Введение в биотехнологию: методические указания к практическим занятиям

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ  ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

                                Кафедра технологии

                                             производства и переработки

                                           продуктов животноводства

О.В. Белоокова, А.А. Белооков

Введение в биотехнологию

Методические указания к

лабораторно-практическим занятиям

Направление подготовки: 06.03.01 «Биология»

Троицк 2015

УДК 573.6 (07)

ББК 28 я7

Б 43

    Рекомендовано  к изданию методической  комиссией

факультета биотехнологии    (протокол № 6 от 26.02.2015 г.)

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

    Составители: О.В. Белоокова, ассистент кафедры технологии производства и переработки продуктов животноводства, кандидат с.-х. наук;

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

     Введение в биотехнологию. Методические указания к лабораторно-практическим занятиям / Белоокова О.В., Белооков А.А. - Троицк, 2015. – 88 с.

     Методические указания к практическим занятиям  предназначены для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 06.03.01 «Биология».

     В методических указаниях представлены практические занятия по   основным направлениям биотехнологии: производству ферментов и использованию ферментных препаратов в промышленности, сельском хозяйстве, микробиологическом синтезе и получении пищевых компонентов: белков, органических кислот, аминокислот, витаминов, ароматизаторов и т.д.,  получению трансгенных животных и трансплантации эмбрионов.

В конце каждой работы приводится перечень вопросов для самопроверки знаний.

                                                                                             УДК 573.6 (07)                            

                                                                                              ББК 28 я7 

                                                                                         Б 43

© ФГОБУ ВПО

«Уральская государственная

академия ветеринарной медицины»

Содержание

Введение …………………………………………………………………………..4

Занятие 1. Области применения биотехнологии.  Производство  и промышленное использование ферментов. Технология получения иммобилизованных ферментов...........................................................................5

Занятие  2. Применение ферментных препаратов в перерабатывающей промышленности………………………………………………………………...10

Занятие  3. Применение ферментных препаратов в сельском хозяйстве….....19

Занятие  4. Биотехнология в получении пищевых компонентов микробного происхождения ………………………………………………………………….27

Занятие  5. Технология получения трансгенных животных…………………..40

Занятие  6. Биотехнология в получении искусственной пищи … …………...41

Занятие 7. Добавки, применяемые в пищевой промышленности……………48

Занятие  8. Технология выращивания грибов с целью получения пищевого белка………………………………………………………………………………56

Занятие  9. Технология производства биогаза и биотоплива из отходов сельского хозяйства ……………………………………………..……………....71

Занятие 10. Технология получения и трансплантация эмбрионов в животноводстве ………………………………………………………………….78

Литература………………………………………………………………………. 86

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.

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 медодов
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.

Таблица 4 - Применение ферментных препаратов в сельском хозяйстве

4. Перечислите основные микробные препараты, укажите их значение

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. Биотехнология в получении пищевых компонентов микробного происхождения

     Цель занятия: получить представление о биотехнологическом синтезе органических кислот, аминокислот, витаминов, полисахаридов, ароматизаторов.

Приборы и материалы: методические указания, плакаты.

1. Общий технологический процесс получения пищевых компонентов

В современной пищевой промышленности все более значительную роль играет микробиологический синтез, особенно в промышленном производстве отдельных пищевых ингредиентов, которые во многих странах мира активно применяются для создания полноценных рецептур. Для получения ингредиентов микробного происхождения используются как традиционные, так и новейшие достижения биотехнологии.

Культивирование является основной стадией технологического процесса.

Процесс глубинного культивирования начинают с отбора штаммов микроорганизмов. Обычно производственное культивирование микроорганизмов осуществляется в больших объемах. Поэтому вначале из имеющегося эталонного штамма микроорганизма, находящегося, как правило, в лиофильно-высушенном состоянии в ампуле, делают посевы в небольшие емкости, например, во флаконе емкостью 100-200 см3, заполненные по 50-150 мл производственной средой. Затем из флаконов делают высевы в большие емкости (бутыли объемом 18-20 л). При хорошем накоплении микроорганизмов такую культуру вносят в реактор и называют посевной (маточной) культурой. При этом нужно предварительно рассчитать необходимое количество посевной культуры для производственного культивирования микроорганизмов исходя из посевной дозы, которая обычно составляет от 1 до 10% по объему. Затем осуществляют  подготовку питательной среды. Питательная среда служит источником питания для  микроорганизмов. Важный элемент подготовки питательных сред – стерилизация с целью уничтожения всех посторонних микроорганизмов. Ее проводят термическим, радиационным, фильтрационным или химическим методами.

 Ферментация – основной этап биотехнологического процесса.

Ферментация – это вся совокупность операций от внесения микробов в подготовленную и нагретую до необходимой температуры среду до завершения биосинтеза целевого продукта или роста клеток. Весь процесс протекает в специальной установке – ферментере. Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндр, в котором механически перемешиваются среда вместе с микроорганизмами.

Через него прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста: постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.

        Рисунок 3- Схема ферментера

По окончании ферментации образуется смесь рабочих микроорганизмов, раствора непотребленных питательных компонентов и продуктов биосинтеза. Ее называют культуральной жидкостью или бульоном.

По завершении ферментации продукт, который желали получить, очищают от других составляющих культуральной жидкости. Для этого используют различные технологические приемы: фильтрацию, сепарирование (осаждение частиц взвеси под действием центробежной силы), химическое осаждение и др.

 Последней стадией биотехнологического цикла является получение товарных форм продукта. Они представляют собой либо смесь, либо очищенный продукт (особенно если он предназначен для использования в медицинских целях).

2. Производство аминокислот

      Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии

      Аминокислоты – это структурные единицы, из которых рибосомы строят все необходимые белки организма. Природные аминокислоты вовлечены в биосинтез ферментов, гормонов, витаминов, антибиотиков, токсинов и других азотсодержащих соединений. Белки, в свою очередь, способны синтезировать различные аминокислоты из органического сырья. Но все же половина из необходимых аминокислот не синтезируются в организме человека и животных. Они называются незаменимыми аминокислотами. Недостаток этих аминокислот в питании приводит к нарушению обмена веществ, замедлению роста и развития.

     Многие белки растительного происхождения имеют дефицит некоторых незаменимых аминокислот. Так, белки пшеницы и риса обеднены лизином и треонином, а белки кукурузы – лизином и триптофаном.

Внесение промышленных аминокислот в кормовые концентраты позволяет балансировать корма сельскохозяйственных животных по уровню белка. При добавлении 2-4 кг дефицитных аминокислот к 1 т. комбикорма общий расход кормов уменьшается на 15-20%, а выход мяса и молока увеличивается на 20%. Это позволило перевести животноводство на промышленную основу.

Помимо применения в качестве пищевых добавок, приправ и усилителей вкуса аминокислоты используют как сырье в химической, парфюмерной, фармацевтической промышленности и т. п. Промышленное производство аминокислот стало возможным после открытия у некоторых микроорганизмов способности вырабатывать их во внешнюю среду.

     Так, штамм Corynebacterium glutamicum является продуцентом глутамата. Его использовали при организации первого в мире крупномасштабного биотехнологического производства самой популярной пищевой добавки, глутаминовой кислоты, в Японии в 1956 году.

  Натриевая соль (глутамат натрия) является эффективным усилителем вкуса мясных и овощных блюд. Данную аминокислоту добавляют во многие продукты при консервировании, замораживании и длительном хранении.

Растет спрос на глицин и аланин, которые также применяют в качестве приправ.

Для улучшения органолептических показателей мясных продуктов, придания им специфического приятного вкуса и аромата используют цистин, лизин, гистидин. Цистеин и цистин с глутаматом натрия создают имитацию запаха и вкуса мяса, что используется при приготовлении приправ. Цистеин, кроме того, используется для создания пористой структуры хлеба. Добавка к порошковому молоку гистидина и триптофана снимает неприятный «окисленный» привкус.

   Промышленными продуцентами лизина являются штаммы бактерий вида Corinebacterium glutamicum. Лизин относится к числу незаменимых аминокислот. Также предложены способы биотехнологического получения изолейцина, треонина при использовании E. coli. Большинство исследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают L-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин.

3. Получение пищевых органических кислот

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

Лимонная кислота. Лимонная кислота (С6Н8О7) - трехосновная оксикислота, широко распространена в природе, относительно много ее содержится в некоторых ягодах, фруктах, особенно в цитрусовых (в лимоне 5-10 %), в листьях и стеблях некоторых растений.

Ранее лимонную кислоту выделяли в виде лимоннокислого кальция из продуктов переработки листьев хлопчатника, стеблей махорки, хвои ели и в значительных количествах из плодов лимонов. Однако это производство является крайне дорогим и небольшим по объему. Поэтому лимонная кислота была дефицитным и дорогим продуктом.

В настоящее время лимонная кислота по объему производства является одним из главных продуктов микробного синтеза, ее общий выпуск в разных странах достигает до 400 тыс. тонн в год.

Общая технологическая схема производства лимонной кислоты включает следующие этапы:

Подготовка питательной среды. Мелассу загружают в варочный котел, разбавляют водой до определенной концентрации углеводов (16 %), добавляют источники азота, фосфора и микроэлементы. Устанавливают необходимое значение рН среды (6,8-7,2) добавлением кислоты или щелочи. Для осаждения солей тяжелых металлов (железа, магния и т.д.), находящихся в мелассе, ее раствор обрабатывают желтой кровяной солью. Затем среду стерилизуют и охлаждают до температуры ферментации.

В отдельном цехе выращивают посевной материал в виде спор (конидий) Aspergillus niger. Затем размножают его в три стадии: в пробирках, колбах и алюминиевых кюветах. Длительность каждой стадии – 2-4 сут при 32 °С. Для выращивания в пробирках используют твердую агаризованную питательную среду, а в колбах и кюветах – жидкую.

Ферментация может осуществляться поверхностным или глубинным способом. Заводы небольшой или средней мощности используют поверхностный способ. Глубинный способ экономически выгоден тогда, когда мощность завода превышает 2500 т лимонной кислоты в год.

При поверхностном способе ферментация проводится на открытых металлических кислотоустойчивых кюветах высотой 7-20 см, в которых мицелий продуцента развивается на поверхности среды. Кюветы размещаются на многоярусных стеллажах в специальных камерах при температуре 34-36 °С. В камеры подают стерильный кондиционированный воздух. Цикл брожения заканчивается через 8-9 сут.

При глубинном способе мицелий гриба погружен в питательную среду в ферментаторах, туда же подается стерильный воздух. Длительность культивирования - 5-9 суток.

По окончании ферментации мицелий отделяют от культуральной жидкости. При глубинной ферментации - фильтрованием на фильтрах, при поверхностной – вручную, предварительно слив жидкость с кювет.

Мицелий промывают, высушивают и направляют для использования в качестве добавки к животным кормам. Фильтрованная культуральная жидкость (фильтрат) представляет собой водный раствор лимонной кислоты. В 1 литре фильтрата содержится 40-50 г лимонной кислоты.

Лимонную кислоту выделяют из культуральной жидкости в виде плохо растворимой соли – цитрата кальция, которая образуется при добавлении мела. Перевод лимонной кислоты в свободное состояние достигается при добавлении строго определенного количества Н2SO4 :

            Цитрат кальция + Н2SO4                   Цитрат + Гипс

 Гипс удаляют фильтрованием. Раствор лимонной кислоты осветляют активным углем, упаривают, сливают в кристаллизаторы, в которых постепенно снижают температуру. Выделившиеся кристаллы центрифугируют, промывают водой, сушат, фасуют.

Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности для подкисления карамели, пастилы, вафель, так как она хорошо подчеркивает фруктовый вкус. Данную органическую кислоту в целях подкисления добавляют в мороженое, пищевые концентраты, маргарин, некоторые сорта колбас и сыра.

Лимонную кислоту применяют для торможения образования меланоидинов в сгущенном молоке с сахаром, раствором ее промывают и дезодорируют жировое сырье, обрабатывают перед холодным хранением свежее мясо, рыбу, фрукты с целью стабилизации их цвета, вкуса и запаха. Соли лимонной кислоты используют для изготовления шампуней и других моющих средств, так как они стимулируют вспенивание и обеспечивают механическую устойчивость пен.

Уксусная кислота. Продуцентами уксусной кислоты являются уксуснокислые бактерии рода  Acetobacter. Эти бактерии приспособлены к сахаристым и спиртовым субстратам, растут при сильно кислых условиях (рН=4,0). К быстроокисляющим бактериям относят высокопроизводственный штамм Acetobacter curvum (курвум). Недостатком этого продуцента является то, что он может терять свойство образовывать уксусную кислоту, поэтому его постоянно поддерживают в среде с высокой концентрацией спирта и уксусной кислоты и низкой концентрацией питательных веществ.

В качестве сырья для получения пищевого уксуса используют виноградное вино, пивное сусло, мед, соки различных фруктов и ягод после спиртового брожения или водный раствор этилового спирта для получения белого уксуса. Кроме спирта среда содержит уксусную кислоту и минеральные соли N, P, S, Mn, K. Иногда добавляют источники витаминов в виде различных экстрактов. Уксусная кислота служит источником углерода и энергии для бактерий.

Уксусная кислота стала первым микробиологическим продуктом, полученным с помощью иммобилизованных клеток. Этот способ может быть непрерывным и периодическим. В течение длительного времени применяется адсорбирование уксуснокислых бактерий на древесной стружке, древесном угле, коксе и других субстратах. Пропуская раствор этанола через генераторы с иммобилизованными бактериями, получают 10-15 %-ный раствор уксусной кислоты. Из 100 л безводного спирта теоретически должно быть получено 103 л уксусной кислоты. На практике выход уксуса из 100 л этанола редко превышает 90 л, что связано с переокислением и неполным окислением этанола бактериями, а также с его испарением.

В столовом уксусе содержится 5-9 % уксусной кислоты. Уксус с концентрацией кислоты 20-30 % получают путем вымораживания исходного раствора. Путем перегонки получают 70-80 %-ную уксусную кислоту, называемую уксусной эссенцией. Ледяная уксусная кислота содержит 98,0-99,8 % кислоты.

Уксус, полученный при брожении, имеет приятные аромат и вкус, которые обусловливают побочные продукты брожения: сложные эфиры (этилацетат и другие), высшие спирты, органические кислоты.

Уксусную кислоту или уксус широко используют в пищевой промышленности. Уксус, полученный микробиологическим путем (пищевая уксусная кислота, столовый уксус), различается по сортам в зависимости от характера сбраживаемого субстрата. Известен яблочный, виноградный, грушевый и другие сорта уксуса.

Уксус также применяют для растворения органических красителей, при получении медикаментов, пластмасс и т.д.

Молочная кислота.  Для промышленного изготовления молочной кислоты пригодны молочнокислые бактерии, образующие до 98 % молочной кислоты. Применяемые штаммы Lactobacillus delbrueckii, L. bulgaricus не предъявляют высоких требований к питательной среде и за короткое время дают высокий выход молочной кислоты.

Молочнокислые бактерии преобразуют в молочную кислоту самые разные углеводы, поэтому для промышленного получения этой кислоты используют мелассу, молочную сыворотку, глюкозу, мальтозу, сахарозу, лактозу, осахаренный крахмал и пр. В каждом случае подбирают наиболее подходящий продуцент. Для сбраживания глюкозы или мальтозы обычно применяют штаммы Lactobacillus delbrueckii, L. leichmannii или L. bulgaricus. Для сбраживания осахаренного крахмала используют смесь молочнокислых бактерий L. delbrueckii или с L. bulgaricus, или со Streptococcus lactis. При сбраживании мальтозы выход молочной кислоты выше при использовании L. bulgaricus или L. casei.

В качестве основного сырья используют мелассу, картофельный осахаренный затор, которые разбавляют водой до определенной концентрации (12 %), вносят дополнительные источники аминного азота (свободные аминокислоты), витаминов и других биологически активных веществ в виде кукурузного или дрожжевого экстракта, или вытяжку солодовых ростков (так как на молочнокислое брожение биологически активные вещества оказывают положительное влияние).

Молочную кислоту в промышленных условиях получают методом анаэробной глубинной ферментации. Концентрация сахара в среде должна быть 5-20 %, температура 44-50 оС, рН 6,3-6,5. Во время ферментации рН среды поддерживают, добавляя мел. Через 6-7 суток культивирования в среде остается 0,5-0,1 % сахаров и 11-14 % лактата кальция. Из 100 г сахаров получают 80-90 г лактата. Осадок мела и коллоиды отделяют фильтрацией. Фильтрат упаривают до концентрации 27-30 %, затем охлаждают до 25-30 оС и выдерживают в кристаллизаторах 36-48 ч. Кристаллы лактата отделяют центрифугированием. Молочную кислоту из лактата получают при помощи серной кислоты. Реакция идет при 60-70 оС в соответствии с уравнением:

                Ca (C3H5O3)2 + H2SO4             CaSO4 + 2C3H6O3 

Для отделения ионов железа молочную кислоту (сырец) при температуре 65 оС обрабатывают желтой кровяной солью. Тяжелые металлы осаждают сульфатом натрия. Молочную кислоту обрабатывают активированным углем, фильтруют и фасуют. Конечный продукт - в виде жидкого концентрата молочной кислоты.

Молочную кислоту применяют для приготовления джемов, в которых она способствует хорошей консистенции. Молочная кислота как регулятор рН, улучшитель вкуса применяется в производстве многих сыров, квашении капусты, в сухом концентрате кваса. В хлебобулочном производстве молочная кислота и лактаты увеличивают объем мякиша и улучшают корку хлеба при использовании муки низкого качества. Способность лактатов удерживать влагу применяют в производстве колбас, сыров, детского питания. Молочную кислоту также используют для ускорения получения молочно-белкового сгустка при производстве творога.

4. Получение витаминов

      В связи с возрастающими потребностями в витаминах особенно большой интерес проявляется к микроорганизмам как продуцентам витаминов. Микроорганизмы содержат много витаминов, которые чаще всего входят в состав ферментов. Состав и количество витаминов в биомассе зависят от биологических свойств данной культуры микроорганизмов и условий культивирования. Некоторые витамины микроорганизмы синтезируют, другие напротив усваивают в готовом виде из окружающей среды.

Витамин В12(цианкобаламин). Синтезировать витамин В12 способны уксуснокислые бактерии, грибы и пропионовокислые бактерии. Наибольшее промышленное значение имеют Propionibacterium и Pseudomonas (P. denitrificans).

Концентрат витамина В12 предназначен для обогащения кормов животных. Он представляет собой однородный порошок коричневого цвета, кисловатый на вкус, имеет характерный запах. Для обогащения кисломолочных продуктов витамином В12 используют пропионовокислые бактерии как в чистом виде, так и в виде концентрата, приготовленного на молочной сыворотке.

Витамин В2 (рибофлавин) можно в небольших количествах выделять из природного сырья. В наибольшем количестве он содержится в моркови и печени трески. Из 1 т моркови получают 1 г витамина, из 1 т печени – 6 г.

Рибофлавин впервые был выделен в кристаллическом виде в 1933 г. Продуцентами данного витамина являются дрожжи, мицелиальные грибы и бактерии. Наиболее активными продуцентами витамина В2 являются дрожжеподобные грибы рода Eremothecium (эремофекиум), входящие в класс аскомицетов. Культивирование проводят глубинным способом при хорошей аэрации. Максимальное накопление витамина происходит вместе с максимумом накопления биомассы на 2-е сутки, причем синтез рибофлавина начинается лишь после фазы интенсивной ассимиляции сахара.

Витамином В2 обогащают некоторые сорта белого хлеба, его используют для окраски пищевых продуктов в оранжево-желтый цвет.

Каротиноиды – это предшественники витамина А, среди которых наиболее активен β-каротин. В организме человека каротиноиды не синтезируются, поэтому должны поступать извне. В печени каротин превращается в витамин А.

Продуцентами каротиноидов могут быть грибы и дрожжи. В промышленности β-каротин чаще всего получают с помощью микроскопического гриба рода Blakeslea (блакеслеа). Культивирование проводят и поверхностным, и глубинным способами на питательных средах сложного состава. Во время ферментации среду интенсивно аэрируют. Образование каротиноидов в культуре микроорганизмов не идет параллельно с образованием биомассы. Интенсивный синтез каротиноидов начинается, когда в среде использован весь азот, а рост культуры уменьшается. В качестве стимуляторов в питательные среды добавляют экстракты цитрусовых и дрожжей.

 β-каротин используют при изготовлении пищевых продуктов как краситель. Его применяют при изготовлении колбас с целью замены нитрита натрия и обеспечения высокой интенсивности и устойчивости цвета. Используют при производстве леденцов, пищевых паст, кексов и других кондитерских изделий. Во многих странах β-каротин применяют для подкрашивания сливочного масла. Нагревают до 30 °С, добавляют β-каротин, который при такой температуре хорошо растворяется в масле. В Италии каротиноиды используют в производстве макаронных изделий.

β-каротин применяется для стабилизации цвета мяса охлажденного и замороженного в тушах. С этой целью раствор β-каротина наносят на поверхность мяса.

Кроме того, β-каротин обладает антиокислительными свойствами, которые используются для продления срока хранения продукта.

Таким образом, витамины, синтезированные микроорганизмами, используют не только для повышения пищевой ценности продуктов питания, но также в качестве антиоксидантов, красителей и стабилизаторов цвета.

5. Получение полисахаридов

    Аналогично ферментам, некоторые полисахариды, продуцируемые микроорганизмами во время их глубинного культивирования, являются внеклеточными продуктами метаболизма.

Некоторые из этих полисахаридов после выделения используются в пищевой промышленности для загустения и формирования пищевых гелей. В восточных странах, в частности Китае и Японии, исторически применяли загустители из морских растений для улучшения вкуса и формы пищевых продуктов.

Необходимое условие при использовании полисахаридов - как загустителей и формирующих агентов - это нейтральность и биосовместимостъ. Например, полисахариды, используются вместо широко применяемого загустителя глюкоманнозы. Изыскание новых источников экзогенных полисахаридов микробного происхождения является актуальной задачей пищевой промышленности.

Микроорганизмы являются важным источником получения полимерных материалов на основе полисахаридов. Ценным микробным полисахаридом является декстран, образуемый бактериями рода Leucomonstoс. Декстран служит основой получения медицинских препаратов (кровезаменителей) и препаратов для биохимических исследований.

6. Получение пищевых ароматизаторов

Микробиологическим путем может быть более выгодным и продуктивным, чем их химический синтез или другие традиционные способы. Так, в США был разработан экологически безопасный биокаталитический способ синтеза ванилина из глюкозы с использованием генетически модифицированного штамма E. coli и грибного фермента дегидрогеназы. Аромат ванилина при биотехнологическом его получении оказался в несколько раз интенсивнее обычного. Весьма перспективно использование грибных культур в качестве продуцентов сырных, грибных, рыбных ароматизаторов. Освоены биотехнологические способы получения веществ, имитирующих ароматы земляники, малины, банана, кокоса, яблока, персика, миндаля.

Задания

     1.Составьте схему биотехнологического производства пищевых    компонентов.

     2. Зарисуйте схему ферментера.

     3.Аминокислоты, органические кислоты, витамины, полисахариды, ароматизаторы. Укажите значение, источники получения (продуцентов) применение данных пищевых компонентов.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные операции биотехнологического производства пищевых компонентов.
2. Какие пищевые компоненты получают с помощью микробиологического синтеза?
3. Как применяют аминокислоты, органические кислоты, витамины, полисахариды, ароматизаторы в пищевой промышленности?

Занятие 5.  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  6. 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. Более подробно химический состав и свойства молочной сыворотки описаны в разделе 2.3. 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 7. 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 4 –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  8. 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 нед.

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 (Вь 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 9. 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 (рисунок 6).

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.

Рисунок 6 - Биогазовая установка

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?

Занятие 10. 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 5 (шкала оценки качества зародышей) и рисунка 7: полноценные – 5 баллов; с незначительными дефектами – 4 балла; замедленные (ретардированные) – 3 балла; неполноценные – 2 и 1 балл.

Таблица 5 – Шкала оценки качества зародышей

Продолжение таблицы 5

     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.

    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. Запишите способы извлечения зародышей.
5. Изучите 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?

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.