Технологические способы решения проблемы сохранения жизнеспособности штаммов.

Благодаря научным достижениям микробиологии, внедрению новых разработок генной инженерии стало возможным получать высокотехнологичные штаммы микроорганизмов — суперпродуценты ферментов, аминокислот, антимикробных метаболитов и других биологически активных веществ. При этом неотъемлемым компонентом фундаментальной базы практически любого биотехнологического проекта являются коллекции микроорганизмов, которые гарантируют сохранение ресурсов микробного разнообразия и делают их доступными для использования в научных исследованиях.

Основными требованиями к поддержанию культур в коллекции являются сохранение их жизнеспособности, аутентичности, чистоты. В ведущих депозитариях мира для этого применяется несколько методов, которые можно разделить на 2 группы: поддержание штаммов в метаболически активном состоянии — субкультивирование, хранение под слоем минерального масла и в метаболически неактивном состоянии — лиофилизация (высушивание) и криоконсервация. Обязательное условие — использование как минимум двух методов хранения. В нашей коллекции культуры сохраняются с помощью лиофилизации (за исключением тех, для которых этот метод не пригоден), а в качестве вспомогательного используется хранение под слоем минерального масла и субкультивирование. Большинство штаммов микроорганизмов поддерживаются на средах, рекомендованных международными депозитариями либо предложенных их авторами. При этом учитываются требования максимальной стандартизации всех компонентов питательных сред, видовые и штаммовые особенности. Так, для содержания мицелиальных и дрожжевых грибов используется до 6 питательных сред, для бактериальных культур — до 24. Частота пересева зависит от их таксономической принадлежности.

Как сервисная структура, коллекция сегодня предоставляет культуры микроорганизмов, которые используются при выполнении фундаментальных и прикладных исследовательских программ научных учреждений, в учебном процессе вузов биологического профиля, снабжает микробиологические предприятия страны необходимыми биотехнологическими объектами. Лабораторией выполняется 7 исследовательских проектов, кроме того, осуществляется деятельность по договорам о сотрудничестве. В перспективе продолжатся работы по оказанию услуг научным и производственным организациям нашей республики, расширению фонда коллекционных культур, изучению таксономии и физиологии поддерживаемых микроорганизмов.

В настоящее время найдены новые подходы получения фосфо- и гликолипидов из биомассы бифидо- и молочнокислых бактерий с использованием модифицированного сверхкритического диоксида углерода в масштабах промышленного производства, что важно для разработки современных технологий выпуска отечественных лечебно-профилактических средств и импортозамещения. Предлагаемая технология способствует решению проблем энергосбережения и охраны окружающей среды.

Пробиотики обладают определенной биологической активностью. Они хорошо проявляют себя в борьбе с кишечными инфекциями, способны ингибировать рост патогенной флоры в кишечнике, корректировать уровень холестерина в крови человека и животных. Перед исследователями стоит задача изучить механизмы их влияния и научиться максимально эффективно их использовать.

Фототрофные микроорганизмы - продуценты биологически активных добавок к пище (БАД).

Еще в середине прошлого века стали известны бактерии, имеющие в массе красный или зеленый цвет. Соответственно такой окраске они получили названия «пурпурные бактерии» и «зеленые бактерии». Дальнейшие исследования показали, что эти микроорганизмы содержат пигменты, похожие на хлорофиллы растений. Кроме того, было отмечено, что рост их зависит от наличия света или стимулируется в его присутствии. Поэтому неоднократно высказывалось предположение о способности пурпурных и зеленых бактерий к фотосинтезу. Окончательно это доказал Ван-Ниль, основная работа которого была опубликована в 1931 г. С этого момента начинается новый этап в изучении пурпурных и зеленых бактерий. Открытие бактериального фотосинтеза имело также большое значение для понимания сущности этого процесса у растений, поскольку наряду с некоторыми особенностями он характеризуется общими закономерностями.

В настоящее время фототрофные бактерии широко используют для исследования фотосинтеза в различных аспектах, особенно начальных стадий, поскольку они удобны для изучения этого сложного вопроса. Кроме того, пурпурные и зеленые бактерии интересны для выяснения организации фотосинтезирующего аппарата, путей биосинтеза пигментов, метаболизма углерода, эволюции фотосинтеза и фотосинтезирующих форм. Привлекают они к себе внимание и в связи с другими биологическими проблемами, в частности фиксацией молекулярного азота, а также круговоротом углерода и серы в природе. Сделаны первые шаги для практического использованияфототрофных бактерий при очистке сточных вод и для получения дешевого корма.

Фототрофные, или фотосинтезирующие, бактерии — типично водные микроорганизмы, распространенные в пресных и соленых водоемах. Особенно часто они встречаются в местах, где есть сероводород, как в мелководье, так и на значительной глубине. В почве фототрофных бактерий мало, но при затоплении ее водой они могут расти весьма интенсивно. Развитие фототрофных бактерий нередко легко обнаружить, не прибегая к постановке накопительных культур и микроскопическим исследованиям, так как многие из них способны образовывать ярко окрашенные пленки, а также обрастать подводные предметы. Такие макроскопические скопления наблюдаются в серных источниках, лиманах, бухтах, озерах и прудах. Иногда в результате массового развития фототрофных бактерий меняется даже цвет всей воды в водоеме или отдельные ее слои становятся окрашенными. Последнее явление довольно часто имеет место в некоторых озерах, содержащих в придонных слоях сероводород.

По всем данным пурпурные и зеленые бактерии — наиболее древние фотосинтезирующие организмы, существующие в настоящее время. Из других фототрофов к ним близки по организации сине-зеленые водоросли, которые в последнее время часто называют сине-зелеными бактериями или цианобактериями, поскольку они относятся к прокариотам. Предлагается даже ввести следующие названия: Rhodobacteria (пурпурные бактерии),Сhlогоbacteria (зеленые бактерии) и Cyanobacteria (сине-зеленые бактерии). Однако только пурпурные и зеленые бактерии осуществляют фотосинтез без выделения кислорода. Кроме того, они отличаются от остальных фотосинтезирующих форм, в том числе и от сине-зеленых водорослей, составом хлорофиллов и других пигментов.

Биологически активные кормовые добавки (БАКД) и минерально–витаминные премиксы (МВП) играют огромную роль в вопросах интенсификации животноводства и культивировании новых пород. В условиях резкого спада производства и роста цен на высокобелковые корма животного и растительного происхождения, поиски нетрадиционных источников кормовых добавок и витаминов имеют актуальное значение.

Одним из таких рекомендуемых добавок является выращенная биомасса сине–зеленой водоросли «спирулинаплатенсис» (Spirulina platensis Geitl.) в виде сухих, жидких или пастообразных препаратов в качестве кормовой добавки для животных и птицы.

Спирулина обладает широким спектром биологической активности, а потому использование её в качестве кормовой добавки позволит:
– повысить иммунитет к простудным и инфекционным заболеваниям;

– нормализовать обмен веществ;

– улучшить состояние кожного и волосяного покрова;

– укрепить костяк;

– улучшить функции пищеварительной системы;

– нейтрализовать и вывести из организма токсины, радионуклиды.

То есть, спирулина платенсис – не только ценная кормовая добавка, но и лекарственный препарат, не вызывающий побочных явлений у животных и птиц.

Получение БАД. В процессе эволюции, проходя жесткие условия конкуренции, клетки спирулины приобрели способность к делению при благоприятных условиях с огромнейшей скоростью – удвоение биомассы за пять часов. Этот факт можно проиллюстрировать так: при правильном культивировании спирулины она растет настолько быстро, что может обеспечить в 20 раз больше протеинов с единицы культивационной площади, чем соя, и в 200 раз больше, чем говядина. Она не нуждается в черноземе, в то время как на получение 1 кг кукурузного протеина уходит 22 кг поверхностного почвенного слоя, а на получение 1 кг говяжьих протеинов - 45 кг зеленой массы.

Благодаря своим ценным биологическим и физиологическим свойствам, биомасса спирулины вот уже около полувека - является предметом бизнеса во многих странах мира. Так, годовое производство спирулины в 2005 г в Мексике составило 183 тонн, в Японии – 190 тонн, в Индии и Китае – по 170 тонн.

Поначалу сбор спирулины проводили непосредственно в природных щелочных водоемах Африки и Америки, в которых из-за их удобного географического положения и химического состава воды сложились благоприятные условия для роста спирулины.

В дальнейшем потребность в спирулине стала возрастать, что привело к разработке новых технологий выращивания спирулины в искусственных водоемах.

В последние годы появился ряд серьезных технологических разработок в области культивирования спирулины. Благодаря отдельным ноу-хау, техническим и технологическим решениям, продуктивность спирулины можно увеличить в 5-10 раз (!) по сравнению с известными аналогами. Причем, качественный состав ее в этом случае далеко превосходит состав биомассы, полученной в условиях тропиков или добытой в природе. Кроме того, эта спирулинаотличается высокой чистотой и концентрацией биомассы.

В настоящее время спирулина используется в 70-ти странах мира. Наиболее крупные ее производства находятся в США, Калифорнии, на Гавайях и в Китае. Среди стран СНГ спирулину производят у нас в Украине, а также России и Молдавии.

Существует несколько различных технологий культивирования спирулины – массовая культура под открытым небом в бассейнах при искусственном освещении, интенсивное культивирование в стеклянных тубах, теплицах, а также в замкнутых аппаратах по типу современных микробиологических производств. Примером таких закрытых установок есть фотореакторы каскадного типа, позволяющие выращивать очень чистую спирулину с использованием как искусственного, так и естественного освещения.

Разработанный способ отбора клеток спирулины из питательного раствора, дает возможность отбирать наиболее зрелые клетки и не допускает перезревания культуры. Специальная сушка позволяет обеспечить свежесть и чистоту водоросли, сохранить ее биологическую активность, а возможность использования солнечного света дает экономию более 80% электроэнергии.

Каждый их этих способов имеет свои технологические различия, преимущества и несовершенства, но цель у всех одна – получение максимального выхода биомассы.

Традиционный подход к производству биологически активных добавок на основе Spirulina Platensis предполагает удаление влаги из клеток микроводорослей спирулины методом термо- и криосушки. Это, конечно, облегчает жизнь производителям: сокращаются затраты на производство продукта, его перевозку, хранение и т.д. Однако при этом потребитель соответственно получает лишь отдаленное подобие биологической активности спирулины. Дело в том, что в период удаления внутриклеточной воды из спирулины (сушки) ее белковые комплексы денатурируют, т.е. белок теряет четвертичную и третичную структуры, которые поддерживают атомы водорода, входящие в состав воды. При этом теряется аура живых клеток спирулины. Одним словом, сухая спирулина – это мертвый продукт.

Применение БАД в пищевой промышленности. В соответствии с действующим в нашей стране санитарным за­конодательством под термином «пищевые добавки» понимают при­родные или синтезированные вещества, преднамеренно вводи­мые в пищевые продукты с целью придания им заданных свойств, например органолептических, и не употребляемые сами по себе в качестве пищевых продуктов или обычных компонентов пищи. Пи­щевые добавки можно вводить в пищевой продукт на различных этапах производства, хранения либо транспортирования в целях улучшения или облегчения технологического процесса, увеличе­ния стойкости к различным видам порчи, сохранения структуры и внешнего вида продукта или намеренного изменения органолептических свойств.

Большинство таких добавок не имеют, как правило, пищевого значения и в лучшем случае являются биологически инертными, а в худшем — биологически активными и небезразличными для организма. В то же время любое химическое соединение или веще­ство в определенных условиях может быть токсичным. В этой связи более уместно говорить о безвредности, под которой следует по­нимать не только отсутствие каких-либо токсичных проявлений, но и отдаленных последствий: канцерогенных и коканцерогенных свойств (способность вызывать развитие злокачественных опухо­лей), а также мутагенных, тератогенных, гонадотоксических (спо­собность вызывать мутации, уродства) и других свойств, влияю­щих на воспроизводство потомства.

Немаловажным фактором является также возможное взаимо­действие тех или иных веществ, применяемых в качестве пищевых добавок, с вредными химическими веществами, которые попада­ют в организм человека из окружающей среды (профессиональ­ные вредности, неблагоприятная экологическая обстановка). Вве­дение пищевых добавок с точки зрения технологии может быть направлено:

- на улучшение внешнего вида и органолептических свойств пи­щевого продукта;

- на сохранение качества продукта в процессе его хранения;

- на ускорение сроков изготовления пищевых продуктов.

В соответствии с технологическим предназначением пищевые добавки можно сгруппировать следующим образом.

A. Пищевые добавки, обеспечивающие необходимые внешний вид и органолептические свойства продукта. Эта группа включает:

- улучшители консистенции;

- пищевые красители:

- ароматизаторы;

- вкусовые вещества.

Б. Пищевые добавки, предотвращающие микробную или окис­лительную порчу продуктов (консерванты). К ним относятся:

- антимикробные средства — химические, биологические;

- антиокислители (антиоксиданты), препятствующие химической порче продукта (окислению).

B. Пищевые добавки, необходимые в технологии производ­ства пищевых продуктов:

- ускорители технологического процесса;

- фиксаторы миоглобина;

- технологические пищевые добавки — разрыхлители теста, желеобразователи, пенообразователи, отбеливатели и др.

Г. Улучшители качества пищевых продуктов.

Пищевая добавка может состоять из одного единственного хи­мического вещества, быть сложной смесью или представлять со­бой естественный продукт. Необходимость полной информации о химическом составе, в том числе описание, сырье, методы про­изводства, анализ загрязнителей, одинаково относится к каждо­му типу добавок. В то же время требования к получению регламен­тирующих данных о химическом составе пищевых добавок могут быть разными в зависимости от вида оцениваемого вещества. На­пример, если добавка состоит из одного вещества, практическиневозможно удалить все загрязнители при его производстве. По­этому в данном случае проводится в основном анализ самых зна­чительных компонентов и предполагаемых загрязнений, причем особое внимание уделяется потенциально токсичным загрязните­лям. Для коммерчески производимых сложных смесей (таких, как моно- и диглицериды и т.п.) нужна информация в отношении тех веществ, которые выпускает промышленность. В этом случае особого внимания заслуживают описания технологического про­цесса, подкрепленные данными анализа компонентов различных коммерческих продуктов.

Для пищевых добавок, производимых из природных продук­тов, чрезвычайно важно определить источник и методы произ­водства. Данные о химическом составе должны включать анализ общих химических характеристик, таких, как содержание белков, жиров, углеводов, минеральных веществ, влаги, а также специ­фических токсичных загрязнителей, которые переходят в продукт из сырья или химических соединений, используемых при произ­водстве добавки.

Вопросы для самоконтроля:

1. Объясните понятие «пробитики».

2.Роль пробиотиков в жизни человека, свойства и критерии отбора штаммов пробиотических микроорганизмов.

3.Объясните понятие «биологически активные добавки».

4. Классификация БАД.

5. Значение БАД в создании современных продуктов питания.

6. Роль биологически активных добавок в питании человека.

Тезисы лекции № 4