Объекты биотехнологии многочисленны. Это биологические объекты (живые организмы), процессы в системах и технологиях (физико-химические, биохимические и др.), результаты изменений в биотехнологических системах (выделение энергии, синтез и деградация веществ, их взаимодействие, формирование новых свойств и др.), методы исследования (физиологические, органолептические и др.), а также качество готовой продукции (структура, состав, пищевая и биологическая ценность и др.).
Биологическими объектами биотехнологии являются различные представители живой природы, которые делятся на три надцарства: акариоты (безъядерные), прокариоты (предъядерные) и эукариоты (ядерные) и 5 царств: вирусы, бактерии, в том числе микроскопические водоросли, грибы, а также растения и животные.
ВИРУСЫ
Представляют собой бесклеточные частицы размером несколько нанометров и видны только в электронном микроскопе. Они являются облигатными (то есть обязательными) паразитами и могут размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток вирусы существуют в виде вирионов, представляющих собой комплекс нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) с белком, которые связаны между собой нековалентными связями. Белковые молекулы, окружающие РНК или ДНК, создают оболочку вируса, называемую капсидом. По типу нуклеиновой кислоты вирусы делятся на РНК-содержащие (вирусы растений, а также вирусы, вызывающие грипп, бешенство, полиомиелит, спид и другие заболевания человека) и ДНК-содержащие (бактериофаги, некоторые вирусы человека и животных, например, герпеса, оспы и другие). Наряду с типичными вирусами открыты вироиды. Они представляют собой частицы, которые состоят из низкомолекулярных РНК (240-400 нуклеотидов) и не содержат капсидов.
БАКТЕРИИ
Представляют собой безъядерные, одноклеточные (как правило) организмы, размером 0,2-10,0 мкм и имеющие определенную форму (палочки, кокки, спиралевидные формы и т. д.). Внутреннее содержимое бактериальной клетки (цитоплазма) изолировано от внешней среды клеточной оболочкой, состоящей из тонкой мембраны и стенки, на которую приходится до 20 % сухого вещества бактерий. Клеточная стенка имеет сложное строение и придает бактериальной клетке определенную форму. Исключение составляют микоплазмы, у которых нет клеточной стенки и, соответственно, определенной формы. Бактериальные клетки, лишенные клеточной стенки, называются протопластами. Протопласты используются в клеточно-инженерных исследованиях. Бактерии отличаются чрезвычайным разноообразием по условиям обитания, приспособляемости, способам питания и биоэнергообразования, а также по отношению к макроорганизмам – животным и растениям.
Благодаря большому разнообразию бактерий, обладающих широким диапазоном биохимического состава и своеобразием протекающих в них реакций, бактерии наиболее часто служат биотехнологическими объектами. Из биомассы бактерий получают различные органические вещества, в частности аминокислоты, разнообразные белковые вещества, в том числе ферменты. Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований, так как быстро размножаются и содержат плазмидную ДНК, способную включать в свой состав чужеродные фрагменты. Генетически модифицированные и иммобилизованные на носителях клетки бактерии используются в научно-исследовательских и промышленных целях. Наиболее изученной и широко применяемой в генноинженерных исследованиях клеткой является кишечная палочка, обитающая в толстом кишечнике человека.
ГРИБЫ
Насчитывающие десятки тысяч видов, сочетают в себе черты клеток растений и животных. Они имеют клеточное ядро, как и растения – прочную клеточную стенку, способны синтезировать свойственные животным полисахариды: хитин и гликоген. Наибольший интерес для биотехнологии представляют микроскопические грибы, к которым относятся дрожжи, плесневые и другие микроорганизмы, применяемые в хлебопечении, пивоварении и в молочной промышленности. Они используются также для получения спиртов, органических кислот, антибиотиков, различных биологически активных веществ и кормового белка. Самостоятельную группу организмов, представляющих собой симбиоз (сожительство) грибов с водорослями или с цианобактериями, составляют лишайники, которые являются перспективными источниками ряда биологически активных веществ.
РАСТЕНИЯ
Насчитывающие около 500 000 видов, состоят из ядерных клеток, которые имеют сложное строение и выполняют различные специализированные функции. К ним относятся водоросли, являющиеся водными организмами, и высшие растения, обитающие преимущественно на суше.
ВОДОРОСЛИ
Отличаются от высших растений тем, что не имеют органов и тканей, а представляют собой слоевища, состоящие из недифференцированных (одинаковых) клеток. Как и другие растения, водоросли обладают способностью к фотосинтезу и богаты различными углеводами и пигментами. Многие виды водорослей (морская капуста, фукусовые) используются в пищу. Из водорослей получают агар-агар, каррагинаны и альгинаты – полисахариды, используемые для изготовления микробиологических сред, в пищевой промышленности, медицине. Они служат источником йода и ценных полиненасыщенных жирных кислот в питании. Из микроводоросли спирулины получают БАДы, богатые селеном в биоформе – активным антиоксидантом..
ВЫСШИЕ РАСТЕНИЯ
Многоклеточные организмы, имеющие специализированные органы, такие как корни, стебли, листья. Они состоят из тканей, образованных дифференцированными клетками. Ткани различаются химическим составом, строением и выполняют различные функции: механические, покровные, выделительные, проводящие и другие. Особое значение для биотехнологии имеет одна из тканей растений, называемая меристемой. Клетки меристемы способны к делению, благодаря чему осуществляется рост, а также образование тканей и органов растений. Они не утрачивают способности делиться и после удаления из растения. При выращивании на специальных питательных средах меристемные клетки дают массу делящихся клеток – каллус, который можно длительно культивировать, получать из него новые растения или использовать для извлечения нужных веществ.
Благодаря способности растений улавливать световую энергию солнца и использовать ее в синтезе органических веществ растения служат поставщиками многих питательных веществ для других организмов. Растения составляют большую часть биомассы Земли, поэтому производство и переработка растительного сырья для удовлетворения различных потребностей человека используется с древнейших времен. Являясь богатейшими и незаменимыми источниками разнообразных углеводов, липидов, витаминов и многих других биологически активных и минорных веществ, растения служат, прежде всего, для их получения. При этом до настоящего времени, несмотря на выдающиеся достижения биотехнологии, используются градационные способы извлечения БАВ: экстракция, перегонка, фильтрация.
В последнее время все большую роль приобретают технологии получения биологически активных веществ растительного происхождения из клеточных культур (биостимуляторы из женьшеня, противораковое средство таксол из коры тиса и др.), а также производство продуктов из генетически модифицированных растений.
ЖИВОТНЫЕ
Бывают простейшими (одноклеточными) и высшими (многоклеточными). Как и растения, они состоят из ядерных клеток. Среди простейших имеются паразиты и возбудители болезней высших животных и человека. Культивирование их на искусственных средах чрезвычайно затруднено. Однако некоторые простейшие выращиваются и используются для целей биоиндикации, в токсикологических исследованиях и для получения отдельных веществ. Ткани высших животных являются источниками полноценного белка, липидных веществ и некоторых витаминов, необходимых для питания человека. Из внутренних органов, покровных тканей и крови животных получают различные белковые препараты (альбумин, иммуноглобулины, ферменты, коллаген, желатин, глюкозамин, хондроитин и др.), некоторые гормоны и другие биологически активные вещества.
Поскольку сырье животного происхождения является наиболее дорогим, а выход конечных продуктов недостаточно высок, то в современных технологиях все чаще используются культуры клеток животных или человека, выращиваемых на искусственных средах (получение интерферона, моноклональных антител).
Наиболее перспективным и экономичным способом производства биологически активных веществ является генная инженерия, позволяющая внедрить ген животного в клетку бактерии, которая начинает синтезировать нужное вещество. Так получают в настоящее время человеческий инсулин – гормон белковой природы, без которого невозможен нормальный обмен веществ, гормон роста и некоторые другие вещества.
КЛЕТКИ РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ
Являются сложно организованными образованиями, состоящими из цитоплазмы и более плотного ядра. В цитоплазме содержатся внутриклеточные органеллы: митохондрии, рибосомы и лизосомы, шероховатые и гладкие мембраны эндоплазматической сети, погруженные в водорастворимую среду клетки (цитозоль). Клетка окружена плазматической мембраной, обладающей избирательной проницаемостью благодаря наличию специальных механизмов транспорта веществ. Клеточные ядра служат для хранения генетической информации, носителем которой является ДНК. Митохондрии снабжают клетку энергией за счет окисления веществ при участии кислорода. В них синтезируются также собственные белки митохондрий. Это – исключение из общего правила. Все остальные клеточные белки синтезируются на рибосомах. Лизосомы содержат ферменты для расщепления различных биополимеров. Мембраны эндоплазматической сети формируют внутреннюю структуру (каркас) клетки, на них осуществляются превращения внутриклеточных веществ, а также реакции обезвреживания чужеродных соединений (ксенобиотиков). С мембранами эндоплазматической сети связан аппарат Гольджи, представляющий собой систему микротрубочек. В аппарате Гольджи происходят реакции химической модификации белков, а также синтез резервных и секретируемых из клетки веществ. Жидкая часть клетки – цитозоль – содержит ферменты синтеза и анаэробного окисления веществ, а также низкомолекулярные органические и неорганические соединения. Особенностью строения растительных клеток является наличие хлоропластов, в которых происходят процессы фотосинтеза. От клеток животных растительная клетка отличается также твердой стенкой, в состав которой входят вещества полисахаридной природы, в том числе целлюлоза, гемицеллюлозы, пектины и полифенольный полимер лигнин.
Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов – бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов. Микроорганизмы потребляют из окружающей среды вещества, растут, размножаются, выделяют жидкие и газообразные продукты метаболизма, тем самым реализуя те изменения в системе (накопление биомассы или продуктов метаболизма, потребление загрязняющих веществ), ради которых проводят процесс культивирования. Следовательно, микроорганизм можно рассматривать как центральный элемент биотехнологической системы, определяющий эффективность ее функционирования.
Особым объектом биотехнологии является хромосома – нитевидная структура клеточного ядра, несущая генетическую информацию в виде генов, которая становится видной при делении клетки. Хромосома состоит из двух длинных полинуклеотидных цепей, образующих молекулу ДНК. Цепи спирально закручены одна вокруг другой. ДНК соединена с белками гистонами. Вдоль всей молекулы ДНК линейно располагаются гены. Хромосомы хорошо окрашиваются основными красителями в процессе деления клетки. В ядре каждой соматической клетки человека содержится 46 хромосом, 23 из которых являются материнскими, а 23 – отцовскими. Каждая хромосома может воспроизводить свою точную копию в промежутках между клеточными делениями, так что каждая новая образующаяся клетка получает полный набор хромосом.
ГЕН
Участок хромосомы (молекулы ДНК), кодирующий структуру одной или нескольких полипептидных цепей, или молекулу РНК, или определенную регуляторную функцию. Представляет собой определенный набор нуклеиновых кислот, кодирующий, как правило, полипептид. Кольцевые молекулы ДНК образуют плазмиды, способные стабильно существовать в автономном, не связанном с хромосомами состоянии (минихромосомы), имеющие в своем составе ген (как правило, устойчивости к антибиотикам). Совокупность всех генов организма называется геномом. Конкретный набор генов особи называется генотип. У каждого живого организма генотип индивидуален и представляет собой ценный объект исследования генетической инженерии – ветви молекулярной генетики, которая исследует возможности и способы создания лабораторным путем (in vitro) генетических структур и наследственно измененных организмов. Она позволяет проводить рекомбинацию (изменение положения генов в хромосомах) и получать рекомбинантный ген – ген, состоящий из компонентов различных генов. Следующим этапом генетической инженерии является трансгенез – перенос генов в клетки и организмы многоклеточных организмов. В них имеет место экспрессия гена – проявление генетической информации, записанной в гене, в форме РНК, белка и фенотипического признака.
Для получения рекомбинантного гена применяются методы амплификации – образование дополнительных копий хромосомных последовательностей ДНК. При этом получают клон – большое число клеток или молекул, идентичных одной родоначальной клетке или молекуле. Для начала реакции амплификации в систему (in vitro) необходимо внести промотор – специфическая последовательность нуклеотидов в ДНК, необходимая для инициации транскрипции (матричный синтез РНК на ДНК, осуществляемый ферментами РНК-полимеразами). Основным эффектом амплификации являетсяре(ду) пликацияДНК-самоудвоение молекулы ДНК путем образования ее копии при помощи набора ферментов (ДНК-полимераза, лигаз и др.).
Методами генетической инженерии в последние годы созданы и используются в различных сферах, в том числе пищевой биотехнологии, генетически модифицированные организмы (ГМО) и источники (ГМИ).
ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ОРГАНИЗМ (ГМО)
(СанПиН 2.3.2.1078-01) Это организм или несколько организмов, любые неклеточные, одноклеточные или многоклеточные образования, способные к воспроизводству или передаче наследственного генетического материала, отличные от природных организмов, полученные с применением методов генной инженерии и содержащие генно-инженерный материал: гены, их фрагменты или комбинацию генов.
ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
(СанПиН 2.3.2.1078-01) Это используемые человеком в пищу в натуральном или переработанном виде пищевые продукты (компоненты), полученные из генетически модифицированных организмов.
Пищевая биотехнология изучает, прежде всего, сферу переработки биологического сырья на пищевые продукты повышенной пищевой и биологической ценности. К продуктам пищевой биотехнологии относятся: обогащенные, функциональные, поликомпонентные и другие пищевые изделия из сырья растительного и животного происхождения; продукты микробиологического синтеза (антибиотики, ферменты, гормоны, аминокислоты, витамины и др.), используемые в пищевых технологиях, в том числе для получения пищевых технологических добавок; биологически активные вещества (БАВы), биологически активные добавки (БАДы) к пище, обладающие действенным физиологическим эффектом.
БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЕ ВЕЩЕСТВО (БАВ)
Это вещество, которое биологически необходимо человеку для нормальной жизнедеятельности, участвуя в ключевых биологических процессах его организма (дыхании, кроветворении и т.д.).
К биологически активным веществам относятся (СанПиН 2.3.2.1078-01): иммунные белки и ферменты, гликопептиды, лизоцим, лактоферрин, лактопероксидаза, бактериоцины молочно-кислых организмов, за исключением препаратов из тканей и жидкостей человека; растения (пищевые и лекарственные), продукты моря, рек, озер, пресмыкающиеся, членистоногие, минералоорганические или минеральные природные субстанции (в сухом, порошкообразном, таблетированном, капсулированном виде, в виде водных, спиртовых, жировых сухих и жидких экстрактов, настоев, сиропов, концентратов, бальзамов): мумие, спирулина, хлорелла, дрожжи инактивированные и их гидролизаты, цеолиты и др.; продукты пчеловодства: маточное молочко, прополис, воск, цветочная пыльца, перга.
БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНАЯ ДОБАВКА (БАД) К ПИЩЕ
(СанПиН 2.3.2.1078-01) Это композиции натуральных или идентичных натуральным биологически активных веществ, предназначенные для непосредственного приема с пищей или введения в состав пищевых продуктов с целью обогащения рациона отдельными пищевыми или биологически активными веществами и их комплексами.
НУТРИЦЕВТИКИ
(СанПиН 2.3.2.1078-01) Это БАВы к пище, применяемые для коррекции состава пищи человека (дополнительные источники нутриентов первой необходимости: белка, аминокислот, жиров, углеводов, витаминов, пищевых волокон). Нутрицевтики включают: белки, производные белков (животного, растительного, микробного и иного происхождения): изоляты, концентраты, гидролизаты белков; аминокислоты и их производные; жиры, жироподобные вещества и их производные (растительные масла, жиры рыб и морских животных, индивидуальные полиненасыщенные жирные кислоты, стерины из пищевого сырья, среднецепочечные триглицериды, фосфолипиды и их предшественники, включая лецитин, кефалин, холин, этаноламин); витамины, витаминоподобные вещества и коферменты; минеральные вещества (макро– и микроэлементы).
ПАРАФАРМАЦЕВТИКИ (МИНОРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПИЩИ)
(СанПиН 2.3.2.1078-01) Это БАВы, применяемые для профилактики, вспомогательной терапии и поддержки в физиологических границах функциональной активности органов и систем (источники нутриентов фармакологического действия – биофлавоноиды, эфирные масла, органические кислоты и др.). Парафармацевтики включают: ферменты (растительного происхождения или полученные биотехнологическими методами на основе микробного синтеза); полифенольные соединения, в том числе с выраженным антиоксидантным действием – биофлавоноиды, антоцианиды, катехины и др.; естественные метаболиты: янтарная кислота, альфа-кетокислоты, убихинон, лимонная, фумаровая, яблочная и винная кислоты, орнитин, цитрулин, креатин, бетаин, глутатион, таурин, индолы, изотиоцианаты, октакозанол, хлорофилл, терпеноиды, иридоиды, резвератрол, стевиозиды.
ЭУБИОТИКИ (ПРОБИОТИКИ)
(СанПиН 2.3.2.1078-01) Это БАДы к пище, в состав которых входят живые организмы и (или) их метаболиты, оказывающие нормализующее воздействие на состав и биологическую активность микрофлоры пищеварительного тракта.
ПРЕБИОТИКИ
(СанПиН 2.3.2.1078-01) Это вещества, стимулирующие работу микроорганизмов или синтез биологически активных веществ, входящих в состав пробиотиков; к ним относятся, прежде всего, пищевые волокна: целлюлоза, пектин, полисахариды морских растений и ракообразных, различные классы олиго– и полисахаридов (фруктоолигосахариды, галактоолигосахариды природного происхождения, микробного синтеза и др.).
ПРОБИОТИКИ
(В монокультурах и в ассоциациях) включают: (СанПиН 2.3.2.1078-01) бифидобактерии, в том числе видов infantis, bifidum, longum, breve, adolescentis; Lactobacillus, в том числе видов acidophilus, fermentil, casei, planturum, bulgaricus и другие; Lactococcus; Streptococcus thermophilus; Propionibacterium и др.;
СИНБИОТИК
(ГОСТ Р 52349-2005) Физиологически функциональный пищевой ингредиент, представляющий собой комбинацию пробиотиков и пребиотиков, в которой они оказывают взаимно усиливающее воздействие на физиологические функции и процессы обмена веществ в организме человека.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПИЩЕВОЙ ПРОДУКТ
(ГОСТ Р 52349-2005) Это пищевой продукт, предназначенный для систематического употребления в составе пищевых рационов всеми возрастными группами здорового населения, снижающий риск развития заболеваний, связанных с питанием, сохраняющий и улучшающий здоровье за счет наличия в его составе физиологически функциональных пищевых ингредиентов в количестве, составляющем в суточной порции продукта не менее 15 % физиологической суточной потребности.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПИЩЕВОЙ ИНГРЕДИЕНТ
(ГОСТ Р 52349-2005) Вещество или комплекс веществ, а также живые организмы, входящие в состав функционального пищевого продукта, обладающие способностью оказывать благоприятный эффект на одну или несколько физиологических функций, процессы обмена веществ в организме человека при систематическом употреблении в количествах, составляющих от 15 % от суточной физиологической потребности.
Согласно ГОСТ 54059-2010 регламентирована классификация физиологически функциональных пищевых ингредиентов по оказываемому физиологическому эффекту: метаболизма субстрата, антиоксидантный, поддержания деятельности сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, зубной и костной ткани, иммунной системы. Основными функциональными пищевыми ингредиентами являются витамины, минеральные вещества, пищевые волокна, флавоноды, полиненасыщенные жирные кислоты, пробиотики, пребиотики, фитоэстрогены. Оказывая регулирующее действие на физиологические функции, биохимические реакции, подобные продукты поддерживают физическое и духовное здоровье человека и снижают риск возникновения заболеваний.
ОБОГАЩЕННЫЙ ПИЩЕВОЙ ПРОДУКТ
(ГОСТ Р 52349-2005) Функциональный пищевой продукт, получаемый добавлением одного или нескольких физиологически функциональных пищевых ингредиентов к традиционным пищевым продуктам с целью предотвращения возникновения или исправления имеющегося в организме человека дефицита питательных веществ.
ПИЩЕВАЯ ДОБАВКА
(TP ТС-029-2012) Любое вещество (или смесь веществ), имеющее или не имеющее собственную пищевую ценность, обычно не употребляемое непосредственно в пищу, преднамеренно используемое в производстве пищевой продукции с технологической целью (функцией) для обеспечения процессов производства (изготовления), перевозки (транспортирования) и хранения, что приводит или может привести к тому, что данное вещество или продукты его превращений становятся компонентами пищевой продукции; пищевая добавка может выполнять несколько технологических функций.
ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ДОБАВКА («БИО-2020»)
Пищевая добавка, вводимая в пищевые продукты в процессе их изготовления для повышения их полезных свойств (белковой, липидной, минеральной или поликомпонентной природы).
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ ПИЩЕВОГО ПРОДУКТА
Это степень сбалансированности продукта по биологически активным веществам – нутрицевтикам и парафармацевтикам (минорным компонентам), определяемая относительно научно обоснованных физиологических норм суточного потребления человеком (МР2.3.1.2432-08).
ПИЩЕВАЯ ЦЕННОСТЬ ПРОДУКТА
Это совокупность полезных свойств пищевого продукта, определяемых его органолептической привлекательностью, биологической ценностью, калорийностью и безопасностью.
