Курс лекций по биотехнологии - часть 29

 

  Главная      Учебники - Разные     

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание   ..  27  28  29  30   ..

 

 

Курс лекций по биотехнологии - часть 29

 

 

 

225

subtilis с нарушенной регуляцией синтеза витамина В

2

. Этот штамм является 

устойчивым  к  наиболее  сильному  антиметаболиту  рибофлавина  его 

аминоаналогу  розеофлавину  и  обладают  способностью  к  сверхсинтезу 

витамина  В

2

.  При  культивировании  его  на  среде  с  мелассой  и  дрожжевым 

экстрактом  в  культуральной  жидкости  накапливается 3,5 - 4,5 г/л 

рибофлавина.  При  этом  время  ферментации  сократилось  в 3 раза.  Также 

рибофлавин  получают  химическим  методом,  используя  в  качестве 

биокатализатора  сухие  клетки  бревибактерий.  Причем,  если  биосинтез  с 

нативными  клетками  занимает  несколько  суток,  то  при  биосинтезе  с 

суспензией сухих клеток время синтеза ФАД составляет всего 15-17 часов.  

Витамин В

3

 (пантотеновая кислота). 

 

В  основном,  в  условиях  промышленного  производства  пантотеновую 

кислоту  получают  методом  химического  синтеза.  Наиболее  важной 

коферментной  формой  витамина  В

является  кофермент  ацетилирования 

(КоА).  Способностью  продуцировать  в  значительных  количествах  КоА 

обладают  многие  микроорганизмы,  в  частности,  актиномицеты.  Активно 

внедряются в промышленное производство способы получения пантотеновой 

кислоты  и  её  структурных  компонентов  из  β  аланина  и  пантотеата  калия  с

 

помощью  иммобилизованных  клеток  бактерий,  а  также  достигнуты 

существенные  успехи  при  получении  КоА  с  использованием  мутантных 

штаммов Brevibacterium ammoniagenes, которые позволяют получать до 3 г/л 

КоА.  

Витамин РР (никотиновая кислота).  

 

 

226

Одним  из  наиболее  распространеных  биотехнологических  способов 

получения 

коферментной 

формы 

никотиновой 

кислоты - 

никотинамидадениндинуклеотида  (НАД)  является  выделение  его  путем 

экстракции  из  микроорганизмов,  как  правило,  из  пекарских  дрожжей.  Для 

повышения  содержания  НАД  в  дрожжевых  клетках  культивирование 

проводят на средах с предшественниками синтеза никотиновой кислоты. Так 

при  добавлении  в  среды  культивирования  аденина  или  самой  никотиновой 

кислоты  получают  до 12 мг  НАД  на 1 г  клеток  (по  сухому  весу). 

Использование  мутантных  штаммов Brevibacterium ammoniagenes с 

одновременным 

изменением 

проницаемости 

мембраны 

клеток 

микроорганизмов  (коферменты  через  биомембраны  не  проникают)  с 

помощью  поверхностно-активных  соединений  (цетилсульфат  натрия, 

цетилпиридин хлорид) позволяет получать до 6 г/л НАД. 

Аскорбиновая кислота (витамин С).  

 

Аскорбиновая  кислота  в  промышленном  производстве  витаминной 

продукции  в  целом  занимает  наибольшую  долю,  составляющую  до 40000 

тонн  в  год  в  мире.  Ее  синтез  был  разработан  швейцарскими  учеными  А. 

Грюсснером  и  С.  Рейхштейном  в 1934 г  и  используется  до  настоящего 

времени.  Синтез  аскорбиновой  кислоты  является  многостадийным 

химическим  процессом,  в  котором  только  одна  стадия  представлена 

биотрансформацией.  Эта  стадия  трансформации d-сорбита  в L-сорбозу  при 

участии  уксуснокислых  бактерий.  Для  получения  сорбозы  используют 

глубинную ферментацию, когда культуру продуцента Gluconobacter oxydans 

выращивают  в  ферментерах  периодического  режима  с  мешалкой  и 

барботером  для  усиления  аэрации  и  массообмена  в  течение 20-40 часов  с 

 

227

результатом  по  выходу  сорбозы  до 98% от  исходного  количества  сорбита  в 

среде. Обычно, для достижения такого высокого выхода целевого продукта в 

питательную среду вносят кукурузный или дрожжевой экстракт в количестве 

около 20%. По окончании ферментации сорбозу выделяют из культуральной 

жидкости.  Помимо  оптимизации  среды  можно  совершенствовать  и 

технологическую  аппаратуру.  Например,  переход  от  периодического 

культивирования  продуцента Gluconobacter oxydans к  непрерывному  в 

аппарате колоночного типа увеличивает скорость образования сорбозы в 1,7 

раз.  

В  настоящее  время  широкое  использование  биотехнологических  процессов 

позволяет  совершенствовать  синтез  аскорбиновой  кислоты,  сокращая 

многоэтапные  и  дорогие  химические  стадии.  Например,  синтез  витамина  С 

осуществляют путем енолизации его важнейшего промежуточного продукта 

2-кето-L-гулоновой кислоты, которую, в свою очередь, получают методом 2-

х  стадийного  микробиологического  синтеза,  состоящего  из  окисления d-

глюкозы 

в 2,5-дикето-d-глюконовую 

кислоту (2,5-ДКДГК) 

и 

биотрансформации  последней  в 2-кето-L-гулоновую  кислоту (2-КГК). 

Основными продуктивными микроорганизмами обеспечивающими процессы 

окисления d-глюкозы  в 2,5-ДКДГК  и  восстановление  последней  до 2-КГК 

являются  мутантные  штаммы Erwinia punctata и Corynebacterium sp., при 

использовании  которых  выход  целевого  продукта  составляет  около 90 % от 

количества  глюкозы.  Однако,  данная  технология  имеет  существенные 

недостатки,  так  как  при  совместном  культивировании  продуцентов 

происходит ингибирование синтеза 2-КГК. Поэтому культуральную жидость 

после  выращивания  продуцента 2,5-ДКДГК  стерилизуют,  применяя 

поверхностно-активные  вещества,  что  позволяет  значительно  сократить 

потери  при  получении  гулоновой  кислоты.  Существует  и  другой 

биотехнологический способ получения гулоновой кислоты, в основанный на 

синтезе  этого  продукта  штаммом  микроорганизмов  рода Gluconobacter из 

 

228

сорбозы, производство которой имеет высокую рентабельность. Способность 

к синтезу целевого продукта обусловлено наличием у этого микроорганизма 

видоспецифических дегидрогеназ.

  

Витамин Д (кальциферол). 

  

Впервые кальциферол был выделен из рыбьего жира в 1936 г. А. Виндаусом 

и применен при лечении такого заболевания, как рахит. Он получил название 

витамина Д 

3

, так как ранее из растительных масел был выделен эргостерин 

под названием витамин Д 

1

, при облучении которого получили витамин Д 

2

 - 

эргокальциферол  (кальциферол – в  переводе  «несущий  кальций»).  В 

настоящее время производство кальциферола из эргостерина с применением 

УФ-облучения  осуществляется  биотехнологическим  методом.  В  процессе 

преобразования  эргостерина  в  эргокальциферол  принимают  участие 

микроорганизмы. Особенно богаты эргостерином клетки дрожжей всех видов 

и плесневые грибы. Так содержание эргостерина в сухой биомассе дрожжей 

составляет от 5% до 10%. В качестве промышленного источника эргостерина 

используются  дрожжи  вида Saccharomyces cerevisiae вследствие  высокого 

содержания  в  них  эргостерина.  В  анаэробных  условиях  культивирования 

происходит  накопление  в  клетках  дрожжей  сквалена  (предшественника 

эргостерина).  Индукция  синтеза  эргостерина  начинается  при  строго 

определенной  концентрации  кислорода  от 0,03 до 2%. При  этом  среда 

должна  содержать  избыток  углеводов  и  малое  количество  азота.  По 

окончании  процесса  спиртового  брожения  дрожжи  отделяют  от  барды  и 

вносят  в  питательную  среду  необходимое  количество  источников  углерода, 

азота  и  фосфора.  Ферментацию  ведут  в  аэробных  условиях 12-20 часов,  по 

окончании  которой,  клетки  дрожжей  отделяют  от  культуральной  жидкости, 

добавляют  антиоксиданты  и  сушат.  Обычно  в  такой  биомассе  содержание 

 

229

эргостерина  достигает 1,5%. При  дальнейшем  УФ-облучении  эргостерина 

получают витамин Д 

2

 который используется либо как пищевая добавка, либо 

подвергается  дальнейшей  обработке  с  целью  получения  кристаллического 

витамина Д 

2

. При получении эргостерина из дрожжеподобных грибов рода 

Candida,  сухую  массу  грибов  экстрагируют  петролейным  эфиром  для 

извлечения остаточных углеводородов. Полученная таким образом липидная 

фракция  называется  «микробный  жир»  и  является  побочным  продуктом 

микробиологической  промышленности.  Эта  фракция  может  быть 

использована  не  только  как  источник  эргостерина,  но  также  убихинона  и 

других жирорастворимых соединений. Для грибов рода Candida характерно, 

что  при  переходе  от  периодического  культивирования  на  углеводородах  к 

непрерывному в клетках сохраняются как уровень образования стеринов, так 

и относительное содержание в них эргостерина.  

Витамин А (ретинол).  

 

Витамин А - циклический, непредельный одноатомный спирт, образуемый в 

слизистой  кишечника  и  печени  из  провитаминов:  α-,  β-  и  γ-каротинов 

(наибольшей активностью обладает β-каротин, так как образует 2 молекулы 

ретинола;  другие - только  одну)  под  воздействием  фермента 

каротинооксидазы.  Каротиноиды - широко  распространенная  группа 

природных  пигментов  образуемых  высшими  растениями,  водорослями  и 

некоторыми микроорганизмами. У животных эти пигменты не образуются, а 

поступают  с  продуктами  питания  и  служат  источником  витамина  А. 

Получение  β-каротина  осуществляется  химическим  (тонкий  органический 

синтез)  и  микробиологическим  (использование  штаммов  мицелиальных 

грибов Blakslea trispora) методами. В настоящее время химический синтез β-

каротина  является  более  рентабельным.  Микробиологический  метод 

 

230

получения  β-каротина - многостадиен  и  требует  использования  достаточно 

сложной  по  составу  и  дорогой  среды  (кукурузно-соевая  среда  с 

растительными 

маслами, 

поверхностно-активными 

веществами, 

специальными  стимуляторами).  Сначала  выращивают  отдельно  разнополые 

штаммы;  затем - совместно  в  ферментере    в  течение 6-7 суток  при 

интенсивной аэрации и температуре 26 

0

 С. Если из измельченного мицелия 

экстрагировать β-каротин подсолнечным маслом, то можно использовать его 

в  виде  масляных  растворов.  Применяя  экстракцию  органическим 

растворителем  с  последующей  кристаллизацией,  получают  β-каротин  в 

кристаллическом  виде.  Использование  отходов  крахмало-паточного 

производства - кукурузного  экстракта  и  зеленой  патоки  позволяет  снизить 

себестоимость  получаемой  продукции,  а  применение  в  качестве  источника 

углерода  целлобиозы  (образуется  при  утилизации  отходов  целлюлозы) 

позволяет  в  несколько  раз  увеличить  синтез  каротиноидов  у  штаммов 

культуры Blakslea trispora.  

Убихиноны (коферменты Q).  

 

Убихиноны  в  последнее  время  вызывают  интерес  как  перспективные 

лечебные  препараты.  С  одной  стороны,  они  синтезируются  в  организме 

животных  и  человека,  делая  не  обязательным  их  поступление  с  пищевыми 

продуктами,  что  отличает  их  от  группы  витаминов,  а  с  другой  стороны, 

недостаток  убихинонов  ведет  к  нарушениям  в  обменных  процессах, 

характерных  для  проявлений  недостаточности  витаминов  групп  В  и  К. 

Убихиноны  являются  регуляторами  тканевого  дыхания,  окислительного 

фосфолирирования  в  цепи  транспорта  электронов  и  за  счет  высокой 

специфичности  проявляют  свой  регуляторный  эффект.  С  практической 

 

231

стороны наибольший интерес вызывают высшие гомологи - убихинон 9 (Ко 

9

)  и  убихинон 10 (Ко Q 

10

).  Так  убихинон 10 является  коферментом 

организма  человека,  вследствие  чего  на  его  основе  создан    лекарственный 

препарат убихинон композитум, проявляющий  общетонизирующее,                       

антиоксидантное и  иммуностимулирующее действие. 

В  производстве  убихинонов  применяются  биотехнологические  методы,  в 

основе  которых  лежит  экстракция  Ко Q из  биологического  материала.  В 

промышленном производстве убихинонов в качестве субстрата используются 

как  растительные  ткани  (каллус  риса  или  опухолевые  ткани Carthamus 

tinctorius),  так  и  микроорганизмы  с  высоким  содержанием  убихинонов, 

например, дрожжи Cryptococcus curvatus и грибы Candida maltosa.  

В  настоящее  время  используется  биотехнология  получения  убихинона-9  и 

эргостерина  из  микробных  липидов,  являющихся  побочным  продуктом 

крупного производства белково-витаминного концентрата при выращивании 

грибов Candida maltosa.  

Также  установлено,  что  биомасса  уксуснокислых  бактерий (Gluconobacter 

oxydans),  которые  используются  в  производстве  аскорбиновой  кислоты  на 

этапе  окисления d-сорбита  в L-сорбозу,  содержит  значительное  количество 

Ко Q 

10

 без примеси его гомологов. Причем,  с одной стороны, эта биомасса 

является  отходом  производства  аскорбиновой  кислоты,  с  другой  стороны, 

штаммы Gluconobacter oxydans в  биомассе  характеризуются  наибольшей 

окислительной  активностью  по  сорбиту.  Этот  уникальный  факт  позволил 

разработать  и  внедрить  совместную  технологию  получения L- сорбозы  и 

экстракции  убихинона-10  из  отсепарированной  биомассы  с  последующей 

очисткой и с выходом целевого продукта до 85%. 

8.3.   Аминокислоты.   

   Все  более  ухудшающиеся  экологические  условия  создают  для  населения 

планеты  новую  тяжелую  проблему – выживание.  Одновременно  к  этой 

проблеме  добавляются  такие  факторы  как  бедность,  плохое  питание, 

 

232

неуверенность  в  завтрашнем  дне,  стрессы.  Хорошо  изучено  благоприятное 

действие  аминокислотных  смесей  на  иммунную  систему  и  различные 

органы.  Помимо  этого,  аминокислоты  заменяют  насыщенные  белком 

пищевые продукты, недоступные для большинства населения низкоразвитых 

стран. Таким образом, аминокислоты становятся в настоящее время одним из 

важнейших факторов выживания населения Земли. 

Все 20-ть аминокислот хорошо изучены (методы их синтеза давно подробно 

описаны)  и  являются  составными  элементами  белков  или  мономерами  для 

построения  природных  полипептидов.  Известно  также,  что  эти  соединения 

существуют  в  виде  оптических  изомеров.  При  этом  надо  отметить,  что 

аминокислоты  в  белках  находятся  в L и D формах (L,D стереоизомеры), 

причем  биологически  активными  являются,  в  основном, L формы,  а D 

стереоизомеры могут быть даже токсичными. Все аминокислоты делятся на 

незаменимые  и  заменимые,  в  зависимости  от  того,  синтезируются  они  в 

организме человека или нет. Приблизительно половина из 20-ти аминокислот 

являются незаменимыми, а остальные, соответственно, заменимыми.  

Незаменимые  аминокислоты  имеют  широкий  спектр  применения  как  в 

сельском  хозяйстве  (кормовые  балансирующие  добавки),  так  в  пищевой 

(биологически  активные  добавки)  и  медицинской  промышленности 

(лекарственные препараты и смеси для парентерального питания).  

В сельском хозяйстве аминокислоты используются для балансировки кормов 

по  аминокислотному  составу,  для  того,  чтобы  в  организм  животных  и  птиц 

они  поступали  в  том  соотношении,  в  каком  они  находятся  в  белках  этих 

животных  и  птиц.  Введение  аминокислот  в  корма  обеспечивает 

максимальную   скорость  синтеза  белка,  и  соответственно,  рост  биомассы 

животного.  Это  очень  важно  в  случае  "скороспелого"  животноводства, 

свиноводства и птицеводства. 

Тоже самое можно делать применительно и к питанию человека - добавлять в 

питательные  продукты  незаменимые  аминокислоты.  Это  целесообразно 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  27  28  29  30   ..