Биотехнология производства метаболитов. Инженерная энзимология. Биотехнология в пищевой промышленности.

План лекции:

1. Получение первичных метаболитов: незаменимых аминокислот, органических кислот, витаминов.

2. Получение вторичных метаболитов.

3. Технология получения и использования ферментов. Иммобилизованные ферменты.

4. Культивирование микроорганизмов.

5. Биотехнология в пищевой промышленности.

Обычно в производстве ферментов, витаминов, белков и др. применяют микроорганизмы, используя продукты их жизнедеятельности.

Первая группа – ферменты и полисахариды как продукты жизнедеятельности. Источниками для получения являются бактерии, дрожжи и другие грибы.

Вторая группа – первичные метаболиты, к которым относятся вещества, необходимые для роста и развития самой клетки: аминокислоты, органические кислоты, витамины.

Третья группа – вторичные метаболиты: антибиотики, токсины, алкалоиды. Эти вещества уже не нужны микроорганизмам, они синтезируются после исчерпания энергии питательной среды.

1. Получение первичных метаболитов: незаменимых аминокислот, органических кислот, витаминов.

Первичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения. Обычно микробные клетки не производят избытка первичных метаболитов, что было бы расточительно и уменьшало способность к выживанию. Но есть штаммы с нарушениями регуляции синтеза, именно эти штаммы служат исходными для промышленных процессов.

Производство аминокислот.

Аминокислоты включены в синтез ферментов, гормонов, антибиотиков и многих других важных веществ. В организме животных половина аминокислот не синтезируются. Они называются незаменимыми аминокислотами и поступают в организм с пищей. Недостаток хотя бы одной из них ведет к нарушению обмена веществ. Незаменимые аминокислоты – это: валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, цистеин, тирозин.

Введение незаменимых аминокислот в корма животных (куры, свиньи, коровы) позволяет обеспечить их белковой пищей. Выход продукции при этом увеличивается на 20 %. Аминокислоты также используют в качестве приправ и усилителей вкуса (глицин, глутаминовая кислота), в фармацевтической промышленности (гистидин – противовоспалительное средство, цистеин), в качестве пищевых и кормовых добавок (лизин, метионин, треонин, триптофан, метионин и др.)

В промышленных масштабах белковые аминокислоты получают:

1. Гидролизом природных белков.

Белки нагревают с раствором кислот (HCl) или щелочей 20-48 часов при t =100-105°C. Чтобы не разрушались и сами аминокислоты, гидролиз проводят в вакууме или в атмосфере инертного газа. Обычно этот способ используют для получения аминокислот в научных целях.

2. Химическим синтезом.

Для этого способа используют ферменты микроорганизмов: гидролазы, дегидрогеназы, лиазы, лигазы, изомеразы. В результате действия ферментов, полученные аминокислоты не надо очищать от побочных продуктов. Но этот способ самый дорогой.

3. Микробиологическим синтезом.

Этот способ перспективен и экономически выгоден, т.к. аминокислоты производят микроорганизмы (дрожжи, стрептомицеты, бактерии, микроскопические грибы). Характерной особенностью является полное использование побочных продуктов, что превращает производство в безотходное и экологически чистое (Все аминокислоты образуются в ходе разветвленного метаболического пути; все побочные продукты – аминокислоты, которые так же используются по назначению).

Не зафиксировано никакой связи между таксонометрическим положениям микроорганизма и его способностью к продуцированию той или иной аминокислоты. Обычно микроорганизмы выделяют во внешнюю среду очень незначительное количество аминокислот. И лишь некоторые штаммы способны к сверхсинтезу аминокислот. (Штамм, выделяющий глутамат, использовали при организации крупномасштабного производства глутаминовой кислоты микробиологическим синтезом в Токио в 1956г.).

Перспективные штаммы постоянно улучшают посредством селекции мутантов с измененной генетической программой и регуляторными свойствами. Объектами этой программы являются несколько родов бактерий.

Производство витаминов.

Витамины относятся к биологически активным веществам, необходимых организму в ничтожно малых дозах. Их недостаток приводит к нарушениям обмена веществ. Гетеротрофы (животные, человек) не способны к синтезу витаминов. Этой способностью обладают лишь автотрофы (растения) и некоторые микроорганизмы, которые и стали объектами биоиндустрии витаминов. С помощью микроорганизмов получают витамины В2, В12, провитамин А и предшественники витамина D. Их используют в качестве лечебных препаратов, вводят в корм животных и применяют для интенсификации биотехнологических процессов.

В2 (рибофлавин) – продуцируется грибом на питательных средах

В12 – активно применяется в медицине при лечении ряда заболеваний, повышает продуктивность сельскохозяйственных животных. Продуцентами витамина служат аминокислоты, одноклеточные водоросли, фотосинтезирующие бактерии.

Провитамин А – получается микробиологическим синтезом впромышленных масштабах; продуценты: дрожжи, актиномицеты, плесневые грибы и бактерии.

Витамин D (кальциферол) – получают с помощью дрожжей из дешевого сырья.

Производство органических кислот.

Получают уксусную, лимонную, молочную, яблочную и др. Наибольшее значение имеет уксусная кислота, ее применяют при получении пластмасс, каучука, инсектицидов. Продуцентом является ацетобактерия.

Лимонную кислоту широко применяют в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности, при очистке металлов от примесей. Для ее производства используют культуру гриба аспергилла.