизатор; 5 – теплообменник; 6 – смесительные камеры; 8 – ротационный вакуум-фильтр.

Технологии рекомбинантных ДНК наиболее успешно используются для направленной модификации микробиологических систем, используемых для получения «коммерческих» продуктов». Такие микробиологические системы производят белковые препараты, различные низкомолекулярные биорегуляторы и биополимеры.

Ранее были созданы рекомбинантные микроорганизмы, способные синтезировать L-аскорбиновую кислоту (одно из первых исследований 1985 года), краситель индиго, аминокислоты, антибиотики, мономерные единицы различных биополимеров. Этот подход может превратить бактерии не только в «фабрики» по производству белков с заданными свойствами, но и низкомолекулярных веществ с необычными (не токсичными для данного микроорганизма-производителя) свойствами. Например, весьма востребован каучук, получаемый из особых растений. Его биосинтез начинается с превращения простых сахаров и включает 17 ферментативных реакций. В ходе последней из них происходит полимеризация аллилпирофосфатных остатков с образованием цис-1,4-полиизопрена. Для получения рекомбинантных микроорганизмов, производящих каучук было проведено:

1) с помощью мРНК из растения Hevea brasiliensis, синтезирующего каучук, была создана библиотека кДНК;

2) произведена гибридизация ДНК-зондом, соответствующим по нуклеотидной последовательности гену полимеразы каучука;

3) полученный клон кДНК (или несколько клонов, кодирующих несколько ферментов пути синтеза каучука) можно ввести в бактериальные клетки;

4) продуктом экспрессии таких рекомбинантных клеток будет биополимер - каучук.

Вариантом использования кДНК, кодирующей ферменты синтеза каучука, может быть ферментативная биосинтетическая технология in vitro.

Молекулярная биотехнология и питание. Человечество на протяжении тысячелетий применяет микробиологические процессы при изготовлении продуктов питания:

- за 1000 лет до н.э. технологии пивоварения, виноделия, хлебопечения приобрели черты, которые сохранились по сегодняшний день;

- за несколько столетий до н.э. среди жителей Европы и Азии распространились технологии сыроварения;

- микроорганизмы использовали народы Древнего Востока, подвергая крахмалосодержащие продукты воздействию микроскопических грибов;

- аборигены Мексики издавна заворачивают мясо перед варкой или жарением в листья дынного дерева (под воздействием протеолитического фермента папаина мясо становится более мягким).

Получение пищевого белка. При умеренной физической нагрузке взрослому человеку необходимо с пищей ежедневно получать по 3000 кал (12,5 кДж). Кроме энергетической ценности пищи важное значение имеет ее биологическая ценность, которая определяется:

- наличием незаменимых аминокислот в пищевых белках (в растительных белках отсутствует триптофан), в сутки из 100 г потребленного белка 50 г должно приходиться на белки животного происхождения;

- наличием полиненасыщенных жирных кислот в пищевых маслах (в организме человека синтезируются только жирные кислоты с одной двойной связью, в связи с этим линолевая и линоленовая жирные кислоты являются незаменимыми компонентами пищи); в сутки из 100 г масел, 25 г должно приходиться на растительные жидкие масла;

- наличием клетчатки (из 400 г углеводов 30 г должно приходиться на клетчатку, которая необходима для перистальтики кишечника);

- наличием витаминов и макро- и микроэлементов.

К настоящему времени по самым скромным подсчетам на нашей планете существует дефицит пищевого белка примерно 15 млн. т в год. По данным А.С.Рогова и И.А.Дубровина (Московский государственный университет прикладных биотехнологий) в начале 21 века производство мяса и мясопродуктов в России на душу населения снизилось до 27 кг, а потребление на душу население уже в 1,9 раза ниже научно обоснованных норм (78 кг). Одним из источников пищевого белка может стать биотехнологическая переработка вегетативных тел высших грибов, а также биомассы микромицетов и водорослей.

Схема биоконверсии растительного сырья в кормовые и пищевые продукты (по Кислухиной О.В., 2002). Процессы биоконверсии осуществляются по различным биотехнологическим схемам (рис. 17).

В процессах биоконверсии используют необработанное растительное сырье («прямая» биоконверсия), или сырье, подвергнутое предварительной обработке механическими, химическими, электрохимическими, радиационными методами, а также с помощью ферментных препаратов. Прямая биоконверсия целесообразна при переработке жидких субстратов с достаточно высоким содержанием легкоусвояемых соединений углерода и азота. При переработке твердых субстратов прямую биоконверсию применяют при наличии микроорганизмов с мощными ферментативными системами, способными воздействовать на биополимеры сырья, прежде всего, на структурные биополимеры.

Микробиологическую биоконверсию растительного сырья осуществляют путем глубинной, твердофазной или ферментации смешанного типа. Выбор способа культивирования зависит от вида сырья и физиологических особенностей микроорганизма, используемого при биоконверсии. Двухступенчатую ферментацию смешанного типа применяют при необходимости двухстадийной биоконверсии сырья различными штаммами микроорганизмов. Такая ферментация проводится, например, при биологической детоксикации кормов с высоким содержанием афлатоксинов.

Рис. 17. Схема биоконверсии растительного сырья.

Среди продуктов биоконверсии растительного сырья можно выделить следующие группы: корма с повышенным содержанием легкоусвояемых веществ, протеинизированные корма (корма с повышенным содержанием белка), белковые пищевые продукты и обезвреженные корма.

Высшие грибы. Одним из направлений современной биотехнологии является искусственное выращивание грибов: шампиньон двуспоровый (Agaricus bisporum), вешенка (Pleurotus ostreatus), шиитаке (Lentinus edodes).

Вегетативное тело высших грибов (мицелий, грибница) по своим вкусовым и питательным свойствам аналогично плодовым телам гриба. К сожалению, выращивание мицелия высших грибов оказалось весьма трудным делом: необходима питательная среда сложного состава, включающая пектины, пептиды, аминокислоты (аргинин, глутамат, аспарагин, метионин и др.), витамины (биотин, фолиевую кислоту, рибофлавин и др.), сахара, комплекс минеральных элементов. Кроме того, чтобы мицелий имел пищевую ценность и свойства грибного деликатеса, он должен иметь вкус и аромат грибов.

Съедобные грибы являются строго сапрофитными организмами. В ходе эволюции грибы сформировали сложные симбиотические взаимоотношения с другими обитателями почвы – микроорганизмами и растениями. С середины 50-х годов 20 века были начаты эксперименты по выращиванию мицелия высших грибов в биореакторе подобно тому, как удалось в индустриальных условиях выращивать мицелий микромицетов.

Установлено, что аромат и вкус каждого вида обусловлен особым комплексом ароматических веществ, которые грибы в естественных условиях получают либо в чистом виде, либо в виде предшественников из окружающей среды (гумуса почвы), или при помощи симбионтов. Ароматизация мицелия и придание ему высоких вкусовых свойств оказалось трудной задачей. Еще не установлены все вещества, определяющие органолептические свойства грибов, поэтому ароматизацию мицелия грибов осуществляют эмпирически, путем добавления в питательный субстрат экстрактов корней деревьев, молока, ферментативных лизатов дрожжей, отвара тыквы, экстрактов пшеничных ростков, сафлорового масла, высших спиртов и др.

Питательную ценность имеет только мицелий истинных съедобных грибов – макромицетов (белый гриб, лисички и др.), в составе которых отсутствуют токсичные вещества. Мицелий условно съедобных грибов (сморчки, строчки, рыжики и др.), плодовые тела которых перед употреблением следует тщательно варить, для пищевых или кормовых целей непригоден.

Несмотря на существенные трудности, эксперименты по выращиванию макромицетов в биореакторе продолжаются. Так, например, удалось вырастить мицелий трутовика (Polyporus squamosus) на мелассной среде и за сутки культивирования получить в пересчете на сухой вес 18-20 г мицелия на 1 л среды. Предполагают, что выращивание мицелия макромицетов может решить проблему белка в масштабах всей планеты.

Микромицеты в питании человека. Мицелий микромицетов давно используется в питании человека. В пище жителей Азии и Дальнего Востока преобладает крахмал и не хватает белков. Для обогащения крахмалсодержащих продуктов белками и придания им вкуса мяса в этих странах с давних времен на растительных продуктах выращивают специально подобранные и естественным путем селекционированные виды плесневых грибов:

- продукт «темпе» индонезийской кухни – это арахисовые или соевые лепешки, обросшие плесневыми грибами рода Rhisopus (содержит 40% белка и по вкусу напоминает мясо);

- продукт «нате» японской кухни получают из соевых бобов, обросших плесневым грибом Aspergillus oryzae (характерен своеобразный острый вкус);

- продукт «суфу» (красный творог) китайской кухни получают из соевых бобов и некоторых видов плесневых грибов рода Mucor;

- соевый соус восточной кухни готовят с использованием особых штаммов плесневого гриба Aspergillus oryzae, бактерий Pedicoccus soyae, дрожжей Saccharomyces rouxii, и некоторых видов дрожжей рода Torulopsis.

Микромицеты могут использоваться в качестве источника пищевого белка в промышленности и в домашних условиях.

Съедобные водоросли. Водоросли являются продуктом питания народов побережий:

- жители Гавайских островов из 115 видов водорослей, обитающих в окружающем океане, используют в питании 60 видов;

- в Китае ценятся сине-зеленые водоросли Nostoc pruniforme, по внешнему виду напоминающие сливу;

- в кулинарных справочниках Японии водоросли упоминаются в 300 рецептурах.

Естественные запасы водорослей истощаются., в связи с чем в биотехнологии бурно развивается новая отрасль – выращивание аквакультур.

В последнее время специалистов, занимающихся вопросами питания, привлекает синезеленая водоросль спирулина (Spirulina plantensis и Spirulina maxima), растущая в Африке (озеро Чад) и в Мексике (озеро Тескоко). Для местных жителей спирулина является одним из основных продуктов питания, так как содержит много белка, витаминов (особенно группы В). Биомасса спирулины приравнивается к лучшим стандартам пищевого белка. Спирулину культивируют в открытых прудах (например, в Сочи) или в замкнутых системах из полиэтиленовых труб. В процессе культивирования удается собирать до 20 г биомассы в пересчете на сухое вещество с 1 м³ в сутки.

Дрожжи. Биомассу дрожжей, как источник пищевого белка, используют в экстремальных условиях (голод, сухие пайки путешественников), т.к. дрожжи обладают толстой клеточной оболочкой. В биотехнологии используют выращивание богатой белками биомассы хлебопекарных дрожжей S. cerevisiae на простых синтетических средах (например, на этиловом спирте, в качестве стимуляторов роста предложено использовать гуминовые кислоты торфа). Разработаны способы выделения из дрожжевой биомассы очищенных белковых концентратов. При выращивании хлебопекарных дрожжей на синтетической этанольной среде в лабораторном ферментере при непрерывном режиме с добавкой 0,5% дрожжевого экстракта достигнута концентрация биомассы в пересчете на сухой вес 8-9 г/л использованного субстрата. Вместо дрожжевого экстракта можно применять кукурузный экстракт или депротеинизированный сок картофеля. Разработаны технологии обогащения продуктов питания очищенными белковыми концентратами дрожжей.

Получение аминокислот. Посодержанию лизина наименее сбалансированы белки злаковых культур, у которых его дефицит составляет от 20 до 50%. В странах СНГ недостаток лизина в кормах не может быть восполнен за счет сои, поэтому производство этой аминокислоты было организовано первым. В клетках микроорганизмов лизин синтезируется из аспарагиновой кислоты и служит конечным продуктом разветвленного метаболического пути биосинтеза, общего для трех аминокислот – лизина, метионина и треонина. Образование лизина в клетке бактерии находится под строгим метаболическим контролем. У типичных продуцентов L-лизина – Brevibacterium flavum, и Corynebacterium glutamicum – фермент аспартаткиназа, открывающий метаболический путь, является аллостерическим белком, способным ингибироваться треонином и метионином. Чтобыдобиться образования лизина в больших количествах, получают мутанты, которые способны синтезировать лизин в присутствии ингибирующих концентраций треонина и метионина.

Для выхода синтезированного лизина из микробных клеток используют изменение проницаемости клеточных мембран. Для этого применяют специальные мутантные штаммы микробов. Но чаще проницаемость мембраны увеличивают путем изменения состава питательной среды: в культуральной среде создают дефицит биотина (1-5 мкг/л), добавляют пенициллин (2-4 мкг/л), детергенты (твин-40 и твин-60) или производные высших жирных кислот (пальмитаты, стеараты). Биотин контролирует содержание в клеточной мембране ряда фосфолипидов, пенициллин нарушает биосинтез биополимеров клеточных стенок бактерий, что повышает выделение аминокислот в среду. Технологическая схема получения препаратов лизина из свекловичной мелассы представлена на рисунке 18.

Производство лимитирующих аминокислот представляет собой крупнотоннажную специализированную отрасль. Ежегодно в мире производится более 800000 т аминокислот стоимостью более 5 млрд. долларов. Более 98% производства приходится на глютаминовую кислоту, метионин, лизин и триптофан. Основными способами получения аминокислот являются методы микробиологического (лизин, треонин, валин) и химического (метионин, триптофан, фенилаланин) синтеза. Часть дефицитных аминокислот получают с помощью ферментативных методов (метионин), экстракцией (цистин, тирозин) и генной инженерии (лизин, треонин). В Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова предложена технология получения глутамата натрия из отходов пивоваренного производства, используемых в качестве субстрата для промышленных штаммов C. glutamicum и B. flavum (создана модель безотходного производства).

Рис. 18. Технологическая схема получения кормовых препаратов лизина (Егорова Т.А. и соавт., 2003): 1 – подача свекловичной мелассы; 2 – водная суспензия кукурузного экстракта и питательных солей; 3 – нагревательная колонка; 4, 5 – теплообменники; 6 – посевные аппараты; 7 – подача посевного материала; 8 – система фильтров для очистки и стерилизации воздуха; 9 – ферментер; 10 – фильтры для очистки отходящих газов; 11 – получение монохлоргидрата лизина; 12 – подача соляной кислоты; 13, 14 – выход и подогрев монохлоргидрата лизина; 15 – выпаривательная установка; 16 – сборник жидкого концентрата лизина; 17 – смешивание жидкого концентрата лизина с наполнителем; 18 – распылитель; 19 – подача горячего воздуха; 20 – очиститель воздуха; 21 – отделение сухого препарата лизина от воздуха; приемник кормового концентрата лизина.

Получены положительные результаты в увеличении выхода триптофана, синтезированного C. glutamicum. Для этого в клетки C. glutamicum дикого типа была введена вторая копия гена, кодирующего антранилатсинтазу, фермент, лимитирующий синтез триптофана.

Следует помнить, что применение аминокислот должно строго контролироваться, поскольку возможны негативные эффекты их применения с образованием токсичных продуктов дезаминирования триптофана, тирозина, гистидина.

БВК – микробиологический белок для кормления животных. В странах СНГ свыше 1 млн. т/год, т.е. 60% продукции, выпускалось на основе парафинов нефти, а 40% - на основе гидролизатов древесины. Организация производства белка осуществлялась и с использованием спирта и природного газа. Разработана технология с использованием в качестве сырья зерно-мукомольных отходов, их последующего гидролиза и выращивания на этой питательной среде кормового микробиологического белка с помощью специально подобранных высокоэффективных штаммов микроорганизмов. В результате получается биомасса, содержащая 45-55% протеина в готовом продукте (ФГУП ГосНИИсинтезбелок).

Разработана аналогичная технология с использованием шрота хлопчатника. Такие технологические процессы экономически выгодны при отсутствии соевого белка для кормления животных. По содержанию незаменимых аминокислот и витаминов дрожжевая масса не уступает, а иногда превосходит соевые белки. Добавка БВК в корма экономит фуражное зерно (5 т на 1 т БВК) и увеличивает привесы животных.

Новые формы белковой пищи – это продукты питания, полученные на основе различных белковых фракций продовольственного сырья с применением научно обоснованных способов переработки и имеющие определенный химический состав, структуру и свойства, включая биологическую ценность. Традиционными источниками для производства белковых продуктов являются соя и пшеница. Если вспомнить историю, то в России были времена так называемого «царя гороха», т.е. времена, когда на столе русских царствовал горох – представитель семейства бобовых, к которым относится и соя. В начале 21 века на Украине произведено около 55 тыс. т. сои. Показано, что потребление 25 г соевого белка в день на 30% снижает риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. Соевые белки содержат меньше метионина, цистеина и лизина, чем животные, но они не обладают гиперлипидемическим действием. Продукты из соевых белков подразделяются на три группы, отличающиеся по содержанию белка: мука-крупа, концентраты и изоляты. Соевая мука и крупа производятся на мельничном оборудовании путем измельчения до определенного размера частиц обезжиренных или необезжиренных семян с последующим их просеиванием. В муке и крупе содержится 40-54% (N×6,25) белка от общей массы продукта. Соевые белковые концентраты изготавливаются из очищенных и обезжиренных соевых бобов (белых лепестков) путем удаления растворимых в воде небелковых компонентов (олигосахаридов, минеральных веществ, органических кислот). Концентраты содержат 65-70% белка на сухое вещество. Соевые белки изоляты являются наиболее очищенной формой белковых продуктов, т.к. содержат не менее 90% белка на сухое вещество.

Назначение текстурированных белковых продуктов заключается в придании пищевым изделиям волокнистой или многослойной (кускообразной) структуры. После гидратации такие белковые продукты по внешнему виду и структуре напоминают мясо, птицу или морские продукты, выступая при этом в роли аналогов традиционных пищевых продуктов. Многослойная мясоподобная структура соевых белковых продуктов может формироваться с помощью термопластической экструзии. Основные стадии процесса включают: дозирование сырья → кондиционирование (увлажнение, нагревание) → формирование волокон → разрезание продукта на куски → сушка. В основе экструзии лежит процесс реструктуризации белка, заключающийся в том, что под влиянием температуры, увлажнения и механического воздействия макромолекулы его формируют вязкопластическую массу, выстраивающуюся в направлении сдвига, с образованием новых поперечных связей. В результате образуется многослойная объемная жевательная структура, пригодная для использования в качестве наполнителей или аналогов.

Модифицированные белки (частично или полностью гидролизованные) получают из белковых продуктов с применением протеолитических ферментных препаратов или кислотного гидролиза. Такие белки используются как функциональные и вкусовые добавки к пище.

Ферментные препараты в отличие от ферментов содержат помимо активного фермента множество балластных веществ, в том числе и других белков. В пищевой промышленности используются ферментные препараты из гепатопанкреаса гидробионотов (например, камчатского краба), содержащие коллагеназу. Обработка таким препаратом мяса за счет гидролиза коллагена уменьшает напряжение среза на 20% и работу резания на 50%. Кроме того, большинство ферментных препаратов являются комплексными, т.е. кроме основного фермента, содержащего наибольшую активность, в его состав входят другие сопутствующие ферменты. Однако существуют препараты и индивидуальных ферментов. Название ферментного препарата включает название основного фермента и название микроорганизма-продуцента, с окончанием «-ин». Например: амилоризин – основной фермент – амилаза, продуцент Aspergillus oryzae; протосубтилин – основной фермент – протеаза, продуцент Bacillus subtilis. Помимо этого, в названии обязательно отражается способ культивирования микроорганизма: Г – глубинное, П – поверхностное, а также степень очистки – Х (2Х, 3Х, 10Х, 15Х, 20Х).

Ферментные препараты должны проходить тщательный химический, микробиологический и токсикологический контроль для обеспечения их безопасного применения. Особое место занимают ферментные препараты, получаемые из генетически модифицированных микроорганизмов. Основными ферментными препаратами, полученными методами генетической инженерии и разрешенными к применению в пищевой промышленности, являются α-амилаза из B. stearothermophilys, экспрессированная в B. subtilis; α-амилаза из B. megaterium, экспрессированная в B. subtilis; химозин А, полученный из штамма E. coli К-12, содержащего ген телячьего прохимозина А.

Date: 2015-09-27; view: 2463; Нарушение авторских прав