Объекты биотехнологии в пищевой промышленности

Таким образом, в клетках, полинуклеотидных цепочках ДНК заключены «инструкции» для синтеза самых разнообразных ферментов, причем образование каждого из них может быть вызвано воздействием сигнального метаболита (индуктора) на соответствующий репрессор.

Основную роль в регуляции обмена веществ и энергии в клетках играют белково-липидные биологические мембраны, окружающие протоплазму и находящиеся в ней ядро, митохондрии, пластиды и другие субклеточные структуры. Поступление различных веществ в клетку и выход их из нее регулируются проницаемостью биологических мембран. Значительная часть ферментов связана с мембранами, в которые они как бы «вмонтированы». В результате взаимодействия того или иного фермента с липидами и другими компонентами мембраны конформация его молекулы, а следовательно, и его свойства как катализатора будут иными, чем в гомогенном растворе. Это обстоятельство имеет огромное значение для регулирования ферментативных процессов и обмен веществ в целом.

Важным средством, с помощью которого осуществляется регуляция обмена веществ в живых организмах, выступают гормоны. Так, например, у животных при значительном понижении содержания caxapa в крови усиливается выделение адреналина, способствующего распаду гликогена и образованию глюкозы. При избытке сахара в крови усиливается секреция инсулина, который тормозит процесс расщепления гликогена в печени, вследствие чего в кровь поступает меньше глюкозы. Важная роль в механизме действия гормонов принадлежит циклической аденозинмонофосфорной кислоте. У животных и человека гормональная регуляция обмен веществ тесно связана с координирующей деятельностью нервной системы.[9]

Нуклеиновые кислоты стоят несколько особняком; но для белков, полисахаридов и липидов ситуация сейчас явно близка к той, к которой приходит наш Исследователь. Во многих полисахаридах при ближайшем рассмотрении можно обнаружить большой или маленький ковалентно привязанный пептидный фрагмент. А очень многие классические белки, как выясняется при подробном анализе, несут на поверхности своих глобул короткие олигосахаридные цепи. Однако первые продолжают по инерции назвать просто полисахаридами, а вторые - просто белками.

Между этими крайностями имеются всевозможные системы, содержащие больше или меньше белковой компоненты и больше или меньше полисахаридной. Такие соединения называют гликопротеинами, а также протеогликанами (гликаны - общее название полисахаридов). Точного определения у этих терминов нет, и те или иные классы биополимеров называют либо гликопротеинами, либо протеогликанами, руководствуясь при этом скорее традицией, чем какими-либо четкими критериями. Аналогично обстоит дело с ковалентно связанными углеводами и липидами: их называют гликолипидами, а также липополисахаридами. Весь же тип природных высокомолекулярных соединений, включающих ковалентно связанные фрагменты полимеров более чем одного класса, называют смешанными биополимерами, а в последнее время - гликоконъюгатами.

Структуры смешанных биополимеров чрезвычайно сложны, а их подробное изучение в сущности лишь только начинается. В отличие от полисахаридов систематически описать и классифицировать типы структур смешанных биополимеров весьма затруднительно прежде всего из-за ограниченного количества надежно и полно расшифрованных структур. Укажем лишь, что связь олиго- или полисахаридной компоненты с пептидной, белковой или липидной осуществляется обычно при помощи гликозидной связи: либо по гидроксильным группам (например, в остатках оксиаминокислот пептидной цепи), либо по амидной группе амидов двухосновных аминокислот. Возможна также фосфодиэфирная связь, подобная той, которая лежит в основе строения нуклеиновых кислот.

Для иллюстрации схематически опишем структуры двух таких биополимеров: гликопротеина и липополисахарида. Биополимеры, определяющие групповую принадлежность ткани, представляют собой высокомолекулярные (молекулярная масса до 1 млн.) гликопротеины, содержащие около 80-85% углеводной компоненты и около 15-20% пептидной. В основе строения их молекул лежит длинная полипептидная цепь с весьма высоким (по сравнению с большинством белков) содержанием оксиаминокислот - серина и треонина.

К гидроксильным группам части этих аминокислотных остатков присоединены гликозидными связями углеводные цепи, общее число которых достигает нескольких сотен. Эти цепи содержат 15-20 моносахаридных остатков каждая, имеют высокоразветвленную структуру и построены из остатков N-ацетил-D-глюкозамина, N-ацетил-D-галактозамина, D-галактозы, L-фукозы, и в части случаев N-ацетил-D-нейраминовой кислоты.

Жирные линии на схеме символизируют полипептидную цепь, остальные линии - полисахаридные цепи: А-общая схема, Б-один из узлов связи полисахаридной и пептидной цепей.

Второй пример - липополисахариды грамотрицательных бактерий, располагающиеся на внешней поверхности бактериальной клетки. На контакт именно с этими биополимерами животный организм-хозяин дает иммунный ответ - начинает вырабатывать антитела. Иными словами, липополисахариды такого типа - это высокоактивные и высокоспецифичные антигены, структура которых строго индивидуальна для каждого вида микроорганизмов. Однако схема построения этих структур имеет весьма общий характер для больших классов микроорганизмов. Вот так приблизительно они построены.

Макромолекула в целом линейна и состоит из трех последовательно связанных крупных блоков.[5]

Липид А - главным образом дисахарид, состоящий из двух остатков D-глюкозамина, к одному из гидроксилов которого присоединен кор, а остальные гидроксилы и обе аминогруппы ацилированы высшими жирными кислотами, что и придает фрагменту высоко гидрофобный, липидный характер. Благодаря этому липидный фрагмент липополисахарида погружен (можно было бы сказать, растворен или, еще точнее, вплавлен) в липидную мембрану клетки, что и обеспечивает прочную связь всей молекулы, полисахаридная и, следовательно, высоко гидрофильная, обращена в водную среду, окружающую бактериальную клетку.

КОР представляет собой линейный или слаборазветвленный (по типу гребнеобразного) полисахарид, содержащий остатки довольно необычных моносахаридов - 2-кето-3-дезоксиоктоновых кислот (общая формула 40). Наконец, О-антигенная цепь - это обычно регулярный полисахарид, построенный из повторяющихся три-гексасахаридных (часто разветвленных) звеньев; причем в их состав нередко входят весьма экзотические моносахариды.

Липидная часть и КОР сравнительно мало меняются при переходе от одних микроорганизмов к другим в пределах одного класса, тогда как O-антигенная цепь широко варьирует и строго индивидуальна для каждого вида. Как ясно из сказанного, именно эта часть молекулы составляет самый внешний слой бактериальной клетки, с которым непосредственно входит в контакт организм-хозяин при инфекции.

Глава 4. Классификация направлений пищевой биотехнологии по целевым продуктам

 

Статистические данные ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства свидетельствуют о том, что проблема обеспечения населения нашей планеты продуктами питания внушает серьезные опасения. По этим данным, более половины населения Земли не обеспечено достаточным количеством продуктов питания, примерно 500 млн. людей голодают, а около 2 млрд. питаются недостаточно или неправильно. К концу XX в. население нашей планеты с учетом контроля рождаемости составило 7,5 млрд. человек. Следовательно, тяжелое уже сейчас положение с продуктами питания может принять в недалеком будущем для некоторых народов угрожающие масштабы.

 Пища должна быть  разнообразной и содержать белки, жиры, углеводы и витамины. Источники  энергии — жиры и углеводы  в определенных пределах взаимозаменяемы, причем их можно заменить и  белками, но белки нельзя заменить  ничем. Проблема питания людей  в конечном счете заключается  в дефиците белка. Там, где сегодня  люди голодают, не хватает прежде  всего белка. Установлено, что ежегодный  дефицит белка в мире, по самым  скромным подсчетам, оценивается  в 15 млн. т. Наибольшую популярность  как источники белка приобрели  семена масличных культур —  сои, семян подсолнечника, арахиса  и других, которые содержат до 30 процентов высококачественного  белка. По содержанию некоторых  незаменимых аминокислот он приближается  к белку рыбы и куриных яиц  и перекрывает белок пшеницы. Белок из сои широко уже  используется в США, Англии и  других странах как ценный  пищевой материал.

 Эффективным источником  белка могут служить водоросли. Увеличить количество пищевого  белка можно и за счет микробиологического  синтеза, который в последние  годы привлекает к себе особое  внимание. Микроорганизмы чрезвычайно  богаты белком — он составляет 70—80 процентов их веса. Скорость его синтеза огромна. Микроорганизмы примерно в 10—100 тысяч раз быстрее синтезируют белок, чем животные. Здесь уместно привести классический пример: 400-килограммовая корова производит в день 400 граммов белка, а 400 килограммов бактерий — 40 тысяч тонн. Естественно, на получение 1 кг белка микробиологическим синтезом при соответствующей промышленной технологии потребуется средств меньше, чем на получение 1 кг белка животного. Да к тому же технологический процесс куда менее трудоемок, чем сельскохозяйственное производство, не говоря уже об исключении сезонных влияний погоды — заморозков, дождей, суховеев, засух, освещенности, солнечной радиации и т. д.

 Применяя обычные технологические  линии по производству синтетических  волокон, можно получать из искусственных  белков длинные нити, которые  после пропитки их формообразующимн  веществами, придания им соответствующего  вкуса, цвета и запаха могут  имитировать любой белковый продукт. Таким способом уже получены  искусственное мясо (говядина, свинина, различные виды птиц), молоко, сыры  и другие продукты. Они уже  прошли широкую биологическую  апробацию на животных и людях  и вышли из лабораторий на  прилавки магазинов США, Англии, Индии, стран Азии и Африки. Только  в одной Англии их производство  достигает примерно 1500 тонн в  год. Интересно, что белковую часть  школьных обедов в США уже  разрешено на 30 процентов заменять  искусственным мясом, созданным  на основе соевого белка.

 Используемое в питании  больных Ричмондского госпиталя (США) искусственное мясо получило  высокую оценку главного диетолога. Правда, когда больным давали  антрекот из искусственного мяса, они жаловались на его тестоватость, хотя и не знали и даже  не догадывались о том, что  получали не естественный продукт. А когда мясо подавалось в  виде мелко нарезанных кусочков, нареканий не было. Обслуживающий  персонал также употреблял искусственное  мясо, не догадываясь о подделке. Они воспринимали его как натуральную говядину. Врачи госпиталя отмечали также положительное влияние рациона на здоровье пациентов и особенно больных атеросклерозом. В состав такого мяса обязательно включают специально обработанный искусственный белок, небольшое количество яичного альбумина, жиры, витамины, минеральные соли, природные красители, ароматизаторы и прочее, что дает возможность «лепить» изделие с заданными свойствами, учитывая при этом физиологические особенности организма, для которого продукт предназначен. Это особенно важно в диете детей и людей пожилого возраста, больных и выздоравливающих, когда необходимо лимитировать питание по целому ряду пищевых компонентов, что весьма трудно сделать, используя традиционные продукты. Такое мясо можно резать, замораживать, консервировать, сушить или прямо использовать для приготовления различных блюд. 

 Из 20 аминокислот, входящих  в состав белков, 8 аминокислот  люди не могут синтезировать, и их относят к незаменимым. Это изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Аминокислоты — это не только  питательные вещества, но также  ароматические и вкусовые агенты, и потому они широко используются  в пищевой промышленности.

 Как питательную добавку  в пищу чаще всего вносят  лизин и метионин. Глутамат натрия  и глицин употребляют как ароматические  вещества для усиления и улучшения  вкуса пищи. У глицина освежающий, сладкий вкус. Его вводят в  сладкие напитки, и кроме того, он проявляет там бактериостатическое  действие. Цистеин предотвращает  подгорание пищи, улучшает пекарские  процессы и качество хлеба. Благодаря  некоторым бактериям удается  получать около 100 г/л глутаминовой  аминокислоты. Ежегодно в мире  производят микробиологическим  способом 270 000 т этой аминокислоты, основная часть которой идет  в пищевую промышленность. По  объему продукции второе место  после глутаминовой кислоты занимает  лизин — 180 000 т в год. Другие  аминокислоты производят в гораздо  меньших количествах. [3]

 

 Аминокислоты в большом  количестве применяют как добавку  к растительным кормам, которые  дефицитны по метионину, треонину, триптофану и особенно по лизину. Если в животных белках содержится 7—9 % лизина, то в белках пшеницы  — только около 3 %. Внесение в  корма лизина до содержания 0,3 % позволяет сократить их расход  больше чем на 20 %. За последние 8 лет количество аминокислот, добавляемых  в корма, выросло в 14 раз. Во многих  странах метионин добавляют к  соевой муке — белковой добавке  кормов. Главная область практического  применения аминокислот — обогащение  кормов. Около 66 % общего количества  аминокислот, получаемых в промышленности, используют в кормах, 31 % — в  пище и 4 % — в медицине, косметике  и как химические реактивы. На  основе аминокислот готовят искусственный  подсластитель — метиловый эфир L-аспартил-L-фенилаланина, который в 150 раз слаще, чем глюкоза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 5. Объекты биотехнологии в пищевой промышленности

 

Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях развития и во всех царствах живых существ. К биообъектам относятся молекулы, микро- и макроорганизмы:

· Вещества: ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты.

· Частицы: вирусы, вироиды.

· Клетки: простейшие, бактерии, клетки растений, животных и человека, культуры клеток.

·  Ткани: ткани и органы растений, животных и человека,.

·  Организмы: водоросли, лишайники, грибы, растения.

Таким образом, биотехнология изучает и применяет самые разнообразные объекты – от вирусов до человека. [17]

Вирусы