Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Белооков А.А. Базовые лекции по курсу Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции - файл 1.doc


Белооков А.А. Базовые лекции по курсу Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции
скачать (432.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc433kb.04.12.2011 00:10скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3   4   5   6
Реклама MarketGid:
Загрузка...
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГОУ ВПО


«Уральская государственная академия ветеринарной медицины»

А.А. Белооков



Базовые лекции по курсу


«Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции»

Троицк, 2006




УДК 631. 147 (075)


ББК 65. 9 (2)

Б 44



Рецензенты:
Доктор сельскохозяйственных наук, профессор УГАВМ.

А.М. Монастырев
Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Башкирского научно-исследовательского института с.-х.
^

А.Г. Фенченко



Кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Уральской государственной сельскохозяйственной академии.

С.А. Сафронов
Белооков, А.А.

Б44 Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции. Учебное пособие для с.-х. вузов/ А.А. Белооков – Троицк: УГАВМ, 2006.- 112с.

ISBN – 5901987-65-9
Базовые лекции рекомендованы Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по агрономическому образованию в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 110305 “Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции”.
Курс лекций включает в себя обобщенный материал по изучаемому предмету «Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции» и рекомендован в качестве учебного пособия для студентов технологических специальностей.
ISBN – 5901987-65-9
© Белооков А.А., 2006
© Уральская государственная академия

ветеринарной медицины, 2006 г.


Оглавление



Тема 1. Введение …………………………………………………………… 5

  1. Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса. …………………… 6

  2. Принципы биотехнологии. ………………………………………...10

Тема 2. Микробиотехнология …………………………………………... 11

  1. Биологические объекты биотехнологии …………………………. 12

  2. Подбор форм микроорганизмов с заданными свойствами …… . .13

  3. Методы биотехнологии ………………………………………….…15

Тема 3. Способы и системы культивирования микроорганизмов .…18

  1. Способы культивирования микроорганизмов ……………………18

  2. Системы культивирования микроорганизмов ……………………21

  3. Методы, используемые в биотехнологическом производстве …. 23

Тема 4. Охрана окружающей среды на предприятиях микробиологической промышленности ………………………………...29

  1. Очистка сточных вод ……………………………………………….29

  2. Очистка газовоздушных выбросов ………………………………. 37

Тема 5. Производство и промышленное использование ферментов ..38

1. Значение ферментов, источники их получения …………………...39

2. Промышленные ферментные препараты …………………………..40

3. Факторы, влияющие на биосинтез ферментов …………………….42

4. Применение ферментативных препаратов ………………………...45

Тема 6. Генная инженерия бактерий, высших растений и области её применения ………………………………………………………………… 51

  1. Нуклеиновые кислоты и факторы наследственности у животных организмов………………………………………………………….. 51

  2. Генная инженерия бактерий………………………………………. 53

  3. Генная инженерия растений………………………………………. 56

  4. Получение трансгенных растений………………………………... 57

  5. Получение трансгенных животных………………………………. 58

Тема 7. Области применения трансгенных растений ……………….. 60

  1. Получение трансгенных растений, устойчивых к вредным насекомым …………………………………………………………. 60

  2. Перспективы и ограничения в использовании трансгенных растений ……………………………………………………………..61

  3. Экологические проблемы, связанные с использованием трансгенных растений ………………………………………………64

Тема 8. Биотехнология производства продуктов питания и напитков……………………………………………………………………..75

  1. Функциональные пищевые продукты …………………………...75

  2. Ферментация овощей ……………………………………………...79

  3. Биотехнологии в производстве чая, кофе ………………………..80

  4. Производство сыра ……………………………………………….. 82

Тема 9. Технология производства алкогольных напитков, сахарозаменителей …………………………………………………………85

  1. Технология производства алкогольных напитков …………… 85

  2. Технология производства сахарозаменителей ………………… 91

Тема 10. Вторичное сырье, используемое в биотехнологическом производстве ………………………………………………………………..94

  1. Растительное сырьё …………………………………………… 95

  2. Промышленные отходы ……………………………………….. 98

  3. Отходы животноводства ……………………………………... 104

Приложение ………………………………………………………………..106

Тема 1. Введение


  1. Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса.

2. Принципы биотехнологии.

В наследство будущему столетию XX век оставляет глобальную экологи­ческую проблему - основательно исчерпанные невозобновимые природные ре­сурсы, деградированную и загрязненную биосферу, а также множество проблем, связанных с дефицитом продовольствия, ухудшением здоровья людей и качества жизни в целом. Но есть и другая сторона - это реальные пути и оригинальные подходы к решению глобальной экологической проблемы. Выработке стратегии и тактике этого решения мы также обязаны XX веку: во второй его половине ста­ла успешно набирать темпы новая, наукоемкая, бурно развивающаяся отрасль народного хозяйства - биотехнология.

Биотехнология базируется как на традиционных научных дисциплинах (физиология, биохимия, микробиология, медицина, агробиология), так и на рож­денных уходящим веком молекулярной биологии и генетике, клеточной и гене­тической инженерии, кибернетике и информатике. Биотехнология - область зна­ния, позволяющая получать путем управляемого культивирования организмов и (или) их фрагментов (тканей, клеток) полезные для человека продукты - пищу, корма, медицинские препараты, разнообразное сырье, доступные растениям формы азота, средства защиты растений и животных, а также утилизировать (конверсировать) различные органические отходы (промышленные, сельскохо­зяйственные и коммунальные).

^ 1. Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса

Биотехнология - это новая, сравнительно недавно получившая широкое развития наука о практическом использование различных биологических (генов, клеток, тканей, микроорганизмов, растений и животных) с целью получения ан­тибиотиков, ферментов, кормовых белков, биоудобрений, безвирусных растений новых сортов растений и животных, переработки сырья, промышленных и сель­скохозяйственных отходов, очистки сточных вод и газовоздушных выбросов и так далее. Успехи, достигнутые в области биотехнологии, стали возможными благодаря бурному развитию таких наук, как биохимия, генетика, цитология, микробиология, молекулярная биология и другие.

1.1. История возникновения и развития биотехнологии

История возникновения и развития биотехнологии включает три этапа.

  1. этап - зарождение биотехнологии с древних времен до конца XVIII в. Археологические раскопки показывают, что ряд биотехнологических процессов зародились в древности. На территории древнейших очагов в Месопотамии, Египте сохранились остатки пекарен, пивоваренных заводов, сооруженных 4-6 тысячелетий назад. В 3 тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десят­ков сортов пива. В Древней Греции и Риме широкое распространение получили виноделие и изготовление сыра. В основе пивоварения и виноделия лежит деятельность дрожжевых грибков, сыроделия - молочнокислых бактерий, сычужно­го фермента Получение льняного волокна происходит с разрушением пектино­вых веществ микроскопическими грибами и бактериями. Иными словами, зарождение биотехнологии тесно связано с сельским хозяйством, переработкой расте­ниеводческой и животноводческой продукции.

  2. этап (XIX - первая половина XX в.) - становление биотехнологии как
    науки. Этот этап связан с началом бурного развития биологических наук: генетики, микробиологии, вирусологии, цитологии, физиологии, эмбриологии. На ру­беже
    XIX и XX вв. в ряде стран создаются первые биогазовые установки, в кото­рых отходы животноводства и растениеводства под действием микроорганизмов превращались в биогаз (метан) и удобрение. В конце 40-х годов XX, века, с организацией крупномасштабного производства антибиотиков стала развиваться микробиологическая промышленность. Антибиотики нашли широкое примене­ние не только в медицине, но и в сельском хозяйстве для лечения животных и растений, в качестве биодобавок в корма. Были созданы высокоэффективные формы с помощью мутаций. Возникли предприятия, на которых с помощью мик­роорганизмов производились аминокислоты, витамины, органические кислоты, ферменты. В конце 60-х годов получила развитие технология иммобилизованных ферментов.

  3. этап (с середины 70-х годов XX века) - ознаменовался развитием био­технологии в различных направлениях с помощью методов генной и клеточной инженерии. Формальной датой рождения современной биотехнологии считается 1972г., когда была создана первая рекомбинативная (гибридная) ДНК, путем встраивания в нее чужеродных генов. До этого момента использовались, главным образом, физические и химические мутагены с целью создания форм микроорга­низмов, синтезирующих ценные для человека вещества в 5 - 10 раз интенсивнее, по сравнению с исходными штаммами.



^ 1.2. Биотехнологический процесс

Основная цель биотехнологии - промышленное использование биологи­ческих процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм мик­роорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свой­ствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и техниче­ских наук.

^ Биотехнологический процесс - включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование про­дуктов.

Первым детально изученным процессом было брожение. Французский ученый Луи Пастср (1822 - 1895) первым показал, что брожение - это жизнь без свободного кислорода или анаэробное дыхание, происходящее при участии дрожжевых грибов. По вопросам бродильного производства - виноделию, пиво­варению и получению уксуса - он опубликовал 3 монографии.

Биотехнологические процессы могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.

Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значе­ние. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преиму­ществ перед другими видами технологий, например, химической.

1). Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процес­сы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.

2). Биотехпологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипною оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.

3). Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Мик­роорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью мик­роорганизмов в ходе другого производства.

4). Безотходность биотехнологических производств делает их экологиче­ски наиболее чистыми. Экологическая целесообразность биотехнологических производств определяется также возможностью ликвидации с их помощью био­логических отходов - побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском и городском хозяйствах.

5). Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капи­тальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.

^ К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся -создание и широкое освоение:

  1. новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);

  2. микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите­
    лей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;


  3. ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для по­вышения продуктивности животноводства;

  4. новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;

  5. технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйствен­ных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.


^ 2. Принципы биотехнологии

1. Принцип экономической обоснованности. Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые нельзя эффективно и с теми же затратами реализовать средствами традиционной технологии. Аминокис­лоту лизин можно легко синтезировать химическим путем, но это весьма трудоёмкая процедура, поэтому лизин получают путем микробиологического синтеза.

^ 2. Принцип целесообразного уровня технологических разработок.
Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации производства - все это должно прямо определяться соображениями экономиче­ской выгоды, сырьевыми и энергетическими ресурсами, уровнем спроса готового продукта. Для получения препаратов медицинского назначения, которые требу­ются в количестве нескольких сотен граммов в год, целесообразно использовать небольшие биореакторы, крупномасштабное производство здесь себя не оправ­дывает. В большинстве современных микробиологических производств стремят­ся к использованию чистых культур микроорганизмов и к полной стерильности
оборудования, сред, воздуха, но в некоторых случаях, продукт, удовлетворяющий потребителя (например, биогаз), может быть получен и без чистых культур, рас­тущих в условиях не стерильности.


^ 3. Принцип научной обоснованности биотехнологпческого процесса.
Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды, конст­рукции биореактора и режима его работ.

^ 4. Принцип удешевления производства (максимальное снижение за­трат). Как пример - использование в биотехнологических процессах энергии Солнца, естественных биореакторов - природных водоёмов - вместо рукотворных аппаратов, в частности, для получения биомассы одноклеточных водорослей.

Изложенные принципы говорят о двуединой задаче биотехнологии: создание оптимальных условий для синтеза целевого продукта клетками биообъ­екта и в то же время вести производство в максимально экономическом режиме, при минимальных производственных затратах.
Вопросы для самопроверки

  1. Какие основные цели и задачи биотехнологии?

  2. Какова история развития науки?

  3. Что такое биотехнологический процесс?

  4. Какие выделяют принципы биотехнологии?



Тема 2. Микробиотехнология


  1. Биологические объекты биотехнологии.

  2. Подбор форм микроорганизмов с заданными свойствами.

  3. Методы биотехнологии.


1. Биологические объекты биотехнологии

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

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

^ Начальным этапом биотехнологической разработки является получе­ние чистых культур клеток и тканей. Дальнейшие манипуляции с этими куль­турами характеризуется единообразием подходов, основанных на классических методах микробиологии. При этом культуры клеток и тканей высших растений и животных уподобляются культурам микроорганизмов.

^ Эукариоты и прокариоты. Большинство микроорганизмов - однокле­точные существа. Микробная клетка отделена от внешней среды клеточной стен­кой, а иногда лишь цитоплазматической мембраной и содержит различные суб­клеточные структуры. Существует два основных типа клеточного строения, кото­рые отличаются друг от друга рядом фундаментальных признаков. Это эукариотические и прокариотические клетки. Микроорганизмов, имеющих истинное яд­ро, называют эукариотами (эу - от греческого - истинный, карио - ядро). Микро­организмы с примитивным ядерным аппаратом относятся к прокариотам (до ядерным).

Среди микроорганизмов к прокариотам относятся бактерии, актиномицеты и сине-зеленые водоросли (цианобактерии), к эукариотам - прочие водо­росли (зеленые, бурые, красные), микомицеты (слизевики), низшие грибы - микромицеты (включая дрожжи), простейшие (жгутиконосцы, инфузории и др.).

Их общее свойство - малые размеры, они видны лишь в микроскоп. В на­стоящее время известно более 100 тыс. видов различных микроорганизмов.

У прокариот не происходят процессы митоза и мейоза. Они размножают­ся чаще простым делением клетки.

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

^ Прокариотические клетки устроены проще. В них нет четкой границы между ядром и цитоплазмой, отсутствует ядерная мембрана. ДНК в этих клетках не образует структур, похожих на хромосомы эукариот. У прокариот не происходят процессы митоза и мейоза. Большинство прокариот не образует внутрикле­точных органелл, ограниченных мембранами, нет митохондрий и хлоропластов.

2. Подбор форм микроорганизмов с заданными свойствами

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

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

^ 2.2. Получение накопительных культур. Образцы вносят в жидкие питательные среды специального состава, создают благоприятные условия для развития продуцента (температура, РН, источники энергии, углерода,
азота и т.д.). Для накопления продуцента холестериноксидазы используют среды с холестерином в качестве единственного источника углерода; углеводородокисляющих микроор­ганизмов - среды с парафинами; продуцентов протеолитических или липолитических ферментов - среды, содержащие белки или липиды.


^ 2.3. Выделение чистых культур. На плотные питательные среды засевают образцы проб из накопительных культур. Отдельные клетки микроорганизмов на плотных питательных средах образуют изолированные
колонии или клоны, при их пересеве получаются чистые культуры, состоящие из клеток одного вида про­дуцента.


^ Другой путь подбора микроорганизмов - из имеющихся коллекций. Например, продуцентами антибиотиков чаще являются актиномицеты, этанола -дрожжи.

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

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

  1. обладать высокой скоростью роста;

  2. использовать для жизнедеятельности дешевые субстраты;

  3. быть устойчивыми к заражению посторонней микрофлорой.

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

3.Методы биотехнологии

В биотехнологии выделяют 2 метода: 1) Селекция; 2) Генная инженерия. Для получения высокоактивных продуктов используют методы селекции. С помощью селекции получены промышленные штаммы микроорганизмов, син­тетическая активность которых превышает активность исходных штаммов в де­сятки и сотни раз.

3.1. Селекция

Селекция - направленный отбор мутантов (организмов, наследственность которых претерпела скачкообразное изменение). Генеральный путь селекции -переход от простого отбора продуцентов к сознательному конструированию их геномов. На каждом из этапов из популяции микроорганизмов отбираются наи­более высокоэффективные клоны. Таким путем за длительное время были ото­браны штаммы пивных, винных, пекарских, уксуснокислых дрожжей, пропионовокислых бактерий и др. Применяется ступенчатый отбор: на каждом из этапов из популяции микроорганизмов отбираются наиболее высокоэффективные кло­ны. Ограниченность метода селекции, основанного на спонтанных мутациях, свя­зана с их низкой частотой, что значительно затрудняет интенсификацию процес­са. Изменения в структуре ДНК происходят редко. Ген должен удвоиться в сред­нем 106-108 раз, чтобы возникла мутация. Примером отбора наиболее продуктив­ных мутантов при культивировании в непрерывном режиме является отбор дрожжей по признаку устойчивости к этанолу, продукту жизнедеятельности дрожжей. К значительному ускорению селекции ведет индуцированный мутагенез - резкое увеличение частоты мутаций биообъекта при искусственном повреждении генома. Мутагенным действием обладают ультрафиолетовое, рентгеновское или у-излучение, некоторые химические соединения, вызывающие изменения пер­вичной структуры ДНК. К числу наиболее известных и используемых мутагенов относятся азотистая кислота, алкилирующие агенты и т.д.

Проводят тотальную проверку (скрининг) полученных клонов. Отобрав наиболее продуктивные клоны, повторяют обработку тем же или другим мутагеном, вновь отбирают наиболее продуктивный вариант и т.д., т.е. речь идет о сту­пенчатом отборе по интересующему признаку.

Трудоемкость - основной недостаток метода индуцированного мутагенеза и последующего ступенчатого отбора. Недостатком метода является также от­сутствие сведений о характере мутаций, исследователь проводит отбор по конеч­ному результату.

^ 3.2. Генетическая инженерия

Генетическая инженерия – направленная модификация биообъектов в ре­зультате введения искусственно созданных генетических программ. Уровни генетической инженерии:

  1. генная – прямое манипулирование рекомбинантными ДНК, включающими отдельные гены;

  2. хромосомная – манипулирование с группами генов или отдельными хромосомами;

  3. геномная (клеточная) – перенос всего или большей части генетиче­кого материала от одной клетки к другой (клеточная инженерия). В современном понимании генетическая инженерия включает технологию рекомбинантных ДНК.

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

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

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

Соматическая гибридизация позволяет скрещивать генетически отдален­ные организмы. Растительные, грибные и бактериальные клетки перед слиянием освобождают от клеточной стенки и получают протопласты. Затем проводят де­поляризацию наружных цитоплазматических мембран переменным электриче­ским или магнитным полем, используют катионы Са+. Клеточную стенку под­вергают ферментативному гидролизу.
Вопросы для самопроверки

  1. Что является объектом биотехнологии?

  2. Какие существуют типы клеточного строения?

  3. Какие выделяют этапы роста культуры?

  4. Что такое селекция и генная инженерия?


  1   2   3   4   5   6



Скачать файл (432.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации