Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 60. Традиційні біотехнології

Людина здавна використовує біотехнологію

Слово «біотехнологія» 1919 року вперше вжив угорський інженер Карл Ерекі, коли описував процес вирощування свиней, що харчуються цукровим буряком. Згідно з його визначенням, біотехнологія — це всі види робіт, у яких із сировинних матеріалів за допомогою живих організмів виробляють ті чи ті продукти. Відповідно до цього визначення, буряк — це сировина, із якої за допомогою живих організмів (свиней) отримують кінцевий продукт — свинину.

Визначення Ерекі актуальне й у наші дні, але набуло дещо іншого змісту та застосовується переважно для опису використання мікроорганізмів, клітинних культур або генетично модифікованих організмів у промисловому виробництві.

Історія розвитку біотехнології налічує кілька тисячоліть. Навіть не підозрюючи про існування мікроорганізмів, люди з найдавніших часів використовували їх для виробництва продуктів харчування.

Існування мікроорганізмів уперше виявив голландський натураліст-аматор Антоні ван Левенгук 1675 року. Лише майже через два століття, 1862 року, французький учений Луї Пастер дослідив роль мікроорганізмів у процесах бродіння. Це відкриття дало поштовх подальшому розвитку біотехнології як наукової дисципліни.

Зараз біотехнологія — одна з прикладних дисциплін, що розвиваються найдинамічніше. Вона використовує досягнення біохімії, молекулярної біології, генетики, клітинної біології та інших наук у комплексі з інженерними підходами для вирішення технологічних завдань. Біотехнологія відіграє найважливішу роль у виробництві продуктів харчування та багатьох медичних препаратів (антибіотиків, гормонів тощо). Найзначніших успіхів вона досягла наприкінці ХХ — на початку XXI століття з розвитком методів генної інженерії.

Мікроорганізми застосовують у виробництві продуктів харчування

Хлібопечення. Хліб — один із найдавніших продуктів, що виготовляє людина. Спочатку хліб був у вигляді каші з води та борошна, запеченої на вогні, тобто готували його без бродіння, із бездріжджового тіста. Вважають, що перший дріжджовий хліб з’явився в Давньому Єгипті близько 4000 років тому, звідки поширився практично всім давнім світом. Із погляду мікробіології заквашування — це процес дріжджового бродіння. Основним компонентом закваски є одноклітинні гриби — хлібопекарські дріжджі (рис. 60.1), що в процесі бродіння виділяють вуглекислий газ, який є розпушувачем для хліба.

Пивоваріння. Пиво — слабоалкогольний напій, відомий людству з найдавніших часів. Пиво є результатом дріжджового бродіння солодового сусла — вимочених і пророщених зерен злаків, найчастіше ячменю. У пивоварінні використовують дріжджі кількох різних видів і штамів, які об’єднані назвою пивні дріжджі.

Рис. 60.1. Електронна мікрофотографія клітин хлібопекарських дріжджів

Світлину розфарбовано вручну. Чітко видно місця брунькування.

Рис. 60.2. Процес бродіння виноградного соку

Характерною ознакою бродіння є інтенсивне виділення вуглекислого газу, що призводить до спінювання.

Пивоваріння було відоме народам Давньої Месопотамії, Єгипту, Риму, Китаю та інших цивілізацій. Особливих успіхів пивоваріння досягло в середньовічній Європі. Річ у тім, що через відсутність ефективної каналізації та антисанітарію в європейських містах споживання простої питної води було вкрай ризикованим. З огляду на це шкода здоров’ю, яку завдає вживання пива, була, безсумнівно, меншим злом.

Незважаючи на популярність пива в усьому світі, воно, як і будь-які алкогольні напої, за надмірного споживання заподіює значну шкоду здоров’ю, особливо, якщо його вживають підлітки.

Виноробство. Вино стало першим продуктом, для виробництва якого була доведена необхідність мікроорганізмів. Вивчаючи дозріваюче вино французьких виноробів під мікроскопом, Луї Пастер виявив велику кількість мікроскопічних живих організмів і припустив, що саме вони відповідальні за зброджування виноградного соку. Пізніше було встановлено, що ці мікроорганізми — дріжджі, які живуть у природі на ягодах винограду, потрапляють до вичавленого виноградного соку та перетворюють його на вино завдяки процесу спиртового бродіння (рис. 60.2).

Молочнокисле бродіння. Для виробництва кисломолочних продуктів (йогурту, кефіру, сметани, домашнього сиру, кислого молока) застосовують молочнокислі бактерії, що перетворюють вуглевод лактозу, який міститься в молоці, на молочну кислоту.

У виробництві різних кисломолочних продуктів застосовують різні види молочнокислих бактерій (рис. 60.3). Наприклад, до складу йогурту входять культури болгарської палички та термофільного стрептокока; до складу скислого молока — молочнокислого лактокока.

Крім виготовлення кисломолочних продуктів, молочнокислі бактерії використовують також для квашення овочів і силосування кормів для тварин. Квашення не лише надає овочам нових смакових якостей, а й значно подовжує термін їх зберігання завдяки закисленню середовища, що робить його непридатним для розвитку інших мікроорганізмів.

Сири. Технологія приготування сирів відома людству впродовж принаймні 7-8 тисяч років, тобто сир можна вважати навіть давнішим продуктом харчування, ніж дріжджовий хліб.

Рис. 60.3. Молочнокислі бактерії

А. Болгарська паличка з йогурту. Б. Лактокок із кислого молока.

Рис. 60.4. Молоко після згортання сичужним ферментом

Після обробки молоко має вигляд желеподібного згустка та рідкої сироватки.

Рис. 60.5. Використання плісняви для виробництва сиру

А. Гіфи та спорангії гриба пеніцилу. Б. Сир рокфор, який містить цей гриб.

На відміну від інших молочнокислих продуктів, основним способом виробництва твердих сирів є згортання молока (рис. 60.4) під дією травного ферменту хімозину (відомого також під назвою сичужний фермент, або реннін). Раніше хімозин виділяли зі шлунків забитих молочних телят, але завдяки розвитку генної інженерії в 1990-ті роки почали виробляти хімозин за допомогою генетично модифікованих бактерій. Наразі використання хімозину із сичуга телят стрімко скорочується: до 80 % сиру у світі вже виготовляється за допомогою хімозину, утвореного бактеріями. Після згортання молока отриману сирну масу фільтрують, перемішують, просолюють і дають сирові час дозріти. Увесь промисловий процес виробництва сиру ви можете побачити, переглянувши відео за посиланням.

Крім того, у виробництві деяких сирів використовують кілька видів їстівної плісняви пеніцилу (рис. 60.5). До таких сирів належать брі та камамбер, а також блакитні сири рокфор, дорблю, ґорґонцола та інші, що вирізняються характерними запахами.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Біотехнологічним процесом НЕ є

  • А виробництво йогуртів із використанням молочнокислих бактерій
  • Б виробництво свинини з використанням цукрових буряків як корму
  • В виробництво квасу з використанням дріжджів
  • Г виробництво макаронних виробів із твердих сортів пшениці
  • Д виробництво людського інсуліну з використанням кишкової палички

2. Мікробну природу бродіння вперше дослідив

  • А Антоні ван Левенгук
  • Б Луї Пастер
  • В Джеймс Вотсон
  • Г Роберт Кох
  • Д Карл Ерекі

3. НЕ застосовують гриби у виробництві такого продукту, як

  • А сир рокфор
  • Б житній хліб
  • В вино
  • Г домашній сир
  • Д пиво

4. Хімозин, вироблений бактеріями, застосовують для

  • А виробництва сирів замість сичужного ферменту телят
  • Б отримання бездріжджового хліба
  • В виробництва пива
  • Г прискореного квашення овочів
  • Д уповільнення бродіння виноградного соку

5. Схема хімічного перетворення, що застосовується для виробництва продуктів харчування й відбувається під дією мікроорганізмів, — це

  • А амінокислоти —> жири
  • Б вуглеводні —> ароматизатори
  • В білки —> етиловий спирт
  • Г вітаміни —> лимонна кислота
  • Д вуглеводи —> молочна кислота

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Що означав термін «біотехнологія» спочатку і яке його сучасне значення?

7. Схарактеризуйте роль досліджень Луї Пастера у створенні наукових засад біотехнологій.

8. Навіщо в процесі виробництва хліба використовують дріжджі?

9. Для виготовлення яких продуктів харчування використовують молочнокислі бактерії?

10. Стисло опишіть технологію виготовлення сиру. Назвіть мікроорганізми, які можуть застосовувати в цьому виробництві.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Які дослідження привели Луї Пастера до відкриття біологічної природи бродіння?1

12. За якими критеріями різні види прокаріотів об’єднують у групу молочнокислих бактерій? Які таксони бактерій належать до цієї групи?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Мікроорганізми використовують не лише в харчовій промисловості, а й для вирішення багатьох інших специфічних завдань. У яких іще сферах діяльності людини та з якою метою застосовують мікроорганізми?

14. Одним із найважливіших завдань біотехнології є виробництво лікарських препаратів, наприклад, антибіотиків. Які ліки та як виготовляють із використанням методів біотехнології?

1 Як джерело інформації про ці та інші дослідження Луї Пастера ми радимо книгу Поля де Крайфа «Мисливці за мікробами», у якій надзвичайно цікаво описано історію розвитку мікробіології.

Доповнення XII

Дар’я Вдовенко

Закінчила Харківську загальноосвітню школу № 80 у 2007 році. Багаторазова переможниця Всеукраїнських олімпіад із біології і турнірів із хімії. Продовжила навчання в Московському державному університеті. Зараз навчається в аспірантурі у Швейцарській вищій технічній школі Цюриха (ЕТН) за спеціальністю «імунологія».

Чим чорний чай відрізняється від зеленого?

Запекла боротьба між прихильниками чаю та прихильниками кави на світських прийомах триває із середини XVII століття, коли чай уперше потрапив до Європи. Ще тривалішими є суперечки між поціновувачами чорного та зеленого чаїв, які ми успадкували з Китаю — батьківщини цього чудового напою. Скільки разів ви самі починали ранок із горнятка запашного чаю? Скільки разів відкладали всі справи й обіцяли собі, що сядете за роботу буквально за десять хвилин, щойно доп’єте чай? Цей напій так міцно узвичаївся в нашому житті, що став частиною культури, приводом для мільйонів бесід, ухвалених і відкладених рішень, довгоочікуваних і випадкових зустрічей, кілограмів з’їденого «до чаю» печива.

Зелений, чорний чай, улун, пуер, жовтий, білий чай і сенча — на кожного витонченого поціновувача знайдеться свій неповторний смак. Але що ж зумовлює всі їхні відмінності?

Насправді всі ці напої — із завареного чи настояного сухого й попередньо обробленого листя чайного куща. Еге ж, одного куща, вам не почулося. Незважаючи на величезне різноманіття сортів чаю, усіх їх виготовляють із рослини одного виду — Камелії китайської. Вона не обдарована такими чудовими яскравими квітами, як інші камелії, й виглядає доволі непримітно. Але, як зазвичай і буває зі справжньою красою, вона прихована всередині.

Сорти чаю відрізняються місцем зростання, віком і найбільше — способом обробки чайного листя. Після збирання вручну чайне листя піддають ферментації — процесу окиснення, зумовленого його-таки ферментами. Саме цей етап виробництва чаю визначає, до якого типу та класу належатиме отриманий напій. Спочатку чайне листя підв’ялюють і скручують, після чого залишають на якийсь час «бродити у власному соку». Що довше триває етап ферментації чайного листя, то темнішим буде його колір і насиченішим смак напою. Закінчується цей процес сушінням листя за високої температури. Зелений чай піддають мінімальному окисненню, не більше трьох днів, натомість для виготовлення чорного чаю цей процес подовжують іноді до місяця — допоки листя не окиснеться майже повністю.

Основний лікувальний ефект чаю забезпечують алкалоїди. Найвідоміший із-поміж них, безперечно, кофеїн. Як бачите, навіть непримиренні суперники за першість — чай і кава — насправді не такі вже далекі один від одного. Але також у чаї містяться теобромін, нофілін, ксантин, гіпоксантин і параксантин. Останні — антагоністи кофеїну. Завдяки м’якшій ферментації зелений чай зберігає більший уміст кофеїну, що дає йому змогу проявляти сильніший тонізувальний ефект одразу після потрапляння всередину організму. Проте його дія дуже короткочасна, й у гру відразу ж вступають антагоністи, що знижують тонус судин і знижують артеріальний тиск. А чорний чай діє м’якше, і нехай його тонізувальні властивості не такі значні, зате завдяки високому вмістові вітамінів груп В та Р що зберігаються в процесі ферментації, він довше підтримує тонус судин і не спричиняє різких перепадів тиску. Саме тому вважають, що зелений чай корисніше пити гіпертонікам, а чорний — гіпотонікам.

Але якому б із багатьох різновидів чаю ви не віддавали перевагу, будьте певні: крім корисних вітамінів та антиоксидантів, вам у комплекті дістануться внутрішня теплота, трохи спокійних роздумів і, звісно, незабутній аромат. Бо, хоча Маргарита з роману Олександра Дюма-сина й вибрала квітки камелії саме за те, що вони «практично позбавлені запаху», заварене сушене листя Камелії китайської повністю надолужило цю втрату.

А поки ви розмірковуєте над цією історією, я піду заварю собі горнятко запашного чаю перед початком робочого дня. Чи все ж варто віддати перевагу каві?