Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения

Москва
ИНФРА-М
2020

ПИЩЕВАЯ 
БИОТЕХНОЛОГИЯ ПРОДУКТОВ 
ИЗ СЫРЬЯ РАСТИТЕЛЬНОГО 
ПРОИСХОЖДЕНИЯ

О.А. НЕВЕРОВА
А.Ю. ПРОСЕКОВ
Г.А. ГОРЕЛИКОВА
В.М. ПОЗНЯКОВСКИЙ

Рекомендовано Федеральным государственным 
бюджетным образовательным учреждением 
высшего профессионального образования
«Московский государственный университет пищевых производств»
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки бакалавров
19.03.01 «Биотехнология»

Регистрационный номер рецензии № 355 от 27.07.2013 ФГАУ «ФИРО»

УЧЕБНИК

Неверова О.А.
Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного 
происхождения : учебник / О.А. Неверова, А.Ю. Просеков, Г.А. Гореликова, В.М. Позняковский. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 
318 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/1598.

ISBN 978-5-16-005309-7 (print)
ISBN 978-5-16-100741-9 (online)

В учебнике представлен базовый материал по современному состоянию 
пищевой биотехнологии как важнейшего приоритетного направления 
науки XXI в.
Систематизированы биотехнологические основы переработки растительного сырья в области технологии ферментативной и микробной 
биоконверсии. Даны сведения о способах создания генетически модифицированных источников пищи и законодательном регулировании их применения. Рассмотрены наиболее значимые биотехнологические процессы 
и их использование в производстве продуктов питания.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлению 
подготовки бакалавров 19.03.01 «Биотехнология». Может быть полезен 
другим технологическим специальностям и направлениям высших учебных 
заведений, аспирантам, инженерно-техническим и научным работникам.

УДК  [664:573.6]:613.26(075)
ББК  65.304.25:30.1я7

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

УДК  [664:573.6]:613.26(075)
ББК  65.304.25:30.1я7
 
Н40

Н40

Р е ц е н з е н т ы:
В.А. Поляков, д-р техн. наук, проф., член-корреспондент Российской 
академии сельскохозяйственных наук (РАСХН), директор ВНИИ 
пищевой биотехнологии РАСХН;
А.И. Жаринов, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой химии 
и пищевой биотехнологии Московского государственного университета 
прикладной биотехнологии (МГУПБ)

ISBN 978-5-16-005309-7 (print)
ISBN 978-5-16-100741-9 (online)
© Коллектив авторов, 2014

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Предисловие

Биотехнология — уникальная по своей природе наука, которая 

использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека. Биотехнологические процессы, в 
частности брожение, применяются людьми с древних времен. На 
различных видах брожения основано производство спирта, пива, 
вина, хлеба, кисломолочных продуктов, консервирование плодов и 
овощей (квашение, мочение, соление), на процессах ферментации — 
производство чая. Можно привести целый ряд других общеизвестных 
и нетрадиционных примеров.

Интегрируя достижения человечества в различных областях зна
ний, биотехнология развивается по четырем направлениям: микробная биотехнология (промышленная микробиология), инженерная 
энзимология, генная и клеточная инженерия.

В середине ХIХ в. Луи Пастер доказал, что представители микро
мира различаются не только внешним видом, но и особенностями 
обмена веществ. Работы ученого послужили основой для развития 
микробной биотехнологии, изучающей распространенные в природе микроорганизмы с точки зрения возможности их использования 
в народном хозяйстве. Микробную биотехнологию можно считать 
основным разделом биотехнологии. Исторический путь этого раздела 
биотехнологии тесно связан с производством различных пищевых 
продуктов (вино, хлеб, молочные продукты и др.), а также получением 
белка, аминокислот, витаминов, ферментов, органических кислот 
путем микробного синтеза.

Расширение сфер использования микроорганизмов для прак
тических целей основывается на изучении их физиологических и 
биохимических особенностей, познании механизмов регуляции процессов метаболизма. В настоящее время актуальным является поиск 
новых природных продуцентов, а также исследования по селекции 
и генетике известных видов микроорганизмов с целью получения 
штаммов высокой продуктивности. Для решения этой задачи используют метод индуцированного мутагенеза и ступенчатого отбора 
лучших вариантов, либо методы генной инженерии.

Инженерная энзимология — раздел биотехнологии, целью ко
торого является разработка технологических процессов с использованием ферментов. Знания о свойствах ферментов, механизмах их 
действия используются при решении конкретных технологических 
задач: для создания нового продукта или улучшения его качества, 
использования нетрадиционных видов сырья, разработки безотходных технологий и др.

Особое значение ферментативные процессы имеют в производ
стве пищевых продуктов. Тканевые ферменты животных и растений 
способствуют формированию химических предшественников вкуса и 
аромата, влияют на консистенцию за счет специфической деструкции 
биополимерных систем пищевого сырья. Кроме эндогенных ферментов, большую роль в производстве пищевых продуктов играют 
экзогенные ферменты. Их используют в целях интенсификации технологических процессов, модификации компонентов сырья и свойств 
пищевых систем, изменения их качества, стабилизации при хранении, обеспечения биологической и экологической безопасности.

В рамках инженерной энзимологии активное развитие получила 

иммобилизация ферментов на специальных носителях. Новое направление имеет ряд преимуществ, в частности обеспечивает многократное использование ферментов.

Генная инженерия — раздел биотехнологии, отвечающий за на
правленное создание организмов с заданными свойствами на основе 
рекомбинации хромосом. Генная инженерия дает возможность изолировать и изменять отдельные гены, модифицируя молекулу ДНК и 
перенося ее из одного организма в другой. Возникнув сравнительно 
недавно, генная инженерия в настоящее время стремительно развивается, в том числе в производстве пищевых продуктов — главным 
образом за счет создания трансгенных животных и растений. Трансгенные культивируемые растения обеспечивают более высокий и 
стабильный урожай, чем традиционное растительное сырье.

Методы генной инженерии применяют также для изменения 

некоторых метаболических реакций. Например, если ввести ген, 
кодирующий фермент аминоглюкозидазу, в штаммы дрожжей, используемые в пивоварении, можно снизить концентрацию сахара в 
сусле. Изменяя соотношения между ферментами гликолиза, удается 
изменить эффективность спиртового брожения.

Клеточная инженерия — раздел биотехнологии, изучающий 

культуры клеток высших животных или растительных организмов, 
полученные выращиванием на различных средах выделенных из 
организмов клеток, а также микроорганизмы, полученные методом 
генной инженерии (гибридизация соматических клеток, слияние протопластов, перенос клеточных организмов и т.д.). Совершенствование 
техники культивирования растительных клеток и тканей позволяет 
создавать улучшенные культурные виды и сорта растений.

Основные разделы биотехнологии — это главные области научных 

исследований, способы и методы, от которых зависит результативность многих направлений научнотехнического прогресса, в том 
числе пищевых технологий, позволяющих разрабатывать продукты 
нового поколения.

Пищевая биотехнология выделилась отдельной ветвью из биотех
нологии в конце ХХ в. Это связано с ухудшением структуры питания 
населения, дефицитом важнейших компонентов пищи, постоянно 
действующими неблагоприятными факторами окружающей среды. 
Данные о фактическом питании человека, а также современные 
достижения науки о питании, прежде всего в области физиологии 
и биохимии, потребовали пересмотра укоренившихся подходов в 
создании пищи и разработки приоритетных инженерных решений. Пищевая биотехнология базируется на изучении и развитии 
нутрициологии, микробиологии, молекулярной биологии, генной 
инженерии, химии пищи применительно к процессам и технологиям 
пищевых производств.

Предмет изучения пищевой биотехнологии — это новые источни
ки и способы получения пищевого сырья, экзо и эндоферментные 
системы, их регулирование, ферментативный катализ, кинетика 
процессов модификации свойств сырья и пищевых систем при применении ферментных препаратов, биологически активных веществ, 
пищевых многофункциональных и белоксодержащих добавок; функционально-технологические свойства пищевых добавок, стартовые 
культуры, бактериальные закваски, биопрепараты, тестирование и 
специфика переработки сырья и препаратов, полученных из генетически модифицированных источников и путем биосинтеза.

Важными задачами пищевой биотехнологии являются: создание 

теоретических моделей прогнозирования характера изменений сырья и пищевых систем в процессе биотрансформации; оценка биологической безопасности сырья, пищевых добавок, биологически 
активных веществ и готовых пищевых продуктов; разработка новых 
методов исследования сырья, пищевых систем, пищевых и биологически активных добавок, готовых продуктов питания.

Используя биотехнологические процессы при переработке пи
щевого сырья и производстве продуктов питания можно влиять на 
показатели их качества и безопасности. Знание биотехнологических 
процессов позволяет определить причины порчи продуктов и возникновения дефектов, приводящих к количественным и качественным 
потерям товаров. Помимо этого, новые штаммы микроорганизмов 
способны придать продукту новые оригинальные оттенки вкуса и 
аромата и другие полезные свойства.

Применение ферментных, белковых препаратов, пищевых и 

биологически активных добавок, а также других соединений, полученных биотехнологическим способом, способствует оптимизации и 
интенсификации технологических процессов производства пищевых 
продуктов, улучшает их потребительские свойства, продлевает сроки 
хранения.

Основополагающими для развития пищевой биотехнологии 

являются фундаментальные исследования академика Российской 
академии наук (РАН) А.А. Баева, зарубежных ученых И. Хиггинса, 
Д. Беста, Дж. Джонсона и др. Особого внимания заслуживают работы 
И.М. Грачевой, посвященные технологии ферментных препаратов, 
О.В. Кислухиной, касающиеся биоконверсии растительного сырья, 
получения пектина, жирорастворимых витаминов и других продуктов 
из растительного сырья и отходов его переработки.

Большой вклад в становление и развитие научной дисциплины 

«Пищевая биотехнология», в подготовку учебной и методической 
литературы для студентов данной специальности (специальность 
240902) внесли президент Московского государственного университета прикладной биотехнологии (МГУПБ), академик Российской академии сельскохозяйственных наук (РАСХН) И.А. Рогов, 
профессора А.И. Жаринов, Н.И. Дунченко, заведующий кафедрой 
биотехнологии Московского университета пищевых производств, 
профессор Л.А. Иванова.

Настоящий учебник является дополненным и переработанным 

вариантом учебника, изданного в 2007 г., и состоит из трех частей. 
В первой рассмотрены виды и химический состав растительного 
сырья, приведены сведения о способах создания генетически модифицированных источников пищи и законодательном регулировании 
их применения. Вторая часть посвящена биотехнологическим основам переработки растительного сырья (ферментативной и микробной биоконверсии). Третья включает подробную характеристику 
биотехнологических процессов отдельных пищевых производств 
(хлебопечения, пивоварения, виноделия и др.).

В новом варианте учебника существенным образом переработана 

глава 1, где рассматриваются характеристика и химический состав 
растительного сырья. В частности, в классификацию растительного 
сырья включены водоросли и морские травы, дана характеристика 
особенностей их химического состава в соответствующих разделах, 
дополнен раздел по углеводам, добавлена информация по химическому составу некоторых биологически активных веществ растений – 
органическим кислотам, фенольным соединениям, гликозидам, 
алкалоидам, эфирным маслам и смолам.

Авторы не претендуют на всеобъемлющую полноту представлен
ного материала, с благодарностью примут все замечания и пожелания, направленные на улучшение структуры и содержания данного 
издания.

Часть I 

ХАрАКТерисТиКА рАсТиТелЬНоГо сЫрЬЯ

Глава 1. ТрАдициоННое рАсТиТелЬНое сЫрЬе

1.1.  
общая характеристика и классификация 
растительного сырья

1.2. 
Химический состав и строение 
растительных клеток

1.2.1. 
Углеводы растений

1.2.2. Белки
1.2.3.  липиды
1.2.4.  органические кислоты алифатического ряда
1.2.5. Фенольные соединения
1.2.6. Гликозиды
1.2.7. 
Алкалоиды

1.2.8. Эфирные масла и смолы
1.2.9. Минеральные вещества
1.2.10.  витамины и витаминоподобные вещества

Глава 2. ГеНеТиЧесКи МодиФицировАННое

рАсТиТелЬНое сЫрЬе

2.1.  создание и применение генетически 

модифицированных растений

2.2.  обеспечение безопасности пищевой  

продукции из ГМи

Часть II

БиоТеХНолоГиЧесКие осНовЫ 

ПерерАБоТКи рАсТиТелЬНоГо сЫрЬЯ

Биоконверсия (от лат. conversio — превращение) означает преоб
разование одних органических соединений в другие при помощи 
культур микроорганизмов, а также выделенных ферментов; один из 
важнейших биотехнологических процессов переработки растительного сырья в корма и пищевые продукты.

Технологическое преимущество биоконверсии по сравнению с 

процессами химических превращений веществ состоит в том, что необходимые катализаторы синтезируются культурой микроорганизма 
либо используются выделенные ферменты, и конверсия может быть 
осуществлена в одну стадию. Кроме того, ферментативные процессы 
в живых системах энергетически более выгодны, чем химические 
превращения веществ.

Известны тысячи пороцессов биопревращений; некоторые из 

них: гидроксилирование, гидролиз, метилирование, конденсация, 
декарбоксилирование, окисление, этерификация разрыв связей С–С, 
деметилирование, гидрирование, аминирование, амидирование, 
рацемация, эпоксидирование ацилирование, дегидрирование, фосфорилирование, восстановление, эпимеризация, дезаминирование, 
галогенирование.

Ферментные препараты, как правило, используют в основном 

для биоконверсии растительного сырья, на начальной, наиболее 
трудоемкой стадии его переработки, когда необходимо расщепить 
структурные или запасные компоненты, а также на заключительных 
стадиях переработки растительных субстратов — с целью сохранения 
качества пищевых продуктов или улучшения органолептических 
свойств.

Биоконверсия с использованием микроорганизмов применяется в 

основном для переработки растительного сырья в белковые продукты, 
корма повышенной усвояемости, для получения растительных белковых гидролизатов и пр. В основе микробной биоконверсии заложен 
процесс культивирования микроорганизмов.

Вместе с тем известны такие биопревращения, которые уве
личивают токсичность некоторых веществ в природе, например: 
превращение фенольных соединений в хиноны, метилирование 
элементарной ртути, образование реакционных эпоксидов из алкенов. Это необходимо учитывать при переработке пищевого сырья и 
в процессе производства продуктов питания.

Глава 3. БиоКоНверсиЯ

с исПолЬЗовАНиеМ ФерМеНТов

 3.1.  общая характеристика и классификация 

ферментов

 3.2. Ферментативная переработка растительного 

сырья

3.2.1. Ферменты, трансформирующие органическое сырье
3.2.2. Гидролитические процессы
3.2.3. Негидролитические реакции

3.3. Ферментные препараты

3.3.1. Технология получения

Промышленная технология ферментных препаратов начала раз
виваться в первой четверти ХХ в. К настоящему времени ферментные 
препараты стали мощным средством трансформации практически 
любого вида биологического сырья, формирования качества продуктов. Применение ферментных препаратов позволило существенно 
увеличить глубину переработки пищевого сырья и кормов, улучшить 
органолептические свойства и создать новые виды пищевых продуктов, повысить усвояемость кормов и расширить сырьевую базу 
кормопроизводства.

При переработке различных видов органического сырья исполь
зуются ферменты растительного, микробного и животного происхождения. Растительные ферменты специфичны в отношении своих 
естественных субстратов, что определяет высокую эффективность 
их действия на растительное сырье. Специфичность микробных 
ферментов совершенствовалась в процессе эволюции сапрофитных 
и фитопатогенных форм микроорганизмов. В микробном мире 
можно найти продуцентов всевозможных ферментов, участвующих 
в круговороте органического вещества. Это объясняет широкое 
применение микробных ферментов в пищевой промышленности и 
кормопроизводстве. Из животного сырья получают ограниченный 
ассортимент ферментных препаратов, которые, как более дорогостоящие, применяются реже микробных.

Основная масса ферментных препаратов производится на осно
ве культивирования промышленных штаммов микроорганизмов, 
преимущественно продуцентов секретируемых (внеклеточных) 
ферментов.

Ферменты зерновых культур. В практической деятельности чело
века применяются с древних времен. Зерно злаков богато запасными 
веществами, которые используются в энергетическом и конструктивном метаболизме при прорастании зерна.

Превращение крахмала, крахмальных полисахаридов, белка, ли
пидов начинается с их гидролитического расщепления. Продукты 
расщепления используются в циклах дыхания и биосинтеза структурных элементов растения. В покоящемся зерне имеются ферменты, 
необходимые для гидролиза всех видов полимеров. Значительная 
часть гидролитических ферментов находится в связанном, неактивном состоянии. Активность свободных форм гидролаз не проявляется изза отсутствия свободной воды, необходимой для протекания 
реакций гидролиза.

В зерне имеются ингибиторы протеолитических ферментов и 

aамилазы. Ингибиторы протеаз предотвращают протеолитический 
процессинг связанных ферментов и их переход в свободные, активные 
формы. При соответствующей температуре и влажности зерно набухает и прорастает. Процесс прорастания сопровождается увеличением 
активности большинства ферментов. Ингибиторы протеаз — белки с 
низкой молекулярной массой — диффундируют во внешнюю среду, 
что создает условия для проявления активности протеаз. Под действием протеаз активируются связанные формы ферментов. Параллельно 
осуществляется биосинтез новых ферментов.

Проросшее зерно (солод) — богатейший источник ферментов. 

Ферментaтивный комплекс солода включает: амилoлитические 
ферменты (a и bамилазу, aглюкозидазу, пуллуланазу, предельную декстриназу), bфруктофуранозидазу, цeллюлолитические 
ферменты (эндо и экзоглюканазы, целлобиазу), гемицeллюлазы 
(эндоb1,3глюканазу, ламинарибиазу, эндо и экзоксиланазы, 
ксилобиазу, арабинозидазу), пpoтeaзы эндо и экзотипов, липазы, 
фосфатазы, окислительновосстановительные ферменты (каталазу, 
пероксидазу, одифенолоксидазу).

Рациональная технология солода обеспечивает получение макси
мальной активности гидролитических ферментов при минимальных 
затратах массы зерна на дыхание. Активность ферментов в процессе 
прорастания изменяется в зависимости от влажности зерна, температуры среды, продолжительности выращивания, способа аэрации 
(табл. 3.2). При получении сухого солода его ферментативная активность зависит от способа сушки.