Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Основные направления современного развития пищевой биотехнологии
3.1 Учёные – биотехнологи 3.2 Биотехнология разных стран
В настоящее время биотехнология является динамично развивающейся отраслью во всем мире и в России. Неслучайно по решению ООН XXI век объявлен веком биотехнологии. Учёные считают, что именно с её помощью можно будет решить глобальные экологические проблемы, стабилизировать промышленность, создать новые конкурентоспособные рынки. Биотехнология относится к числу так называемых высоких технологий, и инвестиции, вкладываемые в ее развитие, все более возрастают. Предполагается, что к 2005 г. европейский биотехнологический рынок достигнет 100 млрд. евро, а к 2010 г. объём мирового биотехнологического сектора будет составлять 2 трлн. евро. Учёные России: А.Н. Богатырев, О.В. Большаков, Л.Н. Крикунова, О.А. Маслённикова, А.П. Нечаев, В.А. Панфилов, И.А. Рогов, В.Н. Сергеев, Е.И. Сизенко, В.И. Тужилкин сделали глубокий анализ состояния и перспектив развития биотехнологии который приводится ниже. Во всем мире основные направления развития биотехнологии обусловлены потребностью в определенных продуктах и энергии, при одновременно имеющейся необходимости использовать сырьевые отходы. Для удовлетворения потребностей в пищевых продуктах непрерывно растущего населения планеты, численность которого свыше 6 млрд. человек, необходимо увеличивать эффективность растениеводства и животноводства. На решение этой проблемы в первую очередь направлены усилия биотехнологов. Ресурсы растительного и животного белка не могут удовлетворить возрастающие потребности в нем. Запасы белка ограничены урожайностью сельскохозяйственных культур, размерами посевных площадей, продуктивностью животных, возможностями добычи продуктов Мирового океана и многими другими условиями. Один из путей получения белковых веществ – микробный синтез. Сырье, которое непосредственно не может быть использовано на изготовление пищевых продуктов, с помощью микроорганизмов превращается в богатую белками биомассу. Микроорганизмы способны накапливать до 60-70 % белка от сухой биомассы, образовывать также углеводы, липиды, витамины, минеральные вещества; их продуктивность превышает продуктивность растений и сельскохозяйственных животных во много раз. Получаемую биомассу можно непосредственно применять в качестве обогатителя кормов или направлять на получение очищенных белковых препаратов для пищевых целей. Полноценность пищи и кормов определяется содержанием не только белков, но и незаменимых аминокислот, поэтому весьма перспективно использовать для обогащения кормов и пищи отдельные аминокислоты или их сбалансированную смесь. Аминокислоты можно получать в процессе трансформации их предшественников с помощью микроорганизмов или вырабатываемых ими ферментов, а также путем гидролиза природных белков и микробного синтеза. В настоящее время значительное количество растительных и животных жиров расходуется на технические нужды. Замена пищевых жиров микробными даст заметный экономический эффект. Выработка липидов с помощью микроорганизмов возможна по двум направлениям: специализированное производство, основанное на направленном биосинтезе липидов микробной клеткой, и получение отхода в виде микробного жира при выращивании кормовых дрожжей. Синтезируемые микроорганизмами биологически активные вещества могут быть обогатителями пищи человека, а также кормов сельскохозяйственных животных. При использовании методов генной инженерии открываются широкие возможности дальнейшего развития биотехнологии, включая создание новых биотехнологических процессов. Все более пристальное внимание исследователей привлекают термофильные и термотолерантные процессы, характеризующиеся высокой биоэнергетикой и позволяющие эффективнее решать проблемы теплоотвода, проводить биокаталитические реакции с высокой скоростью, снизить опасность загрязнения среды культивирования или биокатализа посторонней микрофлорой. Эффективность любой промышленной биотехнологии определяется себестоимостью целевого продукта, которая зависит от его выхода, конверсии субстрата и от удельного расхода энергии. Применяя энергосберегающие технологии, можно выявить резервы снижения себестоимости продуктов микробного синтеза. Одна из важнейших задач биотехнологии – необходимость организации переработки возобновляемых нерастворимых видов растительного сырья: крахмала и целлолигнинового комплекса с выбором наиболее эффективного способа его конверсии (гидролиз, прямое культивирование микроорганизмов, газификация и др.). При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицеллюлоз можно получать этиловый спирт и сырье для химической промышленности: фурфурол, фенолы, крезолы. Методами генной инженерии можно создать штаммы, которые будут лучше адаптированы к этим типам конверсии, и получить большой выход продукции. Переработка побочных продуктов сельского хозяйства и отходов пищевой промышленности микроорганизмами зависит от того, насколько рентабелен этот процесс по сравнению с употреблением других субстратов. Необходимо также учитывать последствия для окружающей среды. Биотехнологические процессы также вызывают химическое и биологическое загрязнение окружающей среды, но с помощью микроорганизмов можно удалять существенную часть органических загрязнений, содержащихся в сточных водах различных производств, уменьшать количество остаточною шлама, снимать неприятные запахи. Развитие биотехнологии в различных странах идёт различными темпами. В результате работы Конференции ООН, по окружающей среде в 1992 г. была разработана биотехнологическая программа, сформированная в " Повестке XXI века" международной организацией ЮНИДО, призывающая мировое научно-техническое сообщество к участию в ее осуществлении. Важную роль в экологически безопасном и устойчивом развитии тех стран, которые используют широкие возможности биотехнологии, может сыграть выполнение основных положений программы: § увеличение продуктов питания, кормов и возобновляемых источников сырья; § улучшение здоровья населения; § улучшение охраны окружающей среды; § биобезопасность и международное сотрудничество; § содействие процессу передачи и использования биотехнологии. Биотехнология рассматривается как приоритетное направление в большинстве высокоразвитых стран. Более высокими темпами развития биотехнологии заметно выделяется среди других стран Япония, где программы по производству продуктов микробного синтеза рассматриваются как весьма перспективные сферы национального бизнеса. По данным Министерства торговли и промышленности в Японии, интерес к биотехнологии проявляют более 235 фирм. Именно они получают от государства и частного сектора наиболее ощутимую финансовую поддержку, составляющую в последние годы 375 млн. долл. в год. Анализ опубликованных данных показывает, что в ближайшее время биотехнология в Японии будет ориентирована на изучение технологии, основанной на рекомбинации ДНК, или связанной с использованием белковых молекул; на получение специальных штаммов микроорганизмов для синтеза новых биополимеров и разложения токсичных соединений различной природы; на широкое развитие генно-инженерных работ по азотфиксации, что позволит сократить внесение в почвы химических азотсодержащих удобрений. В области разработки новых источников сырья и энергии процессы биотехнологии будут использованы для утилизации целлюлозосодержащих отходов, создания систем оборотного водоснабжения, глубокой очистки сточных вод, извлечения из них полезных материалов. В США опубликован прогноз развития производства биотехнологической продукции. Он предполагает ежегодный прирост (в процентах): для фармацевтических препаратов – 16, диагностических препаратов – 9, продукции сельского хозяйства – 33, продукции специального назначения – 28, немедицинских диагностических средств – 34. Биотехнологические пищевые продукты составляют 10 % от всей рыночной продукции США. В Германии правительство через отдельные земли осуществляет финансирование свыше 300 биологических кафедр в университетах и институтах страны, свыше 1 млрд. немецких марок в год предоставляется для поощрения биотехнологических и биомедицинских исследований. Стоимость продукции, частично или полностью производимой с помощью биотехнологических методов и представляющей собой фармацевтические препараты для человека и животных, витамины, гормоны, жиры и жирные кислоты, сыворотки и вакцины, антибиотики, клеящие вещества, желатин и т.д., выражается суммой свыше 17 млрд. немецких марок в год. В будущем предполагается уделить внимание специальным направлениям, способным дать долгосрочные импульсы в развитии биотехнологии: нейробиологии, биологической сигнальной и информационной обработке, ферментативному дизайну. По этим направлениям уже успешно проведены базисные исследования. В Великобритании, которая отстает от США в развитии биотехнологии примерно на 6 лет, учёные считают, что необходимо осуществить инвестиции в размере 1, 1 млн. фунтов стерлингов в ближайшие 3 года. Во Франции развитие биотехнологии определяется тремя направлениями исследований: § фундаментальное исследование микроорганизмов, растительных и животных клеток и ферментов; § изучение и разработка биотехнологических процессов (кинетики, ферментативной инженерии, контрольных приборов и т.д.); § исследования, связанные с фармацевтической, пищевой промышленностью и сельским хозяйством, защитой окружающей среды и получением возобновляемых источников энергии. Программа по " резкой интенсификации биотехнологии", принятая Министерством научных исследований и промышленности в 80-е годы, должна позволить Франции получать 10 % мировой прибыли от биотехнологической промышленности. Генеральное собрание международной ассоциации за кооперацию и сотрудничество с учёными стран СНГ в 1994 г. решило поддержать 459 совместных проектов, в разработке которых примут участие около 1400 лабораторий стран СНГ и 1600 лабораторий в странах Западной Европы, 20 % этих проектов посвящены биологическим проблемам. Перспективы использования продуктов биотехнологии в пищевой промышленности очень большие. С помощью микроорганизмов и культур растительных клеток можно получить для пищевой промышленности ценные метаболиты и добавки в продукты, отличающиеся от синтетических продуктов своим естественным составом и отсутствием вредных примесей. В настоящее время насчитывается более 50 групп вторичных метаболитов, продуцируемых культурами клеток растений. К таким метаболитам относятся структурный белок, аминокислоты, липиды, масла, душистые вещества, органические кислоты, пигменты, пищевые добавки, специи, сахара, подсластители, ферменты и др. В культурах клеток растений целевой продукт может накапливаться в значительно больших количествах, чем в соответствующих интактных растениях. Для получения метаболитов эффективнее применять иммобилизованные клетки растений, так как при культивировании растительных клеток в свободном состоянии наблюдается афегация их, дифференцирование и изменение их активности. Иммобилизованные клетки растений лишены этого недостатка и обладают рядом технологических преимуществ. В будущем при накоплении фундаментальных биохимических и генетических знаний можно будет увеличить выход желаемого продукта, и эта отрасль биотехнологии сможет иметь большой коммерческий успех. Одно из перспективных направлений в пищевой биотехнологии - обогащение хорошо известных пищевых продуктов белком и создание новых видов пищи, где важная роль отводится белковым добавкам на основе белка одноклеточных, прежде всего дрожжей, бактерий, грибов и водорослей. Как потенциальный источник белка наиболее полно изучены дрожжи. Высокомолекулярные белковые изоляты содержат не менее 80 % белка, не более 1 % липидов, 2 % нуклеиновых кислот и 5 % углеводов. Белковые изоляты микробного происхождения можно добавлять в следующие продукты: § концентраты типа питательных кубиков, паст, таблеток и брикетов; § массового фабричного производства, например специальные сорта хлеба, хлебобулочные изделия и макаронные изделия, питательные напитки, молочные продукты; § изготовленные на предприятиях общественного питания, например из мясного фарша. Введение микробного белка в эти продукты особой сложности не представляет, так как их просто замешивают вместе с традиционными компонентами, и при наличии необходимых функциональных свойств добавок получают хорошие результаты. Наибольший интерес представляет собой выработка искусственных мясопродуктов, имитирующих традиционные изделия из рубленого мяса или нерубленые мясопродукты волокнистой структуры. Для получения аналогов изделий из рубленого мяса в раствор или дисперсию белкового или полисахаридного структурообразователя вводят тонкоизмельченные пищевые вещества, например белок дрожжей, вкусовые и ароматические вещества, а также красители. Для производства искусственных мясопродуктов волокнистой структуры обычно используют белковые волокна, полученные методом мокрого прядения растворов белка. Волокна затем склеивают пищевым связующим веществом, содержащим различные пищевые компоненты и красители. Первые искусственные белковые волокна были изготовлены на основе казеина, сои, арахиса, но возможно и применение белка дрожжей. Такие исследования проводили у нас в стране, разработана технология. Ценный источник пищевого белка – съедобные шляпочные грибы. Производство спорофоров и мицелия базируется на двух совершенно различных технологиях. Шляпочные грибы выращивают в питомниках, а мицелий вырабатывают промышленным способом ферментации. Шляпочные грибы используют непосредственно как пищевой продукт или вкусовую приправу к различным блюдам. В последнем случае приемлемы мицелиальные формы грибов. Мировое производство съедобных грибов в промышленных условиях составляет сейчас 1, 2-1, 3 млн. т в год, в основном базидиальных грибов, при этом на долю шампиньонов приходится примерно 70- 75 %. Пищевая промышленность – один из главных потребителей аминокислот. В наибольшем количестве выпускают L-глутаминовую кислоту, применяемую в качестве вкусового и консервирующего агента в пищевой промышленности. Натриевая соль глутаминовой кислоты – эффективный усилитель вкуса, и ее используют при изготовлении мясных и овощных блюд, добавляют во все продукты при консервировании, замораживании и длительном хранении. Многие аминокислоты обладают оригинальным вкусом и участвуют в образовании вкусовых особенностей тех или иных пищевых продуктов. Отбор высокопродуктивных бактериальных штаммов и создание совершенных процессов ферментации обеспечили Японии лидирующее положение в этой области, она обладает патентами, описывающими производство 20 аминокислот с помощью микробной ферментации. В последние годы в Японии для обогащения пищевых продуктов начали применять лизин. Недостаток лизина в пище особенно отрицательно сказывается на здоровье детей, при введении его (вместе с треонином) в пищу повышаются умственные способности. В результате добавления лизина улучшается внешний вид пищевых продуктов, увеличивается их водоудерживающая способность, устраняются неприятные запахи консервированной рыбы, улучшаются процесс брожения и физические свойства теста и хлеба. В США несколько крупных фирм в качестве компонента белковых диетических продуктов используют триптофан. Во Франции запатентован заменитель сахара, получаемый на основе D-триптофана. Аминокислотный подсластитель аспартам, получаемый из фенилаланина и аспарагиновой кислоты, в 900 раз слаще сахара и не имеет горького привкуса, свойственного сахарину. При замене сахара аспартамом на 95 % снижается калорийность ряда пищевых продуктов без изменения вкусовых качеств (например, жевательной резинки, конфет и напитков). Широко используют в пищевой промышленности цистеин: для улучшения качества хлебобулочных изделий, в качестве имитатора вкуса и аромата мяса, для усиления действия антиоксидантов и консервантов, замедления аутоокисления жиров. Свойствами антиокислителей обладают также метионин, лизин, триптофан, аргинин, аспарагин, норлейцин и глицин. При температуре 100-200 °С и сильно щелочной реакции среды глицин, аланин, лизин, орнитин, аргинин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты взаимодействуют с глюкозой и другими сахарами и образуют прекрасные пищевые красители, которые обладают антиокислительным действием и ингибируют действие липоксидазы. В нашей стране для пищевой промышленности разработаны технологические процессы получения с помощью микроорганизмов лизина, глутаминовой кислоты и треонина. В пищевой промышленности микробные ферменты все активнее применяют вместо растительных и животных ферментов. Так, микробные амилазы заменили аналогичные ферменты из пшеничного и ячменного солода в спиртовом и пивоваренном производстве, хлебопечении и производстве сухого печенья; микробные протеазы – животные и растительные протеазы, употребляемые для размягчения мяса: микробный ренин заменил сычужный фермент из желудка телят в сыроварении. В консервной промышленности при использовании микробных ферментных препаратов увеличивается выход сока, особенно из ягод с большим содержанием пектина, повышается стойкость против инфицирования и удлиняется срок хранения продукции. В виноградном и плодово-ягодном виноделии благодаря ферментным препаратам можно получать новые марки вин, а также повысить качество традиционных. С помощью ферментных препаратов также возможно увеличить стойкость к белковым помутнениям пива и вин. Все большее значение в мире приобретают низкокалорийные, неопасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза - продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкозоизомеразы. Зерновой крахмал превращают в смесь глюкозы и фруктозы или в высокофруктозную зерновую патоку, которая заменяет сахарозу при подслащивании безалкогольных напитков и других пищевых продуктов, с помощью трех ферментов: a-амилазы, глюкоамилазы и глюкоизомеразы. Мировое производство фруктозной зерновой патоки достигает более 2 млн. т, причем более половины этого количества вырабатывают в США. Около 20 % населения нашей страны страдает неусвояемостью лактозы, поэтому актуальным является получение молочных продуктов, в которых лактоза ферментативно гидролизована в глюкозу и галактозу. Перспективно и производство различных пищевых продуктов из компонентов молочной сыворотки, которую во всем мире в основном (48-88 %) направляют на корм скоту. Путем фракционирования молочной сыворотки и непрерывного гидролиза лактозы можно эффективно использовать ее в пищевой промышленности. Тенденции развития биотехнологических методов на примере одной из перерабатывающих отраслей – мясной промышленности – показывают, насколько широкие возможности распространения их практически на все этапы технологического процесса возникают, начиная с ферментативной обработки сырья до очистки сточных вод, включая процессы получения новых видов мясных продуктов общего, специального и лечебного назначения, пищевых и кормовых гидролизатов, синтеза ароматизаторов, красителей, биологически активных веществ, а в будущем – белков для питания человека. Большие перспективы использования методов биотехнологии открываются для стимулирования процесса созревания мяса, способов осветления крови, обезволашивания и обработки шкур, удаления с костей мясной ткани, остающейся после обвалки. Биотехнологическим методам отводится значительная роль и в переработке побочного сырья мясной промышленности в полноценные продукты питания. Перспективно также направление технологий продуктов лечебного и профилактического питания, которое можно выделить в самостоятельную отрасль пищевой биотехнологии. Маркетинговое исследование, проведенное компанией Abercade Consulting, позволило выделить сферы применения биотехнологий в хлебопекарной отрасли. К исследованиям в качестве экспертов были привлечены технологи, которые непосредственно занимаются внедрением разработок в производство, а также специалисты Государственного научно-исследовательского института хлебопекарной промышленности. К потребителям биотехнологий: относятся по существу, все предприятия отрасли, так как неизменным компонентом хлеба являются дрожжи. В настоящее время в России насчитывается более 10 тыс. хлебозаводов (и том числе 1, 5 тыс. крупных) и пекарен, способных вырабатывать ежесуточно около 70 тыс. т хлеба более 700 наименований. Они используют порядка 200 тыс. т дрожжей в год. Суточная потребность в прессованных дрожжах крупных комбинатов приблизительно 2-3 т, в сухих – 500-1000 кг. На территории Москвы к крупным потребителям дрожжей относятся предприятия АО " Мосхлеб", Москворецкий комбинат, Хлебокомбинат им. В.П. Зотова и ряд других. Основным производителем и поставщиком дрожжей для столичных хлебопеков является московский дрожжевой завод " Дербеневка". Поскольку слияние принципов пищевой биотехнологии и фармакологии является на сегодняшний день свершившимся фактом, во всем мире большое внимание уделяется проблеме изучения лекарственных свойств пищевых ингредиентов и отдаленных последствий их воздействия на организм человека. В современной экологической обстановке возрастает роль профилактического питания, направленного на укрепление защитных систем организма, снижение риска воздействия вредных веществ. Уже сегодня с определенной степенью достоверности посредством рационального использования пищевых ингредиентов, в том числе растительного происхождения, можно улучшить обменные процессы и нормализовать метаболизм тканей. В связи с этим предметом исследований будут медико-биологические аспекты, а именно: выявление механизма действия и обобщение основных нарушений метаболизма, изучение иммунитета и гормонального гомеостаза организма человека, характеризующих различные патологии при антисклеротическом, антиканцерогенном и радиопротекторном действии в процессе диетической коррекции растительными пищевыми компонентами. Однако, несмотря на многочисленные попытки учёных разных стран применить алиментарный фактор в диетотерапии и некоторые достигнутые положительные результаты, остаются еще далеко не изученными процессы метаболизма отдельных пищевых компонентов, как таковых, так и при взаимодействии с другими, а также влияние их состава и свойств в превенции, коррекции или ликвидации патологических состояний и формирование чистоты эндогенной среды человеческого организма. Значительный интерес для использования в отраслях пищевой промышленности, медицине, ветеринарии имеют биологически активные полимерные материалы (БАМ), представляющие собой комплексную систему (пленки, волокна, гранулы и др.), состоящую из полимерной матрицы и связанного с ней биологически активного соединения, и обладающие уникальными свойствами. При получении БАМ в качестве полимерной основы используют синтетические и природные высокомолекулярные соединения, наиболее перспективным носителем, которых является поливиниловый спирт (ПВС), что обусловлено наличием большого числа реакционно-способных групп, гидрофильностью, жиростойкостью, высокими прочностными характеристиками пленок на его основе и др. Применение активных пленочных материалов на основе ПВС и различных классов биологически активных соединений – ферментов животного и микробного происхождения, антибиотиков, консервантов, бактерицидных красителей – открывает широкие перспективы создания нового поколения упаковочных многофункциональных материалов с уникальным комплексом защитных свойств (бактерицидность, протеолитическая активность, широкий спектр барьерных свойств, жиростойкость, высокие прочностные показатели и др.), что позволяет обеспечить сохранение пищевой ценности и длительную защиту пищевых продуктов от окислительной и микробиальной порчи, токсических и других агрессивных факторов внешней среды. В Японии около 95 компаний разработали планы выпуска продуктов, полученных с помощью микробного синтеза. Среди новых продуктов 23 % должны найти применение в пищевой или химической промышленности. В США биотехнологические пищевые продукты составляют 0, 3 % от всей пищевой продукции, стоимость их около 500 млн. дол., из них половину составляют ферментированные продукты пищевой промышленности. В пищевой промышленности ФРГ основные усилия исследователей направлены на совершенствование и разработку биотехнологических способов обработки и переработки растительною и животного сырья в пищевые продукты, получение качественно новых продуктов, пищевых вкусовых и ароматизированных добавок, ферментативной трансформации полимеров и ферментационной технологии (непрерывные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток, мембранных реакторов, коэнзимная регенерация). Во Франции пищевая промышленность и сельское хозяйство производят с помощью биотехнологических методов зерновые культуры, аминокислоты, органические кислоты, ферменты на сумму свыше 2, 5 млрд. франков в год. Новейшие исследования, проводимые в высокоразвитых странах в области биотехнологии для пищевой промышленности, посвящены: § разработке акустических биосенсоров для обнаружения некачественных пищевых продуктов; § идентификации и оценке противомикробных систем как нового средства повышения степени безопасности и улучшения качества пищи; § разработке сенсоров для улучшения контроля за чистотой процессов приготовления пищевых продуктов в герметично закрытом оборудовании. Исходя из экономической значимости биотехнологии и сегодня, и в перспективе правительства почти всех стран мира утвердили национальные программы по развитию биотехнологии и, в первую очередь, биоинженерии, и обеспечили высокий уровень их государственной поддержки и, прежде всего бюджетного финансирования. Объем финансирования биотехнологии в США за счет всех источников составляет более 10 млрд. дол. в год. Отмечено, что, хотя объем канадской экономики составляет 10 % от объема в США, прибыли от биотехнологической промышленности составляют всего 3 % от соответствующей прибыли в США. Эксперты считают, что Канада отстает от США, по крайней мере, на 5 лет. В стране создана 121 биотехнологическая компания (в т. ч. 23 государственных), численность персонала составляет 6500 человек, на исследования и разработки расходуется 245 млн. канадских дол. ежегодно. Основной причиной отставания канадской биотехнологии считают слабое финансирование компаний, которые могли бы заниматься коммерциализацией исследований, а также отсутствие предпринимательства в этой области. В Англии значительное внимание уделяется проведению исследований и разработок в биотехнологии, большое значение придается экономическим и социальным аспектам. Из вышеизложенного следует, что все европейские страны и Россия в достаточной мере оценили знания биотехнологии, бурное развитие и применение которой зависит от финансовых возможностей государства.
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-09; Просмотров: 403; Нарушение авторского права страницы