История развития биотехнологических процессов

Микроорганизмы, используемые в биотехнологических

Процессах

Из более чем 100 тыс. известных микроорганизмов в промышленности применяются всего несколько сотен видов, так как промышленный штамм должен отвечать ряду строгих требований:

1) расти на дешевых субстратах;

2) обладать высокой скоростью роста или давать высокий выход продукта за короткое время;

3) проявлять синтетическую активность в сторону желаемого про-дукта; образование побочных продуктов должно быть низким;

4) быть стабильным в отношении продуктивности и к требованиям условий культивирования;

5) быть устойчивым к фаговым и другим типам инфекций;

6) быть безвредным для людей и окружающей среды;

7) желательны термофильные, ацидофильные (или алкофильные) штаммы, поскольку с ними легче поддерживать стерильность в производстве;

8) интерес представляют анаэробные штаммы, так как аэробные создают трудности при культивировании – требуют аэрирования;

9) образуемый продукт должен иметь экономическую ценность и легко выделяться.

На практике применяются штаммы четырех групп микроорганизмов:

– дрожжи;

– мицелиальные грибы (плесени);

– бактерии;

– аскомицеты.

Термин «дрожжи» в строгом смысле не имеет таксономического значения. Это одноклеточные эукариоты, относящиеся к трем классам: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.

К аскомицетам относят, прежде всего, Saccharomyces cerevisiae, определенные штаммы которого используются в пивоварении, виноделии, производстве хлеба, этилового спирта.

Аскомицеты Saccharomyces lipolytica деградируют углеводороды нефти и употребляются для получения белковой массы.

Дейтеромицет Candida utilis используют как источник белка и витаминов и выращивают на непищевом сырье: сульфитных щелоках, гидролизатах древесины и жидких углеводородах.

Дейтеромицет Trichosporon cutaneum окисляет многие органические соединения, в том числе токсичные (например, фенол), и используется при переработке стоков.

Мицелиальные грибыиспользуют:

– в получении органических кислот: лимонной (Aspergillus niger), глюконовой (Aspergillus niger), итаконовой (Aspergillus terreus), фурмаровой (Rhizopus chrysogenum);

– в получении антибиотиков (пенициллина и цефаллоспорина);

– в производстве специальных видов сыров: камамбера (Penicillium camamberti), рокфора (Penicillium roqueforti);

– вызывают гидролиз в твёрдых средах: в рисовом крахмале при получении сакэ, в соевых бобах при получении темпеха, мисо.

Полезные бактерии относятся к эубактериям.

Промышленное применение с давних времен имеют молочнокислые бактерии родов Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus.

Уксуснокисные бактерии родов Acetobater, Gluconobacter превращают этанол в уксусную кислоту.

Бактерии рода Bacillus используются для производства вредных для насекомых токсинов, а также для синтеза антибиотиков и аминокислот.

Бактерии рода Corynebacterium используются для производства аминокислот.

Из актиномицетов наиболее представительными являются рода Streptomyces и Micromonospora, используемые в качестве продуцентов антибиотиков. При росте на твердых средах актиномицеты образуют тонкий мицелий с воздушными гифами, которые дифференцируются в цепочки конидиоспор.

В настоящее время с помощью микроорганизмов синтезируют следующие соединения:

– алкалоиды,

– аминокислоты,

– антибиотики,

– антиметаболиты,

– антиоксиданты,

– белки,

– витамины,

– гербициды,

– ингибиторы ферментов,

– инсектициды,

– ионофоры,

– коферменты,

– липиды,

– нуклеиновые кислоты,

– нуклеотиды и нуклеозиды,

– окислители,

– органические кислоты,

– пигменты,

– поверхностно-активные вещества,

– полисахариды,

– противоглистные агенты,

– противоопухолевые агенты,

– растворители,

– ростовые гормоны растений,

– сахара,

– стерины и превращенные вещества,

– факторы транспорта железа,

– фармакологические вещества,

– ферменты,

– эмульгаторы.

ПРОИЗВОДСТВО БЕЛКОВ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ

ОРГАНИЗМОВ

Целесообразность использования микроорганизмов для

Производства белка

В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей от 60 до 120 г полноценного белка.

Для поддержания жизненных функций организма, построения клеток и тканей необходим постоянный синтез различных белковых соединений. Если растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все аминокислоты из углекислого газа, воды, аммиака и минеральных солей, то человек и животные не могут синтезировать некоторые аминокислоты (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин). Эти аминокислоты называются незаменимыми. Они должны поступать с пищей. Их недостаток вызывает тяжелые заболевания человека и понижает продуктивность сельскохозяйственных животных.

В настоящее время мировой дефицит белка составляет около 15 млн.т. Наиболее перспективен микробиологический синтез. Если для крупного рогатого скота требуется 2 месяца для удвоения белковой массы, для свиней – 1,5 месяца, для цыплят – 1 месяц, то для бактерий и дрожжей – от 1 до 6 часов. Мировое производство пищевых белковых продуктов за счет микробного синтеза составляет более 15 тыс. т в год.

Рассмотрим пример: время удвоения кишечной палочки составляет 20 мин, тогда через 20 мин из одной клетки образуется две дочерних, через 40 мин – четыре «внучки», через 60 мин – восемь «правнучек», через 80 мин – 16 «праправнучек». Через 10 ч 40 мин из одной бактерии будет образовано свыше 6 млрд. бактерий, что соответствует населению Земли, а через 44 ч из одной бактерии массой 1•10^{-12 г образуется} биомасса в количестве 6•10²⁴ г, что соответствует массе Земли.

Использование различных микроорганизмов в качестве источников белка и витаминов обусловлено следующими факторами:

а) возможностью использования для культивирования микроорганизмов разнообразных химических соединений, в том числе отходов производств;

б) относительно несложной технологией производства микроорганизмов, которое может осуществляться круглогодично; возможностью его автоматизации;

в) высоким содержанием белка (до 60…70 %) и витаминов, а также углеводов, липидов в микробиальных препаратах;

г) повышенным содержанием незаменимых аминокислот по сравнению с растительными белками;

д) возможностью направленного генетического влияния на химический состав микроорганизмов в целях совершенствования белковой и витаминной ценности продукта.

Для промышленного производства пищевых продуктов на основе микроорганизмов необходимы тщательные медико-биологические исследования. Такие продукты должны пройти всестороннюю проверку для выявления канцерогенного, мутагенного, эмбриотропного действия на организм человека и животных. Токсикологические исследования, усвояемость продуктов микробного синтеза – основные критерии целесообразности технологии их производства.

Для получения белков используются дрожжи, бактерии, водоросли и мицелиальные грибы.

Преимуществом дрожжей перед другими микроорганизмами является их технологичность: устойчивость к инфекциям, легкость отделения от среды благодаря крупным размерам клеток. Они способны накапливать до60 % белка, богатого лизином, треонином, валином и лейцином (этих аминокислот мало в растительных кормах). Массовая доля нуклеиновых кислот составляет до 10 %, что вредно действует на организм. В результате их гидролиза образуется много пуриновых оснований, превращающихся затем в мочевую кислоту и ее соли, которые являются причиной мочекаменной болезни, остеохондроза и других заболеваний. Оптимальная норма добавок дрожжевой массы в корм сельскохозяйственных животных составляет от 5 до 10 % от сухих веществ. Дрожжи применяются для пищевых и кормовых целей.

Преимуществами бактерий является высокая скорость роста и способность синтезировать до 80 % белка. Полученный белок содержит много дефицитных аминокислот: метионина и цистеина. Недостатками являются маленькие размеры клеток и низкая их концентрация в культуральной среде, что затрудняет процесс выделения. В некоторых бактериальных липидах могут содержаться токсины. Массовая доля нуклеиновых кислот до 16 %. Используются только для кормовых целей.

Преимуществами водорослей являются высокое содержание полноценного по аминокислотному составу белка, накапливающегося в количестве 65 %, легкое выделение водорослей из культуральной среды, низкое содержание нуклеиновых кислот – 4 % (для сравнения – у высших растений 1…2 %). Водоросли используются для пищевых и кормовых целей.

Мицелиальные грибы традиционно используются в качестве пищевого продукта в странах Африки, в Индии, Индонезии, Китае и др. Накапливают до 50 % белка, по аминокислотному составу приближающегося к белку животного происхождения, богаты витаминами группы В. Клеточные стенки тонкие и легко перевариваются в желудочно-кишечном тракте животных. Массовая доля нуклеиновых кислот составляет 2,5 %.

С 1985 г микробиальный белок используется в пищевой промышленности для изготовления различных продуктов и полуфабрикатов.

В производстве пищевых продуктов рассматриваются три основные формы использования микробного белка:

1) цельная масса (без разрушения клеточных стенок);

2) частично очищенная биомасса (предусматривается разрушение клеточных стенок и удаление нежелательных компонентов);

3) выделенные из биомассы белки (изоляты).

ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) сделала заключение, что белок микроорганизмов можно использовать в продуктах питания, но допустимое количество нуклеиновых кислот, вводимых вместе с белком в диету взрослого человека не должно превышать 2 г в сутки. Введение микробиального белка не вызывает отрицательных последствий, но встречается проявление аллергических реакций, желудочные заболевания и т.д.

Использование дрожжей

В конце 19 века в Германии была разработана технология производства хлебопекарных дрожжей, во время первой мировой войны дрожжи стали использоваться в качестве пищевой добавки в производстве супов и колбас, а также начала развиваться технология производства кормовых дрожжей.

До сих пор культивирование пивных дрожжей Saccharomyces serevisiae (carlsbergensis) остается важным резервом пищевого белка и витаминов. Организм человека усваивает свыше 90 % всех питательных веществ, содержащихся в них. В составе этих дрожжей обнаружено 14 витаминов, особенно они богаты витаминами группы В.

При переработке биомассы в пищевой белок ее тщательно очищают. Сначала разрушают стенки дрожжевых клеток путем механической, щелочной, кислотной или ферментативной обработки с последующей экстракцией гомогенной дрожжевой массы подходящим органическим растворителем. Затем щелочным раствором растворяют белки, и белковый раствор отделяют от клеточной массы диализом. Очищенные от низкомолекулярных примесей белки осаждают и используют в качестве белковых добавок в различные пищевые продукты – сосиски, колбасы, паштеты, мясные начинки. Также сухой белок можно текстурировать.

Некоторые дрожжевые клетки (родов Candida, Rhodotorula, Torulopsis, Trichosporon) в качестве источника углерода для роста способны использовать неразветвленные углеводороды с числом от 10 до 30 углеродных атомов в молекуле. В основном они представлены жидкими фракциями углеводородов нефти с температурой кипения от 200 до 320 ºС. Первоначально проект возник из необходимости утилизировать парафины, остающиеся в количестве от 10 до 15 % после очистки газойля. В питательную среду добавляют макро- и микроэлементы, витамины и аминокислоты. В России завод по производству кормовых дрожжей на парафинах нефти был построен в 1971 г. (его продуктивность составила около 1 млн. т в год). Высушенная белковая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат в кормопроизводстве.

Хорошим субстратом для выращивания кормовых дрожжей родов Torula, Kluyveromyces является молочная сыворотка. В 1 т молочной сыворотки содержится около 10 кг белка и 50 кг лактозы. Методом ультрафильтрации белки отделяют, а раствор лактозы используют для культивирования дрожжей.

В качестве источников углерода дрожжевые клетки могут использовать и низшие спирты – метанол и этанол, получаемые из природного газа или растительных отходов. При этом дрожжевая масса содержит больше белков (56…62 % от сухой массы) и меньше вредных примесей (производных бензола, D-аминокислот, аномальных липидов, токсинов, канцерогенов), чем кормовые дрожжи, выращенные на парафинах нефти.

Для выращивания дрожжей на гидролизатах растительного сырья используются Candida arboreaиCandida utilis, они применяются для пищевых целей и используются в качестве белковых добавок к различным продуктам. Например, в США на основе Candida utilis производят торутеин, который добавляют в продукты питания, после чего они считаются диетическими с высоким содержанием протеина.

Использование бактерий

Известно более 30 видов бактерий, которые могут быть применены в качестве источников полноценного кормового белка.

Источником углерода при культивировании бактерий могут служить природный и попутный газы, водород, а также спирты – метанол, этанол, пропанол.

Чаще всего на газовых питательных средах выращиваются бактерии рода Methylococcus, способные утилизировать от 85 до 90 % метана в специальных ферментерах. Однако производство кормового белка на газовых средах достаточно дорого. Более широко применяется технология выращивания бактерий на метаноле, который легко получают путем окисления метана. Чаще всего используют бактерии родов Methylomonas, Methylophilus, Pseudomonas. Концерном ICI выпускается кормовой препарат прутин. В России – меприн. В этом препарате содержится до 74 % белков (от сухого вещества), до 5 % липидов, 10 % минеральных веществ, от 10до 13 % нуклеиновых кислот.

К числу бактерий с высокой интенсивностью синтеза белков следует отнести водородокисляющие бактерии, способные накапливать до 80 % белка (в расчете на сухое вещество). Для их культивирования в газовой среде должно содержаться от 70 до 80 % водорода, от 20 до 30 % кислорода, от 3 до 5 % углекислого газа. Производство может быть организовано вблизи химических предприятий.

Использование водорослей

Уже в 1521 г, после завоевания Мексики, испанец Бернал Диаз дель Кастильо сообщал, что ацтеки употребляют в пищу диковинные пирожки, похожие на сыр. На озере Чад (Африка) туземцы племени канембу употребляют в пищу клубки сине-зеленых водорослей.

Для получения кормового белка используют одноклеточные водоросли Chlorella и Scenedesmus, сине-зеленые водоросли (цианобактерии) Spirulina (Spirullina platensis, Spirullina getleri), способные синтезировать белки из углекислого газа, воды и минеральных веществ за счет энергии солнечного света. Для своего развития водоросли нуждаются в определенных режимах освещения и температуры и в больших объемах воды. Обычно их выращивают в естественных условиях южных регионов и бассейнах открытого типа (Мексика, Чад, Нигерия, Камерун, Италия, Япония, Израиль, Узбекистан и др.). Водоросли хлорелла и сценедесмус нуждаются в нейтральной среде, их клетки имеют достаточно плотную целлюлозную стенку, в результате чего хуже перевариваются в организме животных, чем спирулина, которую выращивают в щелочных озерах.

С 1 га водной поверхности можно получать до 70 т сухой биомассы в год, что превышает выход биомассы при возделывании пшеницы, риса, сои, кукурузы.

Содержание белков в клетках хлореллы и сценедесмуса составляет около 55 % (в пересчете на сухое вещество), а в клетках спирулины – 65 %. Водоросли хорошо сбалансированы по аминокислотному составу (кроме метиотина), в них содержится довольно много полиненасыщенных жирных кислот и β-каротина.

При скармливании спирулины животным не обнаружено аномалий и патологических эффектов, обеспечивается норма скорости роста.

Белковая масса из клеток водорослей поступает в продажу в виде суспензии, сухого порошка или пастообразного препарата. Процесс отделения клеток водорослей от массы воды – наиболее трудоемкая стадия.

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: