ЛЕКЦИЯ 2

СЫРЬЕ В БИОТЕХНОЛОГИИ

Вопросы:

1. Сырье для биосинтеза и оценка его биологической ценности;

2. Возобновляемое растительное сырье. Его характеристика и примеры возобновляемых биотехнологических производств;

3. Оптимизация питательных сред с биотехнологии. Методы оптимизации питательных сред;

4. Культивирование клеток и тканей растений, животных и человека.

ВОПРОС №1. СЫРЬЕ ДЛЯ БИОСИНТЕЗА И ОЦЕНКА ЕГО БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ

Сырье для процессов ферментации прежде всего решает проблему формирования питательных сред, в которых должны содержаться необходимые элементы для наращивания биомассы; среда так же является средой обитания микроорганизмов. Если рассматривать биомассу как набор элементов, то он предстанет в следующем виде: углерод (50%), водород (8%), кислород (20%), азот (14%), фосфор (3%) и сера (1%), составляющих до 95 – 97% сухой массы клеток. Кроме того в клетках содержатся 3 – 4% макроэлементов: калий (до 1%), натрий (до 1%), кальций (до 0,5%), магний (до 0,5%), железо (до 0,2%).

Микроэлементы входят в состав биомассы в следовых количествах (до 0,3%), в том числе марганец, кобальт, медь, молибден, цинк, бор и т.д. Повышенные концентрации этих элементов оказывают ингибирующее действие на развитие микроорганизмов, но без их микродоз обойтись нельзя. Витамины требуются для развития многих микроорганизмов ауксогетеротрофов – не способных синтезировать их самостоятельно. Чаще всего необходим комплекс витаминов группы В – тиамин, никотиновая кислота, пантотеновая кислота, пиридоксин, инозит и биотин (последнего недостает чаще всего). Но количество витаминов требуется довольно малое, они могут находиться в натуральном сырье. Потребности микроорганизмов в питании разнообразны, они зависят от физиологии и являются основой рецептуры сред. Универсальных сред нет.

По физическому состоянию среды могут быть твердые, жидкие и сыпучие (увлажненные отруби, зерно, солома, опилки). По составу среду могут быть натуральными или синтетическими. Натуральные среды включают в себя продукты растительного и животного происхождения, сложные и непостоянные по составу. Синтетические среды составляются из определенных химических соединений, обычно из небольшого числа веществ. Они более дороги и менее продуктивны. В них то и необходимо вносить микро- и макроэлементы, а также витамины.

Сырье представляет собой имеющиеся в распоряжении конкретные вещества, чистые или комплексные, которые содержат необходимые питательные компоненты. Они должны быть доступными и не очень дорогими, не содержать вредных примесей. Поэтому на каждый вид используемого сырья должны быть стандарты, определяющие его качество.

Вода – по массе самый значительный вид сырья, хотя и самый дешевый. Многие продукты биотехнологических производств определяются количеством воды (взять хотя бы пиво и вино). Как и к другим компонентам сырья к воде применимы требования.

Вода должна быть биологически чистой (не более 100 микроорганизмов на 1 мл воды), бесцветной, без привкуса и запаха, не должна давать осадок. Сухой остаток после выпаривания не должен превышать 1 г/л, жесткость – не более 7 мг-экв/л. Слишком жесткая вода неблагоприятно влияет на процесс ферментации. По содержанию вредных примесей введены следующие ограничения:

• Свинец – до 0,1 мг/л;

• Мышьяк – до 0,05 мг/л;

• Фтор – до 1,5 мг/л;

• Цинк – до 5 мг/л;

• Медь – до 3 мг/л.

1. Источники углеродного питания

Углеводы – наиболее часто используемые в процессах ферментации вещества. К ним относятся глюкоза, сахароза, лактоза, крахмал и т.д.

Гидрол – отход крахмально-паточного производства. Представляет собой густой темный сироп с запахом. Содержит до 50% углеводов, в основном глюкозу, а также органические кислоты. Часть сахаров не сбраживается. Зольность до 6%.

Меласса – отход производства сахара (упаренная маточная жидкость после отделения кристаллов сахара). Имеет темно-коричневый цвет. Содержат от 40 до 55% сахарозы, 0,5 – 2% инвертного сахара (искусственный мед). Имеется 1 – 1,5% азота, причем третья часть его – в форме бетаина, который микроорганизмами не используется. Содержит также аминокислоты и витамины группы В (биотин до 80 мг/т). В золе много калия, магния, кальция, железа, но мало фосфора. Меласса – продукт сезонный. При хранении могут быть потери сахаров в результате деятельности микроорганизмов.

Кукурузная мука содержит 65 – 70% крахмала, 10% других углеводов, около 12% белков. В золе присутствует много фосфора, калия, магния.

Пшеничные отруби – отход мукомольного производства, используется в твердой ферментации. Содержат 15 – 20 % крахмала, 10 – 15% белков, 10 % клетчатки, 3 – 4% жиров.

Молочная сыворотка (творожная, подсырная). Содержит 4 – 4,5% лактозы, до 1% белков, до 0,5% жиров, органические кислоты. Недостатком молочной сыворотки является нестабильность при хранении, которого в значительной степени лишены сухая и сгущенная сыворотки.

Свекольный жом – отход сахарного производства, содержит пектины и целлюлозу, до 25%, «безэкстрактивные вещества» 65%, белки – 10%.

Гидролизаты древесины. Сама древесина является не очень «вкусным» сырьем, но после предварительной обработки – высокотемпературного кислотного гидролиза – превращается в гидролизаты. Целлюлоза и пентозаны гидролизируются до глюкозы и других сахаров. Содержание углеводов зависит от породы древесины и технологии гидролиза и составляет 5 – 10%. Кроме древесины можно использовать различные целлюлозосодержащие отходы сельского хозяйства (солому, кукурузные кочерыжки, стебли хлопчатника).

Сульфитные щелока – отход целлюлозно-бумажного производства, продукт гидролиза лигнина и гемицеллюлозы, содержат сбраживаемые сахара (до 4%).

Гидролизаты торфа – получают после кислотного гидролиза торфа, который содержит полисахариды до 50% от их содержания в древесине. Упаренный гидролизат имеет 25 – 30% редуцирующих сахаров, а также азот и фосфор в доступной для микроорганизмов форме.

Сок растений (коричневый сок) – до 2% сахаров.

Отходы спиртового производства (картофельная и зерновая барда) – содержит от 2 до 3% редуцирующих сахаров.

Картофельный сок – содержит до 1% углеводов (крахмал).

Неуглеводные источники углерода

Жидкие углеводороды – парафины с длиной углеродной цепи 10 – 27 атомов. Используются при производстве кормовых дрожжей, лимонной кислоты, биопрепаратов – деструкторов нефти.

Углеводородные газы – метан, этан, пропан, бутан – применялись для получения кормового белка и некоторых продуктов переработки биомассы (в том числе и феромонов).

Спирты. Этанол используется для выращивания кормовых дрожжей, производства уксусной кислоты и многих других биопродуктов. Метиловый спирт, хотя и является ядом для человека, очень подходит для культивирования многих микроорганизмов – кормового белка и продуктов его переработки (например, убихинонов – средств для лечения сердечно-сосудистых заболеваний).

Уксусная кислота – (синтетическая) иногда используется как источник углерода при получении аминокислот микробиологическим синтезом.

Жиры и масла. В историческом плане, жиры и масла применялись как средства для предотвращения пенообразования в процессах ферментации. Например, в производстве тетрациклина долгое время использовали кашалотовый жир, пока международная конвенция не наложила запрет на промысел кашалотов и китов. Для пеногащения стали применять синтетические поверхностно-активные вещества – пеногасители. Тогда и выяснилось, что кашалотовый жир был нужен продуценту тетрациклина и как источник углеродного питания. Пришлось заменить его свиным жиром (лярдом), растительными маслами. Говяжий и бараний жир, а так же пальмовое масло использовать было трудно, так как они при обычной температуре являлись твердыми продуктами.

Среди растительных масел в процессах ферментации применяются подсолнечное, соевое, арахисовое, льняное, рапсовое, касторовое, кокосовые масла, иногда даже масло бобов какао. Следует отметить, что излишнее употребление жиров приводит к трудностям на стадии выделения и очистки продукта.

Экзотические углеродные субстраты

Довольно медленно микроорганизмами используется лигнин – отход гидролизного производства. В лабораторной практике часто применяются агаризованные среды – на основе агара – полисахарида из морских водорослей. Хитин – покрытие насекомых и морских моллюсков, некоторых грибов – пока без особых успехов пытаются использовать как источник углерода. Еще меньшие результаты дает использование каменного угля и сланцев (конечно, с предварительной термообработкой).