Биотехнологии в пищевой индустрии открывают производство улучшенных, безвредных продуктов питания, внедрение экологически чистых производственных процессов, а именно выпуск ферментов, изготовление пробиотических, пребиотических продуктов, создание новейших пищевых компонентов, применение ГМО. Сюда же относится создание биосенсоров для контроля безопасности и качества пищевой продукции.
Развитие биотехнологий в пищевой промышленности – одна из актуальных тем, т.к. традиционный метод из-за роста населения, сокращения ресурсов, изменения климата уже не всегда подходит даже сегодня. Разберемся, каковы перспективы биотехнологии в пищевой промышленности.
Биотехнологии в агропромышленности
Роль в повышении урожайности, устойчивости к болезням и изменению климата
Для хороших урожаев, сопротивляемости к заболеваниям и адаптации к меняющимся климатическим условиям применяют генетическую инженерию. По прогнозам ученых климат так и продолжит меняться, поэтому о способах повышения урожайности приходится задумываться.
Биотехнологии помогают:
- Разработать биологические удобрения для улучшения качества почвы.
- Вывести сорта культур и виды животных, которые были бы устойчивее к заболеваниям, фитовредителям.
- Создавать новые вакцины, выявлять и предотвращать болезни, разрабатывать новый подход в терапии скота и культурных растений.
- Заготовить силос для корма животных, что особенно важно в зимние месяцы.
- Решить проблему с отходами сельского хозяйства.
Примеры: лабораторное мясо, суперурожайные культуры, биоудобрения
Приведем примеры достижений в биотехнологической отрасли.
- Мясо, произведенное альтернативными методами. Создается благодаря культивированию клеток и ферментации. Итог: экологически чистая замена обычному мясу.
- Использование биологических препаратов и удобрений, подвергшихся биоактивации, повышает урожайность агрокультур в сравнении с привычными методами ведения сельского хозяйства. Сбор яровых и зерновых увеличивается на 15-20%, озимых – на 16-22%, а зернобобовых и пропашных культур может вырасти до 25%.
Цифры: объем рынка, темпы роста (глобально и в России)
По оценке специалистов Центра отраслевой экспертизы Россельхозбанка, к 2028 году российский рынок биотехнологий вырастет до более чем 4,2 миллиона тонн продукции. В денежном эквиваленте – это свыше 700 млрд. рублей. Ожидается, что к 2025 году объем биотехнологического рынка в России достигнет отметки в 325 млрд.рублей, что на 29% больше, чем в 2018 году. Прогнозируется, что к 2026 году пищевые биотехнологии займут 14% от общего объема рынка биотехнологий в стране.
К 2032 году мировой рынок биотехнологий достигнет 13,03 млрд. $США. В период с 2026 по 2032 год возможен среднегодовой темп роста 29%. По данным на начало 2025 года, размер глобального рынка биотехнологий составил 1,55 трлн. $США. Ожидается, что к 2034 году этот параметр достигнет 4,61 трлн. $США.
Современные подходы селекции
Классическая селекция: принципы и примеры
Селекция – это подбор подходящих особей, чтобы добиться здорового и сильного потомства. Селекционеры выбирают представителей растительного или животного мира с нужными признаками. Далее проводят их скрещивание для получения аналогичных черт у потомков. Процесс повторяется неоднократно, пока желаемая характеристика не закрепится. Например, возникновение клубники – это результат успешного соединения североамериканской и южноамериканской земляники. Такая селекция называется классической.
Мутационная селекция: методы, плюсы и риски
Мутационный тип селекции стал продолжением традиционных методов. Стремясь ускорить получение сортов и пород с нужными характеристиками, ученые обратились к мутагенезу, позволяющему быстрее добиваться необходимых модификаций.
Мутация происходит посредством физического (например, рентгеновское или гамма-излучение) или химического воздействия на семена, ростки, клетки растений. Для выведения семян с устойчивостью к заболеваниям обрабатывают пестицидами. После прорастания, растения скрещиваются между собой. Отбираются наиболее перспективные образцы. Подход широко распространен в мировом масштабе и в России. Это плюсы мутационной селекции.
Но есть и минусы. Речь идет о непредсказуемых мутациях на генетическом уровне. В результате селекции томатов были утрачены гены, отвечающие за интенсивность вкуса и аромата. Это произошло из-за того, что секционеры сосредоточились на получении другого качества. Например, стремились достичь морозоустойчивости культуры. Для восстановления вкуса и запаха ученым помогает молекулярная селекция.
Молекулярная селекция: анализ ДНК, точечное улучшение
Молекулярная селекция позволяет делать анализ ДНК с целью выбора растений или животных, обладающих нужными характеристиками. Вместо длительного ожидания визуального проявления признаков, исследователи определяют конкретные гены. После этого отбирают и скрещивают организмы с предпочтительными генными вариантами. Метод ускоряет и повышает точность улучшения сортов и пород.
В свою очередь молекулярная селекция переходит в область биотехнологий на этапе применения клеточной и генной инженерии. Эти методы дают возможность разрабатывать модифицированные организмы с улучшенными показателями, что является фундаментом для биотехнологических разработок. Рассмотрим указанные подходы более подробно.
Клеточная и генная инженерия
Клеточная инженерия ставит своей целью разработку инновационных клеток или клеточных культур с заранее определёнными характеристиками. Генная инженерия сконцентрирована на трансформации генетического материала живых существ – введении, исключении, корректировке конкретных генов.
Клеточная и генная инженерия пересекаются. Эти две области тесно взаимодействуют: модификации генетического материала оказывают влияние на клеточные функции, а методы клеточной инженерии обеспечивают эффективное введение генетических изменений в ДНК.
Примеры продуктов: искусственное мясо, заменители молока, биоферментация
Одним из примеров инженерии – получение искусственного мяса. Это продукт, культивируемый в лабораторной среде из клеток животных. При этом убивать животное не требуется. Его называют культивированным мясом или мясом, выращенным в пробирке.
Другой пример: получение заменителей молока. Для этого применяют методы генной инженерии. Этот подход позволяет создавать продукты, производящие молочные протеины. Их состав соответствует натуральным. Но без участия животных. Процесс включает в себя введение генов, кодирующих синтез молочных белков, в такие организмы, как дрожжи, растительные культуры, соя.
Есть еще один биотехнологический метод – биоферментация. К примеру, при производстве аналогов кисломолочной продукции используют лактобактерии. Итог: густая масса, имитирующая привычный продукт.
Роль ГМО, мифы и реальность: примеры AquaAdvantage, ГМ-коровы для инсулина
Организмы, подвергшиеся генетической модификации, имеют большое значение в различных областях. Но их применение не обходится без разногласий. Например, Лосось AquAdvantage – это первый вид животного ГМО, получивший разрешение на употребление в пищу людьми в США и Канаде.
Противники ГМО высказывают опасения, что генно-модифицированный лосось способен спровоцировать аллергические реакции. Постепенно дикая популяция исчезнет. Но на самом деле Американское Управление по санитарному надзору (FDA) доказало обратное. Лосось AquAdvantage не демонстрирует каких-либо значимых различий в питательной ценности и биологическом составе в сравнении с обычным лососем. Чужеродная ДНК не способна причинить вред рыбе.
Еще один пример: выведение ГМ-коров для получения инсулина. Авторы эксперимента утверждают, что стадо из ста ГМ-коров способно обеспечить инсулином всю Америку. Противники ГМО высказывают опасения, связанные с побочными реакциями, угрозами здоровью человека и природе.
Использование CRISPR/Cas-9: кто создал, зачем, где применяется (еда и медицина)
CRISPR/Cas-9 – это метод генной инженерии, позволяющий вносить коррективы в ДНК: вставлять, убирать, модифицировать гены в клетках различных организмов. Создатели технологии: ученые Дженнифер Даудна (США) и Эммануэль Шарпантье (Германия). В медицине применяется для борьбы с наследственными и инфекционными болезнями, для исследования и лечения раковых недугов.
Биотехнологии в пищевой промышленности
Производство ферментов, белков, пробиотиков
Производство ферментов, белков, пробиотиков – это основные направления биотехнологий в пищевой промышленности. Создание ферментных составов происходит с использованием микроорганизмов, обладающих способностью к производству.
Ферменты – это биологически активные вещества, выполняющие роль ускорителей химических процессов. Производство биотехнологичного белка – это процесс получения определенного белка с помощью манипуляций с генами. Производство пробиотических препаратов – это многоступенчатый процесс. Требует строгого соблюдения ряда условий и применения специализированных технологических подходов.
Альтернативное мясо, персонализированное питание, функциональные продукты
Приведем примеры биотехнологичных продуктов питания. Альтернативное мясо, как упоминалось выше, получают за счет культивирования клеток и процессов ферментации. Разработка индивидуального питания, когда изучают генетический код, метаболизм человека и на основании этого формируют рацион. К функциональным продуктам относят еду с усиленной питательной ценностью. В них добавлены пробиотические культуры, пребиотики, витаминные комплексы, прочие ценные компоненты, полученные с применением биотехнологий.
Биосенсоры: контроль качества и безопасность пищи
Биосенсоры — инструменты, предназначенные для анализа и определения состава веществ. Они функционируют через трансформацию биологического взаимодействия в измеримый сигнал. Их применение широко распространено в сфере мониторинга безопасности и качественных характеристик в еде.
Биотехнологии и виноделие
Биотехнологии применимы даже в виноделии. В ближайшие годы ожидается рост продаж вина. Рассмотрим биометоды, используемые для изготовления вина.
ГМ-дрожжи и их преимущества
В 2006 году исследователи разработали первые ГМ винные дрожжи, получившие название ML01. Эти дрожжи препятствуют накоплению опасных соединений – биогенных аминов, которые продуцируются молочнокислыми бактериями в процессе виноделия.
Удаление вредных соединений (мочевина → этилкарбамат)
Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН создали метод генетической модификации дрожжей. Способ заключается в удалении гена CAR1, отвечающего за производство мочевины. Такой подход позволяет избежать избыточного накопления мочевины в вине и предотвратить образование этилкарбамата. Этилкарбамат – это вещество с канцерогенными свойствами. Оно появляется при хранении вина. Модифицированные дрожжи были созданы с использованием передовой технологии CRISPR/Cas-9.
Омиксные технологии и микробные среды: как влияют на вкус, аромат, устойчивость винограда
Омиксные технологии изучают структуру и функционирование генов. Омиксный подход важен для диагностики заболеваний. С его помощью, например, был разработан сорт винограда, невосприимчивый к заражению Xylella fastidiosa. Микробные технологии отвечают за вкус и запах вина. Современные биотехнологические методы позволяют искусственно их воспроизводить. Изменение свойств вина возможно путем переноса его производства в более подходящий климат. Но это требует отказа от земли, обрабатывавшейся на протяжении тысячелетий. Там микробы эволюционировали вместе с сортом. Искусственно созданные колонии бактерий могут компенсировать функции микроорганизмов, обычно связанных с лозой.
Перспективы и вызовы
Потенциал: устойчивое питание, доступность, снижение экологического следа
В перспективе основные направления биотехнологии в пищевой промышленности открывают массу возможностей для достижения продовольственной безопасности, расширения ассортимента доступных продуктов, уменьшения негативного воздействия на природу.
Проблемы: регулирование, восприятие ГМО, цена, этика
Но есть ряд проблем. Например, на текущий момент до сих пор отсутствует единое законодательство международного уровня. Новые технологии находятся в неопределенном правовом статусе, т.к. существующих законодательных норм недостаточно. Получить разрешение на использование биотехнологий крайне сложно.
Комментарии экспертов, прогнозы на ближайшие 10 лет
Эксперты прогнозируют быстрое развитие биотехнологий в ближайшие 10 лет, т.к. их внедрение, применение сложно переоценить. Это важно для жизни будущих поколений.
Заключение
Мы можем увидеть, какие перспективы биотехнологии в пищевой промышленности открываются. Открытия и инновации, сплоченность между научными кругами, предпринимательством, государственными структурами, помогут раскрыть потенциал биотехнологий в деле обеспечения граждан качественным и безвредным продовольствием. Есть ряд преимуществ.
С экономической точки зрения затраты на производство продуктов будут снижены, продукты будет легче хранить, транспортировать. С помощью биотехнологий можно добиться высоких объемов производства, создавать новую здоровую продукцию. С экологической точки зрения больше не потребуется применение огромного количества химических веществ. Загрязнения окружающей среды сократятся. Необходимость в обработке культур, выращиваемых на земле, химикатами отпадает. Новые, полученные с помощью биотехнологий ресурсы, будут использоваться более эффективно.
Информация и материалы, представленные на сайте: skolkovo-resident.ru взяты из открытых источников, расположенных в сети «Интернет». Администрация сайта не имеет какого — либо отношения к Федеральному государственному бюджетному учреждению «Фонд Сколково» и иным институтам развития, а также не является аффилированным лицом по отношению к данным организациям и / или к их сотрудникам.
