Сегодня биотехнология в пищевой промышленности развивается стремительными темпами. В повседневной жизни мы постоянно пользуемся продуктами, произведенными с помощью биотехнологических процессов. Наиболее часто используют молочнокислую и алкогольную продукцию - йогурты, закваски, кефиры, сыры, пиво, вино, а также хлебобулочную и т. д. Данные изделия приготовлены с помощью ферментов, которые образуют специально культивированные микроорганизмы. В наши дни применение пищевой биотехнологии позволяет производить новые виды продукции понижая затраты на производство, что является стимулирующим фактором развития пищевой промышленности. При этом значительно улучшается качество сельскохозяйственных и продуктов животного происхождения, а их полезность и безопасность повышается в разы.
Пищевая биотехнология включает в себя все технологические процессы, направленные на создание, оптимизацию или улучшение определенных характеристик и свойств живых организмов (бактерий, растений и животных). Она имеет практическое применение в научной сфере, биологии, экологии, сельском хозяйстве, здравоохранении, производстве продуктов и т. д.
Пожалуй, самое основное призвание биотехнологии в пищевой промышленности - оптимизация традиционных методик по изготовлению вина, этанола, сыра, хлеба, а также продуктов где активную роль принимают различные микроорганизмы, успешно культивируемые человеком для извлечения определенной пользы. Причем на данный момент все используется осознанно, с пониманием того, что делается. Такой подход ведет к активному применению биотехнологических методов во многих отраслях пищевой промышленности. Для изучения биотехнологии и внедрения инноваций образованы научно-исследовательские институты, занимающиеся данной сферой. Их деятельность направлена на поиск и улучшение различных механизмов и методов, способствующих улучшению получаемых продуктов, например, получению активных ферментов, заквасок, естественных красителей, пищевого протеина, ароматизаторов, эмульгаторов и еще многих полезных человеку продуктов.
Для обеспечения нормального функционирования человеческого организма необходимо использование пищевых добавок, внесение в пищу незаменимых аминокислот, различных витаминов, микроэлементов, протеинов, клетчатки и т. д. Создание новых лекарств, например, инсулина, увеличение сроков хранения продуктов, повышение их питательной ценности, изменение консистенции, насыщение пищи полезными бактериями и микроорганизмами для улучшения пищеварения и усваивания потребленной еды - всё это достигается благодаря пищевой биотехнологии. Промышленная биотехнология занимает важное место в жизнедеятельности человека потому, что с каждым днем возрастает потребность в создании новых лекарств и биологических добавок.
Увеличение численности людей на планете заставляет ученых искать новейшие направления в науке. Сегодня без биотехнологических инноваций невозможно представить существование промышленности. В животноводческом хозяйстве используются генномодифицированные организмы, в медицине получают лекарства для борьбы с заболеваниями, даже таких сложных, как онкологические. Новая биология всё больше уделяет внимание изучению микроорганизмов и их жизнедеятельности, поскольку они приносят очень много пользы и человечеству, и природе. С каждым годом биотехнологическое производство будет развиваться в еще больших масштабах и можно смело сказать, что биотехнология - это современная наука, которая способна к лучшему изменить мир.
Биотехнология в пищевой промышленности
Последние данные обнародованные ООН о количестве продовольствия и выработке продуктов сельского хозяйства показывают, что существует реальная проблема обеспечения человечества продуктами питания. Около половины населения не обеспечивается должным количеством пищи, примерно 500 миллионов людей голодают, 1/4 людей Земли питается недостаточно. Сегодня численность человек планеты составляет 7,5 миллиарда, таким образом, если не принять необходимых мер для повышения качества и количества продукции, то проблема нехватки пищи для народов развивающихся стран может иметь губительные последствия
Еда, которая принимается должна быть разнообразной, обогащенной необходимыми протеинами, липидами и углеводами, а также содержать все необходимые витамины и микроэлементы. Липиды и углеводы являются веществами, из которых клетки организма производят энергию, они ее также могут вырабатывать из белковой пищи, но если первые и вторые вещества можно заменить, то найти замену белку на данный момент невозможно.
Современные исследования показывают, что около 15 млн тонн белка ежегодно не хватает для обеспечения полноценного питания человечества. Самым большим источником белка сегодня являются масличные культуры. Соя и подсолнечник содержат около 30% полезных растительных белков, а их незаменимые аминокислоты крайне важны для жизнедеятельности человеческого организма. По содержанию некоторых аминокислот данные растительные белки можно сравнить с рыбным или птичьим белком. Соевая продукция широко используется в Соединённых Штатах Америки, Англии, и в развитых странах Европы, где этот белок, благодаря биотехнологическим процессом, стал очень ценными питательным продуктом.
Методика микробиологического синтеза позволяет применять в качестве источника протеина морские водоросли. Именно на эту особенность в последнее время обратили взгляд ряд ученых занимающиеся проблемами биотехнологии пищевой промышленности. Дело в том, что микроскопические водоросли способны очень быстро размножаться, а белок составляет примерно 70% от их собственного сухого веса. Подобные микроорганизмы способны синтезировать белок в 100 раз быстрее нежели это делают животные. Для примера корова весом около 400 килограмм способна в сутки вырабатывать 400 грамм чистого белка, в то время как 400 кг бактерий за это же время, синтезируют примерно 40 тысяч тонн протеиновых продуктов. Получение такого белка выгодно и менее трудоемко. Если сравнить, что для культивирования бактерий нужны лишь правильно созданные условия в биореакторах, откуда ежедневно можно вынимать большое количество белковой продукции, то сельское хозяйство требует значительных затрат ресурсов и времени. Сюда стоит добавить различные болезни, негативные природные факторы, такие как засухи, заморозки, нехватка или избыток солнечной радиации и так далее.
Современное биотехнологическое производство белковых продуктов построено на том, что формируются специальные белковые волокна, которые пропитываются необходимыми веществами, им предается нужная форма, цвет и запах. Такой подход позволяет заменить практически любой белок и сделать его по вкусу и внешнему виду подобному естественному продукту. Например, все видели на полках супермаркетов красную икру, очень похожую на лососевую, однако она приготовлена из морских водорослей. Так получают различные виды искусственного мяса, напоминающие говяжье и свиное мясо. Можно получать молоко, кисломолочные продукты и т. д. После лабораторной проверки и апробации данная продукция заполняет рынки продвинутых европейских стран: США, Африки и Азии. Например, в Британии ежегодно производится 1500 тонн в год подобной протеиновой продукции, а в Соединенных Штатах сегодня разрешается заменять 20-30% рациона школьников биотехнологическими белками, сделанными из соевого протеина.
Помимо того, что данные изделия могут заменить натуральное мясо, они отличаются некоторыми полезными характеристиками. Например, «растительное белковое мясо» будет обеднено холестерином, что оказывает положительное влияние на кровеносную систему. Данная продукция будет полезна людям, соблюдающим диету, тем кому противопоказан животный белок или жирное мясо, пожилым и людям у которых есть проблемы с пищеварением. Поэтому традиционные продукты можно и нужно заменять биотехнологическими. Такое мясо можно консервировать замораживать и делать с ним всё то, что делают с натуральным продуктом.
Стоит отдельно отметить использование аминокислот, получаемых синтетическим путем. Из двадцати аминокислот которые содержится в белках - восемь являются незаменимыми. Это означает, что человеческий организм не может самостоятельно синтезировать эти аминокислоты. Используя микроорганизмы получают весь спектр аминокислот, вносимых в пищу в виде биодобавок. Они добавляются к растительным кормам сельскохозяйственных животных, что увеличивает их рост и сокращает расходы на содержание, значительно повышая продуктивность ферм.
Биотехнология - это уникальная наука, которая использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека.
Биотехнология позволяет улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения, составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья.
Кроме того, биотехнология предоставляет массу возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты: натуральные ароматизаторы и красители; новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные культуры; новые средства для утилизации отходов; экологически чистые производственные процессы; новые средства для обеспечения сохранения безопасности продуктов в процессе изготовления; и даже биоразрушаемую пластиковую упаковку, уничтожающую бактерии.
Возделывание трансгенных культур первого поколения уже принесло фермерам неплохие доходы. Польза, которую при этом получил потребитель, не так очевидна, но не учитывать ее нельзя. Например, исследования показали, что кукуруза устойчивых к насекомым сортов (содержащих ген Bt-токсина) практически не повреждается насекомыми и, соответственно, менее подвержена грибковым заболеваниям, чем кукуруза обычных сортов. Таким образом, содержание синтезируемых этими возбудителями микотоксинов, некоторые из которых могут вызывать гибель скота и хроническое отравление людей, в растениях Bt-сортов гораздо ниже.
Полезные свойства следующего поколения генетически модифицированных культур гораздо более очевидны для потребителя. Кроме улучшения качества и безопасности пищи в целом, в будущем должны появиться специализированные продукты, отличающиеся повышенной питательностью и способствующие сохранению и укреплению здоровья.
На современном рынке представлено большое количество полезных для здоровья растительных масел, получаемых с помощью биотехнологии. Биотехнология позволила ученым снизить содержание насыщенных жирных кислот в некоторых растительных маслах. Им также удалось осуществить трансформацию омега-6 полиненасыщенной линолевой жирной кислоты в омега-3 полиненасыщенную линоленовую, встречающуюся в основном в рыбе и способствующую снижению уровня холестерина в крови.
Другим вопросом, касающимся питательных свойств растительных масел, является отрицательное влияние на состояние здоровья транс-изомеров жирных кислот, образующихся при гидрогенизации жиров. Этот процесс применяется для повышения жаростойкости (для жарки) или изменения консистенции (для изготовления маргарина) растительных масел. Процесс гидрогенизации приводит к образованию вредных транс-изомеров жирных кислот.
Специалисты биотехнологических компаний разработали метод придания соевому маслу необходимых качеств не за счет гидрогенизации, а за счет повышения содержания в нем стеариновой кислоты.
Биотехнологи, работающие с животными, тоже занимаются поисками путей повышения качества продуктов питания. Уже создана говядина с пониженным содержанием жира и свинина с повышенным соотношением мясо/сало.
Повышение питательной ценности продуктов имеет особенно большое значение для развивающихся стран. Исследователи университета Неру (Нью-Дели) использовали ген южноафриканского растения амаранта для повышения содержания белка в клубнях картофеля. Трансгенный картофель также содержит большое количество незаменимых аминокислот, не входящих в состав клубней обычного картофеля. В качестве примеров можно также упомянуть «золотой рис» и масло канолы, обогащенные витамином А. Дальнейшее усовершенствование «золотого риса» привело к повышению содержания в зернах легкоусваиваемых форм железа.
Биотехнология подает большие надежды и в улучшении показателей продуктов функционального питания. Программы разработки и внедрения на рынок нутрицевтиков - продуктов-лекарств, систематическое употребление которых оказывает регулирующее действие на определенные системы и органы организма, улучшая здоровье человека, приняты во многих странах. Такие продукты содержат повышенное по сравнению с обычными количество незаменимых аминокислот, витаминов, минералов и других биологически активных веществ. Знакомые всем нутрицевтики - чеснок и лук, содержащие вещества, снижающие уровень холестерина и усиливающие иммунитет; богатый антиоксидантами зеленый чай; брокколи и кочанная капуста, в состав которой входят глюкозинолаты, стимулирующие активность противоопухолевых ферментов.
Биотехнология используется для повышения содержания этих и других полезных соединений в продуктах функционального питания. Например, исследователи университета Пердью (г. Лафейетт, штат Индиана) и Министерства сельского хозяйства США (USDA) создали сорт томатов, содержащий в три раза более высокий по сравнению с обычными сортами уровень антиоксиданта ликопена. Употребление ликопена снижает риск возникновения рака простаты и молочной железы, а также снижает содержание в крови «плохого» холестерина. Другая группа специалистов USDA работает над увеличением содержания в клубнике эллаговой кислоты, обладающей противоопухолевыми свойствами.
Биотехнологи занимаются улучшением качества растительного сырья также с точки зрения его привлекательности для покупателя и легкости приготовления. Ученые удлиняют срок хранения фруктов и овощей; делают морковь, паприку и сельдерей более хрустящими; создают не содержащие семян сорта дынь и винограда; продлевают длительность сезонно-географической доступности томатов, клубники и малины; улучшают вкусовые качества томатов, салата-латука, перца, зеленого горошка и картофеля; создают не содержащие кофеина сорта кофе и чая.
Японские ученые идентифицировали фермент, заставляющий нас плакать во время резки лука, и таким образом уже сделали первый шаг на пути к созданию лука, от которого не плачут.
Большая часть работы по улучшению способности продуктов переносить тепловую обработку заключается в изменении соотношения содержания в них воды и крахмала. Например, богатый крахмалом картофель полезней, так как во время жарки он впитывает меньше жира. Другим полезным свойством крахмалистой картошки является то, что для ее приготовления требуется меньше энергии и, соответственно, меньше финансовых затрат. Большинство изготовителей томатных паст и кетчупов в настоящее время используют в качестве сырья созданные с помощью метода клеточных культур сорта томатов. Мякоть таких помидоров содержит на 30% меньше воды, и их переработка экономит пищевой промышленности США 35 миллионов долларов ежегодно.
Другой областью пищевой промышленности, экономически выигрывающей от повышения качества сырья, является производство молочных продуктов. Биотехнологические методы позволили новозеландским ученым добиться повышения содержания в молоке белка казеина - важного компонента процесса сыроварения - на 13%.
Биотехнология также обеспечивает возможность получения продуктов, производство которые при традиционном подходе оказывается экономически невыгодным. Например, промышленное изготовление используемых в качестве подсластителей полимеров фруктозы давно перестало быть прерогативой обычных методов пищевого процессинга. Полимеры фруктозы представляют собой короткие цепочки, состоящие из молекул фруктозы, по вкусу напоминающие сахар, но не содержащие калорий. Исследователи обнаружили ген, превращающий 90% сахара сахарной свеклы в полимеры фруктозы. Они составляют 40% веса такой трансгенной свеклы, что делает ее весьма привлекательным сырьем для изготовления подсластителей.
Наиболее значимой проблемой безопасности сырья для производителей продуктов питания является микробное заражение, которое может возникнуть на любом этапе движения продукта от фермы до стола потребителя. Любой биотехнологический продукт, снижающий количество микроорганизмов на продуктах животного и растительного происхождения, существенно повышает безопасность сырья пищевой промышленности. Повышение безопасности продуктов за счет снижения микробной контаминации начинается с фермы. Устойчивые к вредителям и заболеваниям трансгенные сорта растений в значительно меньшей степени подвержены бактериальному заражению. Новые биотехнологические методы диагностики позволяют выявлять характер бактериальных заболеваний на ранних этапах и с высокой степенью точности, что позволяет изымать и уничтожать заболевших животных или инфицированные растения до того, как болезнь распространилась.
Биотехнология способствует повышению качества сырья еще и за счет выявления и удаления аллергенных белков, содержащихся в таких продуктах, как арахис, соя и молоко. Хотя 95% аллергенов могут быть отнесены к одной из восьми пищевых групп, в большинстве случаев мы не знаем, какой из тысяч пищевых белков послужил причиной запуска аллергической реакции. Использование биотехнологических методик привело к значительному прогрессу в этой области. Кроме того, биотехнологи разработали методы блокирования или удаления генов аллергенности из геномов арахиса, сои и креветок.
И, наконец, биотехнология помогает в повышении качества сельскохозяйственного сырья путем снижения содержания натуральных растительных токсинов, обнаруженных в некоторых культурах, в том числе в картофеле и маниоке.
Биологические методы включают:
микробиологический синтез
генетическую инженерию
клеточную и белковую инженерию
инженерную энзимологию
культивирование клеток растений, животных и бактерий
методы слияния клеток
Биотехнология как наука возникла на стыке слияния биологических, химических и технических наук.
Основные разделы биотехнологии.
Микробная биотехнология - основная часть биотехнологии.
Связана с поисками новых природных продуцентов. Это генетика и селекция известных микроорганизмов и получение штаммов с высокой продуктивностью.
Методы - индуцированный мутагенез или ступенчатый отбор лучших форм или генная инженерия.
Связана с производством различных пищевых продуктов: вино, хлеб, молочные продукты и прочее.
1) Инженерная инзимология
Цель - создание технологических процессов с использованием ферментов.
Решает конкретные задачи:
Создание нового продукта или улучшение его качества;
Использование нетрадиционных видов сырья;
Разработка безотходных технологий.
Очень перспективно исследование иммобилизированных ферментов и клеток на носителе.
Этот метод применяется в медицине для лечения и диагностики различных заболеваний. Иммобилизированные клетки применяют при биологической очистке сточных вод.
Тканевые ферменты животных и растений способствуют формированию химических предшественников вкуса и аромата, консистенции за счет специфической деструкции биополимерных систем пищевого сырья, т.е. осуществляют созревание.
3) Генная инженерия.
Цель - направленное создание организмов с заданными свойствами на основе изменения (рекомбинации) их генотипа.
Генная инженерия позволяет изолировать или изменять отдельные гены, модифицируя молекулу ДНК и перенося ее из одного организма в другой.
Амплификация нужных генов.
4) Клеточная инженерия.
Объект - культуры клеток высших животных или растительных организмов.
Получают культивированием на различных средах отдельно выделенных из организмов клеток.
Задача - конструирование новых клеток и клеточных систем.
Многообразие форм живой материи и новые знания в области физики и химии живых систем позволяют конструировать биологические системы различной степени сложности и организации, продуцирующие широчайший спектр макромолекул. Фундаментальные знания о молекулярной организации и закономерностях функционирования биосинтетических путей являются основой для метаболической инженерии биосистем суперпродукции макромолекул с заданными свойствами.
На смену ставших рутинными биотехнологическим продуктам (белку одноклеточных, биоудобрениям и биогазу, органическим кислотам, аминокислотам) приходят новые продукты и препараты, среди которых - средства диагностики и лечения на основе технологий генетической инженерии и клонирования, вакцины, сыворотки, моноклональные антитела, экологически чистые материалы, а также биоинженерная аппаратура нового поколения для реализации биотехнологических процессов.
Ведущие фирмы (табл. 1.3) в области биотехнологии в течение небольшого периода (с 1978 до 1982 гг. - период взрыва мирового рынка генно-инженерных продуктов) увеличили свои активы более чем в 30 раз; при этом их годовой доход возрос при этом с 5 до 67 млн дол.
Таблица 1.3. Динамика мирового рынка продукции биотехнологии, млрд дол.
Десятки новых препаратов ежегодно проходят различные стадии законодательного утверждения. Среди них - диагностикумы вируса В, СПИДа и др., моноклональные антитела, конъюгированные с растительными токсинами, эффективные противоопухолевые препараты, генные диагностикумы и пр.
К 2000 г. на мировом рынке биотехнологических продуктов доля медицинских препаратов, полученных только в США методами клеточной и генетической инженерии, достигла свыше 30 млрд дол., что составило около 60 % всех затрат.
Перечень медицинских препаратов, прошедших все стадии исследований и допущенных на рынок за период с конца 80-х гг. до 2004 г., существенно расширился. Ежегодно в США FDA (Администрация по продуктам питания и препаратам) выдает порядка 30-40 разрешений на серийное производство и применение биотехнологических препаратов и вакцин.
Помимо полученных и выпущенных на рынок в 1981 г. рекомбинантных инсулина, гормона роста, иммунно-глобулинов и эритропоэтина, появились следующие препараты: липосомальная форма противогрибкового препарата, активатор тканевого плазминогена; рекомбинантные факторы свертывания крови; человеческий альбумин; заменитель человеческой кожи, состоящий из коллагена, фибробластов и кератиноцитов; культивированные аутологичные хондроциты; липосомальная форма химиотерапевтического агента даунорубицина; вакцины против гепатита В и для лечения хронического гепатита С; рекомбинантный фолликулостимулирующий гормон для лечения бесплодия; биоинженерный коллагеновый матрикс для реконструкции мышечной ткани; препараты для диагностики и лечения ВИЧ-инфекции; костный трансплантат, содержащий рекомбинантный костный морфогенетический протеин (rhBMP-2); гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор при проведении аутологичных трансплантаций костного мозга; ботулинический токсин типа В и др.
Японский рынок биотехнологических диагностикумов и препаратов в 2000 г. составил свыше 30 млрд дол.; среди них - препараты для лечения первичных и приобретенных иммунодефицитов, аутоиммунных состояний, вирусных и микробных инфекций, злокачественных новообразований, иммуноспецифических синдромов при шоке, лучевой и ожоговых болезнях.
Серьезный прорыв был достигнут в области получения трансгенных сортов культурных растений, это генно-инженерный сорт сладкой («золотой») кукурузы; гибридные сорта кукурузы, рапса, пшеницы и сои с генами устойчивости к насекомым и гербицидам; трансгенные сорта хлопка, устойчивые к вилту, вредителям и гербицидам; трансгенные сорта папайи с красной и желтой мякотью, устойчивые к вирусу кольцевой пятнистости; а также генетически модифицированные фрукты и овощи с удлиненным сроком хранения (сорта томатов и клубники, не портящиеся при длительном хранении за счет снижения синтеза этилена, ускоряющего процесс физиологического дозревания плодов).
В области рыбоводства были получены модифицированные быстрорастущие морепродукты (лосось, камбала), достигающие товарной массы в течение одного-полутора лет, по сравнению с двумя-тремя годами, требующимися для лососей традиционных пород и др.
Объем рынка биотехнологий в мире к 2005 г. оценивался примерно в 200 млрд дол. США. Ежегодный рост в настоящее время составляет около 7-9 %. Для рынка биотехнологий в мире 2005 г. можно охарактеризовать как один из самых успешных за всю историю развития этой отрасли. В этот период правительства стран Европы и Азии продолжали демонстрировать энтузиазм по отношению к индустрии биотехнологий и инвестировать миллиарды долларов в эту отрасль, считая ее одним из приоритетов экономического развития своих государств.
В настоящее время компании, связанные с биотехнологией и медициной, начинают выдвигаться на ведущие позиции в рейтингах по различным приоритетам. Так, журнал Fortune опубликовал ежегодный рейтинг 100 лучших компаний-работодателей. Лучшим местом работы в США признана компания Google. На втором месте - биотехнологическая компания Genetech. В рейтинге, проводимом компанией «Делойт», по показателям наиболее быстрого роста названы фирмы Anistoma и Biotage, занимающиеся разработкой биотехнологических препаратов для лечения онкологических заболеваний, генетическим анализом и медико-техническими исследованиями, заняли среди стран Европы 3-е и 4-е места, показав рост за 2005 г. на 20 и 13 % соответственно.
Рынок биотехнологий в разных странах имеет свои особенности, обусловленные уровнем развития экономики стран и доходами населения. Наиболее активно в настоящее время ведется разработка лекарственных средств с использованием современной биотехнологии. В США, Японии и отдельных странах Западной Европы на эти цели расходуется в среднем средств, выделяемых на НИОКР в области биотехнологии. Практически во всех этих государствах существуют правительственные программы поддержки биотехнологических компаний.
В США, являющихся лидером в области современной биотехнологии, для проведения фундаментальных и прикладных исследований было образовано много специализированных биотехнологических фирм, которые, привлекая частный и государственный капитал и лучшие научные кадры, в считанные годы разработали и запатентовали способы получения многих белковых продуктов медицинского назначения. К таким фирмам относятся в первую очередь Genentech, Biogen, Amgen, Genetic Institute, Cetus, Immunex и ряд других.
Примерно в это же время к финансированию НИОКР в области современной биотехнологии подключились и крупные транснациональные компании, приобретая акции или лицензии на готовые продукты, а впоследствии создавая собственные исследовательские подразделения. Эти фирмы сыграли решающую роль в промышленном внедрении первых генно-инженерных медицинских препаратов, таких как инсулин, гормон роста человека, интерферон, эритропоэтин, тканевой активатор плазминогена, вакцина против гепатита В и др.
Например, фирма Genentech имеет различные лицензионные соглашения и соглашения о сотрудничестве с Elly Lilly (США), Hoffmann-La Roshe (Швейцария), Takeda, Daiichy Seiyaky, Toray и Fujisawa (Япония), Boeringer Ingelheim, Gruenenthal (Германия), Kabi Vitrum (Швеция).
По данным исследовательской компании Abercade, основными сегментами рынка биотехнологических продуктов в РФ являются фармацевтика (66 %), препараты для сельского хозяйства (18 %), дрожжи (9 %) (рис. 1.1) при весьма низких (порядка 1 %) уровнях остальных продуктов.
Рис. 1.1. Долевой анализ рынка биотехнологии РФ (по данным исследовательской компании Abercade, источник - https://www.abercade.ru/)
Однако нельзя не отметить, что основную долю самого развитого рынка фармацевтических препаратов в РФ (порядка 450 млн дол. США) в настоящее время занимает импортная продукция - это преимущественно инсулины, вакцины, сыворотки. Доля отечественной фармацевтической продукции в совокупном объеме составляет только 60,6 млн дол. США.
Более перспективным выглядит рынок отечественной промышленной биотехнологии, в основном это производство ферментов и средств защиты растений. Объемы продаж ферментных препаратов отечественного производства составляет порядка 12,3 млн дол. США, это 38 % от общего объема этого сегмента рынка.
Преимущественно это ферменты и ферментные препараты для спиртовой промышленности и для животноводства.
Среди биотехнологических препаратов сельскохозяйственного назначения - средства защиты и стимуляторы роста растений, пробиотики, вакцины ветеринарные, кормовые антибиотики, аминокислоты и кормовой белок, витамины, кормовые добавки.
На рынке биотехнологических препаратов для защиты окружающей среды доминирует отечественное производство продукции в размере 8 млн дол. США, а доля импортной продукции (бактериальные препараты для ликвидации нефтяных загрязнений, биосорбенты для очистки воды и донных отложений от нефтепродуктов) составляет только 800 тыс. дол. США. Объемы отечественного производства дрожжей составляют 58 млн дол. США, импорт этого вида биотехнологического продукта - в 3,5 раза меньше.
Направления более наукоемких новейших биотехнологий, базирующихся на достижениях генетической инженерии, в России, к сожалению, только вступают в фазу своего развития. Так, на рынке генетически модифицированных культур, которые занимают в мире площадь 8,1 млн га и их продажи ежегодно растут на 20 %, Россия пока не представлена.
Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Биотехнологическим процессом называют синтез какого - либо вещества (биотехнологического продукта) при непосредственном участии живых микроорганизмов и выделенных из них ферментов - биологических катализаторов.
Основными особенностями и отличиями биотехнологического процесса являются: участие микроорганизмов, сложный состав реакционной среды, сложный механизм реакции и длительность её протекания, чувствительность к внешним условиям (стерильности, давлению, температуре и т. п.).
Биотехнологические продукты получают по индивидуальным технологиям со своими агентами, сырьём, количеством стадий, технологическими режимами. Тем не менее можно выделить схему, типовую для данных производств. Общий вид её приведён на рис. 4.
Рис. 4. Типовая схема биотехнологических производств
Основной в этой схеме является биотехнологическая стадия, главная задача которой - получение определённого органического вещества. Она включает в себя ряд следующих биологических процессов, с помощью которых сырьё превращается в тот или иной конечный продукт (см. рис. 4).
Ферментация - особый класс химических превращений вещества, состоящий из серии взаимосвязанных реакций синтеза и разложения, протекающих в органических веществах под воздействием ферментов. Ферменты, таким образом, представляют собой универсальные биологические катализаторы, имеющие сложный состав.
Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментов или ферментативной активности клеток микроорганизмов.
Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов - ферментов.
Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.
Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.
Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твёрдых отходах, которым придана специальная взрыхлённая структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.
Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закреплёнными на специальных твёрдых носителях.
Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворённое состояние под действием специальных микроорганизмов.
Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.
Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии. Здесь используют следующие процессы: приготовление среды, её стерилизацию, подготовку посевного материала и биокатализатора, предварительную обработку сырья.
Разделение жидкости и биомассы в зависимости от их свойств осуществляют различными способами, отличающимися движущей силой процесса:
- отстаивание - разделение под действием сил гравитации (при очистке сточных вод);
- фильтрация - пропускание суспензии через фильтрующий материал под действием разности давлений с целью задержки биомассы на поверхности материала. С помощью микро- или ультрафильтрации получают раствор, свободный от взвешенных клеток биомассы;
- сепарация или центрифугирование - разделение под действием центробежных сил. Таким способом отделяют, например, дрожжи при получении кормовой биомассы;
- флотация - выделение биомассы из её пенной фракции;
- коагуляция - отделение твёрдых веществ от жидкости путем их осаждения в виде крупных агломератов и последующего их отстаивания.
Дезинтеграция клеток осуществляется физическими (ультразвук замораживание, декомпрессия и т. п.), химическими и биотехнологическими методами.
Гидролиз - разрушение клеточных оболочек под действием химических реагентов и температуры.
Ферментолиз - разрушение клеточных оболочек под действием ферментов при повышенной температуре.
Автолиз - разновидность ферментолиза, когда используются собственные ферментные клетки.
Общими для выделения внутри- и внеклеточных продуктов являются экстракция осаждение, адсорбция, ионный обмен, отгонка, ректификация ультрарование и нанофильтрация, обратный осмос, центрифугирование, ультрацентрифугирование.
Экстракция - переход целевого продукта из водной фазы в несмешивающуюся с водой органическую жидкость (экстрагент). Экстракция прямо из твердой фазы, в том числе и биомассы организмов, называется экстрагированием.
Осаждение - выделение целевого продукта путём добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворённым продуктом и переводящего его в твердую фазу.
Адсорбция - перевод растворенного в жидкости продукта в твёрдую фазу путём его поглощения твёрдым носителем - сорбентом.
Ионный обмен сходен с адсорбцией, но в этом случае в твёрдую фазу переходят ионы (катионы или анионы), а не целиком молекула целевого продукта или примеси.
Отгонка, ректификация используются для выделения растворённых в культуральной жидкости легкокипящих продуктов, например, этилового спирта.
Ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос применяются для выделения высокомолекулярных соединений (белков, полипептидов, полинук-леотидов). Обратный осмос и нанофильтрация позволяют отделить даже небольшие по размеру молекулы.
Центрифугирование, ультрацентрифугирование используют для выделения вирусов, клеточных органелл, высокомолекулярных соединений.
Очистка продукта осуществляется с использованием разнообразных процессов, в числе которых экстракция, хроматография, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос. На стадии концентрирования применяют выпаривание, сушку, осаждение, кристаллизацию, ультра-, гипер- или нанофильтрацию, обеспечивающие «отжим» растворителя из раствора.
Хроматография используется для разделения смесей веществ, часто очень близких по строению. Процесс проводят в специальных хроматографических колонках, заполненных твердым сорбентом. Все вещества сначала адсорбируются на этом сорбенте. Десорбция же разных по молекулярной массе соединений проходит с разной скоростью, что позволяет разделять и очищать их друг от друга, используя подходящий растворитель.
Диализ используется для разделения смесей низко- и высокомолекулярных соединений. Процесс основан на способности низкомолекулярных веществ проходить через мембрану, являющуюся непроницаемой для высокомолекулярных соединений. Таким путём осуществляют очистку вакцин и ферментов от солей и низкомолекулярных растворимых примесей.
Кристаллизация - процесс, основанный на различной растворимости веществ при разных температурах. Как правило, в ходе этого процесса выделяют твердые целевые продукты, а примеси остаются в маточном растворе. Так, например, получают кристаллы пенициллина.
В зависимости от места, которое занимают биотехнологические продукты в типовой технологической схеме, они могут представлять собой: 1) газы со стадии ферментации (примеры - углекислый газ, биогаз); 2) среду ферментации - кулыпуральную жидкость вместе с микроорганизмами (пример - кефир) или твердый субстрат (пример - сыр); 3) концентрат культуральной жидкости (пример - кормовой лизин); 4) жидкость, полученную после отделения биомассы от культуральной жидкости (пример - квас, пиво); 5) инактивированную биомассу (пример - кормовые дрожжи); 6) жизнеспособную биомассу - биопрепарат (пример - пекарские дрожжи, силосные закваски); 7) ослабленную биомассу (пример - живые вакцины); 8) очищенный поток жидкости при очистке сточных вод и т.д.
С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов
БИОТЕХНОЛОГИЯ
БИОТЕХНОЛОГИЯ - производственное использование биологических агентов (в частности микроорганизмов) для получения полезных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы как белки - чаще всего ферменты, рибонуклеиновые кислоты.
Биотехнология - это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. Название ее происходит от греческих слов bios - жизнь, teken - искусство, logos - слово, учение, наука. В соответствии с определением Европейской федерации биотехнологов (ЕФБ, 1984) биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Уже в самом определении предмета отражено его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фундаментальных исследований в области биологических, химических и технических дисциплин приобретают выраженное прикладное значение.
Основным направлением компании ООО "Пропионикс" является пищевая биотехнология:
(пищевая биоиндустрия) - раздел биотехнологии, занимающийся разработкой теории и практики создания пищевых продуктов общего, лечебно-профилактического назначения и специальной ориентации.
Развитие производства и пищевого инжиниринга продуктов данной группы является необходимым элементом для формирования в России рынка здорового питания. Задачей данного комплекса мероприятий является создание пробиотических продуктов, расширение исследований и практики внедрения в ассортимент предприятий новых продуктов и комплексных решений.
К функционально пищевым продуктам относят пищевые продукты систематического употребления, сохраняющие и улучшающие здоровье и снижающие риск развития заболеваний благодаря наличию в их составе функциональных ингредиентов. Они не являются лекарственными средствами, но препятствуют возникновению отдельных болезней, способствуют росту и развитию детей, тормозят старение организма. В соответствии с мировой практикой продукт считается функциональным, если регламентируемое содержание микронутриентов в нем достаточно для удовлетворения (при обычном уровне потребления) 25-50% от среднесуточной потребности в этих компонентах. Развитие направления является важной социальной задачей, снижающей нагрузку на сектор медицины и социально-экономический ущерб от болезней.
"Пищевые ингредиенты, включая витамины и функциональные смеси"
Пищевые ингредиенты используются для повышения питательной ценности, удлинения срока хранения, изменения консистенции и усиления вкуса и аромата продуктов. Используемые производителями пищевые ингредиенты, как правило, имеют растительное или бактериальное происхождение. Многие аминокислотные добавки, усилители вкуса и витамины, добавляемые в пищевые продукты, производятся с помощью бактериальной ферментации. В результате реализации комплекса мероприятий биотехнология должна обеспечить производителям пищевых продуктов возможность синтеза большого количества пищевых добавок, которые в настоящее время слишком дороги либо малодоступны из-за ограниченности природных источников этих соединений.
"Глубокая переработка пищевого сырья"
Биотехнология предоставляет множество возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты: натуральные ароматизаторы и красители; новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные культуры; новые средства для утилизации отходов; экологически чистые производственные процессы; новые средства для обеспечения сохранения безопасности продуктов в процессе изготовления.
Сельскохозяйственная биотехнология
Прим.: Здесь актуальным для ООО "Пропионикс" являются направления Сельскохозяйственной биотехнологии, отмеченные в
программе
под пп 5.7. и 5.9 (кормовой белок и биологические компоненты кормов и премиксов):
"Кормовой белок"
Согласно терминологии указанной программы, кормовой микробиологический белок (кормовые дрожжи)* - это сухая концентрированная биомасса дрожжевых клеток, специально выращиваемая на корм сельскохозяйственным животным, птице, пушным зверям, рыбе. Добавление кормового белка в корма резко улучшает их качество и способствует повышению производительности в животноводстве. Комплексом мероприятий будет предусмотрено развитие производства кормового белка в России и создание новых научно-технических заделов, совершенствующих технологии его производства и виды использования.
*Прим.: Однако здесь следует отметить, что использование бактерий в качестве продуцента белкового корма является более эффективным, так как бактерии образуют до 75% белка по массе, в то время как дрожжи - не более 60%. Например, использование различных штаммов пропионовокислых бактерий (Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii), позволяет получать кормовой белок со значительными технологическими и качественными преимуществами.
"Биологические компоненты кормов и премиксов"
Современный уровень технологий кормления сельскохозяйственных животных опирается на широкое применение биологичских компонентов (ферменты, аминокислоты, БВК, пробиотики и другие). В результате развития животноводства в России, которое в основном опирается на импорт технологий и поголовья, сформировался емкий рынок этих продуктов биотехнологии. Однако формирование рынка не привело пока к развитию производственной и технологической базы, появлению новых продуктов, созданных на основе научных достижений российских ученых.
В 2010 году в животноводстве в качестве кормов было использовано 45 млн. т зерна, что говорит о крайне низкой эффективности кормопроизводства в стране. Доля зерна в комбикормах составляет 70% (в странах Европейского Союза - 40-45%), кроме того, в непереработанном виде было использовано более половины из общего количества зерна предназначенного для кормов.
Важно отметить, что производство комбикормов и премиксов в значительной степени ведется без использования биопрепаратов (ферментов, ветеринарных и кормовых антибиотиков, пробиотиков и так далее). При таком кормлении конверсия корма в получение животноводческой продукции существенно отстает от мировых показателей, что снижает конкурентоспособность российского животноводства. Комплексом мероприятий будут созданы условия для развития производственной и технологической базы биотехнологических компонентов кормов и премиксов.
Реализация указанных комплексов мероприятий позволит решить вопросы создания высокоэффективного сельского хозяйства и обеспечения населения полноценным сбалансированным питанием.
См. также:
- Пробиотики в животноводстве (птицеводстве)
«Если без науки не может быть современной промышленности, то без нее не может быть и современной науки»
Дмитрий Иванович Менделеев
