ХАРЧОВА БІОТЕХНОЛОГІЯ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

М.М. АНТОНЮК

О.І. СКРОЦЬКА

ХАРЧОВА БІОТЕХНОЛОГІЯ

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

для студентів напряму 6.051401 «Біотехнологія»

денної та заочної форм навчання

 

 

Всі цитати, цифровий та фактичний матеріал, бібліографічні відомості перевірені. Написання одиниць відповідає стандартам   Підписи авторів ________________   ________________   «____» ____________ 2011 р.

СХВАЛЕНО на засіданні кафедри біотехнології і мікробіології як конспект лекцій Протокол № 21 від 30.05.2011 р.

Київ НУХТ 2013

М.М. Антонюк, О.І. Скроцька Харчова біотехнологія: Конспект лекцій для студ. напряму 6.051401 «Біотехнологія» ден. та заоч. форм навч. – К.: НУХТ, 2013. – 171 с.

 

Рецензент В.О.Красінько, канд. техн. наук

 

М.М. АНТОНЮК, канд. техн. наук

О.І. СКРОЦЬКА, канд. біол. наук

  © М.М. Антонюк, О.І. Скроцька, 2013

ВСТУП

Харчова біотехнологія з'явилася і розвивається на основі необхідності вирішення проблем нестачі та неповноцінності харчування. За теперішніх умов важливим є пошук альтернативи біологічним харчовим ресурсам, що можливо вирішити лише методами біотехнології.

Перевагами біотехнологічного отримання нутрієнтів є невимогливість до посівних площ, незалежність виробництва від зміни сезонів, можливість отримувати продукцію стандартної якості.

Напрями розвитку харчової біотехнології можна класифікувати по цільових продуктах:

1) макронутрієнти (переважно білкові препарати на основі біомаси мікроорганізмів);

2) препарати для харчових виробництв на основі чистих культур мікроорганізмів (молочнокислих бактерій, хлібопекарських і спиртових дріжджів);

3) речовини, які регулюють смак і аромат харчових продуктів (ароматизатори і смакоароматичні добавки, підсолоджувачі, харчові кислоти);

4) стабілізатори консистенції харчових продуктів;

5) харчові барвники;

6) речовини, які сприяють збільшенню термінів зберігання продукції;

7) препарати мікронутрієнтів (вітаміни, амінокислоти, поліненасичені жирні кислоти);

8) препарати пробіотиків, пребіотиків, симбіотиків;

9) ферментні препарати, іммобілізовані ферменти і клітини.

Як відомо, найбільш дефіцитним компонентом їжі є білок, який має особливо високу харчову цінність. Харчовий білок можна одержати за допомогою мікроміцетів, водоростей, бактерій. У виробництві продуктів дитячого харчування застосовують білок пивних дріжджів, що не містить токсичних чинників. В основному розробки по одержанню харчового білка проводилися у Великобританії (мікроорганізми Saccharomyces cerevisiae), в Росії (Penicillium roqueforti, Lactobacillus acidophilus), на Україні (з добавкою Spirulina platensis). Однак, останніми роками інтерес до одержання мікробного білка знизився, що можна пояснити несприйняттям такої їжі споживачами, поганою засвоюваністю й алергенністю деяких препаратів, а також зростанням світового виробництва генетично модифікованих рослинних білків.

Для створення нових штамів мікроорганізмів, що володіють заданими властивостями (високою фагорезистентністю, кислотоутворюючою активністю), застосовують методи генної інженерії. Так, у Норвегії штами мутантних бактерій роду Lactococcus (з добрими автолітичними властивостями, що не зброджують лактозу) використовують для прискорення процесу дозрівання і одержання високоякісних сирів. У Росії отримано фагорезистентні молочнокислі лактококи для виробництва сирів, новий штам дріжджів роду Candida для зброджування лактози. Розвивається напрям з отримання нових штамів хлібопекарських і спиртових дріжджів. У Росії відібрано активний штам Saccharomyces cerevisiae, що має хороші хлібопекарські властивості, високий вихід біомаси і підвищений вміст трегалози (підвищує стійкість дріжджів при сушінні).

Одержання харчових ароматизаторів мікробіологічним шляхом часто виявляється вигіднішим і продуктивнішим, порівняно з хімічним синтезом або іншими традиційними способами. Так, у США був розроблений екологічно безпечний біокаталітичний спосіб синтезу ваніліну з глюкози з використанням генетично модифікованого штаму E. coli і грибного ферменту дегідрогенази. Аромат ваніліну, при отриманні його біотехнологічним шляхом, – у декілька разів інтенсивніше звичайного.

Досить перспективним є використання культур мікроміцетів як продуцентів сирних, грибних, рибних ароматизаторів. Розроблено біотехнологічні способи одержання речовин, що імітують аромати суниці, малини, банана, кокоса, яблука, персика, мигдалю. На сьогодні інтерес до біотехнологічного одержання ароматизаторів залишається на досить високому рівні.

Відомі способи мікробіологічного синтезу багатоатомних спиртів (сорбіту, маніту, гліцерину, ксиліту, еритриту, рибіту), що виконують функції цукрозамінників у продуктах для діабетиків. Так, новий підсолоджувач еритрит, що міститься в морських водоростях, грибах, фруктах, можна одержати також з використанням бактерій, мікроміцетів і дріжджів. Найефективніше використовувати для синтезу підсолоджувачів дріжджі роду Candida. На сьогодні особлива увага приділяється біотехнологічному синтезу ксиліту, маніту і L- арабінози.

До традиційних напрямів харчової біотехнології відноситься оодержання харчових кислот – лимонної, молочної, яблучної, оцтової, бурштинової, що використовуються як регулятори кислотності та консерванти. Лимонну кислоту отримують з використанням мікрорганізмів Yarrowia lipolytica, Aspergillus niger, молочну – Endomycopsis fibuligera, Rhisopus oryzae, Lactobacillus casei, бурштинову – Anaerobiospirillum succiniproducens, оцтову – Acetobacter acetigenum. Інтерес до біотехнології харчових кислот останніми роками почав знову зростати.

Стабілізатори консистенції – вид харчових добавок, одержання яких методами біотехнології останніми роками розвивається досить активно. Так, наприклад, гелеутворювач «Курдлан» отримують зброджуванням виноградного цукру за допомогою Alkaligenes fekalis, модифіковані глюкани – за допомогою Saccharomyces cerevisiae, каппа-каррагінан – з водоростей Euchema cottonii, гліцерин – з глюкози за допомогою Rhizopus javanicus, пуллулан – з меляси за допомогою Aureobasidium pullulans.

Більшість харчових барвників синтезують хімічним шляхом. Однак, деякі натуральні пігменти мікроорганізмів можуть бути з успіхом використані як барвники для харчових продуктів. Так, з гриба Monascus одержано натуральний червоний харчовий барвник, стійкість якого у багато разів вища, ніж у β-диціанів (барвників з синьо-зелених водоростей). З мікроорганізмів Flavobacterium multivorum одержано каротиноїд зеаксантин, з бактерій з Канарських островів – рожевий барвник для морозива, крему, мила. Такі барвники нешкідливі та надають стійкого кольору продуктам.

На сьогодні проводяться розробки технологій харчових консервантів мікробіологічним синтезом. Зокрема, методами біотехнології та генної інженерії можна одержати ферменти, бактеріальні пептиди і бактеріоцини, що володіють властивостями консервантів тощо.

Велике практичне значення у виробництві вітамінів належить мікробіологічному синтезу. Таким способом одержують ергостерин, вітамін В12, мікроорганізми використовують як селективні окиснювачі сорбіту в сорбозу при отриманні вітаміну С. Із дріжджів-сахароміцетів може бути одержаний концентрат вітаміну В2, з мікроводоростей Dunalieiia viridis – β-каротин. Кефірні грибки синтезують вітаміни В1, В2, В6, В12 та аскорбінову кислоту, а біфідобактерії – групи В, РР і Н.

Серед можливих способів одержання амінокислот найбільше значення мають мікробіологічний і хімічний. Проте тільки при мікробіологічному синтезі одержують амінокислоти в біологічно активній L-формі. Найбільша кількість розробок присвячена біотехнології лізину (продуценти Brevibacterium lactofermentum і бактерії роду Corynebacterium), також запропоновано способи біотехнологічного одержання ізолейцину, треоніну (при використанні E. coli). Більшість досліджених штамів мікроорганізмів, незалежно від їх систематичної приналежності, переважно продукують β-аланін і глутамінову кислоту. Значно менше штамів і в меншій кількості синтезують аспарагінову кислоту, лейцин, валін, ізолейцин, лізин.

Одним із нетрадиційних, нових та перспективних напрямів харчової біотехнології є одержання пробіотиків, пребіотиків і їх комплексів – симбіотиків. Цей напрям, започаткований ще з початку 90-х років, привертає велику увагу дослідників й до сьогодні.

До функціональних сполук, що позитивно впливають на здоров'я людини, сприяють профілактиці багатьох захворювань, належать поліненасичені жирні кислоти, переважну більшість яких одержують методами біотехнології, зокрема, арахідонову кислоту – з грибів роду Mortierella, γ-лінолеву – Mucorales і Mortierella, ейкозапентаєнову, докозапентаєнову, докозагексаєнову – з грибів порядку Thraustochytriales і Schizochytrium, а також з мікроводоростей Cryptecodinium cohnii.

Значна увага приділяється напряму одержання ферментних препаратів біотехнологічним способом. Особливо багато досліджень присвячено розробленню технології ліпази (Propionibacterium acidipropionici, Rhizopus orysae), глюкоамілази, глюкооксидази і β-фруктофуранозидази (Aspergillus niger), полігалактуронази й інвертази (Endomycopsis fibuliger), протеїнази (Bacillus, Rhizopus, Aspergillus).

Отже, до найбільш перспективних напрямів розвитку харчової біотехнології можна віднести одержання ферментів, стабілізаторів консистенції, ароматизаторів, харчових кислот, а також вдосконалення технології пробіотиків і пребіотиків.

До недавна біотехнологія використовувалася у харчовій промисловості з метою удосконалення існуючих процесів виробництва та більш ефективного використання мікроорганізмів, однак майбутнє належить генетичним дослідженням по створенню більш продуктивних штамів з конкретною метою, впровадженню нових методів у технології бродіння. Таким шляхом можливо підвищити вихід та якість харчової продукції та розширити її асортимент.

 

1. БІОТЕХНОЛОГІЯ ФЕРМЕНТОВАНИХ

МОЛОЧНИХ ПРОДУКТІВ

 

Одержання молочних продуктів базується на використанні процесу ферментації, тобто молочнокислого бродіння, що відбувається за участю мікроорганізмів. Завдяки використанню інших супутніх реакцій при наступній обробці сировини одержують різноманітні продукти переробки молока: сметану, пахту, йогурт, сир. Властивості кінцевого продукту при цьому залежать від характеру та інтенсивності реакцій ферментації. Ті реакції, які є супутніми основному процесу утворення молочної кислоти, й визначають особливі властивості продуктів. Так, саме вторинні реакції ферментації, що протікають під час дозрівання сирів, визначають смак окремих їх сортів. В деяких таких реакціях приймають участь пептиди, амінокислоти та жирні кислоти, що наявні в продуктах.

Залежно від характеру зброджування лактози весь асортимент кисломолочних продуктів поділяють на дві групи: молочнокислого і змішаного бродіння (молочнокислого і спиртового).

До продуктів молочнокислого бродіння належать простокваша різних видів, йогурт, ацидофільне молоко, ацидофілін, кисломолочний сир, сметана. В продуктах змішаного бродіння, крім молочної кислоти, накопичується певна кількість етилового спирту (ацидофільно-дріжджове молоко, кефір, кумис). Такий поділ кисломолочних продуктів умовний, так як при бродінні лактози в продуктах першої групи накопичується незначна кількість етилового спирту, вуглекислоти, летких органічних кислот, які характерні і для продуктів другої групи. За хімічним складом і консистенцією кисломолочні продукти поділяють на кисломолочні напої, сметану, кисломолочні сири та сиркові вироби.

Мікрофлора кисломолочних продуктів визначається наступними факторами:

1) Температурою пастеризації молока. Після пастеризації у молоці переважно залишаються термостійкі молочнокислі палички та ентерококи. Ця мікрофлора переважає на обладнанні при виробництві кисломолочних продуктів.

2) Видом заквашувальних мікроорганізмів. Основна мікрофлора закваски, що приймає участь у сквашуванні, а також мікрофлора пастеризованного молока і та, що потрапляє з обладнання.

3) Інтенсивністю розвитку незаквашувальної мікрофлори. При цьому необхідно враховувати, що при ферментації відбувається одночасно розвиток мікроорганізмів незаквашувального походження, які можуть активуватися або пригнічувати мікроорганізми закваски.

4) Дотриманням режимів ферментації. Інтенсивність розмноження мікрофлори кисломолочних продуктів і кінцеве співвідношення між її представниками залежить, перш за все, від якості молока, але може визначатися температурою та тривалістю сквашування (і дозрівання), а також дотриманням режимів охолодження).

Характеристику деяких молочних продуктів наведено у таблиці 1.1.

Таблиця 1.1.

Характеристика деяких молочних продуктів

 

Процеси, що протікають при ферментації молока

У молоці при ферментації можуть протікати шість основних реакцій в результаті яких утворюються молочна, пропіонова, лимонна кислота, спирт, масляна… В результаті молочнокислого бродіння лактоза молока гідролізується з… При виробництві швейцарського сиру ключову роль відіграє пропіоновокисле бродіння з утворенням вуглекислого газу.…

Одержання та підбір чистих культур мікроорганізмів для виробництва молочнокислих продуктів

Чисті культури молочнокислих бактерій одержують у спеціально обладнаних лабораторіях при науково-дослідних інститутах. Основними етапами одержання чистих культур молочнокислих бактерій є: · Селекція із природніх середовищ мешкання. Особливе значення має селекція місцевих штамів молочнокислих бактерій,…

Закваски для молочної промисловості

  За кордоном закваски, що складаються із мезофільних молочнокислих… Нульові закваски містять тільки L. lactis і L. cremoris або штами одного з цих видів. Селекція штамів цих заквасок…

Молочнокислі бактерії

До сімейства Streptococcaceae відносяться рід Streptococcus і Leuconostoc. Молочнокислі бактерії роду Streptococcus широко використовуються при… З роду Leuconostoc тільки Leuconostoc cremoris, Leuconostoc lactis і Leuconostoc dextranicum використовуються в…

Оцтовокислі бактерії

   

Пропіоновокислі бактерії

      Рис. 1.6. Propionibacterium shermanii, х 900

Біфідобактерії

   

Дріжджі

Рис. 1.8. Дріжджі роду Saccharomyces, х 400 В основу класифікації дріжджів покладені наступні ознаки: відмінності в характері їх вегетативного розмноження,…

Кисломолочні напої

В кисломолочних напоях містяться майже всі речовини, характерні для молока. В їх складі є значна кількість молочної кислоти, а в… На формування споживчих властивостей кисломолочних напоїв впливають такі… Виробництво кисломолочних напоїв здійснюється двома способами: резервуарним і термостатним. Резервуарний спосіб…

Сичужні сири

Для виготовлення різних видів сиру використовують овече, козине, коровяче чи кобиляче молоко. Залежно від технології сироваріння сироватку повністю… Переважна більшість сирів виготовляється на основі бродіння молока.… Тому при виготовленні сирів молоко піддають попередньому обробленню, тобто витримують з використанням закваски та без…

Роль мікроорганізмів у виробництві деяких сортів сиру

  Деякі види сирів спеціально інфікують спорами пліснявого гриба Penicillium… Синє та зеленувате забарвлення і неповторний смак Рокфора зумовлені ростом у товщі сиру плісняви Penicillium…

Хлібопекарство виникло на самій зорі розвитку людства. Перший хліб являв собою прісні коржі, випечені із суміші борошна з водою. Нині хлібопекарське виробництво – великомасштабна галузь харчової промисловості, а хліб – основа харчування більшості людей: понад 30 % усієї кількості необхідних калорій людина отримує з хлібом. В основі процесів приготування хлібобулочних виробів лежить сукупність складних змін сировини під впливом мікроорганізмів як спеціально застосовуваних у технологічному процесі, так і тих, що містяться в перероблюваних рецептурних компонентах. Основними представниками мікроорганізмів є дріжджі і молочнокислі бактерії.

 

2.1. Дріжджі як основна сировина у виготовленні

хлібобулочних виробів

 

У хлібопекарському виробництві використовують різні види товарних дріжджів: пресовані, сухі, дріжджове молоко та дріжджі спеціального призначення (осмотолерантні, напівсухі заморожені, не чутливі до пропіонату кальцію, збагачені мікроелементами тощо).

В середньому в сухих речовинах хлібопекарських дріжджів міститься, %: білків — 50, вуглеводів — 40,8, жирів — 1,6, золи — 7,6.

Склад органічних речовин хлібопекарських дріжджів (% на СР):

азот загальний 6-8

білкові речовини 37-50

Жир 1,5-2,5

зола 6-10   Азотисті речовини дріжджів представлені в основному білками, нуклеїновими сполуками, амідами, пептонами,…

Борошно

Відповідно до ГОСТ Р 52189-2003 «Борошно пшеничне. Загальні технічні умови», пшеничне борошно щодо цільового використання поділяють на пшеничне… Борошно оббивне одержують майже із цілого очищеного зерна з виходом 96 %.… У хлібопекарському виробництві пред'являють певні вимоги до кількості та якості клейковини, що відмивається з…

Хлібопекарські властивості борошна

Мікроорганізми напівфабрикатів хлібопекарського виробництва

При внесенні в тісто дріжджів відбувається зміщення окисно-відновного потенціалу напівфабрикатів у напрямі підсилення відновних властивостей, що… Відомо, що визначальним фактором в направленості мікробіологічних процесів у… Джерелом чистих культур можуть бути як музейні штами, які використовуються в хлібопекарській промисловості, так і…

Таблиця 2.2

Saccharomyces minor (рис. 2.2). Дріжджі цього виду специфічні для густих…  

Молочнокислі бактерії

Всі паличковидні бактерії включені в сімейство Lactobacillaceae, до якого входить один рід Lactobacillus. Для ідентифікації паличковидних молочнокислих бактерій найбільш поширеним є… Thermobacterium – строгі гомоферментативні бактерії

Продукти життєдіяльності молочнокислих бактерій

У бродінні напівфабрикатів із пшеничного борошна молочнокислі бактерії приймають участь у накопиченні кислотності тіста, утворенні смакового і…   2.4. Закваски для одержання хлібобулочних виробів

Таблиця 2.5

Мікроорганізми житніх заквасок

Підвищення вологості закваски до 75 % знижує інтенсивність кислотонакопичення в результаті зменшення кількості поживних речовин для молочнокислих… Отже, при створенні тієї чи іншої технологічної схеми приготування житнього…

Таблиця 2.6

Технологічні показники житніх заквасок

У густих заквасках це досягається за рахунок низької температури, яка стримує процес кислотонакопичення. Рідкі закваски, навпаки, отримують при…

Технологічні схеми приготування хліба

Тісто з пшеничного борошна готують однофазними (безопарним та прискореними – з активацією дріжджів, з використанням концентрованої молочнокислої… У хлібопекарській промисловості застосовують також інші способи приготування… Якість тіста зазвичай контролюють за такими показниками: кислотність, масова частка вологи, газоутворення,…

Процеси, що лежать в основі приготування тіста

В основі приготування тіста лежить ряд складних біохімічних, мікробіологічних, колоїдних та фізико-хімічних процесів, оптимальний перебіг яких… Біохімічні процеси в тісті характеризують за змінами у білково-протеїназному… У результаті гідролізу крохмалю амілолітичними ферментами борошна (α- та β-амілазою) в тісті під час його…

Смакові й ароматичні речовини хліба

Складний комплекс різних речовин, що утворюються в процесі бродіння тіста і при випіканні хліба, визначає його аромат. Цей комплекс включає в себе… Оксиметилфурфурол утворюється при випіканні хліба аналогічним чином (шляхом дегідратації гексоз) і надає приємний…

Які біохімічні процеси лежать в основі приготування тіста?

24. Які біохімічні процеси в тісті характеризують за змінами у білково-протеїназному та вуглеводно-амілазному комплексах борошна? 25. Охарактеризуйте смакові й ароматичні речовини хліба.  

Таблиця 3.2

  Окремі групи вин характеризуються спільністю використовуваних при їхньому… Готові вина повинні задовольняти вимогам ДСТУ 7208-70. Органолептична оцінка якості вин проводиться за десятибальною…

Дріжджі винограду і вина

Дріжджі – збудники спиртового бродіння – широко поширені в природі, особливо в місцях переробки винограду: в ґрунті виноградників, на листі і… Пригнітити розвиток у суслі шкідливих і небажаних мікроорганізмів можна… Для культур дріжджів, виділених з винограду, зброджуваних соків, сусла і вин, прийнято використовувати термін «винні…

Технологічні особливості одержання виноматеріалів

Технологічні особливості переробки винограду і одержання виноматеріалів обумовлені структурою плодів винограду та їх хімічним складом. Плоди… Етап одержання виноматеріалів складається з таких технологічних операцій: - відокремлення гребенів від грон винограду на гребневідокремлюючих машинах;

БІОТЕХНОЛОГІЯ ПИВОВАРІННЯ

Пиво – це слабоалкогольний пінний напій, одержаний спиртовим зброджуванням охмеленого сусла пивними дріжджами. Пиво не тільки вгамовує спрагу, а й… Пиво являє собою досить складну систему органічних і неорганічних кристалоїдів… Насамперед якість пива повинна задовольняти вимогам та смаку споживача. Це аромат і смак пива, хмелева приємна…

Сировина для пивоваріння

Основною сировиною для виробництва пива є ячмінь, хміль, вода, дріжджі. В якості несолодових матеріалів, тобто без пророщування, використовують… Ячмінь – злакова культура, яка є основним джерелом для приготування пива.… З технологічної точки зору кращим є ячмінь, який легко проростає і втрачає при цьому мінімальну кількість поживних…

Технологія виробництва дріжджів для

Одержання світлого пива

Зберігання чистої культури дріжджів. Після відбору рас дріжджів з кращими властивостями, їх зберігають у лабораторії як чисті культури, і залежно… Чисті культури при зберіганні в лабораторії легко піддаються мутаціям, які… Вибираючи спосіб зберігання, враховують також, у який період необхідно використовувати культури для розмноження у…

Технологічні особливості одержання пива

Виробництво пива – досить складний та тривалий процес, який складається з таких основних технологічних етапів (рис. 4.1): - приготування пивного сусла; - зброджування сусла;

КОНСЕРВУВАННЯ ОВОЧІВ ТА ІНШИХ ПРОДУКТІВ

Необхідність збереження овочів для вживання їх протягом усього року призвела до виникнення ряду нових харчових продуктів. На сьогодні застосовують різні методи консервування – фізичні, хімічні,…  

Фізичні та біохімічні процеси при квашенні овочів

Фізичні процеси при квашенні овочів – осмос і дифузія – виконують допоміжну функцію. Вони спричинені додаванням у сировину солі, яка підвищує… Процес дифузії проявляється дещо пізніше, коли починає вирівнюватися… Основний біохімічний процес, що лежить в основі квашення (соління, мочіння) овочів (плодів), – бродіння. Консервування…

Контрольні запитання

 

1. Чим зумовлена необхідність консервування овочів та інших продуктів?

2. Які види консервування рослинної сировини засновані на біохімічних процесах за участю мікроорганізмів?

3. У чому різниця між квашенням, солінням і мочінням плодів і овочів?

4. Який основний процес лежить в основі консервування плодів і овочів за участю мікроорганізмів?

5. Охарактеризуйте процес ферментації при квашенні капусти.

6. У чому відмінність біохімічних процесів при квашенні та мочінні рослинної сировини?

7. Охарактеризуйте метод консервування овочів засоленням.

8. Які мікроорганізми приймають участь у солінні рослинної сировини?

Які фізичні та біохімічні процеси протікають при квашенні овочів?

10. З якою метою використовують цукровий розчин і житній солод при мочінні плодів та ягід?

 

ЗАСТОСУВАННЯ ФЕРМЕНТНИХ ПРЕПАРАТІВ У

  У харчовій промисловості ферментні препарати відіграють велике значення.… Одним з найважливіших завдань харчової промисловості є розвиток комплексної переробки сировини і відходів харчової…

Особливості мікробного синтезу ферментів

У спеціально створених умовах мікроорганізми здатні синтезувати величезну кількість різноманітних ферментів. Вони невибагливі до складу поживного… Способи культивування мікроорганізмів-продуцентів. Розроблено і впроваджено у… Поверхневий спосіб у промисловості використовують для культивування мікроміцетів на поверхні твердого субстрату з…

Ферменти у хлібопекарському виробництві

Необхідність застосування в хлібопекарському виробництві екзогенних ферментів пов'язана в основному з нестачею ендогенних ферментів, особливо в… Ферментні препарати широко застосовують у хлібопекарському виробництві як… Основними завданнями, які розв'язуються за допомогою ферментів, є підвищення якості хліба (особливо при використанні…

ДЖЕРЕЛА ХАРЧОВОГО БІЛКА

 

Зростаючий у світі дефіцит білка для забезпечення харчування людини змушує шукати нові та нетрадиційні джерела харчових білків. Виробництво високопоживних харчових білкових продуктів (м'ясних, молочних, зернових) з добавкою протеїнових інгредієнтів повинне бути економічним і ефективним. При цьому необхідно підвищувати безвідходність технологій, враховувати вимоги зниження енергоємності й захисту навколишнього середовища.

Для одержання рослинного харчового білка використовують пшеницю, сою, овес, льон, соняшник, кунжут, сочевицю, горох, побічні продукти переробки зерна, зелені частини рослин, мікробну біомасу.

Білоквмісні продукти поділяють на три групи:

– білкові ізоляти (вміст сирого протеїну не менше 85%),

– білкові концентрати (не менше 65% сирого протеїну),

– білкові продукти (не менше 30% сирого протеїну).

 

Соєвий харчовий білок

Соя – найважливіша білково-олійна культура світового землеробства. Це одна з найдавніших культурних рослин, відомих в Азії. За стародавністю соя конкурує з рисом.

У наш час на досить високому рівні в багатьох країнах перебуває виробництво продуктів із соєвих бобів, які використовуються для випуску різноманітного асортименту харчових продуктів. Інтерес до соєвих продуктів пов'язаний, насамперед, з унікальним хімічним складом сої. Вона не має собі рівних серед сільськогосподарських культур за вмістом білкових речовин, які за амінокислотним складом були б так само близькі до тваринного білку і засвоювалися організмом людини на 90%. Крім того, соєві продукти володіють цілим рядом функціональних властивостей.

За вмістом білка, жиру, фосфатидів і деяких інших поживних речовин соя значно перевершує багато олійних і злакових культур.

Харчову цінність насіння сої наведено в таблиці 7.1.

Таблиця 7.1

Харчова цінність насіння сої

Крім зазначених вітамінів, у насінні сої містяться інші вітаміни, кількість яких незначна. Так, наприклад, кількість вітаміну Д у сої й продуктах її… Висока харчова й біологічна цінність сої та широка апробація соєвих бобів у… Харчові продукти із соєвих бобів: соєве борошно; соєве молоко; консерви; напої; порошки; йогурти; соуси; дієтичні…

Рис. 7.1. Схема виробництва соєвих білкових концентратів.

1) кисле промивання соєвого знежиреного борошна при рН 4,5.

Це дозволяє розчинити цукор і зберегти білки. Сирий білковий концентрат потім висушують і нейтралізують.

2) екстракція білкових пластівців 60-80 %-им розчином етанолу.

Цукор та інші компоненти розчиняють у спирті й видаляються, у той час як білки й полісахариди, нерозчинні в спирті, залишаються в незмінному виді.

3) денатурація білка за допомогою вологотеплової обробки з наступною екстракцією водою.

Третій спосіб полягає в нагріванні сировини, для переведення білків у нерозчинний стан, з наступним промиванням водою.

Соєві білкові ізоляти. Виділені білки (ізоляти) – найбільш зручні форми використання білкових препаратів. Однак, недоліком застосування ізолятів є використання при їх виділенні кислот та лугів, високої температури, тиску, що призводить до часткового руйнування амінокислот.

Основну частину соєвих ізолятів виготовляють шляхом екстракції, осадження й нейтралізації, проведених при заданих значеннях рН 3,8-4,5, з наступним сушінням отриманого продукту. Схему одержання соєвого білкового ізоляту наведено на рис. 7.2.

Для підвищення відсотку білка в ізоляті й поліпшення властивостей продукту можуть використовуватися додаткові технології: подвійне промивання сировини, ультрафільтрація, механічні навантаження, гідроліз білка.

Рис. 7.2. Схема виробництва соєвих білкових ізолятів.

 

Ферментовані харчові продукти із сої

Соя належить до числа головних харчових культур в країнах Азії, особливо в Китаї та Японії. У східній кухні соя – головне джерело білка і олії. На… Міцелій мікроскопічних грибів здавна використовується в харчуванні людини. У… Соєвий соус готують на основі каші з набряклих і відварених бобів сої. В соєву суміш вносять закваску, яка містить…

Порівняння продуктивності основних білоквмісних культур і Spirulina

Генетичне вдосконалення штамів Spirulina значно підвищило врожаї. Ще один напрям використання ціанобактерій – одержання з Spirulina каротиноїд них… У Японії з ціанобактерій розроблений спеціальний корм для декоративних рибок,… В даний час багатьма науковими установами Росії і за кордоном проведена успішна розробка методів одержання кормового…

Органічні харчові кислоти

Органічні кислоти широко використовують у харчовій промисловості у технологічних процесах та як хімічну сировину. Окремі органічні кислоти (лимонну,… Органічні кислоти в системі мікробного метаболізму є продуктами деградації… Харчовими прийнято вважати 4 органічні кислоти: лимонну, молочну, оцтову і винну. Іноді до них відносять яблучну і…

Лимонна кислота

Лимонна кислота (СН2 – СООН– СОНСООН– СН2СООН) – трьохосновна оксикислота (рис.8.1), розповсюджена в плодах та ягодах. Рис. 8.1. Структурна формула лимонної кислоти.

Оцтова кислота

Оцтова кислота (СН3СООН) (рис. 8.5) – широко використовується в харчовій, промисловості. Рис. 8.5. Структурна формула оцтової кислоти.

Вітаміни

На сьогодні за допомогою мікробного синтезу одержують такі вітаміни, як деякі вітаміни групи В: В12, В2, каротиноїди, вітамін D та ін. Вітамін В12(цианкобаламін). Особливістю вітаміну В12 порівняно з іншими… У тканинах тварин концентрація вітаміну низька (у печінці бика 1 мг/кг) для того, щоб використовувати це джерело з…

Таблиця 8.1

Промислові мікробні полісахариди (по Gruger, 1984)

Полісахарид	Продуцент
Ксантан Альгінат Курдлан Склероглюкан Пуллан Декстран	Xanthomonas campestris Pseudomonas aeruginoza, Azotobacter vinelandii Alcaligenes Sclerotium glucanicum, S. delphinii, S. rolfsii Pullularia pullulans Acetobacter sp., Leuconostoc mesenteroides, L. dextranicum, Streptococcus mutans

 

Декстран. Продуцентами декстранів є штами Leuconostoc mesenteroides, які ростуть на середовищі із високим вмістом сахарози (10-30 %), декстраном-«затравкою», дріжджовим екстрактом та мінеральними солями. Залежно від складу мінеральних солей та природи «затравки» синтезуються високомолекулярні (60-80 тис.) лінійні чи ті, які мають низьку молекулярну масу (20-30 тис.) розгалужені декстрани. Останні володіють найбільшою біологічною активністю. Із декстранів випускають плазмозамінники (клінічний декстран, поліглюкін, плазмодекс, хемодекс та ін.).

Типовий приклад ферментації – глибинна періодична культура, яка реалізується на першому етапі з метою утворення біомаси продуцента при надлишку цукрів та рН 6,5-8,0. Синтез декстрансахарози, який веде до утворення гліканів, найбільш інтенсивний при рН близько 7,0. Крім іонів магнію синтез декстранів стимулюється при заміні сахарози мелясою. Бактерії розчеплюють сахарозу з утворенням глюкози і фруктози. Остання зброджується по гетероферментативному шляху з утворенням молочної та оцтової кислот, маніту та вуглекислоти. Глюкоза швидко полімеризується в декстран. Процес завершується через 24 год. Виділення декстрану із культури проводять метанолом, для наступної очистки – багаторазово розчиняють у воді, переосаджують метанолом та фракціонують.

Декстрансахароза є екзоферментом, і її концентрація в культуральному середовищі значна. Тому можливий процес одержання полісахариду на основі розчинного ферменту. Культуральна рідина із декстрансахарозою при рН близько 5,0 та температурі 15 °С здатна близько 1 місяця проявляти високу ферментативну активність.

Реалізований процес на основі культурального середовища із ферментом, яке містить сахарозу та декстран-«затравку», – процес полімеризації завершується протягом 8 год. Цей спосіб значно спрощує процедуру ферментації та стадію виділення і очищення декстрану, і дозволяє у контрольованих умовах одержати продукт заданої молекулярної маси. Перспективи має також процес на основі іммобілізованої декстрансахарази. В середині 90-х років розпочато випуск кон´югатів модифікованого декстрану з ферментом стрептокіназою. Преперат являє собою пролонговану декстраном форму стрептокінази.

Ксантан. Ксантан, який продукується бактеріями Xanthomonas campestris, володіє унікальними реологічними властивостями. У низьких концентаціях утворює дуже в'язкі розчини і володіє псевдопластичністю; його розчини не змінюють свої реологічні властивості при зміні температури, рН, соленості в широких межах. Стуктурна формула ксантану наведена на рис. 8.8.

 

Рис. 8.8. Структурна формула ксантану.

 

Ксантан використавують у харчовій промисловості в якості стабілізуючого агента при приготуванні деяких сортів сиру, для поліпшення смакових властивостей консервованих і заморожених продуктів, приправ, соусів, кремів, фруктових напоїв, при виготовленні хліба з низьким вмістом клейковини. З використанням ксантану розроблено також пакувальні матеріали для харчових продуктів. Об'єми виробництва ксантану – найбільш крупнотонажні, порівняно із іншими гліканами. Товарна назва продукту, який випускається – ксантан, келцан, келтрол.

Одержують ксантани в умовах періодичної глибинної культури на середовищах, які містять 1-5 % вуглеводів (кукурудзяний крохмаль, цукор-сирець, чи меляса), а також органічні сполуки азоту, двозаміщений фосфорнокислий калій, мікроелементи. Ферментація триває протягом 3 діб при 28 °С та рН 6,5-7,2 у дві фази: на першій відбувається ріст клітин та накопичення біомаси, на другій (при дефіциті азоту в середовищі) – відбувається утворення полісахариду. Осаджують полісахариди в культуральній рідині метанолом, одержаний осад висушують.

Альгінат. Даний полісахарид раніше виділяли із морської водорості Laminaria. Хімічна формула альгінату – (С₁₂Н₁₄О₁₂Х)n, де Х – це Са, Nа, К і т.д.

Альгінат володіє за певних умов чудовими гелеутворюючими, а також псевдопластичними властивостями у широкому діапазоні рН та температур, та використовується у кондитерській промисловості. Встановлено, що альгінат є кращим носієм для іммобілізації ферментів і, особливо, цілих клітин. Порівняно недавно серед бактерій ідентифіковані продуценти полісахариду, близького альгінату (Pseudomonas aeruginoza, Azotobacter vinelandii). Процес реалізований у промисловості на середовищах із надлишком вуглецю. Змінюючи концентрацію фосфату в середовищі, можна впливати на молекулярну масу полімеру, який синтезується, а при зміні концентрації кальцію змінюється співвідношення моносахаридів, які входять до складу даного глікану, і, відповідно, його властивості.

Курдлан. Бактерії Alcaligenes faecalis штам 10С3 синтезують курдлан, який являє собою полімер глюкози. Важлива властивість даного полісахариду – утворення термічностійких гелів. При нагріванні більше 64 °С відбувається гелеутворення курдлану; пружність гелю не змінюється в діапазоні температур 60-80 °С і помітно зростає при збільшенні температури до 120 °С, при цьому одинична спіраль переходить у потрійну. Курдлан нерозчинний у холодній воді. Хімічна формула курдлану – (С₆Н₁₀О₅)_n.

Ферментація проходить у глибинній періодичній культурі протягом 80 год на середовищах, які містять 8 % глюкози; вихід полісахариду становить близько 40 г/л. У зв'язку із різноманітними властивостями даного продукту технологія його одержання інтенсивно удосконалюється.

Курдлан володіє протипухлинною активністю, тому використовується в медицині. Ацетильні похідні курдлану використовують в якості основи ультрафільтраційних напівпроникних мембран для розділення речовин з молекулярною масою 200-2000.

Пулулан. Полісахарид продукується мікроміцетом Aиerobasidium pullulans на середовищах, які містять 50 % глюкози протягом 80-100 год. В'язкість пулулану залежить від рН середовища: вона мінімальна при рН 4,0, молекулярна маса при цьому становить близько 200 тис., при збільшенні рН молекулярна маса збільшується. Пулулан використовують у якості біоруйнівного пакувального матеріалу для харчових продуктів; він володіє також антиокиснювальними властивостями.

Склероглюкан. Склероглюкан (товарна назва – політран) синтезують мікроміцети роду Sclerotium. Синтез даного полісахариду, на відміну від багатьох інших, максимальний на ранній лаг-фазі 48 год. культури. Процес розроблений на середовищах із глюкозою, у тому числі в проточному режимі, вихід полісахариду від асимільованої глюкози становить 50 %. За низьких концентрацій (1,5 % розчини) утворюють у воді пружні гелі, які не змінюють своїх властивостей в широкому інтервалі температур. Використовують у якості покриття насіння, пестицидів, а також при виготовленні латексів та барвників.

Задачею біотехнології є удосконалення мікробіологічних процесів одержання полісахаридів з використанням ефективних штамів-продуцентів, при розширенні сировинної бази за рахунок заміни дороговартісних цукрів більш доступними субстратами, а також модифікація фізико-хімічних властивостей самих гліканів.

 

Контрольні запитання

 

1. Які органічні кислоти використовують у харчовій промисловості, з якою метою?

2. Порівняйте біотехнологію одержання лимонної та молочної кислот.

3. У чому полягають переваги органічних кислот, одержаних мікробіологічним синтезом?

4. Назвіть продуцентів оцтової кислоти.

5. Які основні параметри культивування продуценту лимонної кислоти?

6. Як здійснюють ферментацію з метою одержання глюконової кислоти в промислових масштабах?

7. Які амінокислоти використовують у харчовій промисловості?

8. Яка мета застосування глютамінової кислоти та її солей у харчових технологіях?

9. Які амінокислоти використовують як поліпшувачі органолептичних показників м´ясних продуктів?

10. Які вітаміни, одержані мікробним синтезом, використовують у харчовій галузі і з якою метою?

11. Охарактеризуйте мікробіологічні процеси одержання полісахаридів.

12. Назвіть галузі використання полісахаридів у харчовій промисловості.

 

9. ГЕННО-МОДИФІКОВАНІ ДЖЕРЕЛА ХАРЧОВОЇ ПРОДУКЦІЇ

 

Можливості генетичної інженерії дозволяють створювати генетично модифіковані джерела харчової продукції. Рослини, тварини, мікроорганізми, одержані за допомогою генно-інженерної біотехнології, називають генетично зміненими, а продукти їх переробки – трансгенними харчовими продуктами, або генетично-модифікованими організмами (ГМО).

Генетична інженерія рослин

В наш час трансгенні сільськогосподарські рослини, в першу чергу соя, кукурудза і хлопчатник, лише в США займають площу більше 200 млн. акрів. До… Формальною датою народження генетичної інженерії рослин прийнято вважати 1982… Створення генетично модифікованих джерел рослинного походження, що є сировиною для виробництва харчових продуктів,…

Використання біомаси генетично модифікованих мікроорганізмів

Відповідно до прогнозів до 2050 року населення Землі зросте до 10 млрд. чоловік і для забезпечення його потреби в продукції сільського господарства… Добавка однієї тонни БВК до кормів забезпечує економію 7 тонн фуражного зерна… Інший вид сільськогосподарської біотехнологічної продукції – незамінні амінокислоти, виробництво яких для медицини та…

Способи одержання генетично-модифікованих мікроорганізмів

Як відомо, здатність організмів синтезувати ті чи інші біомолекули, в першу чергу білки, закодовано в їх геномі. Тому достатньо «включити» потрібний… В основі всіх досягнень генетичної інженерії лежить відкриття однієї із… Основна частина дослідів, які призвели до розвитку генної інженерії, проводилися на класичному об’єкті – бактеріях…

Які є способи одержання генетично модифікованих мікроорганізмів?

10. Які ферменти використовуються у генній інженерії мікроорганізмів?   СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

ХАРЧОВА БІОТЕХНОЛОГІЯ

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

для студентів напряму 6.051401 «Біотехнологія»

денної та заочної форм навчання

 

Укладачі: Антонюк Марія Миколаївна

Скроцька Оксана Ігорівна

 

 

Комп’ютерна верстка

 

 

Підп. до друку. 00.00.13 р. Обл.-вид. арк. Наклад. пр.

Вид. № . Зам. №

РВЦ НУХТ. 01601 Київ, вул. Володимирська, 68

www. book. nuft. edu. ua

Свідоцтво про реєстрацію