Биотехнология в пищевой промышленности. Мировой рынок биотехнологий и продукции биоиндустрии

В связи с последними событиями у всех на слуху слово «импортозамещение». Его применяют к месту и не к месту, под него выделяют огромное финансирование. Но мало кто помнит тех, кто ещё 10 лет назад были первопроходцами в деле реального создания конкурентоспособных технологий. Одним из таких центров является Опытное биотехнологическое производство ИБХ РАН, где в 2003 году начали выпуск генно-инженерного инсулина человека по первой в России технологии полного цикла, за что работавшие над этим сотрудники в 2006 году были удостоены премии Правительства РФ в области науки и техники. И с тех пор в ОБП был разработан целый ряд технологий производства биологических препаратов. Каких и в чём вообще заключается разработка - читайте в этой статье.

Обычно выделяют четыре «цветных» направления биотехнологии: «красная», «синяя», «белая» и «зелёная». «Белая» - промышленная - является одной из самых старых отраслей. Она занимается крупнотоннажным производством различных химических соединений, применяемых в быту: витаминов, спирта и т.д. «Синяя» - морская - занимается приложением биотехнологии к проблемам рационального использования ресурсов океанов. К весьма перспективным направлениям относят «зелёную» отрасль - растительную, в которой генетически модифицируют деревья и сельхозкультуры, а также разрабатывают методы переработки растительного сырья и отходов в полезную для промышленности продукцию. В этом она близка «белой» и по сути является её развитием на более высоком уровне. Но больше всего развито «красное» направление, в котором создаётся продукция для медицинского применения, в основном - биофармацевтические препараты.

Страницы истории

Начало становлению медицинской биотехнологии было положено давно, ещё в начале 70-х годов прошлого века с изобретения технологии рекомбинантной ДНК . А уже в 1982 году был зарегистрирован первый препарат, полученный таким способом - инсулин. В Советском Союзе понимали перспективы этого нового направления, и по настоянию академика Ю.А. Овчинникова, директора , в открытом в 1984 году новом здании института целых два корпуса было выделено под комплексную опытную установку. Основной её задачей являлась разработка технологий получения фармпрепаратов, в особенности биотехнологической природы. Оснащение для тех лет было вполне на мировом уровне, однако перестройка и развал Советского Союза наложили негативный отпечаток - в 90-е годы опытная установка стала не нужна, и большинство специалистов ушло.

Технология рекомбинантной ДНК

Осенью на «биомолекуле» мы опубликовали статью студентки Пермского государственного национального исследовательского университета « » . И хотя речь в ней не о разработке препарата для крупной промышленности, статья даёт представление обо всех этапах получения патента на определённый штамм микроорганизма, созданный биотехнологическим путём. - Ред.

Для задач непосредственно производства создаётся специальный рабочий банк из сотен ампул, каждая из которых предназначена для получения отдельной партии препарата. Этот банк также закладывается на хранение в музей культур (рис. 2).

Далее проводится разработка основной биотехнологической стадии - культивирования клеток. В её ходе выбирают оптимальный состав среды, на которой выращивают клетки, режим культивирования (непрерывный или периодический), его аппаратурное оформление и параметры (pH, температура, скорость подачи и состав подпитки). Основная цель, преследуемая на этом этапе, - повышение объёмной продуктивности, что позволяет получать на оборудовании небольшого масштаба большое количество продукта, достаточное для решения испытательной задачи. Кроме того, за счёт этого снижается и себестоимость получения продукта - в десятки, а то и сотни раз от первоначального лабораторного способа. Решением всех этих задач занимается цех экспериментальной ферментации опытного производства (рис. 3).

Рисунок 3. Контроль за ходом процесса в пилотном ферментёре рабочим объёмом 20 л в цехе экспериментальной ферментации.

В конце культивирования получается культуральная жидкость, содержащая помимо отработанной среды и биомассы клеток ещё и продукт, который необходимо выделить. В зависимости от выбранного вида клеток, продукт может либо выделяться в среду, либо синтезироваться внутри клеток, иногда в виде телец включения (агрегатов из белков). А если смотреть шире, то в случае клеточной или тканевой терапии продуктом будут сами клетки. При выделении сначала отделяют клетки (биомассу) от отработанной среды. Если продукт содержится в среде, то в работу идёт она, а клетки направляют на дезактивацию (в отходы).

Если же продукт получается в тельцах включения, то дезактивируют среду, а клетки разрушают, выделяют тельца и растворяют (солюбилизируют) их. Полученный раствор помимо продукта содержит ещё и белки, выделяемые клетками в среду или синтезирующиеся в виде телец включения, так что для достижения «фармацевтической» степени чистоты требуется несколько ступеней очистки. Чаще всего это несколько (от двух) различных типов хроматографических процессов: ионообменного, гидрофобного, обращённо-фазового, гель-фильтрационного (рис. 4). Для каждого продукта их последовательность и количество будут разные и требуют подбора на основе литературных данных, опыта и экспериментов. Кроме того, для каждого процесса нужно выбирать буферные растворы и стратегию их подачи на хроматографическую колонну. Конечная цель - это продукт высочайшей степени чистоты: иногда более 99,9%, а это означает, что все возможные примеси могут составлять не более 0,1% от массы активной фармацевтической субстанции - результата этой стадии. Очисткой и разработкой её стратегии в рамках опытного биотехнологического производства занимается цех выделения и очистки .

Рисунок 4. Производственное оборудование. Слева: Препаративный хроматограф и буферные растворы, применяемые для крупномасштабной очистки биопрепаратов. Справа: Кристаллизация инсулина в цехе выделения и очистки.

Однако для проведения доклинических и клинических исследований субстанции недостаточно, необходимо ещё изготовить готовую лекарственную форму (ГЛФ) - добавить вспомогательные вещества и упаковать во флаконы или картриджи для шприц-ручек. И если способ упаковки в основном зависит от аппаратного оформления конкретного производства, то вспомогательные вещества в большей степени зависят от препарата и для каждого подбираются отдельно. Хотя здесь не требуется сложных статистических методов и большого количества экспериментов, процесс получения ГЛФ довольно трудоёмкий, и им также занимается отдельное подразделение - цех готовых лекарственных форм (рис. 5).

Немного о терминах

Когда говорят о фармпрепаратах, часто произносят два термина: активная фармацевтическая субстанция (АФС) и готовая лекарственная форма (ГЛФ). АФС или просто субстанция - по сути, главное действующее вещество, которое и отвечает за основной эффект препарата. ГЛФ или готовая форма - это АФС вместе со вспомогательными веществами и в определённом виде: таблетки, капсулы, раствора во флаконе или картридже.

Рисунок 5. Работа в «чистой» зоне. Слева: Разлив готовой формы биопрепарата в цехе готовых лекарственных форм. Справа: Контроль процесса разлива в цехе готовых лекарственных форм. Эффектный комбинезон совсем не для того, чтобы смотреться круто. Конечную форму производят в стерильных условиях в крайне чистой среде. Чтобы в окружающую среду не попадало лишних частиц, все части тела изолируются, а вся косметика перед входом в чистую зону смывается. Работать в таких условиях весьма непросто - несколько часов, и ты уже готов одним махом опустошить полуторалитровую бутылку воды. Не говоря уже о том, что всё это время ты будешь мечтать о дýше.

Казалось бы, дойдя уже до готовой формы, можно переходить непосредственно к доклиническим исследованиям, ведь именно это чаще всего является целью производства лекарственных веществ на мощностях ОБП. Однако прежде необходимо проанализировать полученный продукт, чтобы убедиться в соответствии его характеристик ожидаемым и заложить конкретные параметры в регистрационное досье, которое необходимо для регистрации препарата в регуляторных органах. На данном этапе важно показать, что количество примесей не превышает разрешённого, а полученное основное действующее вещество имеет структуру и активность, соответствующие ожидаемым. Спектр применяемых здесь методов довольно широк: вестерн-блот , изоэлектрофокусировка , хроматография, ЛАЛ-тест , масс-спектрометрия, имунноферментный анализ , ИК-спектроскопия и многие другие. Выбор конкретных методов зависит в первую очередь от природы биопрепарата и для каждого из них во многом индивидуален. Хотя есть и стандартные общие методы вроде электрофореза в полиакриламидном геле или изоэлектрофокусировки. В большинстве же методов, пусть они и являются стандартными в части общей последовательности действий, параметры проведения нуждаются в отдельной проработке для каждой готовой формы, так как вспомогательные вещества иногда влияют на аналитические характеристики основного.

Описанный этап является крайне важным, так как даёт оценку качественным характеристикам препарата и их постоянству от партии к партии. Технология - это не только получение какого-то конкретного продукта и достижение высокой эффективности процесса. Это ещё и умение стабильно обеспечивать высокое качество продукта. Помимо контроля конечного продукта осуществляют промежуточный контроль критических точек производственного процесса, чтобы как можно раньше выявить отклонения, способные повлиять на качество конечного препарата, и минимизировать время и затраты на их устранение. На опытном биотехнологическом производстве за этот этап отвечает отдел контроля качества при участии контрольно-аналитической лаборатории (рис. 6).

Рисунок 6. Важен контроль! Слева: Контрольно-аналитическая лаборатория - все в сборе. Справа: Микробиологический контроль образцов с производства в отделе контроля качества.

Разведка боем

Занимаясь биотехнологией, ты вынужден постоянно знакомиться с новыми передовыми научными достижениями в разных областях: молекулярной биологии, синтетической биологии, химическом приборостроении, IT и многих других. При правильном сочетании полученных знаний и рождается эффективная технология. Это трудный, кропотливый, но очень увлекательный процесс.

Но самые сильные, ни с чем, пожалуй, несравнимые чувства испытываешь, когда, используя инструментарий, созданный природой в ходе эволюции и модифицированный с помощью технологии рекомбинантной ДНК, удается получить конкретный лекарственный препарат, который, возможно, кому-то облегчит состояние, а кого-то и спасет. Это просто круто!

Сотрудник группы эукариотических продуцентов Даниил Павленко раскрывает этот вопрос несколько иначе:

Меня всегда привлекало ориентированное на практику творчество. Создание чего-то, что не просто работает, но ещё и делает это эффективно, т.е. с затратой минимума ресурсов, дарит массу положительных эмоций. Биотех хорош тем, что здесь простор для творчества просто огромен: можно заниматься разработкой сред для выращивания культур, можно основательно вложиться в разработку классного вектора, можно подбирать оптимальные настройки аппаратного обеспечения, можно менять метаболизм клеток-продуцентов, а уж какой простор открывается, если заняться созданием уникальных аппаратов и технологических линий!.. Впечатляют и возможные результаты: комбинация всех подходов может привести к понижению себестоимости производства на порядок, а то и два. Так, мы в своей технологии получения фолликул-стимулирующего гормона определенным изменением достигли увеличения продуктивности, а, следовательно, и уменьшения себестоимости, в 3,5 раза. И понимаем, куда надо двигаться, чтобы повысить продуктивность ещё раз в 5–10. Не удивительно, что от этого всего захватывает дух.

За науку

В прикладных исследованиях научные публикации - дело пусть и не десятое, но явно отходящее на второй план. Основными результатами деятельности являются патенты, ноу-хау, регламенты на конкретные препараты. Статьи же по прикладным исследованиям обычно публикуются в специализированных журналах с соответствующей тематикой, импакт-фактор у которых обычно не переваливает за 3. С фундаментальными исследованиями здесь конкурировать не выйдет, но это не значит, что на опытном производстве науки нет совсем. Например, коллективом ОБП были обнаружены такие явления как антимикробное действие шиконина или эффект вытеснения при очистке генно-инженерного инсулина человека. Хотя большинство статей посвящено разработке отдельных производственных стадий, методов анализа или целых технологий .

Не только работа

Несмотря на серьёзность задач и практическую ориентированность, сотрудники ОБП - живые люди и не прочь поболтать «за жизнь». Собираются обычно пятничными вечерами в кабинете начальника производства Василия Степаненко, который, понимая, что задуманное на остаток дня ему завершить уже не дадут, также включается в беседу. Хотя и тут всё начинается с обсуждения текущих дел и задач и, перетекая в обсуждение стратегии и состояния дел в России и мире, в итоге выходит на разговор о философских и мировоззренческих вопросах.

Обучение без отрыва от производства

Несмотря на высокий уровень ответственности, на ОБП есть успешный опыт выполнения работ студентами и аспирантами с защитой ими магистерских и кандидатских диссертаций. В основном на базе ОБП выполнялись работы вроде создания схем отдельных этапов в производстве какого-либо препарата, подбора условий проведения процессов с целью увеличения выхода, разработки и валидации аналитических методик. Но помимо задач, связанных непосредственно с разработкой технологий создания биологических препаратов, позиционирование производства как опытного подразумевает и возможность отработки различных технических решений. Так, сейчас начато сотрудничество с Университетом машиностроения по направлению разработки различных приборов и аппаратов, применяемых в биотехнологическом производстве.

При этом идей, куда можно двигаться, и каким будет будущее «красной» биотехнологии, предостаточно. Если смотреть глобально, то есть несколько возможных направлений:

В каком направлении всё двинется? Пока сказать сложно, но во многом это будет зависеть от молодёжи, полной прорывных идей и мотивации к созиданию нового.

Литература

1. Полякова М. (2010). Несахарное производство . Сайт ИБХ ;
2. Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал ;
3. Прикладная биотехнология и молекулярная микробиология. Практическое руководство для студентов, или как запатентовать биопрепарат ;
4. Karyagina T.B., Arzumanyan V.G., Timchenko T.V., Bairamashvili D.I. (2001). Antimicrobial activity of shikonin preparations . Pharm. Chem. J. 35 , 435–436;
5. Gusarov D., Nekipelova V., Gusarova V., Lasman V., Bairamashvili D. (2009). Displacement effect during HPLC preparative purification of human insulin . J. Chromatogr. B. Analyt. Technol. Biomed. Life Sci. 877 , 1216–1220;
6. Gusarov D.A., Sokolova I.V., Gusarova V.D., Evteeva E.A., Vorob’eva T.V., Kosarev S.A. (2012). Development of effective pilot-scale technology for producing N,N-bis-met-histone H1.3 used for lymphoma treatment . Pharm. Chem. J. 46 , 234–240;
7. Urmantseva V.V., Gaevskaya O.A., Karyagina T.B., Bairamashvili D.I. (2005). The effect of amino acids as components of nutrient medium on the accumulation of protoberberine alkaloids in the cell culture of Thalictrum minus . Russ. J. Plant Physiol. 52 , 388–391;
8. Gusarova V., Vorobjeva T., Gusarov D., Lasman V., Bayramashvili D. (2007). Size-exclusion chromatography based on silica-diol for the analysis of the proinsulin fusion protein . J. Chromatogr. A. 1176 , 157–162;
9. Zhang Y.H. (2010). Production of biocommodities and bioelectricity by cell-free synthetic enzymatic pathway biotransformations: challenges and opportunities . Biotechnol. Bioeng. 105 , 663–677;

Биотехнология - это уникальная наука, которая использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека.

Биотехнология позволяет улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения, составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья.

Кроме того, биотехнология предоставляет массу 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; и даже биоразрушаемую пластиковую упаковку, уничтожающую бактерии.

Возделывание трансгенных культур первого поколения уже принесло фермерам неплохие доходы. Польза, которую при этом получил потребитель, не так очевидна, но не учитывать ее нельзя. Например, исследования показали, что кукуруза устойчивых к насекомым сортов (содержащих ген Bt-токсина) практически не повреждается насекомыми и, соответственно, менее подвержена грибковым заболеваниям, чем кукуруза обычных сортов. Таким образом, содержание синтезируемых этими возбудителями микотоксинов, некоторые из которых могут вызывать гибель скота и хроническое отравление людей, в растениях Bt-сортов гораздо ниже.

Полезные свойства следующего поколения генетически модифицированных культур гораздо более очевидны для потребителя. Кроме улучшения качества и безопасности пищи в целом, в будущем должны появиться специализированные продукты, отличающиеся повышенной питательностью и способствующие сохранению и укреплению здоровья.

На современном рынке представлено большое количество полезных для здоровья растительных масел, получаемых с помощью биотехнологии. Биотехнология позволила ученым снизить содержание насыщенных жирных кислот в некоторых растительных маслах. Им также удалось осуществить трансформацию омега-6 полиненасыщенной линолевой жирной кислоты в омега-3 полиненасыщенную линоленовую, встречающуюся в основном в рыбе и способствующую снижению уровня холестерина в крови.

Другим вопросом, касающимся питательных свойств растительных масел, является отрицательное влияние на состояние здоровья транс-изомеров жирных кислот, образующихся при гидрогенизации жиров. Этот процесс применяется для повышения жаростойкости (для жарки) или изменения консистенции (для изготовления маргарина) растительных масел. Процесс гидрогенизации приводит к образованию вредных транс-изомеров жирных кислот.

Специалисты биотехнологических компаний разработали метод придания соевому маслу необходимых качеств не за счет гидрогенизации, а за счет повышения содержания в нем стеариновой кислоты.

Биотехнологи, работающие с животными, тоже занимаются поисками путей повышения качества продуктов питания. Уже создана говядина с пониженным содержанием жира и свинина с повышенным соотношением мясо/сало.

Повышение питательной ценности продуктов имеет особенно большое значение для развивающихся стран. Исследователи университета Неру (Нью-Дели) использовали ген южноафриканского растения амаранта для повышения содержания белка в клубнях картофеля. Трансгенный картофель также содержит большое количество незаменимых аминокислот, не входящих в состав клубней обычного картофеля. В качестве примеров можно также упомянуть «золотой рис» и масло канолы, обогащенные витамином А. Дальнейшее усовершенствование «золотого риса» привело к повышению содержания в зернах легкоусваиваемых форм железа.

Биотехнология подает большие надежды и в улучшении показателей продуктов функционального питания. Программы разработки и внедрения на рынок нутрицевтиков - продуктов-лекарств, систематическое употребление которых оказывает регулирующее действие на определенные системы и органы организма, улучшая здоровье человека, приняты во многих странах. Такие продукты содержат повышенное по сравнению с обычными количество незаменимых аминокислот, витаминов, минералов и других биологически активных веществ. Знакомые всем нутрицевтики - чеснок и лук, содержащие вещества, снижающие уровень холестерина и усиливающие иммунитет; богатый антиоксидантами зеленый чай; брокколи и кочанная капуста, в состав которой входят глюкозинолаты, стимулирующие активность противоопухолевых ферментов.

Биотехнология используется для повышения содержания этих и других полезных соединений в продуктах функционального питания. Например, исследователи университета Пердью (г. Лафейетт, штат Индиана) и Министерства сельского хозяйства США (USDA) создали сорт томатов, содержащий в три раза более высокий по сравнению с обычными сортами уровень антиоксиданта ликопена. Употребление ликопена снижает риск возникновения рака простаты и молочной железы, а также снижает содержание в крови «плохого» холестерина. Другая группа специалистов USDA работает над увеличением содержания в клубнике эллаговой кислоты, обладающей противоопухолевыми свойствами.

Биотехнологи занимаются улучшением качества растительного сырья также с точки зрения его привлекательности для покупателя и легкости приготовления. Ученые удлиняют срок хранения фруктов и овощей; делают морковь, паприку и сельдерей более хрустящими; создают не содержащие семян сорта дынь и винограда; продлевают длительность сезонно-географической доступности томатов, клубники и малины; улучшают вкусовые качества томатов, салата-латука, перца, зеленого горошка и картофеля; создают не содержащие кофеина сорта кофе и чая.

Японские ученые идентифицировали фермент, заставляющий нас плакать во время резки лука, и таким образом уже сделали первый шаг на пути к созданию лука, от которого не плачут.

Большая часть работы по улучшению способности продуктов переносить тепловую обработку заключается в изменении соотношения содержания в них воды и крахмала. Например, богатый крахмалом картофель полезней, так как во время жарки он впитывает меньше жира. Другим полезным свойством крахмалистой картошки является то, что для ее приготовления требуется меньше энергии и, соответственно, меньше финансовых затрат. Большинство изготовителей томатных паст и кетчупов в настоящее время используют в качестве сырья созданные с помощью метода клеточных культур сорта томатов. Мякоть таких помидоров содержит на 30% меньше воды, и их переработка экономит пищевой промышленности США 35 миллионов долларов ежегодно.

Другой областью пищевой промышленности, экономически выигрывающей от повышения качества сырья, является производство молочных продуктов. Биотехнологические методы позволили новозеландским ученым добиться повышения содержания в молоке белка казеина - важного компонента процесса сыроварения - на 13%.

Биотехнология также обеспечивает возможность получения продуктов, производство которые при традиционном подходе оказывается экономически невыгодным. Например, промышленное изготовление используемых в качестве подсластителей полимеров фруктозы давно перестало быть прерогативой обычных методов пищевого процессинга. Полимеры фруктозы представляют собой короткие цепочки, состоящие из молекул фруктозы, по вкусу напоминающие сахар, но не содержащие калорий. Исследователи обнаружили ген, превращающий 90% сахара сахарной свеклы в полимеры фруктозы. Они составляют 40% веса такой трансгенной свеклы, что делает ее весьма привлекательным сырьем для изготовления подсластителей.

Наиболее значимой проблемой безопасности сырья для производителей продуктов питания является микробное заражение, которое может возникнуть на любом этапе движения продукта от фермы до стола потребителя. Любой биотехнологический продукт, снижающий количество микроорганизмов на продуктах животного и растительного происхождения, существенно повышает безопасность сырья пищевой промышленности. Повышение безопасности продуктов за счет снижения микробной контаминации начинается с фермы. Устойчивые к вредителям и заболеваниям трансгенные сорта растений в значительно меньшей степени подвержены бактериальному заражению. Новые биотехнологические методы диагностики позволяют выявлять характер бактериальных заболеваний на ранних этапах и с высокой степенью точности, что позволяет изымать и уничтожать заболевших животных или инфицированные растения до того, как болезнь распространилась.

Биотехнология способствует повышению качества сырья еще и за счет выявления и удаления аллергенных белков, содержащихся в таких продуктах, как арахис, соя и молоко. Хотя 95% аллергенов могут быть отнесены к одной из восьми пищевых групп, в большинстве случаев мы не знаем, какой из тысяч пищевых белков послужил причиной запуска аллергической реакции. Использование биотехнологических методик привело к значительному прогрессу в этой области. Кроме того, биотехнологи разработали методы блокирования или удаления генов аллергенности из геномов арахиса, сои и креветок.

И, наконец, биотехнология помогает в повышении качества сельскохозяйственного сырья путем снижения содержания натуральных растительных токсинов, обнаруженных в некоторых культурах, в том числе в картофеле и маниоке.

Биологические методы включают:

микробиологический синтез

генетическую инженерию

клеточную и белковую инженерию

инженерную энзимологию

культивирование клеток растений, животных и бактерий

методы слияния клеток

Биотехнология как наука возникла на стыке слияния биологических, химических и технических наук.

Основные разделы биотехнологии.

Микробная биотехнология - основная часть биотехнологии.

Связана с поисками новых природных продуцентов. Это генетика и селекция известных микроорганизмов и получение штаммов с высокой продуктивностью.

Методы - индуцированный мутагенез или ступенчатый отбор лучших форм или генная инженерия.

Связана с производством различных пищевых продуктов: вино, хлеб, молочные продукты и прочее.

1) Инженерная инзимология

Цель - создание технологических процессов с использованием ферментов.

Решает конкретные задачи:

Создание нового продукта или улучшение его качества;

Использование нетрадиционных видов сырья;

Разработка безотходных технологий.

Очень перспективно исследование иммобилизированных ферментов и клеток на носителе.

Этот метод применяется в медицине для лечения и диагностики различных заболеваний. Иммобилизированные клетки применяют при биологической очистке сточных вод.

Тканевые ферменты животных и растений способствуют формированию химических предшественников вкуса и аромата, консистенции за счет специфической деструкции биополимерных систем пищевого сырья, т.е. осуществляют созревание.

3) Генная инженерия.

Цель - направленное создание организмов с заданными свойствами на основе изменения (рекомбинации) их генотипа.

Генная инженерия позволяет изолировать или изменять отдельные гены, модифицируя молекулу ДНК и перенося ее из одного организма в другой.

Амплификация нужных генов.

4) Клеточная инженерия.

Объект - культуры клеток высших животных или растительных организмов.

Получают культивированием на различных средах отдельно выделенных из организмов клеток.

Задача - конструирование новых клеток и клеточных систем.

Биотехнология молочных продуктов

Спектр продуктов питания, получаемых при помощи микроорганизмов, обширен. Это продукты, получаемые в результате брожения - хлеб, сыр, вино, пиво, творог и так далее. До недавнего времени биотехнология использовалась в пищевой промышленности с целью усовершенствования освоенных процессов и более умелого использования микроорганизмов, но будущее здесь принадлежит генетическим исследованиям по созданию более продуктивных штаммов для конкретных нужд, внедрению новых методов в технологии брожения.

Получение молочных продуктов в пищевой промышленности построено на процессах ферментации. Основой биотехнологии молочных продуктов является молоко. Молоко (секрет молочных желез) - уникальная естественная питательная среда. Она содержит 82-88% воды и 12-18% сухого остатка. В состав сухого молочного остатка входят белки (3,0-3,2%), жиры (3,3-6,0%), углеводы (молочный сахар лактоза - 4,7%), соли (0,9-1%), минорные компоненты (0,01%): ферменты, иммуноглобулины, лизоцим и т.д. Молочные жиры очень разнообразны по своему составу. Основные белки молока - альбумин, казеин. Благодаря такому составу молоко представляет собой прекрасный субстрат для развития микроорганизмов. В сквашивании молока обычно принимают участие стрептококки и молочнокислые бактерии. Путем использования реакций, которые сопутствуют главному процессу сбраживания лактозы получают и другие продукты переработки молока: сметану, йогурт, сыр и т.д. Свойства конечного продукта зависят от характера и интенсивности реакций ферментации. Те реакции, которые сопутствуют образованию молочной кислоты, определяют обычно особые свойства продуктов. Например, вторичные реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их сортов. В таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, находящиеся в молоке.

Все технологические процессы производства продуктов из молока делятся на две части: 1) первичная переработка - уничтожение побочной микрофлоры; 2) вторичная переработка. Первичная переработка молока включает в себя несколько этапов. Сначала молоко очищается от механических примесей и охлаждается, чтобы замедлить развитие естественной микрофлоры. Затем молоко сепарируется (при производстве сливок) или гомогенизируется. После этого проводят пастеризацию молока, при этом температура поднимается до 80 о С, и оно закачивается в танки или ферментеры. Вторичная переработка молока может идти двумя путями: с использованием микроорганизмов и с использованием ферментов. С использованием микроорганизмов выпускают кефир, сметану, творог, простокваши, казеин, сыры, биофруктолакт, биолакт, с использованием ферментов - пищевой гидролизат казеина, сухую молочную смесь для коктейлей и т.д. При внесении микроорганизмов в молоко лактоза гидролизуется до глюкозы и галактозы, глюкоза превращается в молочную кислоту, кислотность молока повышается, и при рН 4-6 казеин коагулирует.

Молочнокислое брожение бывает гомоферментативным и гетероферментативным. При гомоферментативном брожении основным продуктом является молочная кислота. При гетероферментативном брожении образуются диацетил (придающий вкус сливочному маслу), спирты, эфиры, летучие жирные кислоты. Одновременно идут протеолитические и липолитические процессы, что делает белки молока более доступными и обогащает дополнительными вкусовыми веществами.

Для процессов ферментации молока используются чистые культуры микроорганизмов, называемые заквасками. Исключение составляют закваски для кефиров, которые представляют естественный симбиоз нескольких видов молочнокислых грибков и молочнокислых бактерий. Этот симбиоз в лабораторных условиях воспроизвести не удалось, поэтому поддерживается культура, выделенная из природных источников. При подборе культур для заквасок придерживаются следующих требований:

Состав заквасок зависит от конечного продукта (например, для получения ацидофилина используется ацидофильная палочка, для производства простокваши - молочнокислые стрептококки);

Штаммы должны отвечать определенным вкусовым требованиям;

Продукты должны иметь соответствующую консистенцию, от ломкой крупитчатой до вязкой, сметанообразной;

Определенная активность кислотообразования;

Фагорезистентность штаммов (устойчивость к бактериофагам);

Способность к синерезису (свойству сгустка отдавать влагу);

Образование ароматических веществ;

Сочетаемость штаммов (без антагонизма между культурами);

Наличие антибиотических свойств, т.е. бактериостатическое действие по отношению к патогенным микроорганизмам;

Устойчивость к высушиванию.

Культуры для заквасок выделяются из природных источников, после чего проводится направленный мутагенез и отбор штаммов, отвечающих перечисленным выше требованиям. Биотехнологии на основе молока включают, как правило, все основные стадии биотехнологического производства, которые можно рассмотреть на примере сыроварения.

Стадии биотехнологического производства

Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого биотехнологического производства. Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы и получение продуктов метаболизма. Однако такая классификация не отражает наиболее существенных с технологической точки зрения аспектов промышленных биотехнологических процессов. В этом плане необходимо рассматривать стадии биотехнологического производства, их сходство и различие в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса. В общем виде система биотехнологического производства продуктов микробного синтеза представлена на рис. 1.

Рис. 1. Система биотехнологического производства

Существует 5 стадий биотехнологического производства.

Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.

Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.

На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.

Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными. Далее приводится характеристики каждой из стадий промышленного микробиологического синтеза.

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