Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции

Факультет заочного обучения Специальность: технология производства и переработки с/х продукции КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции Чебоксары 2013

1. Биотехнология как научная дисциплина. Предмет, история развития, цели и задачи биотехнологии

2. Конструирование ДНК и введение ее в клетку.

3. Технология производства водорослей Spirulina рlatensis и Spirulina maxima

4. Перспективные способы приготовления и применения заквасок

5. Производство и применение заквасок для хлебобулочных изделий из пшеничной муки

1. Биотехнология как научная дисциплина. Предмет, история развития, цели и задачи биотехнологии

Биотехнология — это производственное использование биологических агентов или их систем для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. Биологические агенты в данном случае — микроорганизмы, растительные или животные клетки, клеточные компоненты (мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты), а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки — чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки. Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, используя различные микроорганизмы, при этом, даже не подозревая об их существовании.

Собственно сам термин появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н.э. В 3-м тысячелетии до н.э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов. Термин «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии и более традиционные формы биопроцессов. Так, обычное производство спирта в процессе брожения — «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта — «новая» биотехнология. Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике. Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, но, несмотря на столь короткий срок своего существования, биотехнология привлекла пристальное внимание, как ученых, так и широкой общественности. По прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции. Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Современная биотехнология — это наука о генно-инженерных и клеточных методах создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для улучшения производства или получения новых видов продуктов различного назначения. Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.

Многоэтапность процесса обуславливает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и др. В Комплексной программе научно-технического прогресса стран членов СЭВ в качестве первоочередных задач биотехнологии определены создание и широкое народнохозяйственное освоение новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста человека, моноклональных антител и т. д.), позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний.

Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии:

1) биотехнология пищевых продуктов;

2) биотехнология препаратов для сельского хозяйства;

3) биотехнология препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования;

4) биотехнология лекарственных препаратов;

5) биотехнология средств диагностики и реактивов.

Биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.

Генная и клеточная инженерия — являются важнейшими методами (инструментами), лежащими в основе современной биотехнологии. Методы клеточной инженерии направлены на конструирование клеток нового типа. Они могут быть использованы для воссоздания жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, для объединения целых клеток, принадлежавших различным видам с образованием клетки, несущей генетический материал обеих исходных клеток, и других операций.

Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. В результате применения генно-инженерных методов можно получать рекомбинантные (модифицированные) молекулы РНК и ДНК, для чего производится выделение отдельных генов (кодирующих нужный продукт), из клеток какого-либо организма. После проведения определенных манипуляций с этими генами осуществляется их введение в другие организмы (бактерии, дрожжи и млекопитающие), которые, получив новый ген (гены), будут способны синтезировать конечные продукты с измененными, в нужном человеку направлении, свойствами. Иными словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых «трансгенных» растений и животных.

Наибольшее применение генная инженерия нашла в сельском хозяйстве и в медицине.

Люди всегда задумывались над тем, как можно научиться управлять природой, и искали способы получения, например, растений с улучшенными качествами: с высокой урожайностью, более крупными и вкусными плодами или с повышенной холодостойкостью. С давних времен основным методом, который использовался в этих целях, была селекция. Она широко применяется до настоящего времени и направлена на создание новых и улучшение уже существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и штаммов микроорганизмов с ценными для человека признаками и свойствами. Селекция строится на отборе растений (животных) с выраженными благоприятными признаками и дальнейшем скрещивании таких организмов, в то время как генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат клетки. Важно отметить, что в ходе традиционной селекции получить гибриды с искомой комбинацией полезных признаков весьма сложно, поскольку к потомству передаются очень большие фрагменты геномов каждого из родителей, в то время как генно-инженерные методы позволяют работать чаще всего с одним или несколькими генами, причем их модификации не затрагивают работу других генов. В результате, не теряя других полезных свойств растения, удается добавить еще один или несколько полезных признаков, что весьма ценно для создания новых сортов и новых форм растений. Стало возможным изменять у растений, например, устойчивость к климату и стрессам, или их чувствительность к насекомым или болезням, распространённым в определённых регионах, к засухе и т. д. Учёные надеются даже получить такие породы деревьев, которые были бы устойчивы к пожарам. Ведутся широкие исследования по улучшению пищевой ценности различных сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, соя, картофель, томаты, горох и др.

Исторически, выделяют «три волны» в создании генно-модифицированных растений:

Первая волна конец 1980;х годов создание растений с новыми свойствами устойчивости к вирусам, паразитам или гербицидам. В растениях «первой волны» дополнительно вводили всего один ген и заставляли его «работать», то есть синтезировать один дополнительный белок. «Полезные» гены «брали» либо у вирусов растений (для формирования устойчивости к данному вирусу), либо у почвенных бактерий (для формирования устойчивости к насекомым, гербицидам).

Вторая волна начало 2000;х годов создание растений с новыми потребительскими свойствами: масличные культуры с повышенным содержанием и измененным составом масел, фрукты и овощи с большим содержанием витаминов, более питательные зерновые и т. д.

В наши дни ученые создают растения «третьей волны», которые в ближайшие 10 лет появятся на рынке: растения-вакцины, растения-биореакторы для производства промышленных продуктов (компонентов для различных видов пластика, красителей, технических масел и т. д.), растения — фабрики лекарств и т. д. Генно-инженерные работы в животноводстве имеют другую задачу. Вполне достижимой целью при современном уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым геном. Например, ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормона роста) искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать его в больших количествах. Еще один пример: трансгенные козы, в результате введения соответствующего гена, могут вырабатывать специфический белок, фактор VIII, который препятствует кровотечению у больных, страдающих гемофилией, или фермент, тромбокиназу, способствующий рассасыванию тромба в кровеносных сосудах, что актуально для профилактики и терапии тромбофлебита у людей. Трансгенные животные вырабатывают эти белки намного быстрее, а сам способ значительно дешевле традиционного.

С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и химической промышленности. Причем важно то, что многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии. В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т. д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных.

В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами. Если говорить о перспективах развития биотехнологии, то центральной проблемой биотехнологии остается интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине. В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами. В частности, возможно управление процессом фиксации атмосферного азота и перенос соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.

В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение будут приобретать воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза) и органических удобрений.

Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей в формировании продовольственной базы человечества растениеводства и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза — с другой. Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучения участия микроорганизмов в биосферных процессах и направленная регуляция их жизнедеятельности с целью решения проблемы охраны окружающей среды от техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений. С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов в плодородии почв (гумусообразовании и пополнении запасов биологического азота), борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и других химических соединений в почве.

Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее экономически эффективны при комплексном их применении и создании безотходных производств, не нарушающих экологического равновесия. Их развитие позволит заменить многие огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными производствами. Важным и перспективным направлением биотехнологии является разработка способов получения экологически чистой энергии. Получение биогаза и этанола были рассмотрены выше, но есть и принципиально новые экспериментальные подходы в этом направлении. Одним из них является получение фотоводорода:

«Если из хлоропластов выделить мембраны, содержащие фотосистему 2, то на свету происходит фотолиз воды разложение ее на кислород и водород. Моделирование процессов фотосинтеза, происходящих в хлоропластах, позволило бы запасать энергию Солнца в ценном топливе водороде».

Широкое использование микроорганизмов не может не порождать новых взаимоотношений с живой природой, что вполне естественно ведет к желанию осмыслить сами эти взаимоотношения и соотнести их со сложившимися представлениями, с одной стороны, о роли живой природы в жизнедеятельности человека, а с другой — о роли человека в биотическом круговороте биосферы.

Имеющийся пока не слишком богатый опыт развития биотехнологии все-таки содержит в себе много непривычного и вместе с тем многообещающего для возможной оптимизации человеческой жизнедеятельности. А остро вставшая перед Homo sapiens проблема самосохранения вынуждает его к лихорадочным поискам возможных вариантов стратегии своей жизнедеятельности. Этому привлечению природы, причем именно мира микроорганизмов, и положила начало новая биотехнология. Можно, видимо, сказать, что биотехнология в совокупности с другими научными направлениями открывает новую эру взаимодействия человека с окружающей средой и, особенно, с живым веществом биосферы.

Явившись прямым результатом научных разработок, биотехнология оказывается непосредственным единением науки и производства, еще одной ступенькой к единству познания и действования, еще одним шагом, приближающим человека к преодолению внешней и к постижению внутренней целесообразности". И все-таки она является только небольшим шагом. Поскольку, как заметил Б. Шоу, наука всегда ошибается. Она никогда не разрешает какой-то проблемы, не создав еще десять новых.

Биотехнология сама оказывается всего лишь крупной индустрией, соединением технических и биологических элементов и, естественно, наследует отрицательные свойства уже существующего индустриально-промышленного комплекса. Их действительное преодоление и решение проблемы человека предполагают выход человечества на новые, более совершенные ступени социально-культурного развития, основанного на новых способах познания и действования. Поэтому весьма существенное значение приобретает проблема выбора стратегии взаимодействия человека и природы: или это самонадеянное управление природой или же сознательное и целенаправленное приспособление всей жизнедеятельной деятельности, к существующему биотическому круговороту биосферы

2. Конструирование ДНК и введение ее в клетку

Непосредственное конструирование рекомбинантных молекул ДНК следует после того, как получены рестрикты исследуемой ДНК и векторной ДНК. Оно заключается в смыкании сегментов-рестриктов исследуемой ДНК с рестриктом векторной ДНК, которая в результате рестрикции превращается из кольцевой в линейную ДНК.

Чтобы сомкнуть фрагменты исследуемой ДНК с ДНК-вектора, используют ДНК-лигазу (рис. 227). Лигирование будет успешным, если смыкаемые структуры обладают 3'-гидроксил и 5'-фосфатной группами и если эти группы расположены соответствующим образом одна относительно другой. Фрагменты объединяются через их «липкие» концы в результате самокомплементарности. При высоких концентрациях фрагментов последние время от времени становятся в правильное положение (напротив друг друга). Многие рестриктазы, такие как Eco R I, продуцируют «липкие» концы, состоящие из 4-х оснований. Процесс лигирования «липких» концов, состоящих из четырех оснований, происходит при пониженной температуре (до 12°С).

Если при рестрикции образуются фрагменты без «липких» концов, то их «насильственно» конвертируют в молекулы с «липкими» концами, используя фермент трансферазу. Этот фермент добавляет нуклеотиды к 3'-концу ДНК. На одном фрагменте может быть добавлен поли-А-хвост, на другом — поли-Т-хвост. Для генерации любых желаемых концов ДНК используют также так называемую полимеразную цепную реакцию (ПНР). Принцип ПЦР основан на денатурации выделенной из клеток ДНК и «отжиге» ее с добавлением к ренатурирующимся цепям ДНК-олигонуклеотидов, состоящих из 15—20 нуклеотидов каждый. Эти олигонуклеотиды должны быть комплементарны последовательностям в целях, разделенных расстояниями в 50−2000 нуклеотидов. Будучи «затравкой» для синтеза ДНК in vitro, они позволяют ДНК-полимеразе копировать те участки, которые находятся между «затравками». Это копирование дает большое количество копий изучаемого фрагмента ДНК.

После смыкания интересующего фрагмента ДНК (гена) с генетическим вектором с помощью ДНК-лигазы образованные рекомбинантные молекулы вводят в клетки с целью добиться их репликации (за счет генетического вектора) и увеличения количества копий. Наиболее популярным способом введения в клетки рекомбинантных молекул ДНК, в которых вектором служит плазмида, является трансформация Е. coli. С этой целью бактериальные клетки предварительно обрабатывают кальцием или рубидием (ионами) для того, чтобы они стали «компетентными» в восприятии рекомбинантной ДНК.

Чтобы повысить частоту проникновения ДНК в клетки, используют метод электропорации, заключающийся в кратком экспонировании клеток в интенсивном электрическом поле. Эта обработка создает полости в мембранах клеток, что способствует лучшему восприятию клетками ДНК.

После введения рекомбинантных молекул ДНК в бактерии последние высевают на МПА, обогащенный антибиотиками для селекции желаемых клеток, т. е. клеток, содержащих рекомбинантные молекулы ДНК. Частота трансформации является невысокой. Обычно один трансформант возникает на 106 высеянных клеток. Если же вектор является фаговым, то прибегают к трансфекции клеток (бактерий или дрожжей) фагом. Что касается соматических клеток животных, то их трансфекцию осуществляют ДНК в присутствии химических веществ, облегчающих прохождение ДНК через плазматические мембраны. Возможны также прямые микроинъекции ДНК в овоциты лягушек, в культивируемые соматические клетки и в эмбрионы млекопитающих.

Важнейшим моментом, связанным с молекулярным клонированием, является поиск способа, позволяющего установить, действительно ли клонируемый фрагмент включился в вектор и вместе с вектором, образовав рекомбинантную молекулу ДНК, вошел в клетки. Если речь идет о бактериальных клетках, то один из способов основан на учете инсерционной инактивации плазмидного (векторного) гена резистентности. Например, в плазмидном векторе pBR322, детерминирующем резистентность к ампициллину и тетрациклину, единственный сайт для рестриктазы Pst I находится в локусе, занимаемом геном резистентности к ампициллину. Pst I —плавление на этом сайте генерирует липкие концы, позволяющие лигирование клонируемого фрагмента с векторной ДНК. Однако при этом плазмидный (векторный) ген ампициллин-резистентности инактивируется, тогда как ген тетрациклин-резистентности на векторе остается интактным. Именно, ген тетрациклин-резистентности и используется для селекции клеток, трансформируемых рекомбинантными молекулами ДНК. Чтобы убедиться, что клетки выросших колоний на среде с тетрациклином действительно содержат рекомбинантные молекулы ДНК, их проверяют с помощью так называемого «спот-теста» на паре чашек с плотной средой, одна их которых содержит ам-пициллин, тогда как другая лишена этого антибиотика. Клонируемые ДНК содержатся лишь в трансформантах, резистентных к тетрациклину (рис. 228). Что касается трансформантов, резистентных одновременно к ампициллину и тетрациклину (АрТс), то они содержат плазмидные (векторные) молекулы, которые спонтанно приобрели кольцевую форму без включения в них чужеродной (клонируемой) ДНК. Другой способ обнаружения инсерции чужеродных (клонируемых) фрагментов в плазмидный вектор основан на использовании вектора, содержащего ген (3-га-лактозидазы. Инсерция чужеродной ДНК в этот ген неизбежно инактивирует синтез р-галактозидаза, что может быть обнаружено посевом трансформированных клеток на среду, которая содержит субстраты р-галактозидазы. Эта среда позволяет селекцию окрашенных колоний клеток.

Как уже отмечено, рестрикционные линейные фрагменты векторной ДНК способны к восстановлению кольцевой структуры без включения в них клонируемых сегментов. Чтобы уменьшить частоту спонтанного образования таких кольцевых молекул векторной ДНК, рестрикты векторной ДНК обрабатывают фосфатазой. В результате этого образование кольцевых молекул ДНК становится невозможным, поскольку будут отсутствовать концы 5'-РО^, необходимые для действия лигазы.

Совокупность колоний-трансформантов, выросших на селективной среде, представляет собой совокупность клеток, содержащих клоны разных фрагментов (генов) клонируемой геномной или к ДНК. Коллекции этих клонов формируют так называемые библиотеки ДНК, широко используемые в генно-инженерных работах.

Заключительной стадией клонирования генов является выделение и исследование клонированной ДНК, включая секвенирование.

Перспективные штаммы бактерий или соматических клеток, содержащих рекомбинантные молекулы ДНК, которые контролируют синтез интересующих белков, имеющих коммерческую ценность, передают в промышленность.

3. Технология производства водорослей Spirulina рlatensis и Spirulina maxima

Спирулина (Spirulina platensis) — одноклеточная сине-зеленая водоросль, одно из древнейших на Земле растений. Возраст спирулины оценивают по-разному: от 700 млн. до 3,5млрд лет. Открытие уникальных свойств спирулины как всегда произошло случайно. В 1964 году бельгийский ботаник Ж. Леонар обнаружил в африканских лесах вблизи озера Чад небольшое племя аборигенов, уклад жизни которых не менялся на протяжении последних нескольких десятков, а может быть и сотен тысяч лет. Эти мирные люди не занимались ни охотой, ни земледелием. Все, что им было необходимо, они находили вокруг себя — эти дикие леса изобилуют фруктами, ягодами, кореньями и другой пищей. Современная цивилизация им была незнакома.

Свое шествие спирулина (Spirulina platensis) начала из Африки — население района озера Чад давно употребляет ее в пищу, называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда начала распространяться спирулина, но иного вида (Spirulina maxima) — воды озера Тескоко в Мексике. Еще ацтеки собирали с поверхности озер и употребляли в пищу слизистую массу сине-зеленой водоросли спирулины. Впервые галеты «текуитлатл» упомянуты испанцем Кастильо в 1521 г. Эти галеты продавались на базаре в Мехико и состояли из высушенных слоев S.maxima. В 1964 году бельгийский ботаник Ж. Леонар обратил внимание на галеты сине-зеленого цвета, которые местное население изготовляло из водорослей, растущих в щелочных прудах вокруг озера Чад. Эти галеты представляли собой высушенную массу спирулины. Анализ образцов Spirulina показал, что в ней содержится 65% белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли характерно сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли хорошо переваривается. Как озеро Тескоко, так и водоемы района озера Чад имеют в воде очень высокое содержание щелочей. Характерно, что в таких озерах спирулина полностью доминирует и растет почти как монокультура — составляет в отдельных озерах до 99% общего количества водорослей. Растет спирулина в щелочной среде при рН вплоть до 11. Ее собирают также из озер около г. Мехико, получая до 2 т сухого веса биомассы водоросли в сутки, и эта продукция рассылается в США, Японию, Канаду. В других странах спирулину культивируют обычно в искусственных водоемах или специальных емкостях. Спирулину можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массы водоросли с 1 м² в день, а расчеты на год показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз.

В процессе эволюции, проходя жесткие условия конкуренции, клетки Spirulina рlatensis и Spirulina maxima приобрели способность к делению при благоприятных условиях с огромнейшей скоростью — удвоение биомассы за пять часов. Этот факт можно проиллюстрировать так: при правильном культивировании Spirulina рlatensis и Spirulina maxima они растет настолько быстро, что может обеспечить в 20 раз больше протеинов с единицы культивационной площади, чем соя, и в 200 раз больше, чем говядина. Она не нуждается в черноземе, в то время как на получение 1 кг кукурузного протеина уходит 22 кг поверхностного почвенного слоя, а на получение 1 кг говяжьих протеинов — 45 кг зеленой массы. Благодаря своим ценным биологическим и физиологическим свойствам, биомасса Spirulina рlatensis и Spirulina maxima вот уже около полувека — является предметом бизнеса во многих странах мира. Так, годовое производство спирулины в 2005 г в Мексике составило 183 тонн, в Японии — 190 тонн, в Индии и Китае — по 170 тонн. Поначалу сбор спирулины проводили непосредственно в природных щелочных водоемах Африки и Америки, в которых из-за их удобного географического положения и химического состава воды сложились благоприятные условия для роста Spirulina рlatensis и Spirulina maxima.

В дальнейшем потребность в спирулине стала возрастать, что привело к разработке новых технологий выращивания спирулины в искусственных водоемах. биотехнология клетка водоросль закваска В последние годы появился ряд серьезных технологических разработок в области культивирования спирулины. Благодаря отдельным ноу-хау, техническим и технологическим решениям, продуктивность спирулины можно увеличить в 5−10 раз (!) по сравнению с известными аналогами. Причем, качественный состав ее в этом случае далеко превосходит состав биомассы, полученной в условиях тропиков или добытой в природе. Кроме того, эта спирулина отличается высокой чистотой и концентрацией биомассы.

Существует несколько различных технологий культивирования спирулины — массовая культура под открытым небом в бассейнах при искусственном освещении, интенсивное культивирование в стеклянных тубах, теплицах, а также в замкнутых аппаратах по типу современных микробиологических производств. Примером таких закрытых установок есть фотореакторы каскадного типа, позволяющие выращивать очень чистую спирулину с использованием как искусственного, так и естественного освещения.

Разработанный способ отбора клеток спирулины из питательного раствора, дает возможность отбирать наиболее зрелые клетки и не допускает перезревания культуры. Специальная сушка позволяет обеспечить свежесть и чистоту водоросли, сохранить ее биологическую активность, а возможность использования солнечного света дает экономию более 80% электроэнергии.

Каждый их этих способов имеет свои технологические различия, преимущества и несовершенства, но цель у всех одна — получение максимального выхода биомассы.

В 60-х годах XX ст. в различных лабораториях мира был разработан ряд установок и аппаратов высокоинтенсивного управляемого культивирования фотосинтезирующих микроводорослей в полностью контролируемых оптимальных условиях и автоматической регистрацией таких важных физиологических функций культуры, как скорость роста, интенсивность фотосинтеза, минеральное питание.

Наиболее совершенный из таких методов культивирования — проточное выращивание водорослей, при котором по сигналам, получаемым от самой культуры, осуществляется автоматический отбор прирастающих клеток (урожая), подача свежей питательной среды и стабилизация оптической плотности культуры.

Урожай в таких установках — примерно 30−40 г сухой биомассы с 1 литра суспензии в сутки, или 80−100 г с 1 м² освещаемой поверхности.

Таким образом, в настоящее время можно считать достаточно детально разработанными физиологические основы культивирования микроскопических фотосинтезирующих водорослей и технологию их выращивания как в установках под открытым небом, так и закрытых аппаратах.

4. Перспективные способы приготовления и применения заквасок

Кисломолочные продукты получают сквашиванием молока или сливок чистыми культурами молочнокислых бактерий, иногда с участием дрожжей и уксуснокислых бактерий. В процессе сквашивания протекают сложные микробиологические и физико-химические процессы, в результате которых формируются вкус, запах, консистенция и внешний вид готового продукта.

К кисломолочным продуктам относятся кисломолочные напитки, сметана, творог и творожные изделия. К кисломолочным напиткам относятся различные виды простокваш (обыкновенная, мечниковская, южная ацидофильная, варенец, ряженка, йогурт и др.), кефир (жирный, таллинский нежирный и др.), кумыс (из кобыльего, коровьего молока и др.), ацидофильные напитки (ацидофилин, ацидофильное и ацидофильно-дрожжевое молоко и др.) Производятся кисломолочные напитки с сахаром, фруктово-ягодными сиропами и другими наполнителями. Заквасками называют чистые культуры или смесь культур микроорганизмов, используемых при изготовлении кисломолочных продуктов, кисло-сливочного масла и сыров.

Чаще в качестве заквасок применяют молочнокислые и пропионово-кислые бактерии, иногда плесневые грибы. В состав естественной симбиотической закваски для кефира кроме молочнокислых бактерий входят также дрожжи и уксуснокислые бактерии.

Основную микрофлору сквашивания вносят с закваской, однако остаточная микрофлора пастеризованного молока также размножается в процессе сквашивания. Часть микрофлоры незаквасочного происхождения активизируется в присутствии микроорганизмов закваски, часть подавляется, а некоторые микроорганизмы, например бактериофаг, подавляют развитие микрофлоры закваски. Интенсивность размножения всей микрофлоры кисломолочных продуктов и конечное ее соотношение зависят во многом от качества молока, температуры и длительности сквашивания (созревания), скорости и конечной температуры охлаждения.

Основные кисломолочные продукты в зависимости от применяемых при их производстве заквасочных микроорганизмов могут быть разделены на пять групп, представленных ниже.

I — продукты, приготовляемые с использованием многокомпонентных заквасок (кефир, кумыс);

II — продукты, приготовляемые с использованием мезофильных молочнокислых стрептококков (творог, сыр домашний, сметана, простокваша обыкновенная)

III — продукты, приготовляемые с использованием термофильных молочнокислых бактерий (йогурт, простокваша мечниковская, южная, ряженка, варенец и др.);

IV — продукты, приготовляемые с использованием мезофильных и термофильных молочнокислых бактерий (сметана пониженной жирности, творог, напитки пониженной жирности с плодово-ягодными наполнителями);

V — продукты, приготовляемые с использованием ацидофильных палочек и бифидобактерий (ацидофильное молоко, ацидофилин, ацидофильно-дрожжевое молоко, ацидофильная паста, бифилин, детские ацидофильные смеси).

На молокоперерабатывающие предприятия должны поступать высококачественные закваски или их концентраты, проверенные учреждением, которое их разрабатывает и производит. Задача молокоперерабатывающего предприятия состоит в том, чтобы сохранить их полную эффективность.

Производственные закваски на предприятии получают в отделениях чистых культур или в специальном боксе при микробиологической лаборатории предприятия. Приготовление производственной закваски из чистых культур и кефирной закваски (грибковой и производственной) проводят в отдельных изолированных помещениях заквасочного отделения. На небольших предприятиях допускается приготовление заквасок чистых культурах и кефирной в одном помещении. В помещениях необходимо поддерживать чистоту. Не допускается одновременно проводить посевы по контролю готовой продукции, контролю условий производства и готовить закваски, Термостаты и холодильники, предназначенные для приготовления и хранения производственных заквасок и активизации бактериальных концентратов, не должны использоваться для других целей. Воздух в отделении чистых культур или боксе дезинфицируют с помощью бактерицидных ламп.

Предприятию от учреждения-изготовителя вместе с получаемыми заквасками выдается копия удостоверения о качестве, где указывается дата выработки и срок годности закваски, данные результатов анализов заквасок по кислотности, активности, микроскопическому препарату, количеству жизнеспособных клеток молочнокислых, пропионовокислых, бифидобактерий, также по количеству спор мезофильных аэробных бацилл, бактерий группы кишечных палочек, дрожжей и патогенных микроорганизмов, в том числе по сальмонеллам.

Закваски и бактериальные концентраты нужно использовать вскоре после получения из специальных цехов или лабораторий. До употребления их хранят в холодильнике при температуре не выше 8 °C. Нельзя применять закваски и бактериальные концентраты с истекшим сроком хранения, Флаконы с заквасками вскрывают непосредственно перед употреблением и используют все содержимое флакона сразу.

Поступающие на предприятие закваски ослаблены в результате транспортирования и воздействия температуры, поэтому их необходимо восстановить с помощью предварительного культивирования. Критерием оценки восстановления закваски является определение сквашивающей активности. Их выращивают на стерилизованном молоке, допускается использование пастеризованного молока (92−95°С 20−30 мин).

Эффективная закваска должна проявлять наибольшую активность не позднее, чем после второй пересадки. При этом культивирование заквасок необходимо остановить в конце логарифмической фазы, что достигается у большинства заквасок при рН 5,5−5,3 или кислотности 78−80°Т.

Приготовление производственной закваски из чистых культур на стерильном молоке проводят в молочных бутылках, колбах, в специальных ушатах или бидонах с крышками вместимостью от 3 до 20 л.

Посуду и инвентарь, используемые для приготовления заквасок, моют и дезинфицируют в отдельном помещении заквасочного отделения. Дли дезинфекции используют растворы препаратов хлора, содержащие 150−200 мг/л активного хлора. Мелкий инвентарь и посуду стерилизуют в автоклаве или сушильном шкафу.

Режимы приготовления производственных заквасок зависят от вида закваски и конкретных условий производства. Из жидкой сухой заквасок или отдельных штаммов на предприятиях готовят материнскую (первичную) закваску, которую используют для получения вторичной или производственной закваски. Материнскую закваску можно применять также для заквашивания молока или сливок, т. е. в качестве производственной закваски.

Для приготовления материнской закваски используют только стерилизованное молоко, для производственной закваски используют стерилизованное и пастеризованное молоко. Активизацию бактериального концентрата проводят на стерилизованном молоке, допускают использование пастеризованного молока.

Для получения материнской закваски мезофильных молочнокислых стрептококков одну порцию сухой закваски вносят в 2 л стерилизованного молока и термостатируют при 26 °C в течение 12−16 ч. Для приготовления вторичной (промежуточной) закваски в стерилизованное молоко вносят 0,5−1% материнской закваски и культивируют посевы 10−12 ч. Если в закваске преобладает Lac. cremoris, то период сквашивания продлевают до 12−14 ч., или увеличивают количество посевного материала до 2−3%. Производственную закваску мезофильных стрептококков получают посевом в пастеризованное молоко 0,5−1% или 2−3% вторичной производственной закваски и выращиванием посевов также в течение 10−12 ч. или 12−14 ч.

Материнскую закваску термофильного стрептококка и болгарской палочки получают внесением одной порции сухой закваски в 100 см³ стерилизованного молока. Посевы культивируют при 43 °C в течение 5−7 ч. Для приготовления производственной закваски посевной материал вносят в молоко в количестве 1% и сквашивают его в течение 3 ч. Таким же образом готовят закваски ацидофильной палочки. Однако культивирование проводят при температуре 38 °C в течение 5−5,5 ч.

Для повышения лечебных свойств кумыса из коровьего молока подобраны специальные закваски из дрожжей, сбраживающих лактозу, Lbm. bulgaricum (типичной микрофлоры кумыса из кобыльего молока) и штаммов Lbm. acidophilum, антибиотически активных против микобактерий туберкулеза и нежелательной кишечной микрофлоры.

Для приготовления материнской кумысной закваски в 300 см³ подготовленного молока вносят по 1 порции сухих заквасок болгарской и ацидофильной палочек и смыв с 2-х пробирок Sach. lactis, выращенных на скошенном агаре Сабуро. Посевы культивируют при 30 °C 7−10 ч. Вторичную закваску готовят внесением в подготовленное молоко 10−20% материнской закваски. Посевы выращивают также при 30 °C 7−10 ч.

Производственную закваску получают посевом в подготовленное молоко 20% (5−7% для закваски кумыса нежирного) вторичной закваски. Посевы термостатируют при 30 °C 4−6 ч, закваску для кумыса нежирного культивируют 14−15 ч.

После каждого культивирования производится дополнительная выдержка заквасок при 16−18°С 3−6 ч (при получении производственно закваски 8−24 ч) для накопления дрожжей.

Бактериальный концентрат используют для приготовления производственной закваски или непосредственно продукта после активизации или без активизации (культуры прямого заквашивания).

Для активизации сухой бактериальный концентрат (как сухую закваску) растворяют во флаконе, добавляя в него 6−7 см3 стерилизованного молока или физиологического раствора, полученную смесь переносят в подготовленное молоко. Жидкий бактериальный концентрат перед вскрытием флакона выдерживают при комнатной температуре в течение 20−25 мин. Содержимое флакона переносят в подготовленное молоко из расчета одна порция концентрата на 6−8 л молока.

Бактериальный концентрат мезофильных молочнокислых стрептококков используют для приготовления творога и сметаны. Бакконцентрат термофильных молочнокислых стрептококков предназначен для приготовления варенца, ряженки и других кисломолочных продуктов подобного типа.

Бактериальный концентрат ацидофильных палочек применяют для приготовления ацидофильного молока, пасты, детских кисломолочных продуктов, напитка «Московский».

Активизированный бактериальный концентрат, используемый в качестве производственной закваски, вносят в пастеризованное молоко в соотношении одна порция концентрата (6−8 л) на 2−3 тыс. л молока (мезофильные стрептококки) или одна порция на 500 л (для термофильных бактерий).

В производстве целесообразно использовать свежеприготовленную закваску, так как она обладает наибольшей активностью. В случае необходимости закваску охлаждают до 3−10°С и направляют на хранение. Продолжительность хранения материнской и производственной закваски на стерилизованном молоке до 72 ч, на пастеризованном — 24 ч.

В процессе приготовления продукта производственную закваску на стерилизованном молоке вносят в молоко или сливки в количестве 1−3%, а закваску на пастеризованном молоке — 3−5%.

Для приготовления производственной кефирной закваски восстанавливают сухие кефирные грибки, из которых в дальнейшем готовят грибковую закваску, а из нее получают культуральную производственную кефирную закваску.

Восстановление активности кефирных грибков и их культивирование осуществляют на пастеризованном обезжиренном молоке. Не допускается использование стерилизованного молока, так как при всём этом нарушается оптимальное соотношение между группами микроорганизмов и возникают пороки.

Для приготовления производственной кефирной закваски используют пастеризованное цельное или обезжиренное молоко. Сухие кефирные грибки помещают в обезжиренное пастеризованное молоко в соотношении 1:40 — 1:50 и выдерживают при температуре 19−21°С до образования сгустка в течение 20−24 ч. Молоко пастеризуют при температуре 92−95°С 20−30 мин.

В процессе сквашивания закваску перемешивают 1−2 раза. После появления сгустка кефирные грибки отделяют, помещают их в свежее пастеризованное и охлажденное молоко из расчета 1 часть кефирных грибков на 30−50 частей молока. Для полного восстановления активности микрофлоры сухих кефирных грибков достаточно 2−3 пересадок, при всём этом масса грибков увеличивается в 5 раз.

Для получения кефирной закваски восстановленные грибки помещают в пастеризованное и охлажденное до 19 и 21 °C обезжиренное молоко из расчета 1 часть грибков на 30−50 частей молока. Можно использовать любые соотношения в указанных пределах, при всём этом следует учитывать, что снижение количества грибков способствует увеличению в закваске дрожжей и ароматобразующих бактерий. Через 15−18 ч закваску тщательно перемешивают, спустя 5−7 ч ее снова перемешивают и процеживают через металлическое сито. Грибки, оставшиеся на сите, снова помещают в свежее пастеризованное и охлажденное молоко, а полученную культуральную закваску применяют для приготовления кефира либо производственной кефирной закваски.

Молоко при культивировании кефирных грибков меняют ежедневно приблизительно в одно и то же время. По мере роста грибки 1−2 раза в неделю отделяют с таким расчетом, чтобы соотношение между количеством грибков и молока оставалось постоянным 1:30 — 1:50. Промывать грибки водой или молоком не рекомендуется, так как это приводит к вымыванию значительной части полезной микрофлоры грибков.

Для получения производственной кефирной закваски в пастеризованное, охлажденное до 22 °C молоко вносят 1−3% культуральной закваски и сквашивают его 10−12 ч. Для улучшения вкуса и запаха закваску выдерживают дополнительно в течение 5−6 ч при температуре сквашивания.

Кефирную закваску (производственную или грибковую) используют сразу же после ее приготовления без охлаждения. При необходимости закваску хранят при температуре 3−10°С не более 24 ч. Для приготовления кефира в молоко вносят 3−5% производственной кефирной закваски или 1−3% грибковой закваски.

Наиболее перспективной формой заквасок являются концентраты. В принципе все закваски можно производить в виде концентратов, способы получения и применения их сходны между собой. Их используют в производстве сыра, масла, кисломолочных продуктов, исключая приготовление материнских и промежуточных культур, а в некоторых случаях и производственных заквасок.

Использование концентратов имеет следующие преимущества:

* исключение процесса приготовления производственных заквасок, который отличается высокой трудоемкостью и риском потери активности заквасок;

* обеспечение заданного равновесия между штаммами; быстрое изменение комбинаций штаммов с эффективной их сменой для предотвращения потерь от бактериофагов;

* улучшение аромата с помощью концентратов специальных ароматобразующих культур;

* увеличение сроков хранения сырого молока добавлением концентратов закваски для подавления психротрофной

* микрофлоры. Для получения концентратов заквасок пригодны питательные среды на основе обезжиренного молока и молочной сыворотки. Они дешевле по сравнению с полусинтетическими средами и способствуют выработке стабильного равновесия между штаммами.

5. Производство и применение заквасок для хлебобулочных изделий из пшеничной муки

Технологический процесс производства хлебобулочных изделий состоит из следующих основных этанов: приема и хранения сырья; подготовки сырья к пуску в производство; приготовления теста; разделки теста; выпечки; хранения выпеченных изделий и отправки их в торговую сеть. Каждый из этих этапов, в свою очередь, складывается из отдельных, последовательно выполняемых производственных операций и процессов.

Технологический процесс обычно представляют технологической схемой, в которой представлены все виды технологических потоков сырья, полуфабрикатов и конечных продуктов, типы и способы соединений машин и аппаратов, а также приведена последовательность технологических процессов.

При формализации технологического процесса можно изобразить его в виде различных схем: технологической, функциональной и структурной.

Функциональная схема дает представление о функционировании технологическою процесса в целом, т. е. о порядке технологических операций и их взаимосвязях, и не содержит подробной информации о характеристиках потоков и отдельных элементов.

Такой вариант функционирования технологического процесса является одним из наиболее сложных в современном хлебопекарном производстве. Наиболее сложный участок производства — приготовление жидких дрожжей, заквасок и опар.

Пропионовокислые закваски. Основу пропионовокислых заквасок составляют пропионовокислые бактерии Propionibacterium shermanii ВКМ-103. Эти закваски, как и комплексные, целесообразно применять при выработке изделий, в рецептуру которых входят пищевые волокна (пшеничные отруби). При этом отруби рекомендуется вводить непосредственно в закваску с целью их ферментации в течение 6 ч. В результате происходит частичный гидролиз составных компонентов отрубей (в 3—4 раза увеличивается содержание аминного азота), в 1,5—2,0 раза увеличивается содержание молочной кислоты, что приводит к резкому уменьшению посторонней микрофлоры, внесенной с отрубями (в 2 раза уменьшается численность спорообразующих бактерий).

Изделия, приготовленные по данной схеме, характеризуются улучшенными показателями качества.

Концентрированная молочнокислая закваска (КМКЗ). Процессы, протекающие при приготовлении пшеничного теста, — важнейшие в технологическом цикле производства хлебобулочных изделий. Их можно ускорить интенсивной механической обработкой, внесением кислотосодержащих ингредиентов, активированных полуфабрикатов, увеличением дозировки дрожжей и повышением температуры на 2—3°С. Все эти мероприятия интенсифицируют микробиологические, коллоидные и биохимические процессы, происходящие при созревании теста.

Эффект ускорения достигается при приготовлении теста на концентрированной молочнокислой закваске, имеющей следующие показатели: массовая доля влаги 60—70%, температура 37—41°С и конечная кислотность 18—24 град. При введении таких заквасок активная кислотность теста снижается до pH 5, что способствует повышению интенсивности коллоидных и биохимических процессов и активации метаболизма дрожжевых клеток, для которых достигнутое значение pH является оптимальным. Благодаря высокой кислотности закваски могут быть законсервированы на 16—24 ч. Кроме того, высокая кислотность заквасок способствует предотвращению заболевания пшеничного хлеба картофельной болезнью. Кислотность хлеба, выработанного одностадийным ускоренным способом, может быть увеличена на 1 град.

Применение концентрированных молочнокислых заквасок кислотностью 14—16 град в дозировке 4—6% к массе муки в тесте не всегда рационально, особенно при переработке пшеничной муки со слабой клейковиной. Тесто из такой муки, приготовленное на КМКЗ, имеет повышенную общую кислотность, липкое на ощупь, излишне растяжимое, с пониженной газоудерживающей способностью. Готовые изделия имеют запах уксусной кислоты.

Тесто с КМКЗ готовят в две (КМКЗ-тесто) или три (КМКЗ-опара-тесто) стадии. При замесе теста на КМКЗ в качестве биологических разрыхлителей вносят прессованные или жидкие хлебопекарные дрожжи. С закваской расходуют 5—15% муки от общей массы ее в тесте с последующим брожением теста в течение 60—180 мин до требуемой кислотности в зависимости от вырабатываемого сорта хлеба.

В разводочном цикле используют чистые культуры молочнокислых бактерий Lactobacillus plantarum-30, Lactobacillus brevis-1, Lactobacillus casei-26, Lactobacillus fermenti-34 или Lactobacillus fermenti-27 в жидком виде или в виде сухого лактобактерина, представляющего собой лиофильно высушенную смесь этих бактерий. Приготовление закваски из сухого лактобактерина в разводочном цикле начинают с восстановления бактерий. В производственном цикле концентрированные молочнокислые закваски готовят с учетом почасового графика работы предприятия.

При приготовлении КМКЗ с массовой долей влаги 70% питательную смесь из муки и воды готовят в заварочной машине ХЗ-2М-З00 или в другом смесителе без заваривания муки. При освежении КМКЗ кислотностью 18—22 град 90% КМКЗ отбирают в расходный чан, а к оставшейся массе добавляют эквивалентное количество питательной смеси для воспроизводства закваски. При работе в 2—3 смены закваску освежают через 8 ч брожения, т. е. 1 раз в смену.

Для приготовления водно-мучной смеси в заварочную машину дозируют воду заданной температуры и муку. После тщательного перемешивания однородную суспензию насосом перекачивают в чан с мешалкой и водяной рубашкой, где находится 10% закваски от прежнего приготовления, и оставляют для размножения молочнокислых бактерий и накопления продуктов их метаболизма до достижения кислотности 18—20 град. После этого 90% выброженной закваски перекачивают насосом в расходные чаны, и процесс повторяется. Из расходной емкости закваску направляют в дозатор жидких компонентов, откуда ее и другие жидкие рецептурные ингредиенты направляют в тестомесильную машину периодического действия, добавляют муку и замешивают тесто, обеспечив его созревание до достижения заданных параметров.