Основы биотехнологии. Методические указания по организации самостоятельной работы студентов специальности 271000 «Технология рыбы и рыбных продуктов» и направления 552400 «Технология продуктов питания»

Камчатский государственный технический университет

Кафедра технологии рыбных продуктов

М.В. Ефимова

ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ Методические указания по организации самостоятельной работы студентов специальности 271000 «Технология рыбы и рыбных продуктов» и направления 552400 «Технология продуктов питания»

Петропавловск-Камчатский 2005 УДК 573.6.086.83 ББК 30.16

Е91

Рецензент Р.М. Вахракова, начальник научно-исследовательского отдела КамчатГТУ

Ефимова М.В. Е91

Основы биотехнологии. Методические указания по организации самостоятельной работы студентов специальности 271000 «Технология рыбы и рыбных продуктов» и направления 552400 «Технология продуктов питания». – ПетропавловскКамчатский: КамчатГТУ, 2005. – 12 с. Методические указания составлены в соответствии с требованиями к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки специалиста по специальности 271000 «Технология рыбы и рыбных продуктов» и направления 552400 «Технология продуктов питания» государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. Рекомендовано к изданию решением учебно-методического совета КамчатГТУ (протокол № 5 от 18 февраля 2005 г.).

УДК 573.6.086.83 ББК 30.16

© КамчатГТУ, 2005 © Ефимова М.В., 2005

2

ВВЕДЕНИЕ Важным элементом подготовки студентов и получения ими необходимых знаний по дисциплине «Основы биотехнологии» является самостоятельная работа. Процесс изучения дисциплины «Основы биотехнологии» предусматривает ряд функционально связанных этапов, включающих проведение лекционных аудиторных занятий, самостоятельную работу студентов в межсессионный период, отчет о самостоятельной работе и сдачу зачета по дисциплине. Самостоятельная работа студентов в межсессионный период предполагает активное, последовательное и подробное освоение ими соответствующих учебных материалов дисциплины по всем ее структурным разделам с использованием рекомендуемой основной и дополнительной литературы. Освоение учебных материалов по основной и дополнительной литературе следует осуществлять строго системно и последовательно с учетом нижеизложенных заданий и рекомендаций, касающихся самостоятельного изучения и самоконтроля усвоения различных разделов дисциплины. Самостоятельная работа требует от студента творческой активности, умения найти и переработать информацию, необходимую для усвоения вопросов, предложенных для самостоятельного изучения. Для успешного усвоения изучаемого материала рекомендуется: – составить конспекты основных положений, понятий, определений, отдельных наиболее сложных вопросов; – составить ответы на основные вопросы изучаемых тем. В ходе самостоятельной работы студент должен систематически осуществлять самостоятельный контроль хода и результатов своей работы, постоянно корректировать и совершенствовать способы ее выполнения. Преподаватель контролирует ход и результаты самостоятельной работы в различных формах: – рецензирование выполненных студентами в письменной форме докладов, рефератов, контрольных работ; – заслушивание на консультациях по самостоятельной работе рефератов и докладов, подготовленных студентами по результатам самостоятельной работы; – проведение контрольных работ по вопросам, которые подготовлены студентами самостоятельно; – обсуждение с учебной группой результатов индивидуальной самостоятельной работы. 3

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ТЕМ КУРСА 1.1. Наименование разделов и тем, часы самостоятельной работы Таблица 1 № темы

1.

2.

3. 4.

5. 6.

Наименование тем, их содержание Введение: задачи и содержание дисциплины; история возникновения и развития биотехнологии как науки. Культивирование микроорганизмов. Метаболизм микробной клетки. Методы получения чистой культуры. Питательные среды. Получение биомассы микроорганизмов в промышленных ферментаторах. Методы биотехнологии. Генная инженерия и области ее применения. Клонирование и области его применения. Клонирование культур тканей и клеток высших растений. Соматическая гибридизация клеток растений. Инженерия культур клеток животных и человека (метод клонирования, трансплантации эмбрионов, создания гибридом Применение микроорганизмов для очистки сточных вод и для контроля загрязнения. Очистка воздуха от неприятно пахнущих веществ. Биотехнологические способы получения веществ. Производство ферментов. Производство гормонов. Получение биомоющих средств. Производство этилового спирта методом иммобилизованных клеток дрожжей. Применение микроорганизмов для производства пластмасс, текстильных изделий, электроники, пищевых продуктов. Производство белков одноклеточных организмов. Технология производства белковых препаратов на различном сырье. Всего

4

Часы самостоятельной работы 1 3

6

2 4

2 4

22 часа

1.2. Содержание отдельных тем курса и методические рекомендации по их изучению ВВЕДЕНИЕ Биотехнология – использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ (или: применение биологических процессов и систем в производстве). Современная биотехнология оказывает огромное влияние на все аспекты практической деятельности человека. С ее помощью в настоящее время получают десятки дорогостоящих биологически активных веществ (гормоны, ферменты, витамины, антибиотики, некоторые лекарства). Важное значение имеет биотехнология в экологизации промышленных производств на основе создания безотходных процессов; биотехнологические методы применяются для очистки воды; биологические методы подавления вредителей сельскохозяйственных культур уверенно вытесняют химические инсектициды. Благодаря биотехнологии разработаны и внедрены энерго- и ресурсосберегающие производства. Биотехнологические процессы являются базой для получения кормового и пищевого белка. Биотехнологическим способом получают возобновляемые источники энергии. Дальнейший прогресс человечества связывают с широким применением во всех сферах жизни электроники и биотехнологии. Продукты биотехнологической промышленности можно условно разделить на крупнотоннажные (этиловый спирт, дрожжи, органические кислоты, фруктозные сиропы) и медикаменты, аминокислоты, гормоны и другие продукты тонкого микробного синтеза. ТЕМА 1. КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ Строение микробной клетки. Метаболизм микробной клетки: метаболические пути, катаболизм и анаболизм. Способы питания. Методы получения чистой культуры. Питательные среды. Источники получения отдельных компонентов питательных сред. Способы подбора питательных сред для различных видов микроорганизмов. Методика культивирования микроорганизмов: подготовка посевного материала в лабораторных условиях, культивирование микроорганизмов в промышленных условиях. Получение биомассы микроорганизмов в промышленных ферментаторах: принципиальная схема ферментатора (биореактора). ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Каковы задачи биотехнологии как науки? 5

2. Охарактеризуйте метаболические процессы в микробной клетке. 3. Охарактеризуйте особенности строения микробной клетки на примере кишечной палочки. 4. Охарактеризуйте методы получения чистой культуры микроорганизмов. 5. Охарактеризуйте способы сохранения чистой культуры до промышленного использования. 6. Опишите устройство и принцип работы промышленного ферментатора. 7. Охарактеризуйте питательные среды для культивирования микроорганизмов. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Аркадьева З.А. и др. Промышленная микробиология, - М.: Высшая школа , 1989. - 380 с. 2. Баснаньян Н.А. Культивирование микроорганизмов с заданными свойствами, - М.: Наука, 1989. - 267 с. 3. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, ч. 2, - Мир, 1989. - 592 с. 4. Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология.- М.: Агропромиздат, 1990. – 335 с. 5. Ефимова М. В. Введение в прикладную биотехнологию // Учебное пособие. – РИО КамчатГТУ, 2004. – 96 с. 6. Попова Т.Е. Развитие биотехнологии в СССР.- М.: Мир, 1987.247 с. 7. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики. - М.: Мир, 1991,- 112 с. 8. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды.- М.: Мир, 1987. - 247 с. ТЕМА 2. МЕТОДЫ БИОТЕХНОЛОГИИ Основной задачей генной технологии является создание новых комбинаций наследственного материала в целых клетках микроорганизмов с последующей передачей введенной информации дочерней клетке. Генная инженерия и области ее применения. Пути введения генов. Методика генной инженерии. Роль плазмид. Закон РФ «О санитарноэпидемиологическом благополучии населения» об условиях работы в области генной инженерии. Клеточная инженерия. Клонирование культур тканей и клеток высших растений. Соматическая гибридизация клеток растений. Осо6

бенности культивирования клеток растений. Инженерия культур клеток животных и человека: клонирование, трансплантация эмбрионов, создание гибридом. Особенности культивирования клеток животных. Получение медицинских препаратов и лекарственных веществ с помощью микроорганизмов и культур тканей. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Охарактеризуйте метод генной инженерии. 2. Что такое плазмиды? Какова их роль в генной инженерии? 3. Для каких целей в генной инженерии применяются ферменты рестриктазы? Лигазы? 4. В чем заключается сущность метода клонирования растений? 5. Для каких целей применяются методы клонирования? 6. В чем заключается метод соматической гибридизации клеток? 7. В чем сущность метода трансплантации эмбрионов? 8. Охарактеризуйте гибридомную технику. 9. Для каких целей применяют методы трансплантации эмбрионов и гибридомную технику? 10. Охарактеризуйте методы получения гормонов, ферментов, интерферонов. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, ч.2,Мир, 1989. - 592 с. 2. Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология.- М.: Агропромиздат, 1990. – 335 с. 3. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов, СанПиН 2.3.2.1078-01.- М.: Минздрав России, 2002.- с. 9, 122-123, 147. 4. Ефимова М. В. Введение в прикладную биотехнологию // Учебное пособие. – РИО КамчатГТУ, 2004. – 96 с. 5. Попова Т.Е. Развитие биотехнологии в СССР.- М.: Мир, 1987.- 247 с. 6. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики. - М.: Мир, 1991,- 112 с. 7. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды.- М.: Мир, 1987. - 247 с. 8. Спиер Р.Е., Гриффитс Дж.Б. Биотехнология клеток животных. Том 1.- М.: Агропромиздат, 1989. – 366 с. 9. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия.- Новосибирск: издательство Новосибирского университета, 1994. – 304 с. ТЕМА 3. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ ОЧИ7

СТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ Взаимосвязь биотехнологии и экологии. Схема установки для очистки сточных вод. Принцип ее работы. Активный ил. Роль кислорода в процессе ферментативной «переработки» загрязнений. Методика контроля загрязненности сточных вод с помощью микроорганизмов. Биосенсоры. Применение микроорганизмов для очистки воздуха от неприятно пахнущих веществ. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Охарактеризуйте влияние развития народного хозяйства на окружающую среду. 2. Охарактеризуйте взаимосвязь биотехнологии и экологии. 3. Охарактеризуйте биотехнологические методы защиты окружающей среды. 4. Охарактеризуйте принцип действия водоочистительной установки на основе микроорганизмов. 5. Что такое активный ил? 6. Как с помощью микроорганизмов можно контролировать уровень загрязнения сточных вод? 7. Охарактеризуйте принцип действия фильтров для очистки воздуха от неприятно пахнущих веществ. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология.- М.: Агропромиздат, 1990. – 335 с. 2. Вода, которую мы пьем. Под редакцией Черного М. Учебное пособие.- ЗАО «Компания МедиаСервис», 1998.- 50 с. 3. Ефимова М. В. Введение в прикладную биотехнологию // Учебное пособие. – РИО КамчатГТУ, 2004. – 96 с. 4. Попова Т.Е. Развитие биотехнологии в СССР.- М.: Мир, 1987.- 247 с. 5. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики. - М.: Мир, 1991,- 112 с. 6. 6.Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды.- М.: Мир, 1987. - 247 с. 7. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия.- Новосибирск: издательство Новосибирского университета, 1994. – 304 с. ТЕМА 4. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЕЩЕСТВ Производство ферментов: протеазы, глюкоамилазы, α-амилазы, глюкозоизомеразы. Способы иммобилизации ферментов. Применение 8

ферментов в различных отраслях. Получение биомоющих средств. Производство этилового спирта методом иммобилизованных клеток дрожжей. Производство биогаза. Биометаногенез. Питательные среды. Схема и принцип работы дайджестера. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Охарактеризуйте способы получения ферментов с помощью микроорганизмов. 2. Охарактеризуйте принцип действия биологических моющих средств. 3. Что такое иммобилизованные клетки? В чем преимущество их использования в промышленной биотехнологии? 4. Сравните химический и биотехнологический способы получения этилового спирта. 5. Охарактеризуйте процесс биометаногенеза при производстве биогаза. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология.- М.: Агропромиздат, 1990. – 335 с. 2. Ефимова М. В. Введение в прикладную биотехнологию // Учебное пособие. – РИО КамчатГТУ, 2004. – 96 с. 3. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики. - М.: Мир, 1991,- 112 с. 4. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды.- М.: Мир, 1987. - 247 с. ТЕМА 5. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЛАСТМАСС, ТЕКСТИЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ЭЛЕКТРОНИКИ, ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Получение и применение полигидроксибутирата, пуллулана, биоклея. Применение процесса ферментации при производстве продуктов питания: сыров, йогуртов, сметаны, консервированных овощей, темпеха, миса, соевого соуса, маниока, хлебопекарных изделий, пива, соков, вин. Применение методики генетической инженерии при производстве продуктов питания. Генетически модифицированные источники пищи. Требования СанПин 2.3.2.1078-01 к этикетированию продуктов, изготовленных из генетически модифицированного сырья. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ. 9

1. Охарактеризуйте свойства и область применения полигидроксибутирата. 2. Охарактеризуйте свойства и область применения пуллулана. 3. Каким способом получают и где применяют биссусовый клей? 4. Какие материалы для электроники производят биотехнологическими методами? 5. Какие культуры микроорганизмов применяют при производстве сыров, йогурта, сметаны, кефира? 6. Охарактеризуйте процесс квашения овощей. 7. Охарактеризуйте технологию получения темпеха. 8. Какие микробиологические процессы применяются в хлебопечении? 9. Какие источники пищи называют генетически модифицированными? 10. Какая информация должна быть указана на этикетках генетически модифицированных продуктов? 11. Какие генетически модифицированные продукты производят в настоящее время? 12. Представляют ли опасность для человека генетически модифицированные продукты? 13. Для какой группы продуктов обязательно указание их происхождения как генетически модифицированных? Почему? РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология.- М.: Агропромиздат, 1990. – 335 с. 2. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов, СанПиН 2.3.2.1078-01.- М.: Минздрав России, 2002.- с. 9, 122-123, 147. 3. Ефимова М. В. Введение в прикладную биотехнологию // Учебное пособие. – РИО КамчатГТУ, 2004. – 96 с. 4. Попова Т.Е. Развитие биотехнологии в СССР.- М.: Мир, 1987.- 247 с. 5. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики. - М.: Мир, 1991,- 112 с. 6. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды.- М.: Мир, 1987. - 247 с. ТЕМА 6. ПРОИЗВОДСТВО БЕЛКОВ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ Принципиальная технологическая схема получения микробных белковых препаратов. Получение белка микроводорослей: особенности 10

метаболизма микроводорослей, выделение чистой культуры, культивирование в открытых и в закрытых системах. Получение белковоуглеводного комплекса из хлореллы. Получение дрожжевого белка на растительном субстрате и на углеводородном сырье. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Почему возникла необходимость изыскивать нетрадиционные источники пищевого и кормового белка? 2. Какие микроорганизмы используют для производства белка? 3. Каковы особенности метаболизма микроводорослей? 4. Как интенсивность освещения влияет на развитие микроводорослей? 5. Какие белковые вещества накапливают в своих клетках синезеленые водоросли? Зеленые водоросли? 6. Охарактеризуйте способы выделения чистой культуры синезеленых водорослей. 7. Охарактеризуйте процесс культивирования микроводорослей в открытых установках. 8. Охарактеризуйте процесс культивирования микроводорослей в установках закрытого типа. 9. Приведите сравнительную характеристику процессов культивирования микроводорослей в установках открытого и закрытого типа. 10. Охарактеризуйте процесс получения белка дрожжей на гидролизатах растительного сырья. 11. Охарактеризуйте процесс получения белка дрожжей на углеводородном сырье. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Аркадьева З.А. и др. Промышленная микробиология, - М.: Высшая школа , 1989. - 380 с. 2. Баснаньян Н.А. Культивирование микроорганизмов с заданными свойствами, - М.: Наука, 1989. - 267 с. 3. Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология.- М.: Агропромиздат, 1990. – 335 с. 4. Грачева И.М. и др. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия.- М.: Колос, 1992. - 375 с. 5. Ефимова М. В. Введение в прикладную биотехнологию // Учебное пособие. – РИО КамчатГТУ, 2004. – 96 с. 6. Жизнь растений. Под ред. Федорова Ал. А. Т.3.- М.: Просвещение, 1977. - 488 с. 7. Зайцев В.П., Ажгихин И.С., Гандель В.Г. Комплексное использование морских организмов.- М.: Пищевая промышленность, 1989. 11

280 с. 8. 8.Казьмин В.Д. Морская нива. – Владивосток: Дальневосточное книжное издательство, 1980. 136 с . 9. Непрерывное культивирование микроорганизмов, под редакцией Малека М., - М.: Пищевая промышленность, 1969. - 462 с. 10. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды.- М.: Мир, 1987. - 247 с. 2. ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ 1. Производство пищевых продуктов на основе процесса микробиологического брожения. 1.1. Производство вин 1.2. Производство шампанских вин 1.3. Производство пива 1.4. Производство кисломолочных продуктов (йогуртов, кефира, ацидофилина, кумыса, катыка, ряженки, простокваши) 1.5. Производство квашеных овощей 1.6. Хлебопечение 1.7. Получение соков 2. Производство пищевых и кормовых продуктов, обогащенных микробиологическим белком 2.1. Производство сыров с использованием культур плесневых грибов 2.2. Производство национальных продуктов на основе зерновых культур, белковых шротов с использованием микроорганизмов 3. Применение генной инженерии при производстве пищевых продуктов 4. Применение клонирования растений для производства пищевых продуктов 5. Возможности использования стволовых клеток в биотехнологии 6. Применение методов биотехнологии для производства гормонов 7. Применение методов биотехнологии для производства ферментов 8. Получение вакцин методами генной инженерии 9. Молекулярная диагностика заболеваний 10. Генетические болезни человека и генная терапия 11. Биотехнологическая переработка твердых отходов 12. Биодеградация нефтяных загрязнений 13. Криосохранение

12