Методические указания к практическим занятиям по дисциплине "Современные методы биотехнологии в производстве и переработке с.-х. продукции"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный аграрный университет»

                                                      Кафедра технологии

                                         производства

                                                             и переработки продуктов

                                             животноводства

А.А. Белооков

Современные методы биотехнологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции

Методические указания к практическим занятиям

предназначены для магистров, обучающихся по направлению подготовки 36.04.02 «Зоотехния», профиль подготовки: технология производства продуктов животноводства

Троицк 2015

УДК 631.147 (075)

ББК 65. 9 (2) я 73

Б 43

Рекомендовано  к изданию методической  комиссией

факультета биотехнологии  (протокол № 2 от 29.10.2015 г.)

Рецензент: С.А. Гриценко, доктор биологических наук, профессор кафедры генетики и разведения с.-х. животных.

Составитель: А.А. Белооков, профессор кафедры технологии производства и переработки продуктов животноводства, доктор с.-х. наук.

Современные методы биотехнологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции. Методические указания к практическим занятиям / Белооков А.А. - Троицк, 2015. – 112 с.

Методические указания к практическим занятиям  предназначены для магистров, обучающихся по направлению подготовки 36.04.02 «Зоотехния», профиль подготовки: технология производства продуктов животноводства.

В методических указаниях представлены основные направления ферментативной биотехнологии: производство ферментов и использование ферментных препаратов в промышленности, сельском хозяйстве, раскрыты основные представления о микробиологическом синтезе и получении пищевых компонентов: белков, органических кислот, аминокислот, витаминов, ароматизаторов и т.д., рассмотрены вопросы контроля технологических процессов производства.  Изложены методы получения трансгенных животных и трансплантации эмбрионов. В конце каждой работы приводится перечень вопросов для самопроверки знаний.

УДК 631.147 (075)

ББК 65. 9 (2) я 73

Б 43

© ФГБОУ ВО

Южно-Уральский ГАУ

Содержание

Введение

Биотехнология – это наука, которая изучает методы получения полезных для человека веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клеток биологические структуры.

Человек использовал биотехнологические процессы еще многие тысячи лет назад: люди занимались пивоварением, пекли хлеб; они придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы.

Однако только разработка новых методов, являющихся основой биотехнологических процессов, позволила улучшить уже имеющиеся процессы и продукты, а также создавать оригинальные способы получения новых, ранее недоступных веществ и осуществлять новые процессы.

С помощью современной биотехнологии в настоящее время получают такие пищевые продукты, как пиво, вино, спирт, хлеб, уксус, кисломолочные продукты, сырокопченые и сыровяленые мясные продукты и многие другие. Кроме того, пищевая биотехнология используется для получения веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности: это лимонная, молочная и другие органические кислоты; ферментные препараты различного действия – протеолитические, амилолитические, целлюлолитические; аминокислоты и другие пищевые и биологически активные добавки.

Современные специалисты, работающие в сельском хозяйстве, в сфере АПК и других отраслях народного хозяйства должны в совершенстве владеть методами биотехнологии и биоинженерии, уметь использовать их для увеличения производства сельскохозяйственной продукции, улучшения ее качества, защиты природы от загрязнения и повышения устойчивости всего агропромышленного производства.

Занятие 1. Области применения биотехнологии. Производство и промышленное использование ферментов. Технология получения иммобилизованных ферментов.

Цель занятия: изучить области применения биотехнологии, получить представление о ферментах, изучить их классификацию и сферы применения, получить представление об иммобилизованных ферментах и областях их применения.

Приборы и материалы: методические указания, образцы ферментов, таблицы.

1. Понятие биотехнологии, области ее применения

Название науки «Биотехнология» происходит от греческих слов «bios» - жизнь, «teken» - искусство, «logos» - слово, учение, наука.

 Биотехнология - это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо- и машиностроения использует биологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.

Области применения биотехнологии

1. Медицина, здравоохранение,  фармакология. Антибиотики, ферменты, аминокислоты, кровезаменители, нуклеотиды, противораковые и противовирусные препараты, новые вакцины, гормональные препараты (инсулин, гормон роста), антитела для диагностики и лечения, исследования природы рака и процессов старения организма, продукты диетического питания.
2. Получение химических веществ. Этилен, пропилен, бутилен, окисленные углеводороды, органические кислоты, терпены, фенолы, полимеры, ферменты, продукты тонкого органического синтеза, полисахариды.
3. Животноводство. Усовершенствование кормовых рационов (производство белка, аминокислот, витаминов, кормовых антибиотиков, ферментов, заквасок для силосования), ветеринарных препаратов (антибиотики, вакцины и т.д.), гормонов роста, создание высокопродуктивных пород, пересадка оплодотворенных яйцеклеток и эмбрионов, манипуляции с эмбрионами.
4. Растениеводство. Биорационалъные пестициды, бактериальньте удобрения, производство безвирусного посадочного материала, создание высокопродуктивных сортов и гибридов, устойчивых к болезням, засухе, заморозкам, засоленности почв.
5. Рыбное хозяйство. Кормовой белок, ферменты, антибиотики.
6. Пищевая промышленность. Белок, аминокислоты, заменители сахара (аспартам, глюкозофруктовый сироп), полисахариды, органические кислоты, нуклеотиды, липиды, переработка пищевых продуктов
7. Экология. Утилизация сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, создание замкнутых технологических циклов, производство безвредных пестицидов, легко разрушаемых полимеров.
8. Научные исследования.        Генно-инженерные и молекулярно-биологические исследования (нуклеиновые кислоты ДНК, РНК, нуклеотиды и др.), медицинские исследования (средства диагностики, реактивы и т.д.)
9. Легкая промышленность. Улучшение технологий переработки кож, производство текстильного сырья, шерсти, бумаги, парфюмерно-косметических изделий, получение биополимеров, искусственных кожи и шерсти и т.д.

2. Производство и промышленное использование ферментов

      Ферменты (энзимы) - катализаторы белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах, увеличивающие скорость протекания реакции. Для ферментативных реакций характерен почти 100% выход продуктов. Ферменты обладают узкой специфичностью, В настоящее время в природе обнаружено свыше 3 тысяч ферментов.

     Существуют  3 источника получения ферментов: растения, животные, микроорганизмы, в том числе микроскопические грибы.

Единственным, неограниченным источником ферментов являются микроорганизмы, из которых можно выделить любые из известных в настоящее время ферментов. Исключение составляет папаин (размягчитель мяса), который получают из плодов папайи. Продуктивность штаммов микроорганизмов, производящих ферменты, можно увеличить с помощью мутагенных факторов в 2-5 раз.

Синтезируемые микроорганизмами ферменты подразделяются на внеклеточные и внутриклеточные.

Внеклеточные ферменты получают из культуральной жидкости, предварительно отделанной от микроорганизмов. Для выделения внутриклеточных ферментов разрушают клеточные оболочки с помощью механических, физических, химических (действие кислот, растворителей), ферментативных и биологических методов.

Ферменты применяются в пищевой, фармацевтической, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, химическом синтезе.

Иммобилизация ферментов - это перевод их в нерастворимое состояние с сохранением (частичным или полным) каталитической активности.

Для получения иммобилизованных ферментов обычно применяют следующие методы:

1. Ковалентные присоединение молекул ферментов к водонерастворимому носителю, в качестве которого используют как органические (природные и синтетические) полимеры, так и неорганические материалы. К первым относятся целлюлоза, хитин, агароза, декстрины, бумага, ткани, полистирол, ионообменные смолы и т. д., ко вторым - пористое стекло, силикагели, силохромы, керамика, металлы и т. д.
2. Захват фермента в сетку геля или полимера.
3. Ковалентная сшивка молекул фермента друг с другом или с нертными           белками
4. Адсорбция фермента на водонерастворимых носителях (часто на ионитах).
5. Микрокапсулирование (захват раствора фермента в полупроницаемые
   капсулы размером 5-300 мкМ).

Рисунок 1 – Методы иммобилизации ферментов (Ф - фермент)

                     Использование иммобилизованных ферментов

 Иммобилизованные ферменты нашли самое разнообразное использование в медицине (в качестве противовоспалительных, тромболитических и фибринолитических препаратов), фармацевтической (в медицинской диагностике при анализе лекарственных веществ белковой природы), химической (в качестве активных компонентов стиральных и моющих средств) и пищевой промышленности (при обработке мяса, в качестве катализаторов при проведении различных технологических процессов), в аналитических целях, в качестве ферментных электродов для определения концентрации сахаров, аминокислот и других соединений. Кроме того, возможность использования иммобилизованных ферментов привела к созданию таких новых направлений, как радиоиммунный и ферментативный иммуносорбентный анализ. Однако, несмотря на это, иммобилизованные ферменты не применяются в практических целях в таких масштабах, которые предполагались.

Иммобилизованные ферменты по сравнению со своими растворимыми аналогами имеют ряд преимуществ:

•  иммобилизованные ферменты легко отделяются от реакционной среды и могут быть использованы повторно;
•  ферменты в иммобилизованном состоянии проявляют повышенную стабильность к экстремальным условиям и сохраняют активность в течение более длительного времени;

- использование иммобилизованных ферментов позволяет разрабатывать непрерывные технологии;

- методами иммобилизации возможно создание мультиферментных иммобилизованных композиций, это, в свою очередь, позволяет осуществлять последовательные ферментные реакции разных процессов.

Иммобилизованные ферменты характеризуются и некоторыми недостатками. В результате иммобилизации в ряде случаев наблюдается уменьшение удельной активности системы.

Еще одним недостатком иммобилизованных ферментов является стоимость иммобилизации, которая может оказаться неприемлемо высокой.

 Таким образом, при использовании иммобилизованных ферментов приходится решать комплекс вопросов, связанных с экономической обоснованностью их практической реализации. Самое главное преимущество ферментов как специфических биокатализаторов заключается в их способности осуществлять сложные химические преобразования в обычных условиях, при крайне незначительных затратах энергии.

Задания

1. Дайте определение биотехнологии.
2. Заполните таблицу 1.

Таблица 1- Области применения биотехнологии

3. Запишите термин «ферменты», укажите источники их получения, а также чем отличаются внеклеточные и внутриклеточные ферменты.
4. Дайте определение иммобилизации ферментов, укажите способы иммобилизации и зарисуйте их (рис. 1).
5. Выделите преимущества и недостатки иммобилизации.
6. Заполните таблицу 2.

Таблица 2- Применение иммобилизованных ферментов

Контрольные вопросы

1. Что такое биотехнология, в каких областях народного хозяйства она применяется?
2. Как применяется биотехнология в животноводстве и растениеводстве?
3. Что такое ферменты?
4. Как получают ферменты в биотехнологии?
5. Как используют иммобилизованные ферменты, как это связано с вашей специальностью?

Занятие 2. Применение ферментных препаратов в перерабатывающей промышленности

Цель занятия: получить представление о способах получения ферментных препаратов и их применении в перерабатывающей промышленности

Приборы и материалы: методические указания, образцы ферментов, таблицы

1. Производство ферментов методом культивирования микроорганизмов

Технологические процессы производства ферментных препаратов можно разделить на 2 группы. В первом случае ферментация ведется глубинным методом в жидкой питательной среде (рисунок 2), во втором - используется поверхностная культура, растущая на специально подготовленной рыхлой и увлажненной питательной среде.

Основные этапы глубинного метода культивирования продуцентов ферментов:

1. получение посевного материала по  схеме: исходная культура продуцента — маточная культур, выращенная в колбах — посевная культура, выращенная в инокуляторе, — посевная культура, выращенная в посевном аппарате. Объем посевного аппарата обычно составляет до 10 % от объема промышленного ферментатора;
2. приготовление питательных сред;
3. стерилизация питательных сред с помощью мембран или высоких температур;
4. очистка воздуха до и после аэрирования;
5. производственное культивирование.   Здесь необходимо проводить учет увеличения биомассы, накопления ферментов, изменения состава питательной среды, ее кислотности, аэрации и т.д. Глубинный метод более совершенен, чем поверхностный, так как легко поддается механизации и автоматизации, легче и проще осуществляется переход к большим масштабам производства. Этот процесс должен проходить в строго асептических условиях. Однако концентрация ферментов в среде при глубинном культивировании обычно значительно ниже, чем в водных экстрактах поверхностной культуры.

Рисунок 2  - Технологическая схема процесса глубинного культивирования микроорганизмов

1 – смеситель питательной среды; 2 – колонна для непрерывной стерилизации потока питательной среды острым паром; 3 - теплообменник – выдерживатель; 4 – теплообменник для охлаждения потока питательной среды; 5 – инокуляторы (посевные аппараты); 6 – индивидуальный фильтр для очистки воздуха, подаваемого в инокулятор; 7 – реактор – ферментер; 8,9 – насосы; 10 – масляный фильтр для предварительной очистки воздуха; 11 – компрессор; 12- головной фильтр для очистки воздуха

При поверхностном методе культура растет на поверхности твердой увлажненной питательной среды. Недостатками метода являются: необходимость иметь большую поверхность контакта рыхлой среды с воздухом, что часто отражает неинтенсивный характер процесса; мойка, стерилизация, перемещение кювет с небольшой высотой слоя, их заполнение и освобождение, что требует больших затрат ручного труда: выращивание культуры проходит в неаскетических условиях.

Преимущества поверхностного метода: более высокая конечная концентрация фермента на единицу массы среды, такие культуры легко выращивать и приводить в товарную форму; снижена потребность в электроэнергии и т.д.

Принципиально технология получения очищенных ферментов включает следующие этапы: экстракцию из поверхностной культуры; отделение твердой фазы; концентрирование ферментных растворов; ультрафильтрацию; осаждение органическими растворителями; высаливание; сорбционную очистку; сушку; стандартизацию ферментных препаратов.

Состав и количество синтезируемых клетками ферментов зависит от наследственных свойств данного микроорганизма. Под действием мутагенных факторов (ионизирующее и неионизирующее излучения, изотопы, антибиотики, химические соединения, обладающие высокой преобразующей способностью по отношению к наследственным элементам клетки), получают промышленно ценные штаммы мутантов.

Производительность технологических процессов по каждому ферменту зависит и от питательной среды, имея в виду наличие в ней не только источников углерода, азота, фосфора и других элементов, но и веществ, играющих роль индукторов или репрессоров биосинтеза данного конкретного фермента или их групп. Например, фермент липаза почти не синтезируется грибом  на среде без индуктора, внесение кашалотового жира усиливает биосинтез фермента в сотни раз. Этот же вид гриба при добавлении в среду крахмала и полном исключении минерального фосфора интенсивно синтезирует другой фермент - фосфатазу.

Для интенсификации процесса роста и синтеза ферментов часто добавляют всевозможные вытяжки или экстракты, содержащие дополнительные факторы роста. К ним относятся, прежде всего, аминокислоты. Они легко проникают внутрь клетки и специфически влияют на образование фермента. Механизм их действия заключается в компенсации недостающих свободных внутриклеточных аминокислот, необходимых для синтеза фермента. Факторами роста являются также пуриновые основания и их производные, РНК и продукты ее гидролиза. Все рассмотренные факторы должны учитываться при составлении питательных сред для культивирования продуцентов ферментов. В промышленных средах в качестве источников органического углерода и азота чаще всего используют различные сорта крахмала (картофельный, кукурузный, рисовый), кукурузный экстракт, соевую муку, и т. д. Микроорганизмы для своего роста могут утилизировать и минеральные соединения азота, которые превращаются в аммиак, необходимый для синтеза сложных азотсодержащих органических соединений.

2. Использование очищенных  ферментов и технических препаратов

Технический препарат фермента представляет собой смесь разных белков, в которой основным является тот, название которого имеет препарат. Количество этого ферментного белка должно быть не менее 10-15% от общего количества белков. Довольно часто технические ферментные препараты содержат нейтральный наполнитель, например ксилозу, которая не влияет на каталитические свойства основного фермента.

Хотя промышленные ферменты иногда реализуются в виде технических препаратов, определенная их часть подвергается экстракции и очистке. При этом решается несколько задач: удаляют токсичные и нежелательные метаболиты и микроорганизмы, стандартизуют активность. Таким образом, обеспечивается более высокое качество препарата и его стабильность, также можно придать препарату желаемые аромат и цвет. Главная трудность, возникает из-за неоднородного состава культуральных жидкостей, которые часто содержат большие количества коллоидов и имеют высокую вязкость.

Выделение и очистка ферментов - трудоемкий и дорогой процесс. Поэтому в кожевенной, спиртовой промышленности, для введения в корма животных применяют ферментные препараты в неочищенном виде.

Технические препараты используются в разных областях промышленности, в основном связанных с гидролизом крахмала, пектинов, целлюлозы, гемицеллюлозы (ксилан) и дисахаридов (сахароза, лактоза). Большое внимание уделяется протеазам, которые осуществляют гидролиз пептидных связей в белках. Ввиду широкого распространения и быстрого возобновления белки как субстраты, приобретают все большее значение.

В препаратах высокой белковой чистоты основной фермент составляет не менее 60-70% от общего количества белка. Получение препарата такой чистоты связано с серьезными трудностями, и соответственно стоимость такого препарата оценивается совершенно в других масштабах. Разница между двумя подходами заключается в том, что, если в промышленности ферменты употребляются десятками, в ряде случаев - сотнями килограммов, количество используемых очищенных ферментов исчисляется в миллиграммах и граммах.

Ферменты или их иммобилизованные формы требуемой белковой чистоты применяют в клинической медицине и научных исследованиях.

Технические исходные неочищенные культуры обозначают знаком "X". К очищенным относятся препараты, активность которых после очистки в 10, 15, 20 раз выше исходных (обозначают 10Х, 15Х, 20Х). Название ферментного препарата складывается из основного фермента и видового названия микроорганизма — продуцента. Например, Глюкаваморин П10Х препарат комплексного действия. Стандартизируется по амилолитической (АС) и декстринолитической активности. Содержит также ферменты мальтазу, гемицеллюлазу и др.

3. Использование промышленных ферментных препаратов

Использование микробных ферментов в некоторых отраслях промышленности началось более 70 лет назад. Большую часть, составляют гидролазы (реакции гидролиза), так как именно они являются основными в промышленной биотехнологии.

Ферменты немикробного происхождения находят применение сравнительно реже в силу различных причин, в частности: низкой лабильности, дороговизны, сезонности получения и других факторов. Но в ряде случаев, в отсутствии микробного аналога, для коммерческих целей выделяют ферменты растительного и животного происхождения. Примерами таких ферментов могут служить ренин животного происхождения, фицин выделенный из инжира, папаин и др. Для получения в производственном масштабе ферментов растительного и животного происхождения в последнее время с успехом используют культивирование тканей и отдельных органов.  Предположительно этот метод должен значительно удешевить и соответственно увеличить удельную долю коммерческих ферментов растительного происхождения.

Группы ферментов:

к амилолитическим ферментам относятся L-амилаза, ß-амилаза, глюкоамилаза. Их действие проявляется при гидролизе крахмала и гликогена. Крахмал при гидролизе сначала расщепляется на более простые полисахариды - декстрины, а затем - до глюкозы. Эти ферменты применяются в спиртовой промышленности, хлебопечении.

Грибные амилазы используются в пищевой промышленности  при выпечке  хлеба. Их действие основывается на гидролизе крахмала в муке с образованием сбраживаемых сахаров. В шелкоткацком производстве грибные амилазы применяют для удаления крахмала из тканей (взамен ранее употребляемых химикатов).

Протеолитические ферменты относятся к гидролазам. Их действие заключается в расщеплении пептидных связей в белках и пептидах.

Применение протеаз широкое: мясная промышленность для умягчения мяса, кожевенная промышленность - при обезволошивании (удаление волосяного покрова) и мягчении шкур; кинопроизводство - для растворения желатинового слоя на пленках при их регенерации; парфюмерия - при создании добавок в зубную пасту, кремы, лосьоны, промышленность синтетических моющих средств - при применении моющих добавок для удаления загрязнений белковой природы; медицина - при лечении воспалительных процессов, ожогов, тромбозов.

Грибные протеазы широко используются для деградации клейковины до постоянного уровня. Это позволяет стандартизовать операцию процесса хлебопечения и сократить периоды замешивания и выдерживания.

Используют их также при производстве сухарей с низким содержанием белка.

Все микробные протеазы можно разделить на три класса: сериновые протеазы, металлопротеазы и кислые протеазы. Сериновые и металлопротеазы образуются бактериальными культурами, кислые протеазы образуют микроскопические грибы.

Металлопротеазы используются в пивоваренной и спиртовой промышленности. При производстве пива использование протеаз связано с предотвращением образования мути, являющейся результатом выпадения в осадок белковых компонентов пива. Кроме металлопротеаз для этой цели используются растительные ферменты: бромелин и папаин.

При производстве пищевого спирта ячменный солод заменяют несолодовыми зерновыми. С целью получения сбраживаемых сахаров в среду, предназначенную для сбраживания, добавляют L-амилазу и протеазу.

Кислые протеазы. Ферменты этого типа встречаются у бактерий, но преобладают у высших грибов.  Чаще всего эти ферменты, ввиду их способности коагулировать молоко, используются как заменители ренина (фермент получаемый из сычуга молодняка жвачных).

У свертывающих молоко ферментов коагулирующая активность должна преобладать над протеолитической активностью. Сущность процесса коагуляции заключается в образовании комплекса казеина с ионами Са2+. Сычуг — экстракт желудков телят содержит фермент ренин, который считается наиболее подходящим для этой цели протеолитическим ферментом. Замена дорогостоящего и дефицитного сычужного фермента на дешевый и доступный фермент микробного происхождения является фактором, определяющим дальнейшее развитие сыродельной промышленности. Содержимое брюшной полости стареющих животных невозможно использовать как источник ренина по той причине, что с возрастом вместо ренина образуется протеиназа другого типа — пепсин.

В последние два десятилетия в мире заметно увеличилось употребление сыра, вследствие чего отмечается острая нехватка ренина, что оказывает существенное влияние на коммерческую цену сыра.

Пектолитические ускоряют негидролитическое расщепление пектиновых веществ (пектин - пектиновые кислоты и протопектин- представители полисахаридов,  содержатся во фруктах, корнеплодах, стеблях (лен). Применение в текстильной промышленности - вымачивание льна перед его переработкой, в виноделии - осветление вин, уничтожение мутности, в консервировании - при приготовлении фруктовых соков.

Целлюлолитические ферменты проводят  гидролиз целлюлозы до глюкозы. Использование их очень перспективно в гидролизной промышленности - это получение глюкозы из целлюлозы; в медицинской - выделение лекарственных веществ (стероидов) из растений; в пищевой - улучшение качества растительных масел; в сельском хозяйстве - как добавки в комбикорма для жвачных животных.

В ближайшем будущем значительный рост использования ферментных препаратов, а именно микробных целлюлаз,  связан с возможностью ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных субстратов с целью получения сахара для пищевых целей.

Ферменты также используются для улучшения действия пищеварительной системы. С этой целью широкое применение нашли протеазы, амилазы, целлюлазы, липазы и др.

Очевидно, в ближайшем будущем существующая ныне тенденция развития производства ферментных препаратов не изменится. Большое значение будет уделяться производству технических препаратов промышленного назначения широкого спектра и малотоннажной ферментной продукции (прокариотов) высокой чистоты для аналитических, диагностических и терапевтических целей.

Задания

1. Укажите методы культивирования микроорганизмов с целью получения ферментов, выделите преимущества и недостатки этих методов.
2. Зарисуйте рисунок 2. Перечислите основные технологические этапы культивирования и способы очистки ферментов.
3. Перечислите факторы, влияющие на синтез ферментов.
4. Определите разницу между техническими и высокоочищенными ферментными препаратами, укажите области их использования.
5. Заполните таблицу 3.

Таблица 3 - Использование ферментов в промышленности

Контрольные вопросы

1. Какие существуют методы получения ферментов?
2. Каковы преимущества глубинного метода культивирования?
3. Какие способы очистки ферментов применяют?
4. Чем отличаются технический и очищенный  ферментный препарат?
5. Где применяются протеолитические и амилолитические ферментные препараты?
6. Как применяются ферментные препараты в переработке мяса и молока?

Занятие  3.  Применение ферментативных препаратов в сельском хозяйстве

Цель занятия: сформировать представление о ферментативных препаратах и их значении в животноводстве и растениеводстве

Приборы и материалы: методические указания, образцы ферментных препаратов.

Одним из важных направлений современной биотехнологии является получение на основе культивирования микроорганизмов и использование в сельском хозяйстве различных ферментных препаратов, которые могут применяться в процессе приготовления кормов для сельскохозяйственных животных как добавки к кормам для улучшения их усвояемости, а также в ветеринарии для профилактики и лечения желудочных и паразитарных заболеваний.

Основной компонент кормов сельскохозяйственных животных — растительная продукция (зерно, силос, грубые корма и др.), содержащая довольно много трудноперевариваемых веществ, — клетчатка, лигнин, гемицеллюлоза. Даже у жвачных животных, содержащих в преджелудке (рубце) активные штаммы целлюлозоразлагающих микроорганизмов, клетчатка переваривается на 40-65%. Не полностью перевариваются также растительные белки (60-80%), липиды (60-70%), крахмал и полифруктозиды (70-85%), пектиновые вещества.

Для улучшения перевариваемости и повышения эффективности использования растительных кормов в рационы сельскохозяйственных животных вводят ферментные препараты (0,1-1,5 % от сухой массы корма), полученные из микроорганизмов и содержащие активные комплексы гидролитических ферментов. Препараты микробных ферментов обычно получают из культур бактерий или микроскопических грибов. Некоторые виды бактерий (например, Вас. Subtilis) выделяют гидролитические ферменты в культуральную среду, поэтому их ферментные препараты производят путем концентрирования и высушивания при определенных условиях (лиофилизацией) культуральной жидкости. Если источником ферментов являются микроскопические грибы (аспергиллы, фузариум), то ферментный препарат готовят высушиванием поверхностной культуры этих микроорганизмов. Очищенные ферментные препараты получают экстракцией ферментов из клеток микроорганизмов подходящим растворителем и осаждением фермента этанолом.

Каждый ферментный препарат обозначается определенным буквенным и цифровым индексом. Буква «Г» в названии препарата указывает на то, что он получен из культуральной жидкости при глубинном способе выращивания микроорганизмов, тогда как буква «П» свидетельствует о том, что ферментный препарат получен из поверхностной культуры микроскопических грибов. Индекс «2» в названии препарата показывает, что это концентрированный сироп, «3» — сухой ферментный препарат, «10» — очищенный ферментный препарат. Индекс «Пх» обозначает, что ферментный препарат представляет собой высушенную поверхностную культуру грибов.

В рационе крупного рогатого скота значительный удельный вес занимают сочные и грубые корма, богатые клетчаткой, пентозанами, пектиновыми веществами, которые медленно перевариваются микроорганизмами рубца, снижая усвояемость организмом других питательных веществ. Значительное улучшение перевариваемости этих веществ наблюдается при добавлении в корм ферментных препаратов с активным комплексом гидролитических ферментов, таких как пектофоетидин ГЗх и целловиридин ГЗх (в соотношении 1:1), амилосубтилин ГЗх и глюкаваморин Пх. При этом не только повышается общая продуктивность животных, но и существенно снижается расход кормов на создание одной единицы животноводческой продукции (на 8-10 %).

При откорме свиней положительное действие оказывают ферментные препараты с амилолитической и протеолитической активностью — амилосубтилин ГЗх, протосубтилин ГЗх, амилоризин Пх, глюкаваморин Пх, протезим ГЗх.

Особенно важное значение имеет применение ферментных препаратов при кормлении молодняка сельскохозяйственных животных. Так, например, у телят формирование рубца происходит к 2—3-месячному возрасту, вследствие чего наблюдается слабое переваривание грубых и сочных кормов. Поэтому для замены молока растительными кормами и лучшего их использования в рацион телят целесообразно вводить ферментные препараты — пектофоетидин ГЗх, амилосубтилин ГЗх, протосубтилин ГЗх и глюкаваморин Пх, содержащие комплекс амилолитических и протеолитических ферментов.

У поросят-сосунов ферментные системы желудочно-кишечного тракта начинают нормально функционировать лишь в 3-4 - месячном  возрасте и для улучшения перевариваемости питательных веществ корма им рекомендуется добавлять в корм ферментный препарат протезим ГЗх. При кормлении ягнят в целях улучшения перевариваемости белков и углеводов в их кормовые рационы вводят глюкаваморин Пх и амилоризин Пх, в результате чего привесы увеличиваются на 11-15%.

Пищеварительные железы птиц не образуют ферменты, катализирующие гидролиз клетчатки и пектиновых веществ, а микрофлора кишечника у них малочисленна, поэтому в их кормовые рационы добавляют ферментные препараты с целлюлолитической, пектолитической и протеолитической активностью — пектофоетидин ГЗх, целлозиридин ГЗх, амилосубтилин ГЗх, глюкаваморин Пх, пектаваморин Пх, протосубтилин ГЗх, гликозидазу ГЗх, лизоцим ГЗх, протезим ГЗх. В результате применения указанных препаратов яйценосность кур повышается на 5%, привесы бройлеров увеличиваются на  7-15 %, тогда как расход корма на создание единицы продукции снижается на 4-7 %.

Применение ферментных препаратов также эффективно при кормлении рыб. При добавлении в кормовые рационы рыб протосубтилина ГЗх, амилосубтилина ГЗх, пектаваморина Пх в количестве 1-0,15 % значительно улучшается перевариваемость белков и других питательных веществ корма.

Ферментные препараты используются также в кормопроизводстве чаще всего при силосовании бобовых трав, соломы, картофеля и приготовлении соломоконцентратов. Зеленая масса бобовых трав содержит большое количество буферных веществ (белки, аминокислоты, щелочные соли), которые препятствуют понижению pH в процессе молочнокислого брожения, кроме того в ней имеется недостаточно сахаров, являющихся субстратами молочнокислых бактерий. Если путем добавления ферментов обеспечить частичный гидролиз полисахаридов — клетчатки, крахмала, пектиновых веществ, гемицеллюлоз, то образуется больше сахаров для жизнедеятельности молочнокислых бактерий, в результате в силосируемой массе повышается концентрация молочной кислоты, обеспечивая снижение потерь питательных веществ и улучшение питательных свойств полученного таким путем корма. Хорошую эффективность при силосовании бобовых трав показали следующие ферментные препараты: целловиридин ГЗх, пектофоетидин ГЗх, пектаваморин Пх, глюкаваморин Пх, целлокандин ГЗх, целлолигнорин Пх. При силосовании картофеля рекомендуется применять амилоризин Пх, глюкаваморин Пх, пектаваморин Пх. При этом кормовая ценность получаемой силосной массы повышается на 15-18%.

Ферментные препараты имеют существенное значение в технологиях приготовления кормов из соломы злаковых культур. Солома характеризуется высоким содержанием трудноусвояемых веществ — целлюлозы, ксиланов, лигнина — и низким содержанием белков. В ней почти нет растворимых углеводов, необходимых для развития молочнокислых бактерий. Поэтому при силосовании соломы применяются целлюлозоразлагающие ферментные препараты — целловиридин ГЗх, целлолигнорин Пх, целлокандин ГЗх, пектаваморин Пх. В результате действия этих препаратов в силосируемой массе повышается концентрация растворимых сахаров, за счет синтеза микроорганизмами увеличивается содержание сырого протеина (на 50%).

Для получения соломоконцентратов обычно применяется смесь двух ферментных препаратов пектофоетидина ГЗх и глюкаваморина Пх, которые обеспечивают гидролиз полисахаридов. Затем на продуктах гидролиза выращивают кормовые дрожжи. Для лучшего роста дрожжей в соломоконцентрат добавляют мелассу, мочевину, кальциймонофосфат, хлорид натрия, необходимое количество воды. Получаемый таким способом корм имеет консистенцию силоса, а по питательной ценности приближается к хорошему луговому сену.

Соломоконцентраты могут быть получены в гранулированном виде и в этом случае могут сохранять свои питательные свойства длительное время — до 1 года. Переваримость клетчатки в таком корме повышается до 75-80%, содержание белков достигает 10-12 % от сухой массы.

Ферментные препараты применяются в процессе получения заменителей цельного молока для молодняка крупного рогатого скота из кормовых дрожжей, которые подвергаются гидролизу. В результате гидролиза разрушается клеточная оболочка дрожжевых клеток и микробная биомасса переводится в легкоусвояемую форму, повышается содержание растворимых углеводов, незаменимых аминокислот и полиненасыщенных жирных кислот. Для гидролиза кормовых дрожжей обычно используют препараты — пектофоетидин ГЗх, дрожжелитин ГЗх, лизосубтилин Г10х.

Микробные ферментные препараты широко применяют в ветеринарии для лечения и диагностики многих заболеваний сельскохозяйственных животных и птиц. Например, ферменты, способные разрушать клеточную оболочку и обладающие лизирующим действием, используются в лечении бактериальных и других заболеваний (сальмонеллез и популлороз у птиц, эндометриты у коров и др.). Для этих целей применяются выпускаемые промышленностью ферментные препараты — лизоцим ГЗх, гликозидаза ГЗх, лизосубтилин Г10х, мальтаваморин Г10х, дрожжелитин ГЗх.

В результате того, что амилосубтилин ГЗх и протосубтилин ГЗх оказывают влияние на редукционную способность бактерий в желу- дочно-кишечном тракте животных, количество и подвижность инфузорий, переваривание целлюлозы и других трудноусвояемых углеводов, эти препараты используют для профилактики и лечения желудочных заболеваний, в частности алиментарных атоний преджелудков у жвачных животных. Ферменты, содержащиеся в этих препаратах, вызывают также гидролиз оболочек яиц гельминтов.

Наряду с производством ферментных препаратов, выделяемых из микробных клеток, разработаны технологии получения биопрепаратов на основе живых микроорганизмов — симбионтов желудочно-кишечного тракта животных, которые в процессе своей жизнедеятельности синтезируют различные ферменты, витамины, незаменимые аминокислоты, антибиотики, вещества, обладающие гормональным действием, и таким образом активно участвуют в процессах пищеварения и синтеза веществ, не образующихся в клетках животных, защите от микробной инфекции.

Эффективные микробные препараты, широко использующиеся в животноводстве, производятся на основе пропионовокислых (пропиовит) и ацидофильных (пропиацид) бактерий, а также азотобактерий (азотацид).

Пропиовит представляет собой порошок серовато-песчаного цвета, содержащий в 1 г препарата 4-6 млрд бактерий и 80-100 мкг витамина В12, применяется для профилактики и лечения болезней желудочно-кишечного тракта у телят, поросят, цыплят. При его применении нормализуется рост и развитие молодняка сельскохозяйственных животных, повышается их устойчивость к инфекционным заболеваниям.

Пропиацид и азотацид — сухие препараты комбинированного действия, способствуют образованию в желудочно-кишечном тракте животных уравновешенных биоценозов, особенно они эффективны против дисбактериозов.

Для борьбы с бактериальными и вирусными желудочно-кишечными заболеваниями применяются бактериальные препараты на основе Вас. subtilis, licheniformis, mucilaginosis, которые, вероятно, действуют как источники биологически активных веществ — ферментов, витаминов, антибиотиков, гормонов.

Важной задачей ученых и специалистов, работающих в области сельскохозяйственной биотехнологии, является создание и внедрение в природные экосистемы желудочно-кишечного тракта животных высокоактивных штаммов микроорганизмов, способных к лучшему перевариванию целлюлозы и других углеводов, растительных белков и липидов, сверхсинтезу незаменимых аминокислот и витаминов. Важное значение имеют исследования по изучению микробных популяций рубца (преджелудка) жвачных животных, в котором подвергается перевариванию 70-85% всего сухого вещества корма, проходящего через желудочно-кишечный тракт этих животных.

Рубец представляет собой высокоэффективную природную систему непрерывного культивирования анаэробных микроорганизмов — бактерий (Ruminococus, Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Eubacterium и др.) и простейших (Diplodinium, Entodinium, Ophryoscolex, Isotricha и др.).

Слизистая оболочка рубца не образует собственных ферментов, и процесс переваривания пищи полностью происходит с помощью ферментных белков, вырабатываемых микроорганизмами. В результате жизнедеятельности микрофлоры в преджелудках жвачных животных гидролизуются практически все формы сложных углеводов (крахмал, пектиновые вещества, гемицеллюлозы, клетчатка, дисахариды), белки и липиды, подвергаются брожению моносахариды (глюкоза, фруктоза, манноза). Образующиеся в результате гидролиза сложных веществ моносахариды, аминокислоты и жирные кислоты используются животными в качестве источников энергии и в биосинтетических процессах. Сами микроорганизмы после их отмирания также перевариваются в рубце и становятся для животных источниками полноценных белков, незаменимых аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот, витаминов.

Создание высокоактивных штаммов микроорганизмов и сбалансированных экосистем желудочно-кишечного тракта животных проводится как обычными методами генетики и селекции, так и с использованием мутагенеза и клонирования генов. Применение этих методов позволит целенаправленно изменять экосистемы желудочно-кишечного тракта животных в нужном направлении, добиваясь улучшения усвояемости, корма, усиления синтеза полезных веществ, подавления патогенной микрофлоры.

Задания

1. Перечислите основных продуцентов ферментов.
2. Укажите, как обозначаются ферментные препараты.
3. Заполните таблицу 4.
4. Перечислите основные микробные препараты, укажите их значение

Таблица 4 - Применение ферментных препаратов в сельском хозяйстве

Контрольные вопросы

1. Каким способом получают ферменты?
2. Какие продуценты ферментов существуют?
3. Как обозначают ферментные препараты?
4. Как используются ферментные препараты в животноводстве?
5. Как используются ферментные препараты в кормопроизводстве?
6. С какой целью применяют ферментные препараты в кормлении животных?
7. Для чего в кормлении применяют микробные препараты?

Занятие 4. Цитологические основы наследственности. Основные биологические объекты биотехнологии

Цель занятия: сформировать представление об объектах биотехнологии, строении прокариотической и эукариотической клетки.

Приборы и материалы: методические указания, плакаты, мультимедийный комплекс.

Биологические объекты биотехнологии

Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:

а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК);

б) бактерии и цианобактерии;

в) грибы;

г) водоросли;

д) простейшие;

е) культуры клеток растений и животных;

ж) растения – низшие (анабена-азолла) и высшие – рясковые.

Главным объектом биотехнологического процесса является клетка. В ней синтезируется целевой продукт. По сути, клетка представляет собой миниатюрный химический завод, где ежеминутно синтезируются сотни сложнейших соединений.

В клетке протекают все физиологические процессы как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Рост и размножение организмов также связаны с образованием новых клеток, которое зависит от происходящих в них биохимических процессов, называемых обменом веществ или метаболизмом.

Существует два основных типа клеточного строения, которые отличаются друг от друга рядом фундаментальных признаков. Это эукариотические и прокариотические клетки. Микроорганизмов, имеющих истинное ядро, называют эукариотами (эу - от греческого - истинный, карио - ядро). Микроорганизмы с примитивным ядерным аппаратом относятся к прокариотам (до ядерным).

Среди микроорганизмов к прокариотам относятся бактерии, актиномицеты и сине-зеленые водоросли (цианобактерии), простейшие (жгутиконосцы, инфузории и др.). Прокариотические клетки устроены просто. В них нет четкой границы между ядром и цитоплазмой, отсутствует ядерная мембрана. ДНК в этих клетках не образует структур, похожих на хромосомы эукариот. У прокариот не происходят процессы митоза и мейоза. Большинство прокариот не образует внутриклеточных органелл, ограниченных мембранами, нет митохондрий и хлоропластов. У прокариот не происходят процессы митоза и мейоза. Они размножаются чаще простым делением клетки.

К эукариотам относятся водоросли (зеленые, бурые, красные), микомицеты (слизевики), низшие грибы - микромицеты (включая дрожжи).

В эукариотической клетке имеется ядро, отделенное от окружающей его цитоплазмы двухслойной ядерной мембраной с порами. В ядре находятся 1-2 ядрышка - центры синтеза рибосомальной РНК и хромосомы - основные носители наследственной информации, состоящие из ДНК и белка. При делении хромосомы распределяются между дочерними клетками в результате сложных процессов - митоза и мейоза. Цитоплазма эукариот содержит митохондрии, а у фотосинтезирующих организмов и хлоропласта. Цитоплазматическая мембрана, окружающая клетку, переходит внутри цитоплазмы в эндоплазматическую сеть; имеется также мембранная органелла - аппарат Гольджи.

Основа современного биотехнологического производства - синтез различных веществ с помощью клеток микроорганизмов. Клетки высших растений и животных еще не нашли широкого применения, ввиду их высокой требовательности к условиям  культивирования поэтому применяются клетки микроорганизмов.  Большинство микроорганизмов - одноклеточные существа.

Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов.

1. Бактерии. Биотехнологические функции бактерий разнообразны. Бактерии используются при производстве: - пищевых продуктов, например, уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых напитков (Lactobacillus, Leuconostoc) и др.; - микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis); - белка (Methylomonas); - витаминов (Clostridium - рибофлавин); - растворителей и органических кислот; - биогаза и фотоводорода.

Полезные бактерии относятся к эубактериям. Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в углекислый газ и воду. Анаэробные, образующие споры бактерии представлены родом Clostridium. C.acetobutylicum  сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n-бутанол (ацетобутаноловое брожение), другие виды могут также сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения.

К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и нечувствительны к кислороду. Молочнокислые бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ. Молочнокислые бактерии рода Streptococcus продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.

Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазотрофность, то есть способность к фиксации атмосферного азота.

Микробные клетки используют для трансформации веществ.

Бактерии также широко используются в генноинженерных манипуляциях при создании геномных клонотек, введении генов в растительные клетки (агробактерии).

Производственные штаммы микроорганизмов должны соответствовать определенным требованиям: способность к росту на дешевых питательных средах, высокая скорость роста и образования целевого продукта, минимальное образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность продуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды. В связи с этим все микроорганизмы, используемые в промышленности, проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды. Важным свойством продуцента является устойчивость к инфекции, что важно для поддержания стерильности, и фагоустойчивость.

Цианобактерии обладают способностью к азотфиксации, что делает их весьма перспективными продуцентами белка. Такие представители цианобактерий, как носток, триходесмиум съедобны и непосредственно употребляются в пищу. Носток образует на бесплодных землях корочки, которые разбухают при увлажнении. В Японии местное население использует в пищу пласты ностока, образующиеся на склонах вулкана и называет их ячменным хлебом Тенгу.

Отечественная фармацевтическая промышленность выпускает препарат «Сплат» на основе цианобактерии Spirulina platensis. Он содержит комплекс витаминов и микроэлементов и применяется как общеукрепляющее и иммуностимулирующе средство.

2.  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   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.

В пищу употребляют не менее 100 видов макрофитных водорослей как в странах Европы и Америки, так и особенно на Востоке. Из них готовят много разнообразных блюд, в том числе диетических, салатов, приправ. Их подают в виде засахаренных кусочков, своеобразных конфет, из них варят варенье, делают желе, добавки к тесту и многое другое.

Анабена (Anabaena) - нитчатая сине-зеленая водоросль в цитоплазме клеток откладывается близкий к гликогену запасной продукт - анабенин.

Еще ацтеки собирали с поверхности озер и употребляли в пищу слизистую массу сине-зеленой водоросли спирулины. Население района озера Чад давно употребляет в пищу спирулину (Spirulina platensis), называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда начала распространяться спирулина, но иного вида (Spirulina maxima) — воды озера Тескоко в Мексике. Анализ образцов Spirulina показал, что в ней содержится 65% белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли характерно сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли хорошо переваривается. Спирулину можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массы водоросли с 1 м2 в день, а расчеты на год показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз.

В целом ряде стран водоросли используют как весьма полезную витаминную добавку к кормам для сельскохозяйственных животных. Их прибавляют к сену или дают как самостоятельный корм для коров, лошадей, овец, коз, домашней птицы во Франции, Шотландии, Швеции, Норвегии, Исландии, Японии, Америке, Дании и на нашем Севере. Животным скармливают в виде добавки также биомассу выращиваемых микроводорослей (хлорелла, сценедесмус, дуналиелла и др.).

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.

Бурые водоросли являются единственным источником получения одних из самых ценных веществ водорослей — солей альгиновой кислоты, альгинатов.
       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.
      3. Грибы. Биотехнологические функции грибов разнообразны. Их используют для получения таких продуктов, как: антибиотики (пенициллы, цефалоспорины); гиббереллины и цитокинины (фузариум и ботритис); каротиноиды (натуральный краситель,  придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок,  добавляют в корм на рыбозаводах); белок (Candida, Saccharomyces lipolitica); сыры типа рокфор и камамбер (пенициллы); соевый соус (Aspergillus oryzae). К грибам относятся дрожжи и плесени.

В биотехнологии используют около 500 известных видов дрожжей. Дрожжи активно используют для культивирования.

К дрожжам, сбраживающим лактозу, относится Kluyveromyces fragilis, который используют для получения спирта из сыворотки. Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды и употребляется для получения белковой массы. Trichosporon cutaneum, окисляющий многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например, фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков.

Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых средах, которые происходят пред брожением. Их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве сакэ и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищи, употребляемой в азиатских странах. Пищевые продукты на основе сброженных плесневыми грибами Rhizopus oligosporus соевых бобов или пшеницы содержат в 5 - 7 раз больше таких витаминов, как рибофлавин, никотиновая кислота и отличаются повышенным в несколько раз содержанием белка. 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 грибов способно внести и иной, не менее важный вклад в дело обеспечения продовольствием возрастающего населения земного шара. Люди употребляют грибы в пищу с глубокой древности. Поэтому сделать грибы такой же управляемой сельскохозяйственной культурой, как зерновые злаки, овощи, фрукты, давно уже стало актуальной задачей. Наиболее легко поддаются искусственному выращиванию древоразрушающие грибы. Это связано с особенностями их биологии, которые стали нам известны и понятны только сейчас. Их способность легко расти и плодоносить использовали с древнейших времен.

Искусственное разведение древоразрушающих грибов получило довольно широкое распространение. Мицелий съедобных грибов можно выращивают на жидких средах, например на молочной сыворотке и др., в специальных ферментерах, в так называемой глубинной культуре. Это полностью механизированный и автоматизированный процесс. Разработаны и апробированы в опытном производстве способы получения белковых грибных препаратов даедалина и пантегрина из мицелия древоразрушающих грибов с высоким содержанием белка и биологически активных веществ. По содержанию белка 1 кг этих препаратов эквивалентен 2 кг мяса. По биологической ценности белок этих препаратов не уступает растительным и приближается к животным белкам. Перевариваемость белков данных препаратов составляет свыше 80 %. В основе этого способа получения пищевого белка лежат полученные микологами данные о том, что плодовые тела грибов и их грибница близки по своему химическому составу и пищевой ценности.

4. 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.

Другой группой биологически активных веществ простейших являются полисахариды.

Разнообразие полисахаридов, синтезируемых простейшими, достаточно велико. Особый интерес представляют полисахариды - стимуляторы иммунной системы млекопитающих.

Биомасса простейших содержит до 50% белка. Его высокая биологическая ценность заключается в том, что он содержит все незаменимые аминокислоты, причем содержание свободных аминокислот на порядок выше, чем в биомассе микроводорослей, бактерий и в мясе. Это свидетельствует о широких возможностях применения свободноживущих простейших в качестве источника кормового белка.

Подбор форм микроорганизмов с заданными свойствами необходимыми для культивирования

Подбор необходимых для культивирования форм микроорганизмов с заданными свойствами включает несколько этапов.

1. Выделение микроорганизмов. Отбираются пробы из мест обитания микроорганизмов (почва, растительные остатки и т.д.). Применительно к углеводородокисляющим микроорганизмам таким местом может быть почва возле бензоколонок, винные дрожжи обильно встречаются на винограде, анаэробные целлюлозаразлагающие и метанобразующие микроорганизмы в больших количествах обитают в рубце жвачных животных.

2. Получение накопительных культур. Образцы вносят в жидкие питательные среды специального состава, создают благоприятные условия для развития продуцента (температура, РН, источники энергии, углерода, азота и т.д.).

Например,  для накопления продуцента холестериноксидазы используют среды с холестерином в качестве единственного источника углерода; углеводородокисляющих микроорганизмов - среды с парафинами; продуцентов протеолитических или липолитических ферментов - среды, содержащие белки или липиды.

3. Выделение чистых культур. На плотные питательные среды засевают образцы проб из накопительных культур. Отдельные клетки микроорганизмов на плотных питательных средах образуют изолированные
колонии или клоны, при их пересеве получаются чистые культуры, состоящие из клеток одного вида продуцента.

Клон - культура, полученная из одной клетки, чистая культура - совокупность особей одного вида микроорганизмов, штаммы - культуры, выделенные из различных природных сред или из одной среды в разное время.

4. Определение способности синтезировать целевой продукт - главный критерий при отборе продуцентов. Микроорганизмы должны соответствовать следующим требованиям:

1. обладать высокой скоростью роста;
2. использовать для жизнедеятельности дешевые субстраты;
3. быть устойчивыми к заражению посторонней микрофлорой.

Одноклеточные организмы характеризуются более высокими скоростями синтетических процессов, чем высшие растения и животные. Пример, корова массой 500 кг в течение одних суток синтезирует около 0,5 кг белка. Такое же количество белка за одни сутки можно получить с помощью 5 г дрожжей. Интерес представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие энергию света, способные к усвоению атмосферного азота. Выгодны термофильные микроорганизмы. Их использование снижает дополнительные затраты на стерилизацию промышленного оборудования. Скорость роста и обмен веществ у этих организмов в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов. Синтезирующие ими ферменты устойчивы к нагреванию, действию кислот, органических растворителей.

Методы биотехнологии

К основным методам современной биотехнологии относятся микробиологический синтез, клеточная и генетическая инженерия.

Микробиологическим синтезом называется синтез самых разнообразных веществ с помощью микроорганизмов.  В настоящее время микроорганизмы применяют в различных высоких технологиях: для производства антибиотиков, кормового белка и аминокислот, биологически активных соединений (витаминов, гормонов, ферментов, стимуляторов роста) и т. д. Превращение одних веществ в другие с помощью микроорганизмов называется биоконверсией. При микробиологическом синтезе исходным сырьем служат разнообразные источники углерода (природные углеводороды, органические отходы), минеральные соли и атмосферный азот. В качестве микроорганизмов используют прокариоты (бактерии, актиномицеты) и грибы.

Генетическая инженерия – направленная модификация биообъектов в результате введения искусственно созданных генетических программ.

Уровни генетической инженерии:

1.  генная – прямое манипулирование рекомбинантными ДНК, включающими отдельные гены;
2.  хромосомная – манипулирование с группами генов или отдельными хромосомами.

Работа в области генетической инженерии включает 4 этапа: 1) получение нужного гена; 2) встраивание его в вектор, способный к репликации; 3) введение гена с помощью вектора в организм; 4) питание и селекция клеток, которые приобрели желаемый ген.

Генетическая инженерия высших растений осуществляется на клеточном, тканевом и организменном уровне.

Клеточная инженерия – перенос всего или большей части генетичекого материала от одной клетки к другой (клеточная инженерия).

Основой клеточной инженерии является гибридизация соматических клеток – слияние неполовых клеток с образованием единого целого. Слияние клеток может быть полным или с введением их отдельных частей (митохондрий, хлоропластов и т.д.).

Соматическая гибридизация позволяет скрещивать генетически отдаленные организмы.

Применяя методы генетической и клеточной инженерии, современная биотехнология осуществляет широкое конструирование генетически модифицированных организмов (ГМО), в том числе микроорганизмов, растений и животных. В дальнейшем предполагается использование ГМО в природных условиях (в сельском хозяйстве, рыбоводстве, для биологической борьбы с вредителями сельского и лесного хозяйства и т. д.). Однако перед генетической инженерией стоит ряд этических и технологических проблем. При выпуске ГМО в окружающую среду они могут взаимодействовать с разнообразными организмами, сообществами и экосистемами конкретных территорий, в то время как процесс и исход таких взаимодействий не всегда поддается прогнозированию. В частности, существует опасность внедрения «искусственных генов» в геном природных организмов в результате скрещивания ГМО и «диких» форм. Из-за возможных непредсказуемых последствий необходимы исследования, направленные на изучение биобезопасности ГМО.

Задания

1. Дайте определение, что такое прокариотическая и эукариотическая клетка.
2. Зарисуйте строение прокариотической и эукариотической клетки.
3. Заполните таблицу 5.

Таблица 5 – Область применения микроорганизмов, водорослей, грибов  

4. Запишите основные этапы подбора микроорганизмов для кулитивирования.
5. Запишите существующие методы биотехнологии.

Контрольные вопросы

1. Что является главным объектом биотехнологии?
2. Какие существуют типы клеточного строения?
3. Как используют основные объекты биотехнологии?
4. Какие существуют методы современной биотехнологии?

Занятие 5. Технология культивирования микроорганизмов

Цель занятия: сформировать представление о способах культивирования микроорганизмов, этапах роста культуры и т.д.  

Приборы и материалы: методические указания, плакаты, мультимедийный комплекс.

Способы культивирования микроорганизмов

Биореактор, ферментер или ферментатор - это закрытая или открыта емкость, в которой при определенных условиях (давление, температура, концентрация сухих веществ, рН среды и т.д.) протекает на клеточном или молекулярном уровне контролируемая реакция, осуществляемая с помощью микроорганизмов.

Биотехнологические процессы воспроизводства микроорганизмов могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.                                          

Периодический процесс культивирования включает в себя ряд этапов: 1) стерилизацию сред, биореакторов и вспомогательного оборудования; 2) загрузку аппарата питательной средой; 3) внесение посевного материала (клеток, спор); 4) рост культуры, который может совпадать во времени со следующим этапом или предшествовать ему; 5) синтез целевого продукта; 6) отделение и очистку готового продукта. По окончании последнего этапа проводится мойка биореактора и его подготовка к новому циклу.

Этап роста культуры (4) включает несколько фаз: а) лаг-фазу - сравнительно медленный рост внесенной культуры, осваивающей новую среду обитания в объеме биореактора; б) экспоненциальную фазу - бурное деление клеток, сбалансированный рост культуры; в) фазу замедленного роста, связанного с исчерпанием питательных субстратов и накоплением токсических продуктов метаболизма; г) стационарную фазу - прирост клеток равен их убыли; д) фазу отмирания - постепенное снижение числа жизнеспособных клеток.

Биотехнологически ценные продукты синтезируются в экспоненциальную фазу (нуклеотиды, многие ферменты, витамины - так называемые первичные метаболиты) или в стационарную фазу роста (антибиотики, красящие вещества и т.д. — так называемые вторичные метаболиты или идиолиты).

Разновидностью периодического способа культивирования является периодическое культивирование с подпиткой: когда помимо внесения питательного субстрата в реактор до введения в него биообъекта, в процессе культивирования в аппарат добавляют питательные вещества через определенные промежутки времени порциями или непрерывно «по каплям». Иногда дополнительно вносят биообъект.

Существует также отьемнодоливочное культивирование, когда часть объема из биореактора время от времени изымается при добавлении эквивалентною объема среды. Это приводит к регулярному омолаживанию культуры и к задержке ее перехода к фазе отмирания. Такой режим культивирования в значительной мере уподобляется непрерывному процессу, поэтому называется также полунепрерывным культивированием.

При непрерывном способе культивирования биообъект постоянно поддерживается в экспоненциальной фазе роста. Для этого обеспечивается непрерывный приток свежей питательной среды в биореактор и отток из него культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. Фундаментальным принципом непрерывных процессов служит равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой.

Культивирование также может быть глубинным или поверхностным.

Глубинный способ культивирования заключается в выращивании микроорганизмов в жидкой питательной среде. Он технически более совершенен, чем поверхностный, так как легко поддается механизации и автоматизации.

Весь процесс должен проводиться в строго асептических условиях, что с одной стороны, является преимуществом метода, а с другой - составляет наибольшую техническую трудность, т.к. нарушение асептики часто приводит к прекращению образования фермента.

При поверхностном способе культивирования продуцентов культура растет на поверхности твердой увлажненной питательной среды. Мицелий полностью обволакивает и прочно скрепляет твердые частицы, клетки получают питание за счет содержащихся в этих средах веществ и используют для дыхания кислород воздуха, поэтому для их нормального обеспечения кислородом приходится применять рыхлые по своей структуре среды с небольшой высотой слоя.

Недостатком метода является необходимость больших площадей для выращивания. Выращивание производственной культуры происходит обычно в неасептических условиях.

Главное преимущество поверхностного метода - более высокая конечная концентрация фермента на единицу массы среды. Например, для осахаривания 100 кг крахмала в спиртовом производстве требуется 5 кг поверхностной культуры плесневых грибов или около 100 кг культуральной жидкости. Поверхностные культуры можно быстро и легко высушить, их легко перевести в товарную форму и транспортировать. Меньше потребность электроэнергии по сравнению с глубинным методом.

 Системы культивирования микроорганизмов

Культивирование микроорганизмов может осуществляться в открытой или закрытой системе.

Система называется закрытой, если ни одна составная часть этой системы после начала процесса в биореакторе не вводится и не выводится. Например, когда в ферментер сначала подают все питательные вещества, водную фазу и посевной материал. Процесс идет в соответствии с кривой роста микроорганизмов с заключительным замиранием реакции, обусловленным недостатком субстрата, накоплением токсических метаболитов, неблагоприятным изменением физико-химических условий окружающей среды (рН, температура, парциальное давление кислорода, вязкость), гибелью и лизисом микроорганизмов. Во время культивирования все параметры непрерывно изменяются (смотри периодический способ культивирования).

Открытые системы работают в непрерывном потоке. В процессе реакции часть отработанной питательной среды из биореактора удаляют и добавляют новую, что обеспечивает непрерывность процесса. В единицу времени субстрата вводят не больше, чем может переработать культура. Регулирование осуществляют поддержанием концентрации биомассы или продукта на постоянном уровне путем изменения концентрации субстрата (турбидостат) или применения строго лимитированной концентрации питательных веществ с соответствующим изменением концентрации клеток или продукта (хемостат) (смотри непрерывный способ культивирования).

Выделение целевого (готового) продукта

Это завершающая стадия биотехнологического процесса. Продукт может накапливаться в клетке или выделятся в культуральную жидкость. Наиболее сложно выделение продукта, накапливающегося в клетках. Для этого клетки необходимо отделить от культуральной жидкости, разрушить, затем целевой продукт очистить от массы компонентов разрушенных клеток.

Первым этапом на пути к очистке целевого продукта является отделение биомассы клеток от культуральной жидкости - сепарация.

Виды сепарации: 1. Флотация. Если клетки продуцента в биореакторе из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости, то жидкость предварительно вспенивают, затем отделяют ее верхний слой с клетками. Флотаторы различных конструкций сцеживают, откачивают или соскребают пену, состоящую из пузырьков газа с прилипшими к ним клетками.

2. Фильтрация - задержание биомассы на пористой фильтрующей перегородке. Применяют фильтры однократного или многократно использования: барабанные, дисковые, ленточные, тарельчатые, карусельные, вакуум-фильтры, фильтр-прессы различных конструкций, мембранные фильтры. Диаметр пор может превышать размеры клеток. Иногда биомассу сдувают с поверхности фильтра сжатым воздухом или срезают специальным ножом.

3. Центрифугирование - осаждение взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы. Требует более дорогостоящего оборудования, чем фильтрование.

Центрифугирование и фильтрация иногда реализуются в комбинации, в фильтрационных центрифугах. Перспективны для осаждения биомассы центрифуги-сеператоры, в которых биомасса оседает на стенках вращаемого цилиндра или на тарелках специальной тарельчатой вставки.

Вторым этапом при получении продукта, накапливающегося в клетках, является разрушение клеток, которое проводят физическим, химическим и химико-ферментативным методами.

Физическое разрушение проводят ультразвуком, с помощью вращающихся лопастей или вибраторов, встряхиванием со стеклянными бусами, продавливанием под высоким давлением через узкое отверстие, раздавливанием замороженной массы, растиранием в струнке, осмотическим шоком, замораживанием - оттаиванием, сжатием с последующим резким снижением давления. Этим способам разрушения клеток присуща определенная неизбирательность: обработка может отрицательно влиять на качество получаемого продукта. Физические методы позволяют целенаправленно выделять какую-либо одну фракцию внутриклеточного содержимого.

Химическое и химико-ферментативное разрушение клеток избирательно, но не всегда пригодно. Его проводят обработкой клеток толуолом или бутанолом при промышленном получении дрожжевого автолизата и ряда ферментов. Эффективный лизис клеток вызывают антибиотики полимиксины, тироцидины. новобиоцин, нистатин и другие, некоторые поверхностно-активные вещества, а также глицин.

Разрушенные клеточные стенки отделяют методами сепарации. В большинстве биотехнологических процессов клеточные стенки отбрасывают как балласт, но возможно и промышленное получение компонентов клеточных стенок как целевого продукта.

Третий этап - выделение целевого продукта из культуральной жидкости проводят путем его осаждения, экстракции или адсорбции.

1. Осаждение растворенных веществ возможно физическими (нагревание, охлаждение, разбавление или концентрирование раствора) или химическими методами, переводящими отделяемый продукт в малорастворимое состояние. Так, пенициллин переводят в кристаллический осадок в присутствии соединений калия или натрия. Белки осаждают добавлением сульфата аммония, органических растворителей (этанола, ацетона). Нуклеиновые кислоты осаждают с помощью полииминов, основные группы которых вступают во взаимодействие с их фосфатными группами.

2.        Экстракция        извлечение    продукта    из    твердого    (твердо-
жидкофазная) или   жидкого    (жидко-жидкофазная)    образца.    К  твердо-жидкофазной экстракции относится обливание образца водой с целью извлечения из него растворимых веществ, например солей металлов из руд, подвергнутых бактериальной обработке, или растворимых продуктов из массы субстрата (соломы и т.д.) при твердофазном культивировании.

Жидко-жидкофазная экстракция - добавление органических растворителей для извлечения из культуральной жидкости антибиотиков, витаминов, каратиноидов, липидов, некоторых гидрофобных белков.

Полностью избежать нагревания, губительного для многих ценных веществ, позволяют методы холодовой экстракции (криоэкстракции). Она как бы нивелирует различие между твердым субстратом и культуральной жидкостью, поскольку и то и другое находится в замороженном состоянии. Криоэкстракция осуществляется растворителями, кипящими при низких температурах и находящимися при комнатной температуре в газообразном состоянии.

3. Адсорбция - частный случай экстракции, при котором экстрагирующим веществом из жидкой или газовой фазы является твердое тело. Хорошими адсорбентами являются древесный уголь, глины с развитой пористой поверхностью. Путем адсорбции из культуральной жидкости выделяют антибиотики и витамины.

К современным методам разделения веществ, основанным на принципах экстракции и адсорбции, относятся хроматография, электрофорез, изотахофорез, электрофокусировка.

Четвертый этап - концентрирование, обезвоживание, модификация и стабилизация продукта

Концентрирование продукта проводят методами обратного осмоса, ультрафильтрации, выпаривания.

Ультрафильтрация - отделение веществ с помощью мембранных фильтров.

Наиболее древний метод - выпаривание. Его недостаток состоит в необходимости нагревания, которое проводят при низком давлении. Используют вакуум-выпарные аппараты. Нагревающим агентом чаще всего служит водяной пар, хотя используют также обогрев жидким теплоносителем или электрообогрев.

Обезвоживание продукта - сушка на подносах, на ленточном конвейере с подогревом, подачей газообразного нагревательного агента (воздух, СО2, дымовые или топочные газы и др.) в сушильный аппарат, в вакуум - сушильных шкафах, в барабанных и распылительных сушилках.

Модификация продукта - перестройка полученных соединений животного, растительного или микробного происхождения с целью придания им специфических свойств, необходимых человеку. Химическая модификация необходима в тех случаях, когда биотехнологический процесс дает лишь «заготовку» целевого продукта.

Стабилизация продукта направлена на сохранение свойств продукта в период его хранения и использования потребителем (добавление наполнителей, модификация и др.). Включает физико-химические воздействия на продукт. Сушка  повышает устойчивость продукта к внешним воздействиям. Обезвоживание ферментов вызывает их устойчивость к нагреванию.

Задания

1. Перечислите этапы роста культуры микроорганизмов при периодическом способе культивирования.
2. Заполните таблицу 6.

Таблица 6 – Фазы роста культуры микроорганизмов

3. Запишите в чем отличия периодического и непрерывного способов культивирования микроорганизмов, какие питательные среды используются в том и другом случаях.
4. Законспектируйте основные этапы выделения целевого продукта из клетки микроорганизма.

Контрольные вопросы

1. Что такое биореактор?
2. Какие существуют способы культивирования микроорганизмов?
3. Что значит открытая и закрытая системы культивирования микроорганизмов?
4. Какие существую способы выделения готового продукта из клетки?
5. Какие выделяют фазы роста культуры микроорганизма?

Занятие 6.  Технология получения трансгенных животных

Цель занятия: изучить технологию получения трансгенных животных.

Приборы и материалы: методические указания, мультимедийный комплекс.

Исторически улучшение генетического потенциала домашних животных достигается методами отбора и подбора при разведении. Несмотря на то, что этот метод оказался достаточно эффективным для улучшения продуктивных качеств (например, молочной продуктивности), в течение длительного периода времени потребности повышения продуктивности между поколениями постоянно возрастают. Успехи в технологии получения рекомбинантных ДНК открыли возможность получения новых полезных свойств у животного уже в первом поколении, а также создания новых генотипов путем введения, удаления или других изменений генома в первом поколении.

J. Gordon с сотр. (1980) впервые показали, что гетерогенное ДНК может быть введено путем инъекции в пронуклеус зиготы мыши, интегрировано в хромосомы, реплифицировано и затем обнаружено в тканях потомства. J. Gordon назвал этих новых, генетически модифицированных животных «Трансгенными». Другие исследователи в короткие сроки повторили эти эксперименты, и метод инъекции ДНК в пронуклеус зиготы стал длительное время основным методом для создания трансгенных мышей, а затем и других видов животных.

Благодаря разработки метода введения ДНК в пронуклеус зародыша появилась возможность более эффективного использования животных для повышения их продуктивности и качества продукции, резистентности к болезням и в производстве биомедицинских препаратов.

Задания

1. Посмотрите видеофильм о получении трансгенных овец с измененным качеством шерсти.
2. По ходу фильма укажите последовательность и основные операции создания трансгенных овец.
3. Составьте схему получения трансгенных животных.
4. Укажите преимущества генной инженерии над селекцией при совершенствовании пород с.- х. животных.

Контрольные вопросы

1. Каким методом получают трансгенных овец?
2. Какие новые свойства приобретают трансгенные животные?
3. Каковы преимущества генной инженерии над селекцией?

Занятие 7. Биотехнология  производства продуктов питания и напитков

Цель занятия: сформировать представление о технологии получения продуктов питания и напитков с помощью микроорганизмов.

Приборы и материалы: методические указания, плакаты, мультимедийный комплекс.

В современной пищевой биотехнологии можно выделить два направления: применение веществ и соединений, полученных биотехнологическим способом (например, органических кислот, аминокислот, витаминов, ферментов), и интенсификация биотехнологических процессов в производстве пищевых продуктов.

В настоящее время в пищевой промышленности широко используется продукция, полученная биотехнологическим способом. Расширяется область применения пищевых добавок, в том числе полученных с помощью микробных клеток: органических кислот, ферментных препаратов, подсластителей, ароматизаторов, загустителей и т.д. На продовольственном рынке растет ассортимент функциональных пищевых продуктов. Для их производства применяют витамины, аминокислоты и другие соединения, полученные биотехнологическим способом.

Биотехнология производства кисломолочных продуктов и сыра

Применение заквасок в производстве кисломолочных продуктов

Закваска – основной источник внесения желаемой микрофлоры в молоко при производстве кисломолочных продуктов. Закваска является чистой посевной культурой микроорганизмов. При внесении закваски молоко обогащается микрофлорой, производящей сквашивание молока и способствующей накоплению вкусовых и ароматических веществ.

Для заквашивания молока и сливок издавна применяли простоквашу или сливки высокого качества. В качестве естественных заквасок использовали пахту, сквашенные сливки или кислое молоко. Они не гарантировали получение продукта высокого качества, так как содержали различные микроорганизмы и часто загрязнялись посторонней микрофлорой, вызывающей порчу продукта. Бактериальные закваски в промышленном масштабе впервые стали применять в маслоделии в конце прошлого столетия.

В молочной промышленности используются закваски, полученные из чистых культур микроорганизмов, которые готовят в специальных лабораториях. Состав микрофлоры подбирают таким образом, чтобы обеспечить для каждого вида продукта свойственный ему запах, вкус, консистенцию.

В молочной промышленности применяют в основном жидкие закваски и закваски, высушенные способом сублимационной сушки; сухие, жидкие и подвергнутые глубокому замораживанию бактериальные концентраты, бактериальные препараты. Срок хранения сухих заквасок, бактериальных препаратов и концентратов составляет 3-4 месяца, жидких заквасок – 10 суток (в условиях холодильника).

Классификация кисломолочных продуктов в зависимости от используемой закваски.

В зависимости от состава микрофлоры заквасок и способа приготовления кисломолочные продукты делят на следующие группы:

•  Вырабатываемые с использованием многокомпонентных заквасок (кефир, кумыс). Микрофлора этой группы продуктов состоит из молочнокислых бактерий (одного или нескольких видов), дрожжей и нередко уксуснокислых бактерий. Дрожжи и уксуснокислые бактерии придают продуктам специфические вкус и аромат. При производстве кефира применяют естественную симбиотическую закваску – кефирные грибки, состоящие из молочнокислых бактерий Lactobacillus, дрожжей Saccharomyces kefir и некоторых видов стрептококков. Кумыс получают из кобыльего молока с помощью молочнокислых бактерий (Lactobacillus casei и др.), стрептококков и дрожжей, сбраживающих лактозу. Сквашивание молока при использовании таких заквасок проводят при 20-22 °С в течение 10-12 часов.
•  Вырабатываемые с использованием мезофильных молочнокислых стрептококков (творог, сметана, простокваша обыкновенная). Основными представителями микрофлоры таких продуктов являются молочнокислые стрептококки: Streptococcus lactis, Streptococcus acetoinicus, Streptococcus cremoris, Streptococcus diacetylactis. Сквашивание молока происходит через 6-8 часов при 30°С.
•  Изготовляемые с применением термофильных молочнокислых бактерий (ряженка, варенец, йогурт, простокваша Южная, Мечниковская). Для приготовления этих кисломолочных продуктов используют смесь молочнокислых бактерий (10:1) Streptococcus thermophillus и Lactobacillus bulgaricus (болгарская палочка). Заквашивание молока этими бактериями проводят при 40-42°С в течение трех часов.
•  Вырабатываемые с применением термофильных и мезофильных молочнокислых бактерий (любительская сметана, сметана с пониженным содержанием жира, напитки «Любительский» «Юбилейный», «Русский»). Основными представителями микрофлоры таких продуктов являются мезофильные и термофильные молочнокислые стрептококки. Температура сквашивания молока при использовании смешанных заквасок - 33-38 °С.
•  Приготовляемые с использованием ацидофильных бактерий и бифидобактерий: ацидофильное молоко, афидофилин, бифидопродукты – продукты лечебно-профилактического питания. В состав микрофлоры этих продуктов входят: Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus lactis, Streptococcus thermophillus с добавлением кефирной закваски; Bifidobacterium bifidum и др.

Процессы, протекающие при ферментации молока

Технологический процесс изготовления кисломолочных продуктов сводится в общих чертах к тому, чтобы, во-первых, в исходном сыром молоке подавить или уничтожить постороннюю микрофлору, а во-вторых, после пастеризации и охлаждения молока предоставить нужным микроорганизмам наиболее благоприятные условия для развития и, благодаря этому, получить готовый продукт с характерными для него свойствами.

В пищевой промышленности ферментацию применяют для получения большого ассортимента кисломолочных продуктов. Главным процессом является молочнокислое брожение, вызываемое стрептококками и молочнокислыми бактериями, при котором лактоза (молочный сахар) превращается в молочную кислоту. Путем использования иных реакций, которые сопутствуют главному процессу или идут при последующей обработке, получают такие продукты переработки молока, как пахта, сметана, йогурт и сыр. Свойства конечного продукта зависят при этом от характера и интенсивности реакции ферментации. Те реакции, которые сопутствуют основному процессу образования молочной кислоты, обычно и определяют особые свойства продуктов. Так, именно вторичные реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их сортов. В некоторых таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, присутствующие в продуктах.

В молоке при ферментации могут протекать шесть основных реакций; в результате образуется молочная, пропионовая или лимонная кислота, спирт, масляная кислота или же происходит колиформное газообразование. Главная из этих реакций – молочнокислое брожение. На нем основаны все способы сквашивания молока. Лактоза молока гидролизуется при этом с образованием галактозы и глюкозы. Обычно галактоза превращается в глюкозу еще до сквашивания. Имеющиеся в молоке бактерии преобразуют глюкозу в молочную кислоту. Образование сгустка казеина происходит в изоэлектрической точке этого белка (рН = 4,6) под действием молочной кислоты. Этот процесс лежит в основе сыроварения.

При производстве швейцарского сыра ключевую роль играет маслянокислое брожение с образование углекислого газа. Именно оно обуславливает своеобразный вкус (букет) этих сыров и образование глазков. Характерный вкус пахты, сметаны и сливочного сыра формируется в результате лимоннокислого брожения. Он складывается из составляющих вкусов диацетила, пропионовой и уксусной кислот и других, близких к ним, соединений.

Молочные продукты, полученные на основе спиртового брожения, мало известны в Европе и Америке. Такой тип брожения нашел применение при переработке молока в России, но при производстве других продуктов он считается нежелательным. Обычно рост вызывающих его дрожжей стараются подавить. Нежелательны также маслянокислое брожение и колиформное газообразование.

Молоко было, одним из первых продуктов, претерпевших микробиологическую переработку естественным образом. Это происходит за счет того, что в молоке легко размножаются бактерии и оно скисает. В этом процессе один из основных этапов - превращение молочного сахара - лактозы в молочную кислоту. На протяжении тысячелетий усовершенствовался процесс спонтанного скисания молока, результатом чего явилась разработка технологии получения сыра и других продуктов молочнокислого брожения.

Производство сыра

Для производства сыра в молоко вносят культуру бактерий, род и вид которых зависит от типа производимого сыра.

Размножение молочнокислых бактерий при скисании молока - это важный технологический процесс, так как они подавляют размножение других бактерий и тем самым обусловливают требуемые вкусовые качества и аромат сыра. Молочнокислые бактерии положительно влияют на желудочно-кишечную микрофлору. После внесения бактерий молоко инкубируют при определенной температуре и в результате оно скисает. Для углубления этого процесса - гидролиза белка, искусственно вносят протеолитический фермент, называемый сычужным ферментом или ренином. Ренин образуется в сычуге - в четвертом отделении желудка ягненка или теленка, вскормленных молоком.

Производство сычужного фермента в мировом масштабе составляет 25 млн. л. Несмотря на это, сычужный фермент является дефицитным и лимитирующим компонентом в технологии производства сыра.

В результате многочисленных поисков получен протеолитический фермент микробного происхождения с аналогичной сычужному ферменту субстратной специфичностью. Этот фермент частично восполнил дефицит сычужного фермента. Другая значительная биотехнологическая новизна заключается в клонировании гена ренина в одну из культур мицелиальных грибов. Это позволило получить абсолютный аналог сычужного фермента.

Для промышленных целей сычужный фермент получают из животных организмов (ягнят, телят, поросят) и из культур грибов.

Сразу же после внесения в молоко фермента, выделенного из животных или микроорганизмов, происходит ограниченный протеолиз казеина. Коагулированный казеин образует гелеподобную массу и соединяется с жиром, после чего сыворотку фильтруют, отжимают остаточную воду и высушивают завертыванием в ткань. Следующим этапом технологии является созревание сыра. Производство сыра из молока — дегидратационный процесс, при котором происходит концентрирование казеина и жира в 6-12 раз. В процессе созревания некоторых сыров практикуется искусственное размножение микроорганизмов (бактерии и грибы) для придания сыру специфического вкуса и аромата.

Вкус, аромат и качество разных сортов сыра определяют следующие факторы: разновидность молока (козье, коровье, овечье), температура приготовления сыра, наличие вторичной микрофлоры.

 Если первичная микрофлора - молочнокислые бактерии осуществляют формирование сыра как продукта, то вторичная микрофлора (бактерии, грибы) придают аромат и свойства, определяющие специфический вкус сыра.

Биотехнологические процессы в производстве мясных продуктов

Технология производства многих современных мясопродуктов обязательно включает в себя молочнокислое брожение. В сырокопченых колбасах и в рассолах для окороков, грудинки, корейки молочнокислые бактерии подавляют рост гнилостных микроорганизмов и участвуют в формировании вкуса и аромата готового продукта. В мясопродукты, требующие бактериальной ферментации, обычно добавляют закваску, содержащую специально отобранные штаммы стрептококков, лактобацилл и педиококков. В этом случае на упаковке должно быть указано, что в состав продукта входят бактериальные культуры.

Применение ферментных препаратов

С целью размягчения мяса, облегчения его обработки широко применяются ферментные препараты протеолитического действия. Использование ферментных препаратов в промышленных масштабах связано с технологическими задачами равномерного распределения ферментов при внесении их в мясо. Применяются следующие способы обработки мяса протеолитическими ферментами:

• прижизненное введение препарата путем инъекций;
• внутримышечное шприцевание мясной туши;
• обработка поверхности мяса путем разбрызгивания раствора фермента или нанесения порошкообразных препаратов на поверхность мяса;
• погружение мяса в раствор ферментов после механического рыхления;
• восстановление дегидратированного сублимацией мяса в растворе ферментов.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки.

1. Введение раствора ферментного препарата через кровеносную систему путем инъекций в организм животного при жизни. Прижизненное введение препарата обеспечивает его равномерное распределение и хороший размягчающий эффект, сокращает время созревания, увеличивает количество мяса, пригодного для жарения. Вместе с тем, следует отметить, что при введении достаточно высоких доз препарата возникает анафилактический шок и нарушение нормальных функций организма.

2. Обработка поверхности мяса путем разбрызгивания раствора фермента или нанесения порошкообразных препаратов на поверхность мяса. Способ имеет ограниченное применение ввиду неравномерного преобразования белковых структур: мясо на поверхности размягчается слишком сильно, а внутри – недостаточно.

3. Внутримышечное шприцевание мясной туши. Наибольший эффект получен при введении препаратов ферментов в мышечную ткань многократными уколами. При этом эффективность способа значительно повышается при введении ферментов под давлением вместе со стерильным вакуумом или азотом. Газы, разрыхляя структуру мышечной ткани, способствуют лучшему распределению фермента между клетками. Используется еще один способ – безыгольный - введение препаратов в мясо под сверхвысоким давлением (200 · 10 5 Па).

4.  Погружение мяса в раствор ферментов после механического рыхления. Простое погружение мяса в ферментный раствор малоэффективно, поскольку в данном случае наибольшим изменениям подвергается лишь поверхность мяса (наступает полный лизис структур мышечной ткани), в то время как в глубоких слоях изменения минимальны. Сочетание предварительного механического рыхления с последующим погружением мяса в раствор ферментов, а также «массирование» мяса в ферментном растворе дают хорошее качество мяса и малые потери влаги при его обработке.

5. Хорошие результаты дает восстановление дегидратированного (обезвоженного) сублимацией мяса в водном растворе размягчающего препарата. При этом создаются условия для контакта фермента не только с поверхностью мяса, но и с внутренними структурами путем проникновения раствора в хорошо развитую систему пор и капилляров. В процессе регидратации мяса обеспечивается равномерный по всему объему контакт фермента с основными белковыми структурами. В результате этого достигается максимальное размягчение мяса при минимальном расходе фермента. Положительное действие на мягчение мяса оказывает поваренная соль.

Для обработки мышечной ткани применяют ферментные препараты животного, растительного и микробного происхождения. Из ферментов животного происхождения высокой коллагеназной и эластазной активностью обладает фермент панкреатин, получаемый из поджелудочной железы свиньи. Иногда его применяют в смеси с ферментами трипсином, химотрипсином, пепсином. Однако ферменты животного происхождения имеют весьма ограниченные сырьевые источники.

Среди группы ферментов растительного происхождения для обработки мышечной ткани используют папаин, фицин, бромелаин и другие. Например, папаин применяют как размягчитель жесткого мяса. Он используется при созреваниия мяса, изготовлении полуфабрикатов, получении гидролизатов. Следует отметить, что эти протеазы также не могут полностью удовлетворить запросы промышленности ввиду дефицита сырья для их получения, малого выхода при переработке растений, а, следовательно, высокой стоимости.

Протеиназы микробного происхождения имеют ряд преимуществ по сравнению с другими источниками: неограниченность сырьевой базы, относительно простая технология получения, невысокая стоимость и др. Кроме того, микробные протеиназы, как правило, способны к более глубокой деструкции белков, в том числе многих фибриллярных, а также обладают широким спектром действия на различные субстраты.

Искусственно внесенные в сырье препараты протеаз обеспечивают эффект преобразования белковых структур, аналогичный автолитическому. Однако процессы созревания мяса под их влиянием протекают в 3-5 раз интенсивнее и заканчиваются в более короткий срок. При этом интенсивность и глубина превращений белковых структур зависит от дозировки препаратов, физико-химических условий, продолжительности обработки. Ферментная обработка сырья придает мясу нежную консистенцию, нужные вкус и аромат.

Ферментация овощей

В одном из древнейших методов консервирования овощей, основанном на действии ферментов, используется рассол, в котором присутствуют молочнокислоые 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.

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.

Применение биотехнологии в производстве чая

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.

Чай второй категории - слабоферментированный, подвергается частичной ферментации; к нему относятся: желтый, оолонг (красный) и черный чай.

Если во время производства зеленого чая основной задачей является сохранение катехинов в нативном состоянии, то во время производства ферментированного черного чая стараются максимально окислить комплекс катехинов в чайном листе. Черный чай, приготовленный по указанной технологии, характеризуется интенсивным настоем и специфическим ароматом.

Для получения черного чая свежесобранные листья подвергают следующим технологическим операциям: завяливанию, скручиванию, ферментации и сушке. Завяливание является важным технологическим этапом, при котором происходят основные биохимические изменения в чайном листе, определяющие вкус и образование ароматических соединений во время процесса скручивания и ферментации. Во время скручивания чайного листа повреждается структура и нарушается целостность клетки, в результате обеспечивается контакт окислительных ферментов и их субстратов. В чайном листе ферментация осуществляется за счет эндогенных ферментов. Этим производство чая отличается от многих других процессов пищевой промышленности, где ферменты добавляют искусственно. В технологическом цикле производства чая ферментация является центральным процессом, от которого в значительной степени зависит качество готовой продукции.

Задания

1. Перечислите продукты, получаемые с помощью микроорганизмов.
2. Запишите классификацию кисломолочных продуктов в зависимости от используемой закваски.
3. Законспектируйте, какие существуют виды брожения молочного сахара, их характеристику.
4. Запишите существующие способы обработки мяса протеолитическими ферментами, их преимущества и недостатки.
5. Законспектируйте особенности технологии производства ферментированных овощей и чая.  

Контрольные вопросы

1. Какова роль биотехнологии в производстве продуктов питания?
2. Какие закваски используют при производстве кисломолочных продуктов?
3. Каким образом используют ферменты при производстве мясных продуктов?
4. Какие биотехнологические процессы протекают при консервировании овощей?
5. Какие виды чая бывают, чем они отличаются?

Занятие  8. Биотехнология в получении искусственной пищи

Цель занятия: получить представление об искусственной пище, способах ее производства и значении для человека.

Приборы и материалы: методические указания, мультимедийный комплекс

Искусственная пища, пищевые продукты, которые получают из различных пищевых веществ (белков, аминокислот, липидов. углеводов), предварительно выделенных из природного сырья или полученных направленным синтезом из минерального сырья, с добавлением пищевых добавок, а также витаминов, минеральных кислот, микроэлементов и т.д. В качестве природного сырья используют вторичное сырье мясной и молочной промышленности, семена зерновых, зернобобовых и масличных культур и продукты их переработки, зеленую массу растений, гидробионты, биомассу микроорганизмов и низших растений; при этом выделяют высокомолекулярные вещества (белки, полисахариды) и низкомолекулярные (липиды, сахара. аминокислоты и др.). Низкомолекулярные пищевые вещества могут быть получены также микробиологическим синтезом из глюкозы, сахарозы, уксусной кислоты, метанола, углеводородов, ферментативным синтезом из предшественников и органическим синтезом.

Различают "синтетическую пищу", получаемую из синтезированных веществ, например, диеты, составленные из низкомолекулярных веществ для лечебного и специального питания, "комбинированные продукты", которые состоят из натуральных продуктов с добавлением пищевых веществ и добавок. Например, колбасно-сосисочные изделия, фарш, паштеты (часть мяса в них заменена изолятом соевого и др. растительного белка), и "аналоги пищевых продуктов", имитирующие какие-либо натуральные продукты, например, черная икра.

Искусственную пищу получают в виде гелей, волокон, суспензий, эмульсий, пен. Для придания вкуса, запаха, цвета добавляют пищевых красители, вкусовые и ароматические вещества. Готовый продукт должен обладать заданными органолептическими свойствами, биологической ценностью и технологическими свойствами (поведение при термической обработке, возможность хранения и транспортировки).

В промышленном масштабе получают такие пищевые вещества, как сахарозу, глюкозо-фруктозный сироп, растительное  масло, изоляты белков (из сои, пшеницы, обрата молока), крахмал, витамины, аминокислоты, вкусовые вещества (инозинат и глутамат натрия, аспартам, сахарин), пищевые красители красители, консерванты и т.д.

Синтетические и искусственные пищевые продукты высокой белковой ценности. Мировой дефицит полноценного пищевого белка (содержащего все незаменимые, т.е. не синтезируемые организмом, аминокислоты), затрагивающий 3/4 населения земного шара, ставит перед человечеством неотложную задачу поиска богатых, доступных и дешёвых источников полноценного белка для обогащения натуральных и создания новых,  в том числе искусственных, белковых продуктов. В настоящее время для производства искусственных пищевых продуктов используются белки из двух основных источников: белки, выделяемые из нетрадиционного натурального пищевого сырья, запасы которого в мире достаточно велики, — растительного (бобы сои, арахиса, семена подсолнечника, хлопчатника, кунжута, рапса, а также жмыхи и шроты из семян этих культур, горох, клейковина пшеницы, зелёные листья и другие зелёные части растений) и животного (казеин молока, малоценные сорта рыбы, криль и другие организмы моря); белки, синтезируемые микроорганизмами, в частности различными видами дрожжей. Исключительная скорость синтеза белка дрожжами и их способность расти как на пищевых (сахара, пивное сусло, жмых), так и на непищевых (углеводороды нефти) средах делают дрожжи перспективным и практически неисчерпаемым источником белка для производства искусственных пищевых продуктов заводскими методами. Однако широкое применение микробиологического сырья для производства пищевых продуктов требует создания эффективных методов получения и переработки высокоочищенных белков и тщательных медико-биологических исследований. В связи с этим белок дрожжей, выращиваемых на отходах сельского хозяйства и углеводородах нефти, используется в основном в виде дрожжей кормовых, для подкормки с.-х. животных.

Промышленное производство микробного белка

Независимо от вида используемого сырья, технологический процесс производства микробных белковых препаратов состоит из следующих основных стадий:  подготовка сырья  и приготовление питательных сред для выращивания микроорганизмов; культивирование микроорганизмов; выделение биомассы  продуцента  из  культуральной  жидкости;  плазмолиз клеток;  сушка биомассы; фасовка и упаковка готового препарата.

В качестве питательной среды для производства белковых препаратов в промышленных масштабах используют молочную сыворотку. На молочной сыворотке хорошо растут и накапливают значительное количество белка дрожжи Kluyveromyces и Candida. Большое значение имеет и то обстоятельство, что применение молочной сыворотки не требует специальной сложной подготовки, а культуральная жидкость после выращивания микроорганизмов может быть использована в пищевых и кормовых целях без обработки.

При всестороннем исследовании микробной массы, полученной на молочной сыворотке, была выявлена ее высокая технологическая и экономическая эффективность для мясного и молочного животноводства, птицеводства и целого ряда других направлений.

Для получения белка на гидролизатах растительного сырья наиболее часто используют дрожжи рода Candida, реже - дрожжи рода Trichosporon. Также дрожжи рода Candida способны к синтезу белка на сульфитных щелоках и жидких углеводородах. Газообразные углеводороды хорошо потребляются бактериями родов Mycobacterium и Pseudomonas.

Применение биомассы микроорганизмов в качестве белковой добавки в корма требует всестороннего изучения ее состава и свойств, в частности перевариваемости и усвояемости. Испытанию на токсичность должны подвергаться не только живые клетки, но и продукты их метаболизма, а также готовые белковые продукты. Обязательным условием должно быть отсутствие в них живых клеток штамма-продуцента, чтобы не происходил вторичный рост.

В производстве пищевых продуктов рассматриваются 3 основные формы использования микробного белка:

1. Цельная биомасса (без специального разрушения клеточных стенок).
2. Частично очищенная биомасса (разрушение клеточных стенок и удаление нежелательных компонентов).
3. Выделенные из биомассы белки.

Выделенные белки (изоляты) являются наиболее приемлемыми формами использования белковых препаратов. Однако недостаток их применения связан с тем, что при их выделении используются кислоты и щелочи, высокая температура, давление, что приводит к частичному разрушению аминокислот.

При микробном синтезе белка следует подбирать культуры, у которых состав белка по незаменимым аминокислотам был бы близок к эталону, установленному Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) - яичный белок, белок женского молока.

ВОЗ сделала заключение, что белок микроорганизмов может использоваться в продуктах питания, но допустимое количество нуклеиновых кислот вводимых вместе с микробным белком в диету взрослого человека не должно превышать 2 г в сутки. Испытания на добровольцах показали, что введение микробного белка в пищевой рацион не вызывает отрицательных последствий, но встречается проявление аллергических реакций, желудочные заболевания и т.д.

Изготовление белковой зернистой икры

Белковая зернистая икра готовится на основе высокоценного молочного белка казеина, водный раствор которого вводят вместе со структурообразователем (например, желатином) в охлажденное растительное масло, в результате чего образуются "икринки". Отделив от масла, икринки промывают, дубят экстрактом чая для получения эластичной оболочки, окрашивают, затем обрабатывают в растворах кислых полисахаридов для образования второй оболочки, добавляют соль, композицию веществ, обеспечивающих вкус и запах, и получают деликатесный белковый продукт, практически неотличимый от натуральной зернистой икры.

Получение искусственного мяса

Искусственное мясо, пригодное для любых видов кулинарной обработки, получают методом экструзии (продавливания через формующие устройства) и мокрого прядения белка для превращения его в волокна, которые затем собирают в жгуты, промывают, пропитывают склеивающей массой (студнеобразователем), прессуют и режут на куски. Не уступая по органолептическим свойствам соответствующим натуральным продуктам, эти искусственные продукты в 5—10 раз превосходят их по содержанию белка и обладают улучшенными технологическими качествами. Запахи при современной технике исследуются методами газожидкостной хроматографии и воссоздаются искусственно из тех же компонентов, что и в натуральных пищевых продуктах.

Значение искусственной пищи

Создание искусственной пищи позволяет удешевить и увеличить производство пищевых продуктов при существующей с.-х. базе в результате снижения потерь и использования непищевого сырья; достичь необходимого уровня продовольственной обеспеченности, решить проблему детского и лечебного питания, питания в необычных условиях. Стандартность сырья, состава и структуры искусственной пищи при индустриальном производстве позволяет увеличить уровень автоматизации, а отсутствие ферментов и менее благоприятные условия для развития микроорганизмов увеличивают сроки хранения. Искусственная пища - реальная база для решения современной мировой продовольственной проблемы и для жизнеобеспечения будущего человечества.

Употребление искусственной пищи, в отличие от традиционной, в ряде случаев имеет несомненные преимущества. Так, например, немалое количество людей страдают разными патологиями, такими как диабет, крахмальная неперевариваемость, пониженный уровень биосинтеза некоторых ферментов или витаминов и др., и следовательно, нуждаются в видоизмененной пище. Аналогичным образом искусственная пища практически необходима для детей и пожилых людей. Пища с повышенной калорийностью незаменима для лиц, испытывающих большие физические нагрузки: спортсменов, шахтеров, металлургов, геологов и др. Увеличением содержания отдельных компонентов в пище, и, наоборот, удалением нежелательных удается существенно увеличить ее функциональную эффективность.

Например, нервные импульсы не могут передаваться при отсутствии натрия и калия. Мышечные сокращения невозможны без кальция, а щитовидная железа не может функционировать без йода. Эти микропищевые вещества делятся на две категории:

•  минеральные соли кальция, натрия, калия - так называемые макроэлементы;
•  микроэлементы: хром, кобальт, цинк, медь и селен, которые находятся в организме в ничтожно малых количествах. Дефицит этих элементов влечет за собой серьезные нарушения в жизнедеятельности организма. Например, дефицит марганца приводит к появлению гипогликемии; дефицит никеля, йода, хрома или цинка препятствует нормальной работе щитовидной железы.

Другая категория функционально важных соединений - витамины, которые также содержатся в организме в ничтожно малых количествах и дефицит которых приводит к серьезным патологиям. Ниже представлены некоторые витамины, продукты, содержащие их, и те нарушения, к которым приводит их дефицит в организме.

Дефицит необходимых веществ легко можно устранить использованием искусственной пищи, обогащенной недостающими функционально важными компонентами. Конечно, принятие этих компонентов в виде таблеток в значительной степени устраняет их дефицит. Однако при их серьезной недостаточности и с учетом того, что часто они плохо усваиваются кишечником (в особенности микроэлементы), эти компоненты следует принимать в виде пищи, содержащей их в повышенном количестве.

Задания

1. Дайте понятие «искусственная пища».
2. Перечислите, из каких компонентов состоит искусственная пища.
3. Укажите виды искусственной пищи, чем они различаются.
4. Укажите источники получения искусственного белка.
5. Составьте технологическую схему промышленного производства микробного белка  с указанием продуцентов, состава питательной среды, видов готового продукта.
6. Опишите технологию производства белковой икры и искусственного мяса.
7. Посмотрите видеофильм «Наука против голода», укажите, какие новые продукты питания производят в настоящее время.
8. Перечислите преимущества и недостатки искусственной пищи.

Контрольные вопросы

1. Чем искусственная пища отличается от традиционной?
2. Какие способы производства искусственной пищи существуют?
3. Какие преимущества имеет искусственная пища перед традиционной?
4. С какой целью производят искусственные белки?

Занятие 9. Добавки,  применяемые в пищевой промышленности

 Цель занятия: получить представление о добавках, применяемых в пищевой промышленности. Изучить их назначение и способ применения.

Приборы и материалы: методические указания,  образцы пищевых добавок.

 На сегодня существует более 250 видов технических и вкусовых добавок используемых в переработке мяса. По утверждению производителей этих добавок, их использование даст возможность улучшить экономические показатели Вашего предприятия. Комплексные добавки не только улучшают качество, но и значительно увеличивают выход готовой продукции (до 200%). По заверениям производителей натуральные красители, ароматизаторы, стабилизаторы цвета сделают Ваши изделия оригинальными и выделят их качество для покупателей. Кроме того, соевые и животные белки, каррагинаны значительно улучшают экономические показатели выпускаемой продукции и позволяют расширить ассортимент без лишних материальных затрат.

Белковые препараты

1. Концентраты соевого белка (содержание  белка в пересчете на сухую массу 65-70%). Концентраты соевого белка производятся при помощи щадящего экстрагирования белка из тщательно отобранных, очищенных и обезжиренных соевых белков. Они предназначены для производства мясопродуктов различных категорий: вареные колбасные и ветчинные изделия, полукопченые и варено-копченые колбасы, фарши, пельмени, паштеты и т.д.

2. Изолированные соевые белки (содержание белка в пересчете на сухую массу более 90%). Изолированные соевые белки производятся из специально очищенной и обезжиренной генетически не модифицированной сои. Это - универсальные функциональные продукты, обладающие высокой гелеобразующей, влагосвязывающей и эмульгирующей способностями, что позволяет использовать их в производстве мясопродуктов высокого качества.

3. Текстурированный концентрат соевого белка и соевой муки (содержание белка в пересчете на сухую массу 50-70%, жира менее 1%). Текстураты  производятся из специально селекционированной, очищенной и обезжиренной генетически немодифицированной сои. Текстураты  предназначены для производства мясных, рыбных, вегетарианских продуктов и продуктов, имитирующих их.

Кроме того, соевые белки применяют при производстве сыров как заменитель казеината натрия до 50%. В кондитерской промышленности, хлебопечении. Можно получить особый сорт хлеба с 13-14% белка, добавив в рецептуру концентрат соевого белка вместе с пшеничной клейковиной и при необходимости с липидным эмульгатором.  

Преимущества применения белковых добавок

Улучшение экономических показателей: высвобождение дорогостоящего нежирного сырья при сохранении высокого качества продукции. Рациональное использование мясного сырья с различным химическим составом и свойствами. Сокращение потерь массы при термообработке и хранении мясных изделий. Реализация соевого белка в традиционной технологии не требует специального оборудования и капитальных вложений. Повышение качества готовой продукции: улучшение пищевой и сохранение биологической ценности белков, содержащихся в мясных изделиях. Снижение содержание холестерина и жирных кислот. Улучшают текстуру продукта, уменьшают термопотери. Улучшают товарный вид и т. д. Соевый белок – это мелкодисперсный порошок, а если это текстурированный белок, то он может иметь различную форму (круглая, продольные полоски, в виде ломтиков, в форме шницеля и т.д.), цвет  от белого до светло-кремового, вкус мягкий, нейтральный. Применяют соевый белок в сухом виде, в виде геля, в составе белково-жировой эмульсии и в составе эмульсии из свиной шкурки.

Загустители, стабилизаторы и гелеобразователи

Функциональные животные белки

Типро ПОРК натуральный продукт, полученный из свиного коллагенового сырья  и свиной плазмы крови. Это концентрат соединительного белка. Типро  Порк функциональный животный белок с высокими влагосвязывающими и эмульгирующими способностями, при термообработке образует эластичный, необратимый гель.

Миогель – натуральный продукт, который производят из свежей свиной обрези, которую измельчают при низкой температуре, частично обезжиривают, стабилизируют, подвергают экструзии и дегидратации. В своем составе содержит миозин (60% белковой части) и коллаген (35%), которые играют основную роль в образовании структурных готовых колбасных изделий. Белковая часть Миогеля обладает способностью связывать жир и воду, при термообработке образует упругую консистенцию.

Животные белки «Типро» и «Миогель» рекомендуется использовать при производстве: вареных колбасных изделий и мясных хлебов, полукопченых и варено-копченых колбас, вареных реструктурированных продуктов из свинины, говядины и мяса птицы, инъецированных мясных продуктов, консервов, рубленых полуфабрикатов, фаршей, ливерных колбас и паштетов.

Животные белки – это порошки светло-кремового цвета, без вкуса и запаха.      

Преимущества от применения. Применение животных белков «Типро» и «Миогель» наряду с сохранением качественных показателей и повышением питательной ценности мясной продукции значительно снижает ее себестоимость и дает возможность улучшить экономические показатели за счет:

- снижения  стоимости исходного сырья;

- повышения рентабельности производства;

- уменьшения потерь массы при термической обработке и хранении колбасных изделий.

Высокие функциональные свойства животных белков позволяют их использовать с различным целевым назначением:

- вместо дорогостоящего мясного сырья;

- в сочетании с жиросодержащим сырьем (жиром-сырцом, шпиком боковым, пашиной, обрезью, свиной и т.д.) для стабилизации функциональных и качественных характеристик мясного сырья;

- для улучшения  консистенции, пластичности, сочности, внешнего вида колбасных изделий, а также в целях предотвращения образования бульонно-жировых  отеков и потерь при термообработке;

- в целях снижения затрат на производство мясопродуктов и повышения выхода готовой продукции;

- для улучшения товарного вида продукта.

Красители, применяемые в переработке мяса.

Красители применяются при производстве мясопродуктов для придания им нужной окраски. А также для окрашивания гелей, эмульсий, текстурированных соевых белков и т.д. Кроме того, красители применяются для окрашивания натуральных оболочек, поверхностей цельномышечных продуктов из говядины, свинины и птицы.

Преимущества применения красителей:

- улучшение товарного вида  и цвета готового продукта:

- устранение  обесцвечивания готового продукта в процессе хранения и на срезе;

- простота и удобство в применении;

- не требуют изменения технологического процесса производства;

- применяются отдельно или в сочетании друг с другом.

 Таблица 7 – Источники получения красителей

Комплексные препараты

Входящие в состав смесей сорбиновая кислота и сорбат калия оказывает угнетающее действие на дрожжи, плесневые грибы и некоторые бактерии, блокирует действие некоторых ферментов, действие которых приводит к порче мясопродуктов в течение их хранения. Соли фосфорной кислоты использую в качестве стабилизаторов. Глутамат натрия используется в качестве усилителя вкуса и аромата мясопродуктов. Декстроза (глюкоза) используется как подсластитель. Аскорбиновая кислота выступает в качестве регулятора кислотности, подкислителя, антиокислителя.

Пример: комплексные препараты для вареных колбасных изделий:

Сосиски русские

СОСТАВ: стабилизатор Е450 – пирофосфаты, стабилизатор Е451 – трифосфаты, декстроза, соль, усилитель вкуса Е621 – глутамат натрия, антиокислитель Е300 – аскорбиновая кислота, эссенции специй.

НОРМА РАСХОДА ПРОДУКТА: 5 г / кг  фарша.

Колбаса Докторская с мускатом         (вареные колбасные изделия типа ГОСТ)

СОСТАВ: декстроза, мускатный орех, усилитель вкуса Е621 – глутамат натрия, соль, ароматизатор.        

Задания

1. Укажите виды белковых препаратов, их различия, области применения
2. Посмотрите образцы белковых препаратов, опишите их органолептические признаки.
3. Определите влагосвязывающую способность соевых белковых препаратов, для этого приготовьте  водные разведения 1:3; 1:4, 1:5,1:6. Определите, какие виды белковых препаратов обладают лучшей влагосвязывающей способностью.
4. Укажите преимущества применения  соевых белковых препаратов.
5. Укажите виды загустителей, стабилизаторов, красителей, растительных клетчаток, животных белков; области их применения, назначение.
6. Посмотрите образцы растительных клетчаток, животных белков, опишите их органолептические признаки.
7. Перечислите основные составные компоненты комплексных препаратов для мясной промышленности, укажите их назначение.

Контрольные вопросы

1. Какие добавки применяются в пищевой промышленности?
2. Каково назначение пищевых добавок?
3. Каковы преимущества применения добавок?
4. В чем заключается роль биотехнологии в производстве пищевых добавок?

Занятие  10. Технология выращивания грибов с целью получения пищевого белка

Цель занятия: получить представление о видах культивируемых грибов и   технологии из выращивания.

Приборы и материалы: методические указания, плакаты

Наибольшее распространение в промышленном производстве получили девять видов базидиальных грибов. Это, конечно, немного, если учесть, что, например, в Западной Европе известно около 500 видов съедобных грибов, из которых лишь около 80 видов использует население. В нашей стране известно примерно 300 видов съедобных грибов, из которых заготовляют около 54 видов.

В систематическом отношении съедобные грибы принадлежат к нескольким порядкам: Agaricales, Boletales, Russulales, Aphyllo- phorales и Tricholomatales класса Basidiomycetes; имеются также представители Gasteromycetes и сумчатые грибы порядка Helvellales.

Большую пищевую ценность имеют микоризообразующие грибы (белый, подберезовик и др.), но они очень медленно растут в культуре. Лучше растут в искусственных условиях многие подстилочные сапрофитные и копротрофные агарикальные грибы (опенок луговой, навозник косматый, зимний гриб, вешенка и др.). Наиболее перспективны для промышленного производства следующие виды грибов: шампиньон двуспоровый  вешенка обыкновенная, опенок зимний), опенок летний, навозник косматый, пилолистник тигровый, банановый гриб, шии-таке (Lentinus edodes), сморчок съедобный.

Грибоводство — трудоемкое и капризное производство, требующее больших специальных знаний, особенно в области микологии, и контроля за ростом и стадиями развития грибов. В мире наиболее богатый опыт накоплен в области технологии выращивания шампиньонов и вешенки.

Выращивание шампиньонов

Выращивание шампиньонов экономически выгодно, поскольку это безотходное производство. Использованный для грибов субстрат является высокоценным органическим удобрением для многих культур открытого и защищенного грунта.

Из большого разнообразия видов шампиньонов для промышленного выращивания используют шампиньон двуспоровый (Agaricus bisporus). Это наиболее известный и широко культивируемый в промышленных условиях гриб белого цвета, иногда чуть сероватый или серовато-коричневый с коричневатыми чешуйками на шляпке. Пластинчатая часть закрыта белой пленкой у молодых грибов или порвана у более старых. Пластинки имеют цвет свежего мяса, мякоть на срезах слегка розовеет.

Системы и способы выращивания шампиньонов. Технологический процесс выращивания шампиньонов включает в себя часть стадии: приготовление субстрата (компоста), приготовление покровного материала, выращивание посадочного материала - мицелия (грибницы) и выращивание культуры шампиньона. Основные стадии технологического процесса представлены на рисунке 4.

 По однозональной системе культуру выращивают на напольных плоских грядах, двух- и трехгребневых грядах (валиках), в ящиках или контейнерах, на стационарных многоярусных (обычно пятиярусных) стеллажах или в мешках из полимерного материала.

При многозональной системе выращивания используют два (и более) специальных помещения: в одном или раздельных помещениях проводят термическую обработку субстрата и проращивание мицелия, в другом — выращивают продукцию. Этот способ требует неоднократного перемещения емкостей с культурой, поэтому целесообразно использовать ящики или контейнеры.

Рисунок 4- Принципиальная технологическая схема процесса производства шампиньонов

В практике грибоводства широко применяют способ термической обработки субстрата и проращивания мицелия в массе. При этом пастеризацию и кондиционирование субстрата выполняют в специальном помещении с активным вентилированием, проращивание мицелия — в помещении такой же конструкции (тоннель), а выращивание культуры проводят любым из известных способов — на многоярусных стационарных стеллажах, в ящиках или контейнерах, в мешках из полимерной пленки, на напольных плоских грядах или двух- и трехгребневых валиках. Пастеризацию субстрата и проращивание мицелия в массе успешно сочетают с выращиванием культуры в самых разнообразных приспособленных помещениях или в специальных крупных или небольшого размера шампиньонницах.

Практика грибоводства в нашей стране и за рубежом доказывает, что наиболее перспективной является технология с пастеризацией субстрата и проращиванием мицелия в массе.

Культивационные сооружения. Требования к культивационным сооружениям сводятся к следующему:

• в помещении должна быть предусмотрена система для поддержания постоянной температуры воздуха;
• должна быть устроена вентиляция, обеспечивающая равномерное распределение воздуха и удаляющая диоксид углерода;
• необходимо поддерживать влажность воздуха на уровне 90%;
• в помещение не должен проникать прямой солнечный свет;

Поэтому помещения, в которых выращивают шампиньоны требуется оборудовать приборами для создания оптимальных параметров микроклимата, а также системой приточно-вытяжной вентиляции. В соответствии с указанными требованиями для выращивания культуры шампиньона наиболее пригодны специальные сооружения — шампиньонницы.        

Для промышленного выращивания шампиньонов экономически выгодно возводить комплекс сооружений, включающий цеха для приготовления субстрата и покровного материала, цех выращивания грибов и вспомогательные помещения.

При однозональной системе выращивания оптимальные площади шампиньонниц составляют 0,5 и 1 га с 12 или 24 камерами полезной площадью 200 м2 каждая, при многозональной – 0,35 и 0,7 га.

Шампиньонница для выращивания грибов по однозональной системе на стационарных пятиярусных стеллажах представляет собой блоки камер выращивания, расположенные одним или двумя рядами в здании ангарного типа. Между рядами камер выращивания проходит центральный технологический коридор. Вдоль противоположных торцевых сторон камер имеются широкие коридоры (не менее 10 м), позволяющие механизировать работы по наполнению камер выращивания субстратом, насыпке покровного материала и т. д.

Шампиньонница для производства грибов по многозональной системе (рис. 5) в контейнерах (ящиках) состоит из камеры для пастеризации и кондиционирования субстрата, камеры для проращивания мицелия и камеры выращивания.

Рисунок 5 -  Схема цеха выращивания по многозональной системе с пастеризацией субстрата и проращиванием мицелия в массе: 1 – помещения для пастеризации субстрата и проращивания мицелия; 2 – камеры выращивания; 3 – рабочие коридоры блока тоннелей; 4 — рабочие коридоры блока камер выращивания; 5 – центральный коридор; 6 – бытовые и вспомогательные помещения.

Шампиньонница представляет собой блок помещений, минимальное число которых следующее: два тоннеля пастеризации субстрата в массе, два тоннеля для проращивания мицелия в массе и восемь камер для выращивания грибов. Применение технологии с пастеризацией субстрата и проращиванием мицелия в массе с использованием для посева современных штаммов гриба позволяет сократить цикл выращивания до 11 недель.

Состав и способы приготовления субстрата.  Лучшая питательная среда для шампиньонов — свежий, хранившийся не более 2 нед ферментированный соломистый конский навоз, получаемый при стойловом содержании животных. Химический состав конского навоза значительно колеблется в зависимости от качества и вида кормов. Содержание питательных веществ в свежем конском навозе может варьировать в следующих пределах, %: азот общий -0,32 - 0,84, фосфор (Р2О5) - 0,18 - 0,68, калий (К2О) - 0,23 - 0,8. При недостатке конского навоза его заменяют навозом других сельскохозяйственных животных, содержащихся на соломенной подстилке, но он уступает конскому, хотя по содержанию основных элементов различия незначительны.

Хороший материал для шампиньонного субстрата — солома злаковых культур, содержащая большое количество углеводов, калия, кальция и других зольных элементов, необходимых для шампиньонов.

Установлено, что в качестве основного компонента для приготовления субстрата лучше использовать солому пшеницы (озимой, несколько хуже - яровой), затем солому ржи, можно применить также смесь соломы этих двух культур. Используют рисовую солому, сено бобовых культур, стержни початков, стебли кукурузы, подсолнечника, хлопчатника.

Поскольку солома и навоз содержат недостаточное количество азотистых веществ, необходимых для выращивания шампиньонов, к этим основным материалам для приготовления субстрата добавляют органические отходы с высоким содержанием азота, а также минеральные азотные удобрения.

С этой целью используют отходы мясоперерабатывающих комбинатов (каныга, шлям), кожевенной промышленности (мездра, кожевенная пыль, сыромятная стружка), шелковых фабрик (шелковая куколка, шелковый пух), винодельческих заводов (винные осадки), рыбной промышленности (сырые рыбные отходы, чешуя рыб).

Из азотных минеральных удобрений в шампиньонный субстрат добавляют карбамид, сульфат аммония, аммиачную селитру. При недостатке в субстрате фосфора и калия добавляют суперфосфат и калийные удобрения.

Важную роль в создании и поддержании буферности среды субстрата играет кальций. В качестве его источника используют мелкодробленый или молотый известняк, доломит или мергель, дефекат — отход свеклосахарного производства, содержащий 40-50% СаО, а также отходы целлюлозного производства, в составе которых до 56% СаО.

Установлено, что на 1 т навоза достаточно добавить 25 кг известняка, а к полусинтетическому и синтетическому субстрату 60 - 65 кг на 1 т воздушно-сухой соломы.

Оптимальное соотношение N: Р: К в субстрате должно быть 3 - 3,5:1:2,5, а содержание общего азота – от 1,8 до 2,3 %. Количество кальция может составлять от 4 до 7 - 7,5%.

Материалы, подобранные для приготовления питательного субстрата, перед закладкой в помещение для выращивания шампиньонов подвергают специальной обработке. Основной метод обработки — спонтанная ферментация при температуре 10-20°С. Цели ее следующие: подвергнуть биополимеры разложению; получить гомогенный по структуре и качеству субстрат определенной влажности, пахнущий аммиаком; обогатить субстрат недостающими питательными веществами; стабилизировать pH на уровня около 8 и устранить болезнетворные и конкурирующие с шампиньонами организмы.

Субстрат должен иметь влажность 70 - 73%, поэтому перед началом ферментации его увлажняют.

В свежем навозе и других материалах питательные вещества находятся в составе соединений, которые не усваиваются мицелием шампиньонов. Основная часть азота присутствует в форме аммонийных соединений в такой концентрации, которую шампиньон не в состоянии перенести. За счет жизнедеятельности развивающихся в субстрате микроорганизмов в период ферментации аммонийные формы азотистых соединений превращаются в белковые, соединения с образованием в конечном итоге лигнин-гумусового комплекса, богатого азотом, из которого шампиньоны способны его усваивать. Установлено, что усвоение азота из этого сложного комплекса доступно только базидиальным грибам, так как у них имеются высокоактивные гидролитические и окислительные, ферменты.

В процессе ферментации определенным изменениям подвергается и комплекс углеродсодержащих соединений. При развитии, микроорганизмов в компостируемой массе расходуются простые, легко расщепляемые углеводы, в то время как шампиньоны могут усваивать не только простые, но и сложные углеродсодержащие соединения.

В настоящее время в шампиньонных комплексах нашей страны для выращивания грибов применяют синтетический субстрат, который готовят на основе пшеничной или ржаной соломы и помета бройлеров с опилочной подстилкой при добавлении в массу 60 кг гипса на 1 т воздушно-сухой соломы. Расход помета зависит от его влажности и содержания в нем общего азота. При влажности около 35 % и содержании общего азота 3,5 % на 1 т соломы требуется 800 — 900 кг помета бройлеров.

Из 1 т соломистого конского навоза можно получить 0,9-1 т непастеризованного субстрата. При приготовлении полусинтетического субстрата из 1 т соломы с добавками получают около 2,5 т готового субстрата, а при приготовлении синтетического субстрата его выход составляет, как правило, 2,8-3 т.

Пастеризация и кондиционирование субстрата. Субстрат, приготовленный способом спонтанной ферментации, подвергают термической обработке в закрытом помещении. Она включает две стадии: пастеризацию и кондиционирование.

При традиционных способах выращивания шампиньонов для пастеризации субстрата его выдерживают в помещении для выращивания грибов в грядах или емкостях при самопроизвольном повышении температуры. При этом происходит так называемое отпотевание субстрата. Сущность процесса заключается в том, что после укладки в гряды или емкости субстрат выдерживают перед посадкой мицелия 5-7 сут, в течение которых возрастает активность микроорганизмов, присутствующих в субстрате, и его температура повышается до 45...55 °С. При этом наружный слой субстрата остается холодным, а испаряющаяся из субстрата вода конденсируется на поверхностном слое, поэтому субстрат выглядит отпотевшим. Вредные насекомые выползают из зоны высокой температуры на поверхность субстрата; их уничтожают с помощью пестицидов.

В современном грибоводстве используют два способа пастеризации: классический, при котором ее осуществляют на стеллажах или в контейнерах, и объемный — пастеризация в массе. Пастеризацию субстрата классическим способом осуществляют паром при 58-60 °С в течение 6-8 ч. Если субстрат заражен нематодами, этот период может быть увеличен до 12-16 ч. По завершении пастеризации подают свежий воздух для охлаждения субстрата до 43-45 °С. Считается нормальным, если после охлаждения воздухом температура субстрата в течение 8-12 ч снижается до 55°С.

Далее начинается вторая стадия процесса тепловой обработки субстрата — кондиционирование, которое происходит при снижении температуры субстрата с 55 до 50°С и подаче достаточного количества свежего воздуха. В этот период развиваются определенные группы микроорганизмов. При температуре 55-65°С наиболее активно развиваются термофильные бактерии, при ее снижении — актиномицеты и некоторые группы термофильных грибов.

Медленное и равномерное снижение температуры в процесс кондиционирования обеспечивает высокую активность микрофлоры. Идеальным считают равномерное снижение температуры на 1-1,5°С в сутки. Система вентиляции в этот период должна обеспечивать активное перемешивание воздуха в камере пастеризации при 10-15-кратном воздухообмене в течение 1 ч. Период кондиционирования продолжается              5 - 7 сут.

Готовый субстрат характеризуется следующими показателями: структура однородная, солома тусклая, темно-коричневого цвета, мягкая, влажность около 65-68%, на поверхности соломы видны серовато-белые пятна актиномицетов, исчезают клейкость, навозный и аммиачный запахи, появляется приятный сладковатый запах, pH около 7,5, содержание общего азота 1,8-2,3%.

В практике промышленного грибоводства широкое распространение получил также другой способ тепловой обработки субстрата — пастеризация в массе. Сущность способа состоит в том, что уложенный рыхлым равномерным слоем высотой 1,8-2м субстрат продувается очищенным воздухом с заданной температурой. Продукты метаболизма удаляются из субстрата за) счет принудительной конвекции, что позволяет более мобильно регулировать температуру субстрата и обеспечивать его кислородом.        

Выращивание и посадка мицелия. Посадочным материалом служит мицелий гриба, который должен иметь высокую жизнеспособность, быть свободным от грибных, бактериальных и вирусных инфекций, высокоурожайным, давать плодовые тела высокого качества, отличаться обильным и компактным плодоношением, устойчивостью к заболеваниям.

Процесс получения чистого спорового материала включает три стадии: культивирование исходной культуры из спор, затем промежуточной культуры и, наконец, посевного мицелия.

Лучший способ посева мицелия — равномерное перемешивание его с субстратом. При многозональной системе выращивания шампиньонов в контейнерах посев мицелия и перемешивание с субстратом ведут на поточной линии, на которой слой субстрата выравнивают и уплотняют специальным прессом.

Покровный материал. Это важная составная часть шампиньонного грунта. Без нанесения слоя покровного материала на поверхность субстрата плодовые тела формируются слабо или вовсе не образуются. Покровный материал регулирует концентрацию СО2 в субстрате и воздухе культивационного помещения в процессе тепло- и газообмена; влияет на формирование микроклимата в гряде и прилегающей к ней зоне; служит источником резерва воды, необходимой для развития плодовых тел и испарения; предохраняет субстрат от излишних потерь влаги.

Толщина слоя покровного материала зависит от его состава. Легкий по составу покровный материал насыпают слоем 4,5-5 см, тяжелый, с примесью большого количества глинистых частиц — слоем 3-4 см.

Для приготовления покровного материала используют почвы различных типов: низинный, переходный и верховой торф, крупный речной песок, мелкодробленый и молотый известняк, доломит или мергель, мел, шламы, как правило, в смеси. Соотношение компонентов для приготовления покровного материала определяется качеством основного компонента — почвы или торфа.

Покровный материал должен иметь прочную мелкокомковатую структуру, высокую влагоемкость, содержать необходимые питательные вещества, иметь слабощелочное или нейтральное значение pH (7,2-7,6), быть относительно стерильным, свободным от вредителей и возбудителей болезней.

Дезинфицируют покровный материал термическим (обработке паром при температуре 60-65 °С) или химическим (раствором формалина 40%-м).

Уход за культурой. Важнейшее условие быстрого роста мицелия — создание оптимальных температуры и влажности субстрата. При грядовом способе выращивания в приспособленных помещениях оптимальны температура субстрата 24-26°С и влажность воздуха 90 - 95%. Продолжительность роста мицелия не превышает 12-14 сут.

Для культуры на стационарных стеллажах температуру субстрата поддерживают на уровне  24-26 °С, воздуха - 22-24 °С, влажность воздуха — в пределах 90-95 %. Продолжительность роста мицелия составляет 11-13 сут. Концентрацию СО2 поддерживают на уровне не выше 2 %.

Проращивают мицелий в массе субстрата (в тоннеле) в течение 10-12 сут при поддержании концентрации СО2 в воздухе тоннеля не выше 2%. Этот уровень обеспечивается подачей воздуха в количестве 10-20% рециркуляционного.

Покровный материал насыпают в зависимости от степени разрастания мицелия в субстрате. В помещениях без регулирования микроклимата покровный материал насыпают через 18-21 сут после посадки мицелия. В камерах с регулируемым микроклиматом покровный материал можно насыпать на 11—13-е сутки после посева.

Период роста мицелия в субстрате и покровном материале. Этот период продолжается 8-9 сут. Оптимальная температура субстрата 24-27°С, температура воздуха в помещении должна быть на 1-3°С ниже. Степень вентиляции в период роста мицелия в субстрате и покровном материале зависит от температуры субстрата. В идеальном случае, когда температура в слое субстрата составляет 27°С, вентиляции помещения не требуется. Концентрат  диоксида углерода в воздухе в пределах 1-2% не вызывает отрицательных явлений и даже способствует вегетативному росту мицелия. В зависимости от состава и структуры покровного материал а норма полива варьирует от 1 до 3-4 дм3/м2 гряды; в последующие дни норму полива постепенно снижают. Общий расход воды в течение 3-4 сут после насыпки покровного материала на основе торфа составляет 8-12 дм3/м2 гряды. За это время влажное покровного материала доводят до 75-80% и далее поддерживаю на таком уровне. Период роста мицелия в покровном материал заканчивается при появлении отдельных пятен гиф мицелия поверхности покровного материала.

Период плодообразования. Этот период очень короткий - 2-4сут. Обильное образование зародышей плодовых тел происходит при температуре субстрата 18-20°С и концентрации СО2 в зон их образования 0,1-0,3 %.        

Непосредственно плодообразованию предшествует переходный период, характеризующийся резким изменением параметров микроклимата, и в первую очередь охлаждением субстрата с 26 до 19°С и снижением концентрации СО2, что достигается усиленной вентиляцией камеры выращивания холодным (10-14°С) свежим воздухом. При этом температура воздуха в культивационном помещении снижается до 14-16 °С, а концентрация диоксида углерода — до 0,06-0,1 %. Продолжительность переходного периода не должна превышать 36 ч. Поливы в это время должны быть умеренными: норма составляет не более 0,2-0,5 дм3/м2.

Период роста плодовых тел. Наиболее благоприятные условия для роста плодовых тел предусматривают температуру воздуха в помещении 15-16°С, температуру субстрата 17-20 °С, влажность воздуха в пределах 85-90%, содержание СО2 не более 0,1%. Скорость потоков воздуха над поверхностью гряд не должна превышать 0,5-0,6 м/с.

При появлении на поверхности покровного материала плодовых тел норму полива постепенно увеличивают до 1-1,5 дм3/м2 в сутки в зависимости от количества растущих плодовых тел. Скорость воздуха над поверхностью гряд не должна превышать 0,2-0,3 м/с.

Плодообразование шампиньонов происходит волнообразно: после активного плодоношения наступает спад. Продолжительность каждой «волны» составляет примерно неделю. Продолжительность волны плодоношения, количество и качество плодовых тел в определенной степени зависят от параметров микроклимата, воздухообмена в помещении и режимов полива культуры.

В период плодоношения и сбора урожая температуру воздуха в помещении поддерживают на уровне 15-16 °С. Температура в грядах сначала составляет 18-19°С, затем постепенно снижается и через 3-4 нед. сравнивается с температурой воздуха.

Воздухообмен в период плодоношения регулируют так, чтобы скорость потока воздуха над поверхностью гряд приближалась к 0,2 м/с. Объем свежего воздуха для вентиляции зависит от уровня метаболизма в субстрате. Считают, что для формирования 1 кг плодовых тел из гряды расходуется около 2 дм3 воды: 1 дм3 выносится с урожаем и около 1 дм3 испаряется из слоя покровного материала.        

Сбор урожая и хранение шампиньонов. В зависимости от условий выращивания плодоношение шампиньонов начинается через 18-40 сут после насыпки покровного материала; в камерах выращивания с регулируемым микроклиматом начало плодоношения варьирует между 18-ми и 21-ми сутками после насыпки покровного материала.

При выращивании шампиньонов в культивационных помещениях с регулируемым микроклиматом продолжительность плодоношения не превышает 5-6 нед. В приспособленных помещениях с естественной вентиляцией срок плодоношения значительно растягивается и может продолжаться до 4-6 мес. Самая высокая активность наблюдается в первые 3 нед. плодоношения, затем она постепенно затухает. При обычном плодоношении сбор проводят ежедневно или через день.

Непосредственно после сбора шампиньоны охлаждают до 2-3°С. Собранные и охлажденные шампиньоны транспортируют в машинах-рефрижераторах, в период продажи хранят в холодильных камерах.

Использование шампиньонов. В свежем виде шампиньоны содержат до 6% белков, 3% углеводов и жиров. Они исключительно богаты витаминами (В6 В2, РР и С); солями калия, кальция, железа и других микроэлементов; по содержанию фосфора не уступают рыбным продуктам. Грибы могут широко использоваться в качестве ароматических, вкусовых и белковых добавок при производстве различных пищевых продуктов. Присутствие антибиотических веществ, тонкий аромат, великолепный вкус делают их деликатесной добавкой и позволяют использовать в лечебно - профилактических целях.

Апробировано применение добавок шампиньонов при производстве макаронных изделий. В качестве исходного сырья использовали муку хлебопекарную высшего сорта с содержанием сырой клейковины 28,8 % и свежие плодовые тела шампиньонов, предварительно тонко измельченных, в количестве 5, 10 и 15% массы муки.

Рекомендуется использовать грибы в свежем или замороженном виде, выращенные в искусственных условиях, что гарантирует отсутствие или минимальное содержание в них вредных и токсических веществ.

Задания

1. Перечислите основные виды грибов, которые наиболее пригодны для промышленного грибоводства.
2. Укажите, какие системы и способы выращивания шампиньонов существуют, в чем их различия, какое оборудование при этом используется.
3. Зарисуйте общую схему технологического процесса производства шампиньонов.
4. Зарисуйте схему цеха выращивания шампиньонов, укажите все обозначения.
5. Перечислите, какие компоненты входят в состав субстрата для выращивания шампиньонов.
6. Составьте технологическую карту выращивания шампиньонов с указанием основных операций и их параметров (температура, влажность,  продолжительность, солнечный свет и др.) сделайте ее в виде таблицы.

Контрольные вопросы

1. Какие виды грибов пригодны для выращивания в промышленных условиях?
2. Почему выращивание шампиньонов экономически выгодно?
3. Как используют шампиньоны?
4. Какова их пищевая ценность?
5. Какой способ выращивания шампиньонов является наиболее перспективным?

Занятие 11. Технология получения и трансплантация эмбрионов в животноводстве  

 Цель занятия: получить представление  о трансплантации эмбрионов, изучить методы, с помощью которых оценивают качество полученных зародышей, технологию их хранения.

Приборы и материалы: методические указания, фотографии зародышей разной зрелости.

Трансплантация – метод ускоренного воспроизводства высокопродуктивных животных путем получения и переноса одного или нескольких эмбрионов от высокоценных животных (доноров) к менее ценным животным (реципиентам). Использование трансплантации позволяет получать от одной генетически ценной самки в десятки раз больше потомства. Работу по трансплантации проводят в следующем порядке:

- отбор доноров и реципиентов;

- синхронизация полового цикла реципиентов с половым циклом доноров;

- вызывание множественной овуляции (суперовуляции) у доноров и их осеменение;

- получение зародышей от доноров;

- оценка, культивирование и хранение зародышей;

- пересадка зародышей на стадии морулы или бластоцисты реципиентам.

Донор – это высокоценное, выдающееся животное, от которого после гормонального вызывания полиовуляции и осеменения спермой проверенного производителя-улучшателя получают несколько зародышей. Отбирают только тех животных, которые обладают способностью к множественной овуляции и дают в течение длительного срока их использования большое количество зародышей, пригодных к пересадке. В качестве доноров лучше использовать здоровых коров в возрасте от 4 до 5 лет с хорошо развитой молочной железной, пригодной к машинному доению, у которых не было каких-либо осложнений родов и послеродового периода.   Первая стадия возбуждения полового цикла после родов должна быть синхронной и полноценной, с ярко выраженными феноменами: течки, полового возбуждения и охоты. Операция пересадки зародышей экономически выгодна только в том случае, когда в качестве доноров берут выдающихся в племенном отношении животных.

Реципиент – животное, которому трансплантируют (пересаживают) в матку одного или двух зародышей на ранней стадии их развития.   Реципиентов отбирают в количестве 6-8 голов на каждого донора из числа животных, не имеющих большой племенной ценности. При этом используют телок в возрасте 16-18 лет с массой 350-380 кг или коров не старше 7 лет. Животные должны быть здоровыми, без признаков нарушения обмена веществ. Успех пересадок в значительной степени зависит от физиологически полноценного течения половых циклов и правильного определения охоты у реципиентов. Половые циклы должны протекать регулярно, быть полноценными, с синхронным формированием стадии возбуждения. Реципиенты должны быть в состоянии средней упитанности, с хорошим физическим развитием, имеют крупный, правильной формы таз. Яичники и матка должны быть нормально развиты, без патологических изменений.

 Вызывание суперовуляции. Самки млекопитающих рождаются с большим (несколько десятков и даже сотен тысяч) числом половых клеток. Большинство из них постепенно погибают в результате атрезии фолликулов. Однако практически все растущие фолликулы реагируют на гонадотропную стимуляцию, которая приводит их к конечному созреванию. Обработка самок

гонадотропинами к множественной овуляции или так называемой суперовуляции.

Суперовуляцию считают достигнутой, если произошло выделение не менее трех яйцеклеток (в отдельных случаях у животных их овулирует 100 и более). Однако основная цель гормональной обработки – получение в результате суперовуляции 10-20 яйцеклеток. У коров и телок для вызывания множественной овуляции применяют гонадотропины гипофизарного и плацентарного происхождения; для обработки используют разнообразные схемы. Наиболее эффективны гонадотропные сыворотки жеребых кобыл (ГСЖК).

 Извлечение зародышей.  Эмбрионы крупного рогатого скота поступают из яйцевода в матку между 4-м и 5-м днем после начала охоты (между 3-м и 4-м днем после овуляции). Сроками продвижения эмбрионов в половом тракте коровы и определяется извлечение их из яйцевода или рогов матки.

В связи с тем, что нехирургическое извлечение возможно только из рогов матки, то эмбрионы извлекают не ранее 5-го дня после начала охоты. Несмотря на то, что при хирургическом извлечении эмбрионов у крупного рогатого скота достигнуты отличные результаты, этот метод неэффективен, т.к. относительно дорогостоящий, неудобный для применения в условиях производства.

Нехирургическое извлечение эмбрионов состоит в следующем. Гибкий катетер с надувной манжеткой вводят во влагалище и через шейку матки в один из рогов матки. Манжетка надувается и закрывает выход рога матки, тем самым ограничивая промывную полость.

Катетер может быть двухканальным, что позволяет проводить проточное прохождение промывной жидкости. При использовании одноканального катетера промывная жидкость вводится несколько раз (5-8 раз) и затем вытекает из рога матки. В обоих случаях вводят 200-300 мл фосфатного буфера Дюльбекко.

Наиболее оптимальные сроки для извлечения эмбрионов – 6-8-й день после начала охоты, так как ранние бластоцисты этого возраста наиболее пригодны для глубокого замораживания и могут быть с высокой эффективностью пересажены нехирургическим способом. Корову-донора используют 6-8 раз в год, извлекая по 3-6 эмбрионов.

У овец и свиней нехирургическое извлечение эмбрионов невозможно ввиду трудности прохождения катетера через шейку в рога матки. Однако хирургическая операция у этих видов животных относительно проста и непродолжительна.

Пересадка эмбрионов.  Параллельно с разработкой хирургического метода извлечения эмбрионов у крупного рогатого скота значительный прогресс был достигнут и в нехирургической пересадке эмбрионов. В пайету набирают свежую питательную среду (столбик длиной 1,0-1,3 см), затем небольшой пузырек воздуха (0,5 см) и далее основной объем среды с эмбрионом (2-3 см). После этого засасывают немного воздуха (0,5 см) и питательную среду (1,0-1,5 см). Пайету с эмбрионом помещают в катетер Кассу и до момента пересадки хранят в термостате при 370С. Далее под ректальным контролем катетер пропускают через шейку матки и осторожно вводят в рог матки на расстоянии 5-7 см от ее тела. Нажатием на шток катетера выдавливают содержимое пайеты вместе с эмбрионом в рог матки.

Эффективность пересадки эмбрионов в значительной степени определяется синхронностью проявления охоты у донора и репиента. У крупного рогатого скота максимальное число беременностей получают после синхронной пересадки.

Введение эмбрионов в оба рога матки обеспечивает высокую эффективность пересадки. Этот прием успешно используют для получения двойневости. Процедура получения двойневости включает пересадку 7-дневных эмбрионов осемененному животному в рог, противоположный яичнику с желтым телом.

Оценка качества и хранение зародышей

Для определения полноценности и жизнеспособности зародышей применяют следующие методы: а) визуальную морфологическую оценку, б) прижизненное окрашивание, в) культивирование вне организма в течение 24-48 ч, г) цитологическую и цитогенетическую оценку.

Наиболее широкое распространение получили способы оценки качества и жизнеспособности зародышей по морфологическим признакам и по результатам их культивирования.

При этом учитывают следующие основные морфологические признаки полноценности зародышей: целостность и равномерность развития бластомеров, прозрачность перивителлинового пространства, целостность зоны пеллюцида, соответствие стадии развития возрасту зародыша. Зародыши с признаками дегенерации, уродств и недоразвития для пересадок непригодны. Зародыши оценивают в баллах с помощью специальной таблицы 8 (шкала оценки качества зародышей) и рисунка 7: полноценные – 5 баллов; с незначительными дефектами – 4 балла; замедленные (ретардированные) – 3 балла; неполноценные – 2 и 1 балл.

Рисунок 7 - Зародыши разного качества

Хранение зародышей. Для кратковременного хранения в течение 1-5 ч используют среду Дюльбекко, в которую добавляют 100 ЕД пенициллина на 1 м и 4 мг/мл 20%-ной сыворотки крови теленка или альбумина бычьей сыворотки. Зародышей помещают на часовое стекло с 0,5 мл питательной среды, переносят в чашку Петри, дно которой покрыто увлажненной фильтровальной бумагой, и хранят в термостате при температуре 370С.

Таблица 8 – Шкала оценки качества зародышей

Для длительного хранения применяют метод замораживания в жидком азоте. Замораживают с помощью приборов НПС «Эмбрион» и ЗЭМ Харьковского СКТБ. Отбирают зародышей с оценкой 4-5 баллов.

При замораживании зародышей в ЗЭМ используют специальные контейнеры: стеклянные пробирки длиной 50 мм и диаметром 5 мм, стеклянные ампулы на 1 мл, пластиковые соломинки длиной 130 мм и диаметром 2 мм.

Размораживание зародышей. Размораживают на водяной бане при 370С в течение 3-5 с. При переносе пайеты из жидкого азота в водяную баню пробку из пайеты извлекают. Зародыши помещают в 0,5 М раствор сахарозы. После насыщения сахарозой зародыши отмывают в среде Дюльбекко, содержащей 20% ФБС. Используют 4 чашки Петри; отмывают путем последовательного переноса с экспозицей по 5 минут.

Задания

1. Трансплантация: дайте определение, перечислите основные этапы работы.
2. Укажите требования, предъявляемые к донорам и реципиентам.
3. Дайте определение суперовуляции, укажите, каким способом ее проводят.
4. Укажите способы извлечения зародышей.
5. Укажите способы пересадки зародышей.
6. Перечислите методы оценки качества зародышей.
7. Изучите шкалу оценки качества зародышей.
8. Сделайте оценку изображенных на фотографиях зародышей по пятибалльной системе.
9. Изучить технологию хранения зародышей.

Контрольные вопросы

1. Что понимают под трансплантацией эмбрионов?
2. Какие требования предъявляют к донору и реципиенту?
3. Каковы методы стимуляции донора и реципиента существуют?
4. Какие Вы знаете гонадотропные гормоны, где они вырабатываются?
5. Когда и как осеменяют донора?
6. Какие Вы знаете методы извлечения эмбрионов?
7. Какие манипуляции можно проводить с эмбрионом?
8. Какие методы пересадки эмбрионов реципиентам используют?.
9. Каково влияние трансплантации эмбрионов на селекционный процесс?

Занятие 12. Технология производства биогаза и биотоплива из отходов сельского хозяйства

  Цель занятия: сформировать представление о технологии производства биогаза из различных отходов.

Приборы и материалы: методические указания, плакаты

Обострение экологических проблем, истощение запасов невозобновляемых энергоресурсов, рост цен на них обусловили глобальный интерес к разработке и использованию технологии боиконверсии органических отходов для получения тепловой и других видов энергии.

Известно, что животные плохо усваивают энергию растительных кормов и более половины ее уходит в навоз, который прежде всего используется как ценное органическое удобрение. Вместе с тем, он может быть использован в качестве возобновляемого источника энергии.

Биогаз — газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы.  Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие.     В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород.

 Состав и качество биогаза: 50-87% метана, 13-50% CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан — полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Сырьё для получения

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помёт, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства  биодизеля — технический глицерин, отходы от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов — очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа.

 Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 300 м³ из 1 тонны.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50-65 м³ биогаза с содержанием метана 60%, 150-500 м³ биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза - это 1300 м³ с содержанием метана до 87% - можно получить из жира.

 Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20-30% от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычно установке с 60% до 95%.

В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа.

На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстроразлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить.

Свалочный газ — одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод — анаэробное сбраживание в метантенках (рис. 8).

Рисунок 8 - Биогазовая установка

Биогазовая имеет следующие составные части: емкость гомогенизации, загрузчик твердого (жидкого) сырья, реактор, мешалки, газгольдер, система смешивания воды и отопления, газовая система, насосная станция, сепаратор, приборы контроля, КИПиА с визуализацией, система безопасности.

Принцип работы установки

Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38°С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.

 Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом,  бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.

Факторы, влияющие на процесс брожения

• Температура
• Влажность среды
• Уровень рН
• Соотношение C : N : P
• Площадь поверхности частиц сырья
• Частота подачи субстрата
• Замедляющие вещества
• Стимулирующие добавки

 Температура

Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах температуры 0-70ºС. Если температура выше они начинают гибнуть, за исключением нескольких штаммов, которые могут жить при температуре среды до 90ºС. При минусовой температуре они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность. В литературе как нижнюю границу температуры указывают 3-4ºС.

Площадь поверхности частиц сырья

Принципиальным является, что чем меньше частички субстрата, тем лучше. Чем больше площадь взаимодействия для бактерий и чем более волокнистый субстрат, тем легче и быстрее бактериям разлагать субстрат. Кроме того, его проще перемешивать, смешивать и подогревать без образования плавающей корки или осадка. Измельченное сырье имеет влияние на количество произведенного газа через длительность периода брожения. Чем короче период брожения, тем лучше должен быть измельчен материал.

При достаточно длительном периоде брожения количество выработанного газа снова увеличится. При использовании измельченного зерна этого уже удалось достичь через 15 дней.

Применение

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании — биогаз занимает до 18% в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Биогаз в России

Потенциальное производство в России биогаза – до 72 млрд м³ в год. Потенциально возможное производство из биогаза электроэнергии составляет 151 200 ГВт, тепла – 169 344 ГВт.

Биогазовые установки в развивающихся странах

В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае — более 10 млн (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. В конце 2010 года в Китае действовало уже около 40 млн биогазовых установок. В биогазовой индустрии Китая заняты 60 тысяч человек.

Автомобильный транспорт

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна.  Муниципалитет Осло в начале 2009 года перевёл на биогаз 80 городских автобусов. Стоимость биогаза значительно ниже бензина. При успешном завершении испытаний на биогаз будут переведены 400 автобусов.

Перспективы использования биогаза

В России агрокомплекс ежегодно производит 773 миллиона тонн отходов, из которых можно получить 66 миллиардов м3 биогаза, или около 110 миллиардов кВт·ч электроэнергии. Общая потребность России в биогазовых заводах оценивается в 20 тысяч предприятий.

В США выращивается около 8,5 миллионов коров. Биогаза, получаемого из их навоза, будет достаточно для обеспечения топливом 1 миллиона автомобилей.

Потенциал биогазовой индустрии Германии оценивается в 100 миллиардов кВт·ч энергии к 2030 году, что будет составлять около 10% от потребляемой страной энергии.

Значение для экологии

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Задания

1. Дайте определение биогазу, укажите каким способом его можно получить.
2. Перечислите, какие отходы используют для производства биогаза.
3. Зарисуйте биогазовую установку, опишите принцип ее работы, укажите факторы, влияющие на процесс биоконверсии.
4. Укажите значение биогаза , области его применения в нашей стране и других странах

Контрольные вопросы

1. Из чего состоит биогаз?
2. Какие биогазовые установки бывают?
3. Из каких составных частей состоит биогазовая установка?
4. Какие отходы можно использовать для получения биогаза?
5. Какое значение это имеет для экологии?

Литература

1. Елинов, Н.П. Основы биотехнологии / П.Н. Елинов. – СПб.: Наука, 1995. - 314 с.

2. Егорова, Т.А. Основы биотехнологии / Т.А. Егорова, С.М. Клунова, Е.А. Живухина.- М.: Издательский центр «Академия», 2005.- 208с.

3. Голубев, В.Н. Пищевая биотехнология / В.Н. Голубев, И.Н. Жиганов.- М.: Издательство ДеЛи прикт, 2001. – 123 с.

4. Гореликова,  Г.А. Основы современной пищевой биотехнологии: Учебное пособие / Г.А. Гореликова. – Кемерево: Кемеровский технологический институт пищевой  промышленности, 2004. – 100 с.

5. Загоскина, Н.В. Биотехнология: теория и практика / Н.В. Загоскина, Л.В. Назаренко, Е.А. Калашникова.- М.: Издательство Оникс, 2009 – 496 с.

6. Зубаиров,  Р.Г. Проблемы внедрения биотехнологии и первые результаты внедрения / Р.Г. Зубаиров // Практическая биотехнология в сельском хозяйстве, экологии, здравоохранении: сборник трудов.- М.,2006. - С. 10-12.

7. Ковалев, А.А. Производство газообразного топлива из отходов животноводства /  А.А. Ковалев  // Техника в сельском хозяйстве.- 2001.- №3.- С. 30-33

8.Рогов, И.А. Пищевая биотехнология: Кн. 1. Основы пищевой биотехнологии / И.А. Рогов, Л.В. Антипова, Г.П. Шуваева.- М.: КолосС, 2004. -  440с.

9. Стребков, Д.С. Биогазовые установки и опыт их применения в АПК / Д.С. Стребков, А.А. Ковалев // техника и оборудование для села.- 2006.- № 9.- С. 21-25.

10. Тихонов, И.В. Биотехнология / И.В. Тихонов, Е.А. Рубан, Т.Н. Грязнева и др.- Спб.: ГИОРД, 2008.- 704с.

11.Федотова, З.А. Основы биотехнологии переработки продукции растениеводства: Учебное пособие /  З.А. Федотова. - Самара, 2002. - 216 с.  

12. Шевелуха, В.С. Сельскохозяйственная биотехнология / В.С. Шевелуха, Е.С. Воронин, Е.А.  Калашникова и др. – 3-е изд., перераб. и доп. -  М.: Высшая школа,2008. - 710 с.