Промышленная биотехнология

Биотехнология в области здравоохранения

Биотехнология может привнести значительные преимущества в сферу здравоохранения. Увеличивая питательную ценность пищи, биотехнология может использоваться для улучшения качества питания. Например, сейчас создаются сорта риса и кукурузы с повышенным содержанием белков. В будущем потребители смогут воспользоваться маслом с пониженным содержанием жиров, которая будет получена из генетически модифицированных кукурузы, сои, рапса. Кроме того, генетическая инженерия может использоваться для производства продуктов питания с повышенным уровнем витамина А, что поможет решить проблему слепоты у развивающихся. Генетическая инженерия также предлагает другие преимущества для здоровья, ведь сегодня созданы методы, позволяющие удалять определенные аллергенные протеины из продуктов питания или избегать их преждевременной порчи. Биотехнологические продукты, созданные и зарегистрированные в Соединенных Штатах Америки соответствующими регулирующими органами, являются полностью безопасными. Имеющаяся на сегодня информация свидетельствует о том, что продукты биотехнологий, которые сегодня коммерциализированы, такие же безопасны для человека и для окружающей среды, как и традиционные продукты питания. Регулирующие органы в США постоянно совершенствуют свои процедуры по обеспечению безопасности биотехнологических продуктов, и если бы были научные доказательства того, что биотехнологические продукты представляют угрозу для здоровья человека, то на сегодня таких продуктов не было бы на рынках США.

Блокировка  торговли вполне безопасными сельскохозяйственными  продуктами уменьшает возможность выбора для потребителя, заставляет его платить высокую цену за основные продукты и задерживает дальнейшие научные исследования, направленные на разработку биотехнологических продуктов, имеющих новые преимущества.

Настоящая наука остается лучшей базой для принятия решений по безопасности для человека и окружающей среды. При этом не должны игнорироваться законные опасения относительно возможных воздействий на окружающую среду, которая нас окружает. США открыты к диалогу, который основан на научных данных, и проходит с участием всех заинтересованных сторон. В то же время общественность не должна лишаться права на выбор новых продуктов в результате дезинформации, которая вызывает беспочвенные страхи.

Точная и  достоверная информация о безопасности биотехнологических продуктов должна быть доступна всему населению. Прозрачность принятия решений является центральным для роста уровня доверия общества к науке. США верят в важность и необходимость реагирования на опасения определенной части общества относительно биотехнологий и призывают все страны к предоставлению точной и полной информации относительно безопасности этих продуктов. Болезни растений, включая грибковые и вирусные, могут уничтожить урожай и существенно снизить качество продукции. Чтобы уменьшить экономические потери от болезней, фермеры должны увеличивать площади для получения нужного урожая. Это увеличение посевной площади, горючего, воды и удобрения, влекут расходы, которые затем будут возмещать покупатели. К тому же, многие фермеры борются с вирусными болезнями путем уничтожения вредителей, таких как тля, распространяющей болезнь. Химические инсектициды способствуют повышению цен и ресурсов, необходимых для возмещения последствий заболеваний.

Не все фермеры  имеют возможность позволить себе традиционные методы борьбы с болезней. А дорогие химические препараты недоступны во многих частях мира, а именно в Африку, где, например, есть определенный вирус, который часто уничтожает две трети урожая батата.

Биотехнология позволяет получать сорта, защищенные от определенных разновидностей вирусов. Путем переноса маленькой доли ДНК от вируса к генетической структуры растения, исследователи получают сорта, у которых есть иммунитет к определенным болезням. Защищены от болезней сорта оказывают сельскохозяйственные, экономические преимущества фермерам, и не загрязняют окружающую среду. Фермеры смогут бороться с насекомыми, распространяют вирусные болезни, и, таким образом, защитить свои урожаи. Фермеры имеют возможность выращивать высокие урожаи на той же площади, и уменьшать затраты ресурсов, таких как: рабочая сила, удобрения, пестициды, семена и оборудование. Эти преимущества позволяют фермерам обрабатывать дополнительные площади, либо увеличивать урожай на единицу площади и, как следствие, позволяет увеличить законсервированные площади.

Используя биотехнологию, исследователи сегодня работают, чтобы защитить люцерну, дыню мускусные, кукурузу, огурцы, виноград, картофель, сою, тыкву и томаты от вирусных болезней, а также перец и томаты от грибковых заболеваний.

Миллионы лет  жизни развивается в различных  структурах, формах и функциях. Около 300 000 различных видов растений и  более миллиона видов животных известны сегодня, и не существует двух подобных. Однако доказано, что в середине таксономических семей есть похожие черты.

Мы воспринимаем как должное, что дети повторяют  своих родителей и что живые  существа проявляют сходство, которая  переходит из поколения в поколение. Родственное сходство настолько  явным и естественным явлением, что  мы редко задумываемся над этим. Столетиями фермеры и селекционеры использовали семейную сходство для повышения продуктивности растений и животных. Например, с помощью селекции растений, были самыми крупными, сильными, наименее подверженными болезням, фермеры и селекционеры создавали улучшенные гибриды. Они об этом не догадывались, но то было практикой элементарных форм генной инженерии - основополагающего процесса, который используется в биотехнологии.

Законы, на которых  базируется переноса генетических черт, были загадкой еще 150 лет назад, когда Грегор Мендель впервые начал изучать наследственность культурных растений. Исследуя тщательно подготовленные эксперименты и математические расчеты, Мендель пришел к выводу, что определенные невидимые частицы сохраняют наследственные черты, и что эти черты переходят из поколения в поколение. Ученый мир обнаружил несостоятельным осознать странность мендельского открытия еще некоторое время после смерти великого ученого, но его труды легли в основу биотехнологии.

В 1950-х гг. биологи получили больших успехов в изучении наследственности. Благодаря описанию структуры ДНК Дж. Уотсоном и Фрэнсисом Криком, ученые пришли к выводу, как генетическая информация хранится в живых клетках, как эта информация оставляет отпечаток и как она передается из поколения в поколение.

До 1980-х гг. ученые уже попробовали (и очень удачно) перемещать частицы генетической информации, которые получили название гены, от одного организма к другому. Эта возможность перемещать генетическую информацию известна как генная инженерия, единый процесс, который использовали в биотехнологии. Оставаясь все еще относительно молодой наукой, биотехнология подает большие надежды. Она дает исследователям возможность улучшать качественные и количественные показатели сельскохозяйственных культур, которые защищены естественным путем от болезней и насекомых. Биотехнология также обеспечивает новые пути лечения хронических заболеваний человека, производства химических веществ и переработки отходов.

. Биотехнология  производства продуктов питания и напитков

1. Функциональные  пищевые продукты

Со временем становится все более очевидным, что существует самая тесная связь  между продуктами питания и здоровьем  человека. Неоднократно было доказано, что пищевые продукты или их отдельные компоненты могут быть единственной причиной многих патологий. Новые технологические подходы к производству пищевых продуктов дают возможность связать научные новшества массового производства пищевых продуктов с возможностью получения полноценной и здоровой пищи. Тесная взаимосвязь между здоровьем и пищевыми продуктами дала начало новому течению в производстве пищевых продуктов - "функциональной пище". Идея употребления здоровой пищи не нова. В 1950-х гг. была предложена идея пересмотра состава пищевых продуктов. Помимо этого, революционный лозунг 1960-х гг. "Назад к природе!" - вызвал значительные изменения в составе ингредиентов пищевых продуктов. Значительно уменьшилось содержание жиров, холестерола, сахара и соли. Снизился калорийный уровень пищевых продуктов. Подобным принципом руководствовались организации, производящие пищевые продукты до 1980-х гг. Сегодня подход к пищевым продуктам опять претерпел изменения. По современным представлениям, пища должна быть не только здоровой, но и функциональной, что подразумевает ее целенаправленное влияние на организм.

По мировым  масштабам Япония является лидером  по производству функциональных пищевых  продуктов. В этой стране производство пищевых продуктов строго контролируется, хотя выпуском их заняты больше сотни  специализированных компаний. Интересно, что более 70% производимой продукции -- напитки, а остальное -продукты разного вида. Использование функциональной пищи служит двум целям: в нужном количестве дать организму метаболически необходимые пищевые компоненты и защитить его от возможных заболеваний. Поскольку в производстве новых пищевых продуктов используются только нетоксичные и непатогенные натуральные компоненты, становится необходимым изыскание соответствующих источников для их массового производства. Роль биотехнологии заключается в получении экологически чистой функциональной пищи или корма в массовом количестве. С помощью биотехнологии (ферментативный катализ, культивирование микроорганизмов, культивирование растительных и животных клеток) возможно быстрое решение проблемы как массового производства пищевых продуктов, так и получения различных функционально важных ингредиентов.

Первыми продуктами, приготовленными с помощью микробных  ферментов, были, по всей вероятности, пиво и сыр. Ферменты микроорганизмов или технологии, основанные на использовании самых микроорганизмов, представляют важнейший сектор современной пищевой промышленности. Сегодня производство пищевых продуктов является самой распространенной сферой промышленности и по обороту составляет 20-25% бюджета практически любой страны. Производство высококачественной продукции определяется многими факторами, среди которых важнейшими являются качество семян, порода животных, качественные показатели селективно подобранных многолетних растений и др. Стабильный коммерческий оборот пищевых продуктов в первую очередь связан с качеством сельскохозяйственной продукции. Связь между сельским хозяйством и потребителем продукции осуществляется через пищевую промышленность. Задача последней - произвести из сельскохозяйственного сырья продукты с высокой пищевой ценностью, привлекательные внешне, с хорошим вкусом и ароматом.

По оценке специалистов, исследования (в том числе и  патенты), связанные с получением новых пищевых продуктов, не превышают 2% от себестоимости продукции. Как правило, продукция производится в большом объеме и, исходя из интересов потребителя, имеет низкую цену. Современные методы биотехнологии дают возможность массового производства отдельных пищевых компонентов, например таких, как пищевые органические и аминокислоты, которые широко применяются при производстве продуктов и напитков. Эти продукты имеют среднюю цену. Дорогостоящие пищевые компоненты, производимые в меньшем количестве, это: белки высокой чистоты и белки исключительного аминокислотного профиля, биологически активные пищевые добавки, заменители сахара, ароматизаторы и др.

Предполагается, что в ближайшем будущем пищевая  промышленность найдет свое развитие в увеличении урожайности растений, повышении продуктивности микроорганизмов  и животных. Этого можно достичь с помощью всех способов (классическая селекция, мутагенез, клеточная и генная инженерия) и без унификации увеличится производственный потенциал отрасли, улучшится качество продуктов питания, будет обеспечена их высокая экологическая чистота. Значительные изменения ожидаются в результате внедрения генной инженерии в технологию производства пищевых продуктов. Использование трансгенных высокоурожайных, стойких к заболеваниям и быстрорастущих растений, микроорганизмов и животных может дать начало новым направлениям отрасли. Современная биотехнология тесно связана со всеми отраслями пищевой промышленности, начиная с качественного улучшения организмов, участвующих в технологических процессах, и кончая качеством пищевых продуктов. Ожидается активное вмешательство биотехнологии в процессы, которые связаны с брожением. Пищевые продукты (хлеб, сыр, кефир, йогурт), напитки (вино, пиво, коньяк, бренди, виски, саке, водка), овощные соленья (полученные ферментативным путем) в результате многочисленных биохимических реакций превращаются в легкоусвояемые пищевые компоненты с улучшенными вкусовыми качествами и высокой стойкостью к микробным загрязнителям. Если к этому добавить и современные возможности, связанные с такими процессами, как культивирование микроорганизмов в гигантских реакторах (500-1000 м3), мембранная фильтрация, производственная сепарация, селективная лучевая обработка продуктов и современная, основанная на ферментных превращениях, биохимическая инженерия, станет ясно, что продиктованная временем модернизация отрасли уже начата и все больше ускоряет темпы. Превращения, происходящие в процессе производства пищевых продуктов, представляют собой естественные биологические процессы и протекают с помощью ферментов. С другой стороны, для ускорения или усовершенствования технологических процессов в реакционную среду искусственно вводят ферменты.

2. Ферментация  овощей.

В одном из древнейших методов консервирования овощей, основанном на действии ферментов, используется рассол, в котором присутствуют молочнокислые бактерии. Роль консервантов здесь выполняют поваренная соль и молочная кислота. Во многих странах этот метод применяют в производственных масштабах. В частности, капуста, огурцы, другие овощи и маслины консервируются в рассоле с помощью брожения. Иногда овощи требуют предварительной обработки. Например, до помещения маслин в 18%-й рассол их обрабатывают гидроксидом натрия для удаления терпкого вкуса, вызванного присутствием глюкозида - олеорупеина. В рассоле овощи подвергаются последовательному воздействию разных микроорганизмов. На начальном этапе благодаря наличию кислорода в ферментационной среде развивается аэробная микрофлора. Несмотря на это, довольно быстро развиваются молочнокислые бактерии и дрожжи, в результате образуются молочная и уксусная кислоты. На последней стадии брожения создаются более благоприятные условия для преимущественного развития дрожжей. Брожение заканчивается при исчерпании сбраживаемых углеводов. Для регулирования процесса брожения вместо спонтанно размножающейся микрофлоры стали использовать чистые культуры -- бактерии молочнокислого брожения. Точное соблюдение температуры (7,5 °С) и концентрации соли (2,25%) дает возможность получить соленые (отброженные) овощи высокого качества.В результате брожения овощи обогащаются метаболитами, которые придают им соответствующий вкус и аромат. В то же время при брожении пища обогащается белковыми соединениями. География пищевых продуктов, полученных молочнокислым брожением, имеет явную ориентацию на Восток, например соленая рыба - чисто восточная еда.

3. Биотехнологии  в производстве чая, кофе

В странах Восточной  Азии, Африки и Латинской Америки  безалкогольные ферментированные напитки  готовят из чайных и кофейных растений. В восточных странах с незапамятных времен чай использовали в качестве бодрящего напитка, однако технология производства чая была разработана лишь в XX в. Разнообразие чайного продукта зависит от вида растений и технологии переработки листа. Известны три технологии приготовления чая - черного, зеленого и находящегося между ними по степени окисленности дубильных веществ желтый чай. Готовый чай по степени ферментации делится на следующие категории:

- неферментированный  чай, в котором степень окисления  дубильных веществ (катехинов)  не превышает 12%;

- слабоферментированный чай, степень окисления дубильных веществ - до 12-30%;

- ферментированный  чай, степень окисления дубильных  веществ - в пределах 35-40%.

Каждая категория  готовой продукции по степени  окисления, в свою очередь, делится  на более мелкие группы. Неферментированный - это зеленый чай. Для инактивации окислительных ферментов сырье фиксируют водяным паром и горячим влажным воздухом. В результате на следующих стадиях переработки в чайном листе не происходят процессы ферментативного окисления.