Возможные источники углерода в питательных средах для продуцентов L-лизина

Микробиологический синтез лизина осуществляют мутантные штаммы бактерий, относящиеся к родам Corynebacterium и Brevibacterium.

Весьма сложная взаимосвязь между микроорганизмами, средой и условиями культивирования определяет требования продуцентов к источникам углерода. Степень удовлетворения этих требований во многом обусловливает эффективность микробиологического синтеза.

Углеводы относятся к наиболее доступным для микроорганиз­мов источникам углерода. При выращивании микроорганизмов на синтетической среде чаще всего применяют глюкозу или сахарозу. Однако доступность углеводов не всегда обеспечи­вает желаемый результат направленного биосинтеза. Отношение бактерий — продуцентов аминокислот к некоторым углеводам и соответствующие изменения биосинте­тической активности в присутствии этих соединений представ­лены в табл. 4. Можно привести множество примеров, свидетельствующих о том, что максимальная спо­собность микроорганизма ассимилировать тот или иной угле­вод не совпадает с максимальной интенсивностью биосинтеза.

Табл. 4. Использование разных моносахаров продуцентом L-лизина Brevibacterium sp.

При культивировании продуцента лизина на питательной среде из смеси глюкозы, рамнозы, ксилозы, галактозы и маннозы наблюдается определенная последовательность ассимиляции моносахаров. В первую очередь ассимилируется глюкоза. Когда ее остаток в среде приближается к концентрации 0,6% культура начинает утилизировать ксилозу и маннозу. Манноза ассимилируется полностью, ксилоза — на 60—75% ее перво­начальной концентрации. Последними ассимилируются рамноза и галактоза, причем не полностью.

Современная микробиологическая промышленность требует более доступных и дешевых источников углерода. В настоящее время сравнительно редко используют чистые сахара, чаще применяют многокомпонентные отходы пищевой, сахарно-крахмальной или дрожжевой промышленности, а также гидролизаты полисахаридов.

Меласса — отход производства свекловичного или тростникового сахара — является одним из самых распространенных видов сырья для микробного синтеза. Хотя меласса в основном при­меняется для кормовых целей, ее широко используют также в тех­нической микробиологии.

Меласса характеризуется и высоким содержанием редуцирующих веществ (РВ) — 48-55%, из которых преобладает сахароза — 43—49% от объема. Кроме сахаров в мелассе содержатся другие компоненты: коллоиды, органические кислоты, белки, аминокислоты, витамины, минеральные вещества (табл. 5-6). Из нелетучих органических кислот могут присутство­вать, %: лимонная — 0,01—0,5, глюконовая — 0,5—1,0, яблоч­ная — 0,1—0,5, янтарная — 0,1—0,7.

Таблица №5. Общая характеристика свекловичной мелассы.

Таблица № 6. Аминокислотный состав мелассы.

В золе свекловичной мелассы много кальция, магния, железа, но относительно мало фосфора. Состав мелассы изменяется в ши­роком диапазоне, в некоторой степени даже при хранении; он зави­сит от климатических и почвенных условий выращивания сахарной свеклы, времени ее уборки (поздние сроки уборки отрицательно влияют на качество), технологии переработки, условий транспор­тировки. Меласса широко применяется в производстве спирта, дрожжей, органических кислот, аминокислот и других продуктов.

Диффузионный сок сахарной свеклы. В некоторых случаях при микробном синтезе целесообразно использовать натуральный или упаренный диффузионный сок — полуфабрикат сахарного произ­водства. Химический состав диффузионного сока, %: сухие вещества — 14—17, РВ — 9—15, зола — 0,5—0,7, общий азот --0,12—0,24. Общее количество аминокислот (после гидролиза бел­ковых веществ) составляет 1,7—2,5 г/л, в том числе: L-треонин — 170—200 мг/л, L-метионин — 28—32 мг/л. Из витаминов в диффу­зионном соке содержатся, мкг/л: биотин — 10—20, пантотеновая кислота — 5000—8000. Лизинсинтезирующий мутант Brevibacterium flavum на питательной среде с диффузионным соком (10% по со­держанию сахарозы) обеспечивает уровень накопления внеклеточ­ного лизина 35—40 г/л, что соответствует уровню биосинтеза лизина данным продуцентом на мелассной среде.

Рафинадная патока. Это отход свекловичного производства сахара-рафинада, представляющий собой густую вязкую коричне­вую жидкость, сладкую на вкус с горьким привкусом, содержащую не менее 72% сухих веществ. Сахарозы содержится не менее 49%. Рафинадная патока по сравнению со свекловичной мелассой имеет большую доброкачественность, содержит вдвое меньше красящих веществ, меньше коллоидов (1,3—3,0%), золы (3—4%), общего азота (0,25%) и больше инвертного сахара (10—20%) и витаминов. Рафинадную патоку используют для микробного синтеза молочной кислоты.

Гидрол – отход производства глюкозы из гидролизатов крахмала или гидролизатов целлюлозы. Под названием “гидрол” или “патока” известно несколько отличающихся по своему составу субстратов. Гидрол – отход производства глюкозы из кукурузного крахмала – содержит до 77% сухих веществ, в том числе около 50% сбраживаемых сахаров (главным образом глюкозу), 6-8% золы, а также органические кислоты. Гидрол – отход производства глюкозы из соляно-кислых гидролизатов древесины – содержит 65-67% сухих веществ, в том числе 38-45% РВ. Состав редуцирующих веществ (в % от их суммарного количества): глюкоза – 65, манноза – 1,2, ксилоза – 25, несахара – 8,7. Из минеральных веществ доминируют хлористый натрий (11% от золы), соли калия, фосфора и кальция. При использовании древесных гидролизатов в качестве источника углерода для микробного синтеза L-лизина можно получить 12-15 г/л биомассы, 17-20 г/л лизина; коэффициент конверсии в пределах 27-30%. Известны также и другие технические продукты, представляющие собой отходы производства глюкозы из картофельного или пшеничного крахмала, целлюлозы или других сахаров, содержащие глюкозу и именуемые гидролом или патокой.

Сульфитный щелок является отходом целлюлозно-бумажного производства, в нем содержится сравнительно мало сахаров (~3,5%), в том числе манноза, галактоза, глюкоза и арабиноза; пентозы представлены в основном ксилозой и арабинозой. В про­изводстве дрожжей все сахара питательного субстрата делятся на сбраживаемые (на спирт и С0₂) и несбраживаемые. В сухих ве­ществах щелока содержится 65—75% сбраживаемых сахаров, остальную часть составляет лигносульфитный комплекс, в состав которого входят также кальциевые соли, танины и зола. Щелок содержит также летучие кислоты.

Барда. При производстве спирта из крахмалсодсодержащего сырья или мелассы только 30—33% углеводов перерабатывается в спирт, столько же переходит в углекислоту и биомассу дрожжей, осталь­ные 30—35% почти полностью поступают в отходы — зерново-картофельную или мелассную барду. Мелассная барда содержит 8—9% сухих веществ, в том числе 1,2—1,5% дрожжевых клеток, погибших при переработке (перегонке) спирта. В состав барды входят моно- и дисахариды, карбоновые кислоты, спирты, амино­кислоты, органические и неорганические азотистые соединения, соли К, Mg, Fe, микроэлементы и витамины. Барда из зерновых и картофельных заторов содержит около 6,5% сухих веществ, из которых около половины составляют углеводы. В основном это пентозы и полисахариды (декстрины, крахмал, гемицеллюлоза, целлюлоза). В барде содержится 0,4—1,2% молочной кислоты и до 0,72% свободной уксусной кислоты. По количеству питательных веществ зерновая барда почти вдвое превосходит картофельную. Барда почти не содержит сбраживаемые сахара, однако в ней присутствуют в минимальном количестве пентозы, а также летучие кислоты.

Зерново-картофельная барда может быть использована в ка­честве субстрата для производства амилолитичееких ферментов плесневыми грибами Aspergillus usatnii, A. niger, A. batatae. Картофельную барду также успешно используют для получения кормового белка.

Депротеинизированный сок растений. Используемые в сельском хозяйстве методы консервации зеленой массы (получение сена, травяной муки, силоса) приводят к большим потерям ее питатель­ной ценности. Кормовые продукты, получаемые из зеленой массы, содержат большое количество непереваримой целлюлозы и срав­нительно мало белка. Однако свежая зеленая биомасса содержит на 20—40% больше белка и кормовых единиц, чем зерно, убранное с той же площади. Белок травы и листьев по питательной ценности превосходит таковой у семян и приближается к рыбному белку, поэтому во многих странах большое внимание уделяется разра­ботке технологии микробиологической переработки зеленой массы растений.

Крахмал. В микробиологической промышленности в качестве основного или дополнительного источника углерода иногда применяется крахмалосодержащее сырье (например, кукурузная или соевая мука), богатое ростовыми факторами. Кукурузная мука содержит 67-70% крахмала, 10% других углеводов (главным образом целлюлозу, пентозаны, декстрины и растворимые углеводы). Белки составляют около 12% от сухой массы муки. Кукурузная мука богата витаминами группы В. Используются разные сорта соевой муки: содержащая или не содержащая соевое масло, пропаренная (дезодорированная) или непропаренная. Содержание углеводов не превышает 25%. Соевая мука богата белками, главным образом глицином, содержит много ферментов и витаминов группы В.

Гидролизаты крахмалсодержащих субстратов. В микробиоло­гической промышленности применяются гидролизаты как крах­мала, так и муки и зерноотходов. Ферментативный гидролизат кукурузной муки, высушенный на распылительной сушилке, имеет следующий химический состав, %: сухие вещества — 91, сырой протеин — 9, зола — 1,6, жиры — 3,7. Мальтозный эквивалент 71,1. В Румынии в качестве источника углеродного питания при биосинтезе L-лизина и L-глутаминовой кислоты применяют куку­рузную муку, гидролизованиую химическим способом. Перс­пективным сырьем для микробиологической промышленности явля­ются гидролизаты пшеничных отрубей, содержащие 25-30% крахмала. Исследования возможности автогидролиза крахмала пшеничных отрубей амилолитическими ферментами и ферментами микроорганизмов, обитающих в отрубях, показали, что при тем­пературе 50°С и влажности субстрата 60% в течение 6 ч содер­жание РВ в них увеличивается до 8—9% (в пересчете па сухой субстрат). В промышленно развитых странах, имеющих богатые ресурсы крахмала, в качестве заменителей сахарозы широко применяются целенаправленно гидролизованные продукты крахмала. Из 100 млн. т сахарозы, потребляемой ежегодно в мире, около 2,5—5,0 млн. т составляют фруктозные и глюкозные сиропы. По сладости сиропы равны (или превосходят) сахарозе. При оценке сладости за 100% принимают сладость 15%-ного раствора сахарозы. Приведем данные о сладости некоторых видов Саха­ров, %: D-фруктоза — 130—160, D-глюкоза — 65—67, инвертный сахар из сахарозы — 95—100, смесь (55% D-глюкозы и 45% D-фруктозы) — 95—100. Стоимость фруктозных сиропов ниже, чем тростникового сахара.

В табл.7 представлены результаты использования различ­ных источников углерода в биосинтезе лизина продуцентом Вг. flavum RC115.

Табл. 7. Сравнительные данные по использованию различных источников углерода для биосинтеза L-лизина (продуцент – Brevibacterium flavumRC115).

Все указанные субстраты кроме источников углерода содержат и ростовые фак­торы (аминокислоты и витамины), а также минеральные эле­менты в легко ассимилируемой форме. [14]

Поиск по сайту: