Получение аминокислот, органических кислот и витаминов

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, 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 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 (Ь,0-стереоизомеры), причем биологически активны 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. Их можно получить как из природных продуктов (главным образом, при гидролизе белков растения), так и путем химического, микробиологического или ферментативного синтеза. Химический анализ дает продукты, которые требуют дальнейшей обработки; микробиологический и ферментативный синтезы позволяют получить оптические чистые аминокислоты.

Приблизительно половина из 20 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 (лекарственные препараты и смеси для парентерального питания) промышленности.

В сельском хозяйстве аминокислоты используются для балансировки кормов по аминокислотному составу, 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.

В питательные продукты для человека также можно добавлять незаменимые аминокислоты. Это целесообразно делать или по медицинским показаниям, или в силу каких-либо соображений, когда человек питается только растительной пищей (растительными белками). Эту пищу можно оптимизировать и улучшить ее питательные свойства, сбалансировав ее по аминокислотному составу путем добавления туда лизина, треонина, метионина (например, в пищу для вегетарианцев). Кроме того, что аминокислоты имеют огромное значение для нашей пищи, они также широко используются и в традиционной клинической практике.

Аминокислоты получили широкое применение в парфюмерной и фармацевтической промышленности, в пищевой – в качестве усилителей вкуса (глицин добавляют как подсластитель, натриевая соль глутаминовой кислоты имеет мясной вкус), они используются как пищевые добавки для обогащения растительных белков (лизин, треонин, триптофан).

В настоящее время аминокислоты получают методами:
• биологическим (применение гидролиза белоксодержащих субстратов);

• химическим (тонкий органический синтез);

• химико-энзиматическим (энзиматическая трансформация химически синтезированных предшественников аминокислот с образованием биологически активных L-изомеров);

• микробиологическим (получение L-аминокислот).

Древнейший способ получения аминокислот — кислотный, щелочной или ферментативный гидролиз белоксодержащих субстратов (мясо, молоко и т.д.). При высокой температуре белок расщепляется на соответствующие аминокислоты или фрагменты, состоящие из нескольких аминокислот. При этом образуется смесь аминокислот и пептидов. Извлечение из этой смеси какой-либо определенной аминокислоты — довольно сложная, но, тем не менее выполнимая задача. Само по себе сырье (мясо и белок молока — казеин) — дорогостоящий продукт, и этот метод применяется, когда имеют дело с «бросовым» сырьем, т.е. с отходами производства (таким сырьем являются рога, копыта, волосы, перья и пух, состоящие из кератина, в котором содержится очень много серосодержащей кислоты цистеина, и – в небольших количествах — других аминокислот).

Следующий способ получения чистых аминокислот – химический синтез. Их синтезируют подобно другим органическим кислотам, это не сложно. Однако в процессе химического синтеза получается смесь D- и L-стереоизомеров (иногда получается и большее количество изомеров), а как известно, в белках человека биологически активны только L-стереоизомеры аминокислот, поэтому существуют трудности разделения этих изомеров. Кроме того, химическое производство аминокислот, как правило, связано с использованием дорогостоящего оборудования и нередко агрессивных токсических соединений в качестве исходного сырья. Процесс протекает при высокой температуре, требует дорогостоящих катализаторов и как всякое химическое производство сопровождается образованием побочных продуктов, загрязняет окружающую среду, небезопасно и небезвредно для обслуживающего персонала.

Тем не менее, некоторые аминокислоты получают химическим синтезом, например глицин, а также D-, L-метионин, D-изомер которого малотоксичен, поэтому медицинский препарат на основе метионина содержит D- и L-формы, хотя за рубежом в медицине используется препарат, содержащий только L-форму метионина. Там рацемическую смесь метионина разделяют биоконверсией D-формы в L-форму под влиянием специальных ферментов живых клеток микроорганизмов.

Следующий способ получения аминокислот — химико-энзиматический. Как видно из названия, этот метод получения аминокислот предполагает два этапа. Сначала химическим методом синтезируется «предшественник» — соответствующая карбоновая кислота, а затем эта карбоновая кислота (обычно в присутствии аммиака) превращается в соответствующую аминокислоту. Эта биотрансформация (биоконверсия) осуществляется ферментами живых клеток. Причем полученные L-стереоизомеры аминокислот сами по себе необходимы для жизнедеятельности этих клеток, т.е. фактически этот способ наполовину биотехнологический. Таким методом получают, например, аспарагиновую кислоту (на основе фумаровой кислоты). Раствор фумаровой кислоты пропускают через колонки, в которых иммобилизованы или ферменты, или клетки микроорганизмов с высокой активностью аспартазы, например, Escherichia coli или Serratia marcesceus; туда же подается аммиак и осуществляется биотрансформация.

Химико-энзиматически можно производить практически все аминокислоты, однако из-за дороговизны и сложности получения соответствующих органических кислот-предшественников этот метод не всегда экономически выгоден и в большинстве случаев уступает методу прямого микробиологического синтеза.

Четвертый способ получения аминокислот — их прямой микробиологический синтез — целиком основан на использовании биообъектов (т.е. является полностью биотехнологическим). В качестве биообъектов в нем применяются штаммы-продуценты аминокислот. Этим методом аминокислоты чаще всего получают на основе Escherichia coli (кишечная палочка — симбионт человека), Bacillus subtilis (сенная палочка — почвенный микроорганизм) и Corynebacterium glutamicum (почвенный микроорганизм).

Для получения аминокислот, органических кислот, ферментов, биологически активных веществ биотехологическими способами используют ауксотрофные мутанты, т.е. штаммы, приобретшие способность к сверхсинтезу нужных нам веществ. Это происходит за счет потери способности синтезировать другие необходимые соединения, которые приходится добавлять в питательную среду.

Бактерии для производства аминокислот стали использовать с начала 50-х годов ХХ века. Их штаммы улучшали генетическими методами, выделяя ауксотрофные мутанты и мутанты с измененными регуляторными свойствами. В основе большинства производственных процессов при получении аминокислот лежит регулирование условий среды (изменение концентрации субстрата, рН, ионов металлов, органических добавок), что приводит к синтезу избыточных количеств необходимого продукта.

Все эти микроорганизмы на сегодняшний день прекрасно изучены. Известна полная нуклеотидная последовательность всего их генома. Для кишечной палочки разработаны многообразные способы генетического обмена, позволяющие легко комбинировать разные гены и изменять процесс метаболизма. В меньшей степени это относится к Bacillus subtilis, и еще в меньшей степени к Corynebacterium glutamicum.

Использование этих микроорганизмов для получения аминокислот основано на их способности самостоятельно синтезировать все 20 аминокислот. Также они являются гетеротрофными бактериями, которые в качестве источника углерода используют органические соединения (углевод или какую-нибудь органическую кислоту), а все остальные компоненты получают из неорганических соединений.

Применение микроорганизмов гетеротрофов позволяет существенно сократить по времени процесс ферментации. Так, кишечная палочка в богатой питательной среде делится каждые 20-30 мин, коринебактерии – каждый час. В бедных средах – время регенерации в два раза больше (1 ч для кишечной палочки, 1,5-2 ч для коринебактерии и сенной палочки).
Вместе с тем существуют бактерии, так называемые ауксотрофные мутанты — микроорганизмы, которые, с одной стороны, утратили способность самостоятельно синтезировать необходимые для построения всех компонентов своей клетки разные аминокислоты, а с другой – приобрели способность к сверхсинтезу целевой аминокислоты. Такие мутанты получают либо воздействием различных мутагенов физической и химической природы на исходную культуру микроорганизма с последующей селекцией штамма по заранее заданным признакам, либо методами генной инженерии.

Так для производства глутамата из гидролизата крахмала, мелассы из сахарного тростника и свеклы используют Corynebacterium и Brewibacterium. Через 48-52 часа после начала культивирования в среде накапливается глутаминовая кислота, которую осаждают известковым молоком и отделяют на ионно-обменных смолах. Из всех аминокислот, вырабатываемых промышленным способом, наибольший объем приходится на глутамат натрия – около 150000 т ежегодное мировое производство. Ежегодное производство другой аминокислоты лизина – 15000 т. Основная роль в производстве этих аминокислот принадлежит японским фирмам.

Для получения лизина используют мутанты микрококков, не способные синтезировать серин, но способные к сверхсинтезу лизина. Процесс идет при непрерывном культивировании с периодической подачей питательного раствора.

Перечень препаратов на основе аминокислот и их комплексов постоянно растет и расширяется. Очень хорошую перспективу для успешного развития имеют препараты для парентерального питания, содержащие комплексы аминокислот. Они назначаются, когда питание «естественным» образом противопоказано, так как стимулирует секрецию пищеварительных желез. Например, при остром панкреатите человек не должен ни пить, ни есть, поскольку любая стимуляция секреции может привести к самоперевариванию поджелудочной железы.

Тенденция сегодняшнего дня — использование препаратов, содержащих весь комплекс аминокислот (или, по меньшей мере, 18 из них), т.е. в оптимальном для человеческого организма соотношении. В основном это импортные препараты: аминоплазмаль, кетостерил, валин (Германия); аминостерил КЕ (Финляндия); аминосол (Югославия). Некоторые из этих препаратов помимо аминокислот содержат также глюкозу и витамины. Соотношение аминокислот в них оптимальное. В организме человека в зависимости от возраста синтезируются белки соответствующего состава, например аминокислотный состав этих препаратов для детей приближается к составу грудного молока матери, для взрослых он несколько иной.

Производство органических кислот можно отнести к числу давних биотехнологических процессов. В 1893 году было налажено производство лимонной кислоты методом ферментации углеводов при участии грибов. В настоящее время в промышленном производстве лимонной кислоты в основном используются Aspergillus niger и Aspergillus wenti.

В конце 19 века началось промышленное производство молочной кислоты при участии молочно-кислых бактерий рода Lactobacillus. В качестве исходного сырья используются продукты, содержащие крахмал, сахарозу или молочную сыворотку. Молочную кислоту применяют в пищевой промышленности, в дубильной – для декальцификации кож; а также при производстве пластмасс и в медицине. Кроме лимонной и молочной кислот аналогичными способами производят и другие органические кислоты – яблочную, салициловую, итаконовую (эта кислота идет на производство пластмасс и красителей). Большинство органических кислот, вырабатываемых с помощью микроорганизмов, являются продуктом переработки пищевого сырья, однако в ряде случаев в качестве исходного продукта используют такие вещества, как нафталин (для производства салициловой кислоты), н-парафины (описан способ получения яблочной кислоты при помощи дрожжей из н-парафинов).

Для получения рибофлавина используется культура Eremothecium ashbuii (Эримотециум Эшби). Среда должна содержать пониженное количество углеводов и повышенное количество пептона, а также тиамин, биотин, инозит и 5 аминокислот (лейцин, аргинин, метионин, гистидин, тирозин). Рибофлавин накапливается на второй-третий день в виде желтых кристаллов в клетке и после автолиза клеток (на четвертый-пятый день) переходит в раствор.

8.11. Получение новых промышленных биоматериалов

с использованием микроорганизмов

Биополимеры – это высокомолекулярные соединения (например, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды), синтезируемые разными организмами. Традиционно производство в промышленных масштабах агара из красных водорослей, альгинатов – из бурых. Эти полисахариды применяются в пищевой, фармацевтической, текстильной промышленности. В дополнение к этому производству разрабатываются и применяются технологии с использованием микроорганизмов.

Синтез полимеров в одних случаях происходит вне бактериальной клетки, например, декстранов у Leuconostoc mesenteroides, Streptococcus. Большая часть полисахаридов синтезируется внутри клетки. В настоящее время осуществляется промышленное производство таких микробных полисахаридов как ксантан, декстран, альгинаты, геллановая смола и др. продукты.

Ксантан – первый микробный полисахарид, производимый в промышленных масштабах с 1967 года. Ксантан синтезируется микроорганизмами Xanthomonas campestris при росте на глюкозе, сахарозе, крахмале. Ксантан обладает высокой вязкостью при небольших концентрациях в широком диапазоне рН, на эти свойства не влияют температура и наличие солей. Это позволяет использовать данное вещество в качестве смазочного материала и при добыче нефти. В последнем случае ксантан необходим для повышения выхода нефти как агент, контролирующий вязкость жидкости при наличии поверхностно-активных веществ и углеводородов, закачиваемых в нефтеносные пласты.

С 1969 года ксантан начали использовать в пищевой промышленности для улучшения вкусовых свойств консервированных и замороженных продуктов.

Продуцент		Подготовка инокулята		Питательная среда
		Культивирование
		Разделение
Культуральная жидкость				Клетки
		Биомасса убитых клеток		Биомасса живых клеток
Дезинтеграция убитых клеток
Выделение и очистка метаболитов
		Концентрирование
		Стабилизация продукта
		Обезвоживание

Хранение

Применение

Рис.. Многостадийная биотехнологическая схема производства

продуктов микробного синтеза.

Декстран в промышленном производстве получают выращиванием Leuconostoc mesenteroides, на сахарозе. Декстраны используют в медицине в качестве заменителя плазмы для увеличения объема крови; при лечении ожогов.

Микробные альгинаты получают в промышленных масштабах, выращивая Azotobacter в условиях избытка углерода. Микробные альгинаты начинают вытеснять получаемые из морских водорослей (например,Laminaria spp.). Альгинаты в пищевой промышленности используют в качестве загустителей.

Геллановая камедь получается методом аэробной ферментации при участии Pseudomonas elodea. Геллан заменяет агар в микробиологии как компонент питательной среды. Предполагается такая замена и в пищевой промышленности.

Главное:

- Для получения органических кислот, аминокислот, ферментов, биологически активных веществ биотехологическими способами необходимо подобрать активные штаммы и условия культивирования, оптимальные для накопления данного вещества; активизировать ферменты, участвующие в его синтезе, и подавить ферменты, тормозящие процесс.

- Основные характеристики белка как источника питания – перевариваемость и сбалансированность по аминокислотному составу (наличие незаменимых аминокислот). Идеальным является белок куриного яйца и казеин молока.

- Брожение – это процесс анаэробного расщепления органических веществ под влиянием микроорганизмов или выделенных ими ферментов. За счет брожения микроорганизмы получают энергию, необходимую им для роста.

- При спиртовом брожении из одной молекулы глюкозы получается две молекулы спирта, две молекулы углекислоты и 117 джоулей энергии, запасаемой дрожжами.

- При сквашивании овощей (капусты, огурцов, помидоров, яблок) первостепенным является создание благоприятных условий для развития молочнокислых бактерий и подавление гнилостных микроорганизмов.

- Молочнокислые бактерии, содержащиеся в кисломолочных продуктах, создают в кишечнике кислую среду, препятствуя развитию гнилостных бактерий.

- Особенности разных молочных продуктов определяются различными микроорганизмами, участвующими в сбраживании молока.

Контрольные вопросы

1. Биотехнология и пищевая промышленность.

2. Совершенствование путей переработки сельскохозяйственных продуктов.

3. Новые разновидности пищевых продуктов.

4. Охарактеризуйте биологический метод получения аминокислот.

5. Охарактеризуйте химический метод получения аминокислот.

6. Охарактеризуйте химико-энзиматический метод получения аминокислот.

7. Охарактеризуйте микробиологический метод получения аминокислот.

5. Получение витаминов в биотехнологическом процессе.

6. Биотехнологическое производство органических кислот.

7. Какие микроорганизмы являются продуцентами лимонной кислоты?

8. Какие микроорганизмы являются продуцентами молочной кислоты?

9. Какие микроорганизмы являются продуцентами биополимеров (ксантана, декстрана и т.д.)?

10. Где применяются биополимеры (ксантан, декстран и т.д.)?

Поиск по сайту: