Биотехнология в пищевой промышленности

Для промышленного  использования перспективными являются термофильные (растущие при высоких  температурах до 50^о С) микроорганизмы. Качество биомассы оценивается по высокому содержанию белка, низкому содержанию нуклеиновых кислот и отсутствию вредных веществ.

Как пример промышленного  производства биомассы можно привести получение хлебопекарных дрожжей. В производстве хлебопекарных дрожжей  используют специально отобранные расы Saccharomyces cerevisiae. При отборе культуры принимают во внимание способность дрожжей сбраживать тесто, они должны обладать хорошей подъемной силой и ферментативной активностью, хорошо расти на мелассной среде в условиях глубинной ферментации и давать высокий выход биомассы. Клетки дрожжей должны легко отделяться от культуральной жидкости сепарированием или фильтрацией и хорошо сохраняться в прессованном виде. Подъемную силу дрожжей выражают в минутах, в течение которых определенное количество дрожжей развиваясь в определенном количестве теста, увеличивает его объем на предусмотренную стандартом величину. Для хороших дрожжей подъемная сила не должна превышать 75 мин.

Хлебопекарные дрожжи обладают и бродильной активностью, но чтобы направить использование  углеводов субстрата только на образование  биомассы, спиртовое брожение ограничивают всеми доступными средствами. Это  достигается интенсивной аэрацией среды, а также поддержанием низкой концентрации сахара в ней (0,5—1,5%). При  высокой концентрации сахаров наблюдается  катаболитная репрессия ферментов  цикла Кребса и переключение энергетического  метаболизма преимущественно на брожение. Чтобы избежать этого, сахар  в среду подают непрерывно с постоянной или возрастающей скоростью притока.Чтобы  предотвратить чрезмерное размножение  побочной микрофлоры, особенно так  называемых диких дрожжей, удельная скорость роста которых выше, чем  у хлебопекарных дрожжей, процесс  ферментации обычно ведут по периодической  схеме в течение 10—20 ч.

Товарные дрожжи обычно получают в три этапа. Сначала  размножают первый посевной материал (задаточные дрожжи), затем вторые задаточные дрожжи и из них получают товарные дрожжи. Получение первых задаточных дрожжей идет без притока среды; длительность процесса 6—7 ч. На втором этапе стремятся полностью исключить  спиртовое брожение, поэтому дрожжи выращивают в условиях очень интенсивной  аэрации, лимитируя концентрацию сахара в среде, по проточному методу культивирования. Чаще всего длительность этого этапа 10 - 12 ч. Последний этап производства товарных дрожжей длится 10 - 24 ч. Биомассу дрожжей отделяют от культуральной  жидкости, используя сепарирование, в три этапа, при двукратной промывке суспензии клеток водой для удаления остатков среды, бактерий и примесей. Получают концентрат дрожжей, содержащий 80—120 г/л сухой биомассы. Его охлаждают  до 8—10°С, фильтруют на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах и получают дрожжевую пасту с 70—75%-ной влажностью. После кондиционирования пасты  водой до стандартной (75%) влажности, дрожжи фасуют в плитки массой 50, 100, 500, 1000 г и упаковывают. Хранят прессованные дрожжи при температуре 0 - 4°С до 10 суток. Хлебопекарные дрожжи можно высушивать при температуре 30—40°С до влажности 8% и хранить до 6 мес.

Кормовые дрожжи получают с помощью Candida и Trichosporon. Выбирая культуру, надо следить, чтобы скорость ее роста в соответствующей среде была максимальной, в состав биомассы входило бы много белков, витаминов, чтобы культура в определенных условиях была вирулентной (могла конкурировать с сопутствующей микрофлорой).Кормовые дрожжи получают из доступных, дешевых, содержащих углерод видов сырья:

• углеводсодержащее сырье (гидролизаты древесных и сельскохозяйственных отходов, меласса, сульфитный щелок целлюлозной промышленности);
• природные и синтетические субстраты, содержащие органические кислоты, спирты и другие окисленные соединения углерода (отходы спиртовой промышленности — барда, отходы производства синтетических моющих веществ и др.);
• углеводороды (нефть, парафины, природные газы).

При производстве кормового  белка не требуется получение  жизнеспособной микробной массы, поэтому  требования при выделении клеток более просты.

Живая биомасса молочнокислых  бактерий, которая широко используется в молочной промышленности, в пищевой  промышленности, в сельском хозяйстве  и в ветеринарии, называется молочнокислые закваски. Кроме этого, живые клетки микроорганизмов используются для получения бактериальных удобрений, микробных инсектицидов.

Производство аминокислот, органических кислот, витаминов

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, так как  при биологическом синтезе используемые микроорганизмы образуют аминокислоты в биологически активной L-форме. Как продуценты лизина изучаются Brevibacterium lactofermentum и бактерии рода Corynebacterium,также предложены способы биотехнологического получения изолейцина,треонина при использовании E. coli. Большинство исследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают L-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту,лейцин, валин, изолейцин, лизин.За рубежом 60% мощностей по производству аминокислот занимают глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. Глутаминовая кислота производится при участии в качестве продуцента штамма Corynebacterium.

С помощью микроорганизмов  можно получить до 60 органических кислот. Многие из них получаются в промышленном масштабе - итаконовая, молочная, уксусная, лимонная, яблочная, янтарная. Эти пищевые  кислоты используются как регуляторы кислотности и консерванты. Лимонную кислоту получают с помощью Yarrowia lipolytica, Aspergillus niger, молочную – Endomycopsis fibuligera, Rhisopus oryzae, 
Lactobacillus casei, янтарную – Anaerobiospirillum succiniproducens. Уксусную кислоту получают путем микробиологической конверсии водорода и углекислого газа бактериями Acetobacterium woodi и Clostridium aceticum.

Микроорганизмы  содержат много витаминов, которые  чаще всего входят в состав ферментов. Состав и количество витаминов в  биомассе зависят от биологических  свойств данной культуры микроорганизмов  и условий культивирования. Некоторые  витамины микроорганизмы синтезируют, другие напротив усваивают в готовом  виде из окружающей среды. Культура, способная  синтезировать какой-либо витамин, называется автотрофной по отношению  к нему, если культура не способна синтезировать  данный витамин, она является авто-гетеротрофной.

Витамины синтезируют  в основном химическим путем или  получают из естественных источников. Однако эргостерин, рибофлавин (В₂), витамин В₁₂ и аскорбиновую кислоту (микроорганизмы используются как селективные окислители сорбита в сорбозу при производстве витамина С) получают микробиологическим путем. Для синтеза витаминов В₁, В₂, В₆, В₁₂и аскорбиновой кислоты также используют кефирные грибки, а бифидобактерии – группы В, РР (никотиновая кислота) и Н, однако пока эти микроорганизмы не используются как продуценты витаминов в промышленных масштабах.

Изменяя условия  среды, содержание отдельных витаминов  можно увеличить. Так, количество рибофлавина  зависит от интенсивности аэрации  и содержания железа в среде. Количество витаминов в клетках, а также  их выделение из последних можно  изменить при помощи микроэлементов. Существует производство рибофлавина  на основе использования дрожжеподобных грибов Eremothecium ashbyii и Ashbia gossypii. Рибофлавин продуцируется также видами Clostridium и Ascomycetes. Микроводоросль Dunalieiia viridis культивируется с целью получения β-каротина.

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, с.-х., медицине.

Получение пищевых  ароматизаторов микробиологическим путем  может быть более выгодным и продуктивным, чем их химический синтез или другие традиционные способы. Так, в США  был разработан экологически безопасный биокаталитический способ синтеза  ванилина из глюкозы с 
использованием генетически модифицированного штамма E. coli и грибного фермента дегидрогеназы. Аромат ванилина при биотехнологическом его получении оказался в несколько раз интенсивнее обычного.

Весьма перспективно использование грибных культур  в качестве продуцентов сырных, грибных, рыбных ароматизаторов. Освоены биотехнологические способы получения веществ, имитирующих  ароматы земляники, малины, банана, кокоса, яблока, персика, миндаля.

Микроорганизмы  являются важным источником получения  полимерных материалов на основе полисахаридов. Ценным микробным полисахаридом  является декстран, образуемый бактериями рода Leucomonstoс. Декстран служит основой получения медицинских препаратов (кровезаменителей) и препаратов для биохимических исследований - сефадексов и др. молекулярных сит. Нуклеозиды, нуклеотиды и их производные также можно получать с помощью микроорганизмов.

Большинство пищевых  красителей синтезируют химическим путем, но некоторые натуральные  пигменты микроорганизмов могут  быть с успехом использованы в  качестве красителей для пищевых  продуктов. Так, из гриба Monascus получен натуральный красный пищевой краситель. Из бактерий с Канарских островов получен розовый краситель для мороженого, крема, мыла. Такие красители безвредны и придают стойкий цвет продуктам, что позволяет предположить, что в будущем микробиологическому производству красителей будет уделяться больше внимания, чем в настоящее время.