Введение к работе
Актуальность темы. Во всем мире, и в России в том числе, весьма острой является проблема дефицита животного белка, сбалансированного по незаменимым аминокислотам. Значительный интерес в этом плане представляет использование белка одноклеточных. В Советском Союзе микробная биомасса в виде дрожжей, выращенных на гидролизатах целлюлозосодержащего сырья и на парафинах нефти (1,5 млн. тонн в год), была очень эффективным обогатителем кормов для сельскохозяйственных животных, однако практически все производства кормовых дрожжей в настоящее время свою деятельность прекратили из-за распада промышленного животноводства, дороговизны сырья, электроэнергии и материального оснащения. Однако сама идея интенсивного использования микробного белка остается весьма актуальной. Причем такой белок становится все более интересным не только как компонент кормов для животных, но и пищи для людей.
Существующие мощности подавляющего большинства биотехнологических предприятий, возведенных в основном еще в советское время, либо разрушены, либо морально и физически устарели и требуют модернизации с использованием инновационных технологий.
Очень актуальным становится вопрос по каким направлениям вести эти инновации. В "Стратегии национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года", утвержденной Указом президента Российской Федерации №537 от 12 мая 2009 г., к числу главных направлений обеспечения национальной безопасности в среднесрочной перспективе отнесена продовольственная безопасность. Микробная биомасса является важнейшим нутриентом человека у народов очень многих стран, однако в нашей стране это направление особенного развития не имело.
Второй немаловажной проблемой является нарушение структуры питания населения. Нехватка в рационе полноценных белков, витаминов, пищевых волокон, макро- и микронутриентов, полезных микробов в пище вызывает рост социально опасных заболеваний, в том числе желудочно-кишечных. Часто причиной этих заболеваний является нарушение микробиоценозов желудочно-кишечного тракта. Возбудителями заболеваний человека и животных нередко становятся условно-патогенные бактерии, приобретающие плазмиды токсигенности, колонизационной резистентности и антибиотикоустойчивости.
Не менее актуальной проблемой является защита окружающей среды от отходов агропромышленных предприятий (спиртзаводов, молзаводов, животноводческих комплексов и т.п.). В пищевых отраслях образуется до 45 млн т вторичных ресурсов и отходов в год, из которых значительная часть используется неэффективно, направляясь в отвалы или выливается в водоемы, тем самым нанося огромный вред окружающей
среде.
Все вышеприведенные проблемы могут эффективно решаться путем микробной биоконверсии сложных субстратов, составленных из первичных и вторичных, твердых и жидких агропромышленных продуктов растительного и животного происхождения.
Инструментом биоконверсии исходных субстратов являются прежде всего микроорганизмы, отличающиеся высокой способностью накапливать богатую незаменимыми аминокислотами биомассу на твердых и жидких субстратах, а полученные в результате микробной ферментации продукты имеют очень серьезные перспективы для использования в качестве основы или компонента пищи и кормов.
Цель и задачи исследования: Целью настоящей работы стала разработка универсального способа биоконверсии различных видов первичного и вторичного агропромышленного и прежде всего растительного сырья, отходов его переработки, в том числе и ксенобиотиков в биологически активные полуфабрикаты, обогащенные микробным белком.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Отселекционировать новые штаммы дрожжей и бактерий из молока
млекопитающих, способные расти на твердых негидролизованных растительных
субстратах.
2. Сконструировать жидкие и твердые питательные среды для выделенных дрожжей и
выявить из них наиболее перспективные, подобрать оптимальный состав и условия
культивирования.
3. Сконструировать дрожже-бактериальные ассоциации для совместного
культивирования на твердых и жидких субстратах.
4. Разработать рецептуры полуфабрикатов пищевых продуктов и кормов.
5. Оценить химическую и биологическую ценность полученных полуфабрикатов и
приготовленных из них продуктов.
Научная новизна.
- Впервые разработана методика выделения дрожжей и молочнокислых бактерий из
женского грудного молока.
- Показана возможность эффективной биоконверсии практически любого
целлюлозосодержащего растительного сырья с помощью сконструированных дрожже-
бактериальных ассоциаций; установлена перспективность использования для этих целей
прежде всего дрожжей рода Pichia и молочнокислых бактерий Lactobacillus acidophilus.
Установлено, что взаимоотношения дрожжей - суперпродуцентов биомассы и молочнокислых бактерий при совмесгном аэробном культивировании на твердых средах не носят конкурентного характера. В условиях же анаэробной ферментации наблюдается стимулирующее влияние дрожжей на рост молочнокислых бактерий, а развитие дрожжей при этом подавляется.
Сформулированы представления о механизме действия выделенных дрожжей и молочнокислых бактерий а также твердых и жидких полуфабрикатов на патогенную микрофлору. Молочнокислые бактерии в чистых культурах и в составе пищевых продуктов в большей или меньшей степени подавляют рост патогенных стафилококков и продукцию стафилококкового энтеротоксина. Дрожжи, выделенные из грудного молока, такой выраженной способностью не обладают и они его могут даже стимулировать подобно сахаромицетам.
- Таким образом, in vitro показано, что дрожжи прежде всего являются нутриентами для
бактерий, а молочнокислые бактерии являются потенциальным регулятором
микрофлоры желудочно-кишечного тракта. Результаты исследований выявленных
зависимостей послужили обоснованием предложенной в работе технологии
производства новых видов нутриентов - биокорректоров на основе аэробно -
анаэробной биоконверсии целлюлозосодержащего сырья дрожже - бактериальными
ассоциациями.
Практическая значимость результатов работы. Отобраны штаммы дрожжей, обладающие высокой продуктивностью и скоростью роста на различных видах целлюлозосодержащего сырья. Сформированы дрожже-бактериальные ассоциации для эффективной биоконверсии растительных субтратов. Сконструированы твердофазные питательные среды для дрожже-бактериалышх ассоциаций. Определены общие закономерности роста дрожже - бактериальных ассоциаций на простых и комплексных твердых питательных средах, определены оптимальные параметры субстратов и условия
роста. Разработана двухэтапная технология получения продуктов пищевого и кормового назначения, по которой на аэробном этапе осуществляется в основном накопление дрожжевой биомассы на увлажненном субстрате, после добавления же жидкого компонента ферментация осуществляется в анаэробном режиме с накоплением бактериальной массы, продуктов ее метаболизма и формированием специфического комплекса органолептических свойств новых продуктов. Предложена рецептура и технология производства новых продуктов - напитков на основе отрубей и сенной муки, обогащенных дрожжами и молочнокислыми бактериями. Дана физико-химическая и микробиологическая характеристика продукта. Разработана технологическая инструкция получения дрожже-бактериального полуфабриката, получаемого путем аэробной твердофазной ферментации пшеничных отрубей.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на российских и международных конференциях и симпозиумах: Международная.научно-практическая конференция "Биотехнология. Вода и пищевые продукты" (Москва, 2008); VI Научно-практическая конференция с международным участием "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации. Эффективное использование ресурсов отрасли" (Москва, 2008); VI международной научно-практической конференции " Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты."; X юбилейном международном форуме "Высокие технологии 21 века" (Москва 2009); Первой научно-практической конференции с международным участием "Безопасность и экология предприятий пищевой промышленности. Инновационные решения использования отходов пищевых производств" (Москва 2009); VII международная научно - практическая конференция и выставка "Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты (Москва 2009); Первой международной научно-практической конференции "Идентификация фальсифицированных пищевых продуктов. Контроль содержания и безопасность наночастиц в продукции сельского хозяйства и пищевых продуктах" (Москва 2009); EurasiaBio 2nd International Congress-Partnering & Exhibition on Biotchnology and Bioenergy, Moscow 2010; III межведомственной научно-практической конференции "Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров", (Москва 2010).
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, эксперименталыюй части, выводов, библиографического списка, включающего 204 источника (в том числе 82 - на иностранных языках) и 7 приложений. Работа изложена на 160 страницах, содержит 39 рисунков, 22 таблицы.
