Биотехнология – это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий и др.), биологических процессов (ферментация, гидролиз), биологически активных веществ (органических и неорганических), с применением или без генной инженерии. Это междисциплинарная прикладная наука, направленная на инженерное решение химико-биологическими методами прикладных задач с использованием биологических объектов и процессов.
Главная цель биотехнологии – более полное использование потенциала живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека.
Люди выступали в роли биотехнологов пищевых продуктов на протяжении тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Древнейшим биотехнологическим процессом, используемым в пищевых целях, является брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 году при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н.э. Уже в 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов.
Термин «биотехнология» появился в нашем языке не так давно, вместо него ранее употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия», «прикладная молекулярная биология» и другие.
Исторические приоритеты начала научного развития биотехнологии оспариваются несколькими научными направлениями. Сторонники «медицинского» направления утверждают, что биотехнология стала формироваться как наука, начиная с исследований французского ученого Луи Пастера (1822-1895) – основоположника современной иммунологии. Ученые-биологи утверждают, что развитие биотехнологии в обществе началось с использования культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм которых обеспечивает выработку специфических веществ, полезных для определенных целей. Профессиональные химики убеждены, что открытие академика К.С. Кирхгофа в 1814 году явления биологического катализа и получение на его основе сахара стало началом развития науки биотехнологии.
Согласно решению Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 году, биотехнология – это обоснованное применение знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической техники в технологических процессах, которое позволяет извлекать выгоду из свойств микроорганизмов, клеточных культур и других биологических материалов. Биотехнология дает возможность получать с помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов те вещества и соединения, которые важны для жизни и благосостояния людей.
Биотехнология как наука сегодня стремительно совершенствуется и рассматривается в двух аспектах – традиционном и современном.
Традиционная биотехнология – это наука о методах и технологиях изготовления различных продуктов на основе биопотенциала природных биологических объектов и процессов (ферментация, экстракция, диффузия, обезвоживание и др.), что реализуется в современных пищевых технологиях – хлебопечении, квашении, виноделии, пивоварении, производстве кисломолочных и сыровяленых изделий и т.д.
Современная биотехнология – это наука о генно-инженерных и клеточных методах создания и использования генетически трансформированных биологических объектов, создаваемых для повышения эффективности производства и получения новых видов продукции, полезных для общества.
Высшим достижением современной биотехнологии является генетическая инженерия, то есть трансформация и перенос чужеродных генов (носителей наследственности) в другие организмы (трансгенные или генетически модифицированные организмы – ГМО) с новыми или усиленными свойствами и признаками.
Всплеск исследований по генетической инженерии в мировой науке приходится на 80-е годы XX столетия. В этот период новые методологические подходы обеспечили переход к эффективному использованию методов генетической инженерии в науке и практике, появилась реальная возможность извлечь из этого экономический эффект. Согласно прогнозам уже в первой половине XXI века биотехнологические товары, полученные с применением методов генетической инженерии, будут составлять четверть всей мировой продукции.
В нашей стране развитие биотехнологии началось в 80-е годы. В этот период была разработана и осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры биотехнологов, организованы специализированные лаборатории и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах. В 1985 году по уровню развития биотехнологии СССР занимал 2-е месте после США.
Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а финансирование данных исследований было сокращено. В результате развитие биотехнологии в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня. В настоящее время в РФ принята «Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 г.», которая призвана вывести отечественную биотехнологическую науку и промышленность на новый уровень.
Сегодня существует несколько классификаций и видов биотехнологии.
По мировой классификации с 2003 года биотехнология как область знаний подразделяется на «белую» (промышленная или микробиологическая), «красную» (медицинскую или фармакологическую), «зеленую» (агробиотехнология), «голубую» (эффективное использование морских ресурсов) и «серую» (разработка технологий и препаратов для защиты окружающей среды).
С учетом сфер применения биотехнологических принципов в настоящее время выделяются следующие основные виды биотехнологии: производство пищевых продуктов нового поколения и глубокая переработка продовольственного сырья (пищевая биотехнология), производство препаратов нового поколения для сельского хозяйства (сельскохозяйственная биотехнология), полезное применение микроорганизмов и их метаболитов (промышленная биотехнология), изготовление лекарственных препаратов повышенного качества (биофармацевтика и биомедицина), получение новых средств диагностики и реактивов (биопротеомика), обоснование безопасных методов защиты окружающей среды (природоохранная или экологическая биотехнология), очистка вод, грунтов и атмосферы биологическими объектами (биоремедиация), применение в технических устройствах принципов живой природы (бионика), повышение добычи полезных ископаемых из недр земли биологическими методами (биогеотехнология), получение и использование современных энергоносителей (биоэнергетика), комплексное использование лесных ресурсов (лесная биотехнология), применение информационных технологий в биологии (биоинформатика), развитие биотехнологических направлений в экономике (биоэкономика), инновационное рыбоводство с применением специализированных кормов и комплексная переработка объектов аквакультуры (аквабиотехнология) и др.
Инновационную основу развития общества сегодня составляет биоэкономика – системное использование биотехнологии в секторах экономики, вовлеченных в производство с применением возобновляемых природных ресурсов и учетом экологических последствий (пищевая и лесная промышленность, сельское хозяйство, рыбная отрасль). Биоэкономика – самая высокотехнологичная часть экономики, которая дает существенную долю национального дохода во многих государствах.
В настоящем учебном пособии рассматривается пищевая биотехнология как область биоэкономики, перспективная для профессиональной сферы выпускников по направлению «Биотехнология». Данная сфера является приоритетным направлением развития экономики РФ, которая ориентирует пищевую и агроперерабатывающую промышленность на использование биотехнологических принципов и приемов.
Современная пищевая биотехнология особенно ярко представлена в таких отраслях пищевой промышленности, как пивоварение, виноделие, мясная, молочная, рыбная и другие. В данных отраслях создание продукции нового поколения ведется с использованием обоснованного биопотенциала сырья растительного, животного происхождения, рыбы и морепродуктов, микроорганизмов, а также пищевых технологических добавок нового поколения. В качестве приоритетных добавок применяются натуральные белковые препараты, липидные концентраты, пробиотики и пребиотики, минорные компоненты, ферменты, продукты микробиологического синтеза, биологически активные вещества, функциональные ингредиенты и др.
В современной пищевой биотехнологии применяют не только ее традиционные формы, но и новые аналитические приемы (генная инженерия, нанотехника, биоинформатика, молекулярная биология и др.). Например, производство спирта по общепринятой технологии сегодня использует для повышения эффективности процесса брожения наряду с традиционными приемами (использование дрожжей) и продукты современной биотехнологии (новые расы дрожжей, улучшенные методами генной инженерии), что способствует увеличения выхода спирта.
Основными объектами современной пищевой биотехнологии являются новые и традиционные сырьевые источники с комплексным использованием биопотенциала, биотехнологические процессы в пищевых производствах (биодеградация, биосинтез, биомодификация и др.), создание новых биологически ценных пищевых продуктов на принципах безотходности, экологичности, безопасности. Это биологически активные вещества (БАВы) и добавки (БАДы) к пище; обогащенные БАВами продукты; функциональные изделия, благотворного влияющие на организм; специализированные продукты заданного состава и свойств (для детей, пожилых людей, спортсменов и др.); лечебно-профилактические изделия.
К важной сфере пищевой биотехнологии относится использование биопотенциала биологических отходов, дикорастущих растений, продуктов пчеловодства, дрожжей, водорослей, бактерий, отдельных клеток живых организмов для получения биологически активных веществ (белков, аминокислот, липидов, минеральных веществ, витаминов, ферментов, минорных компонентов) в качестве отдельных пищевых ингредиентов или в составе пищевых технологических добавок.
Автор благодарит рецензентов профессора, доктора технических наук, зав. кафедрой технологии продуктов питания ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный технический университет (Дальрыбвтуз)» С.Н. Максимову, профессора, доктора технических наук, зав. кафедрой технологий пищевых производств ФГБОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет» В.А. Гроховского за помощь в работе и ее объективную оценку.
