Материал: Melnuchuk_Promuslova biotexnologij

РОЗДІЛ 7. БІОТЕХНОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ВИКОРИСТАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ У ХЛІБОПЕЧЕННІ, ПИВОВАРІННІ ТА ОТРИМАННІ БЕЗАЛКОГОЛЬНИХ НАПОЇВ

того, смакові й ароматичні якості готового виробу зберігаються досить довго.

Ще однією перевагою цільового застосування ЯСЕ в кількості 1до 5% від маси борошна є уникнення передчасного черствіння хлібобулочних виробів, виготовлених із замороженого тіста. Класичним використанням солодових екстрактів у кількості від 0,5 – 2.5% від маси борошна є борошняні кондитерські вироби тривалого збереження – пряники, печиво крекер, рулети тощо. ЯСЕ сприяє еластичності та м'якості тіста за рахунок вуглеводів натурального походження, що містяться в ньому. Це забезпечує продовження терміну придатності хлібобулочних і кондитерських виробів тривалого зберігання, а також поліпшує смакову гаму випічки.

Мета роботи: Ознайомлення з особливостями приготування хлібного квасу з концентрату квасного сусла

Матеріали та обладнання: ячмінно-солодовий екстракт для приготування квасу, культура дріжджів, міні –пивоварня.

Хід роботи:

1.З концентрату квасового сусла готують напівфабрикат шляхом розчинення його водою у 2-2,5 рази.

2.До готового квасового сусла додають 25 % цукру від кількості, передбаченої за рецептурою (у вигляді відфільтрованого цукрового сиропу) і комбіновану закваску з чистих культур дріжджів і молочнокислих бактерій.

3.Бродіння здійснюють за температури 25-30°С до зниження вмісту сухих речовин на 0,8-1,0 % і досягнення кислотності 2 см 1,0 моль/дм розчину КаОН на 10 дм квасу.

4.Звільнений від дріжджового осаду квас купажують, додаючи до нього решту (75 %) цукру і 30 % концентрату квасового сусла.

5.Готовий квас ретельно перемішують, перевіряють на відповідність до якісних показників вимог стандарту, охолоджують до температури 12°С і подають на розлив.

6.Фасування квасу здійснюють за ізобаричних умов.

161

РОЗДІЛ 8. ОСОБЛИВОСТІ БІОСИНТЕТИЧНОЇ АКТИВНОСТІ ПРОДУЦЕНТІВ ПЕРВИННИХ ТА ВТОРИННИХ МЕТАБОЛІТІВ

РОЗДІЛ 8. ОСОБЛИВОСТІ БІОСИНТЕТИЧНОЇ АКТИВНОСТІ ПРОДУЦЕНТІВ ПЕРВИННИХ ТА ВТОРИННИХ МЕТАБОЛІТІВ

8.1. Біотехнологія отримання мікробних ферментів

Як продуценти ферментів використовуються культури представників різних таксономічних груп - бактерій, актиноміцетов, мікроскопічних та вищих базидіальних грибів. Останні в лабораторній та промисловій культурі ведуть себе аналогічно мікроскопічним грибам.

До мікроорганізмів - продуцентів ферментів ставляться такі вимоги: наявність високої ферментативної активності; переважний синтез ферменту або групи ферментів, що перетворюють певний субстрат; генетична стабільність за ознакою синтезу ферменту або ферментів; достатньо висока швидкість росту; здатність рости на середовищах з доступними і недорогими джерелами живлення.

Серед мікроорганізмів, що володіють високою активністю певного ферменту, перевага віддається тим, які в оптимальних фізіологічних умовах здатні синтезувати переважно один фермент або групу споріднених ферментів (наприклад, тільки α-амілазу або тільки комплекс целюлаз). Це пов'язано з тим, що, по-перше, при направленому синтезі досягається найбільш висока ферментативна активність, по-друге, препарати з вираженою активністю певних ферментів і відсутністю або слідовими кількостями інших ферментів можуть застосовуватися для впливу на індивідуальні компоненти складних субстратів, по-третє, такі ферментні препарати зручні для складання мультиензимних композицій із заданою активністю декількох ферментів.

Здатність до активного синтезу одного або групи близьких ферментів властива тим мікроорганізмам, у яких біосинтез цих ферментів носить не конструктивний, а індукований характер, тобто різко посилюється в присутності індукторів, в якості яких найчастіше виступають субстрати ферментів або продукти їх неповного розщеплення.

Найважливішою якістю продуцента ферменту є його генетична стабільність, яка виражається в здатності зберігати протягом багатьох поколінь певний рівень біосинтезу ферменту у відповідних умовах.

Генетична стабільність властива природним штамам мікроорганізмів, які пройшли тривалий шлях природного відбору. Однак у практиці часто використовують штами, отримані штучною селекцією, із застосуванням мутагенів. Такі штами мають високу мінливість, нестабільність ознак.

Необхідна постійна селекційна робота з підтримання корисних ознак штамів на певному рівні. При цьому спираються на відому кореляцію зовнішніх (морфологічних) і фізіолого-біохімічних ознак мікроорганізмів. Контроль за появою небажаних форм ведуть як шляхом їх візуального

162

РОЗДІЛ 8. ОСОБЛИВОСТІ БІОСИНТЕТИЧНОЇ АКТИВНОСТІ ПРОДУЦЕНТІВ ПЕРВИННИХ ТА ВТОРИННИХ МЕТАБОЛІТІВ

виявлення при розсівах штамів, так і за допомогою серологічних методів, виявляючи неактивні варіанти з їх реакції із специфічними сироватками.

Нестійкість генетичних ознак - причина частої зміни продуцентів ферментів в умовах промислового виробництва. Зміна штаму тягне за собою зміну ферментативного комплексу препаратів, фізико-хімічних і каталітичних властивостей окремих компонентів. Це може виражатися в зміні оптимальних умов дії ферментів (рН, температури), термо- і рНстабільності, стійкості до дії інгібіторів і до протеолізу, здатності атакувати нативний або модифікований субстрат, співвідношення продуктів реакції, граничного ступеня перетворення субстрату.

Зміна таких характеристик, як гідрофобність ферменту, величина молекулярної маси, ізоелектрична точка, поверхневий заряд молекули при певному рН, відбивається на технологічних властивостях ферменту, його поведінці і процесах очищення і виділення, що впливає на склад і властивості ферментативного комплексу препарату. Зміна складу і властивостей ферментативних комплексів спостерігається не тільки при зміні штамів-продуцентів, але і при появі нехарактерних морфологічних варіантів, що утворюються в процесі природної мінливості культур мікроорганізмів. Враховуючи названі фактори, доцільно періодично уточнювати характеристики ферментних препаратів.

До суто технологічних характеристик продуцентів ферментів слід віднести їх швидкість росту, стійкість до інфекції, ставлення до джерел живлення та інших зовнішніх факторів. Культивування продуцентів ферментів проводять в умовах стерильності (глибинний процес) або максимально можливого наближення до них (поверхневий твердофазний процес). Збереження чистоти культури не менш важливо, ніж генетична стабільність продуцента. Забезпечення стерильності полегшується при нетривалому культивуванні продуцента і наявності у нього природних механізмів захисту від інфекції. Стабільність рівня біосинтезу ферментів вище у мікроорганізмів, здатних розвиватися в широкому діапазоні зміни зовнішніх факторів, таких як концентрація джерел живлення, реакція середовища, рівень аерації та ін. Виходячи з економічних міркувань, доцільно використовувати доступні і недорогі джерела живлення.

У промисловості випускається широкий асортимент препаратів мікробного походження, продуцентами яких є представники різних таксономічних груп. Більшу частину валової кількості ферментів, особливо гідролітичних, виробляють на основі культивування бацил (Вacillus subtilis), мікроскопічних грибів родів Aspergillus, Penicillium, Trichoderma,

а також актиноміцетів родів Actinomyces, Streptomyces. Найчастіше використовують мезофільні штами аеробних мікроорганізмів.

Переважним способом культивування мікроорганізмів є глибинний, заснований на вирощуванні продуцентів в стерильних рідких середовищах з примусовою аерацією (для аеробних форм) і перемішуванням середовища, при автоматичному регулюванні параметрів процесу, таких як

163

РОЗДІЛ 8. ОСОБЛИВОСТІ БІОСИНТЕТИЧНОЇ АКТИВНОСТІ ПРОДУЦЕНТІВ ПЕРВИННИХ ТА ВТОРИННИХ МЕТАБОЛІТІВ

температура, рН середовища, її окислювально-відновний потенціал, концентрація розчиненого кисню.

Поряд з глибинним застосовується поверхневий спосіб культивування, коли культури продуцентів вирощують на поверхні рідких і сипучих (твердофазне культивування) поживних середовищ (висівки, буряковий жом, подрібнена целюлозовмісна сировина, солодові паростки та ін.). Останні зволожують і стерилізують.

Пріоритет віддають твердофазному процесу, так як умови культивування продуцентів максимально наближені до природних, в яких більш повно реалізується біопотенціал мікроорганізмів. Клітини мікроорганізмів безпосередньо контактують з поживними субстратами і не піддаються несприятливим механічним впливам, неминучим при глибинному культивуванні. Твердофазна культура добре аерується. Наприкінці ферментації отримують культуру у формі, зручній для виділення ферментних препаратів.

Глибинне культивування використовується як для аеробних, так і для анаеробних продуцентів, твердофазне – тільки для аеробних, а саме для мікроскопічних та вищих базидіальних грибів.

Розрізняють ферментні препарати розчинні і іммобілізовані. У розчинних препаратів активна частина розчиняється у водному середовищі. По закінченні ферментативної обробки субстрату розчинний препарат залишається в реакційному середовищі і вдруге не використовується. Поряд з розчинними випускають також іммобілізовані ферменти. Іммобілізація - це включення об'єкта в ізольовану фазу, яка відокремлена від фази вільного розчину, але здатна з нею обмінюватися молекулами (субстратів, ефекторів).

Іммобілізовані ферменти отримують шляхом зв'язування з носіями розчинних ферментів або клітин мікроорганізмів, що володіють ферментативною активністю. Найбільш поширені способи зв'язування - це сорбція на носії, ковалентне зв'язування і включення в структуру гелівносіїв. Іммобілізація наближає умови функціонування ферментів до природних. У природі більша частина ферментів асоційована зі структурами живих організмів або елементами навколишнього середовища, що важливо для прояву активності ферментів та їх стабільності.

Іммобілізовані ферменти мають ряд переваг перед розчинними при проведенні процесів промислового біокаталізу. Іммобілізовані ферменти можна вилучити з реакційного середовища, що дозволяє контролювати хід ферментативної реакції і багаторазово використовувати ферментні препарати. Каталітичний процес можна проводити безперервно, пропускаючи розчини субстратів через реактори з іммобілізованими ферментами. Продукти реакції не забруднюються домішками ферментних препаратів. Іммобілізовані ферменти мають високу операційну

164

РОЗДІЛ 8. ОСОБЛИВОСТІ БІОСИНТЕТИЧНОЇ АКТИВНОСТІ ПРОДУЦЕНТІВ ПЕРВИННИХ ТА ВТОРИННИХ МЕТАБОЛІТІВ

стабільність, а їх каталітичні властивості можливо модифікувати, змінюючи спосіб зв'язування і вид носія.

Застосування іммобілізованих ферментів дозволило вирішити завдання створення великих промислових біокаталітичних виробництв, за допомогою яких виробляють амінокислоти, органічні кислоти, цукри, органічні розчинники, метан, антибіотики, гормональні препарати, здійснюють очищення стічних вод і водойм, біоконверсію органічних відходів (табл.20).

Велика кількість промислово важливих ферментів відносяться до класу деполімераз і є позаклітинними, діючи на полісахариди, білки і нуклеїнові кислоти. Переваги позаклітинних ферментів для їх промислового отримання полягають у наступному:

–доступність виявлення штамів-продуцентів за рахунок дифузії ферментів у агаризоване середовище, що містить субстрат для них і появи навколо колоній зон, що свідчать про дію ферменту;

–можливість підвищення кількісного виходу ферментів:

а) за рахунок правильного вибору штамів-продуцентів; б) мутагенезу клітин продуцента; в) селекції продуцента на надсинтез ферментів;

Таблиця 20 Найбільш важливі ферменти і області їх застосування

г) клонування генів, відповідальних за продукцію ферментів; д) регуляції синтезу продукції ферментів факторами зовнішнього

середовища;

–можливість створення умов культивування, що забезпечують максимальну продукцію ферменту;

–відносна простота і легкість очищення ферментних препаратів.

165