Традиционная биотехнология зародилась десять-двенадцать тысяч лет назад, когда закончилось последнее оледенение. Веками человек использовал микроорганизмы для выпечки хлеба, приготовления пива, сыра, выращивания сои, производства вина, витаминов. Интерес к производству пищевых продуктов не ослабевает и в наше время, но эти производства перешли на новый уровень с использованием всех новейших достижений современной биологии.
Разрабатываются биотехнологии получения экологически чистой пищи для обеспечения сбалансированного питания как на основе высших растений, так и с помощью микробиологического синтеза.
Продукты биотехнологического производства
Продукты биотехнологии являются результатом функционирования биологических систем для технических и промышленных процессов. Сюда относятся как традиционные организмы, так и организмы, явившиеся результатом генной инженерии.Растения являются наиболее дешевым продуцентом белков и других продуктов питания. Стоимость белка, полученного путем сельскохозяйственного культивирования сои или кукурузы, составляет менее 1 дол./кг. В то время как использование в настоящее время микробных клеток в закрытых системах (ферментерах) и особенно культивируемых клеток животных в качестве продуцентов фармацевтических белков обходится в сотни и тысячи раз дороже. Поэтому исследования последних лет имели целью, с одной стороны, показать возможность получения биологически эквивалентных форм того или иного белка в трансгенных растениях, а с другой, - повысить содержание белка и облегчить и удешевить его последующую очистку.
К настоящему времени уже показано, что растения могут производить белки животного происхождения, такие как энкефалин, моноклональные антитела, специфичные для бактерий, вызывающих зубной кариес. Предполагается, что на основе таких моноклональных антител, продуцируемых трансгенными растениями, удастся создать действительно антикариесную зубную пасту.
Из других белков животного происхождения, которые представляют интерес для медицины, показана продукция в растениях человеческого в-интерферона. Получен картофель, экспрессирующий олигомеры нетоксичной субъединицы В-токсина холеры. Эти трансгенные растения могут быть использованы для получения дешевой вакцины против такого заболевания, как холера. Причем в случае холеры иммунизация вполне эффективно происходит при пероральном приеме вакцины.
Генетическая инженерия метаболизма растительных жиров уже привела к новым коммерческим продуктам. Важнейшим сырьем для получения разного рода химических веществ являются жирные кислоты - основной компонент растительного масла. В 1995 г. была закончена экспериментальная проверка и получено разрешение от федеральных властей США на выращивание и коммерческое использование трансгенных растений рапса с измененным составом растительного масла, включающего вместе с обычными 16- и 18-членными жирными кислотами также и до 45 % 12-членной жирной кислоты - лауриновой. Это вещество широко используется для производства стиральных порошков, шампуней, косметики.
Дальнейшее изучение специфики биохимического синтеза жирных кислот, по-видимому, приведет к возможности управлять этим синтезом с целью получения жирных кислот различной длины и различной степени насыщения, что позволит значительно изменить производство детергентов, косметики, кондитерских изделий, затвердителей, смазочных материалов, лекарств, полимеров, дизельного топлива и многого другого, что связано с использованием углеводородного сырья.
Однако 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 растениеводства и животноводства, с одной стороны, и микробного синтеза, с другой, в формировании продовольственной базы человечества.
Львиную долю продуктов, созданных на основе современных биотехнологий (генетической инженерии), составили фармацевтические белки, прежде всего инсулин, альфа-интерферон, антиген вируса гепатита В, эритропоэтин, фактор стимулирования гранулоцитов и многие другие вещества. В этих молекулах заключена такая мощь, что у множества разнообразных заболеваний, еще пять лет назад бывших неизлечимыми, появляется совершенно иной прогноз.
Например, достигнут существенный прогресс в борьбе с раком и возрастной слепотой - заболеваниями прежде неизлечимыми. Несколько лет назад в стадии клинических испытаний находилось менее 10 противораковых препаратов, большинство из которых представляли собой высокотоксичные средства химиотерапии. Сегодня испытания с участием людей проходят более 400 противораковых лекарств, и почти все они - целевого действия, на основе биотехнологий и с минимальными побочными эффектами.
На основе биотехнологий создано 230 лекарственных препаратов и сопутствующих продуктов, включая лекарства от бессонницы, множественного склероза, острой боли, хронической болезни почек, недержания, язв полости рта и рака.
Ни для одного раздела медицины биотехнология не сделала так много, как для онкологии. С появлением новых лекарств, которые уничтожают только клетки опухоли, почти не повреждая здоровые ткани, изменилась вся парадигма лечения рака.
Теперь медицина рассматривает рак как хроническое, поддающееся лечению заболевание. Только в 2004 г. FDA одобрила четыре целевых препарата против рака - Avastin, Tarceva, Iressa и Erbitux. Применение Avastin от компании Genentech позволяет продлить жизнь пациентов с раком легких, груди и кишечника - первейшая задача для всякого препарата от рака.
Создано и выпущено на рынок множество новых биотехнологических продуктов, повышающих урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность сельскохозяйственных животных.
Продуктами биотехнологии являются возобновляемые источники энергии - различные виды биотоплива. Налажено производство этанола из сырья, содержащего сахарозу, глюкозу, фруктозу, другие моно- или олигосахариды, крахмал или целлюлозу, с помощью дрожжей или бактерий. В настоящее время этанол все в большей мере применяется в качестве экологически чистого моторного топлива. Поставлено производство бутанола и ацетона с использованием бактерий-бродильщиков рода Clostridia. Технология производство водорода испытана пока только в масштабе лаборатории.
Получение метана, или биогаза, осуществляемое смешанной микробной культурой, устраняет отходы, угрожающие планете, и производит ценное газообразное топливо, заменитель природного газа. Перспективно производство длинноцепочечных углеводородов (бионефти) из биомассы углеводородсинтезирующих одноклеточных водорослей. Эти водоросли могут быть выращены в биореакторе в виде чистой культуры. Их можно также культивировать в составе природных экосистем в озерах, прудах или лагунах.
Продолжают развиваться процессы получения традиционных биотехнологических продуктов, к которым можно отнести антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений, ферменты, аминокислоты, витамины и т.д. Молекулы антибиотиков очень разнообразны по составу и механизму действия на микробную клетку. При этом в связи с возникновением устойчивости патогенных микроорганизмов к старым антибиотикам постоянно существует потребность в новых. В некоторых случаях природные микробные антибиотические продукты химическим или энзиматическим путем могут быть превращены в так называемые полусинтетические антибиотики, обладающие более высокими терапевтическими свойствами.
Микроорганизмы способны осуществлять реакции трансформации, в которых те или другие соединения превращаются в новые продукты. Условия протекания этих реакций мягкие, и во многих случаях микробиологические трансформации предпочтительнее химических. Пример существующих крупномасштабных промышленных биоконверсий - производство уксуса из этанола, глюконовой кислоты из глюкозы. Широко используется микробная модификация стероидов, которые являются сложными полициклическими липидами. Теперь с использованием биоконверсии получают кортизон, гидрокортизон, преднизолон и целый ряд других стероидов, что в сотни раз снижает себестоимость производства стероидов.
Пока получение ферментов с помощью микроорганизмов более выгодно, чем из растительных и животных источников. Микробные клетки продуцируют более 2 тысяч ферментов, катализирующих биохимические реакции, связанные с ростом, дыханием и образованием продуктов. Многие из этих ферментов могут быть выделены и проявляют свою активность независимо от клетки. В мире производится около 20 ферментов в объеме 65 тыс. т (а существует, как предполагают 25 000 ферментов).
Например, промышленным способом производят такие ферменты, как амилаза, глюкоамилаза, протеаза, инвертаза, пектиназа, каталаза, стрептокиназа, целлюлаза, липаза, целлюлаза, оксидаза и др. Использование иммобилизованной глюкозоизомеразы для непрерывного получения глюкозы является наиболее крупным процессом такого рода в мире.
Микробные ферменты активно используют в клинической диагностике при определении уровня холестерина в крови и мочевой кислоты. Ферменты предлагают использовать для очистки канализационных и водопроводных труб и во многих других сферах человеческой деятельности. Ферменты для медицинских или аналитических целей должны быть высокоочищенными.
Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического синтеза или экстракцией из белковых гидролизатов. Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем путем химического синтеза. За рубежом 60 % мощностей по производству аминокислот занимает глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. С помощью микроорганизмов можно получить до 60 органических кислот. Многие из них получают в промышленном масштабе - итаконовая, молочная, уксусная, лимонная.
Витамины синтезируют в основном химическим путем или получают из естественных источников. Однако рибофлавин (В2), витамин В12 и аскорбиновую кислоту получают микробиологическим путем. Существует производство рибофлавина на основе использования дрожжеподобных грибов Eremothecium ashbyii и Ashbia gossypii. Рибофлавин продуцируется также видами Clostridium и Ascomycetes. Микроорганизмы являются также ценным источником получения никотиновой кислоты (витамин РР).
Микроорганизмы являются источником получения липидов специального назначения с заранее определенными свойствами. Микробные жиры заменяют растительные (а в ряде случаев и превосходят) и могут использоваться в разных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицине.
Микроорганизмы являются важным источником получения полимерных материалов на основе полисахаридов. Ценным микробным полисахаридом является декстран, образуемый бактериями рода Leucomonstoc. Декстран служит основой получения медицинских препаратов (кровезаменителей) и препаратов для биохимических исследований - сефадексов и других молекулярных сит. Одним из перспективных биодеградируемых полимеров, синтезируемых бактериями, являются полигидроксиалканоаты. Область использования этого класса полимеров широка - от сельского хозяйства до медицины.
С молекулярной биотехнологией человечество связывают самые большие надежды и по возможности точной диагностики, профилактики и лечения множества инфекционных и генетических заболеваний, и по значительному повышению урожайности сельскохозяйственных культур, и по многим другим до сих пор нерешенным проблемам.
К сожалению, львиную долю стоимости производства зачастую составляет не наращивание биомассы, а последующие процессы выделения и очистки продукта. Стоимость очистки тем выше, чем ниже концентрация вещества в клетках. Это особенно важно в случае фармацевтических препаратов, требующих высокой степени чистоты.
В данной главе будет рассматриваться последняя стадия получения целевого продукта - его выделение. Эта стадия существенно различается в зависимости от локализации продукта и его химической природы. Если продукт находится в культуральной жидкости, то он, как правило, образует очень разбавленные растворы и суспензии, содержащие, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, поэтому необходимо использовать методы, позволяющие провести разделение, например, тот или иной вид хроматографии.
Если целевой продукт локализуется в клетке, то необходимо использовать более сложный подход к его извлечению из клетки.
Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Сегодня биотехнология в пищевой промышленности развивается стремительными темпами. В повседневной жизни мы постоянно пользуемся продуктами, произведенными с помощью биотехнологических процессов. Наиболее часто используют молочнокислую и алкогольную продукцию - йогурты, закваски, кефиры, сыры, пиво, вино, а также хлебобулочную и т. д. Данные изделия приготовлены с помощью ферментов, которые образуют специально культивированные микроорганизмы. В наши дни применение пищевой биотехнологии позволяет производить новые виды продукции понижая затраты на производство, что является стимулирующим фактором развития пищевой промышленности. При этом значительно улучшается качество сельскохозяйственных и продуктов животного происхождения, а их полезность и безопасность повышается в разы.
Пищевая биотехнология включает в себя все технологические процессы, направленные на создание, оптимизацию или улучшение определенных характеристик и свойств живых организмов (бактерий, растений и животных). Она имеет практическое применение в научной сфере, биологии, экологии, сельском хозяйстве, здравоохранении, производстве продуктов и т. д.
Пожалуй, самое основное призвание биотехнологии в пищевой промышленности - оптимизация традиционных методик по изготовлению вина, этанола, сыра, хлеба, а также продуктов где активную роль принимают различные микроорганизмы, успешно культивируемые человеком для извлечения определенной пользы. Причем на данный момент все используется осознанно, с пониманием того, что делается. Такой подход ведет к активному применению биотехнологических методов во многих отраслях пищевой промышленности. Для изучения биотехнологии и внедрения инноваций образованы научно-исследовательские институты, занимающиеся данной сферой. Их деятельность направлена на поиск и улучшение различных механизмов и методов, способствующих улучшению получаемых продуктов, например, получению активных ферментов, заквасок, естественных красителей, пищевого протеина, ароматизаторов, эмульгаторов и еще многих полезных человеку продуктов.
Для обеспечения нормального функционирования человеческого организма необходимо использование пищевых добавок, внесение в пищу незаменимых аминокислот, различных витаминов, микроэлементов, протеинов, клетчатки и т. д. Создание новых лекарств, например, инсулина, увеличение сроков хранения продуктов, повышение их питательной ценности, изменение консистенции, насыщение пищи полезными бактериями и микроорганизмами для улучшения пищеварения и усваивания потребленной еды - всё это достигается благодаря пищевой биотехнологии. Промышленная биотехнология занимает важное место в жизнедеятельности человека потому, что с каждым днем возрастает потребность в создании новых лекарств и биологических добавок.
Увеличение численности людей на планете заставляет ученых искать новейшие направления в науке. Сегодня без биотехнологических инноваций невозможно представить существование промышленности. В животноводческом хозяйстве используются генномодифицированные организмы, в медицине получают лекарства для борьбы с заболеваниями, даже таких сложных, как онкологические. Новая биология всё больше уделяет внимание изучению микроорганизмов и их жизнедеятельности, поскольку они приносят очень много пользы и человечеству, и природе. С каждым годом биотехнологическое производство будет развиваться в еще больших масштабах и можно смело сказать, что биотехнология - это современная наука, которая способна к лучшему изменить мир.
Биотехнология в пищевой промышленности
Последние данные обнародованные ООН о количестве продовольствия и выработке продуктов сельского хозяйства показывают, что существует реальная проблема обеспечения человечества продуктами питания. Около половины населения не обеспечивается должным количеством пищи, примерно 500 миллионов людей голодают, 1/4 людей Земли питается недостаточно. Сегодня численность человек планеты составляет 7,5 миллиарда, таким образом, если не принять необходимых мер для повышения качества и количества продукции, то проблема нехватки пищи для народов развивающихся стран может иметь губительные последствия
Еда, которая принимается должна быть разнообразной, обогащенной необходимыми протеинами, липидами и углеводами, а также содержать все необходимые витамины и микроэлементы. Липиды и углеводы являются веществами, из которых клетки организма производят энергию, они ее также могут вырабатывать из белковой пищи, но если первые и вторые вещества можно заменить, то найти замену белку на данный момент невозможно.
Современные исследования показывают, что около 15 млн тонн белка ежегодно не хватает для обеспечения полноценного питания человечества. Самым большим источником белка сегодня являются масличные культуры. Соя и подсолнечник содержат около 30% полезных растительных белков, а их незаменимые аминокислоты крайне важны для жизнедеятельности человеческого организма. По содержанию некоторых аминокислот данные растительные белки можно сравнить с рыбным или птичьим белком. Соевая продукция широко используется в Соединённых Штатах Америки, Англии, и в развитых странах Европы, где этот белок, благодаря биотехнологическим процессом, стал очень ценными питательным продуктом.
Методика микробиологического синтеза позволяет применять в качестве источника протеина морские водоросли. Именно на эту особенность в последнее время обратили взгляд ряд ученых занимающиеся проблемами биотехнологии пищевой промышленности. Дело в том, что микроскопические водоросли способны очень быстро размножаться, а белок составляет примерно 70% от их собственного сухого веса. Подобные микроорганизмы способны синтезировать белок в 100 раз быстрее нежели это делают животные. Для примера корова весом около 400 килограмм способна в сутки вырабатывать 400 грамм чистого белка, в то время как 400 кг бактерий за это же время, синтезируют примерно 40 тысяч тонн протеиновых продуктов. Получение такого белка выгодно и менее трудоемко. Если сравнить, что для культивирования бактерий нужны лишь правильно созданные условия в биореакторах, откуда ежедневно можно вынимать большое количество белковой продукции, то сельское хозяйство требует значительных затрат ресурсов и времени. Сюда стоит добавить различные болезни, негативные природные факторы, такие как засухи, заморозки, нехватка или избыток солнечной радиации и так далее.
Современное биотехнологическое производство белковых продуктов построено на том, что формируются специальные белковые волокна, которые пропитываются необходимыми веществами, им предается нужная форма, цвет и запах. Такой подход позволяет заменить практически любой белок и сделать его по вкусу и внешнему виду подобному естественному продукту. Например, все видели на полках супермаркетов красную икру, очень похожую на лососевую, однако она приготовлена из морских водорослей. Так получают различные виды искусственного мяса, напоминающие говяжье и свиное мясо. Можно получать молоко, кисломолочные продукты и т. д. После лабораторной проверки и апробации данная продукция заполняет рынки продвинутых европейских стран: США, Африки и Азии. Например, в Британии ежегодно производится 1500 тонн в год подобной протеиновой продукции, а в Соединенных Штатах сегодня разрешается заменять 20-30% рациона школьников биотехнологическими белками, сделанными из соевого протеина.
Помимо того, что данные изделия могут заменить натуральное мясо, они отличаются некоторыми полезными характеристиками. Например, «растительное белковое мясо» будет обеднено холестерином, что оказывает положительное влияние на кровеносную систему. Данная продукция будет полезна людям, соблюдающим диету, тем кому противопоказан животный белок или жирное мясо, пожилым и людям у которых есть проблемы с пищеварением. Поэтому традиционные продукты можно и нужно заменять биотехнологическими. Такое мясо можно консервировать замораживать и делать с ним всё то, что делают с натуральным продуктом.
Стоит отдельно отметить использование аминокислот, получаемых синтетическим путем. Из двадцати аминокислот которые содержится в белках - восемь являются незаменимыми. Это означает, что человеческий организм не может самостоятельно синтезировать эти аминокислоты. Используя микроорганизмы получают весь спектр аминокислот, вносимых в пищу в виде биодобавок. Они добавляются к растительным кормам сельскохозяйственных животных, что увеличивает их рост и сокращает расходы на содержание, значительно повышая продуктивность ферм.
Биотехнологическим процессом называют синтез какого - либо вещества (биотехнологического продукта) при непосредственном участии живых микроорганизмов и выделенных из них ферментов - биологических катализаторов.
Основными особенностями и отличиями биотехнологического процесса являются: участие микроорганизмов, сложный состав реакционной среды, сложный механизм реакции и длительность её протекания, чувствительность к внешним условиям (стерильности, давлению, температуре и т. п.).
Биотехнологические продукты получают по индивидуальным технологиям со своими агентами, сырьём, количеством стадий, технологическими режимами. Тем не менее можно выделить схему, типовую для данных производств. Общий вид её приведён на рис. 4.
Рис. 4. Типовая схема биотехнологических производств
Основной в этой схеме является биотехнологическая стадия, главная задача которой - получение определённого органического вещества. Она включает в себя ряд следующих биологических процессов, с помощью которых сырьё превращается в тот или иной конечный продукт (см. рис. 4).
Ферментация - особый класс химических превращений вещества, состоящий из серии взаимосвязанных реакций синтеза и разложения, протекающих в органических веществах под воздействием ферментов. Ферменты, таким образом, представляют собой универсальные биологические катализаторы, имеющие сложный состав.
Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментов или ферментативной активности клеток микроорганизмов.
Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов - ферментов.
Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.
Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.
Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твёрдых отходах, которым придана специальная взрыхлённая структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.
Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закреплёнными на специальных твёрдых носителях.
Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворённое состояние под действием специальных микроорганизмов.
Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.
Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии. Здесь используют следующие процессы: приготовление среды, её стерилизацию, подготовку посевного материала и биокатализатора, предварительную обработку сырья.
Разделение жидкости и биомассы в зависимости от их свойств осуществляют различными способами, отличающимися движущей силой процесса:
- отстаивание - разделение под действием сил гравитации (при очистке сточных вод);
- фильтрация - пропускание суспензии через фильтрующий материал под действием разности давлений с целью задержки биомассы на поверхности материала. С помощью микро- или ультрафильтрации получают раствор, свободный от взвешенных клеток биомассы;
- сепарация или центрифугирование - разделение под действием центробежных сил. Таким способом отделяют, например, дрожжи при получении кормовой биомассы;
- флотация - выделение биомассы из её пенной фракции;
- коагуляция - отделение твёрдых веществ от жидкости путем их осаждения в виде крупных агломератов и последующего их отстаивания.
Дезинтеграция клеток осуществляется физическими (ультразвук замораживание, декомпрессия и т. п.), химическими и биотехнологическими методами.
Гидролиз - разрушение клеточных оболочек под действием химических реагентов и температуры.
Ферментолиз - разрушение клеточных оболочек под действием ферментов при повышенной температуре.
Автолиз - разновидность ферментолиза, когда используются собственные ферментные клетки.
Общими для выделения внутри- и внеклеточных продуктов являются экстракция осаждение, адсорбция, ионный обмен, отгонка, ректификация ультрарование и нанофильтрация, обратный осмос, центрифугирование, ультрацентрифугирование.
Экстракция - переход целевого продукта из водной фазы в несмешивающуюся с водой органическую жидкость (экстрагент). Экстракция прямо из твердой фазы, в том числе и биомассы организмов, называется экстрагированием.
Осаждение - выделение целевого продукта путём добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворённым продуктом и переводящего его в твердую фазу.
Адсорбция - перевод растворенного в жидкости продукта в твёрдую фазу путём его поглощения твёрдым носителем - сорбентом.
Ионный обмен сходен с адсорбцией, но в этом случае в твёрдую фазу переходят ионы (катионы или анионы), а не целиком молекула целевого продукта или примеси.
Отгонка, ректификация используются для выделения растворённых в культуральной жидкости легкокипящих продуктов, например, этилового спирта.
Ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос применяются для выделения высокомолекулярных соединений (белков, полипептидов, полинук-леотидов). Обратный осмос и нанофильтрация позволяют отделить даже небольшие по размеру молекулы.
Центрифугирование, ультрацентрифугирование используют для выделения вирусов, клеточных органелл, высокомолекулярных соединений.
Очистка продукта осуществляется с использованием разнообразных процессов, в числе которых экстракция, хроматография, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос. На стадии концентрирования применяют выпаривание, сушку, осаждение, кристаллизацию, ультра-, гипер- или нанофильтрацию, обеспечивающие «отжим» растворителя из раствора.
Хроматография используется для разделения смесей веществ, часто очень близких по строению. Процесс проводят в специальных хроматографических колонках, заполненных твердым сорбентом. Все вещества сначала адсорбируются на этом сорбенте. Десорбция же разных по молекулярной массе соединений проходит с разной скоростью, что позволяет разделять и очищать их друг от друга, используя подходящий растворитель.
Диализ используется для разделения смесей низко- и высокомолекулярных соединений. Процесс основан на способности низкомолекулярных веществ проходить через мембрану, являющуюся непроницаемой для высокомолекулярных соединений. Таким путём осуществляют очистку вакцин и ферментов от солей и низкомолекулярных растворимых примесей.
Кристаллизация - процесс, основанный на различной растворимости веществ при разных температурах. Как правило, в ходе этого процесса выделяют твердые целевые продукты, а примеси остаются в маточном растворе. Так, например, получают кристаллы пенициллина.
В зависимости от места, которое занимают биотехнологические продукты в типовой технологической схеме, они могут представлять собой: 1) газы со стадии ферментации (примеры - углекислый газ, биогаз); 2) среду ферментации - кулыпуральную жидкость вместе с микроорганизмами (пример - кефир) или твердый субстрат (пример - сыр); 3) концентрат культуральной жидкости (пример - кормовой лизин); 4) жидкость, полученную после отделения биомассы от культуральной жидкости (пример - квас, пиво); 5) инактивированную биомассу (пример - кормовые дрожжи); 6) жизнеспособную биомассу - биопрепарат (пример - пекарские дрожжи, силосные закваски); 7) ослабленную биомассу (пример - живые вакцины); 8) очищенный поток жидкости при очистке сточных вод и т.д.
С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов
БИОТЕХНОЛОГИЯ
БИОТЕХНОЛОГИЯ - производственное использование биологических агентов (в частности микроорганизмов) для получения полезных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы как белки - чаще всего ферменты, рибонуклеиновые кислоты.
Биотехнология - это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. Название ее происходит от греческих слов bios - жизнь, teken - искусство, logos - слово, учение, наука. В соответствии с определением Европейской федерации биотехнологов (ЕФБ, 1984) биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Уже в самом определении предмета отражено его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фундаментальных исследований в области биологических, химических и технических дисциплин приобретают выраженное прикладное значение.
Основным направлением компании ООО "Пропионикс" является пищевая биотехнология:
(пищевая биоиндустрия) - раздел биотехнологии, занимающийся разработкой теории и практики создания пищевых продуктов общего, лечебно-профилактического назначения и специальной ориентации.
Развитие производства и пищевого инжиниринга продуктов данной группы является необходимым элементом для формирования в России рынка здорового питания. Задачей данного комплекса мероприятий является создание пробиотических продуктов, расширение исследований и практики внедрения в ассортимент предприятий новых продуктов и комплексных решений.
К функционально пищевым продуктам относят пищевые продукты систематического употребления, сохраняющие и улучшающие здоровье и снижающие риск развития заболеваний благодаря наличию в их составе функциональных ингредиентов. Они не являются лекарственными средствами, но препятствуют возникновению отдельных болезней, способствуют росту и развитию детей, тормозят старение организма. В соответствии с мировой практикой продукт считается функциональным, если регламентируемое содержание микронутриентов в нем достаточно для удовлетворения (при обычном уровне потребления) 25-50% от среднесуточной потребности в этих компонентах. Развитие направления является важной социальной задачей, снижающей нагрузку на сектор медицины и социально-экономический ущерб от болезней.
"Пищевые ингредиенты, включая витамины и функциональные смеси"
Пищевые ингредиенты используются для повышения питательной ценности, удлинения срока хранения, изменения консистенции и усиления вкуса и аромата продуктов. Используемые производителями пищевые ингредиенты, как правило, имеют растительное или бактериальное происхождение. Многие аминокислотные добавки, усилители вкуса и витамины, добавляемые в пищевые продукты, производятся с помощью бактериальной ферментации. В результате реализации комплекса мероприятий биотехнология должна обеспечить производителям пищевых продуктов возможность синтеза большого количества пищевых добавок, которые в настоящее время слишком дороги либо малодоступны из-за ограниченности природных источников этих соединений.
"Глубокая переработка пищевого сырья"
Биотехнология предоставляет множество возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты: натуральные ароматизаторы и красители; новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные культуры; новые средства для утилизации отходов; экологически чистые производственные процессы; новые средства для обеспечения сохранения безопасности продуктов в процессе изготовления.
Сельскохозяйственная биотехнология
Прим.: Здесь актуальным для ООО "Пропионикс" являются направления Сельскохозяйственной биотехнологии, отмеченные в
программе
под пп 5.7. и 5.9 (кормовой белок и биологические компоненты кормов и премиксов):
"Кормовой белок"
Согласно терминологии указанной программы, кормовой микробиологический белок (кормовые дрожжи)* - это сухая концентрированная биомасса дрожжевых клеток, специально выращиваемая на корм сельскохозяйственным животным, птице, пушным зверям, рыбе. Добавление кормового белка в корма резко улучшает их качество и способствует повышению производительности в животноводстве. Комплексом мероприятий будет предусмотрено развитие производства кормового белка в России и создание новых научно-технических заделов, совершенствующих технологии его производства и виды использования.
*Прим.: Однако здесь следует отметить, что использование бактерий в качестве продуцента белкового корма является более эффективным, так как бактерии образуют до 75% белка по массе, в то время как дрожжи - не более 60%. Например, использование различных штаммов пропионовокислых бактерий (Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii), позволяет получать кормовой белок со значительными технологическими и качественными преимуществами.
"Биологические компоненты кормов и премиксов"
Современный уровень технологий кормления сельскохозяйственных животных опирается на широкое применение биологичских компонентов (ферменты, аминокислоты, БВК, пробиотики и другие). В результате развития животноводства в России, которое в основном опирается на импорт технологий и поголовья, сформировался емкий рынок этих продуктов биотехнологии. Однако формирование рынка не привело пока к развитию производственной и технологической базы, появлению новых продуктов, созданных на основе научных достижений российских ученых.
В 2010 году в животноводстве в качестве кормов было использовано 45 млн. т зерна, что говорит о крайне низкой эффективности кормопроизводства в стране. Доля зерна в комбикормах составляет 70% (в странах Европейского Союза - 40-45%), кроме того, в непереработанном виде было использовано более половины из общего количества зерна предназначенного для кормов.
Важно отметить, что производство комбикормов и премиксов в значительной степени ведется без использования биопрепаратов (ферментов, ветеринарных и кормовых антибиотиков, пробиотиков и так далее). При таком кормлении конверсия корма в получение животноводческой продукции существенно отстает от мировых показателей, что снижает конкурентоспособность российского животноводства. Комплексом мероприятий будут созданы условия для развития производственной и технологической базы биотехнологических компонентов кормов и премиксов.
Реализация указанных комплексов мероприятий позволит решить вопросы создания высокоэффективного сельского хозяйства и обеспечения населения полноценным сбалансированным питанием.
См. также:
- Пробиотики в животноводстве (птицеводстве)
«Если без науки не может быть современной промышленности, то без нее не может быть и современной науки»
Дмитрий Иванович Менделеев
Крупно- и маломасштабное производство
Необходимо отметить, что в зависимости от цели производства и конечного продукта различают крупно- и маломасштабное производство. Их основные различия заключаются в следующем:
Объем используемых установок и реакторов – маломасштабное производство 100-1000 л, крупномасштабное- 10 000 л.;
Стоимость продукции – маломасштабного производства- высокая, крупномасштабного- невысокая;
Тип продукции – маломасштабного производства- высокоспециализированный для медицины, фармацевтики и.т.п., крупномасштабного - малоспециализированные предметы потребления;
Основные приемы получения – маломасштабного- гентические манипуляции, крупномасштабного технология ферментации, инженерия процессов; стоимость НИР – маломасштабное высокая, крупномасштабное умеренная.
Мы уже поняли, что в основе всех биотехнологических процессов лежит использование способности живых организмов трансформировать дешевый субстрат в более дорогие и ценные продукты или эненргию. Чистую культуру микроорганизма одного вида, происходящую из одной колниеобразующей единицы с характерным геномом и стабильными свойствами называют штаммом.
Производственные штаммы представляют большую ценность в виду того, что их селекция требовала значительных затрат, а кроме того с их помощью получают значительные объемы коммерческого продукта.
Существуют целые коллекции культур микроорганизмов. Например, одна из самых больших коллекций – АТСС – американская коллекция культур микроорганизмов. Существует с начала 20 века. В Республике Беларусь есть коллекции полезных микроорганизмов в Институте микробиологии НАН Беларуси, в мясо-молочном институте НАНБ. Коллекции патогенных микроорганизиов есть при Институте микробиологии и эпидемиологии МЗ РБ и в Институте экспериментальной ветеринарии им.С.Н.Вышелесского.
Производственные штаммы микроорганизмов должны обладать способностью к росту на дешевых питательных средах, высокой скоростью роста и образованию целевого продукта, стабильностью производственных свойств, безвредностью штамма и целевого продукта для человека и окружающей среды.
Микроорганизмы, используемые в промышленности, проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды.
Основные принципы промышленной организации биотехнологических процессов
Получение засевной дозы
В технологическом процессе используются полезные свойства штамма, следовательно, необходимо сохранять и, если возможно, улучшать его производственные качества. Поэтому в биотехнологическом производстве имеется отделение чистой культуры, задачей которого является постоянное и надежное воспроизведение полезных свойств продуцента. Такое отделение проводит контроль и сохранение чистой культуры, а также маломасштабное культивирование для постоянной передачи штамма на стадию ферментации. Фактически это микробиологическая лаборатория, с музеем штаммов-продуцентов. В ходе контрольных высевов и маломасштабных ферментаций (в пробирках, колбах и т. д.) контролируется устойчивость всех имевшихся или приобретенных признаков, послуживших основанием для рекомендации к промышленному применению этих культур. По мере необходимости из отделения чистой культуры получается масса инокулята, идущая в производство.
При периодическом процессе культивирования (при производстве метаболитов) в отделении чистой культуры готовят засевную дозу клеток для каждой из операций основного производства. При непрерывном производстве кормового белка этого не требуется, однако для повышения качества продукта предпочитают время от времени вводить клетки штамма-продуцента из отделения чистой культуры.
Посевные дозы выращиваются последовательно в колбах и бутылях на 10-20 литров, находящихся на качалках или просто в термостатируемом помещении, и далее в последовательности ферментеров объемом (по необходимости) 10, 100, 500 и 1000 литров, в которых осуществляется перемешивание, аэрация и термостатирование культуральной жидкости с клетками.
Отделение чистой культуры должно иметь достаточно большую коллекцию штаммов продуцентов, так как возможны временные переходы с одного штамма на другой, вызванные различными причинами. Например, сезонные изменения температуры частично компенсируются подбором достаточно продуктивных термотолерантных штаммов. Кроме того, микробиологическая промышленность зачастую вынуждена использовать в качестве компонентов питательных сред отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности (меласса, кукурузный экстракт), что ведет к сезонным изменениям сырья и предполагает адаптацию продуцента к особенностям среды. Все это делает роль микробиологической службы производства достаточно высокой.
При производстве вакцин и биологических препаратов используют систему посевных серий. В начале создают первичную посевную серию штамма с известными свойствами. Для получения каждой производственной серии рассевают 1 единицу хранения первичной посевной серии. Это важное требование закреплено в правилах ВОЗ для обеспечения стабильности свойств вакцин и диагностических препаратов.
Если вернуться к основным этапам биотехнологического процесса и рассмотреть их с точки зрения принятых методов, то можно отметить, что на стадии сырья и его подготовки используют общепринятые методы.
Чаще всего – сырье это питательная среда для продуцентов. Поэтому, часто проводят его подготовку путем стерилизации, используя автоклавирование или гамма-облучение.
Методы на стадии ферментации и биотрансформации более разнообразны.
1) селекция продуктов;
3) технология рекомбинантных ДНК
4) реакторное культивирование
На стадии конечной обработки и получения целевого продукта используются, в основном, методы фракционирования
1) центрифугирование;
2) фильтрация;
3) дезинтеграция;
4) ультрафильтрация;
5) сушка: сублимационная и в падающем потоке.
Использование грибов, плесеней, дрожжей, актиномицетов
Их используют для получения:
→ антибиотиков (пенициллы, цефалоспорины);
→ каротиноидов (астаксантин, придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок, его вырабатывают Rhaffia rhodozima, которых добавляют в корм на рыбозаводах);
→ белка (Candida, Saccharomyces lipolitica);
→ сыров типа рокфор и камамбер (пенициллы);
→ соевого соуса (Aspergillus oryzae).
Из 500 известных видов дрожжей первыми стали использовать Saccharomyces cerevisiae, этот вид используется и наиболее интенсивно.
Saccharomyces cerevisiae
Дрожжи Saccharomyces cerevisiae – это непатогенные одноклеточные микроорганизмы с диметром клетки примерно 5 мкм, которые во многих отношениях представляют собой эукариотический аналог E . coli . Их генетика, молекулярная биология и метаболизм детально изучены. S . cerevisiae размножаются почкованием и хорошо растут на такой же простой среде, как и E . coli . Их способность к превращению сахара в этанол и углекислый газ издавна использовалась для изготовления алкогольных напитков и хлеба. В настоящее время ежегодно во всем мире расходуется более 1 млн. тонн S . cerevisiae . Дрожжи S . cerevisiae представляют также большой научный интерес. В частности, они являются наиболее удобной моделью для исследования других эукариот, в том числе человека, поскольку многие гены, ответственные за регуляцию клеточного деления S . cerevisiae , сходны с таковыми у человека. Это открытие способствовало идентификации и – характеристике генов человека, отвечающих за развитие новообразований. Широко используемая генетическая система дрожжей (искусственная хромосома) является непременным участником всех исследований по изучению ДНК человека. В 1996 г. была определена полная нуклеотидная последовательность всего набора хромосом S . cerevisiae , что еще более повысило ценность этого микроорганизма для научных исследований. Такая работа на эукариотах была выполнена впервые.
Синтезированный бактериальной клеткой эукариотический белок часто приходится повергать ферментативной модификации, присоединяя к белковой молекуле низкомолекулярные соединения во многих случаях это необходимо для правильного функционирования белка. К сожалению, E . coli и другие прокариоты не способны осуществлять эти модификации, поэтому для получения полноценных эукариотических белков используют S . cerevisiae , а также другие виды дрожжей: Kluyveromyces lactis , Saccharomyces diastaticus , Schizisaccharomyces pombe , Yarrowia lipolytica , Hansenula polymoгрha . Наиболее эффективными продуцентами полноценных рекомбинантных белков являются P . pastoris и H . polymoгрha .
Дрожжи Kluyveromyces fragilis сбраживают лактозу. Их используют для получения спирта из сыворотки молока.
Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды и употребляется для получения белковой массы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов.
Другие полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием. Candida utilis растет в сульфитных сточных водах (отходы бумажной промышленности). Trichosporon cutaneum, окисляющий многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например, фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков.
Промышленные дрожжи обычно не размножаются половым путем, не образуют спор и полиплоидны. Последним объясняется их сила и способность адаптироваться к изменениям среды культивирования (в норме ядро клетки S.cerevisiae содержит 17 или 34 хромосомы, т.е. клетки либо гаплоидны, либо диплоидны).
Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых средах. Пищевые продукты на основе сброженных плесневыми грибами Rhizopus oligosporus соевых бобов или пшеницы содержат в 5-7 раз больше рибофлавина и никотиновой кислоты, чем исходный субстрат. Плесени также продуцируют ферменты, используемые в промышленности (амилазы, пектиназы и т.д.), органические кислоты и антибиотики. Их применяют и в производстве сыров, например, камамбера и рокфора.
Искусственное выращивание макромицетов или грибов способно внести важный вклад в обеспечения продовольствием населения земного шара.
Наиболее легко поддаются искусственному выращиванию древоразрушающие грибы.
Простейшие в биотехнологии
Простейшие относятся к числу нетрадиционных объектов биотехнологии. До недавнего времени они использовались лишь как компонент активного ила при биологической очистке сточных вод. В настоящее время они привлекли внимание исследователей как продуценты биологически активных веществ.
В этом качестве рациональнее использовать свободноживущих простейших, обладающих разнообразными биосинтетическими возможностями и потому широко распространенными в природе.
Особую экологическую нишу занимают простейшие, обитающие в рубце жвачных животных. Они обладают ферментом целлюлазой, способствующей разложению клетчатки в желудке жвачных. Простейшие рубца могут быть источником этого ценного фермента
Возбудитель южноамериканского трипаносомоза - Trypanosoma (Schizotrypanum cruzi) стала первым продуцентом противоопухолевого препарата круцина (СССР) и его аналога-трипанозы (Франция). Изучая механизм действия этих препаратов, советские ученые (Г. И. Роскин, Н. Г. Клюева и их сотрудники), а также их французские коллеги (Ж. Кудер, Ж. Мишель-Брэн и др.) пришли к выводу, что эти препараты оказывают цитотоксический эффект при прямом контакте с опухолью и ингибируют ее опосредованно, путем стимуляции ретикулоэндотелиальной системы. Выяснилось, что ингибирующее действие связано с жирнокислотными фракциями.
Водоросли
Водоросли используются, в основном, для получения белка. Весьма перспективны в этом отношении и культуры одноклеточных водорослей, в частности высокопродуктивных штаммов рода Chlorella и Scenedesmus. Их биомасса после соответствующей обработки используется в качестве добавки в рационы скота, а также в пищевых целях.
Одноклеточные водоросли выращивают в условиях мягкого теплого климата (Средняя Азия, Крым) в открытых бассейнах со специальной питательной средой. К примеру, за теплый период года (6-8 месяцев) можно получить 50-60 т биомассы хлореллы с 1 га, тогда как одна из самых высокопродуктивных трав - люцерна дает с той же площади только 15- 20 т урожая.
Хлорелла содержит около 50 % белка, а люцерна - лишь 18 %. В целом в пересчете на 1 га хлорелла образует 20-30 т чистого белка, а люцерна - 2-3,5 т. Кроме того, хлорелла содержит 40 % углеводов, 7-10 % жиров, витамины А (в 20 раз больше), B2, К, РР и многие микроэлементы. Варьируя состав питательной среды, можно процессы биосинтеза в клетках хлореллы сдвинуть в сторону накопления либо белков, либо углеводов, а также активировать образование тех или иных витаминов.
При завоевании племен майя миссионерами описывался случай, когда испанцы около полутора лет осаждали крепость на вершине горы. Естественно, что все продукты давно должны были кончиться, однако крепость не сдавалась. Когда же она была наконец взята, то испанцы с удивлением увидели в ней небольшие пруды, где культивировались одноклеточные водоросли, из которых индейцы готовили особый сыр. Испанцы попробовали его и нашли весьма приятным на вкус. Однако это было уже после того, как испанцы уничтожили абсолютно всех защитников и секрет племени был утерян. В наше время делались попытки определить этот вид водорослей, из которых готовился сыр, но они не увенчались успехом.
В пищу употребляют около 100 видов макрофитных водорослей
В целом ряде стран водоросли используют как весьма полезную витаминную добавку к кормам для сельскохозяйственных животных.
Наряду с кормами водоросли давно применяют в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Биомасса обогащает почву фосфором, калием, йодом и значительным количеством микроэлементов, пополняет также ее бактериальную, в том числе азотфиксирующую, микрофлору. При этом в почве водоросли разлагаются быстрее, чем навозные удобрения, и не засоряют ее семенами сорняков, личинками вредных насекомых, спорами фитопатогенных грибов.
Одним из самых ценных продуктов, получаемых из красных водорослей, является агар - полисахарид, присутствующий в их оболочках и состоящий из агарозы и агаропектина. Количество его доходит до 30-40 % от веса водорослей (водоросли лауренция и грацилярия, гелидиум). Водоросли - единственный источник получения агара, агароидов, каррагинина, альгинатов. В мире ежегодно получается более 16 тыс. т агара.
Бурые водоросли являются единственным источником получения одних из самых ценных веществ водорослей - солей альгиновой кислоты, альгинатов. Альгиновая кислота - линейный гетерополисахарид, построенный из связанных остатков (3 - Д-маннуроновой и α - L-гиулуроновой кислот.
Альгинаты исключительно широко применяются в народном хозяйстве. Это изготовление высококачественных смазок для трущихся деталей машин, медицинские и парфюмерные мази и кремы, синтетические волокна и пластики, стойкие к любой погоде лакокрасочные покрытия, не выцветающие со временем ткани, производство шелка, клеящих веществ исключительно сильного действия, строительных материалов, пищевые продукты отличного качества - фруктовые соки, консервы, мороженое, стабилизаторы растворов, брикетирование топлива, литейное производство и многое другое. Альгинат натрия - наиболее используемое соединение - способен поглощать до 300 весовых единиц воды, образуя при этом вязкие растворы.
Бурые водоросли богаты также весьма полезным соединением - шестиатомным спиртом маннитом, который с успехом применяют в пищевой промышленности, фармацевтике, при производстве бумаги, красок, взрывчатки и др.
Растения в биотехнологии
Водный папоротник азолла ценится как органическое азотное удобрение, так как растет в тесном симбиозе с сине-зеленой водорослью анабена. Азолла быстро размножается простым делением: часть листьев отделяется от материнского растения и начинает самостоятельную жизнь. При благоприятных условиях способна удваивать свою биомассу каждые трое суток.
Представители семейства рясковых (Lemnaceae) - самые мелкие и простые по строению цветковые растения, величина которых редко превышает 1 см. Цветут крайне редко. Рясковые - свободноживущие водные плавающие растения.
Рясковые ( Lemna minor, L. trisulca, Wolfia, Spirodela polyrhiza ) служат кормом для животных, для уток и других водоплавающих птиц, рыб, ондатры.
Онлайн калькуляторы
