Требования к микроорганизмам продуцентам

1.1.4 Требования, предъявляемые микроорганизмам-продуцентам биологически-активных веществ

Согласно требованиям Продовольственной и сельскохозяйственной организации при ООН (Food and Agriculture organization of the United Nations -FAO) и ВОЗ (2002г) микроорганизмы, входящие в состав пробиотика, должны обладать следующими свойствами:

— быть непатогенными и нетоксичными;

— выживать в кишечнике;

— сохранять стабильность состава и жизнедеятельность в течение всего срока хранения;

— состоять из живых клеток, которые обладают высокой адгезивной и антагонистической способностью к патогенным и условно-патогенным микроорганизмам;

— не должны угнетать нормальную микрофлору кишечника;

— иметь генетический паспорт и доказательство генетическое стабильности (быть чувствительными или иметь природную резистентность к антибиотикам).

Для микроорганизмов, используемых при производстве пробиотиков, установлены определенные правила: они должны быть изолированы из организма тех видов животных, для которых они и будут предназначены; они должны обладать полезным воздействием на организм хозяина, подтвержденным лабораторными исследованиями и клиническими наблюдениями; при длительном использовании они не должны вызывать побочные эффекты; они должны обладать колонизационным потенциалом, то есть сохраняться в пищеварительном тракте до достижения максимального положительного действия; они должны обладать стабильными характеристиками как в клиническом, так и в технологическом плане; они должны обладать высокой скоростью роста и размножения в условиях, близких таковым в кишечном тракте, при их культивировании in vitro для накопления биомассы следует создавать условия, максимально приближающие таковым микроокружения просвета кишечника.

При отборе производственных штаммов следует отдавать преимущество умеренным кислотобразователям в расчете на продукцию отобранными штаммами истинных антибиотикосхожих субстанций. При этом необходимо обязательно учитывать генетические особенности этих штаммов. Конструирование поликомпонентных пробиотиков следует проводить с учетом природного синергизма видов, путем оценки накопления биомассы отдельными культурами при совместном их выращивании. При разработке лекарственных форм препаратов требуется учитывать принципы биоформации протективного или ингибирующего действия вспомогательных веществ.

Дефицит лакто — и бифидофлоры, как правило отмечается при кишечных инфекциях бактерийной и вирусной этиологии. Установлена ассоциативная связь между заболеваемостью сальмонеллезом, колибактериозом, аскаридозом и дефицитом нормальной кишечной микрофлоры и выявлено влияние состава микрофлоры кишечника на клиническое проявление и, тяжесть течения, глубину поражения и исход заболевания [26].

Экзаменационные вопросы по курсу «Основы биотехнологических производств»

В биотехнологии обычно используются чистые культуры микроорганизмов-продуцентов, так как это позволяет получить продукт с заранее известными свойствами. Применяются штаммы микроорганизмов – микроорганизмы одного вида, выращенные в определенных условиях, вследствие чего обладающие определенными свойствами, которые отличаются от других чистых культур данного вида.

Не все микроорганизмы могут быть использованы в промышленных условиях, а лишь те микроорганизмы-продуценты , обладающие способностью под воздействием внешних факторов (состава среды, условий культивирования, температуры, рН среды и т.д.) образовывать в больших количествах преимущественно то соединение, которое является главным (целевым) продуктом данного производства.

К микроорганизмам-продуцентам предъявляется ряд обязательных требований. Микроорганизмы должны:расти на дешевых и доступных питательных средах;максимально усваивать питательные вещества среды; обладать высокой скоростью роста биомассы и давать высокий выход целевого продукта;проявлять синтетическую активность, направленную в сторону получения желаемого продукта; образование побочных продуктов должно быть незначительным;быть генетически однородными, стабильными в отношении продуктивности, требований к питательному субстрату и условиям культивирования;быть устойчивыми к фагам и другой посторонней микрофлоре;быть безвредными для людей (не обладать патогенными свойствами) и для окружающей среды;обладать хорошей способностью выделения.

Селекция – это направленный отбор мутантов, то есть микроорганизмов, наследственные признаки которых претерпели изменения.Задачей селекции является не только усиление природной способности микроорганизмов продуцировать определенное вещество (ферменты, антибиотики, аминокислоты и т.д.), но и создание продуцента «заново» из штамма дикого типа, способного синтезировать вещество. Эти задачи осуществляются получением у природных штаммов наследственных изменений – мутаций , влияющих на фенотип (физиологические и морфологические признаки) клетки. Мутации приводят к усилению природной способности микроорганизмов синтезировать и продуцировать определенное вещество, а также к появлению новой способности – синтезировать вещество в избытке и продуцировать его. Для ускорения селекции используют индуцированный мутагенез, применяя мутагенные факторы физической, химической и биологической природы. К универсальным физическим мутагенам относятся ультрафиолетовое облучение (УФО), рентгеновские лучи и др.; химические факторы мутагенного воздействия — азотистый иприт, нитрозамины, четыреххлористый углерод и другие химикаты; биологическими мутагенами являются фаги (вирусы микроорганизмов).

Технологичность штаммов означает, что они должны:

— сохранять свои основные физиолого-биохимические свойства в процессе длительного ведения ферментации.

— обладать устойчивостью к фагам, контаминации.

— быть безвредными для людей и окружающей среды.

— обеспечивать высокий выход продукта при приемлемых технико-экономических показателях.

74. Опишите технологию получения белка одноклеточных организмов.

1 .Культивирование на метаноле. У дрожжей были рекомендованы в производство Candida boidinii, Hansenula polymorpha и Piehia pastoris, оптимальные условия для которых (t=34-37°C , рН=4,2-4,6) позволяют проводить процесс с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,40 при скорости протока в интервале 0,12-0,16 ч -1 . Среди бактериальных культур применяется Methylomonas clara, Pseudomonas rosea и др, способные развиваться при t =32-34 °C, рН=6,0-6,4 с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,55 при скорости протока до 0,5 ч -1 . В качестве продуцентов применяются бактериальные штаммы, процесс проводится в асептических условиях в ферментерах эрлифитного или струйного типов производительностью 100-300 т/сут и расходом метанола до 2,3 т/т АСВ. Ферментация осуществляется одностадийно при невысоких концентрациях спирта (до 12 г/л) с высокой степенью утилизации метанола. Струйный ферментёр объемом 1000 м 3 состоит из секций, расположенных одна над другой и соединенных между собой шахтными переливами. Ферментационная среда из нижней секции ферментёра по напорному трубопроводу подается центробежными циркуляционными насосами в верхние шахтные переливы, через которые проходит в низлежащую секцию, подсасывая при этом воздух из газовода. Таким образом, среда протекает из секции в секцию, постоянно подсасывая новые порции воздуха. Падающие струи в шахтных переливах обеспечивают интенсивное аэрирование среды. Питательная среда непрерывно подается в зону верхних шахтных переливов, а микробная суспензия отводится из выносных контуров. На стадии выделения для всех видов продуцентов предусмотрено отделение грануляции с целью получения готового продукта в гранулах. 2. Получение белковых веществ на углеводном сырье. С убстраты, используемые для получения кормовой биомассы — гидролизаты растительных отходов, предгидрализаты и сульфитный щелок – отходы целлюлозно-бумажной промышленности. Среди промышленных штаммов-продуцентов получили распространение виды дрожжей C.utilis, C. scottii и C.tropicalis, способные наряду с гексозами усваивать пентозы, а также переносить наличие фурфурола в среде. В гидролизатах и сульфитных щелоках имеются в небольшом количестве практически все необходимые для роста дрожжей микроэлементы. Недостающие количества азота, фосфора и калия вводятся в виде общего раствора солей аммофоса, хлорида калия и сульфата аммония. Ферментация осуществляется в эрлифтных аппаратах конструкции Лефрансуа-Марийе объемом 320 и 600 м 3 . Процесс культивирования дрожжей осуществляется в непрерывном режиме при рН 4,2-4,6. Оптимальная температура от 30 до 40 ° С.

75. Назовите технологические проблемы практического использования микробной трансформации стероидных гормонов. Предложите способы повышения эффективности этого процесса.

Химический синтез стероидов вследствие сложности строения стероидной молекулы и ее полифункционалыюсти многостадиен и очень сложен. Поэтому важная роль в синтезе стероидов, особенно в промышленном масштабе, отводится микробиологической трансформации, имеющей значительные преимущества в виде высокой селективности (при наличии соответствующих штаммов), сокращению количества стадий синтеза, простоты аппаратурного оформления, отсутствия необходимости в дорогих реактивах и экологической чистоты микробиологических методов. Более того, такая трансформация стероидов как гидроксилирование практически выполнима только с помощью микробных катализаторов. Однако, несмотря на все достоинства ферментативных процессов, их использование затрудняет чрезвычайно низкая растворимость стероидных субстратов в водных средах, что особенно существенно при масштабировании процессов. Стероиды — малорастворимые в воде соединения: их растворимость колеблется от 0,3 г/л (гидрокортизон) до 0,01 г/л (ацетонид фторкортексолона). Важным аспектом эффективности процессов трансформации является выбор оптимальной концентрации субстрата, зависящий от биологической доступности последнего. Поэтому трансформационные процессы осуществляют обычно при концентрации субстрата в пределах 1 — 10 г/л, что предполагает нахождение основной массы стероида в твердой фазе. В этом случае необходимым условием является высокая степень предварительного измельчения стероидного субстрата (поступает в среду в микронизированном виде) с использованием ультразвуковых или механических измельчителей. В случае, когда растворимость стероидного субстрата слишком мала для проявления присущей микроорганизму ферментативной активности, задействуют методы, повышающие водорастворимость стероидов. Первый — подача стероида в растворителе, смешивающемся с водой (ацетоне, метаноле, этаноле, диметилформамиде, диме-тилсульфоксиде и др.). Ограничением для применения этого метода является токсичность определенных концентраций растворителей. Второй — использование водорастворимых форм стероидов в виде натриевых солей 2,1-гемисукцинатов или фосфатов. Осложняющим моментом для широкого использования таких модифи¬каций является высокая степень избирательности по отношению к ним со стороны микроорганизмов, например для дегидрирующего микроорганизма Corynebacterium simplex эти формы стероидов оказались недоступны.

Третий метод — заключение стероидов в растворимый комплекс с циклодекстрином. Использование комплекса стероидов с циклодекстрином не имеет ограничений предыдущих методов Главным препятствием, стоящим на пути развития промыш¬ленного микробиологического гидроксилирования стероидов яв¬ляется низкая производительность ферментации, несмотря на высокий процентный выход по субстрату. Причины этого, с одной стороны, практическая нерастворимость стероидных субстратов в воде, а с другой — токсичность применяемых растворителей и, следовательно, невозможность использования достаточно высоких концентраций субстрата.

76. Уксуснокислые бактерии. Характеристика, особенности, значение в биотехнологии.

Уксуснокислые бактерии представляют собой грамотрицательные, палочковидные, бесспоровые, строго аэробные организмы. Среди них есть подвижные и неподвижные бактерии. Они кислотоустойчивы, и некоторые могут развиваться при рН среды до 3,2.В настоящее время описано около 20 видов этих бактерий, важнейшими из них являются: A. aceti, A. pasteurianum, А. огleanense, A. xylinum, A. schutzenbachii. Эти бактерии различаются размерами клеток, устойчивостью к спирту, способностью накапливать в среде большее или меньшее количество уксусной кислоты и другими признаками. Например, A aceti накапливает в среде до 6% уксусной кислоты, A. orleanense — до 9,5%, A schutzenbachii — до 11,5%, a A xylinum — до 4,5%.Уксуснокислым бактериям свойственна изменчивость формы клеток. Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе, они встречаются на зрелых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.

Уксуснокислые бактерии отличают 4 особенности.

1. Высокая ацидофильность, они растут при значении рН 4,0, а оптимум рН — 3,2—3,0.

2. Бактерии — строгие аэробы и растут только на поверхности сред, образуя пленки. Пленка может быть тонкой или очень толстой. Пленка представляет собой оболочку, содержащую целлюлозу и воздушные полости, благодаря которым вся пленка всплывает. При 12%-й общей концентрации этанола и уксусной кислоты прерывание аэрации на 10—20 с. приводит к гибели клеток. Удивительную чувствительность этих бактерий к недостатку О2 связывают с высокой активностью фермента апиразы. Под действием этого фермента АТР быстро гидролизуется и становится недоступной для метаболической активности клеток. Когда прерывается аэрация, то очень быстро исчезает пул АТР. Полагают, что пул АТР необходим для предотвращения вхождения этанола или уксусной кислоты в клетку.

3. Бактерии отличает сильно выраженная способность окислять различные органические вещества в частично окисленные продукты.

4. Способность окислять этиловый спирт в уксусную кислоту — наиболее характерное свойство этой группы. Но они окисляют и другие одноатомные и многоатомные спирты в соответствующие кислоты.

Их относят к сем. Pseudomonodaceae . Различают 2 рода, 4 вида и 13 подвидов.

Для промышленного получения уксуса используют штаммы A . aceti , A . pasterianus или A . peroxidans , а также G . oxydans и несколько подвидов этого вида. Роль уксуснокислых бактерий не ограничивается их участием в производстве уксуса и уксусной кислоты.

Бактерии – продуценты уксусной кислоты: Анаэробные бактерии: Clostridium thermoaceticum, Cl.formicoaceticum, Cl.magnum, Cl.aceticum Acetoanaerobacter woodii, A.noteral, A.carbiniculum Sporomusa acidovorans, S.ovata, S.spheroides

Сульфатредуцирующие бактерии: Desulfotomaculum orientis, Desulfovibrio baarsii
77. Биотехнологическое производство аскорбиновой кислоты (витамина С). Различные схемы биосинтеза в промышленных условиях. Оптимизация способа получения витамина С при помощи микроорганизмов.

Биологическая стадия процесса катализируется мембраносвязанной полиолдегидрогеназай, а последняя включает последовательно следующие этапы: конденсация сорбозы и диацетоном и получение диацетон – L- сорбозы, окисление диацетон –L – сорбозы до диацетон – 2 – кето – L – гулоновой кислоты, подвергаемой затем гидролизу с получением 2 – кето – L – гулоновой кислоты; последнюю подвергают энолизации с последующей трансформацией в L – аскорбиновую кислоту.

Ферментацию G. Oxydans проводят на средах, содержащих сорбит (20%), кукурузный или дрожжевой экстракт, при интенсивной аэрации. Выход L- сорбозы может достичь 98% за одни – двое суток. Ферментацию бактерий проводят в периодическом или непрерывном режиме. Принципиально доказана возможность получения L- сорбозы из сорбита с помощью иммобилизованных клеток в ПААГ. Аскорбиновую кислоту используют как антиоксидант в здравоохранении и пищевой промышленности.

Использование биотехнологических процессов позволяет совершенствовать синтез аскорбиновой кислоты , сокращая многоэтапные и дорогие химические стадии. Например, синтез витамина С осуществляют енолизацией его важнейшего промежуточного продукта – 2-кето-L-гулоновой кислоты, которую, в свою очередь, получают методом двухстадийного 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-КГК, являются мутантные штаммы Erwinia punctata и Corynebacterium sp. при использовании которых выход целевого продукта составляет около 90% количества глюкозы. Однако данная технология имеет существенные недостатки , так как при совместном культивировании продуцентов происходит ингибирование синтеза 2- КГК. Поэтому культуральную жидкость после выращивания продуцента 2,5- ДКДГК стерилизуют, применяя поверхностно-активные вещества, что позволяет значительно сократить потери при получении гулоновой кислоты. Существует другой биотехнологический способ получения гулоновой кислоты, основанный на синтезе этого продукта штаммом микроорганизмов рода Gluconobacter из сорбозы, производство которой имеет высокую рентабельность. Способность к синтезу этого продукта обусловлена наличием у этого микроорганизма видоспецифических дегидрогеназ.

78. Приведите информацию о продуцентах и направлениях использования микробных ферментов. Опишите способы повышения активности микробных штаммов-продуцентов ферментов.

Ферменты — это биологические катализаторы, то есть вещества, способствующие осуществлению многих химических реакций, которые- происходят в живой клетке и необходимы для получения питательных веществ и построения ее составных частей. Микробы тоже образуют ферменты. Продуцентами ферментов — протеаз, амилаз, фосфатаз, целлюлаз, пектиназ, глюкозооксидазы, липаз, каталазы — служат многие мицелиальные грибы, некоторые актиномицеты и бактерии. Ферменты, полученные из микробов, используются в практике уже давно — почти с тех пор, как стало известно об их природе и назначении. Ферменты микробного происхождения постепенно вытеснили растительные и животные ферменты, поскольку их получение оказалось более выгодным. В наше время многие ферменты бактерий, дрожжей и микроскопических грибов получают в промышленных масштабах. Они все чаще используются в пищевой и фармацевтической промышленности, в медицине, а также в производстве тканей, бумаги и при выделке кож. Амилазы, разлагающие сложный полисахарид крахмал на более простые вещества — декстрины, мальтозу и глюкозу, можно использовать в процессах, где необходимо разложение крахмала. В частности, бактериальные амилазы применяются в текстильной промышленности для устранения крахмальной шлихты с тканей, в бумажной промышленности они идут на приготовление крахмальных растворов для окрашивания. В последнее время их используют и в пивоварении, в связи с чем отпадает процесс приготовления солода, поскольку крахмал из ячменных зерен превращается в сусло при помощи бактериальных амилаз. Амилазы из микроскопических грибов применяются для получения спирта при осахаривании крахмала, выделяемого из картофеля или зерна. Охотно используют их в хлебопекарном деле и на сахарных заводах, а также в производстве шоколада и ликеров. Лактаза, выделяемая из дрожжей, разлагает углевод лактозу на глюкозу и галактозу. Она применяется в изготовлении консервированного молока — благодаря частичному разложению лактозы предотвращается образование нежелательных кристалликов. Протеазы микробного происхождения вызывают разложение белков в различных материалах. На Востоке протеазы из плесневых грибов применяли уже несколько столетий назад для приготовления соевого соуса. Соевые бобы после обработки инфицируют спорами гриба Aspergillus flavus-oryzae. Разрастаясь, гриб выделяет протеазы, растворяющие белок бобов, что позволяет получать полужидкий соус. При консервировании фруктовых соков применяется фермент пектиназа, выделяемый из микроорганизмов. Протеазы с успехом используют при изготовлении моющих средств. Хотя новейшие стиральные порошки, так называемые детергенты, очень эффективно устраняют самые разнообразные виды загрязнений, они часто не действуют на вещества белковой природы, такие, как кровь, молоко, белок яйца и т. д. Молекулы белков очень прочно закрепляются на тканях и противостоят действию детергентов. В 1960 году в Дании стали применять протеолитический (растворяющий белки) фермент алкалазу, продуцируемый бактерией Bacillus subtilis. Спустя три года в Голландии выпустили стиральный порошок биотекс, содержащий алкалазу. С тех пор во многих странах в моющие средства стали добавлять протеолитические ферменты. Полностью очистить ткань от белковых веществ детергенту помогают ферменты, получаемые из микробов. В настоящее время используют модификации свойств индивидуальных ферментов с целью повышения их активности и удешевления целевых продуктов; скрининг новых микроорганизмов-продуцентов ферментов; получение новых рекомбинантных ферментов с заданными свойствами;

79. Назовите направления использования микроорганизмов для получения водородного топлива.

Водород – абсолютно чистое топливо, бактерии Rhodobacter Sphaeroides могут быть использованы как источник молекулярного водорода – экологически чистого топлива, отличается высокой выработкой тепла — 143 кДж/г. способностью синтезировать водород обла­дают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии. различные водоросли и некоторые простейшие. На основе используемых микроорганизмами источников энергии и доноров электронов, микробиологические процессы можно подразделить на темновое анаэробное выделение водорода, светозависимое выделение водорода без выделения кислорода, а также светозависимое выделение водорода и кислорода (биофотолиз). Темновое выделение водорода. Микроорганизмы способны при брожении восстанавливать протоны, избавляясь от избытка восстановителя, когда в среде нет конечного акцептора электронов (н-р кислорода, нитрата, нитрита). При всем множестве метаболических путей в результате происходит выделение водорода. Светозависимое выделение водорода. В основе процессов выделения водорода микроорганизмами на свету лежит процесс фотосинтеза. Наибольшее внимание привлекают микроводоросли, гетероцистные цианобактерии и пурпурные несерные бактерии. Зеленые водоросли и цианобактерии используют фотосинтетический аппарат для выделения Н. В процессе фотосинтеза электроны из воды переносятся на углекислый газ, который превращается в углеводы. В безвоздушных условиях зеленые водоросли и цианобактерии переносят электроны на протоны и выделяют молекулярный Н. Для выделения Н цианобактерии используют 2 фермента: нитрогеназу и гидрогеназу. Получение водорода путем конверсии угарного газа (СО) основано на реакции у фотосинтетической пурпурной бактерии. Образование водорода в этом случае происходит из воды. Пурпурные бактерии не используют для разложения воды солнечную энергию, и показанная выше реакция идет в темноте. Выделение водорода катализируется двумя ферментами: гидрогеназой и специфической СО-гидрогеназой, работающими вместе. Получение водорода на основе брожения

Другие статьи:  Пенсия по потере кормильца до 23 лет

Многие бактерии могут выделять водород в результате брожения, используя для этого органические соединения. Процесс синтеза водорода всегда протекает с участием гидрогеназы. Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры.
80. При твердофазном культивировнаии микомицета необходимо приготовить питательную среду 60% влажности. Рассчитайте количество воды, необходимое для увлажнения среды, если известно, что масса сухой навески 0,5 г, масса сухого конверта 0,1 г, исходная влажность 8%.

Решение: m(H2O)= – c, где m – кол-во воды, необходимое для увлажнения среды, с – масса сухой навески, в — масса сухого конверта, х — исходная влажность. m(H2O)= = =0,534≈0,5мл

Ответ: кол-во воды, необходимое для увлажнения среды необходимо ≈ 0,5мл.

Основы современной пищевой биотехнологии

Требования, предъявляемые к микроорганизмам-продуцентам. Стадии и кинетика роста микроорганизмов. Сырье и состав питательных сред для биотехнологического производства. Культивирование животных и растительных клеток. Получение и использование аминокислот.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Сырье и основы технологии производства муки, крахмала, сахара. Масложировая продукция пищевая и технологии ее получения. Основы производства хлебопекарных дрожжей, растительных масел. Способы и общие технологические приемы консервирования плодов и овощей.

презентация [955,6 K], добавлен 28.09.2013

Включение в пищевой рацион плодов, богатых органическими кислотами (лимонов, клюквы, смородины, сливы, рябины), необходимых человеку. Сырье для производства молочной и лимонной кислоты. Применение в пищевой промышленности, сроки хранения, упаковка.

презентация [438,0 K], добавлен 27.04.2014

Законодательная и нормативно-методическая база в области оборота пищевой продукции, полученной из ГМО и ГМИ. Наиболее распространенные методы получения ГМО. Исследование влияния ГМО на животных. Генно-модифицированное сырье, разрешенное в России.

курсовая работа [46,6 K], добавлен 21.04.2011

Понятие и область применения биотехнологии — науки, изучающей методы получения полезных веществ. Биотехнологическая схема производства продуктов микробного синтеза — глютаминовой кислоты, триптофана. БАДы как источник биологически активных веществ.

презентация [1,7 M], добавлен 06.02.2016

История развития масложировой промышленности в Российской Федерации. Роль и значение масличных семян и растительных масел в народном хозяйстве. Комплексное использование растительного сырья. Перспективы развития производства растительных масел в стране.

контрольная работа [26,6 K], добавлен 21.10.2013

Биотехнология производства вторичных метаболитов. Сырье и стадии технологического процесса производства маргарина. Характеристика микроорганизмов молочнокислых заквасок и производственное сквашивание молока. Виды микробной порчи макаронных изделий.

контрольная работа [26,1 K], добавлен 24.10.2012

Характеристика кукурузы. Химический состав и пищевая ценность консервированной кукурузы. Технические требования к сырью. Безопасность, упаковка, маркировка, условия хранения, а также дефекты. Бактериальная порча консервированной кукурузы. Экспертный тест.

курсовая работа [141,2 K], добавлен 21.10.2014

Санитарно-гигиенические требования при работе кондитерского цеха. Хранение и подготовка сырья к производству. Сырье, используемое в процессе хлебопекарного производства. Технологические стадии приготовления хлеба. Разработка меню торгового зала кафе-бара.

дипломная работа [1,9 M], добавлен 26.07.2015

Мясо как ценный продукт питания, источник полноценных белков, жиров и других веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма. Его химический состав и показатели пищевой ценности. Требования к качеству и основные факторы, на него влияющие.

презентация [2,2 M], добавлен 16.10.2014

Теоретические основы подготовки сырья и полуфабрикатов для приготовления блюд из мяса диких животных. Требования к качеству сырья. Технологический процесс приготовления. Требования к оформлению, подаче и хранению. Показатели качества и безопасности.

курсовая работа [219,7 K], добавлен 05.04.2017

Требования, предъявляемые микроорганизмам-продуцентам биологически-активных веществ

Согласно требованиям Продовольственной и сельскохозяйственной организации при ООН (Food and Agriculture organization of the United Nations -FAO) и ВОЗ (2002г) микроорганизмы, входящие в состав пробиотика, должны обладать следующими свойствами:

— быть непатогенными и нетоксичными;

— выживать в кишечнике;

— сохранять стабильность состава и жизнедеятельность в течение всего срока хранения;

— состоять из живых клеток, которые обладают высокой адгезивной и антагонистической способностью к патогенным и условно-патогенным микроорганизмам;

— не должны угнетать нормальную микрофлору кишечника;

— иметь генетический паспорт и доказательство генетическое стабильности (быть чувствительными или иметь природную резистентность к антибиотикам).

Для микроорганизмов, используемых при производстве пробиотиков, установлены определенные правила: они должны быть изолированы из организма тех видов животных, для которых они и будут предназначены; они должны обладать полезным воздействием на организм хозяина, подтвержденным лабораторными исследованиями и клиническими наблюдениями; при длительном использовании они не должны вызывать побочные эффекты; они должны обладать колонизационным потенциалом, то есть сохраняться в пищеварительном тракте до достижения максимального положительного действия; они должны обладать стабильными характеристиками как в клиническом, так и в технологическом плане; они должны обладать высокой скоростью роста и размножения в условиях, близких таковым в кишечном тракте, при их культивировании in vitro для накопления биомассы следует создавать условия, максимально приближающие таковым микроокружения просвета кишечника.

При отборе производственных штаммов следует отдавать преимущество умеренным кислотобразователям в расчете на продукцию отобранными штаммами истинных антибиотикосхожих субстанций. При этом необходимо обязательно учитывать генетические особенности этих штаммов. Конструирование поликомпонентных пробиотиков следует проводить с учетом природного синергизма видов, путем оценки накопления биомассы отдельными культурами при совместном их выращивании. При разработке лекарственных форм препаратов требуется учитывать принципы биоформации протективного или ингибирующего действия вспомогательных веществ.

Дефицит лакто – и бифидофлоры, как правило отмечается при кишечных инфекциях бактерийной и вирусной этиологии. Установлена ассоциативная связь между заболеваемостью сальмонеллезом, колибактериозом, аскаридозом и дефицитом нормальной кишечной микрофлоры и выявлено влияние состава микрофлоры кишечника на клиническое проявление и, тяжесть течения, глубину поражения и исход заболевания [26].

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.001 с) .

Требования к микроорганизмам продуцентам

Цель занятия — ознакомиться с требованиями, предъявляемыми к микроорганизмам-продуцентам целевого биотехнологического продукта.

Ход работы. Выполняются задания:

Задание 1. Ознакомиться с требованиями, предъявляемыми к микроорганизмам-продуцентам первичных и вторичных метаболитов в биотехнологическом производстве.

Задание 2. Ознакомиться с основными видами микроорганизмов, применяемых в биотехнологическом производстве, и критериями оценки эффективности биотехнологических процессов.

Выполнение лабораторной работы предусматривает опережающую теоретическую подготовку и использование учебнометодической литературы на занятии.

Ассортимент продуктов, получаемых в биотехнологических процессах, чрезвычайно широк. По разнообразию и объемам производства на первом месте стоят продукты, получаемые в процессах, основанных на жизнедеятельности микроорганизмов. Эти продукты подразделяются на три основные группы:

1- я группа — биомасса, которая является целевым продуктом (белок одноклеточных) или используется в качестве биологического агента (биометаногенез, бактериальное выщелачивание металлов);

2- я группа — первичные метаболиты — низкомолекулярные соединения, необходимые для роста микроорганизмов в качестве строительных блоков макромолекул, коферментов (аминокислоты, витамины, органические кислоты);

3- я группа — вторичные метаболиты (идиолиты) — соединения, не требующиеся для роста микроорганизмов и не связанные с их ростом (антибиотики, алкалоиды, гормоны роста и токсины).

Среди продуктов микробиологического синтеза огромное количество различных биологически активных соединений, в том числе белковых и лекарственных веществ, ферментов, а также энергоносители (биогаз, спирты) и минеральные ресурсы (металлы), средства для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур (биоинсектициды) и биоудобрения. В связи с развитием новейших методов биотехнологии (инженерной энзимологии, клеточной и генной инженерии) спектр целевых продуктов непрерывно дополняется. Среди них все большее место занимают средства диагностики и лечения (гибридомы, моноклональные антитела, вакцины и сыворотки, гормоны, модифицированные антибиотики).

Основными элементами, слагающими биотехнологические процессы, являются биологический агент, субстрат, аппаратура и продукт. Биологический агент — активное начало в биотехнологических процессах и один из наиболее важных ее элементов. Номенклатура биологических агентов бурно расширяется, но до настоящего времени важнейшее место занимает традиционный объект — микробная клетка. Микробные клетки с различными химико-технологическими свойствами могут быть выделены из природных источников и далее с помощью традиционных (селекция, отбор) и новейших (клеточная и генетическая инженерия) методов существенно модифицированы и улучшены.

При выборе биологического агента и постановке его на производство прежде всего следует соблюдать принцип технологичности штаммов. Это значит, что микробная клетка, популяция или сообщество особей должны сохранять свои основные физиологобиохимические свойства в процессе длительного ведения ферментации. Промышленные продуценты также должны обладать устойчивостью к мутационным воздействиям, фагам, заражению посторонней микрофлорой (контаминации); характеризоваться безвредностью для людей и окружающей среды, не иметь при выращивании побочных токсичных продуктов обмена и отходов, иметь высокие выходы продукта и приемлемые технико-экономические показатели. В настоящее время многие промышленные микробные технологии базируются на использовании гетеротрофных организмов, а в будущем решающее место среди продуцентов займут автотрофные микроорганизмы, не нуждающиеся для роста в дефицитных органических средах, а также экстремофилы — организмы, развивающиеся в экстремальных условиях среды (термофильные, алкало- и ацидофильные).

В промышленной биотехнологии применяют 3 вида штаммов микроорганизмов:

1) природные штаммы, улучшенные естественным и искусственным отбором (при производстве микробной биомассы);

2) штаммы, полученные в результате индуцированного мутагенеза;

3) генно-модифицированные (рекомбинантные) штаммы, обладающие самой высокой генетической нестабильностью.

Промышленные штаммы должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Безвредность для потребителя и обслуживающего персонала.

2. Высокая скорость роста биомассы и целевого продукта (БАВ) при экономичном потреблении питательной среды.

3. Направленная биосинтетическая активность при минимальном образовании побочных продуктов.

4. Генетические однородность и стабильность в отношении к субстратам и условиям культивирования.

5. Отсутствие токсических веществ в целевом продукте и промышленных стоках.

6. Устойчивость к фагам и другой посторонней микрофлоре.

7. Способность расти на дешевых и доступных субстратах, отходах пищевой и химической промышленности при высокой плотности клеток.

Только по совокупности этих и других свойств можно оценить полезность и рентабельность продуцента. Наиболее изучены и чаще применяются в биотехнологии бактерии рода Clostridium, Thermo anaerobacter , Bacillus, Acetobacter, Pseudomonas , Brefibacterium. Основные виды микроорганизмов, используемых в промышленности для получения целевых продуктов, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Микроорганизмы, используемые в промышленности для получения целевых продуктов

Требования к продуцентам, используемым в биотехнологическом производстве.

Любые студенческие работы — ДОРОГО!

100 р бонус за первый заказ

Производственные штаммы микроорганизмов должны соответствовать определенным требованиям: способность к росту на дешевых питательных средах, высокая скорость роста и образования целевого продукта, минимальное образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность продуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды. В связи с этим все микроорганизмы, используемые в промышленности проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды. Важным свойством продуцента является устойчивость к инфекции, что важно для поддержания стерильности, и фагоустойчивость.

Г.А. Гореликова ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Печатается по решению Редакционно-издательского совета

Кемеровского технологического института пищевой промышленности

в авторской редакции

Доцент Кемеровского института (филиала) РГТЭУ,

канд. техн. наук О.С. Габинская,

Доцент Института повышения квалификации,

канд. биол. наук А.Ю. Игнатова.

Основы современной пищевой биотехнологии: Учебное пособие. –

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2004. – 100 с.

Учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Основы современной пищевой биотехнологии» и предназначено для студентов специальности 351100 – «Товароведение и экспертиза товаров» дневной и заочной форм обучения, а также может использоваться студентами специальности 271500 – «Пищевая биотехнология». В нем даны основные термины и понятия в области биотехнологии, описаны процессы получения полезных веществ с помощью клеток микроорганизмов. Более подробно рассмотрены вопросы, касающиеся одной из наиболее перспективных и развивающихся отраслей данной науки – пищевой биотехнологии.

Ил. – 6, библ. назв. – 16

4001000000

© Кемеровский технологический институт

ISBN 5-89289-292-1 пищевой промышленности, 2004

1. Содержание теоретического курса по

«Основам современной пищевой биотехнологии». . . . . . . . . . . . . . 6

Тема 1. Цель изучения дисциплины, основные понятия.

Этапы развития и направления биотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1. Цель изучения дисциплины, ее место в

образовательной программе студентов специальности

«Товароведение и экспертиза товаров» . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2. Основные термины и определения биотехнологии.

Требования, предъявляемые к микроорганизмам-продуцентам . . . . . 7

1.3. Этапы развития биотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

1.4. Основные направления в биотехнологии. . . . . . . . . . . . . . 11

Тема 2. Теоретические основы биотехнологии. . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1. Стадии и кинетика роста микроорганизмов . . . . . . . . . . . . 14

2.2. Продукты микробного брожения и метаболизма. . . . . . . . . . 15

2.3. Сырье и состав питательных сред для

биотехнологического производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4. Способы культивирования микроорганизмов . . . . . . . . . . . 19

2.5. Культивирование животных и растительных клеток . . . . . . . .24

Тема 3. Общая биотехнологическая схема

производства продуктов микробного синтеза . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1. Приготовление питательной среды . . . . . . . . . . . . . . . . .27

3.2. Получение посевного материала. . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

3.3. Ферментация (культивирование). . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

3.4. Выделение целевого продукта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

3.5. Очистка целевого продукта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

Тема 4. Биотехнологическое производство веществ и

соединений, используемых в пищевой промышленности. . . . . . . . . 33

4.1. Получение пищевых кислот с помощью микроорганизмов. . . . 33

4.2. Получение и использование аминокислот . . . . . . . . . . . . . 38

4.3. Получение липидов с помощью микроорганизмов . . . . . . . . 40

4.4. Получение витаминов и их применение . . . . . . . . . . . . . . 41

Тема 5. Получение ферментных препаратов

и их применение в пищевой промышленности. . . . . . . . . . . . . . . 44

5.1. Понятие ферменты и ферментные препараты.

Характеристика активности ферментных препаратов . . . . . . . . . 44

5.2. Получение ферментных препаратов

из сырья растительного происхождения . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.3. Получение ферментных препаратов

из сырья животного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.4. Получение ферментных препаратов с помощью микроорганизмов.

Номенклатура микробных ферментных препаратов . . . . . . . . . 47

5.5. Применение ферментных препаратов

в пищевой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

Тема 6. Получение биомассы микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . 51

6.1. Получение биомассы микроорганизмов

в качестве источника белка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.2. Производство хлебопекарных дрожжей и их экспертиза . . . . .55

Тема 7. Современное состояние пищевой биотехнологии . . . . . . . . 58

7.1. Современное состояние пищевой биотехнологии. . . . . . . . . 68

7.2. Применение пищевых добавок и ингредиентов,

полученных биотехнологическим путем . . . . . . . . . . . . . . . . 60

7.3. Микроорганизмы, используемые

в пищевой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.4. Генетически модифицированные источники пищи . . . . . . . .62

7.5. Съедобные водоросли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

Тема 8. Пищевая биотехнология продуктов

из сырья животного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

8.1. Получение молочных продуктов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

8.2. Биотехнологические процессы в производстве

мясных и рыбных продуктов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Тема 9. Пищевая биотехнология продуктов

из сырья растительного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

9.1. Бродильные производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

9.2. Хлебопечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

9.3. Применение ферментов при выработке фруктовых соков . . . . 89

9.4. Консервированные овощи и другие продукты . . . . . . . . . . 90

9.5. Продукты из сои. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

9.6. Микромицеты в производстве продуктов

растительного происхождения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

9.7. Продукты гидролиза крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

9.8. Перспективы развития пищевой биотехнологии . . . . . . . . . 93

2. Требования к выполнению контрольных заданий по

дисциплине «Основы современной пищевой биотехнологии» . . . . . 95

3. Варианты контрольных заданий для студентов по

«Основам современной пищевой биотехнологии» . . . . . . . . . . . . 95

4. Вопросы к экзамену по «Основам современной

пищевой биотехнологии». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5. Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Учебное пособие к выполнению самостоятельной и контрольных работ по курсу «Основы современной пищевой биотехнологии» предназначено для студентов специальности 351100 – «Товароведение и экспертиза товаров» всех форм обучения. Целью изучения данной дисциплины является приобретение студентами теоретических знаний и формирование навыков и умений в области современной пищевой биотехнологии.

Данная дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами при изучении курсов «Основы микробиологии», «Биохимия», «Анатомия пищевого сырья», «Товароведение и экспертиза однородных групп товаров» и других. Объектом изучения курса являются: растительные и животные клетки, а также клетки микроорганизмов-продуцентов, чистые культуры клеток, биологически активные и химические соединения, полученные с их помощью; пищевые добавки, в частности ферментные препараты, применяемые в процессе производства продуктов питания; пищевые продукты, в производстве которых используются биотехнологические процессы.

В теоретической части пособия рассмотрены термины и определения, этапы и направления современной биотехнологии, более подробно изложены вопросы, касающиеся таких отраслей данной науки, как промышленная микробиология и пищевая биотехнология. Изложены процессы получения полезных для человека веществ и соединений с помощью растительных, животных и микробных клеток; традиционные биотехнологические процессы, используемые в различных областях пищевой промышленности, и их роль в формировании потребительских свойств продовольственных товаров; современные достижения пищевой биотехнологии и основные направления ее развития.

В результате освоения дисциплины студенты должны знать биотехнологические способы получения полезных для человека соединений; традиционные биотехнологические процессы, используемые в пищевой промышленности; приобрести навыки работы с целевыми продуктами; научиться применять полученные знания на практике.

Учебным планом по данному курсу предусмотрены лекции, практические занятия и самостоятельная работа студентов. В процессе ознакомления с теоретическим материалом студенты заочной формы обучения выполняют 1 контрольную работу. По окончании изучения дисциплины студенты сдают экзамен.

Данное учебное пособие включает теоретический материал, который могут использовать студенты всех форм обучения; контрольные вопросы по каждой теме; практическое руководство к выполнению самостоятельной и контрольной работ для студентов заочной формы обучения; задание по контрольной работе и указания по его выполнению.

Кроме того, теоретический материал данного учебного пособия может использоваться студентами специальности 271500 – «Пищевая биотехнология» при изучении дисциплин «Введение в специальность», «Общая биотехнология» и других.

1. СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО КУРСА

ПО «ОСНОВАМ СОВРЕМЕННОЙ

В первом разделе излагается основное содержание программы курса по «Основам современной пищевой биотехнологии» для студентов специальности 351100 «Товароведение и экспертиза товаров» очной и заочной форм обучения. Для удобства усвоения дисциплины весь теоретический материал разделен на несколько тем, посвященных этапам и направлениям развития биотехнологии; теоретическим аспектам дисциплины; биотехнологическому производству веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности; пищевой биотехнологии. В конце каждой темы даются вопросы для самостоятельной проверки знаний.

ТЕМА 1. ЦЕЛЬ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

1.1. Цель изучения дисциплины, ее место

в образовательной программе студентов специальности

«Товароведение и экспертиза товаров»

Данная дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами при изучении таких общеобразовательных дисциплин, как «Основы микробиологии», «Биохимия», «Анатомия пищевого сырья», «Теоретические основы товароведения и экспертизы», «Товароведение и экспертиза однородных групп товаров» и других.

Целью изучения данной дисциплины является приобретение студентами теоретических знаний и формирование навыков и умений в области современной пищевой биотехнологии.

Биотехнология – это наука, которая изучает методы получения полезных для человека веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клеток биологические структуры.

Промышленная микробиология составляет основную часть биотехнологии. Это наука о важнейших микробиологических процессах и их практическом применении для получения промышленным способом ценных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, их биомассы как белкового продукта, о получении отдельных полезных веществ или препаратов, используемых в различных отраслях народного хозяйства.

Пищевая биотехнология является одним из важнейших разделов биотехнологии. В течение тысячелетий люди успешно получали сыр, уксус, спиртные напитки и другие продукты, не зная о том, что в основе лежит метод микробиологической ферментации. С помощью пищевой биотехнологии в настоящее время получают такие пищевые продукты, как пиво, вино, спирт, хлеб, уксус, кисломолочные продукты, сырокопченые и сыровяленые мясные продукты и многие другие. Кроме того, пищевая биотехнология используется для получения веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности: это лимонная, молочная и другие органические кислоты; ферментные препараты различного действия – протеолитические, амилолитические, целлюлолитические; аминокислоты и другие пищевые и биологически активные добавки.

Важность пищевой биотехнологии для специалистов в области товароведения и экспертизы определяется тем, что использование микроорганизмов или ферментных препаратов, биотехнологических процессов при производстве пищевых продуктов оказывает существенное влияние на потребительские свойства и показатели качества продовольственных товаров. Знание о биотехнологических процессах позволит товароведу-эксперту определить причины порчи продовольственных товаров и возникновения дефектов, приводящих к существенным количественным потерям товаров. Например, неправильное применение заквасок может привести к ухудшению качества и возникновению дефектов кисломолочной продукции. С другой стороны, использование новых штаммов микроорганизмов может придать продукту – пиву, вину и другим пищевым продуктам, – новые оригинальные оттенки вкуса и аромата. Применение ферментных препаратов и других соединений, полученных биотехнологическим способом, будет способствовать оптимизации и интенсификации технологических процессов производства пищевых продуктов, улучшению их свойств и продлению сроков хранения.

Другие статьи:  Заявление физического лица о предоставлении социального налогового вычета

1.2. Основные термины и определения биотехнологии.

Требования, предъявляемые к микроорганизмам-продуцентам

В биотехнологии обычно используются чистые культуры микроорганизмов-продуцентов, так как это позволяет получить продукт с заранее известными свойствами. Применяются штаммы микроорганизмов – микроорганизмы одного вида, выращенные в определенных условиях, вследствие чего обладающие определенными свойствами, которые отличаются от других чистых культур данного вида.

Не все микроорганизмы могут быть использованы в промышленных условиях, а лишь те микроорганизмы-продуценты, обладающие способностью под воздействием внешних факторов (состава среды, условий культивирования, температуры, рН среды и т.д.) образовывать в больших количествах преимущественно то соединение, которое является главным (целевым) продуктом данного производства.

К микроорганизмам-продуцентам предъявляется ряд обязательных требований. Микроорганизмы должны:

— расти на дешевых и доступных питательных средах;

— максимально усваивать питательные вещества среды;

— обладать высокой скоростью роста биомассы и давать высокий выход целевого продукта;

— проявлять синтетическую активность, направленную в сторону получения желаемого продукта; образование побочных продуктов должно быть незначительным;

— быть генетически однородными, стабильными в отношении продуктивности, требований к питательному субстрату и условиям культивирования;

— быть устойчивыми к фагам и другой посторонней микрофлоре;

— быть безвредными для людей (не обладать патогенными свойствами) и для окружающей среды;

— обладать хорошей способностью выделения.

Сверхсинтез, то есть способность микроорганизма синтезировать определенный продукт в количествах, превосходящих физиологические потребности, часто встречается в природе. Микроорганизмы с такими свойствами первыми были использованы в хозяйственной деятельности человека, и таким образом был проведен стихийный отбор наиболее продуктивных форм.

В промышленности применяют три вида штаммов: природные штаммы, нередко улучшенные естественным или искусственным отбором; штаммы, измененные в результате индуцированных мутаций; штаммы культуры, полученные методами генной или клеточной инженерии.

Часто путем отбора не удается получить высокоактивные продуценты, поэтому возникает задача изменения природы организма в нужном направлении. Для этого используют методы селекции.

Селекция – это направленный отбор мутантов, то есть микроорганизмов, наследственные признаки которых претерпели изменения в нужном для человека направлении.

Природные штаммы микроорганизмов не обладают способностью выделять и накапливать в питательной среде такое количество нужного продукта, которое обеспечило бы низкую его стоимость и требуемый объем производства. Поэтому задачей селекции является не только усиление природной способности микроорганизмов продуцировать определенное вещество (ферменты, антибиотики, аминокислоты и т.д.), но во многих случаях и создание продуцента «заново» из штамма дикого типа, способного синтезировать вещество, но не способного его продуцировать. Эти задачи осуществляются получением у природных штаммов наследственных изменений – мутаций, влияющих на фенотип (физиологические и морфологические признаки) клетки. Спонтанные (происходящие случайным образом) мутации помогают микробным популяциям приспосабливаться к новым условиям существования. Мутации приводят к усилению природной способности микроорганизмов синтезировать и продуцировать определенное вещество, а также к появлению новой способности – синтезировать вещество в избытке (сверх своих потребностей) и продуцировать его. Для ускорения селекции используют индуцированный мутагенез, применяя мутагенные факторы физической, химической и биологической природы. К универсальным физическим мутагенам относятся ультрафиолетовое облучение (УФО), рентгеновские лучи и др.; химические факторы мутагенного воздействия – азотистый иприт, нитрозамины, четыреххлористый углерод и другие химикаты; биологическими мутагенами являются фаги (вирусы микроорганизмов).

Таким образом, селекционированные штаммы микроорганизмов обладают определенными ценными наследственно закрепленными свойствами.

Однако мутации образуются случайным образом, поэтому более широко используется генная или генетическая инженерия – генетическая рекомбинация in vitro (в пробирке). Рекомбинация – это обмен генами между двумя хромосомами. Рекомбинантными ДНК называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки, в пробирке, путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться (удваиваться) в клетке. Этот подход был разработан на бактериях, в частности на кишечной палочке, в клетки которой вводили гены животных и человека и добивались их репликации. Метод рекомбинации in vitro заключается в выделении ДНК из разных видов, получении гибридных молекул ДНК и введении рекомбинантных молекул в живые клетки с целью проявления нового признака, например, синтеза специфического белка.

Возможности получения новых штаммов микроорганизмов, обладающих способностью к сверхсинтезу целевого продукта, рассмотрим на примере продуцента антибиотика пенициллина. Изначально штамм Penicillium chrysogenum (NRRL-1951) производил 60 мг/л пенициллина. После спонтанной мутации возник новый штамм (NRRL-1951ּВ25) с выходом пенициллина 150 мг/л. После рентгеновского облучения был отобран мутант (Х-1612), дающий 300 мг/л пенициллина. После нескольких циклов мутагенеза и селекции, в которых помимо УФО применяли иприт, удалось вывести высокопродуктивный штамм (Е-15ּ1), который производил 7 г/л пенициллина. Таким образом, 21 цикл мутагенеза и селекции в течение более двух десятков лет позволил увеличить выход пенициллина в 55 раз. В настоящее время новые штаммы микроорганизмов-продуцентов дают выход более 20 г/л пенициллина.

1.3. Этапы развития биотехнологии

В начале XIX в. русский академик К.С. Киргоф впервые получил жидкий ферментный препарат амилазы из проросшего ячменя и описал ферментный процесс.

В 1857 г. Луи Пастер установил, что микробы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные виды микроорганизмов. Его исследования послужили основой развития в конце XIX и начале XX вв. бродильного производства органических растворителей (ацетона, бутанола и других), в том числе этилового спирта.

1875 г. Разработан метод получения чистых культур микроорганизмов, гарантирующий содержание в посевном материале клеток только определенного вида (Р. Кох).

В 1893 г. установлена способность плесневых грибов синтезировать лимонную кислоту (К. Вемер).

1894 г. Создан первый ферментный препарат, полученный из плесневого гриба, выращенного на влажном рисе (И. Такамине).

В 1923 г. было организовано первое микробиологическое промышленное производство лимонной кислоты, а затем молочной, глюконовой и других органических кислот. Наиболее широко используется лимонная кислота – ее применяют при производстве безалкогольных напитков, кондитерских изделий и многих других пищевых продуктов.

1925 г. Установлена возможность искусственного мутагенеза микроорганизмов (грибов) под влиянием рентгеновского облучения (Г.А. Надсон, Г.С. Филиппович).

В 30-е годы в СССР было организовано производство микробиологическим способом технических препаратов ферментов и витаминов (рибофлавина, эргостерина).

Следующий важный этап – организация промышленного производства антибиотиков, основанного на открытии химиотерапевтической активности пенициллина в 1940 г. (Флемминг, Флори и Чейни).

В военные годы (1941-1945 гг.) возросла потребность в дрожжах как источнике белковых веществ. Изучалась способность дрожжей накапливать белоксодержащую биомассу на непищевом сырье (древесные опилки, гороховая, овсяная шелуха). В блокадном Ленинграде, Москве были созданы установки, на которых производили пищевые дрожжи. В военной Германии биомассу дрожжей добавляли в колбасу и супы.

В 1948 г. советским ученым Букиным с помощью микроорганизмов был получен витамин В12, который не способны синтезировать ни растения, ни животные.

В 1961 г. установлена способность мутантов бактерий к сверхсинтезу аминокислот (С. Киносита, К. Накаяма, С. Китада). В 1961-1975 гг. было налажено промышленное производство микробиологическим путем аминокислот: глутаминовой, лизина и др.

Еще в 60-х годах ряд нефтяных и химических компаний начали исследования и разработки по созданию биотехнологических процессов получения белка одноклеточных организмов, предназначенного для добавления в пищу животным и людям. Одной из причин этого был недостаток белковой пищи в мире. Наиболее конкурентоспособными оказались процессы на основе метанола и крахмала. На основе углеводородного сырья (жидких и газообразных углеводородов) в 70-х годах в СССР впервые было создано многотоннажное производство кормовых дрожжей.

В конце 60-х годов начали применяться иммобилизованные формы микробных ферментов, которые нашли широкое применение в пищевой промышленности.

В 1972 г. разработана технология клонирования ДНК (П. Берг).

В 1975 г. с возникновением генной инженерии появилась возможность направленно создавать для промышленности микроорганизмы с заданными свойствами.

В 1981 г. проведена микрохирургическая трансплантация эмбрионов животных с целью быстрого размножения высокопродуктивных экземпляров (Вилландсон).

1.4. Основные направления в биотехнологии

В некоторых отраслях биотехнология способна заменить традиционную технологию (например, при длительном хранении продуктов, в производстве пищевых приправ, полимеров, сырья для текстильной промышленности, метанола, этанола, биогаза и водорода, а также при извлечении некоторых металлов из бедных руд). В некоторых отраслях промышленности биотехнология играет ведущую роль (табл. 1.1). Здесь, прежде всего, имеются в виду следующие области применения: производство продуктов питания (широкомасштабное выращивание микроорганизмов для получения белков, аминокислот и органических кислот, витаминов, ферментов); повышение продуктивности сельскохозяйственных культур (клонирование и отбор разновидностей растений на основе тканевых культур in vitro, использование биоинсектицидов); фармацевтическая промышленность (производство вакцин, биосинтез антибиотиков, гормонов и других соединений); уменьшение загрязнения окружающей среды (очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности) и многое другое.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое биотехнология ?

2. Какие пищевые продукты получают в настоящее время с применением пищевой биотехнологии ?

3. В чем заключается важность пищевой биотехнологии для специалистов в области товароведения и экспертизы ?

4. Что такое сверхсинтез ?

5. В чем отличие селекции от мутации ?

6. Приведите примеры мутагенных факторов.

7. Что такое генетическая инженерия ?

8. Перечислите требования, предъявляемые к микроорганизмам продуцентам.

9. В каком году начато промышленное производство лимонной кислоты с помощью микроскопических грибов ?

10. Когда было начато производство пищевых дрожжей ?

11. С какого года началось развитие генетической инженерии ?

12. Перечислите основные направления биотехнологии.

13. Каковы области применения биотехнологии в пищевой промышленности ?

Основные направления биотехнологии в различных отраслях

промышленности и практической деятельности человека

Получение новых штаммов микроорганизмов-продуцентов биомассы, используемой в качестве белковых и белково-витаминных концентратов.

Новые методы селекции растений и животных, получение генетически модифицированного сырья, клонирование.

Использование антибиотиков (в том числе полученных биотехнологическим путем) для профилактики и лечения заболеваний сельскохозяйственных животных и птиц; получение вакцин.

Применение гормонов и других стимуляторов роста.

Производство химических веществ и соединений

Производство органических кислот (лимонной, итаконовой).

Получение витаминов, антибиотиков и других веществ.

Использование ферментов в составе отбеливателей и моющих средств.

Контроль за состоянием окружающей среды

Улучшение методов тестирования и мониторинга загрязнения окружающей среды.

Прогнозирование превращений ксенобиотиков благодаря более глубокому пониманию биохимии микроорганизмов.

Усовершенствование методов переработки отходов, бытовых и промышленных, с использованием микроорганизмов, разлагающих пластмассу и другие соединения.

Применение ферментов для усовершенствования диагностики, создание датчиков на основе ферментов.

Использование микроорганизмов и ферментов при создании сложных лекарств (например, стероидов).

Продолжение таблицы 1.1.

Синтез новых антибиотиков.

Применение ферментов (пищеварительных ферментов: фестала, мезима, энзистала) и препаратов микроорганизмов (лактобактерий, бифидобактерий) в терапии.

Увеличение потребления биогаза – продукта жизнедеятельности микроорганизмов.

Крупномасштабное производство этанола как жидкого топлива.

Дальнейшее изучение и контроль биоразложения.

Создание новых методов переработки и хранения пищевых продуктов.

Применение пищевых добавок (продуцируемых микроорганизмами аминокислот, органических кислот, полимеров и др.).

Использование белка, синтезируемого одноклеточными микроорганизмами.

Применение ферментов при переработке пищевого сырья.

Использование микроорганизмов в бродильных производствах.

Применение микроорганизмов в качестве заквасок.

ТЕМА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

2.1. Стадии и кинетика роста микроорганизмов

Как известно, микроорганизмы, попав в свежую полноценную питательную среду, начинают размножаться не сразу. Этот период называют лаг-фазой – I фаза (рис. 2.1). В этот период культура как бы привыкает к новым условиям обитания. Активируются ферментные системы, если необходимо, синтезируются новые ферментные системы, клетка готовится к синтезу нуклеиновых кислот и других соединений. Продолжительность этой фазы зависит от физиологических особенностей микроорганизмов, состава питательной среды и условий культивирования. Чем эти различия меньше и чем больше посевного материала, тем короче эта фаза.

N

I II III IV V VI VII t

Рис. 2.1. Кривая роста микроорганизмов (зависимость количества клеток от времени культивирования); I , II , III , IV , V , VI , VII – фазы роста

II фаза называется фазой ускоренного роста, она характеризуется началом деления клеток, увеличением общей массы популяции и постоянным увеличением скорости роста культуры; обычно она непродолжительна.

Затем следует логарифмическая, или экспоненциальная фаза роста – III фаза. В этот период отмечается максимальная скорость роста культуры, интервалы между появлением предыдущего и последующего поколения постоянны. Логарифм числа клеток линейно зависит от времени.

Вследствие интенсивного роста и размножения культуры запас необходимых питательных веществ в среде уменьшается. Это является основной причиной снижения скорости роста культуры. Кроме того, в среде накапливаются продукты метаболизма, которые в определенной концентрации могут мешать нормальному протеканию биохимических процессов обмена веществ. Иногда в питательной среде образуется так много клеток, что для новых поколений клеток не хватает пространства, а точнее, поверхности. Скорость роста снижается, уменьшается число делений клеток, наступает IV фаза – фаза замедления или уменьшения скорости роста.

V фаза называется стационарной (фазой линейного роста). Масса и количество всех живых клеток достигает максимума. Количество вновь образовавшихся клеток на этом этапе равно количеству клеток, отмерших и автолизованных (разрушенных клеточными ферментами).

В какой-то момент это равновесие нарушается и количество отмерших клеток превышает прирост. Наступает VI фаза – фаза ускорения отмирания.

Завершается цикл роста и развития популяции в замкнутом объеме VII фазой, характеризующейся отмиранием и автолизом микроорганизмов, которая называется фазой отмирания. На этой стадии биомасса клеток значительно уменьшается, так как запасные вещества клетки исчерпываются.

Кинетика роста микроорганизмов

Для выращивания любой культуры необходимы: 1) жизнеспособный посевной материал; 2) источники энергии и углерода; 3) питательные вещества для синтеза биомассы; 4) отсутствие ингибиторов роста; 5) соответствующие физико-химические условия (температура, рН среды, наличие или отсутствие кислорода и др.).

Если все эти требования выполнены, то скорость роста (увеличения биомассы) одноклеточных микроорганизмов с бинарным делением, размножающихся в условиях хорошо перемешиваемой периодической культуры, будет пропорциональна концентрации микробной массы, то есть:

где d x / d t – скорость роста; μ – коэффициент пропорциональности, обычно называемый удельной скоростью роста; х – концентрация биомассы (на сухой вес). Если μ является постоянной величиной, то такой рост культуры микроорганизмов называют экспоненциальным или логарифмическим. Он имеет место тогда, когда состав микробной биомассы и условия окружающей среды остаются постоянными. Это относится и к смешанным культурам, в которых одноклеточные организмы равномерно распределены в культуральной среде.

2.2. Продукты микробного брожения и метаболизма

К продуктам микробного брожения и метаболизма относятся первичные метаболиты, вторичные метаболиты, ферменты и сама клеточная биомасса (так называемые белки одноклеточных микроорганизмов).

Первичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения (молекулярная масса менее 1500 дальтон), необходимые для роста микробов; одни из них являются строительными блоками макромолекул, другие участвуют в синтезе коферментов. Среди наиболее важных для промышленности метаболитов можно выделить аминокислоты, органические кислоты, пуриновые и примидиновые нуклеотиды, витамины и др. Исходными штаммами для промышленных процессов служат природные организмы и культуры с нарушениями регуляции синтеза этих метаболитов, так как обычные микробные клетки не производят избытка первичных метаболитов.

Вторичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения, образующиеся на более поздних стадиях развития культуры, не требующиеся для роста микроорганизмов. По химическому строению вторичные метаболиты относятся к различным группам соединений. К ним относят антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений, токсины и пигменты.

2.3. Сырье и состав питательных сред для

Питательная среда обеспечивает жизнедеятельность, рост, развитие биообъекта, эффективный синтез целевого продукта. Неотъемлемой частью питательной среды является вода, питательные вещества, которые образуют истинные растворы (минеральные соли, аминокислоты, карбоновые кислоты, спирты, альдегиды и т.д.) и коллоидные растворы (белки, липиды, неорганические соединения – гидроксид железа). Отдельные компоненты могут находиться в твердом агрегатном состоянии, могут всплывать, равномерно распределяться по всему объему в виде взвеси или образовывать придонный слой.

Сырье для питательных сред в биотехнологическом производстве

Сырье, используемое для получения целевого продукта, должно быть недефицитным, недорогим, по возможности легко доступным: меласса – побочный продукт производства сахара, компоненты нефти и природного газа, отходы сельского хозяйства, деревообрабатывающей и бумажной промышленностей и т.д. Наиболее часто в качестве компонентов питательных сред используются отходы пищевых производств.

Свекловичная меласса – отход производства сахара из свеклы, богата органическими и минеральными веществами, необходимыми для развития микроорганизмов. Она содержит 45-60 % сахарозы, 0,25-2,0 % инвертного сахара, 0,2-3,0 % рафинозы. Кроме того, в мелассе содержатся аминокислоты, органические кислоты и их соли, бетаин, минеральные вещества, а также некоторые витамины. Используется для промышленного производства лимонной кислоты, этанола и других продуктов.

Мелассная барда – отход мелассно-спиртового производства. Химический состав барды зависит от состава исходной мелассы и колеблется в широких пределах. По своему химическому составу мелассная барда является полноценным сырьем для производства кормовых дрожжей, не требующим добавок ростовых веществ, так как содержит достаточное количество витаминов. Содержание сухих веществ в натуральной барде – 8-12 %, в упаренной барде – 53 %.

Зерно-картофельная барда – отход спиртового производства. Содержание растворимых сухих веществ обычно составляет 2,5-3,0 %, в том числе 0,2-0,5 % редуцирующих веществ, имеются источники азота и микроэлементы. Применяется для получения микробного белка.

Отходы пивоварения (пивная дробина и солодовые ростки), а также отходы подработки несоложеного ячменя являются подходящим, однако небольшим источником усвояемых углеводов для получения микробного белка. Для производства кормовых дрожжей это сырье соответствующим образом гидролизуют и вводят в питательную среду в соотношении 8 : 0,2 : 0,05 (дробина : ростки : отходы ячменя).

Пшеничные отруби – отход мукомольного производства, используется для приготовления питательных сред при твердофазном способе культивирования. Имеют богатый химический состав и могут использоваться в качестве единственного компонента питательной среды. Так как пшеничные отруби являются дорогим продуктом, их смешивают с более дешевыми компонентами: древесными опилками, солодовыми ростками, фруктовыми выжимками и т.д.

Молочная сыворотка – отход производства сыров, творога и казеина. В связи с этим различают подсырную, творожную и казеиновую сыворотку. По химическому составу и энергетической ценности данный продукт считают «полумолоком». Молочная сыворотка очень богата различными биологически активными соединениями, ее сухой остаток содержит в среднем 70-80 % лактозы, 7-15 % белковых веществ, 2-8 % жира, 8-10 % минеральных солей. Кроме того, молочная сыворотка имеет в своем составе значительное количество гормонов, органических кислот, витаминов и микроэлементов.

Наличие в молочной сыворотке легко усвояемых многими видами микроорганизмов источников углерода, а также различных ростовых факторов, выдвигает ее в ряд наиболее ценных питательных сред для получения продуктов микробного синтеза, например, для производства белковых препаратов в промышленных масштабах. Большое значение имеет и то обстоятельство, что применение молочной сыворотки не требует специальной сложной подготовки, а культуральная жидкость после выращивания микроорганизмов может быть использована в пищевых и кормовых целях без обработки.

Другие статьи:  Налог на дарственную сколько

Состав питательных сред

Питательные среды могут иметь неопределенный состав, то есть включать биогенные (растительные, животные, микробные) добавки – мясной экстракт, кукурузную муку, морские водоросли и т.д. Применяют также среды, приготовленные из чистых химических соединений в заранее определенных соотношениях – синтетические среды.

В состав практически любой питательной среды входят такие компоненты, как вода, соединения углерода, азота, фосфора и других минеральных веществ, витамины.

Вода. Вода должна отвечать требованиям ГОСТ (чистая, бесцветная, без привкуса, запаха и осадка).

Источники углерода. Легкодоступными считаются сахара: глюкоза, сахароза, лактоза, за ними следуют многоатомные спирты: глицерин, маннит и др. Далее следуют полисахариды: целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал, которые могут быть источниками углерода либо после превращения их в усвояемые микроорганизмами моно- и низкомолекулярные олигосахариды, либо микроорганизмы должны иметь набор ферментов, гидролизующих эти вещества. Такими микроорганизмами являются плесневые грибы родов Aspergillus, Penicillium, бактерии рода Bacillus и другие.

На практике встречается большое количество микроорганизмов, которые успешно утилизируют органические кислоты, особенно в анаэробных условиях.

Низкомолекулярные спирты: метанол и этанол – относятся к числу перспективных видов сырья. Многие дрожжи родов Candida, Hansenula и др. способны ассимилировать этанол. Дрожжи родов Pichia, Candida и другие, бактерии рода Flavobacterium используют в качестве единственного источника углерода метанол.

Некоторые виды микроорганизмов (незначительная часть) используют в качестве источника углерода и энергии углеводороды: н-алканы и некоторые фракции нефти.

Источники азота. Азот может содержаться в форме неорганических солей или кислот. Большинство дрожжей хорошо усваивает аммиачные соли, а также аммиак из водного раствора, потребность в нитратах испытывают только некоторые виды дрожжей. Источником азота могут служить и органические соединения: аминокислоты, мочевина и т.д., которые легко усваиваются микроорганизмами.

Известно, что бактерии более требовательны к источникам азота, чем другие микроорганизмы (грибы, актиномицеты и дрожжи).

Источники фосфора. Фосфор является важнейшим компонентом клетки. Он входит в состав АТФ (аденозинтрифосфата), АДФ, АМФ и тем самым обеспечивает нормальное течение энергетического обмена в клетке, а также синтез белков, нуклеиновых кислот и другие процессы биосинтеза. Фосфор вносят в среду в виде солей фосфорной кислоты.

Источники витаминов и микроэлементов. Потребность микроорганизмов в этих соединениях различна, тем не менее, практически все микроорганизмы лучше растут в присутствии витаминов. Эффективной добавкой к питательным средам оказался кукурузный экстракт благодаря наличию в нем витаминов, аминокислот и минеральных элементов в легко ассимилируемых формах. В рецептуры сред включают также дрожжевой автолизат, дрожжевой экстракт, сок картофеля, молочную сыворотку, экстракт солодовых ростков и другие продукты. Микроэлементы в состав питательных сред вводят в микродозах, в противном случае они оказывают ингибирующее действие на микробные клетки.

При составлении питательной среды для конкретного вида микроорганизма подбираются наиболее подходящие источники углерода, азота, фосфора и других веществ.

2.4. Способы культивирования микроорганизмов

Ферментация (культивирование) – это вся совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и термостатированную питательную среду посевного материала (инокулята) до завершения процессов роста и биосинтеза вследствие исчерпывания питательных веществ среды.

Известно множество процессов культивирования микроорганизмов. Они различаются:

s по содержанию кислорода – на аэробные и анаэробные;

s по количеству ферментеров – на одно-, дву- и многостадийные;

s по наличию или отсутствию перемешивания – на динамические и статические;

s по состоянию питательной среды – на поверхностные и глубинные.

При поверхностном культивировании посевной материал высевают на поверхность питательной среды, распределенной небольшим слоем (около 10 см) в металлических кюветах.

При глубинном культивировании погружение клеток микроорганизмов осуществляют за счет постоянного перемешивания в течение всего процесса ферментации. Глубинный способ является более выгодным для промышленности по сравнению с поверхностным способом, так как позволяет осуществлять полную механизацию и автоматизацию процесса, избегать инфицирования технологического процесса посторонней микрофлорой.

Классификация процессов культивирования микроорганизмов по способу действия (периодический, непрерывный и промежуточные) представлена на рис. 2.2.

1. При периодическом способе культивирования стерильная питательная среда засевается исходной культурой продуцента, и далее в этой же емкости микроорганизмы при определенных условиях проходят через все стадии роста и развития популяции (кривые роста культуры мы рассмотрели ранее в п. 2.1.). Когда процесс культивирования заканчивается, емкость для выращивания освобождают, и цикл возобновляется, начиная от засева питательной среды исходной культурой продуцента. При таком способе культивирования (его можно назвать «закрытой» системой, когда хотя бы один из компонентов не может поступать в нее или выводиться из нее) скорость роста биомассы всегда должна стремиться к нулю либо из-за недостатка питательных веществ, либо из-за накопления в среде токсических метаболитов.

Процессы культивирования микроорганизмов

Динамические с перемешиванием

Твердожидкостные, иммобилизованные клетки

На плотной среде

Турбидостат и др.

Колонка с наполнителем

Рис. 2.2. Классификация процессов культивирования микроорганизмов по способу действия

Ранее применялось культивирование на поверхности плотных питательных сред в пробирках, колбах, матрасах, бутылях. Выращиваемая в этих условиях культура гетерогенна (разнородна) в физиологическом отношении, так как клетки на различных участках поверхности и в разных слоях находятся в различных условиях и развиваются неодинаково. Этот способ иногда применяется для наращивания биомассы.

В настоящее время в промышленности используют жидкие питательные среды, применение которых позволило избежать недостатков плотных питательных сред и увеличило выход процесса за счет использования больших емкостей для культивирования (ферментеров). Применение жидких питательных сред потребовало перемешивания культуры с целью выравнивания условий роста микробов в разных частях рабочего сосуда и аэрирования (насыщения кислородом). Для этого используются мешалки, качалки, бутыли с барботажем газа.

Периодический способ выращивания микроорганизмов используется для получения посевного материала на некоторых этапах, а также при микробиологическом производстве аминокислот, в производстве вакцин и т.д.2.Промежуточные способы культивирования.

2.1.Продленный периодический процесс, как и периодический, предусматривает одноразовую загрузку и разгрузку ферментера. Однако цикл развития микроорганизмов в продленном периодическом процессе удлиняется либо за счет подпитки (периодического или непрерывного добавления питательной среды), либо за счет длительного удержания клеток в системе (диализная культура). В этом случае продлевается экспоненциальная фаза и фаза линейного роста. Суть процесса диализ заключается в том, что культура развивается в пространстве, ограниченном полупроницаемой мембраной, а продукты метаболизма диффундируют во внешний раствор. Наиболее простой диализный метод – культивирование в целлофановых мешках, погруженных в питательную среду.

2.2. Многоциклическими процессами культивирования называют такие, в которых цикл выращивания культуры повторяется многократно без многократной стерилизации емкости. Многоциклическое культивирование может быть различным. Его можно вести в одном ферментере, многократно повторяя полный цикл развития культуры без перерыва на стерилизацию. Способы, осуществляемые в одном ферментере, называют одностадийными. Возможны и многостадийные многоциклические процессы, основанные на принципе повторного и последовательного периодического культивирования, протекающего в нескольких ферментерах, соединенных в батарею, с целью длительного использования культуры. Один из вариантов такого способа заключается в следующем: культура выращивается в одном биореакторе и в то время, когда она проходит в своем развитии экспоненциальную фазу, из нее берется инокулят (посевной материал) для засева следующего реактора. В первом реакторе культура доращивается до необходимой фазы роста. Когда культура во втором реакторе достигает экспоненциальной фазы, из нее также делается пересев в третий реактор и т.д. Поскольку культура все время пересевается в экспоненциальной фазе, не происходит ее старения и вырождения. Кроме того, отмечается выигрыш во времени, так как одновременно работают несколько ферментеров.

Многоциклические процессы культивирования микроорганизмов применяют как для получения биомассы, так и для производства продуктов микробного синтеза – антибиотиков, внеклеточных ферментов, аминокислот. Применение данного способа позволяет в несколько раз сократить затраты труда на производство продукта по сравнению с периодическим способом.

2.3. В полунепрерывных системах полная загрузка и разгрузка ферментера осуществляются однократно, однако в процессе роста культуры часть культуральной жидкости сливается, а освободившийся объем заливается свежей питательной средой. Таким образом функционирует сливно-доливная система. Различные варианты полунепрерывных систем используются в производстве дрожжей, водорослей, антибиотиков и лимонной кислоты.

3. При непрерывном способе культивирования микроорганизмы постоянно получают приток свежей стерильной питательной среды, а из аппарата непрерывно отбирается биомасса вместе с образуемыми метаболитами (такой способ культивирования можно назвать «открытой» системой). При непрерывном культивировании микроорганизмы не должны испытывать недостатка в питательном субстрате, так как скорость его притока сбалансирована со скоростью выхода биомассы. Кроме того, культура не отравляется продуктами обмена веществ – в этом большое преимущество непрерывного способа культивирования по сравнению с периодическим, преимущество «открытой» системы по сравнению с «закрытой». Непрерывная ферментация может проходить в гомогенной системе идеального смешения, системе полного вытеснения и ли системе твердожидкостного типа.

3.1. Гомогенные системы идеального смешения. В системе идеального смешения микроорганизмы растут в культуральной среде, постоянной по своему составу, и, следовательно, в каждый данный момент времени находятся в одном и том же физиологическом состоянии, то есть в состоянии установившегося динамического равновесия. По количеству ферментеров гомогенные системы могут быть одностадийными, двухстадийными и многостадийными.

Для получения высоких концентраций биомассы используют одностадийные системы с возвратом клеток, в которых клетки, отделенные от культуральной жидкости с помощью насоса, возвращают обратно в ферментер. Возврат клеток (рециркуляция) имеет важное значение в тех процессах, в которых за время пребывания в ферментере клетки не успевают реализовать свои потенциальные возможности в отношении синтеза целевого продукта.

Многостадийные системы состоят из ряда последовательно соединенных ферментеров – батареи. Применение многостадийных систем позволяет получать культуру при любой скорости роста – от лаг-фазы до экспоненциальной и стационарной. Многостадийное культивирование применяется при получении молочной кислоты, этилового спирта.

Основным аппаратом для выращивания непрерывной гомогенной системы является ферментер идеального смешения с устройством для потока среды и слива культуры, поддерживающим постоянный уровень среды. Такой процесс называют непрерывно-проточным, обеспечивающим одинаковую концентрацию всех продуктов внутри ферментера и в вытекающей жидкости.

Непрерывно-проточное культивирование дает возможность поддерживать постоянные условия роста микроорганизмов за счет лимитирования (ограничения) какого-то одного фактора среды. В случае, когда лимитирующим рост фактором является химический состав питательной среды, процесс называют хемостатным культивированием. В хемостате (ферментере, где протекает хемостатное культивирование) скорость разбавления питательной среды является постоянной в соответствии с заданной плотностью популяции. Изменяя скорость разбавления, можно получать режимы, обеспечивающие различную скорость роста.

Другой принцип управления процессом – турбидостат. В нем подача питательной среды осуществляется по команде фотоэлектрического элемента, регистрирующего оптическую плотность культуры в ферментере. Скорость разбавления устанавливается автоматически в соответствии с заданной плотностью популяции.

Хотя теоретически взаимосвязь между концентрацией биомассы и скорость разбавления подчиняется одним и тем же закономерностям в хемостате и турбидостате, методы управления процессами различны.

3.2. Системы культивирования полного вытеснения. Открытая система полного вытеснения отличается от системы идеального смешения тем, что культура в ней не перемешивается, а представляет собой поток жидкости через трубку. Наиболее распространенным аппаратом для культивирования в данном случае является трубчатый ферментер. Он может иметь различную форму (прямую, S-образную, спиральную) и устанавливается горизонтально или вертикально. Система полного вытеснения представляет собой пространственный, проточный вариант периодической культуры. Такая культура за время посева до выгрузки проходит через все стадии периодической культуры, то есть фазы роста распределены не во времени, а в пространстве, причем каждой части ферментера в установившемся режиме соответствует определенный отрезок кривой роста. Этот способ культивирования используется для анаэробных процессов. Посев осуществляется непрерывно на входе в ферментер одновременно с подачей среды. Этот принцип может использоваться на стадии брожения при производстве пива.

3.3. Системы твердожидкостного типа. К системам твердожидкостного типа относят многофазные системы, в которых культура растет на границе разных фаз: жидкость – твердая фаза – газ. В этих системах клетки удерживаются путем прилипания к твердой основе – наполнителю и размножаются на нем, образуя пленку биомассы. Типичным примером является производство уксуса в стружечных аппаратах.

В данной системе лимитирующим фактором для аэробных микробов являются кислород и субстрат (питательные вещества). В тонких пленках каждая из прикрепленных в поверхности клеток полностью обеспечена этими веществами и способна расти и размножаться с максимальной экспоненциальной скоростью. По мере того, как клетки образуют более толстую пленку биомассы, рост их ограничивается (верхним слоям не хватает кислорода, нижним – питательных веществ).

Культивирование микроорганизмов, образующих пленку из биомассы, осуществляется в ферментере типа колонки с наполнителем. В качестве наполнителя может использоваться макроноситель (кокс, прутья, стружка, стеклянные шарики и т.д.) и микроноситель (амберлитовые смолы, частички сефадекса и т.д.). Клетки, культивируемые таким образом, называют иммобилизованными. Использование иммобилизованных клеток имеет несколько преимуществ.

Во-первых, появляется возможность длительной эксплуатации клеток в случае непрерывной ферментации.

Во-вторых, известны примеры повышения устойчивости клеток к действию различных неблагоприятных внешних факторов (температуры, кислотности, концентрации токсичных веществ и других) в результате иммобилизации.

В-третьих, существенно упрощаются процедуры выделения используемых клеток и культуральной жидкости, содержащей целевой продукт.

В-четвертых, благодаря применению иммобилизации обычно снижаются энергозатраты на процесс в целом: за счет уменьшения (а следовательно, и удешевления) размеров применяемых ферментеров; а также за счет упрощения процедур выделения и очистки конечного продукта.

В промышленной микробиологии системы твердожидкостного типа нашли применение при очистке сточных вод, в производстве органических растворителей и кислот и т.д.

2.5. Культивирование животных и растительных клеток

Особенности культивирования животных клеток

Животные клетки используются для культивирования вирусов, при производстве вакцин, для получения интерферона и т.д.

Суспензию отдельных клеток получают обработкой размельченной ткани эмбриона пищеварительным ферментом трипсином. Если клеткам в такой суспензии дать осесть на плоскую поверхность в сосуде с питательной средой, то клетки становятся плоскими и делятся, образуя монослой. В обычной методике культивирования пользуются цилиндрическими бутылями, которые медленно вращаются вокруг своей длинной оси. Рост клеток и выход биомассы можно увеличить, добавив к суспензии носитель – микроскопические гранулы из инертного синтетического полимера, на которых клетки закрепляются. Деление клеток млекопитающих происходит примерно раз в сутки (для сравнения – клетки дрожжей делятся каждые 1,5-2 ч, а бактериальные клетки – каждые 20-60 мин). Клетки млекопитающих нуждаются в многочисленных питательных веществах, поэтому в питательную среду следует добавлять смесь аминокислот, пуринов и пиримидинов для синтеза белков и нуклеиновых кислот, глюкозу в качестве источника углерода и энергии, витамины и минеральные соли для поддержания необходимого осмотического давления и значения рН, близкого к 7,2. Среда также должна содержать небольшие концентрации антибиотиков для подавления роста бактерий и 5-20 % сыворотки (из крови человека или из плода крупного рогатого скота). Для оптимального роста температуру культуры необходимо поддерживать около 37 ºС, так как ниже 36 ºС клетки либо делятся крайне медленно, либо не делятся вовсе; при температуре выше 38 ºС погибают. Большинство культур клеток млекопитающих, в том числе и клеток человека, удается сохранять неопределенно долгое время замороженными в специальной среде при – 180 ºС.

Особенности культивирования растительных клеток

Культивирование растительных клеток в крупных масштабах было освоено в 1976 г. японскими исследователями, которым удалось получить растительную биомассу в объеме 20 м 3 . Получение массы растительных клеток обходится намного дороже, чем равное количество бактериальных или дрожжевых клеток. Поэтому ученые стараются избежать разрушения клеток с целью извлечения из них полезных для человека соединений. В связи с этим, растительные клетки иммобилизуют внутри пористых полимеров. Доказано, что в таком состоянии клетки удается поддержать жизнеспособными в течение нескольких сотен дней. Проблемой остается извлечение метаболитов в том случае, когда они синтезируются внутри клеток, а не выделяются в среду.

Культуры растительных клеток применяют для синтеза различных веществ: алкалоидов и других вторичных метаболитов, фитогормонов (регуляторов роста растений) и т.д.

Использование растительных клеток является перспективным направлением биотехнологии, так как клетки, растущие в культуре, способны синтезировать вещества, которые не обнаруживаются в целом растении.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите основные стадии роста микроорганизмов.

2. Что необходимо для выращивания любой клеточной культуры ?

3. Какие продукты микробного брожения и метаболизма Вы знаете ?

4. Какие соединения – первичными или вторичные метаболиты – необходимы для роста микроорганизмов ?

5. Перечислите отходы пищевой промышленности, широко используемые в качестве сырья для биотехнологического производства.

6. Назовите компоненты, которые обязательно должны присутствовать в питательной среде.

7. Для чего в состав питательных сред вводят источники азота и фосфора ?

8. Что такое ферментация (культивирование) ?

9. Перечислите способы культивирования микроорганизмов.

10. В чем особенности периодического способа ферментации ?

11. Где применяется данный способ ?

12. Каковы особенности промежуточных способов культивирования ?

13. В чем преимущество непрерывного способа культивирования ?

14. В чем отличие хемостата от турбидостата ?

15. Что такое иммобилизованные клетки, и каковы преимущества их применения ?

16. Расскажите об особенностях культивирования животных и растительных клеток.

ТЕМА 3. ОБЩАЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ МИКРОБНОГО СИНТЕЗА

Процессы биотехнологических производств разнообразны, но все они имеют пять общих основных стадий, которые могут различаться в зависимости от целевого продукта и способа его получения. Основные стадии следующие: приготовление питательной среды; получение посевного материала; культивирование микроорганизмов; выделение целевого продукта; очистка целевого продукта. Общая биотехнологическая схема производства продуктов микробного синтеза приведена на рис. 3.1.

3.1. Приготовление питательной среды

Задача специалиста, оптимизирующего состав среды для конкретного вида микроорганизма, – выбрать такие источники углерода, азота, фосфора и других веществ, которые наиболее оправданы в экономическом и экологическом отношениях.

Принцип составления питательных сред. Каждый конкретный вид микроорганизмов, используемых в биотехнологии, строго избирателен к питательным веществам. Потребность микроорганизма в тех или иных соединениях определяется физиологическими особенностями данного вида микроба, но во всех случаях среда должна быть водным раствором этих веществ и обеспечивать в определенном количестве их приток в клетку.

В самом приближенном виде физиологические потребности микроорганизма в питательных веществах можно выявить, определив химический состав микробной клетки. Однако в этом случае не учитываются количество и состав метаболитов, удаленных клеткой во внешнюю среду, и то обстоятельство, что состав клеточного вещества микроорганизма зависит от состава среды обитания и варьирует в достаточно широких пределах. Но все же, первоначальную ориентировку в выборе оптимального состава питательной среды, исходя из состава клеточного вещества микроба, сделать можно.

Важнейшим условием приготовления питательных сред является соблюдение правил асептики. Для обеззараживания питательных сред применяют, как известно, химическое воздействие (дезинфекцию), воздействие температуры и других физических факторов (ультразвука, ультрафиолетовых лучей, ультрафильтрации). Каждый из этих методов весьма избирателен. В биотехнологии широко применяют термические методы обеззараживания питательных сред (автоклавирование, стерилизацию, кипячение и др.). Споры микроорганизмов более устойчивы к высокой температуре, поэтому именно споры бактерий являются лимитирующим фактором, определяющим температурные режимы стерилизации сред.

Для стерилизации воздуха в случае аэробных процессов культивирования используют фильтрование и ультрафиолетовое облучение.

Продуцент